JP3919684B2

JP3919684B2 - 倣い装置およびそれを用いた接合装置

Info

Publication number: JP3919684B2
Application number: JP2003067387A
Authority: JP
Inventors: 聡堀江; 隆弘米澤; 幹夫長谷川; 和司東; 達雄笹岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004281476A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向配置した加工対象物等を押圧しながら互いの当接面が平行になるように倣わせる倣い装置およびそれを用いた接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえばフリップチップ方式の半導体集積回路（以下、ＩＣという）を構成する際に、チップＩＣの電極パッド上に形成されたバンプを基板電極面に対して加圧して接合する技術が知られている。良好な接合のためには、バンプの表面が基板電極面に平行になるように倣わせることが重要である。
【０００３】
面平行度を出すために一般的に用いられている倣い装置を図６に示す。３１はワークＡをセットする固定側のステージ、３２はワークＢをセットしワークＡに倣わせるための倣いステージ、３３は倣いステージ３２を保持するホルダである。倣いステージ３２は、ワークＢをセットするセット面３２ａに背反する側に球面部３２ｂを有し、この球面部３２ｂでホルダ３３の凹部３３ａ内面に点接触で受けられ、ホルダー７に対して板ばね３４で結合されている。
【０００４】
加工に際しては、ホルダ３３を軸心方向に移動させて、倣いステージ３２にセットされたワークＢを固定ステージ３１上のワークＡに対して押圧する。このことにより、倣いステージ３２が荷重を受けてその球面部３２ｂの点接触部を支点として揺動し、倣いステージ３２上のワークＢと固定ステージ１上のワークＡとが互いに面全体で接触するようになり、双方のワークＡ，Ｂが完全に倣う荷重に到達した時には完全に平行度が出た状態となる。固定側のステージ３１に対する倣いステージ３２の平行度を事前調整するのでなく、実際の加圧動作の度に平行調整を行うのである。
【０００５】
図７に他の倣い装置を示す。４１はワークＡをセットする固定側のステージ、４２はワークＢをセットしワークＡに倣わせるための倣いステージ、４３は倣いステージを保持するホルダである。倣いステージ４２、ホルダ４３の対向面は互いに対応する凹球面部４２ａ、凸球面部４３ａとして加工されていて、倣いステージ４２は、ホルダ４３の球面部４３ａに摺接しつつ、ホルダ４３の軸心を基準として揺動可能である。ホルダ４３には、その球面部４３ａで開口する排気路（図示せず）が形成されていて、この排気路を真空引きすることで倣いステージ４２を真空吸着しロック可能である。
【０００６】
この装置では、倣いステージ４２を自由揺動させる状態でホルダ４３を軸心方向に移動させて、倣いステージ４２にセットされたワークＢを固定ステージ４１にセットされたワークＡに接触させ、所望の荷重まで加圧する。これにより倣いステージ４２が揺動してワークＢの表面がワークＡの表面に平行になるように倣うので、この状態でエア圧を作用させて倣いステージ４２をホルダ４３に真空吸着させロックする。
【０００７】
このようにして固定ステージ４１に対する倣いステージ４２の平行度を一旦調整した後は、この状態で新たにセットされるワークＡ，Ｂに対する加圧動作をすればよく、加圧動作の都度にエアーによる平行度の調整作業をする必要はない。
【０００８】
エアーを利用する他の装置に、吸着ホルダを取り付けたボールと凹状のボール受けとの間に加圧エアを噴出して両者間を非接触とし、摺動抵抗を低減した状態で、吸着ホルダの先端面を半導体チップなどのワークの上面に対して平行に倣わせる装置もある（特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３１１９０６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＩＣ電極パッド上に形成される電極の高さは年々小さくなる傾向にあり、より高精度の平行度を保証することが必要になってきた。また、実装工法の変化に伴って、超高真空中においても加工対象物等を倣わせる必要が増大してきた。
