JP2023134301A - 半導体製造装置、塗布装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塗布されたペーストの形状変化を低減させることが可能な技術を提供することにある。【解決手段】半導体製造装置は、ペーストが格納されるシリンジと、前記シリンジの先端に設けられるノズルと、を有する塗布装置と、半導体チップが実装された基板が載置される載置部と、前記載置部を冷却する冷却部と、を有するステージと、前記ノズルから前記ペーストを前記半導体チップ上に塗布し、前記塗布されたペーストを前記冷却部により冷却するよう構成される制御部と、を備える。【選択図】図６

Description

本開示は半導体製造装置に関し、例えば、ペーストを半導体チップの上に塗布する半導体製造装置に適用可能である。

ボンダ等の半導体製造装置は、接合材料を用いて、例えば、素子を基板または素子の上にボンド（載置して接着）する装置である。接合材料は、例えば、樹脂ペーストやはんだ等である。樹脂ペーストは液体状の接着剤であり、以下、単にペーストという。素子は、例えば、半導体チップやガラスチップ、シリコンチップ等である。半導体チップは、例えば、ロジックチップやメモリチップ、イメージセンサチップ等である。基板は、例えば、配線基板や金属薄板で形成されるリードフレーム、ガラス基板等である。

特開２０２１－４４４６６号公報

本開示の課題は、塗布されたペーストの形状変化を低減させることが可能な技術を提供することにある。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、半導体製造装置は、ペーストが格納されるシリンジと、前記シリンジの先端に設けられるノズルと、を有する塗布装置と、半導体チップが実装された基板が載置される載置部と、前記載置部を冷却する冷却部と、を有するステージと、前記ノズルから前記ペーストを前記半導体チップ上に塗布し、前記塗布されたペーストを前記冷却部により冷却するよう構成される制御部と、を備える。

本開示によれば、塗布されたペーストの形状変化を低減させることが可能になる。

図１は実施形態におけるボンダの概略を示す上面図である。 図２は図１に示すチップ供給部の概略を示す断面図である。 図３は図１に示すプリフォーム部の概略を示す側面図である。 図４は図１に示すチップ供給部およびボンディング部の概略を示す側面図である。 図５は図１に示すボンダを用いた半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 図６は塗布装置およびプリフォームステージを示す正面図である。 図７は実施形態における基板の構成例を示す上面図である。 図８（ａ）はペーストの塗布例を示す上面図である。図８（ｂ）は図８（ａ）に示すペーストの塗布の問題点を説明する上面図である。

以下、実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合がある。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。

半導体製造装置の一実施形態であるボンダの構成について図１から図４を用いて説明する。

図１に示すように、ボンダ１０は、大別して、基板Ｓに実装するワークＤＧを供給するチップ供給部１と、プリフォーム部９と、ボンディング部４と、搬送部５と、基板供給部６と、基板搬出部７と、各部の動作を監視し制御する制御部（制御装置）８と、を有する。Ｙ軸方向がボンダ１０の前後方向であり、Ｘ軸方向が左右方向である。チップ供給部１がボンダ１０の前側に配置され、ボンディング部４が後側に配置される。ここで、基板Ｓには、最終的に一つのパッケージとなる、複数の製品エリアに半導体チップＤが実装されている。

図２に示すように、チップ供給部１は、ウエハ１１を保持するウエハ保持台１２と、ウエハ１１からワークＤＧを突き上げる突上げユニット１３と、を有する。ここで、ワークＤＧは例えばガラスチップや半導体チップである。ウエハ１１は円盤状のガラス板または半導体ウエハにダイシングテープ１６が貼付され、ダイシングされて複数のガラスチップまたは半導体チップに分割されている。ウエハ保持台１２は、ウエハリング１４を保持するエキスパンドリング１５と、ウエハリング１４に保持され複数のワークＤＧが接着されたダイシングテープ１６を水平に位置決めする支持リング１７と、を有する。突上げユニット１３は支持リング１７の内側に配置される。制御部８は、ウエハ保持台１２を図示しない駆動手段によってＸ軸方向およびＹ軸方向に移動し、ピックアップするワークＤＧを突上げユニット１３の位置（ピックアップ位置）に移動させる。

