JP3767750B2 - ボンディング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスの製造を行うボンディング装置に関し、特にボンディング部分を酸化防止用ガスで覆ってボンディングを行うことが可能なボンディング装置に関する。
従来、半導体デバイスの組立工程に用いられるボンディング装置としては、例えば、ワイヤボンディング装置やバンプボンディング装置などが知られている。そこで、従来のワイヤボンディング装置においては、ボンディングヘッド先端のキャピラリから突出した金線又は銅、アルミニウム等のワイヤの先端と放電電極との間に高電圧を印加することにより放電を起こさせ、その放電に伴う熱エネルギーによりワイヤの先端部を溶融してキャピラリの先端にボールを形成する。
次に、キャピラリの先端に形成されたボールを半導体チップ上のパッドに対して所定の荷重を加えつつ、超音波及び他の加熱手段を併用して加熱を行い、ワイヤを接続する。さらにワイヤをキャピラリ先端から導出しつつボンディングヘッドを移動させ、リードフレーム上のリードに対して上記と同様の加熱を行ってワイヤの接続を行う。
また、ワイヤレスボンディング方法として用いられるバンプボンディング装置においては、ボンディングヘッドのキャピラリ先端にボールを形成して半導体チップの所定の位置に位置決めを行い、所定の荷重を加えつつ超音波及び他の加熱手段を併用して加熱を行い、バンプを形成する。そして、バンプが形成された半導体チップを裏返した状態で各バンプとリードとの位置合わせを行い、加熱又は超音波振動等を用いて溶着して接続を行う。
しかしながら、従来のワイヤボンディング装置やバンプボンディング装置などによるボンディングは、鍍金処理されていない銅製のリードフレームや銅製のワイヤを使用した場合、加熱により表面が酸化してしまい接合性・導電性に支障をきたすおそれがある。すなわち、ワイヤボンディング装置やバンプボンディング装置などによるボンディングは、多数の半導体チップ上に次々にボンディングを行って製造していくため、最初にボンディングされた半導体チップと、時間が経過してボンディングされた半導体チップとでは、酸化される状態も異なり、製品の均一化が十分図れないおそれがある。
そこで、半導体デバイスの製造工程において、酸化防止対策を行ったワイヤボンディング装置が知られている（例えば、特許文献１乃至特許文献３参照）。
特開平９−１５３５０９公報 特開２０００−１１４３０６公報 特開２０００−１２４２５４公報
しかしながら、従来の酸化防止対策を行ったワイヤボンディング装置においては、リードフレーム搬送空間に酸化防止ガスを充満させたり、リードフレーム、半導体チップ、ボンディング装置全体をカバーで覆って酸化防止用ガスを充満させてボンディングを行うものであるため使用する酸化防止用ガスの量も大量に必要であり、また、酸化防止用ガスの空間を形成することが困難であり、常に酸化防止がなされた均一な半導体デバイスを製造することが困難であるという課題がある。
そこで、本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、酸化防止が効率的に行われて均一な半導体デバイスを製造することが可能なボンディング装置を提供することを目的とする。
本発明によるボンディング装置は、直交２方向に移動可能で所定の位置に位置決め制御可能、かつ、半導体部品を載置・加熱するヒータプレートを有するボンディングステージと、ボンディングヘッド移動用切欠きが形成されたチャンバー上面カバーを有するチャンバーと、前記ボンディングヘッド移動用切欠きを介して前記ボンディングステージの移動平面と平行な直交２方向及びその直角方向の３方向に移動可能な位置決め制御手段を有して前記半導体部品にボンディングを行なうボンディングヘッドと、前記チャンバーの上方に配置され、前記ボンディングヘッドと一体に移動可能なヘッドカバーとを有するボンディング装置であって、前記ヘッドカバーは、周縁部に不活性ガス供給口を備えたガス供給ノズルを配し、該不活性ガス供給口を介して不活性ガスを供給して、前記ボンディングステージ、前記チャンバー及び前記ヘッドカバーで形成された空間内に不活性ガス空間を形成するようにしたものである。
