JP2023155801A - レーザ光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強度プロファイルに起因する接続不良を抑制すること。
【解決手段】レーザ光照射装置１において、レーザ光照射ユニット２０は、レーザ光照射ユニット２０は、レーザ光２１を出射するレーザ光源２２と、レーザ光源２２から出射したレーザ光２１を位相パターンに応じて変調して出射する空間光変調器２５と、を含み、制御ユニット３０は、空間光変調器２５に表示する位相パターンを記憶する記憶部３１と、記憶部３１に記憶された位相パターンを回転させる回転指示部３２と、を有し、板状物１００にレーザ光２１を照射しながら位相パターンを回転させることにより、板状物１００に照射されるレーザ光２１のパワー密度を均一化することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光照射装置に関する。

半導体デバイスの製造工程において、チップと外部端子を電気的に接続する方式の一つに、チップの電極とパッケージ基板上の電極とを向かい合わせにしてバンプを介して接続するフリップチップ実装方式がある。

一般に、フリップチップ実装では、基板全体を加熱してボンディングするマスリフロー（Mass Reflow）プロセスや、各チップを加熱、加圧することでボンディングするＴＣＢ（Thermo-Compression Bonding；熱圧着）プロセス等が採用されている。しかしながら、マスリフロープロセスは、基板全体を加熱することによる熱ストレスが課題となっており、ＴＣＢプロセスは、ボンダーヘッドの冷却に時間がかかる等生産性が劣ることが課題となっている。

上記のようなプロセスに対して優位性のあるプロセスとして、レーザ照射によりチップを基板上の電極に接続するレーザリフロープロセスが提案されている（特許文献１、２参照）。レーザリフロープロセスでは、基板全体に熱がかかることがないため熱ストレスを低減でき、また、複数のチップに対してレーザ光を照射することでＴＣＢプロセスよりも高い生産性が得られるという利点がある。

特開２００８－１７７２４０号公報 特開２０２１－１０２２１７号公報

ところで、加工点においてレーザ光の強度プロファイルが均一ではない場合、この強度プロファイルに応じてチップが加熱されるため加熱ムラが生じてしまい、ボンディング不良が発生する可能性があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度プロファイルに起因する接続不良を抑制することができるレーザ光照射装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ光照射装置は、板状物を保持する保持テーブルと、該保持テーブルに保持された板状物にレーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、各構成要素を制御する制御ユニットと、を備えたレーザ光照射装置であって、該レーザ光照射ユニットは、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源から出射した該レーザ光を位相パターンに応じて変調して出射する空間光変調器と、を含み、該制御ユニットは、該空間光変調器に表示する位相パターンを記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された該位相パターンを回転させる回転指示部と、を有し、該板状物に該レーザ光を照射しながら該位相パターンを回転させることにより、該板状物に照射される該レーザ光のパワー密度を均一化することが可能であることを特徴とする。

また、本発明のレーザ光照射装置は、該空間光変調器により変調されたレーザ光を結像して板状物に照射する結像手段を更に有してもよい。

また、本発明のレーザ光照射装置において、該板状物は、一方の面にバンプを有した半導体チップが該バンプを介して複数搭載された基板であり、該基板に搭載された該半導体チップに対応する領域に該レーザ光を照射することで、該レーザ光の被照射範囲に含まれるバンプをリフローさせてもよい。

本発明は、強度プロファイルに起因する接続不良を抑制することができる。

図１は、実施形態に係るレーザ光照射装置の構成例を示す概略模式図である。 図２は、図１に示すレーザ光照射装置によるレーザ光の照射対象の板状物の一例を示す斜視図である。 図３は、図２に示す板状物の要部断面図である。 図４は、図２および図３に示す板状物にレーザ光を照射している状態を示す要部断面図である。 図５は、図２および図３に示す板状物に照射されるレーザ光のプロファイルを模式的に示す平面図である。 図６は、図５に示すレーザ光のＸ軸方向断面における強度分布を示すグラフである。 図７は、図５に示すレーザ光のＹ軸方向断面における強度分布を示すグラフである。 図８は、図５に示すレーザ光に対して位相パターンを回転させる様子を示す平面図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。更に、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。