ウエハ保持台１２は、ワークＤＧの突き上げ時に、ウエハリング１４を保持しているエキスパンドリング１５を下降させる。その結果、ウエハリング１４に保持されているダイシングテープ１６が引き伸ばされワークＤＧの間隔が広がり、突上げユニット１３によりワークＤＧ下方よりワークＤＧを突き上げ、ワークＤＧのピックアップ性を向上させている。

図３に示すように、プリフォーム部９は、シリンジ９１と、シリンジ９１をＸ軸方向、Ｙ軸方向および上下方向に動かす駆動部（不図示）と、シリンジ９１の塗布位置等を把握する撮像装置としてのプリフォームカメラ９４と、を有する。プリフォーム部９は搬送部５により搬送されてきた基板Ｓに実装された半導体チップＤにシリンジ９１でペーストを塗布する。シリンジ９１は内部にペーストが封入されており、空気圧によりペーストがノズル９２の先端から基板Ｓに実装された半導体チップＤに押し出されて塗布されるように構成されている。

図４に示すように、ボンディング部４は、ワークＤＧを先端に吸着保持するコレット４２を備えるボンドヘッド４１と、ボンドヘッド４１をＹ軸方向に移動させるＹ駆動部（不図示）と、基板Ｓの位置認識マーク（不図示）を撮像し、ボンド位置を認識する基板認識カメラ４４と、を有する。ボンディング部４は、チップ供給部１からワークＤＧをピックアップし、搬送されてくる基板Ｓに実装された、ペーストＰＡが塗布された半導体チップＤ上にボンドする。この際、ボンドヘッド４１は、ウエハ認識カメラ２４の撮像データに基づいてピックアップ位置・姿勢を補正し、ウエハ１１からワークＤＧをピックアップし、基板認識カメラ４４の撮像データに基づいて基板に実装されている半導体チップＤの上にワークＤＧをボンディングする。

図１に示すように、搬送部５は、基板Ｓが移動する搬送路としての搬送レーン５２を有する。このような構成によって、基板Ｓは、基板供給部６から搬送レーン５２に沿って、塗布位置まで移動し、塗布後、ボンド位置まで移動し、ボンド後、基板搬出部７まで移動して、基板搬出部７に基板Ｓを渡す。

制御部８は、ボンダ１０の上述した各部の動作を監視し制御するプログラム（ソフトウェア）を格納するメモリと、メモリに格納されたプログラムを実行する中央処理装置（ＣＰＵ）と、を備える。

次に、実施形態におけるボンダを用いた半導体装置の製造方法について図５を用いて説明する。以下の説明において、ボンダ１０を構成する各部の動作は制御部８により制御される。

（ウエハ搬入工程（工程Ｓ１））
ウエハリング１４がボンダ１０に搬入される。搬入されたウエハリング１４がチップ供給部１に供給される。ここで、ウエハリング１４にはウエハ１１から分割されたワークＤＧが貼付されたダイシングテープ１６が保持されている。

（基板搬入工程（工程Ｓ２））
半導体チップＤが実装された基板Ｓがボンダ１０の基板供給部６に搬入される。搬入後、搬送部５により基板Ｓがプリフォームステージ９５に搬送される。

（プリフォーム工程（工程Ｓ３））
プリフォームカメラ９４により塗布前の基板Ｓに実装された半導体チップＤの表面の画像を取得してペーストＰＡを塗布すべき面を確認する。塗布すべき面に問題なければ、プリフォームステージ９５により支持された基板Ｓのペーストが塗布される位置が確認されて位置決めされる。位置決めはボンディング部４と同様にパターンマッチングなどで行われる。

