JP2013183131A - 実装装置、および半導体素子実装基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化が容易であり、かつ、半導体素子の電極と基板の電極との間の接合の品質を向上させることができる、実装装置、および半導体素子実装基板の製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極を有する基板に、第２電極を有する半導体素子を実装する実装装置である。実装装置は、半導体素子を供給する半導体素子供給ユニットと、半導体素子を基板に実装する前に、第１電極をプラズマ処理するプラズマ処理ユニットと、半導体素子供給ユニットにより供給される半導体素子を保持するとともに、第２電極をプラズマ処理された第１電極に超音波接合する超音波接合ヘッドと、超音波接合ヘッドにより第２電極を第１電極に超音波接合するときに、基板を保持する第１ステージと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板電極に半導体素子の電極を超音波接合することにより半導体素子を基板に実装する実装装置に関する。

従来、超音波接合により半導体素子を基板に実装して、半導体素子実装基板を製造するための実装装置として種々のものが知られている。一般的には、半導体素子にはＡｕ電極（バンプ）が形成され、基板にも、配線に接続されたＡｕ電極（ランド）が形成されている。そして、半導体素子のＡｕバンプを基板のＡｕ電極に押し付けた状態で、その接触界面に対して超音波振動を付与することで、ＡｕバンプとＡｕ電極とが金属接合される（例えば、特許文献１および２参照）。このように、従来の半導体素子実装基板においては、一般に、両方が金を含む、基板側の電極（ランド）と素子側の電極（バンプ）とが接合される。

ところが、近年の金価格の国際的な高騰を背景として、コスト削減の観点から、基板等の電極の材料を、Ｃｕ等のより安価な材料により代替させることが強く求められるようになってきている。このとき、Ａｕ−Ｃｕ間、およびＣｕ−Ｃｕ間の金属接合に対して、Ａｕ−Ａｕ間の金属接合と同等の接合信頼性を確保することができれば、電極間の接合の品質を維持したままでの大幅なコスト削減が可能となる。

ところが、Ｃｕは酸化しやすく、その表面は、通常の状態では酸化被膜により覆われている。超音波接合によれば、異種金属の金属接合が容易であり、酸化被膜も接合の際に大部分が電極間の接合界面から除去される。しかしながら、Ａｕ−Ｃｕ間の金属接合の接合信頼性を向上させるためには、接合の際にＣｕ電極表面の酸化被膜をあらかじめ除去しておくことが、接合界面への金属酸化物の混入を排除し、接合信頼性を確保するためには好ましいといえる。

特開２０００−６８３２７号公報 特開２００１−２３７２７０号公報

そこで、本発明者等は、基板のＣｕ電極の表面に形成されている酸化被膜を除去した後に、酸素を含む通常雰囲気中（たとえば大気中）で、基板のＣｕ電極と半導体素子のＡｕバンプとを超音波接合し、その接合部のシェア強度を測定する実験を行った。
しかしながら、この実験では、Ｃｕ電極からあらかじめ酸化被膜を除去したにもかかわらず、Ａｕ−Ａｕ接合と同等のシェア強度を達成することができなかった。

その原因としては、一連の処理（酸化被膜除去処理および超音波接合処理）を通常雰囲気中で個別に実行したために、超音波接合処理を実行する前に、新たな酸化被膜がＣｕ電極の表面に形成されてしまったことが考えられる。したがって、Ａｕ−Ａｕ接合と同等のシェア強度の向上を達成するためには、上記の一連の処理は、Ｎ₂雰囲気のような低酸素雰囲気中で行うか、間に時間を置かずに連続的に行うことが効果的と思われる。

ところが、そのような低酸素雰囲気中で上記の一連の処理を行うことは、通常雰囲気中で処理を行う場合よりも各装置の複雑化を招くとともに、各装置のランニングコストの増大を招く。これにより、半導体素子実装基板の製造コストが増大する。

本発明は、低コスト化が容易であり、かつ、半導体素子の電極と基板の電極との間の接合の品質を向上させることができる、実装装置、および半導体素子実装基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一局面は、第１電極を有する基板に、第２電極を有する半導体素子を実装する実装装置であって、
前記半導体素子を供給する半導体素子供給ユニットと、
前記半導体素子を前記基板に実装する前に、前記第１電極をプラズマ処理するプラズマ処理ユニットと、
前記半導体素子供給ユニットにより供給される前記半導体素子を保持するとともに、前記第２電極を前記プラズマ処理された前記第１電極に超音波接合する超音波接合ヘッドと、
前記超音波接合ヘッドにより前記第２電極を前記第１電極に超音波接合するときに、前記基板を保持する第１ステージと、を備える、実装装置である。

本発明の他の局面は、上記の実装装置を使用して、前記基板に前記半導体素子を実装する半導体素子実装基板の製造方法であって、
前記基板の前記第１電極を前記プラズマ処理している間に、別の前記基板の前記第１電極に前記半導体素子の前記第２電極を超音波接合する、半導体素子実装基板の製造方法に関する。

本発明によれば、半導体素子実装基板の製造コストの低減が容易になるとともに、半導体素子の電極と基板の電極との間の接合の品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る実装装置の概略構成を示す斜視図である。 図１のＬ1−Ｌ2線による、実装装置の矢視側面図である。 実装装置の制御系統を示すブロック図である。 基板の移送機構の詳細を示す、実装装置の一部正面図である。 実装装置による半導体素子の実装手順を示すフローチャートである。 図５のフローチャートの各工程の説明図であって、酸化被膜除去処理の前の状態の基板の断面図である。 図５のフローチャートの各工程の説明図であって、酸化被膜除去処理および接合補助剤供給処理が終了した後の状態の基板の断面図である。 図５のフローチャートの各工程の説明図であって、接合補助剤供給処理後に半導体素子の電極を基板電極に接触させた状態の基板および半導体素子の断面図である。 図５のフローチャートの各工程の説明図であって、半導体素子の電極を基板電極に超音波接合した後、接合補助剤を除去した状態の基板および半導体素子の断面図である。 図５のフローチャートの各工程の説明図であって、接合補助剤を除去した後、半導体素子を樹脂封止した状態の半導体素子実装基板の断面図である。

