JP2013140988A - ウエハ張り合わせ装置及びウエハ張り合わせ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャンバー内の体積をできるだけ小さくするとともに複数台の加圧システムを使って生産性の高い加圧システムを提供する。
【解決手段】 加圧システム（７１，ＷＨＬ）は、第１チャンバー（７０）と、第１チャンバー内に収納され、第１基板（Ｗ１）と第２基板（Ｗ２）とを加圧し一体基板に加工する複数の加圧装置（７２）と、第１基板及び第２基板を加圧装置に搬入する搬入位置（ＰＬ）と一体基板を加圧装置から搬出する搬出位置（ＰＬ）とに、複数の加圧装置を順次移動させる駆動装置と、第１チャンバー外に配置され搬入位置に第１基板及び第２基板を搬入し搬出位置から一体基板を搬出する搬送装置（ＷＨＬ）と、を備える。
【選択図】 図３Ａ

Description

本発明は、本発明は基板の積層工程における加圧システムに関するもので、特に基板と基板とを加圧して一枚の基板を接合する加圧システムに関するものである。

近年、携帯電話やＩＣカード等の電子機器の高機能化に伴い、その内部に実装される半導体デバイス（ＬＳＩ、ＩＣなど）の薄型化又は小型化が進んでいる。また、線幅を狭くすることなく記憶容量を増すために半導体ウエハを数層重ね合わせた三次元実装タイプの半導体デバイス、例えばＳＤカード又はＭＥＭＳなどが増えつつある。

これら半導体デバイスの製造工程の中において、特許文献１は生産性を上げるため、１台１台のチップではなく半導体ウエハ同士を重ね合わせて接合する加圧システムが提案されている。特許文献１に示すような加圧システムにおいては、１枚の半導体ウエハを載置した１枚のウエハホルダを一対用意してそれぞれを向かい合わせに加圧することで三次元実装タイプの半導体デバイスを製造している。

特開２００７−１１５９７８号公報

しかしながら、半導体ウエハ同士を重ね合わせて加圧するには半導体ウエハを加熱したりしなければならず、かかる接合処理が完了するには３０分から６０分ぐらいかかる。半導体ウエハ単位で加圧処理するにおいても時間がかかってしまうのでより生産性の高い加圧システムが望まれている。また、時間を短縮するために加圧システムを複数台設置しようとすると、真空チャンバー又は不活性ガスチャンバーを複数台分用意することになり、費用及び設置面積が増大していた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、真空チャンバー又は不活性ガスチャンバー内の体積をできるだけ小さくするとともに複数台の加圧システムを使って生産性の高い加圧システムを提供することを目的としている。

本観点に係る加圧システムは、第１チャンバーと、第１チャンバー内に収納され、第１基板と第２基板とを加圧し一体基板に加工する複数の加圧装置と、第１基板及び第２基板を加圧装置に搬入する搬入位置と一体基板を加圧装置から搬出する搬出位置とに、複数の加圧装置を順次移動させる駆動装置と、第１チャンバー外に配置され、搬入位置に第１基板及び第２基板を搬入し搬出位置から一体基板を搬出する搬送装置と、を備える。
このような構成によれば、搬送装置が第１チャンバー外に配置されることで、第１チャンバーの体積を小さくすることができる。そして第１チャンバー内に複数の加圧装置を配置することで設置面積を小さくできる。

本発明の加圧システムは生産性の高く第１チャンバーの体積を小さくできるという利点がある。

ウエハ張り合わせ装置１００の全体斜視図である。 ウエハ張り合わせ装置１００の上面概略図である。 ローダーアンローダーチャンバ６０、ロボットチャンバー８０及び加圧チャンバー７０を示した上面図及び断面図である。 （ａ）加圧ユニット７１の断面図である。（ｂ）カローセル８４の上面図である。 加圧ユニット７１とロボットチャンバー８０とのウエハホルダＷＨの受け渡しに関するフローチャートである。 加圧装置７２の詳細構成図である。

＜ウエハ張り合わせ装置の全体構成＞
図１はウエハ張り合わせ装置１００の全体斜視図であり、図２はウエハ張り合わせ装置１００の上面概略図である。
ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハローダーＷＬ及びウエハホルダローダーＷＨＬを有している。ウエハローダーＷＬ及びウエハホルダローダーＷＨＬは、多関節ロボットであり六自由度方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ，θＹ，θＺ）に移動可能である。さらにウエハローダーＷＬはレールＲＡに沿ってＹ方向に長い距離移動可能であり、ウエハホルダローダーＷＨＬはレールＲＡに沿ってＸ方向に長い距離移動可能である。