基板Ｓに実装された半導体チップＤにシリンジ９１の先端のノズル９２からペーストＰＡが塗布される。ペーストＰＡは、例えば、ＵＶ（紫外線）硬化型接着剤である。塗布後、プリフォームカメラ９４により塗布されたペーストＰＡが撮影される。撮影によって取得された画像に基づいてペーストＰＡが正確に塗布されているかどうかが確認されて、塗布されたペーストＰＡの検査（外観検査）が行われる。塗布に問題なければ、搬送部５により基板Ｓがボンドステージ４５に搬送される。

（ボンド工程（工程Ｓ４））
工程Ｓ１後、所望するワークＤＧをウエハ１１からピックアップできるようにウエハ保持台１２が動かされる。ウエハ認識カメラ２４によりワークＤＧが撮影され、撮影により取得され画像データに基づいてワークＤＧの位置決めおよび表面検査が行われる。画像データが画像処理されることによって、ボンダ１０のワーク位置基準点からのウエハ保持台１２上のワークＤＧのずれ量（Ｘ、Ｙ、θ方向）が算出されて位置決めが行われる。なお、ワーク位置基準点は、予め、ウエハ保持台１２の所定の位置を装置の初期設定として保持している。画像データが画像処理されることによって、ワークＤＧの表面検査が行われる。

工程Ｓ３後、ボンドステージ４５上に載置された基板Ｓが基板認識カメラ４４により撮影され、画像データが取得される。画像データが画像処理されることによって、ボンダ１０の基板位置基準点からの基板Ｓのずれ量（Ｘ、Ｙ、θ方向）が算出される。なお、基板位置基準点は、予め、ボンディング部４の所定の位置を装置の初期設定として保持している。

ボンドヘッド４１をピックアップ対象のワークＤＧの直上まで平行移動および下降し、算出されたワークＤＧのずれ量からボンドヘッド４１の吸着位置が補正されてワークＤＧがコレット４２により真空吸着される。ウエハ１１からワークＤＧを吸着したボンドヘッド４１によりボンドステージ４５上の基板Ｓに実装された半導体チップＤの所定箇所にワークＤＧがボンドされる。基板認識カメラ４４により半導体チップＤにボンドされたワークＤＧが撮影され、撮影により取得された画像データに基づいてワークＤＧが所望の位置にボンドされたかどうか等の検査を行う。

（基板搬出工程（工程Ｓ５））
ワークＤＧがボンドされた基板Ｓが基板搬出部７に搬送される。基板搬出部７でワークＤＧがボンドされた基板Ｓを取り出す。ボンダ１０から基板Ｓを搬出する。

プリフォーム部９の詳細について図６を用いて説明する。

プリフォーム部９は、シリンジ９１、ノズル９２、ノズルホルダ９３、上下アーム９６およびプリフォームステージ９５を備える。シリンジ９１にはペーストが収容される。シリンジ９１の下部にノズル９２が設けられている。ノズル９２はノズルホルダ９３に保持される。ノズルホルダ９３はヒータブロックの機能も有し、加熱部９３ａが嵌め込まれている。加熱部９３ａは、例えば、抵抗加熱の電気ヒータ（heater）で構成される。上下アーム９６はノズルホルダ９３に接続され、シリンジ９１およびノズル９２を上下動させる機構であり、図示しない駆動部により上下動される。

ノズルホルダ９３にはノズル９２の近傍に図示しない温度センサが設けられ、制御部８は温度センサの温度に基づいて加熱部９３ａを制御する。熱伝導によりノズルホルダ９３を介して加熱部９３ａの熱がノズル９２全体に伝わり、ノズル９２内のペーストが加熱されて適温で維持される。

プリフォームステージ９５はワークとしての半導体チップが実装された基板Ｓが載置される載置部９５ａと載置部９５ａを冷却する冷却部９５ｂとを有する。冷却部９５ｂは、例えば、ペルチェ素子で構成される。