本発明の実装装置は、第１電極を有する基板に、第２電極を有する半導体素子を実装する実装装置である。この実装装置は、基板に実装する半導体素子を供給する半導体素子供給ユニットと、半導体素子を基板に実装する前に、基板の第１電極をプラズマ処理するプラズマ処理ユニットとを備える。半導体素子供給ユニットにより供給された半導体素子は、超音波接合ヘッドにより保持され、その状態で、第２電極が、プラズマ処理された第１電極に所定圧力で押し付けられる。そして、その状態で、半導体素子に超音波振動が加えられ、これにより、半導体素子の第２電極が、基板の第１電極に超音波接合（金属接合）される。一方、基板は、第１電極に第２電極を超音波接合する間、第１ステージにより保持される。

以上のように、本発明の実装装置は、プラズマ処理ユニットと、超音波接合ヘッドとを備えているので、プラズマ処理ユニットにより基板電極（第１電極）から酸化被膜を除去した後、直ちに、その基板電極に半導体素子の電極（第２電極）を超音波接合することができる。このため、第１電極が酸化しやすいＣｕを含むような場合にも、酸素を含む通常雰囲気中（例えば大気中）で一連の処理（酸化被膜除去処理および超音波接合処理）を行っても、超音波接合処理の実行前に第１電極に酸化被膜が再生されるのを防止することができる。これにより、第１電極に酸化被膜が極力存在しない状態で超音波接合処理を実行することができ、電極間の接合の品質を向上させることが容易となる。

さらに、接合の開始時に第１電極に酸化被膜がほとんど存在しないことから、超音波振動の付与を開始した直後から金属接合のプロセスが進行する。これにより、超音波接合に要する時間が短縮されるので、接合処理中の金属酸化物の生成を抑えることができる。したがって、金属酸化物が接合界面に混入するのを抑制することが可能となり、電極間の接合の品質を向上させることが容易となる。

さらに、プラズマ処理により第１電極の酸化被膜を除去することで、第１電極の表面に微細な凹凸が形成される。これにより、第１電極の濡れ性も良好になるために、接合の際に液状の接合補助剤を使用するような場合には、その接合補助剤により第１電極の表面を効果的に覆うことができる。その結果、第１電極が雰囲気中の酸素と接触するのを効果的に抑えることができ、接合中の金属酸化物の生成を抑えることができる。

さらに、一般に、ウェットエッチング処理ではエッチング速度の制御が困難であることが多い。これに対して、プラズマ処理によれば、処理量を容易に制御することができる。よって、特に微細配線に対して有利である。なお、半導体素子の電極がＣｕを含む場合には、半導体素子の電極に対して酸化被膜除去処理を実行することもできる。基板と半導体素子の双方の電極がＣｕであれば、その両方に対して酸化被膜除去処理を実行することもできる。

本発明の好ましい形態においては、実装装置は、さらに、第１電極をプラズマ処理した後、かつ第１電極に第２電極を超音波接合する以前に、還元性を有する接合補助剤を第１電極に供給する接合補助剤供給ユニットを備える。

超音波接合処理においては、電極間の摩擦により、接合部の温度が局所的に上昇する。このため、通常雰囲気中では、その温度上昇により接合部で金属酸化物が生成されることがある。したがって、超音波接合処理の以前に、還元性を有する接合補助剤を第１電極に供給することで、例えば第１電極がＣｕを含むような場合にも、接合部で金属酸化物が生成されるのを防止することができる。よって、電極間の接合の品質を容易に向上させることができる。

さらに、酸化被膜除去処理により第１電極から全ての酸化被膜が除去されなかったような場合にも、その残存している酸化被膜を還元して除去することも可能となる。よって、より確実に接合信頼性を向上させることができる。第２電極がＣｕを含むような場合には、第２電極にも還元性を有する接合補助剤を供給することができる。

ここで、プラズマ処理ユニットには、第１電極をプラズマ処理するときに基板を保持する第２ステージを含ませることができる。これにより、例えば、第２ステージで１つの基板に酸化被膜除去処理を実行している間に、同時に、第１ステージで、酸化被膜除去処理後の別の基板に半導体素子を実装することができる。したがって、半導体素子実装基板の生産効率を向上させることができる。

さらに、実装装置は、基板を第２ステージから第１ステージに移送する移送機構を備えるのが好ましい。これにより、プラズマ処理と、超音波接合処理とを連続的に実行することができる。その結果、第１電極に新たな酸化被膜が生成されるのを防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。なお、本発明は、プラズマ処理の終了後に、基板を保持した状態の第２ステージをそのまま第１ステージの位置（超音波接合処理実行位置）に移動させて、実装処理を行う形態も取り得る。この場合には、第２ステージが第１ステージを兼ねることとなる。

本発明の他の好ましい形態においては、実装装置は、第１ステージを加熱する第１加熱手段を備える。これにより、金属接合のための昇温を必要とする超音波接合処理に要する時間を短縮することができる。よって、生産効率を向上させることができる。また、処理時間の短縮により、接合部における金属酸化物の生成を抑えて、接合信頼性を向上させることができる。さらに、実装装置が接合補助剤供給ユニットを備える形態においては、超音波接合処理の終了後に基板を加熱することで、接合補助剤の蒸発を促進することができる。これにより、接合補助剤を速やかに除去することができるので、半導体素子実装基板の生産効率を向上させることができる。さらに、加熱により、接合補助剤の還元作用を促進させることができ、より確実に、接合信頼性を向上させることができる。

同様に、実装装置は、第２ステージを加熱する第２加熱手段を備えるのも好ましい。これにより、酸化被膜除去処理を実行している間に、上述した各種効果を得ることができるように、第１電極の温度を望ましい温度まで上昇させることができる。これにより、半導体素子実装基板の生産効率を向上させることができる。あるいは、酸化被膜除去処理の実行中に第２加熱手段により基板をあらかじめ加熱することで、第１加熱手段による加熱時間を短縮するといった運用も可能である。

