JP2021102217A - レーザーリフロー装置、及び、レーザーリフロー方法 - Google Patents

レーザーリフロー装置、及び、レーザーリフロー方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 半導体チップのバンプのリフローを行うレーザーリフロープロセスにおいて、基板の反りを抑えつつ、バンプ接続不良を低減可能とする新規な技術を提案する。【解決手段】 一側面にバンプを配した半導体チップ３０を少なくとも１つ含む被加工物４０に対して、半導体チップ３０側からレーザービームを照射して被加工物４０の被照射範囲に含まれるバンプをリフローさせるレーザーリフロー装置１であって、半導体チップ３０に対して吸収性を有する波長のレーザービームを出射するレーザー光源５１と、レーザー光源５１から出射されたレーザービームを被加工物４０に結像し被加工物の被照射範囲に照射する結像手段５５と、レーザー光源５１と結像手段５５の間に配設され、レーザー光源５１から出射されたレーザービームについて被照射範囲内におけるのレーザーパワー密度を局所的に設定可能とする空間光変調手段５４と、を備えたレーザーリフロー装置とする。【選択図】図２

Description

本発明は、バンプを介して半導体チップを基板に接続する構成の被加工物に対し、半導体チップ側からレーザービームを照射してバンプをリフローさせるレーザーリフロー装置、及び、レーザーリフロー方法に関する。
従来、バンプを有した半導体チップを基板上にバンプを介して載置した後、基板とチップとの全体を加熱することでバンプを溶かして基板上の電極に接続するフリップチップ実装が知られている。
フリップチップ実装において、基板全体を加熱してボンディングするマスリフロープロセス（Ｍａｓｓ Ｒｅｆｌｏｗ）が知られている。このマスリフローでは、基板と、基板上に複数配置されるチップとの熱膨張係数の違いから加熱中に基板が大きく反り、これに伴ってチップが動き、断線やショート等の不良が発生する可能性があることが知られている。
また、各チップに加熱・加圧を実施することでボンディングするＴＣＢプロセス（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ：熱圧着）も知られている。このＴＣＢプロセスでは、ボンダーヘッドの冷却に時間がかかることや、生産性が劣るということが知られている。
以上のようなプロセスに対し優位性のあるプロセスとして、例えば特許文献１に開示されるようなレーザーリフロープロセスが知られている。このレーザーリフロープロセスでは、基板の実装面の所定の範囲において、チップの上側からレーザービームを照射してバンプを溶かし、チップを基板上の電極に接続するものである。
そして、このようなレーザーリフロープロセスでは、複数のチップに対してレーザービームを照射することでＴＣＢプロセスよりも高い生産性が得られ、マスリフロープロセスのように基板に大きな反りが発生しないという利点がある。
特開２００８−１７７２４０号
上述のように、レーザーリフロープロセスは利点を有するものであるが、レーザービームの照射によって基板も加熱されることから、基板の反りの問題は依然として残るものであり、さらなる改善の余地がある。
ここで、単純にレーザーの出力を抑えることで、基板の温度上昇を抑えることも考えられるが、その場合バンプが充分に溶解されずに接続不良を生じることが懸念される。
また、半導体チップを基板に実装するフリップチップ実装の他、半導体チップに分割する前のウェーハを積層し、ウェーハの状態でパンプ接合をするウェーハオンウェーハ（ｗａｆｅｒ ｏｎ ｗａｆｅｒ）も知られており、このアプリケーションにおいてもウェーハの反りの問題が懸念される。
本発明は以上の問題に鑑み、レーザーリフロープロセスにおいて、熱による被加工物の反りを抑えつつ、バンプ接続不良を低減可能とする新規な技術を提案するものである。
本発明の一態様によれば、
一側面にバンプを配した半導体チップを少なくとも１つ含む被加工物に対して、該半導体チップの他側面からレーザービームを照射して該被加工物の被照射範囲に含まれる該バンプをリフローさせるレーザーリフロー装置であって、
（A）
レーザー光源から出射されたレーザービームについて該被照射範囲内におけるレーザーパワー密度を局所的に設定可能とするレーザーパワー密度設定機能を有する空間光変調手段と、
該レーザー光源から出射されたレーザービームを該被加工物に結像し該被加工物の該被照射範囲に照射する結像機能を有する結像手段と、有する、
又は、
（B）
レーザー光源から出射されたレーザービームについて該被照射範囲内におけるレーザーパワー密度を局所的に設定可能とするレーザーパワー密度設定機能、及び、該レーザービームを該被加工物に結像し該被加工物の該被照射範囲に照射する結像機能と、を有する空間光変調手段を有する、
レーザーリフロー装置とする。
また、本発明の一態様によれば、