〔実施形態〕
本発明の実施形態に係るレーザ光照射装置１を図面に基づいて説明する。図１は、実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成例を示す概略模式図である。図２は、図１に示すレーザ光照射装置１によるレーザ光２１の照射対象の板状物１００の一例を示す斜視図である。図３は、図２に示す板状物１００の要部断面図である。

実施形態のレーザ光照射装置１は、保持テーブル１０と、レーザ光照射ユニット２０と、制御ユニット３０と、を備える。レーザ光照射装置１は、保持テーブル１０に保持された板状物１００にレーザ光２１を照射する装置である。レーザ光照射装置１は、更に、不図示の移動ユニット、撮像ユニット、表示ユニット等を備えてもよい。移動ユニットは、保持テーブル１０とレーザ光照射ユニット２０とを相対的に移動させる。撮像ユニットは、保持テーブル１０に保持された板状物１００を撮像する。表示ユニットは、例えば、加工条件の設定画面、撮像ユニットが撮像した板状物１００の状態、加工動作の状態等を、表示面に表示させる。

実施形態において、図２および図３に示す板状物１００は、基板１１０と、バンプ１３０を介して基板１１０上に載置された半導体チップ１２０と、を含み、バンプ１３０をレーザ光２１でリフローさせることにより、半導体チップ１２０が基板１１０に対してフリップ実装されることが予定される被加工物である。すなわち、実施形態のレーザ光照射装置１は、保持テーブル１０に保持された板状物１００の基板１１０上に載置された半導体チップ１２０に対してレーザ光２１を照射することにより、バンプ１３０をリフローさせて半導体チップ１２０を基板１１０に接続することが可能な装置である。

基板１１０は、実施形態において、矩形状である。基板１１０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。基板１１０の表面１１１側には、バンプ１３０を介して半導体チップ１２０が複数配置される。半導体チップ１２０は、表面１２１に１以上のバンプ１３０を有する。バンプ１３０は、半導体チップ１２０の表面１２１に設けられる突起状の端子である。

半導体チップ１２０は、基板１１０および半導体チップ１２０が加熱され、バンプ１３０が溶けることによって、基板１１０上の電極に接続する。なお、板状物１００は、実施形態における半導体チップ１２０がバンプ１３０を介して基板１１０に配列されたものの他に、複数の半導体チップ１２０が積層され、各々の半導体チップ１２０間にバンプ１３０が存在するもの等でもよい。

図１に示す保持テーブル１０は、板状物１００を保持面１１で保持する。保持面１１は、例えば、ポーラスセラミック等から形成された円板形状である。保持面１１は、実施形態において、水平方向と平行な平面である。保持面１１は、例えば、真空吸引経路を介して真空吸引源と接続している。保持テーブル１０は、保持面１１上に載置された板状物１００を吸引保持する。

なお、板状物１００は、半導体チップ１２０が基板１１０上に載置された状態で保持テーブル１０に保持される。この際、半導体チップ１２０は、バンプ１３０を有する一方の面（表面１２１）を下向きにした状態で、バンプ１３０を介して、表面１１１側が上向きにされた基板１１０の表面１１１側に載置される。

レーザ光照射ユニット２０は、保持テーブル１０に保持された板状物１００にレーザ光２１を照射させるユニットである。図１に示すように、レーザ光照射ユニット２０は、レーザ光源２２と、均一照射ユニット２３と、導光ユニット２４と、空間光変調器２５と、結像手段２６と、を含む。