ウエハ張り合わせ装置１００は、その周辺に半導体ウエハＷを複数枚収納するウエハストッカー１０を有している。ウエハ張り合わせ装置１００は、第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２とを張り合わせるため、第１半導体ウエハＷ１を収納するウエハストッカー１０−１と第２半導体ウエハＷ２を収納するウエハストッカー１０−２とが用意されている。また、ウエハストッカー１０の近郊に半導体ウエハＷをプリアライメントするウエハプリアライメント装置２０が設けられている。ウエハローダーＷＬによりウエハストッカー１０から取り出された半導体ウエハＷがウエハプリアライメント装置２０に送られる。特に第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２とを区別する必要のないときには半導体ウエハＷという。

ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハホルダＷＨを複数枚収納するウエハホルダストッカー３０を有している。ウエハホルダＷＨは第１半導体ウエハＷ１に対しても第２半導体ウエハＷ２に対しても共用して使用することができるため、ウエハホルダストッカー３０は一箇所である。また、ウエハホルダストッカー３０の近郊にウエハホルダＷＨをプリアライメントするウエハホルダプリアライメント装置４０が設けられている。ウエハホルダローダーＷＨＬによりウエハホルダストッカー３０から取り出されたウエハホルダＷＨがウエハホルダプリアライメント装置４０に送られる。ウエハホルダプリアライメント装置４０では、プリアライメントされたウエハホルダＷＨに対して、プリアライメントされた半導体ウエハＷがウエハローダーＷＬにより載置される。

ウエハ張り合わせ装置１００は、一対の半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨをアライメントし、２枚の半導体ウエハＷを半導体装置の線幅精度で重ね合わせるアライナー５０を有している。アライナー５０にはウエハホルダプリアライメント装置４０から半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨがウエハホルダローダーＷＨＬにより送られてくる。

また、アライナー５０で重ね合わされた半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨは、ローダーアンローダーチャンバ６０に最初に運ばれ、ロボットチャンバー８０内のウエハホルダローダーＷＨＬにより加圧ユニット７１に送られる。

ウエハ張り合わせ装置１００の加圧ユニット７１は、ウエハホルダＷＨを介してアライナー５０で重ね合わされた半導体ウエハＷ同士を加熱し加圧し接合する。加圧チャンバー７０内の加圧ユニット７１は、ヒーターにより半導体ウエハＷで所定温度まで加熱し、且つエレベーションモジュールＥＭ（図５参照）により所定の圧力を所定の時間加えることで、半導体ウエハＷ上の貫通電極であるＣｕなどの金属バンプ同士を接合する。この時半導体ウエハＷ間に樹脂を封入して加熱することもある。また、加圧チャンバー７０内は真空状態に保持されている。

図２に示すように、加圧ユニット７１は６台の加圧装置７２から構成される。６台の加圧装置７２はカローセル８４上に固定されており、そのカローセル８４が中心軸８２の回りを回転する。そして、１台１台の加圧装置７２に半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨが搬入され、また加熱加圧処理後にウエハホルダＷＨが搬出される。加圧ユニット７１については図３Ａなどを使って詳述する。

ウエハ張り合わせ装置１００は加圧チャンバー７０の隣にローダーアンローダーチャンバ６０とロボットチャンバー８０とを有している。
ローダーアンローダーチャンバ６０は、重ね合わされた半導体ウエハＷを一時的に保管し、加圧ユニット７１で接合した半導体ウエハＷを一時的に保管するためのチャンバーである。

アライナー５０からローダーアンローダーチャンバ６０に入れられた半導体ウエハＷは、ロボットチャンバー８０内のウエハホルダローダーＷＨＬによって加圧チャンバー７０内の加圧ユニット７１に搬入される。また、加圧され接合された半導体ウエハＷは、加圧チャンバー７０の加圧ユニット７１からロボットチャンバー８０内のウエハホルダローダーＷＨＬによってローダーアンローダーチャンバ６０に搬出される。

接合した半導体ウエハＷはウエハローダーＷＬにより接合半導体ウエハ用ストッカー８５に送られる。ウエハホルダＷＨはウエハホルダローダーＷＨＬにより分離ローダーアンローダーチャンバ６０から取り出され、再びウエハホルダストッカー３０に戻される。

ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハ張り合わせ装置１００全体の制御を行う主制御装置９０が設けられている。主制御装置９０は、ウエハローダーＷＬ、ウエハホルダローダーＷＨＬ、アライナー５０、及び加圧ユニット７１などの各装置を制御する制御装置と信号の受け渡しを行い全体の制御を行う。

＜加圧ユニット７１の構成＞
図３Ａはローダーアンローダーチャンバ６０から加圧チャンバー７０までを示した図であり、図３Ｂは加圧ユニット７１の周囲を示した図である。

図３Ａ（ａ）及び（ｂ）に示すように、ローダーチャンバ６０とロボットチャンバー８０との間には第１ロードロックゲートＬＲＧ１が配置され、加圧チャンバー７０とロボットチャンバー８０との間には第２ロードロックゲートＬＲＧ２が配置される。ロボットチャンバー８０及び加圧チャンバー７０には不図示の真空ポンプが接続されている。ローダーチャンバ６０は大気圧状態の室温に配置されている。加圧チャンバー７０の動作中は真空状態が維持されている。なお、以下の説明では加圧チャンバー７０が真空であることを前提に説明するが、加圧チャンバー７０内は、窒素などの不活性ガスで満たされたチャンバーであってもよい。

ウエハホルダＷＨがローダーチャンバ６０からロボットチャンバー８０へ送られる際には、第１ロードロックゲートＬＲＧ１、第２ロードロックゲートＬＲＧ２、第３ロードロックゲートＬＲＧ３が閉まっている状態でローダーアンローダーチャンバ６０が真空引きされる。ローダーアンローダーチャンバ６０は他のチャンバーと比べて内容積が小さいので短時間で真空引きすることができる。次に、第３ロードロックゲートＬＲＧ３が閉まった状態で第１ロードロックゲートＬＲＧ１を開いてウエハホルダＷＨをロボットチャンバー８０へ運ぶ。加圧チャンバー７０、ロボットチャンバー８０は常に真空引きされた状態となっている。次に、第１ロードロックゲートＬＲＧ１を閉じ、第２ロードロックゲートＬＲＧ２を開いてウエハホルダＷＨを加圧チャンバー７０内の受け渡し位置ＬＰの加圧装置７２へ移載する。

ウエハホルダローダーＷＨＬが加圧チャンバー７０内にウエハホルダＷＨを搬入した際には、図３Ａ（ａ）に示すように、６台の加圧装置７２のうちの１台の加圧装置７２が受け渡し位置ＬＰでウエハホルダＷＨを受け取る。

６台の加圧装置７２はカローセル８４上に載置される。図３Ａ（ｂ）に示すように、カローセル８４は回転軸８２によって回転可能に構成され、回転軸８２は電動モータ及びギヤなどからなるカローセル回転駆動部８６によって回転する。そしてすべての加圧装置７２は順次受け渡し位置ＬＰに移動することができる。

次に図３Ｂ（ａ）に示すように、カローセル８４にはコネクティングロッド７９が接続され、加圧装置７２の天板７３が支持されている。天板７３には半導体ウエハＷを加熱するプレートなどが取り付けられている。回転軸８２は、磁気シールユニット８７及びベアリング８９が設けられており、カローセル回転駆動部８６によって回転する。磁気シールユニット８７は、大気圧中に配置されたカローセル回転駆動部８６と真空内の加圧チャンバー７０とをシールするとともにカローセル回転駆動部８６の回転力を回転軸８２に伝達することができる。

図３Ｂ（ｂ）は、回転軸８２及びカローセル８４に１つのエレベーションモジュールＥＭを描いた上面図である。カローセル８４は円板に６箇所の矩形部８４Ａが互いに６０度ずつ離れて形成されている。この矩形部８４Ａの四隅に４本のコネクティングロッド７９が取り付けられている。また、矩形部８４Ａの中央にエレベーションモジュールＥＭが載置されている。

個別の加圧装置７２を６台備えると、個々に真空ポンプなどを配置しなければならずコストの増大を招くが、１台の加圧チャンバー７０内に加圧装置７２を６台配置したため、真空ポンプが１台で済みコストを低減できる。また、ウエハホルダローダーＷＨＬが加圧チャンバー７０内に配置されていないため、加圧チャンバー７０内の容積も小さくすることができる。