該被加工物上の被照射範囲の位置を変更可能な被照射範囲変更手段を更に備えた、
こととする。
また、本発明の一態様によれば、
該空間光変調手段は、該被照射範囲のうち該バンプが存在するバンプ領域に照射されるレーザービームのレーザーパワー密度を、該バンプが存在しない非バンプ領域に照射されるレーザービームのレーザーパワー密度よりも高くするよう設定される、
こととする。
また、本発明の一態様によれば、
該レーザー光源と該空間光変調手段の間に配設され、該レーザー光源から出射されたレーザービームのレーザーパワー密度を該空間光変調手段の入射面において均一化する、均一照射ユニットを更に備えた、
こととする。
また、本発明の一態様によれば、
該レーザー光源は、複数の光源からなる、
こととする。
また、本発明の一態様によれば、
被加工物の上面の温度を検出する温度検出器を更に備えた、
こととする。
また、本発明の一態様によれば、
該レーザービームを透過させる材質からなり、被加工物の上面を抑える押圧部材を更に備えた、
こととする。
また、本発明の一態様によれば、
上記記載のレーザーリフロー装置を用いたレーザーリフロー方法であって、
該被照射範囲内の各特定領域について照射されるレーザービームのレーザーパワー密度を個別に設定する、レーザーリフロー方法とする。
本発明の構成によれば、空間光変調素子を備える構成とすることで、レーザーパワー密度を被照射範囲内で局所的に設定することができ、例えば、バンプ領域のみにレーザーパワー密度の高いレーザービームを照射することで、不必要な箇所を無駄に加熱することなく被加工物の反りを抑制しながらも、パンプを確実に溶かすことが可能となり、パンプ接続不良の発生を抑えることができる。
レーザーリフロー装置の一構成例について示す図である。 光学系の一構成例について説明する図である。 （Ａ）はコリメートレンズと非球面レンズによる均一照射ユニットの図であり、（Ｂ）はコリメートレンズとＤＯＥによる均一照射ユニットの図であり、（Ｃ）はロッドレンズと導光ユニットによる均一照射ユニットの図であり、（Ｄ）はコリメートレンズとレンズアレイと集光レンズによる均一照射ユニットの図である。 テレセントリックレンズにて形成する平行入射光について説明する図である。 （Ａ）は半導体チップの領域にのみレーザービームを照射する例について示す図であり、（Ｂ）は領域ごとに異なるレーザーパワー密度が設定される例について示す図であり、（Ｃ）は半導体チップが積層されるものについてレーザーリフローを実施する例について示す図である。 （Ａ）は一つの半導体チップの領域にレーザービームが照射される例について説明する図である。（Ｂ）は複数の半導体チップの領域にレーザービームが照射される例について説明する図である。（Ｃ）はバンプが配置される領域にレーザービームが照射される例について説明する図である。（Ｄ）は領域ごとに異なるレーザーパワー密度が設定される様子について示す図である。 （Ａ）は基板表面のみにレーザービームが照射される例について説明する図である。（Ｂ）は領域ごとに異なるレーザーパワー密度が設定される様子について示す図である。 光学系の他の実施例について説明する図である。 光学系の他の実施例について説明する図である。 押圧部材による基板の反りの抑制について説明する図である。
以下、本発明の実施の形態に係るレーザーリフロー装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、レーザーリフロー装置１は、レーザービームを照射するレーザー照射ユニット２と、被加工物４０を保持する加工テーブル３と、を有し、加工テーブル３をレーザー照射ユニット２に対して相対移動させることで、被加工物４０にレーザー加工を施すように構成されている。
被加工物４０は、例えば矩形の基板２０上に半導体チップ３０の表面を下向きにした状態で配列させたものであり、半導体チップ３０の表側に配置されるバンプをレーザービームにてリフローすることにより、半導体チップ３０が基板２０に対しフリップチップ実装されることが予定されるものである。基板２０は、例えば、ＰＣＢ基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）や、チップに分割される前のデバイスウェーハ等である。
なお、被加工物４０としては、図５（Ａ）に示すように、半導体チップ３０がバンプを介して基板２０に配列されたものや、図５（Ｃ）に示すように、半導体チップ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが積層され、各半導体チップ３０間にバンプ３２が存在するものなどが考えられる。また、複数枚のデバイスウェーハを積層してバンプ接合するウェーハオンウェーハ（ｗａｆｅｒ ｏｎ ｗａｆｅｒ）のアプリケーションにおいても本発明は適用可能であり、この場合は、複数のウェーハを積層したものが被加工物となる。