【００１１】
しかしながら、図７に示すタイプのエアーを使用する倣い機構は、Ｓｉどうしの加圧接合に要求される１×Ｅ−５Ｐａ以下など、通常の工場真空圧である２×Ｅ−４Ｐａを大きく下回る超高真空下では使用出来ない。
【００１２】
超高真空下では、図６に示すタイプの板ばね３４を使用する倣い機構の使用が必要となるが、板ばね３４の取り付け方によって無負荷の状態での平面位置決めが異なってしまうため、たとえばフリップチップ実装における位置合わせのために基板の対向面に付したマークをカメラ認識する際に、対向面どうしの面内平行度が確保されず、焦点が合わず、認識が不可能となってしまうことがある。特にアライメント精度１μｍ以下を目標とする場合には焦点深度は１５μｍ程度となるため、非接触状態での面内平行度の確保は重要事項であり、平面位置決めを一定にするために板ばね３４の取り付けは困難を極める。また吸着機構が無いこの倣い装置では重力に逆らったワークのセットはできず、倣いステージ４２の下面にワークＢをセットする際には人為的な作業が必要になり、自動搬送を実現できないという問題もある。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するもので、対象物の常圧状態での搬送，セット，面倣いや、超高真空中での搬送、面倣いを自動装置で行うことができ、かつ、高倍率のカメラ認識に耐えうる平行度を保証できる倣い装置およびそれを用いた接合装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の倣い装置は、第１の対象物を保持するための固定ステージに対向配置される設置面に第２の対象物を保持するための真空吸着穴が開口した対向ステージと、前記対向ステージの設置面に真空吸着された第２の対象物を側方から挟み込んで前記設置面上に保持する保持手段と、前記設置面に背反する対向ステージの背面に球面部でもって点接触し、前記対向ステージを環状弾性体を介して保持し、前記環状弾性体によってシールされた対向ステージとの間隙に臨んで開口した真空排気路を有したホルダーとを備え、前記対向ステージ上に保持された第２の対象物を前記固定ステージ上に保持された第１の対象物の所定面に当接させ、押圧した時に、前記対向ステージ上の第２の対象物の当接面を前記固定ステージ上の第１の対象物の所定面に対して平行となるように倣わせるようにしたものである。
【００１５】
また本発明の倣い方法は、固定ステージに第１の対象物を保持するとともに、前記固定ステージに対向配置される対向ステージに第２の対象物を真空吸着し側方から挟み込む保持手段により保持し、前記固定ステージに対して前記対向ステージを前記第１の対象物と第２の対象物とを位置認識して位置決めし、前記対向ステージを、その背面に球面部をもって点接触し環状弾性体を介して保持したホルダーにて移動させることにより、前記対向ステージ上の第２の対象物を前記固定ステージ上の第１の対象物の所定面に当接させ押圧し、前記対向ステージ上の第２の対象物の当接面を前記固定ステージ上の第１の対象物の所定面に対して平行となるように倣わせるようにしたものである。
【００１６】
これにより、常圧条件下で第２の対象物を真空吸着により重力に逆らって対向ステージの設置面にセットし、その状態を保持手段によって維持して、固定ステージに対向する位置まで搬送し、前記第２の対象物に対応する固定ステージ上の第１の対象物に対して位置合わせし、この第１の対象物の所定面に対し平行となるよう倣わせる、という一連の動作を、自動装置によって行なうことができる。
【００１７】
その際に、真空吸着にて対向ステージの設置面に第２の対象物を完全に密着させた状態を保持手段によって維持することが可能なので、押圧力を付与しない無負荷の状態での第２の対象物（および対向ステージ）の姿勢を一意に定め、その平面位置を一定にすることができる。
【００１８】