＜加圧ユニット７１の動作＞
次に加圧ユニット７１の動作について説明する。図４は加圧ユニット７１とロボットチャンバー８０とのウエハホルダＷＨの受け渡しに関するフローチャートである。
ステップＳ１１において、カローセル回転駆動部８６はカローセル８４を基準位置（０度）又は現在位置から６０度回転させ、１台の加圧装置７２を加圧チャンバー７０内の受け渡し位置ＬＰに移動させる。

ステップＳ１２において、主制御装置９０はロボットチャンバー８０が真空状態となり加圧チャンバー７０と同じ真空度であれば第２ロードロックゲートＬＲＧ２を開放する。

ステップＳ１３において、その加圧装置７２が加圧処理されて接合した半導体ウエハＷを有していれば、ロボットチャンバー８０内のウエハホルダローダーＷＨＬは、受け渡し位置ＬＰの加圧装置７２から接合した半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨを搬出する。なお、加圧装置７２が接合した半導体ウエハＷを有していなければ、ステップＳ１３の動作を行わない（点線矢印）。

ステップＳ１４において、ロボットチャンバー８０内のウエハホルダローダーＷＨＬは、新たな半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨを受け渡し位置ＬＰの加圧装置７２に送る。
ステップＳ１５において、主制御装置９０は第２ロードロックゲートＬＲＧ２を閉める。

ステップＳ１６において、主制御装置９０はカローセル８４が基準位置から３００度回転したか否かが判断する。カローセル８４が基準位置から３００度まで回転していなければステップＳ１１に進み、３００度回転していればステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７において、カローセル８４がマイナス（−）３００度回転し、加圧装置７２を加圧チャンバー７０内の受け渡し位置ＬＰに移動させる。加圧装置７２には電気配線などがあり同一方向に常に回転しているとケーブルが捩れてしまう。このため、６台の加圧装置７２を有している場合には、カローセル８４が基準位置から３００度まで回転した時点でマイナス（−）３００度回転することで再び基準位置に戻す。そして、ケーブルなどが捩れてしまうことを防いでいる。

＜加圧装置７２の構成＞
図５は、加圧装置７２の詳細構成図である。
第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２は、第１ウエハホルダＷＨ１及び第２ウエハホルダＷＨ２にて挟まれた状態で第２トッププレートＴＰ２に載置される。第２トッププレートＴＰ２は高熱伝導の高い材料で構成された第２ヒートクールモジュールＨＣＭ２に支えられている。第２ヒートクールモジュールＨＣＭ２は内部にヒーター（不図示）及び冷却配管（不図示）を備えている。さらに第２ヒートクールモジュールＨＣＭ２は、プレッシャ・プロファイル・コントロールモジュールＰＰＣＭ２を介してエレベーションモジュールＥＭによって支えられている。エレベーションモジュールＥＭは電動モータ又は液圧で上下動し、第２ヒートクールモジュールＨＣＭ２を上下動させることができる。エレベーションモジュールＥＭはカローセル８４に固定されている。

一方、第１トッププレートＴＰ１は高熱伝導の高い材料で構成された第１ヒートクールモジュールＨＣＭ１に下向きに支えられている。第１トッププレートＴＰ１及び第２トッププレートＴＰ２は炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウムなどのセラミック材で構成され高熱伝導率又は均熱特性を有している。第１ヒートクールモジュールＨＣＭ１もヒーター（不図示）及び冷却配管（不図示）を備えている。さらに第１ヒートクールモジュールＨＣＭ１はプレッシャ・プロファイル・コントロールモジュールＰＰＣＭ１を介して天板７３に支えられている。天板７３は３本又は４本のコネクティングロッド７９で固定されており、これらコネクティングロッド７９は、カローセル８４に固定されている。

加圧装置７２の加圧工程の１サイクルは次のようになる。
加圧装置７２は、第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２が第２トッププレートＴＰ２に載置されると、エレベーションモジュールＥＭが上昇し第２トッププレートＴＰ２を上昇させる。そして、第１ウエハホルダＷＨ１及び第２ウエハホルダＷＨ２が、第１トッププレートＴＰ１と第２トッププレートＴＰ２とに挟まれ加圧される。その加圧状態になった後、第１及び第２ヒートクールモジュールＨＣＭ１、ＨＣＭ２内のヒーターが加熱し、第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２を加熱する。所定時間だけ加熱加圧されると第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２とが接合する。そして冷却配管に冷媒が流れて接合した半導体ウエハが冷却される。最後に、エレベーションモジュールＥＭが下降して、第１ウエハホルダＷＨ１及び第２ウエハホルダＷＨ２で挟まれ、互いに接合した半導体ウエハＷが取り出せる状態となる。