図１に示すように、レーザーリフロー装置１は、基台４と、基台４の後端部から上方に立設した縦壁部５と、を備える。縦壁部５の前面５ａには、前方に突出したアーム部６が設けられ、アーム部６の先端側にはレーザー照射ユニット２の加工ヘッド７が設けられている。加工ヘッド７は、詳しくは後述するようにレーザー光源から照射されるレーザービームを集光し、加工テーブル３上に保持された被加工物４０にレーザービームを照射するためのものである。
本実施例では、加工テーブル３は、図示せぬ回転機構によりθ方向（Ｚ軸周り）に回転可能に構成されるものであるが、回転可能としない構成であってもよい。なお、被加工物４０が加工ヘッド７に対し斜めに載置される場合には、回転機構を備えることが有効である。
基台４の上面には、Ｙ軸方向に延在する一対のガイドレール８と、一対のガイドレール８に対し摺動可能に支持されるＹ軸テーブル９と、モーター１７と、モーター１７により回転駆動されるボールネジ１５が設けられている。Ｙ軸テーブル９はナット部材を介してボールネジ１５に連結されており、モーター１７の駆動によってＹ軸テーブル９がＹ軸方向に移動される。
Ｙ軸テーブル９の上面には、Ｘ軸方向に延在する一対のガイドレール１０と、一対のガイドレール１０に対し摺動可能に支持されるＸ軸テーブル１１と、モーター１８と、モーター１８により回転駆動されるボールネジ１６が設けられている。Ｘ軸テーブル１１はナット部材を介してボールネジ１６と連結されており、モーター１８の駆動によってＸ軸テーブル１１がＸ軸方向に移動される。
アーム部６において、加工ヘッド７の側方には、被加工物４０の位置と加工ヘッド７の位置をアライメントするために用いる撮像カメラ７１と、被加工物４０の温度を検出するための温度検出器７２が配置されている。例えば、撮像カメラ７１は、ＣＣＤカメラにて構成することができ、温度検出器７２は、赤外線カメラにて構成することができる。
アーム部６において、加工ヘッド７の下方には、半導体チップ３０の上面に対向するように押圧部材６０が設けられる。押圧部材６０は、熱変形により基板２０に反りが生じようとした際に、半導体チップ３０を上側から押さえて反りの発生やズレを防止するためのものである。押圧部材６０は、被加工物に照射されるレーザービームを透過させる材質にて構成され、本実施例では、平板部材で構成されてアーム部６の側面に設けられる昇降機構６２により上下方向に移動可能に構成される。
半導体チップ３０の上面ではレーザービームの一部が反射し、この反射したレーザービームが押圧部材６０の上面に到達すると、その一部が押圧部材６０の上面において再び反射して半導体チップ３０に向けて進行し、半導体チップ３０に吸収されることができる。このように、押圧部材６０は、レーザービームの多重反射を生じさせ、加工効率を向上させることも目的として設けられる。
レーザーリフロー装置１には、レーザー照射ユニット２の動作、加工テーブル３のＸＹ移動、撮像カメラ７１や温度検出器７２の制御など、レーザーリフロー装置１を構成する各機能を制御するための制御装置１００が設けられている。
また、レーザーリフロー装置１には、制御装置１００に対し、被加工物４０の加工条件や属性情報などを入力するための入力装置２００が設けられている。入力装置２００はタッチパネルなどで構成することができる。
次に、レーザー照射ユニットの光学系の一実施形態について説明する。
図２に示す例では、レーザー照射ユニット２は、順に、レーザー光源５１と、均一照射ユニット５２と、導光ユニット５３と、空間光変調手段５４と、結像手段５５と、拡大レンズ５６と、テレセントリックレンズ５７、とを有して構成される。
レーザー光源５１は、例えば、ファイバレーザや、単一のレーザーダイオード（ＬＤ）を有する単一光源や、複数のレーザーダイオード（ＬＤ）を配置してなるマルチ光源、にて構成することができる。
レーザー光源５１から出射られるレーザービームは、被加工物（半導体チップ）に対して吸収性を有する波長の連続波とされる。半導体チップ３０（図１）がシリコンである場合には、例えば波長４００〜１１００ｎｍのレーザービームが使用されるが、より短波長のものが採用されてもよい。短波長の場合では半導体チップ表面での反射が増加し、長波長では半導体チップ表面での反射が抑えられるがシリコンに対する透過性が増加することになる。したがって、特に好ましくは、波長９００〜１０００ｎｍを採用することが考えられ、これによれば、半導体チップ表面での反射が抑えられるとともに、半導体チップでの吸収を確保することができる。
均一照射ユニット５２は、均一照射ユニット５２から出射されるレーザービームによって、空間光変調手段５４に対する均一照射面を形成するためのものである。この均一照射面では、レーザービームのレーザーパワー密度が均一なものとなる。
この均一照射ユニット５２は、レーザー光源５１がマルチ光源である場合には、特に設けられることが好ましい。均一照射ユニット５２は、単一光源の場合にも、ガウシアン分布をなす光源の場合には、完全なトップハット分布にするために設けられることが好ましく、また、トップハット分布をなす光源の場合においてもより完全なトップハット分布にするために設けられることが好ましい。