プリフォームステージ９５には載置部９５ａの近傍に図示しない温度センサが設けられ、制御部８は温度センサの温度に基づいて冷却部９５ｂを制御する。熱伝導により半導体チップＤに塗布されたペーストの熱が半導体チップＤ、基板Ｓを介して載置部９５ａから冷却部９５ｂに放熱されて、半導体チップＤに塗布されたペーストが適温で維持される。シリンジ９１、ノズル９２、ノズルホルダ９３および上下アーム９６は塗布装置を構成する。なお、塗布装置にプリフォームステージ９５を含めてもよい。

ペーストを半導体チップＤに塗布する際、シリンジ９１にペーストを入れておいて、例えば、エアパルス方式のディスペンサ（不図示）から一定の時間、空気等の加圧気体をシリンジ９１の上部から供給して、所定量のペーストを吐出させる。このとき、ノズル９２は所定温度に加熱されている。所定温度はペーストを硬化させない温度であり、例えば、４０～５０℃である。塗布時には、ノズル９２を半導体チップＤに近接させた状態で、シリンジ９１をＸＹ平面内で２次元的に一筆書き走査（描画動作）する。

ペーストの塗布について図７、図８（ａ）および図８（ｂ）を用いて説明する。

図７に示すように、基板Ｓには、最終的に一つのパッケージとなる、複数の製品エリア（以下、アタッチメント領域Ｐという。）が格子状に形成されている。また、各アタッチメント領域Ｐには半導体チップＤが実装されている。なお、、以下では、アタッチメント領域Ｐは一列に四個、八列に配置される例について説明する。

格子状にアタッチメント領域Ｐが配列された基板Ｓの右上の一列目一行目（ＣＮ＝１、ＲＮ＝１）のアタッチメント領域Ｐから下方向に順次ペーストがシリンジ９１により半導体チップＤに塗布される。そして、右下の一列目四行目（ＣＮ＝１、ＲＮ＝４）のアタッチメント領域Ｐの半導体チップＤへのペーストの塗布後、基板Ｓを動かし右から二列目に表面検査および位置決めを行う。その後、右から二列目の最上の位置（一行目）（ＣＮ＝２、ＲＮ＝１）から下方向に順次ペーストが塗布される。その後、同様に、三列目、四列目、・・・、八列目と塗布される。

ペーストの吐出プロセスについて説明する。ペーストはシリンジ９１に収容されている。最初、上下アーム９６が動かされてノズル９２が、図８（ａ）に示す書き出しの位置ＷＳの上方に位置する。上下アーム９６が下げられることによって、ノズル９２の先端は比較的高い位置から降下して吐出開始タイミングで基板Ｓの上面から所定の高さ（ノズル高さ）に達する。ノズル高さは、例えば１００から２００μｍである。ここで、ディスペンサから圧縮空気が供給されると、シリンジ９１内の空気圧が急速に上昇し、徐々に吐出が開始する。それに同期して、描画動作が開始する。すなわち、具体的には、上下アーム９６が動かされることによってノズル９２が２次元的に水平移動する。ノズル９２は一般に書き出しの位置ＷＳに戻っており、そこで描画動作を終了する。それに同期して、ディスペンサからの圧縮空気の供給が停止されると、シリンジ９１内の空気圧は急速に降下するが、吐出は徐々に弱くなり停止する。吐出が停止するとほぼ同時に、上下アーム９６がノズル９２を上げる。このような動作により、例えば、図８（ａ）に示すように、ペーストＰＡが半導体チップＤの上に環状に塗布される。

塗布が所定時間以上行われていない場合、チクソ性の影響で塗布開始時の塗布量が不安定となる現象が発生する。チクソ性（thixotropy）とは、一定の力を受け続けると粘度が次第に低下し液状となる。また静止し続けると粘度が上昇し固体状になる性質のことである。その結果、図８（ｂ）に示すように、書き出しの位置ＷＳにおけるペーストの量が不足して半導体チップＤの上に塗布されない領域が存在することがある。そのため、最初のアタッチメント領域Ｐ（ＣＮ＝１、ＲＮ＝１）への塗布を行う前に、ペーストを捨て打ちする予備動作が行われることが一般的である。