レーザ光源２２は、レーザ光２１を出射する。レーザ光源２２は、例えば、ファイバレーザ、単一のレーザダイオード（ＬＤ）を有する単一光源、または複数のレーザダイオードが配置されるマルチ光源等を含む。レーザ光源２２から出射されるレーザ光２１は、板状物１００（半導体チップ１２０）に対して吸収性を有する波長の連続波（ＣＷ）である。

均一照射ユニット２３は、レーザ光源２２の後段に配置される。均一照射ユニット２３は、均一照射ユニット２３から出射されるレーザ光２１によって、後述の空間光変調器２５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、レーザ光２１のパワー密度が均一化される。なお、「均一化」とは、結果として完全に均一になるものに限定されず、元の状態に比べて「均一」に近付くように変化するものを含む。

均一照射ユニット２３は、レーザ光源２２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２３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２３としては、例えば、コリメートレンズと非球面レンズの組み合わせにより均一照射面が形成されるもの、コリメートレンズ、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element；回折光学素子）および集光レンズの組み合わせにより均一照射面が形成されるもの、ロッドレンズ（ガラスからなる筒状部材）またはライトパイプ（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）と導光ユニット（リレーレンズや光ファイバ）との組み合わせにより均一照射面が形成されるもの、コリメートレンズと第一レンズアレイおよび第二レンズアレイ（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）と集光レンズとの組み合わせにより均一照射面が形成されるもの、等を利用することができる。

導光ユニット２４は、均一照射ユニット２３によって形成された均一照射面の光を、空間光変調器２５に転写するためのユニットである。なお、レーザ光照射ユニット２０が均一照射ユニット２３を含まない場合、導光ユニット２４は、レーザ光源２２からの直接の光を、空間光変調器２５に転写する。導光ユニット２４は、例えば、光ファイバやリレーレンズ（組みレンズ）により構成される。

空間光変調器２５は、空間光変調素子を含み、表示させる位相パターンに応じて、レーザ光源２２から出射されたレーザ光２１を変調して出射する。空間光変調器２５は、出射されるレーザ光２１の強度（パワー密度）の空間密度分布を制御することで、レーザ光２１を変調する、所謂、ＳＬＭ（Spatial Light Modulator）と称されるものである。

空間光変調器２５は、表示させる位相パターンを回転させることによって、板状物１００の被照射面に照射されるレーザ光２１のプロファイルを回転させる。空間光変調器２５としては、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）、等の周知のＳＬＭデバイスを利用することができる。実施形態の空間光変調器２５は、ＬＣＯＳである。

結像手段２６は、入射されるレーザ光２１を、板状物１００の被照射面に結像する。実施形態のレーザ光照射ユニット２０は、結像手段２６によって、保持テーブル１０上の板状物１００における半導体チップ１２０の裏面１２２に対応する領域１２３（図４参照）に、レーザ光２１を結像する。なお、レーザ光照射ユニット２０では、複数の半導体チップ１２０に対して同時に照射するようにしてもよい。実施形態の結像手段２６は、結像系２７と、拡大結像レンズ２８と、テレセントリックレンズ２９と、を含む。

結像系２７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され、図１に示す一例では、両凸レンズと両凹レンズとを順に配置して構成される。なお、結像系２７は、空間光変調器２５が空間光変調素子により結像系２７（結像レンズ）の機能も兼ね備える場合には、省略されてもよい。

拡大結像レンズ２８は、結像系２７で結像される像（共役像）を拡大して板状物１００の被照射面に結像するものである。なお、拡大結像レンズ２８は、省略されてもよい。

テレセントリックレンズ２９は、板状物１００の被照射面に対して、レーザ光２１を垂直に入射させる、すなわち、光軸と平行に入射させるためのものである。なお、結像系２７をテレセントリックレンズ２９に構成することもでき、また、テレセントリックレンズ２９を省略して光学系を構成することとしてもよい。