均一照射ユニット５２は、例えば、図３（Ａ）に示すように、コリメートレンズＲ１と非球面レンズＲ２の組み合わせにより均一照射面Ｋが形成されるもの、図３（Ｂ）に示すように、コリメートレンズＲ３、ＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：回折光学素子）Ｒ４，集光レンズＲ５の組み合わせにより均一照射面Ｋが形成されるもの、図３（Ｃ）に示すように、ロッドレンズＲ６（ロッドレンズはガラスからなる筒状部材）と導光ユニットＲ７（リレーレンズや光ファイバ）の組み合わせにより均一照射面Ｋが形成されるもの、図３（Ｄ）に示すように、コリメートレンズＲ８と第一・第二レンズアレイＲ９・Ｒ１０（複数のロッドレンズを束ねてアレイ状にしたものや、レンズをアレイ状に面加工したもの）と集光レンズＲ１１の組み合わせにより均一照射面Ｋが形成されるもの、を利用することができる。なお、図３（Ｃ）の構成において、ロッドレンズＲ６の代わりに、ライトパイプ（鏡で囲まれた中空の筒状部材であり、ホモジナイザーロッドとも呼ぶ）を用いることとしてもよい。
また、図３（Ｃ）に示すロッドレンズＲ６（又は、ライトパイプ）の構成において、図３（Ｃ）に示されるように、入射側よりも出射側の径が小さいものを使用するほか他、同径とするもの、あるいは、入射側のほうが出射側の径よりも小さいものを使用することとしてもよい。
図２に示される導光ユニット５３は、均一照射ユニットによって形成された均一照射面の光（あるいは、光源からの直接の光）を、空間光変調手段５４に転写するためのユニットであり、例えば光ファイバやリレーレンズ（組みレンズ）により構成することができる。なお、組みレンズを利用する場合には、光ファイバと比較して、導光ユニット５３と空間光変調手段５４の間の距離を広く設けることが可能となるため、装置設計の自由度が高いものとなる。
図２に示される空間光変調手段５４は、出射されるレーザービームの強度（レーザーパワー密度）の空間密度分布をコントロールできる空間光変調素子で構成され、ＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）と称されるものである。例えば、周知の反射型液晶ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、透過型液晶ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐａｎｅｌ）、Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などの周知のＳＬＭデバイスから選択して構成することができる。
また、空間光変調手段５４のレーザー被照射面（入射面）と、被加工物４０のレーザー被照射面とが非共役となるように、空間光変調手段５４は位相変調型のものを利用することが好ましい。これによれば、光源から出射されるレーザービームの利用効率を高いものとすることができる。
なお、空間光変調手段５４のレーザー被照射面（入射面）と、被加工物のレーザー被照射面とが共役となる振幅変調型の空間光変調手段５４も利用可能である。例えば、上記で列記したＳＬＭデバイスにおいて振幅変調型のものの他、マスクも空間光変調手段５４の代わりに採用することができる。ただし、振幅変調型のＳＬＭデバイスや、マスクや、ＤＭＤについては、被加工物に照射されない光の損失が生じることになる。
図２に示される結像手段５５は、単一のレンズや、組みレンズからなる結像レンズで構成することができる。図２の例では、両凸レンズと両凹レンズを順に配置して構成される。
なお、空間光変調手段５４が位相変調型（例えば、反射型ＬＣＯＳやＤｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒなど）の場合には、空間光変調手段５４を構成する空間光変調素子により結像手段５５（結像レンズ）の機能も兼ね備えることができ、この場合には、結像手段５５（結像レンズ）を省略することとしてもよい。
図２に示される拡大結像レンズ５６は、結像レンズで結像される像（共役像）を拡大して被加工物４０のレーザー被照射面に結像するものである。拡大結像レンズ５６は省略可能である。
図２に示されるテレセントリックレンズ５７は、被加工物４０のレーザー被照射面に対しレーザービームを垂直に入射させる、つまりは、光軸と平行に入射させるためのものである。例えば、図４に示すように、テレセントリックレンズ５７によりレーザービームＬＢを平行入射光とし、隣接する半導体チップ３０の狭い隙間に、半導体チップ３０を避けて基板２０に照射させる際には、テレセントリックレンズ５７の利用は特に有効である。なお、図２に示される結像手段５５をテレセントリックレンズに構成することもでき、また、テレセントリックレンズ５７を省略して光学系を構成することとしてもよい。