よって、その状態の第２の対象物を、固定ステージが常圧条件下にあるか減圧条件下にあるかにかかわらず、固定ステージに対向する位置まで搬送し、位置合わせし、倣わせることができる。第２の対象物（および対向ステージ）は上述の状態にあることから、固定ステージ上の第１の対象物との間に高倍率の認識カメラを挿入して、認識精度高く位置合わせすることができ、従来にない高精度アライメントでの接合等が可能になる。
【００１９】
環状弾性体はたとえば、樹脂材料または炭素ばね鋼からなるものを使用できる。なかでもフッ素系ゴムからなる０リングであれば、高真空条件下でもガスを発することがなく、高真空条件を損なうことなく加工を行なえる。炭素ばね鋼からなる環状弾性体であれば、耐熱性を有する分、比較的低い減圧条件下で対象物を加熱しながら行なう加工にも耐える。
【００２０】
好ましくは、樹脂材料からなる環状弾性体が弾性変形して圧接する対向ステージの圧接部に、弾性材との間のエアを外部へリークするリークポートを設ける。これにより、対向ステージと弾性材との間のエアが減圧条件下で膨張して倣いが阻害されるのを防止することができる。
【００２１】
本発明の接合装置は、上記したいずれかの倣い装置を備え、固定ステージと対向ステージのそれぞれに設置された２個の部品の金属面どうしを倣わせ、加圧接合するようにしたものである。
【００２２】
このような接合装置にはたとえば、半導体チップを配線基板上に配線パターンどうし直接に接合して実装する半導体実装装置がある。
上述したように、倣い装置は、対象物を対向ステージに密着させる吸着機構や、対向ステージを無負荷状態で位置決めする機構を有しているため、従来にない高精度アライメントでの加圧接合も可能であり、金属をスパッタあるいは蒸着してなる突出高さ０．２μm以下といったような配線パターンどうしを直接に貼り合わせる接合も可能となるのである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における倣い装置の断面図、図２は同倣い装置を図１とは９０度異なる方向から示した断面図である。図中、１はワークＡをセットする平板状の固定ステージ、２はワークＢをセットしワークＡに倣わせるための倣いステージ、３は倣いステージを保持するホルダである。
【００２４】
倣いステージ２は、超硬Ｇ種材料を用いて概ね円柱状に形成されており、固定ステージ１に対向配置される一側の中央部に平坦な設置面４が形成され、設置面４に対応する他側の中央部に凹部５が形成され、設置面４に開口する真空吸着穴６が貫設されている。設置面４は円柱の軸方向に突出した段部４ａに形成されていて、Rmax０．２μm以下までラッピング仕上げされている。
【００２５】
ホルダ３は、倣いステージ２の凹部５の底面に点接触して受けられる球面部７を一端に有し、この球面部７の周縁部で開口する真空排気路８を有したSUS303などからなる軸部材９と、この軸部材９の他端を嵌入保持する貫通穴１０を有し減圧装置（図示せず）に接続される管状部材１１とで構成されている。管状部材１１に径方向に突出して形成された取付座１２には、倣いステージ２の設置面４に設置されたワークＢを側方から挟み込んで設置面４上に保持するチャック１３が取り付けられている。
【００２６】
軸部材９には、倣いステージ２の凹部５の開口端部に対向する外周に鍔部１４が形成され、この鍔部１４と球面部７との間に縮径部１５が形成されている。縮径部１５に対向する倣いステージ２の凹部５の内面には周方向に沿う溝部１６が形成されている。これら軸部材９の縮径部１５と倣いステージ２の凹部内面の溝部１６との間には、フッ素系ゴム（たとえばデュポンダウ社のバイトン（登録商標））からなるＯリング１７が圧入されている。このＯリング１７は、軸部材９と倣いステージ２とを連結し、倣いステージ２を軸部材９上に揺動可能に支持するとともに、軸部材９の外面と倣いステージ２の凹部内面との間隙をシールする機能を担っている。Ｏリング１７が弾性変形して圧接する倣いステージの溝部１６には、Ｏリング１７との間のエアを外部へリークするリークポート１８が開口している。
【００２７】
上記構成における作用を説明する。