上記加圧工程の１サイクル時間は、加熱温度などによって変動するが、例えば３０分程度である。本実施形態では６台の加圧装置７２が用意され、そのうち１台の加圧装置７２が受け渡し位置ＬＰで、ウエハホルダローダーＷＨＬがウエハホルダＷＨを搬入・搬出しているので、実際に加圧工程中の加圧装置７２は５台となる。従ってカローセル回転駆動部８６はカローセル８４を６分毎に６０度回転させる。

図４に示したフローチャートに従って、ロボットチャンバー８０内のウエハホルダローダーＷＨＬは、半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨを受け渡し加圧装置７２と受け渡しする時間を６分以下とする。

一対のウエハホルダＷＨを介して第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを接合する実施形態であったが、ウエハホルダＷＨを使用することなく直接第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを接合してもよい。

本実施形態では、加圧チャンバー７０に加圧装置７２が６台分配置されていたが７台以上を配置してもよく、またロボットチャンバー８０内にウエハホルダローダーＷＨＬが１台配置されていたが、２台以上配置されていてもよい。

本実施形態では、アライナー５０で半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨを重ね合わせたが、アライナー５０の機能と加圧装置７２の機能とを合体させた装置であってもよい。また、加圧装置７２は第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２を加熱することなく、不活性ガスイオンビーム又は不活性ガス高速原子ビームで第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２の表面を照射することで常温接合することも可能である。

ＥＭ … エレベーションモジュール
ＬＲＧ … ロードロックゲート
Ｗ … 半導体ウエハ （Ｗ１ … 第１半導体ウエハ、Ｗ２ … 第２半導体ウエハ）
ＴＰ … トッププレート
ＷＨ … ウエハホルダ（ＷＨ１ … 第１ウエハホルダ、ＷＨ２ … 第２ウエハホルダ）
ＷＬ … ウエハローダー
ＷＨＬ … ウエハホルダローダー
１０ … ウエハストッカー
２０ … ウエハプリアライメント装置
３０ … ウエハホルダストッカー
４０ … ウエハホルダプリアライメント装置
５０ … アライナー
６０ … ローダーアンローダーチャンバ
７０ … 加圧チャンバー
７１ … 加圧ユニット
７２ … 加圧装置
７３ … 天板
７９ … コネクティングロッド
８０ … ロボットチャンバー
８４ … カローセル
８６ … カローセル回転駆動部
９０ … 主制御装置
１００ … ウエハ張り合わせ装置

Claims (7)

1. 第１チャンバーと、
   前記第１チャンバー内に収納され、第１基板と第２基板とを加圧し一体基板に加工する複数の加圧装置と、
   前記第１基板及び前記第２基板を前記加圧装置に搬入する搬入位置と前記一体基板を前記加圧装置から搬出する搬出位置とに、前記複数の加圧装置を順次移動させる駆動装置と、
   前記第１チャンバー外に配置され、前記搬入位置に前記第１基板及び前記第２基板を搬入し前記搬出位置から前記一体基板を搬出する搬送装置と、
   を備えることを特徴とする加圧システム。
2. 前記搬送装置を収納する第２チャンバーを備えることを特徴とする請求項１に記載の加圧システム。
3. 前記搬入位置と前記搬出位置とが同一位置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加圧システム。
4. 前記駆動装置は磁気シールを有する軸受けに接続された回転板を備え、前記回転板は前記複数の加圧装置を載置することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の加圧システム。
5. 前記加圧装置は前記第１基板を支持する第１加圧プレートと、前記第２基板を支持する第２加圧プレートと、前記第１加圧プレートを保持するコネクティングロッドとを有し、
   前記コネクティングロッド及び前記第２加圧プレートが前記回転板に固定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の加圧システム。
6. 前記第２チャンバーに接続され、前記第１基板、前記第２基板又は前記一体基板を搬入及び搬出する第３チャンバーを備えることを特徴とする請求項２に記載の加圧システム。
7. 前記回転板は基準位置から所定角度回転した後、再び基準位置に逆回転することを特徴とする請求項４に記載の加圧システム。