また、テレセントリックレンズ５７を用いる光学系を構成するメリットとして、レーザー被照射面での焦点合わせに関し、高精度のＺ方向の位置決めが不要となるという点もある。また、図４に示すように、レーザービームＬＢが被加工物４０のレーザー被照射面に対し垂直に入射されるので、隣り合う半導体チップ３０の間隔が狭い場合や、半導体チップ３０が厚い場合であっても、レーザービームＬＢが半導体チップ３０の表面に照射されてしまうことを防ぐことができる。
次に、レーザーリフローを実施する例について説明する。
図１に示すように、被加工物４０が加工テーブル３にセットされるとともに、加工条件が入力装置２００から入力される。ここで、加工条件は、例えば、図５（Ａ）に示すように、「半導体チップ３０が存在する各特定領域ＡのみにレーザービームＬＡを照射する」という加工条件である。別の例としては、図５（Ｂ）に示すように、「半導体チップ３０が存在する各特定領域Ａに照射されるレーザービームＬＡのレーザーパワー密度が、半導体チップ３０が存在せずレーザービームが直接基板に照射される各特定領域Ｂに照射されるレーザービームＬＢのレーザーパワー密度よりも高い」という加工条件である。
以上のように、被照射範囲内の特定領域について局所的にレーザービームを照射することや、レーザーパワー密度の分布を設定することは、空間光変調手段５４を利用することによって可能となるものである。なお、レーザーパワー密度とは、単位面積当たりのレーザーパワーのことであり単位Ｗ／ｃｍ２であり、本実施形態におけるレーザーリフローでは、１０〜３００Ｗ／ｃｍ２であることが想定される。
ここで、レーザーパワー密度は、被加工物の材質や、レーザービームが透過する半導体チップや被加工物の厚みに応じて設定され、例えば１０〜３００Ｗ／ｃｍ２であり、照射時間（リフローに要する時間）を短縮するためには８０〜３００Ｗｃｍ２とすることがより好ましい。半導体チップや被加工物の厚みによっては３００Ｗよりも高い密度のレーザービームも利用可能だがデバイスを損傷するリスクが高まるので、この点を考慮して適宜設定される。
制御装置１００は、撮像カメラ７１で加工表面を撮像し、被照射範囲の中から特定領域を確定するステップを実行する。次いで、各特定領域についてレーザーパワー密度を個別に設定する。図５（Ｂ）の例であれば、被照射範囲の中から特定領域Ａ，Ｂを確定し、特定領域Ａについてレーザーパワー密度を高く、特定領域Ｂについてレーザーパワー密度を低く設定するものである。
また、加工前に特定領域の確定とレーザーパワー密度の設定をしておくようにしてもよい。例えば、加工前に被加工物の各種寸法をもとに特定領域を確定しておき、各特定領域のレーザーパワー密度をそれぞれ設定し、加工条件として特定領域と各レーザーパワー密度を加工装置に登録しておく。同時に被加工物の特徴点の撮像画像をターゲットとして登録するとともにターゲットと各特定領域の位置関係を装置に登録しておく。そして、これにより、リフロー時には、被加工物を撮像カメラで撮像して特徴点を検出し、特定領域を検出して登録しておいた各レーザーパワー密度でレーザービームを照射する。
次いで、撮像画像に基づいて加工ヘッド７の位置と被加工物４０の位置を、加工テーブル３を移動させることで適宜位置合わせする。
位置合わせ完了後、制御装置１００は、上記加工条件に対応してレーザービームを照射し、バンプ３２を溶かして半導体チップ３０と基板２０の電気的接続を行う。
なお、図５（Ｃ）に示すように、半導体チップ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが積層され、各半導体チップ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ間にバンプ３２が存在する構成においても、本願の構成は好適に実施できるものである。
レーザーリフローの加工条件としては、図５（Ａ），図５（Ｂ）に示すもののほか、例えば、図６（Ａ）に示すように一つの半導体チップ３０の領域Ａ１のみをレーザービームが照射される特定領域する、図６（Ｂ）に示すように複数の半導体チップ３０の領域Ａ１〜Ａ６のみをレーザービームが照射される特定領域とする、図６（Ｃ）に示すように複数の半導体チップ３０においてバンプ３２が配置されるバンプ領域Ｍ１〜Ｍ６のみをレーザービームが照射される特定領域とする、図６（Ｄ）に示すように複数の半導体チップ３０においてバンプ３２が配置されるバンプ領域Ｍ１〜Ｍ６についてレーザーパワー密度を高くし、バンプが配置されない非バンプ領域Ｎ１〜Ｎ６のレーザーパワー密度を低くする、といった条件も設定可能である。
また、加工条件として、図７（Ａ）に示すように基板２０において半導体チップ３０が存在せずに露出する露出領域Ｒ１（基板表面）のみをレーザービームが照射される特定領域とする、図７（Ｂ）に示すように露出領域Ｒ１についてレーザーパワー密度を高くし、半導体チップ３０の領域Ａ１〜Ａ６のレーザーパワー密度を低くする、あるいは、その逆で露出領域Ｒ１についてレーザーパワー密度を高くし、半導体チップ３０の領域Ａ１〜Ａ６のレーザーパワー密度を低くする、といった条件も設定可能である。