上述したとおり、本発明は、第１電極がＣｕ（銅）を含み、第２電極がＡｕ（金）を含むような場合に、電極間の接合の品質を向上させる効果をより顕著に発揮する。第１電極に銅を使用することで、大幅なコスト削減が可能となる。

ここで、還元性を有する接合補助剤には、分子量が５０〜２００である多官能アルコールや多官能アルコールのアルキルエーテルを用いることができる。具体的には、グリセリン、トリエチレングリコール、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールモノｎブチルエーテル（沸点２３０℃）、トリエチレングリコールジメチルエーテル（沸点２１６℃）、およびテトラエチレングリコール（沸点３２７℃）等を使用することができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。接合補助剤が少なくとも１つのＯＨ基を有していることにより、接合界面などに対する還元性の効果を担保することもできるので好ましい。

半導体素子供給ユニットは、装置の小型化、ないしは装置筐体の内部空間の有効利用の観点から、第１ステージよりも下方に配置され、複数の半導体素子が載置される半導体素子載置部を含むのが好ましい。この場合、半導体素子供給ユニットは、半導体素子載置部から半導体素子をピックアップし、上方に移動させて、超音波接合ヘッドに受け渡す上方移動機構を含むのが好ましい。そして、上方移動機構は、一端側に回転中心部があり、他端側に半導体保持部がある軸状部、並びに、半導体保持部により半導体素子を保持している軸状部を、回転中心部により半回転させる回転機構を含むのが好ましい。

上記の構成では、半導体素子載置部には、複数の半導体素子が、例えば第２電極を上に向けて載置される。そして、上方移動機構の回転機構の動作により、半導体素子は上下が反転されて超音波接合ヘッドに受け渡される。超音波接合ヘッドは第２電極を下に向けた状態で半導体素子を受け取る。これにより、第１ステージにより第１電極を上に向けて保持されている基板に、半導体素子を容易にフリップチップ実装することができる。このように、上方移動機構が回転機構を含むために、上方移動機構により半導体素子をピックアップするときの半導体素子の吸着面と、超音波接合ヘッドが半導体素子を保持するときの半導体素子の吸着面とを反対側にすることができる。よって、半導体素子をスムーズに受け渡すことができる。

一方、本発明の半導体素子実装基板の製造方法は、上記の実装装置を使用して、基板に半導体素子を実装することにより半導体素子実装基板を製造する方法に関する。この製造方法においては、基板の第１電極をプラズマ処理している間に、別の基板の第１電極に半導体素子の第２電極が超音波接合される。これにより、上述したとおり、半導体素子実装基板の生産効率を向上させることができる。

本発明の半導体素子実装基板の製造方法の好ましい形態においては、第１電極をプラズマ処理した後、かつ第１電極に第２電極を超音波接合する以前に、還元性を有する接合補助剤が第１電極に供給される。これにより、上述したとおり、電極間の接合の品質を向上させることが容易となる。

本発明の半導体素子実装基板の製造方法の他の好ましい形態においては、第１電極に第２電極を超音波接合するときに、基板を、第１ステージにより８０〜１５０℃に加熱する。基板を８０℃以上に加熱することで、超音波接合処理の時間を短縮することができ、電極間の接合界面に酸化物が介在するのを抑制することができる。よって、電極間の接合の品質を向上させることができる。さらに、還元性を有する接合補助剤を第１電極に供給する場合には、接合補助剤による還元効果を促進することができる。また、加熱の上限を１５０°とすることで、沸点が２００°以上であるような接合補助剤を使用した場合に、超音波接合処理中に接合補助剤が全て蒸発してしまうのを防止することができる。

さらに、第１電極をプラズマ処理するときに、基板を、第２ステージにより５０〜１００℃に加熱するのも好ましい。これにより、酸化被膜除去処理の間に基板を予熱することで、第１ステージによる基板の加熱を補助することができ、生産効率の更なる向上が図れる。

さらに、第１電極に第２電極を超音波接合するときに、超音波接合ヘッドを、２００〜３００℃に加熱するのも好ましい。これにより、超音波接合処理の時間を短縮することができ、電極間の接合の品質を向上させることができる。さらに、加熱により第２電極が軟化することで、実装に必要な荷重および超音波の強度を低減させることが可能になる。このため、各電極へのダメージを減少させることが可能となるという効果も期待できる。

さらに、本発明の半導体素子実装基板の製造方法においては、通常雰囲気中で、第２電極を第１電極に超音波接合するのが好ましい。Ｎ₂雰囲気等の低酸素雰囲気は、実現に特別の機構を要し、コスト上昇の要因となる。本発明によれば、上述したとおり、通常雰囲気中であっても、接合中の金属酸化物の生成が抑えられる。このため、本発明によれば、通常雰囲気中で、酸化被膜除去処理および超音波接合処理を連続的に実行することで、電極間の接合の品質を維持しながら、半導体素子実装基板の低コスト化を図ることができる。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に本発明の一実施形態に係る半導体素子実装装置を斜視図により示す。図２に、実装装置の図１の矢視側面図を示す。図３に、実装装置の制御系統のブロック図を示す。図４に、基板を移送する移送機構の概略構成を示す。

図示例の実装装置１０は、基板１２に半導体素子１４を実装するための装置であり、例えば半導体素子１４としての発光素子を基板１２にフリップチップ実装するフリップチップ実装装置として構成されている。実装装置１０は、１つの基台２を備えており、その基台２が下記の全てのユニットを支持している。

そして、実装装置１０は、１つの筐体３により上記の全てのユニットを内包した、独立の装置として構成される。なお、図１においては、実装装置１０の内部構造の理解を容易にするために、筐体３は、一部分だけを示している。図中、Ｘ軸方向は実装装置１０の前後方向を示し、Ｙ軸方向は実装装置１０の左右方向を示し、Ｚ軸方向は鉛直上下方向を示す。