また、本発明によるボンディング装置の前記不活性ガス供給口は、前記チャンバー上面カバーに向けて下方向に設けられているものである。
また、本発明によるボンディング装置は、直交２方向に移動可能で所定の位置に位置決め制御可能、かつ、半導体部品を載置・加熱するヒータプレートを有するボンディングステージと、ボンディングヘッド移動用切欠きが形成されたチャンバー上面カバーを有するチャンバーと、前記ボンディングヘッド移動用切欠きを介して前記ボンディングステージの移動平面と平行な直交２方向及びその直角方向の３方向に移動可能な位置決め制御手段を有して前記半導体部品にボンディングを行なうボンディングヘッドと、前記チャンバーの上方に配置され、前記ボンディングヘッドと一体に移動可能なヘッドカバーとを有するボンディング装置であって、
前記ボンディングステージは、前記ヒータプレートの外周近傍に設けられた第１の不活性ガス供給口と第２の不活性ガス供給口とを備えたガス供給ノズルとを有し、前記第１の不活性ガス供給口は前記半導体部品の中心方向へ向かって上方に斜度θ１の関係で多数配置されて前記チャンバーとの間にガス空間を形成し、前記第２の不活性ガス供給口は、前記ガス供給ノズル上面から外周方向に斜度θ２の関係を有して多数配置されて前記ボンディングステージ周囲から前記チャンバー内に形成されたガス空間への外気の侵入を防止して、前記ボンディングステージ、前記チャンバー及び前記ヘッドカバーで形成された空間内に不活性ガス空間を形成するようにしたものである。
また、本発明によるボンディング装置の前記ヘッドカバーは、チャンバー上面カバーに向けて下方向に設けられている不活性ガス供給口を備えたガス供給ノズルを周縁部に配するようにしたものである。
また、本発明によるボンディング装置は、前記ボンディングステージが有する不活性ガス供給口、前記ヘッドカバーに搭載されたガス供給ノズルへの不活性ガスの供給経路の何れか、若しくはそれぞれに流量調整弁を設けて独立に流量調整可能としたものである。
また、本発明によるボンディング装置は、前記ヘッドカバーに搭載されたガス供給ノズルに設けられた流量調整弁により不活性ガスの流速を調整することにより、ボンディング実行時ボンディングヘッドのキャピラリ先端に形成されるボールの安定を図るようにしたものである。
本発明によれば、ボンディング位置への位置決め中からボンディング動作中そしてボンディング終了時まで、ボンディング作業範囲に限定して酸化防止用の不活性ガスを必要最小限の量だけ供給することによりボンディング後のバンプの酸化を防止することができる。
以下、本発明によるボンディング装置の発明の最良の形態について図１乃至図６を参照して説明する。なお、図１乃至図６に示すボンディング装置は、バンプボンディング装置として説明するが、その他のワイヤボンディング装置などのボンディング装置についても適用することができる。図１は、本発明による酸化防止用のチャンバー付ボンディングステージが搭載されたボンディング装置の外観を表す全体斜視図、図２は、本発明によるボンディング装置のチャンバー上面カバーの開閉状態を示す側面図、図３は、ボンディングヘッド先端のキャピラリの先端にボールが形成された状態を示す図、図４は、バンプボンディング実施後のバンプの状態を示す拡大写真、図５は、本発明によるボンディング装置の酸化防止用不活性ガスの供給経路を示す断面構造図、図６（ａ）は、本発明によるボンディング装置のボンディングステージの一部拡大断面図、図６（ｂ）は、本発明によるボンディング装置のボンディングヘッドカバー周縁部のガス供給ノズル部分の拡大断面図、図６（ｃ）は、本発明によるボンディング装置のボンディングステージ上部ヒータプレートと外周部ガス供給ノズル部分の拡大断面図である。