また、図４（Ｃ）に示すよう複数の半導体チップ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが積層される場合などにおいて、半導体チップの損傷を抑えたい場合などでは、あえて半導体チップに照射するレーザービームのレーザーパワー密度を低く設定することも有効な場合もある。また、あえて基板２０に照射するレーザービームのレーザーパワー密度を高くする、あるいは、基板２０のみにレーザービームを照射することで、基板２０側の温度上昇を利用してバンプを溶かし易くすることもできる。
例えば、図４（Ｃ）に示す構成においては、均等にレーザービームを照射してしまうと、最下層の半導体チップ３０Ｃのバンプが溶ける前に、最上層の半導体チップ３０Ａが加熱されすぎることで、半導体チップ３０Ａのデバイスが損傷する可能性がある。そこで、チップが存在する領域のレーザーパワー密度を低くするとともに、基板２０Ａ（Ｓｉインターポーザー）に高いレーザーパワー密度のレーザービームを照射して基板２０Ａを積極的に加熱し、基板２０Ａからの熱伝導により、最下層の半導体チップ３０Ｃを溶融させる。このように、基板２０Ａを熱源として利用することで、各半導体チップ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃのバンプを均一に溶融させ、デバイスの損傷を防ぐことが可能となる。
また、被加工物が大きく被照射範囲が広くなる場合には、局所的なレーザービーム照射を繰り返し、段階的にレーザービームを照射してもよい。例えば、図６（Ｂ）において、特定領域Ａ１〜Ａ６を含む範囲を被照射範囲Ｈ１として設定し、被照射範囲Ｈ１に含まれる特定領域Ａ１〜Ａ６についてレーザービームを照射する。次いで、残りの特定領域Ａ７〜Ａ１２を含む範囲を被照射範囲Ｈ２として設定し、被照射範囲Ｈ２に含まれる特定領域Ａ７〜Ａ１２についてレーザービームを照射するようにしてもよい。
次に、段階的にレーザービームの照射を行う場合に用いる被照射範囲変更手段について説明する。
図１に示すレーザーリフロー装置１では、加工テーブル３をＸＹ方向に移動させることにより、図６（Ｂ）に示す被照射範囲Ｈ１を被照射範囲Ｈ２に変更することが可能となる。このように、加工テーブル３を被照射範囲変更手段とすることで、被照射範囲Ｈ１，被照射範囲Ｈ２を順次遷移させることにより、被加工物４０の全範囲についてレーザーリフローを実施することができる。
被照射範囲変更手段は、図１に示すように、加工テーブル３を移動させる構成にて実現することとする他、図８、図９に示される光学系により実現することとしてもよい。図８に示す光学系では、順に、レーザー光源・均一照射ユニット８１、リレーレンズ８２、空間光変調素子８３（空間光変調手段）、結像レンズ８４（結像手段）、リレーレンズ８５、第一ガルバノスキャナ８６、第二ガルバノスキャナ８７、リレーレンズ８８を配置して構成されるものである。第一ガルバノスキャナ８６は、第一ミラー８６ａ，アクチュエータ８６ｂを備え、第二ガルバノスキャナ８７は、第二ミラー８７ａ，アクチュエータ８７ｂを備える。
第一ガルバノスキャナ８６の第一ミラー８６ａが、レーザー光源・均一照射ユニット８１から出射されて空間光変調素子８３を通過したレーザービームをＹ方向に偏向し、第二ガルバノスキャナ８７の第二ミラー８７ａがレーザービームをＸ方向に偏向することで、被照射範囲Ｈを所望の位置に移動させることが可能となる。
また、図９に示す光学系では、順に、レーザー光源９１、均一照射ユニット９２、リレーレンズ９３、空間光変調素子９４（空間光変調手段）、結像レンズ９５（結像手段）、リレーレンズ９６、２軸ＭＥＭＳミラー９７（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、リレーレンズ９８を配置して構成される。
２軸ＭＥＭＳミラー９７は、Ｘ方向に伸長する第一の回転軸により図９の矢印Rｘ方向に回転することで、レーザービームをY方向に偏向するとともに、Ｙ方向に伸長する第二の回転軸により図９の矢印Rｙ方向方向に回転することで、レーザービームをY方向に偏向する構成としている。これにより、２軸ＭＥＭＳミラー９７により、レーザービームをＸ方向、Ｙ方向に偏向することで、被照射範囲Ｈを所望の位置に移動させることが可能となる。
次に、基板の反りの発生を抑制する押圧部材について説明する。
以上のようにしてレーザーリフローを行う際には、図１０に示すように、押圧部材６０を半導体チップ３０の上面に対向させ、半導体チップ３０を上側から押さえて反りの発生を防止することが好ましい。このように反りの発生を機械的に抑制することで、バンプ接続不良の発生をより確実に抑えることができる。
押圧部材６０は半導体チップ３０の上面に当接させて抑えることとしてもよく、あるいは、押圧部材６０と半導体チップ３０の上面の間に僅かな隙間を設けておき、基板２０に反りが生じた際に反りの進行を抑えることとしてもよい。