制御ユニット３０は、レーザ光照射装置１の各構成要素をそれぞれ制御して、板状物１００に対する加工動作等をレーザ光照射装置１に実行させる。制御ユニット３０は、演算手段としての演算処理装置と、記憶手段としての記憶装置と、通信手段としての入出力インターフェース装置と、を含むコンピュータである。演算処理装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のマイクロプロセッサを含む。記憶装置は、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリを有する。演算処理装置は、記憶装置に格納された所定のプログラムに基づいて各種の演算を行う。演算処理装置は、演算結果に従って、入出力インターフェース装置を介して各種制御信号を上述した各構成要素に出力し、レーザ光照射装置１の制御を行う。制御ユニット３０は、記憶部３１と、回転指示部３２と、を有する。

記憶部３１は、空間光変調器２５に表示する位相パターンを記憶する。記憶部３１は、空間光変調器２５に表示させた際に、板状物１００の面内でレーザ光２１が照射される位置が半導体チップ１２０に対応する領域１２３（図４参照）となる位相パターンを記憶してもよい。この場合、位相パターンが空間光変調器２５に表示された際の、レーザ光２１のプロファイルは、半導体チップ１２０の外形に一致する。レーザ光２１が照射される照射範囲は、１つの半導体チップ１２０に対応してもよいし、複数の半導体チップ１２０に対応してもよい。

回転指示部３２は、記憶部３１に記憶された位相パターンを回転させる。すなわち、回転指示部３２は、空間光変調器２５に表示する位相パターンを回転させて、板状物１００の被照射面に照射されるレーザ光２１のプロファイルを回転させる。回転指示部３２は、例えば、平面視形状が正方形状である半導体チップ１２０に対して、半導体チップの中心回りにレーザ光２１のプロファイルが回転するように、位相パターンを回転させる。回転指示部３２は、例えば、所定時間毎に９０°ずつ位相パターンを回転させてもよい。

レーザ光照射装置１は、記憶部３１に記憶された位相パターンを空間光変調器２５に表示させた状態で、保持テーブル１０上の板状物１００にレーザ光２１を照射する。レーザ光２１は、半導体チップ１２０に対応する領域１２３（図４参照）に照射され、レーザ光２１の被照射範囲に含まれるバンプ１３０をリフローさせる。

次に、レーザ光照射装置１が、レーザ光２１を、裏面１１２側を保持テーブル１０に保持された実施形態の板状物１００に照射して、バンプ１３０をリフローさせる動作について説明する。図４は、図２および図３に示す板状物１００にレーザ光２１を照射している状態を示す要部断面図である。

レーザ光照射装置１は、まず、図１に示すレーザ光照射ユニット２０の空間光変調器２５に、記憶部３１に記憶された位相パターンを表示させる。位相パターンは、空間光変調器２５で変調されたレーザ光２１の照射領域が、図４に示すように、半導体チップ１２０に対応する領域１２３となるようにレーザ光２１を変調させる位相パターンである。実施形態では、位相パターンが表示された空間光変調器２５によって変調され板状物１００の被照射面に結像されたレーザ光２１のプロファイルは、図５に示すように、平面視形状が正方形状である１つの半導体チップ１２０の外形に沿う。

レーザ光照射装置１は、次に、図４に示すように、板状物１００の表面１１１側からレーザ光２１を照射する。これにより、位相パターンにより変調されたレーザ光２１が、半導体チップ１２０のバンプ１３０を有する一方の面（表面１２１）とは反対側の他方の面（裏面１２２）から照射される。この際、レーザ光２１の照射範囲の被照射面におけるプロファイルは、図５に示すように、半導体チップ１２０の外形に沿う。レーザ光照射装置１は、例えば、１ｓｅｃ間、レーザ光２１を照射する。