実装装置１０は、基板１２の電極１２ａ（第１電極、図６Ａ等参照）に、半導体素子１４の電極（バンプ）１４ａ（第２電極）を超音波接合するための超音波接合ユニット１６と、基板１２に実装される半導体素子１４を供給する半導体素子供給ユニット１８と、基板１２の電極１２ａをプラズマ処理することで電極１２ａの酸化被膜を除去するプラズマ処理ユニット２０と、プラズマ処理された電極１２ａに、還元性を有する接合補助剤を供給する接合補助剤供給ユニット２２と、樹脂封止ユニット７０と、制御装置８０とを備える。なお、制御装置８０は、図１には示しておらず、実装装置１０の制御系統を示す図３にだけ示している。

半導体素子供給ユニット１８は、水平方向（Ｘ−Ｙ軸方向）に移動可能な素子供給ステージ２４（素子載置部）と、素子供給ステージ移動機構２５と、素子ピックアップユニット２６とを備える。半導体素子供給ユニット１８は、他に、素子供給ステージカメラ１０２と、エジェクタ１０６とを含む。

素子供給ステージ２４の上面には、複数の半導体素子１４を含むウェハ１０４が、シート状部材１０５に貼り付けられ、バンプ１４ａを上に向けた状態で、載置される。素子供給ステージ移動機構２５は、例えばＸＹテーブル装置から構成されている。素子供給ステージカメラ１０２の光軸は、素子供給ステージ２４上で素子ピックアップユニット２６により半導体素子１４をピックアップすべき位置（素子ピックアップ位置Ｐ1という）と交叉している。

エジェクタ１０６は、素子ピックアップ位置Ｐ1の下方に配置され、ウェハ１０４から、素子ピックアップユニット２６によりピックアップされる半導体素子１４を上に押し出すように動作する。

素子ピックアップユニット２６は、ピックアップヘッド２６ａと、ピックアップツール２６ｂと、ピックアップヘッド２６ａを支持するアーム２６ｃと、ピックアップヘッド移動機構２８と、ピックアップヘッド回転機構２９とを含む。

ピックアップツール２６ｂは軸状部を有し、その軸状部の一端部には、例えば、素子供給ステージ２４から１つの半導体素子１４をピックアップするための吸着ノズルが開口している。ピックアップツール２６ｂの他端部はピックアップヘッド２６ａに接続されている。

ピックアップヘッド２６ａは、水平方向に延びる長軸状のアーム２６ｃの一端部に接続されている。アーム２６ｃの他端部は、ピックアップヘッド移動機構２８およびピックアップヘッド回転機構２９に接続されている。ピックアップヘッド移動機構２８は、図示しないＹ−Ｚ軸方向移動機構を含んでおり、ピックアップヘッド２６ａをＹ軸方向およびＺ軸方向に所定範囲で移動させる。

ピックアップヘッド回転機構２９は、アーム２６ｃを、その軸芯を回転中心として１８０度（半回転）させる機構である。ピックアップツール２６ｂは、軸状部がアーム２６ｃの延びる方向と直交するように、ピックアップヘッド２６ａに取り付けられている。アーム２６ｃが半回転することで、ピックアップツール２６ｂは、先端部が上を向いた状態と下を向いた状態との間で回転される。これにより、ピックアップツール２６ｂにより保持された半導体素子１４は、上下が反転するように回転される。ピックアップツール２６ｂがピックアップする半導体素子１４は、素子供給ステージ２４のＸ−Ｙ軸方向の移動により選択され、エジェクタ１０６によりウェハ１０４から押し上げられる。

超音波接合ユニット１６は、実装ヘッド３０と、実装ヘッド３０に取り付けられて半導体素子１４を保持する実装ツール３０ａと、実装ヘッド３０を移動する実装ヘッド移動機構３２と、基板１２の電極１２ａに半導体素子１４のバンプ１４ａを接合する間、基板１２を保持する実装ステージ（第１ステージ）３４と、実装ステージ移動機構１１２（例えばＸＹテーブル）とを含む。超音波接合ユニット１６は、さらに、チップ認識カメラ１０８と、基板認識カメラ１１０とを備えている。実装ヘッド移動機構３２は、実装ヘッド３０をＹ軸方向に移動するＹ軸方向移動機構３２ａと、実装ヘッド３０をＺ軸方向に移動するＺ軸方向移動機構３２ｂとを含む。

実装ヘッド３０は、公知の超音波発振器、加圧手段、トランスデューサー、あるいは超音波ホーン等を含む。実装ツール３０ａは、例えば、半導体素子１４を吸着して保持する吸着ノズルを含む。チップ認識カメラ１０８は、その上方のチップ認識位置Ｐ2にて実装ツール３０ａにより保持された半導体素子１４の画像を撮像して、その保持姿勢を認識する。その保持姿勢が所定の姿勢からずれている場合には、そのずれは、実装ツール３０ａの回転等により修正される。

基板認識カメラ１１０は、基板１２の電極１２ａや位置合せマーク等の画像を撮像して、基板１２上の半導体素子１４の実装位置Ｐ4を認識する。その撮像の際には、実装ステージ移動機構１１２により、実装ステージ３４がＸ−Ｙ平面内で適宜の位置に移動される。制御装置８０は、認識された実装位置Ｐ4に基づいて、各電極１２ａと、対応する各バンプ１４ａとを接合し得るように位置決めをして、実装ステージ移動機構１１２により実装ステージ３４を移動させる。それと対応して、制御装置８０は、チップ認識カメラ１０８の認識結果に基づいて、実装ヘッド移動機構３２により実装ヘッド３０を移動させる。

実装ヘッド移動機構３２のＹ軸方向移動機構３２ａは、Ｙ軸方向に延びる２本のＹ軸レール３２ｃと、リニアモータの可動子であるＹ軸スライダ３２ｄとを含む。Ｚ軸方向移動機構３２ｂは、Ｙ軸スライダ３２ｄに取り付けられた昇降機構３２ｅと、昇降機構３２ｅにより上下される実装ヘッド支持プレート３２ｆとを含む。実装ヘッド３０は、実装ヘッド支持プレート３２ｆの下端部に取り付けられている。