押圧部材６０は、例えば、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍのレーザービームＬＡを透過させる石英ガラス板にて構成することができる。また、図１に示すように、加工テーブル３の上方に配置し、昇降機構６２にて昇降させる構成とし、適宜上下位置を設定できる構成を採用することができる。
次に、リフロー時の被加工物の温度のモニターについて説明する。
レーザービームを照射してレーザーリフローを実施する際には、図１に示すように、温度検出器７２により、リアルタイムで温度を計測し、所定の温度でリフローが実施されているかをモニタリングし、必要であれば、レーザービームを追加的に照射することや、レーザービームのレーザーパワー密度を変更することや、所定の温度に到達した際にレーザービームの照射を停止して過度の加熱を防止するなど、フィードバック制御をすることが好ましい。
これによれば、バンプの溶解不良等による電気的な接続不良の発生をより確実に防止することが可能となる。
以上のようにして本発明を実現することができる。
即ち、図１及び図２に示すように、
一側面にバンプを配した半導体チップ３０を少なくとも１つ含む被加工物４０に対して、半導体チップ３０の他側面からレーザービームを照射して被加工物４０の被照射範囲に含まれるバンプをリフローさせるレーザーリフロー装置１であって、
（A）
レーザー光源５１から出射されたレーザービームについて被照射範囲内におけるレーザーパワー密度を局所的に設定可能とするレーザーパワー密度設定機能を有する空間光変調手段５４と、
レーザー光源５１から出射されたレーザービームを被加工物４０に結像し被加工物４０の被照射範囲に照射する結像機能を有する結像手段５５と、有する、
又は、
（B）
レーザー光源５１から出射されたレーザービームについて被照射範囲内におけるレーザーパワー密度を局所的に設定可能とするレーザーパワー密度設定機能、及び、レーザービームを被加工物に結像し被加工物４０の被照射範囲に照射する結像機能と、を有する空間光変調手段５４を有する、
レーザーリフロー装置とするものである。
このように空間光変調手段を備える構成とすることで、レーザーパワー密度を被照射範囲内で局所的に設定することができ、例えば、バンプ領域のみにレーザーパワー密度の高いレーザービームを照射することで、不必要な箇所を無駄に加熱することなく被加工物の反りを抑制しながらも、パンプを確実に溶かすことが可能となり、パンプ接続不良の発生を抑えることができる。
また、図６（Ｂ）に示すように、被加工物４０上の被照射範囲Ｈ１，Ｈ２の位置を変更可能な被照射範囲変更手段を更に備えた、こととするものである。図１の例では、加工テーブル３にて被照射範囲変更手段が構成され、図８の例では第一ガルバノスキャナ８６、第二ガルバノスキャナ８７により被照射範囲変更手段が構成され、図９の例では、２軸ＭＥＭＳミラー９７にて被照射範囲変更手段を構成することができる。
これにより、光学系において大きな結像レンズが不要となり、光学系に関する装置構成をコンパクトにできる。
また、図６（Ｄ）に示すように、空間光変調手段は、被照射範囲のうちバンプが存在するバンプ領域Ｍ１〜Ｍ６に照射されるレーザービームのレーザーパワー密度を、バンプが存在しない非バンプ領域Ｎ１〜Ｎ６に照射されるレーザービームのレーザーパワー密度よりも高くするよう設定される、こととする。
これにより、バンプ領域を重点的に加熱できるので、基板を無駄に加熱することなく基板の反りを抑えられる。特に図５（Ｃ）に示すように、複数の半導体チップが積層された状態で加熱する場合、基板側の半導体チップのバンプをリフローするのに十分な加熱を行うと、上側の半導体チップのデバイスを損傷しかねないことになるため、バンプ領域に限定してレーザービームを照射することは有効なものとなる。なお、逆に、図７（Ａ）に示すように、基板のみを加熱することや、半導体チップの箇所のレーザーパワー密度を低くすることなどによりデバイスの損傷を防止できることになり、各領域におけるレーザーパワー密度の設計を適宜最適化することが好ましい。
また、図２に示すように、レーザー光源５１と空間光変調手段５４の間に配設され、レーザー光源５１から出射されたレーザービームのレーザーパワー密度を空間光変調手段５４の入射面において均一化する、均一照射ユニット５２を更に備えた、こととするものである。
これによれば、レーザー光源からのレーザービームのエネルギー分布をそのまま被加工物の被照射面に反映させるのではなく、被照射面でのエネルギー分布を均一にすることが可能となり、エネルギーのばらつきが抑えられた均一なリフローを実現可能となる。
また、図２に示すように、レーザー光源５１は、複数の光源からなる、こととするものである。
これによれば、例えば、高出力を実現するレーザー光源５１を安価に構成することが可能となる。