図１及び図２、図５に示すように、本発明によるボンディング装置９は、ボンディングステージ３、チャンバー１、ボンディングヘッド２を有している。すなわち、ボンディングステージ３は、図２に示すように、フレーム９ａにボンディングステージ移動用レール３１が固定され、このボンディングステージ移動用レール３１の上を直交２方向に移動可能、すなわちＸ軸及びＹ軸方向に移動可能で位置決め制御可能なＸＹテーブル上にヒータプレート４が設けられている。このヒータプレート４は、上部に半導体ウエハ５を戴置してボンディング時に半導体ウエハを加熱するためのものである。本実施の形態では、図示しないエアシリンダにより各方向２位置ずつ、計４位置の位置決めを行うことができる。この移動によって後述するボンディングヘッド自体の移動範囲を所要範囲の１／４で済ませている。したがって、本発明によるボンディング装置９は、エアシリンダにより各方向２位置ずつ、計４位置の位置決めを行うことによってボンディングステージ３の移動範囲を大きく、且つ高速で移動可能なものとなっており、比較的粗い位置決めを行って、一度にボンディングする領域の移動を確保し、且つ必要且つ十分なガス空間を形成するようにしている。本実施の形態では、ボンディングヘッド移動用切欠き１１ａ（開口部）の開口面積を半導体ウエハ５の大きさをほぼ４分割した大きさに形成している。したがって、前述したボンディングヘッド自体の移動範囲は所要範囲の１／４となる。そして、ボンディングを行う場合の高精度な位置決め制御及びボンディング位置の認識は、ボンディングヘッド２で行うようにしている。したがって、ボンディングヘッド２が搭載されているＸＹテーブルの移動範囲は、前述したように所要範囲の１／４で足りるから、高速なボンディングを行うことが可能となっている。
次に、チャンバー１は、図１に示すように、フレーム９ａの側部に所定の距離離間して設けられた２箇所の上面カバー用ヒンジ部１２を支軸としてフレーム９ａに対して回動可能に設けられており、半導体ウエハの搬出入を行う場合に開閉可能な構成となっている。
また、ボンディングヘッド２は、図３に示すように、先端にキャピラリ２５が搭載されており、移動可能で位置決め制御可能な図示せぬＸＹテーブル上に搭載されて直交２方向、すなわちＸ軸及びＹ軸方向に移動可能となっている。このＸＹテーブルの駆動手段としては、通常パルスモータなどの位置決め制御可能なものが用いられている。また、ボンディングヘッド２は、図１若しくは図５に示すように、ボンディングステージ３のヒータプレート４上に半導体ウエハ５が載置されてチャンバー１のチャンバー上面カバー１１が閉められた状態でボンディングヘッド移動用切欠き１１aの範囲内で直交２方向、すなわちＸ軸及びＹ軸方向に移動し且つ位置決め制御を行ってボンディングすることが可能である。このボンディングは、公知のワイヤボンディング方法によってキャピラリ２５の先端にボールを形成するものであるので、その詳細な説明は避けるが、図３に示すように、キャピラリ２５の先端にワイヤ２６が所定の長さ送り出されたのち、クランパ２４を閉じ、図示せぬ電気トーチなどの電気放電手段によりワイヤ２６を溶融して先端にボール２６ａを形成する。その後、クランパ２４を開としてバックテンションの作用によってワイヤ２６が引き戻されてボール２６ａがキャピラリ先端２５に係止されてから半導体ウエハ５の上面に熱圧着ボンディングを行う。このとき、ヒータプレート４により加熱を行い、また、必要に応じて超音波振動を印加する。また、ボンディングヘッド３は、図示せぬパルスモータ若しくはリニアモータなどの駆動手段によって上下方向、すなわちＺ軸方向への移動も可能な構成となっており、ボンディングがなされた後は、ボンディングヘッド３をキャピラリ２５の先端から所定の長さワイヤ２６を引き出しながら上昇させてからクランパ２４を閉じてボール２６ａの上端部からワイヤ２４が切断される。切断された状態は、図４に示されている。なお、ワイヤ２６は、銅ワイヤ２６を使用している。