制御装置８０は、素子ピックアップユニット２６から実装ヘッド３０への半導体素子１４の受け渡し動作が所定の受け渡し位置Ｐ3で行われ、チップ認識カメラ１０８による半導体素子１４の撮像動作がチップ認識位置Ｐ2で行われるように、実装ヘッド移動機構３２により実装ヘッド３０の位置決めをする。実装ステージ３４は、加熱手段であるヒータ３４ａを内蔵しており、これにより基板１２を所定の温度（例えば８０〜１５０℃の温度）まで加熱する。

プラズマ処理ユニット２０は、基板１２の電極１２ａの酸化被膜を除去するために大気圧プラズマを生成するプラズマヘッド３６と、電極１２ａをプラズマ処理する間、基板１２を保持するプラズマ処理ステージ３８（第２ステージ）と、プラズマヘッド移動機構４０と、基板認識カメラ１１４と、プラズマ処理ステージ移動機構３９（図４参照）とを備えている。プラズマヘッド３６は、高圧エアー等を使用して大気圧プラズマを発生させる公知の大気圧プラズマ発生機構を含む。

プラズマヘッド移動機構４０は、Ｘ軸方向に延びる２本のＸ軸レール４０ａと、リニアモータの可動子であるＸ軸スライダ４０ｂとを含む。プラズマヘッド３６は、Ｘ軸スライダ４０ｂに直接的に取り付けられている。

接合補助剤供給ユニット２２は、基板１２の電極１２ａに接合補助剤を塗布して供給する接合補助剤供給ヘッド（ディスペンサ）４２と、接合補助剤供給ヘッド移動機構４４とを備えている。接合補助剤供給ヘッド移動機構４４は、Ｙ軸方向移動機構４４ａおよびＺ軸方向移動機構４４ｂを含む。Ｙ軸方向移動機構４４ａは、上述したＹ軸レール３２ｃと、リニアモータの可動子であるＹ軸スライダ４４ｃとを含む。Ｚ軸方向移動機構４４ｂは、Ｙ軸スライダ４４ｃに取り付けられた昇降機構４４ｄと、昇降機構４４ｄにより上下される接合補助剤供給ヘッド支持プレート４４ｅとを含む。接合補助剤供給ヘッド４２は、接合補助剤供給ヘッド支持プレート４４ｅの下端部に取り付けられている。

樹脂封止ユニット７０は、封止用樹脂を供給する樹脂供給ヘッド（ディスペンサ）７２と、樹脂供給ヘッド移動機構７４とを備えている。なお、樹脂供給ヘッド７２は接合補助剤供給ヘッド４２とともに接合補助剤供給ヘッド支持プレート４４ｅに取り付けられている。このため、樹脂供給ヘッド移動機構７４は接合補助剤供給ヘッド移動機構４４と共通のＹ軸方向移動機構４４ａおよびＺ軸方向移動機構４４ｂを含む。

図３に、実装装置の制御系統をブロック図により示す。図３に示すように、実装装置１０に備えられる制御装置８０は、素子供給ステージ移動機構２５の作動制御を行って、素子供給ステージ２４を基台２に対してＸ軸方向およびＹ軸方向（水平方向）に移動させる。制御装置８０は、実装ステージ移動機構１１２の作動制御を行って、実装ステージ３４を基台２に対して水平方向に移動させる。制御装置８０は、プラズマ処理ステージ移動機構３９の作動制御を行って、プラズマ処理ステージ３８を基台２に対して水平方向に移動させる。制御装置８０は、プラズマヘッド移動機構４０の作動制御を行って、プラズマヘッド３６をＸ軸方向に移動させる。

さらに、制御装置８０は、ピックアップヘッド移動機構２８およびピックアップヘッド回転機構２９の作動制御を行って、ピックアップヘッド２６ａをＹ軸方向およびＺ軸方向に移動させるとともに、Ｘ軸回りに回転させる。制御装置８０は、図示しないピックアップヘッド吸着機構の作動制御を行って、ピックアップツール２６ｂにより半導体素子１４を吸着させる。

さらに、制御装置８０は、実装ヘッド移動機構３２のＹ軸方向移動機構３２ａおよびＺ軸方向移動機構３２ｂの作動制御を行って、実装ヘッド３０をＹ軸方向およびＺ軸方向に移動させる。制御装置８０は、図示しない実装ヘッド吸着機構の作動制御を行って、実装ツール３０ａにより半導体素子１４を吸着させる。

さらに、制御装置８０は、接合補助剤供給ヘッド（ディスペンサ）移動機構４４のＹ軸方向移動機構４４ａおよびＺ軸方向移動機構４４ｂの作動制御を行って、接合補助剤供給ヘッド４２および樹脂供給ヘッド７２をＹ軸方向およびＺ軸方向に移動させる。制御装置８０は、図示しないディスペンサ機構の作動制御を行って、接合補助剤供給ヘッド４２により接合補助剤の供給を行わせるとともに、樹脂供給ヘッド７２により樹脂の供給を行わせる。

さらに、制御装置８０はエジェクタ１０６を駆動し、素子ピックアップ位置Ｐ1にある半導体素子１４を上方に突き上げさせる。

さらに、制御装置８０は、素子供給ステージカメラ１０２の作動制御を行って、素子ピックアップ位置Ｐ1を含む所定領域の撮像動作を行わせる。制御装置８０は、基板認識カメラ１１０の作動制御を行って、実装位置Ｐ4を含む所定領域の撮像動作を行わせる。制御装置８０は、チップ認識カメラ１０８の作動制御を行って、チップ認識位置Ｐ2を含む所定領域の撮像動作を行わせる。上記の各撮像動作により得られた画像は制御装置８０に入力される。