また、図１に示すように、被加工物４０の上面の温度を検出する温度検出器７２を更に備えた、こととするものである。
これによれば、温度のモニタリングが可能となり、必要であれば、レーザービームを追加的に照射することや、レーザービームのレーザーパワー密度を変更することや、所定の温度に到達した際にレーザービームの照射を停止して過度の加熱を防止するなど、フィードバック制御が可能となり、バンプの溶解不良等による電気的な接続不良の発生をより確実に防止することが可能となる。
また、図１０に示すように、レーザービームを透過させる材質からなり、被加工物４０の上面を抑える押圧部材６０を更に備えた、こととするものである。
これによれば、基板の反りの発生を機械的に抑制することが可能となり、バンプ接続不良の発生をより確実に抑えることができる。
また、図５乃至図７に示すように、被照射範囲内において複数の特定領域を確定し、各特定領域について照射されるレーザービームのレーザーパワー密度を個別に設定する、レーザーリフロー方法とするものである。
これにより、例えば、バンプ領域のみにレーザーパワー密度の高いレーザービームを照射することで、基板を無駄に加熱することなく基板の反りを抑制しながらも、パンプを確実に溶かすことが可能となり、パンプ接続不良の発生を抑えることができる。
１ レーザーリフロー装置
２ レーザー照射ユニット
３ 加工テーブル
４ 基台
７ 加工ヘッド
２０ 基板
３０ 半導体チップ
３２ バンプ
４０ 被加工物
５１ レーザー光源
５２ 均一照射ユニット
５３ 導光ユニット
５４ 空間光変調手段
５５ 結像レンズ
５６ 拡大レンズ
５６ 拡大結像レンズ
５７ テレセントリックレンズ
６０ 押圧部材
Ｈ 被照射範囲
Ｈ１ 被照射範囲
Ｈ２ 被照射範囲

Claims (8)

  1. 一側面にバンプを配した半導体チップを少なくとも１つ含む被加工物に対して、該半導体チップの他側面からレーザービームを照射して該被加工物の被照射範囲に含まれる該バンプをリフローさせるレーザーリフロー装置であって、
    （A）
    レーザー光源から出射されたレーザービームについて該被照射範囲内におけるレーザーパワー密度を局所的に設定可能とするレーザーパワー密度設定機能を有する空間光変調手段と、
    該レーザー光源から出射されたレーザービームを該被加工物に結像し該被加工物の該被照射範囲に照射する結像機能を有する結像手段と、有する、
    又は、
    （B）
    レーザー光源から出射されたレーザービームについて該被照射範囲内におけるレーザーパワー密度を局所的に設定可能とするレーザーパワー密度設定機能、及び、該レーザービームを該被加工物に結像し該被加工物の該被照射範囲に照射する結像機能と、を有する空間光変調手段を有する、
    レーザーリフロー装置。
  2. 該被加工物上の被照射範囲の位置を変更可能な被照射範囲変更手段を更に備えた、
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザーリフロー装置。
  3. 該空間光変調手段は、該被照射範囲のうち該バンプが存在するバンプ領域に照射されるレーザービームのレーザーパワー密度を、該バンプが存在しない非バンプ領域に照射されるレーザービームのレーザーパワー密度よりも高くするよう設定される、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザーリフロー装置。
  4. 該レーザー光源と該空間光変調手段の間に配設され、該レーザー光源から出射されたレーザービームのレーザーパワー密度を該空間光変調手段の入射面において均一化する、均一照射ユニットを更に備えた、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のレーザーリフロー装置。
  5. 該レーザー光源は、複数の光源からなる、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のレーザーリフロー装置。
  6. 被加工物の上面の温度を検出する温度検出器を更に備えた、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のレーザーリフロー装置。
  7. 該レーザービームを透過させる材質からなり、被加工物の上面を抑える押圧部材を更に備えた、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーザーリフロー装置。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のレーザーリフロー装置を用いたレーザーリフロー方法であって、
    該被照射範囲内の各特定領域について照射されるレーザービームのレーザーパワー密度を個別に設定する、レーザーリフロー方法。
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