ここで、図５に示すレーザ光２１の強度分布を図６および図７に示す。図５は、図２および図３に示す板状物１００に照射されるレーザ光２１のプロファイルを模式的に示す平面図である。図６は、図５に示すレーザ光２１のＸ軸方向断面における強度分布を示すグラフである。図７は、図５に示すレーザ光２１のＹ軸方向断面における強度分布を示すグラフである。Ｘ軸方向断面とは、図５に示すＸ軸方向に平行かつ板状物１００の中心を通る断面であり、図５において、Ｘ軸に平行な点線で示す位置の断面である。また、Ｙ軸方向断面とは、図５に示すＹ軸方向に平行かつ板状物１００の中心を通る断面であり、図５において、Ｙ軸に平行な点線で示す位置の断面である。

半導体チップ１２０の外形にレーザ光２１のプロファイルを沿わせる場合、加熱ムラを抑制するため、板状物１００の断面を通るレーザ光２１の強度分布は、裾野が急峻形状かつ頂上が平坦である矩形波状であることが理想である。すなわち、半導体チップ１２０の外縁より外側ではレーザ光２１の強度がゼロに近似し、半導体チップ１２０の外縁より内側ではレーザ光２１の強度が一定の強度であることが好ましい。

図６および図７に示すように、図５に示す実施形態のレーザ光２１は、半導体チップ１２０の外縁より内側でレーザ光２１の強度にバラつきが生じている。また、図６に示すＸ軸方向断面での強度分布は、板状物１００の中心部および外縁部の強度が低く、中心部と外縁部との間の強度が高い傾向を示す。これに対し、図７に示すＹ軸方向断面での強度分布は、外縁部の強度が高く、中心部の強度が低い傾向を示す。このように、Ｘ軸方向断面とＹ軸方向断面とで強度分布の傾向が異なることから、回転対称性が低いことがわかる。

図８は、図５に示すレーザ光２１に対して位相パターンを回転させる様子を示す平面図である。レーザ光照射装置１は、図５に示すプロファイルを有するレーザ光２１で半導体チップ１２０に照射した後、レーザ光照射ユニット２０の空間光変調器２５に表示させる位相パターンを回転させる。

具体的には、図５に示すレーザ光２１の照射範囲をＸ軸方向およびＹ軸方向の各々で半分に分割した４つの小さな正方形状の領域２１－１、２１－２、２１－３、２１－４が、各々時計回りに隣接する領域に回転移動するように、位相パターンを９０°ずつ順次回転させることで、レーザ光２１のプロファイルを中心回りに９０°ずつ順次回転させる。すなわち、例えば、領域２１－１は、図５および図８に示すレーザ光２１の照射範囲のうち、左上、右上、右下、左下、と照射範囲の中心回りに回転移動する。

レーザ光照射装置１は、レーザ光２１を照射している間、例えば、空間光変調器２５に表示させている位相パターンを、０．２５ｓｅｃ毎に９０°ずつ回転させる。レーザ光照射装置１は、空間光変調器２５に表示させている位相パターンを、０．１２５ｓｅｃ毎に９０°ずつ２周回転させてもよい。これにより、半導体チップ１２０に照射されるレーザ光２１の強度分布の回転対称性が改善され、半導体チップ１２０全面に対応するバンプ１３０がリフローされて、半導体チップ１２０が基板１１０に接続される。

以上説明したように、実施形態のレーザ光照射装置１は、レーザ光２１の照射中に、空間光変調器２５に表示させる位相パターンを回転させることで、半導体チップ１２０に照射されるレーザ光２１の照射範囲を板状物１００の面内で回転させる。これにより、半導体チップ１２０に照射されるレーザ光２１の強度分布の回転対称性を改善し、照射範囲におけるパワー密度を均一化することができる。バンプ１３０に対する加熱ムラを抑制できるので、半導体チップ１２０全面に対応するバンプ１３０がより確実にリフローされて、半導体チップ１２０の基板１１０への接続不良を抑制することができる。