以下、図５のフローチャート、並びに図６Ａ〜図６Ｅの説明図を参照して、図１の実装装置１０により半導体素子１４を基板１２に実装する手順を説明する。

図６Ａに示すように、基板１２の図示上面には複数の配線１１が形成されており、配線１１の端部が電極１２ａ（第１電極）として形成されている。図６Ｃ〜図６Ｅに示すように、半導体素子１４の一例である発光素子（ＬＥＤチップ）は、それぞれの電極に接続されたバンプ１４ａ（第２電極）を備えている。ここで、基板１２の配線１１は、例えば銅（Ｃｕ）から形成され、電極１２ａは、同様にＣｕから形成される。半導体素子１４のバンプ１４ａは、例えば金（Ａｕ）から形成される。図６Ａに示すように、基板１２の電極１２ａは、酸化被膜１３により覆われている。なお、図６Ａにおいては、視認性の観点から、酸化被膜１３の厚みのスケールを大きくしている。

（酸化被膜除去処理）
基板１２に半導体素子１４を実装する前の準備工程として、プラズマ処理ステージ３８にて、基板１２の電極１２ａをプラズマ処理して、電極１２ａから酸化被膜１３を除去する（Ｓ１）。

具体的には、基板１２を、電極１２ａを上に向けて、プラズマ処理ステージ３８により保持した状態で、プラズマヘッド３６により大気圧プラズマを発生させる。プラズマヘッド３６により発生された大気圧プラズマは、プラズマヘッド３６の下面に設けたプラズマ照射部を介して基板１２の各電極１２ａに照射される。これにより、電極１２ａおよびその近傍の配線１１の酸化被膜１３が除去される。このとき、プラズマ処理ステージ３８の内部に備えられたヒータ３８ａ（図４参照）により、基板１２を、例えば５０〜１００℃の温度となるまで加熱する。また、このとき同時に、酸化被膜除去処理された他の基板１２に対して、図６Ｃ〜図６Ｄにより示す超音波接合処理が実行される。

プラズマ処理が終了すると、図４に示すように、プラズマ処理ステージ３８に備えられた基板昇降機構３７により基板１２の左右の端部を支持し、基板１２を上昇させる。これにより、基板１２がプラズマ処理ステージ３８から持ち上げられ、その状態で、移送機構３５が備える移送ツメ３５ａを、基板１２のＸ軸方向における前側の端部に接触させる。そして、移送ツメ３５ａにより基板１２をＸ軸方向における後側に押圧することにより、基板１２が実装ステージ３４の方に押し出されて移送される。なお、移送ツメ３５ａは、基板１２を移送するとき以外は異なる場所に退避している。

（接合補助剤供給工程）
移送機構３５により基板１２がプラズマ処理ステージ３８から実装ステージ３４へ移送されると、実装ステージ３４により基板１２が保持される。その状態で、基板認識カメラ１１０による認識結果に基づいて、実装ステージ移動機構１１２により実装ステージ３４を移動させることで、基板１２の位置決めを行う。その後、図６Ｂに示すように、基板２の配線１１および電極１２ａに、接合補助剤供給ヘッド４２により接合補助剤７を供給する（Ｓ２）。

接合補助剤は、還元性を有する液状またはペースト状の溶剤である。還元性を有する接合補助剤を、超音波接合処理の以前に電極１２ａに供給することで、酸化被膜除去処理で未処理の酸化被膜１３があれば、その酸化被膜１３が除去される。さらに、電極１２ａとバンプ１４ａとの接触部の周囲が接合補助剤７により覆われることで、両電極を超音波接合する際に生成される金属酸化物（銅の酸化物）を除去することができ、両電極の接合界面に金属酸化物が介在されるのを防止することができる。接合補助剤は、超音波接合が行われた後は、後述する接合補助剤除去処理により、接合界面およびその近傍から蒸発して除去される。

接合補助剤としては、電極１２ａの表面に対する還元性の作用を担保し得るように、ＯＨ基を含む溶剤を使用することが好ましい。そのような接合補助剤の例としては、グリセリンが挙げられる。なお、接合補助剤がシリカフィラー、金属粒子、および蒸発しない樹脂成分等を含む場合には、後の接合補助剤除去工程で接合補助剤を除去することが困難となる。よって、接合補助剤は、そのような物質を含まないことが好ましい。

（超音波接合処理）
素子供給ステージ２４から１個の半導体素子１４を、素子ピックアップユニット２６のピックアップツール２６ｂにより吸着して、保持する。その状態で、ピックアップヘッド移動機構２８によりピックアップヘッド２６ａを移動させるとともに、ピックアップヘッド回転機構２９によりアーム２６ｃを半回転（１８０°回転）させる。これにより、半導体素子１４の上下が反転されて、半導体素子１４が受け渡し位置Ｐ3まで移動され、実装ツール３０ａに受け渡される。このようにして、半導体素子１４が実装ツール３０ａにより保持される。

実装ツール３０ａにより半導体素子１４を保持した状態で、各バンプ１４ａを対応する各電極１２ａと接合させるように、半導体素子１４を実装位置Ｐ4の上方に移動させる。その後、実装ヘッド３０を下降させ、各バンプ１４ａを、対応する各電極１２ａに押し付けようにして接触させる。このとき、各電極１２ａおよびその近傍の配線１１上には、接合補助剤７が供給されているために、バンプ１４ａと電極１２ａとの接触面の周囲は、接合補助剤７により覆われた状態となっている（図６Ｃ参照）。

図６Ｃの状態で、実装ヘッド３０において発生された超音波振動を、実装ツール３０ａを通して半導体素子１４に付与する。これにより、バンプ１４ａと電極１２ａとの接触面に摩擦が発生して、バンプ１４ａと電極１２ａとが金属接合（すなわち、超音波接合）される（Ｓ３）。その後、実装ヘッド３０における超音波振動の発生を停止し、実装ツール３０ａによる半導体素子１４の保持を解除する。その後、実装ヘッド３０を上昇させて、実装ツール３０ａを半導体素子１４から離脱させる。

（接合補助剤除去処理）
次に、基板１２と半導体素子１４との間に残存している接合補助剤７の除去を行う（ステップＳ４）。具体的には、ヒータ３４ａにより実装ステージ３４を介して基板１２を加熱することにより、接合補助剤７の蒸発を促進させて、接合補助剤７の除去を行う。あるいは、図示しないファンにより、熱風を吹き付けることで、接合補助剤７の蒸発を促進させてもよい。以上の処理により、図６Ｄに示すように、基板１２と半導体素子１４との間に残存していた接合補助剤７が除去される。