ＵＶ硬化型接着剤に限られないが、ペーストはその素材によっては、例えば、各列の先頭行のアタッチメント領域Ｐへの塗布開始前に捨て打ちを行わないと、塗布量が安定しないことがある。言い換えると、予備動作の頻度を上げることで塗布開始時の塗布量を一定にすることが可能である。しかし、予備動作時間が増加して生産性が低下する。

本実施形態では、常時、ノズル９２を所定温度に加熱することにより、ペーストの粘度を室温における粘度よりも低くする。ここで、熱硬化性特性を有するペーストがあるため、好ましくは、所定温度はペーストを硬化させない程度の温度、例えば、４０～５０℃である。これにより、ペーストの吐出量の変化が小さくなり塗布を安定させることができる。よって、ペーストの捨て打ちを最初のアタッチメント領域Ｐ（ＣＮ＝１、ＲＮ＝１）への塗布を行う前のみにすることができ、予備動作時間を低減することができる。

ペーストの塗布時、ノズル８２が加熱されているので、塗布されるペーストの粘度が低下している。そのため、半導体チップＤへ塗布されたペーストも粘度が下がっており、ペーストの温度が高いままだと、時間経過と共にペーストの裾野が広がり高さが低くなる等の形状変化（経時変化）をしてしまう可能性ある。

本実施形態では、プリフォームステージ９５の冷却部９５ｂにより、載置部９５ａおよび基板Ｓを介して塗布されたペーストを冷却して、そのペーストの温度が加熱前の温度（室温）になるようにする。積極的に塗布されたペーストの温度を室温へ早く戻すようにすることで、ペーストの粘度が高くなり、粘性が回復して形状変化を低減することができる。

本実施形態によれば、下記の一つまたは複数の効果を奏する。

（ａ）塗布されたペーストの形状変化を低減することが可能となる。

（ｂ）ペーストを安定して塗布することが可能となる。

（ｃ）上記（ｂ）により、塗布開始前の予備動作（例えば捨て打ち）の回数を大きく減らすことが可能となり、タクトタイム（Takt Time）の短縮が可能となる。これにより、生産能力の向上が可能となる。

（ｄ）上記（ａ）または（ｂ）により、製品品質の向上が可能となる。

以上、本開示者らによってなされた開示を実施形態に基づき具体的に説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、実施形態では、冷却部としてペルチェ素子を例に説明したが、冷却水循環または空冷であってもよい。

また、実施形態では、加熱部として抵抗加熱の電気ヒータを例に説明したが、赤外線加熱または誘導加熱等の電気ヒータやペルチェ素子であってもよい。

また、実施形態では、ノズル９２の加熱部によってペーストを加熱する例に説明したが、室温における粘度が実施形態のペーストよりも低いペーストにおいては、加熱しないで塗布し、またはノズル９２に冷却部を設けて冷却して塗布するようにしてもよい。この場合、塗布されたペーストをプリフォームステージ９５により塗布時のペーストの温度よりも低い温度に冷却して、経時変化による形状変化を低減するようにしてもよい。

また、実施形態では、半導体チップＤの上にペーストＰＡを環状に塗布する例を説明したが、半導体チップＤの上にペーストＰＡを環状以外（例えば、Ｘ字状やＺ字状）に塗布してもよい。

また、実施形態では、半導体チップＤの上にペーストＰＡを塗布する例を説明したが、半導体チップＤの上に半導体ウエハから分割された半導体チップ（ダイ）を積層するようにしてもよい。

また、実施形態では、半導体チップＤの上にペーストＰＡを塗布する例を説明したが、基板Ｓの上にペーストＰＡを塗布してもよい。この場合、基板Ｓの上に半導体チップがボンドされる。