また、チャンバー上面カバー１１のボンディングヘッド移動用切欠き１１aの開口部分を塞ぐ為にヘッドカバー２１がボンディングヘッド２と同時移動可能に設けられている。すなわち、ヘッドカバー２１は、ボンディングヘッド一体に移動可能なようにＸＹテーブル上に取り付けられている。ヘッドカバー２１は、キャピラリ２５が上下移動可能なようにボンディングヘッド下降用切欠き２１a及び認識用カメラの光軸に合わせた認識カメラ用切欠き２１bと必要最小限の開口部でウエハ面への外気の侵入を限定した構造となっている。したがって、ヘッドカバー２１の開口部＜ボンディングヘッド移動用切欠き１１aの開口部分の関係となっている。
前述したように、ボンディングステージ３の水平面内移動とボンディングヘッド２の水平面内移動との組合せで対象ウエハ５の上面全面を走査すれば良いことから、ボンディングステージ３の移動量を大きくすればボンディングヘッド２の移動量は少なくてすむ。本実施の形態によれば、ボンディングステージ３は直交２軸の動作であるが、旋回１軸の動作とすることも可能である。したがって、前記ボンディングステージに備わる直交２方向移動平面上の移動範囲と、ボンディングヘッドに備わる前記移動平面に平行な直交２方向移動平面上の移動範囲との組合せにより、一度にボンディングを行なう移動範囲と、前記不活性ガスによる空間の大きさとを、ボンディング作業時間・ボンディング装置寸法・コスト等の観点から自由に選択することが可能である。
次に、本発明によるボンディング装置は、図５及び図６に示すように、ボンディング途中及びボンディング後のバンプの酸化を防止する為、外気との接触を避ける目的で不活性ガスを供給し作業範囲に充満させているが、不活性ガスを必要最小限の量だけ供給し効率的に目的を達成する為に３通りの供給経路を用意している。
図５及び図６に示すように、ボンディングステージ３上にはヒータプレート４が搭載されており、このヒータプレート４の外周近傍にはガス供給ノズル３３が設けられている。図６（ａ）及び図６（ｃ）に示すガス供給ノズル３３には３通りの不活性ガス供給経路の内、第１の不活性ガス供給口３３ａと第２の不活性ガス供給口３３ｂとが穿孔されている。第１の不活性ガス供給口３３ａは、ボンディングステージ３とチャンバー上面カバー１１で覆われたボンディングステージ移動空間３０を不活性ガス１０で充満することを目的としており、ガス供給ノズル３３とチャンバー上面カバー１１との間隙に効率よく不活性ガス１０を供給する為に、不活性ガス供給口３３ａは水平方向から上方にθ１の斜度を有して設けられている。本実施の形態では、ガス供給口３３ａは穿孔されている。また、不活性ガス供給口３３ａはガス供給ノズル３３の全周に渡り半導体ウエハ５の中心に向け多数配置されている。第２の不活性ガス供給口３３ｂは、不活性ガス供給口３３ａから半導体ウエハ５の中心に向け供給される不活性ガス１０の流れによりガス供給ノズル３３の外周からボンディングステージ移動空間３０に大気が吸込まれ不活性ガスに混入することを防止することを目的としており、不活性ガス供給口３３ｂは鉛直方向から外側にθ２の斜度を有して設けられている。本実施の形態では、不活性ガス供給口３３ｂは穿孔されている。また、不活性ガス供給口３３ｂはガス供給ノズル３３の上面全周に渡り多数配置されている。
また、第３の不活性ガス供給路である不活性ガス供給口２３ａは、ボンディングヘッド２のボンディング位置への移動中及びボンディング動作中にボンディングヘッド２と共に移動するヘッドカバー２１とチャンバー上面カバー１１との間のボンディングヘッドカバー移動空間２０に不活性ガス１０を充満することであり、図６（ｂ）に示すヘッドカバー２１の周縁部に搭載されたガス供給ノズル２３に第３の不活性ガス供給口２３ａがチャンバー上面カバー１１に向けて下方向に設けられている。本実施の形態では、不活性ガス供給口２３ａは穿孔されている。また、不活性ガス供給口２３ａはガス供給ノズル２３の全周に渡り多数配置されている。