なお、接合補助剤除去処理は、超音波接合処理後に残存する接合補助剤を、後述する樹脂封止工程に先立って除去することが目的であるため、残存する接合補助剤の量に応じて接合補助剤除去処理の実施の必要性を検討し、場合によっては接合補助剤除去処理を省略しても良い。

（樹脂封止処理）
次に、基板１２と半導体素子１４との接合部分などを樹脂によって封止して、半導体素子実装基板１を完成させる（ステップＳ５）。具体的には、電極１２ａとバンプ１４ａとの接合部を含めて、配線１１、電極１２ａ、およびバンプ１４ａの表面を覆うように樹脂供給ヘッド７２により樹脂２１を塗布する。これにより、図６Ｅに示すように、半導体素子１４と基板１２との間を樹脂２１により封止する。半導体素子１４が発光素子であれば、樹脂２１には、光透過性を有する樹脂を用いるのが好ましい。

上述のように、超音波接合では、バンプ１４ａが電極１２ａに押し付けられた状態で、半導体素子１４に超音波振動が付与される。このため、摩擦熱により、バンプ１４ａと電極１２ａとの接触部は局所的に高温になる。これにより、例えば電極１２ａがＣｕを含んでいるような場合に電極１２ａのバンプ１４ａとの接触面が酸化しても、還元性を有する接合補助剤により摩擦面の周囲が覆われているので、金属酸化物の生成を抑制することができ、接合界面に金属酸化物が混入するのを防止することができる。これにより、十分な接合強度を確保することができる。

このとき、接合補助剤７による還元反応は、上記の摩擦熱により促進される。したがって、より効果的に、超音波接合中の金属酸化物の生成を抑制することができる。

また、酸化被膜除去処理で、処理量の制御が容易なプラズマ処理により酸化被膜を除去することから、酸化被膜の除去が不十分であることに起因して、接合の信頼性が低下するのを防止することもできる。

また、超音波接合処理において、素子供給ステージ２４からの半導体素子１４の取り出し動作および実装ヘッド３０への半導体素子１４の受け渡し動作を含む一連の動作は、接合補助剤供給工程と並行して実施しても良い。

なお、基板１２に複数の半導体素子１４を実装する場合には、Ｓ２〜Ｓ４の処理を繰り返し実行する。酸化被膜除去処理（ステップＳ１）、接合補助剤供給処理（ステップＳ２）、および接合補助剤除去処理（ステップＳ４）は、基板１２上の１つの実装位置Ｐ4に対してだけではなく、複数の半導体素子１４の実装位置Ｐ4に対して、まとめて行うようにしても良い。本実施形態１では、移送ツメ３５ａを備える移送機構３５と基板昇降機構３７とを用いて基板１２を搬送したが、その他適切な機構を用いて基板１２を搬送しても良い。

以上のように、実施形態１の実装装置によれば、ドライプロセスであるプラズマ処理により酸化被膜除去処理を実行するので、酸化被膜除去処理の後、直ちに超音波接合処理を開始することができ、電極１２ａがＣｕを含む場合にも、その表面に酸化被膜が再生されるのを防止することができる。これにより、電極間の接合界面に金属酸化物が混入するのを抑制することができる。

また、電極１２ａの表面の酸化を接合補助剤によって防止しながら、超音波接合を行うため、電極間の接合界面に金属酸化物が混入するのを、より確実に防止することができる。すなわち、Ａｕ−Ｃｕ接合において好適なダイシェア強度を維持することができ、従来のＡｕ−Ａｕ接合に代替可能な金属接合を提供することができる。これにより、半導体素子の実装およびその半導体素子搭載基板の製造におけるコスト削減を実現できる。

また、超音波接合による局所的な高温を利用するため、基板やチップ全体を高温にする必要がなく、大規模な還元用の加熱装置等も不要となる。よって、さらなるコスト削減を実現することができる。

さらに、接合補助剤７は、超音波接合が完了した後、接合補助剤除去処理の実施によりヒータ３４ａで加熱されて気化することにより基板１２上から除去される。このため、半導体素子１４や基板１２の機能が阻害されることもない。

さらに、基板１２の配線１１および電極１２ａの表面に対して、酸化被膜除去処理が行われ、その後、それぞれの表面が接合補助剤により覆われた状態にて超音波接合処理が実施され、接合補助剤除去処理後に樹脂封止が行われる。このため、配線１１および電極１２ａの表面には酸化被膜が再度形成されることはない。これにより、Ｃｕを含む配線１１および電極１２ａの表面は、Ａｕの表面と同等の高輝度状態の表面として保持される。よって、半導体素子１４が発光素子であるような場合には、その光を効率的に反射することができる。したがって、Ａｕに比して安価なＣｕを基板の配線および第１電極の材料として用いながら、発光素子である半導体素子１４からの光を効率的に反射して発光効率を高めることができる。

さらに、樹脂封止処理において、光透過性樹脂を用いて基板１２などを封止する場合、配線１１および電極１２ａの表面の高輝度状態を保持することができる。

次に、本発明に用いられる接合補助剤について、さらに説明する。接合補助剤は、超音波接合が完了するまでの間、バンプ１４ａと電極１２ａとの間の接触部を覆って酸素から遮断するとともに、Ｃｕの酸化被膜を還元する還元反応を発生させる役割を担っている。一方、実装装置１０において、実装ステージ３４に保持されている基板１２は、半導体素子１４の基板１２への超音波接合を効果的に行えるように、通常、所定温度に加熱（加温）されていることが多い。

このように加温された状態の基板１２の配線１１および電極１２ａ上に供給された接合補助剤７は、短時間で蒸発してしまうことなく、少なくとも超音波接合処理が完了するまでは残存して接合界面を覆っている必要がある。例えば、基板１２を載置する実装ステージ３４の温度よりも５０℃以上高い沸点を有する溶剤であれば、供給後、極短時間で蒸発して消失してしまうことは防げる。したがって、実装ステージ３４の温度の上限を１５０℃に設定する場合は、接合補助剤の溶剤の沸点は、２００℃以上とすることが好ましい。