また、実施形態では、ボンドヘッド４１でチップ供給部１からピックアップしたワークＤＧを基板Ｓに実装された半導体チップＤにボンディングする例を説明したが、チップ供給部１とボンディング部４との間に中間ステージ部を設け、ピックアップヘッドでチップ供給部１からピックアップしたワークＤＧを中間ステージに載置し、ボンドヘッド４１で中間ステージから再度ワークＤＧをピックアップし、基板Ｓに実装された半導体チップＤにボンドするようにしてもよい。

８・・・制御部
１０・・・ボンダ（半導体製造装置）
９１・・・シリンジ
９２・・・ノズル
９３ａ・・・加熱部
９５・・・プリフォームステージ
９５ａ・・・載置部
９５ｂ・・・冷却部
Ｄ・・・半導体チップ
ＰＡ・・・ペースト
Ｓ・・・基板

Claims (10)

1. ペーストが格納されるシリンジと、前記シリンジの先端に設けられるノズルと、を有する塗布装置と、
   半導体チップが実装された基板が載置される載置部と、前記載置部を冷却する冷却部と、を有するステージと、
   前記ノズルから前記ペーストを前記半導体チップの上に塗布し、前記塗布されたペーストを前記冷却部により冷却するよう構成される制御部と、
   を備える半導体製造装置。
2. 請求項１の半導体製造装置において、
   前記塗布装置は、さらに、前記ノズルを加熱する加熱部を有し、
   前記制御部は、前記加熱部により前記ノズルが加熱されている状態で、前記ノズルから前記ペーストを前記半導体チップの上に塗布するよう構成される半導体製造装置。
3. 請求項１または２の半導体製造装置において、
   前記制御部は前記冷却部により前記塗布されたペーストを塗布時のペーストの温度よりも低い温度に冷却するよう構成される半導体製造装置。
4. 請求項３の半導体製造装置において、
   前記制御部は前記塗布されたペーストを室温に冷却するよう構成される半導体製造装置。
5. 請求項２の半導体製造装置において、
   さらに、ボンドヘッドを備え、
   前記制御部は、前記ボンドヘッドにより前記半導体チップの上にワークを載置するよう構成される半導体製造装置。
6. 請求項５の半導体製造装置において、
   前記ワークはガラスチップである半導体製造装置。
7. ペーストが格納されるシリンジと、前記シリンジの先端に設けられるノズルと、ステージと、制御部と、を備え、
   前記ステージは、ワークが載置される載置部と、前記載置部を冷却する冷却部と、を有し、、
   前記制御部は、前記ノズルから前記ペーストを前記ワークの上に塗布し、前記塗布されたペーストを前記冷却部により冷却するよう構成される塗布装置。
8. 請求項７の塗布装置において、
   さらに、前記ノズルを加熱する加熱部を有し、
   前記制御部は、前記加熱部により前記ノズルが加熱されている状態で、前記ノズルから前記ペーストを前記ワークの上に塗布するよう構成される塗布装置。
9. ペーストが格納されるシリンジと、前記シリンジの先端に設けられるノズルと、を有する塗布装置と、半導体チップが実装された基板が載置される載置部と、前記載置部を冷却する冷却部と、を有するステージと、を備える半導体製造装置に半導体チップが実装された基板を搬入する工程と、
   前記塗布装置で前記半導体チップにペーストを塗布する塗布工程と、
   前記ステージで塗布された前記ペーストを冷却する冷却工程と、
   を含む半導体装置の製造方法。
10. 請求項９の半導体装置の製造方法において、
    前記塗布装置は、さらに、前記ノズルを加熱する加熱部を有し、
    前記塗布工程は、前記加熱部により前記ノズルが加熱されている状態で、前記ノズルから前記ペーストを前記半導体チップの上に塗布する半導体装置の製造方法。

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