以上の説明から明らかなように、不活性ガスの充満が必要な部分の体積はボンディングステージ移動空間３０及びボンディングヘッドカバー移動空間２０とであり、ボンディングステージ３及びボンディングヘッド２の移動動作にかかわらず常に一定しており、不活性ガス供給口が各々の移動側に搭載されているので、常に最小限度のガス供給で所要の効果を得ることが可能となる。なお、不活性ガスとしては、窒素ガスなどを用いることが可能であるが、これに限らず、適宜必要に応じて最適なガスを用いることが可能である。
さらに、チャンバー上面カバー１１に形成されたボンディングヘッド移動用切欠き１１ａを通じて前記の移動空間２０及び３０が連続していることから、３通りの不活性ガス供給経路の何れか、若しくはそれぞれに流量調整弁を設け、不活性ガス供給量を独立に調整することにより、本発明のボンディング装置に関し、システム全体としての不活性ガス流れの最適条件を適宜選択することも可能である。また、キャピラリ２５の先端に銅ワイヤ２６によるボール２６ａを形成するに当たり不安定要素となる不活性ガス１０のボンディングヘッド下降用切欠き２１ａ部分からの吹き上がり現象についても前記流量調整弁により流速を調整することによって最適条件の選択を行うことも可能である。
次に、本発明によるボンディング装置を用いて行うボンディング方法について、以下に説明する。
図１に示すように、まず、ボンディングヘッドカバー２１を取り外し（自動の場合は、ボンディングステージ上から一時的に退避させる。）、図２に示すチャンバー上面カバー１１を上面カバー１２を支軸として手動若しくは自動により開ける。次に、ボンディングステージ３の上面に半導体ウエハ５を戴置してヒータプレート４の上面に真空吸着（ヒータプレート４の真空吸着手段については公知のものが用いられている。）する。そして、チャンバー上面カバー１１を閉じて、ヘッドカバー２１を取り付ける（自動の場合は、退避位置から所定の位置に移動させる）。そして、図３及び図４に示すボンディング作業を全自動で行う。半導体ウエハ５のボンディングが完了した場合には、前述した所定の作業を繰り返す。
しかして、本発明によるボンディング装置を用いて行うボンディング方法は、従来、半導体ウエハ５上にボンディング作業を行う場合、近年半導体ウエハ５の径も大きくなりつつあるため、最初にボンディングが完了した半導体チップと、最後の半導体チップとでは、経過時間が異なるため、酸化の度合いが異なり、均一なボンディングがなされないおそれがあることによりなされたものである。そして、本発明の実施の形態によれば、ボンディングヘッド移動用切欠き１１ａを大きく形成、この場合、半導体ウエハ５を４分割した程度に開口してその開口面積内でボンディングされる半導体チップの品質を均一化できるようにし、且つヘッドカバー２１のボンディングヘッド下降用切欠き２１ａ及び認識カメラ用切欠き２１ｂの開口を小さくして、不活性ガス空間を形成して一度にボンディングできる量を必要且つ十分なものとしたものである。しかして、本発明によるボンディング装置は、このような４分割によるボンディングに限るものではなく、不活性ガス空間が効率よく形成することが可能で均一なボンディングがなされるものであれば他の分割方法を用いてボンディングすることも可能である。
本発明のチャンバー付ボンディング装置の全体斜視図である。 本発明のチャンバー付ボンディング装置のチャンバー上面カバー開閉状態を示す側面図である。 ボンディングヘッド先端のキャピラリ部分の詳細を示す図である。 バンプボンディング後のバンプ拡大写真である。 本発明の酸化防止用不活性ガスの供給経路を示したボンディング装置の断面構造図である。 （ａ）は、ボンディングステージ部の詳細断面図、（ｂ）は、ボンディングヘッド部のガス供給ノズルを示す図、（ｃ）は、ボンディングステージ部のガス供給ノズル部の拡大図である。
符号の説明
１ チャンバー
１０ 不活性ガス
１１ チャンバー上面カバー
１１ａ ボンディングヘッド移動用切欠き
１２ 上面カバー用ヒンジ部
２ ボンディングヘッド
２０ ボンディングヘッドカバー移動空間
２１ ヘッドカバー
２１ａ ボンディングヘッド下降用切欠き
２１ｂ 認識カメラ用切欠き
２３ ガス供給ノズル
２３ａ 不活性ガス供給口
２４ クランパ