また、接合補助剤は、接合界面を覆って酸素を遮断するとともに還元反応を発生させるという役割を果たした後、基板上から簡便な方法を用いて確実に除去される必要がある。そのため、接合補助剤は、例えば、加熱されることにより蒸発して基板上に残存することなく除去されるような溶剤であることが好ましい。

また、上述の説明では、接合補助剤供給ヘッド４２（ディスペンサ）を用いて、基板１２の配線１１および電極１２ａ上に接合補助剤を塗布供給するような場合を例として説明したが、接合補助剤の供給方法としては、塗布による供給の他、転写による供給方法を採用することもできる。また、接合補助剤を基板１２側に供給する場合の他、半導体素子１４側に供給する場合、両者に供給する場合などのいずれの手法を採用しても良い。

また、酸化被膜除去処理において、配線１１および電極１２ａの表面などにおいて、大気圧プラズマに曝された部分は、その後、接合補助剤７が供給された場合に、接合補助剤７が濡れ広がり易い領域となる。したがって、大気圧プラズマに曝す領域を制御することにより、接合補助剤の供給領域を制御することができるとともに、接合補助剤の供給量の管理を適切に行うことができる。

また、接合補助剤除去処理では、接合補助剤を積極的に加熱するなどして除去するような場合に代えて、例えば放置して自然蒸発させることで除去を行うようにしても良い。

本発明は、半導体素子の実装において、Ａｕ−Ｃｕ接合、Ｃｕ−Ｃｕ接合等を、従来のＡｕ−Ａｕ接合と同等のダイシェア強度を保持しながら実現することができるため、コスト削減の継続的な要求が高いフリップチップ実装装置に有用である。

１２ 基板
１２ａ 第１電極
１４ 半導体素子
１４ａ バンプ
７ 接合補助剤
１０ 実装装置
１６ 超音波接合ユニット
１８ 半導体素子供給ユニット
３０ 実装ヘッド
２０ プラズマ処理ユニット
３６ プラズマヘッド
２２ 接合補助剤供給ユニット
４２ 接合補助剤供給ヘッド
３５ 移送機構

Claims (17)

1. 第１電極を有する基板に、第２電極を有する半導体素子を実装する実装装置であって、
   前記半導体素子を供給する半導体素子供給ユニットと、
   前記半導体素子を前記基板に実装する前に、前記第１電極をプラズマ処理するプラズマ処理ユニットと、
   前記半導体素子供給ユニットにより供給される前記半導体素子を保持するとともに、前記第２電極を前記プラズマ処理された前記第１電極に超音波接合する超音波接合ヘッドと、
   前記超音波接合ヘッドにより前記第２電極を前記第１電極に超音波接合するときに、前記基板を保持する第１ステージと、を備える、実装装置。
2. 前記第１電極をプラズマ処理した後、かつ前記第１電極に前記第２電極を超音波接合する以前に、還元性を有する接合補助剤を前記第１電極に供給する接合補助剤供給ユニットをさらに備える、請求項１記載の実装装置。
3. 前記プラズマ処理ユニットは、前記第１電極をプラズマ処理するときに前記基板を保持する第２ステージを有する、請求項１または２記載の実装装置。
4. 前記基板を前記第２ステージから前記第１ステージに移送する移送機構をさらに備える、請求項３記載の実装装置。
5. 前記第１ステージを加熱する第１加熱手段を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の実装装置。
6. 前記第２ステージを加熱する第２加熱手段を備える、請求項３〜５のいずれか１項に記載の実装装置。
7. 前記第１電極が銅を含み、前記第２電極が金を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の実装装置。
8. 前記接合補助剤が、グリセリン、トリエチレングリコール、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールモノｎブチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、およびテトラエチレングリコールよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の実装装置。
9. 前記半導体素子供給ユニットが、
   前記第１ステージよりも下方に配置され、複数の前記半導体素子が載置される素子載置部と、
   前記素子載置部から前記半導体素子をピックアップし、上方に移動させて、前記超音波接合ヘッドに受け渡す上方移動機構を含み、
   前記上方移動機構が、
   一端側に回転中心部があり、他端側に半導体保持部がある軸状部、並びに、前記半導体保持部により前記半導体素子を保持している前記軸状部を前記回転中心部により半回転させる回転機構を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の実装装置。
10. 前記半導体素子載置部に、前記複数の半導体素子が、前記第２電極を上に向けて載置される、請求項９記載の実装装置。
11. 前記超音波接合ヘッドが前記第２電極を下に向けて前記半導体素子を保持する、請求項１０記載の実装装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の実装装置を使用して、前記基板に前記半導体素子を実装する半導体素子実装基板の製造方法であって、
    前記基板の前記第１電極を前記プラズマ処理している間に、別の前記基板の前記第１電極に前記半導体素子の前記第２電極を超音波接合する、半導体素子実装基板の製造方法。
13. 前記第１電極をプラズマ処理した後、かつ前記第１電極に前記第２電極を超音波接合する以前に、還元性を有する接合補助剤を前記第１電極に供給する、請求項１２記載の半導体素子実装基板の製造方法。
14. 前記第２電極を前記第１電極に超音波接合するときに、前記基板を、前記第１ステージにより８０〜１５０℃に加熱する、請求項１２または１３記載の半導体素子実装基板の製造方法。
15. 前記第１電極を前記プラズマ処理するときに、前記基板を、前記第２ステージにより５０〜１００℃に加熱する、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の半導体素子実装基板の製造方法。
16. 前記第２電極を前記第１電極に超音波接合するときに、前記超音波接合ヘッドを、２００〜３００℃に加熱する、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の半導体素子実装基板の製造方法。
17. 通常雰囲気中で、前記第２電極を前記第１電極に超音波接合する、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の半導体素子実装基板の製造方法。

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