また、保持テーブル１０やレーザ光２１を板状物１００に結像させる結像手段を物理的に回転させる場合と比較して、空間光変調器２５の位相パターン切り替えにかかる時間は短いため、生産性の向上に貢献する。なお、保持テーブル１０の回転移動の所要時間は、例えば、１ｓｅｃ程度であり、位相パターンの回転の所要時間は、例えば、３０ｍｓｅｃ程度である。

すなわち、例えば、図８までに示すように、半導体チップ１２０に対して９０°ずつ１回転させてレーザ光２１を照射する場合、保持テーブル１０の回転移動で照射対象の半導体チップ１２０を切り替える場合は、回転移動に３ｓｅｃ（１ｓｅｃ×３回回転）、レーザ光照射に１ｓｅｃ（０．２５ｓｅｃ×４回）、合計４ｓｅｃかかる。なお、半導体チップ１２０の中心が保持テーブル１０の中心とずれている場合、回転移動に加えて回転中心への移動が発生するため、さらに所要時間が増加する。

これに対し、実施形態では、位相パターンの回転に９０ｍｓｅｃ（３０ｍｓｅｃ×３回回転）、レーザ光照射に１ｓｅｃ（０．２５ｓｅｃ×４回）、合計１．９ｓｅｃかかるため、時間短縮が可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、レーザ光照射ユニット２０は、均一照射ユニット２３を必ずしも備えなくてもよい。均一照射ユニット２３を備えることにより、レーザ光２１のパワー密度をより均一化することができるが、本発明のパワー密度の均一化で事足りる場合は、均一照射ユニット２３を組み込まないことで低価格かつ簡略な構成を実現してもよい。

また、１つの位相パターンが１つの半導体チップ１２０への照射に対応する態様に限らず、１つの位相パターンが複数の半導体チップ１２０への照射に対応することも可能である。すなわち、１つずつ半導体チップ１２０に照射してもよいし、複数の半導体チップ１２０に同時に照射してもよい。

また、結像手段２６は、実施形態では空間光変調器２５とは別個に設けられる結像系２７、拡大結像レンズ２８、およびテレセントリックレンズ２９を含んで構成されるが、空間光変調器２５が有する結像機能であってもよい。

１ レーザ光照射装置
１０ 保持テーブル
２０ レーザ光照射ユニット
２１ レーザ光
２２ レーザ光源
２５ 空間光変調器
２６ 結像手段
３０ 制御ユニット
３１ 記憶部
３２ 回転指示部
１００ 板状物
１１０ 基板
１１１ 表面
１１２ 裏面
１２０ 半導体チップ
１２１ 表面（一方の面）
１２２ 裏面（他方の面）
１２３ 領域
１３０ バンプ

Claims (3)

1. 板状物を保持する保持テーブルと、
   該保持テーブルに保持された板状物にレーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、
   各構成要素を制御する制御ユニットと、
   を備えたレーザ光照射装置であって、
   該レーザ光照射ユニットは、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   該レーザ光源から出射した該レーザ光を位相パターンに応じて変調して出射する空間光変調器と、
   を含み、
   該制御ユニットは、
   該空間光変調器に表示する位相パターンを記憶する記憶部と、
   該記憶部に記憶された該位相パターンを回転させる回転指示部と、
   を有し、
   該板状物に該レーザ光を照射しながら該位相パターンを回転させることにより、該板状物に照射される該レーザ光のパワー密度を均一化することが可能であることを特徴とする、
   レーザ光照射装置。
2. 該空間光変調器により変調されたレーザ光を結像して板状物に照射する結像手段を更に有することを特徴とする、
   請求項１に記載のレーザ光照射装置。
3. 該板状物は、
   一方の面にバンプを有した半導体チップが該バンプを介して複数搭載された基板であり、
   該基板に搭載された該半導体チップに対応する領域に該レーザ光を照射することで、該レーザ光の被照射範囲に含まれるバンプをリフローさせることを特徴とする、
   請求項１または２に記載のレーザ光照射装置。

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