２５ キャピラリ
２６ ワイヤ
２６ａ ボール
２８ バンプ
３ ボンディングステージ
３０ ボンディングステージ移動空間
３１ ボンディングステージ移動用レール
３３ ガス供給ノズル
３３ａ 不活性ガス供給口
３３ｂ 不活性ガス供給口
４ ヒータプレート
５ ウエハ
７ 認識用カメラ
９ ボンディング装置
９ａ ボンディング装置フレーム

Claims (6)

  1. 直交２方向に移動可能で所定の位置に位置決め制御可能、かつ、半導体部品を載置・加熱するヒータプレートを有するボンディングステージと、
    ボンディングヘッド移動用切欠きが形成されたチャンバー上面カバーを有するチャンバーと、
    前記ボンディングヘッド移動用切欠きを介して前記ボンディングステージの移動平面と平行な直交２方向及びその直角方向の３方向に移動可能な位置決め制御手段を有して前記半導体部品にボンディングを行なうボンディングヘッドと、
    前記チャンバーの上方に配置され、前記ボンディングヘッドと一体に移動可能なヘッドカバーとを有するボンディング装置であって、
    前記ヘッドカバーは、周縁部に不活性ガス供給口を備えたガス供給ノズルを配し、該不活性ガス供給口を介して不活性ガスを供給して、前記ボンディングステージ、前記チャンバー及び前記ヘッドカバーで形成された空間内に不活性ガス空間を形成することを特徴とするボンディング装置。
  2. 前記不活性ガス供給口は、前記チャンバー上面カバーに向けて下方向に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  3. 直交２方向に移動可能で所定の位置に位置決め制御可能、かつ、半導体部品を載置・加熱するヒータプレートを有するボンディングステージと、
    ボンディングヘッド移動用切欠きが形成されたチャンバー上面カバーを有するチャンバーと、
    前記ボンディングヘッド移動用切欠きを介して前記ボンディングステージの移動平面と平行な直交２方向及びその直角方向の３方向に移動可能な位置決め制御手段を有して前記半導体部品にボンディングを行なうボンディングヘッドと、
    前記チャンバーの上方に配置され、前記ボンディングヘッドと一体に移動可能なヘッドカバーとを有するボンディング装置であって、
    前記ボンディングステージは、前記ヒータプレートの外周近傍に設けられた第１の不活性ガス供給口と第２の不活性ガス供給口とを備えたガス供給ノズルとを有し、
    前記第１の不活性ガス供給口は前記半導体部品の中心方向へ向かって上方に斜度θ１の関係で多数配置されて前記チャンバーとの間にガス空間を形成し、前記第２の不活性ガス供給口は、前記ガス供給ノズル上面から外周方向に斜度θ２の関係を有して多数配置されて前記ボンディングステージ周囲から前記チャンバー内に形成されたガス空間への外気の侵入を防止して、前記ボンディングステージ、前記チャンバー及び前記ヘッドカバーで形成された空間内に不活性ガス空間を形成することを特徴とするボンディング装置。
  4. 前記ヘッドカバーは、チャンバー上面カバーに向けて下方向に設けられている不活性ガス供給口を備えたガス供給ノズルを周縁部に配することを特徴とする請求項３記載のボンディング装置。
  5. 前記ボンディングステージが有する不活性ガス供給口、前記ヘッドカバーに搭載されたガス供給ノズルへの不活性ガスの供給経路の何れか、若しくはそれぞれに流量調整弁を設けて独立に流量調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載のうち、少なくとも１に記載のボンディング装置。
  6. 前記ヘッドカバーに搭載されたガス供給ノズルに設けられた流量調整弁により不活性ガスの流速を調整することにより、ボンディング実行時ボンディングヘッドのキャピラリ先端に形成されるボールの安定を図ることを特徴とする請求項５記載のボンディング装置。
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