常圧条件下で、倣いステージ２の設置面４をワークＢの背面に接触させ、管状部材１１を通じて軸部材９の真空排気路８、Ｏリング１７によって閉塞された軸部材９，倣いステージ２間の間隙、倣いステージ２の真空吸着穴６を真空排気することにより、図示したように設置面４にワークＢを真空吸着させる。そしてこの真空吸着を維持しながら、あらかじめ開放しておいたチャック１３を閉じてワークＢを挟み込み、設置面４上に保持する。
【００２８】
この状態で、倣いステージ２を固定ステージ１に対向する位置に配置し、互いに対向したワークＢとワークＡとをカメラ認識して位置合わせする。その後に、ホルダ３を軸心方向に移動させてワークＢをワークＡに当接させ、押圧する。
【００２９】
それにより、倣いステージ２が固定ステージ１からの偏荷重を受けて、Ｏリング１７を弾性変形させながら、軸部材９の球面部７に対する点接触部を支点として偏荷重が均等荷重になるまで３次元方向に揺動し、ワークＢの表面がワークＡの表面（ワークＢの当接領域）に対し平行となるように倣う。
【００３０】
このときにワークＢ，ワークＡの一方あるいは双方に反りなどの面内バラツキの要素があっても、反りを解消するのに十分な大きな荷重で押圧することで、均等荷重になった後には双方が完全に平行に圧接する状態とできる。よって、ワークＢ，ワークＡの面平行度を確保した状態での加工が可能となる。
【００３１】
以上の倣い装置では、倣いステージ２を超硬Ｇ種材料で構成しているので、３０〜５０ｋｇｆ程度の高荷重が軸部材９の球面部７の点接触によってかかっても、受け部が窪む変形は発生しない。よって、倣いが阻害されるのを防止することができる。
【００３２】
また、ワークＢを設置面４に真空吸着して密着させ、かつチャック１３によって無負荷状態でのワークＢに一定の静位置を与えているので、倣いステージ２上のワークＢと固定ステージ１上のワークＡとの間にカメラを挿入して位置合わせする際の位置認識を高精度に行なうことが可能となる。実際に、最大焦点深度が１５μｍの高倍率のカメラを用いて、焦点誤差１０μｍ以下程度にピント合わせできることが確認できた。これによれば、１μm以下のアライメントでの位置合わせが可能である。この位置合わせは減圧条件下でも実施できる。
【００３３】
また、Ｏリング１７が弾性変形して圧接する倣いステージ２の溝部１６にリークポート１８が開口しているため、Ｏリング１７との間のエアが減圧条件下で膨張して倣いを阻害するのを防止することができる。Ｏリング１７が上記したようなフッ素系ゴムを材料としたものであるため、高真空条件下でもガスを発することがなく、所望の高真空条件を維持できる。
【００３４】
よって、ワークＢ，ワークＡのそれぞれに広域に形成された金属膜同士の張り合わせや、微小パターン配線同士の張り合わせ、たとえば突出高さ０．２μm以下の配線パターンどうしの直接貼り合わせを確実に行なうことができる。なおその際には、たとえばＣｕ，Ｃｕ接合には１×Ｅ−３Ｐａ以下が必要である。Ｓｉ，Ｓｉ接合には１×Ｅ−５Ｐａ以下が必要である。
【００３５】
上記したような倣い装置はたとえば、フリップチップ方式で半導体チップを配線基板に実装する半導体実装装置の一部、つまりボンディング装置、とすることができる。
【００３６】
上記した倣い装置を用いて半導体チップと配線基板とをバンプレス接合する工程を図３にしたがって簡略に説明する。上記したワークＡ，ワークＢにはそれぞれ、図４に示したような、チップＩＣ１９、配線基板２０が対応する。チップＩＣ１９において、１９ａはＳｉＯ_２基板，１９ｂはＣｕのスパッタ電極（以下、Ｃｕ電極という）であり、配線基板２０において、２０ａはＳｉＯ_２基板，２０ｂはＣｕのスパッタ電極（以下、Ｃｕ電極という）である。
【００３７】
ステップＳ１において、上記と同様にして、常圧条件下で、倣いステージ２の設置面４にチップＩＣ１９を真空吸着させ、真空吸着を維持しながらチャック１３によりチップＩＣ１９を挟み込んで設置面４上に保持する。また固定ステージ１上に配線基板２０を設置する。
【００３８】
ステップＳ２において、チップＩＣ１９，配線基板２０の表面をプラズマ雰囲気中、イオンビーム、活性化された元素などでスパッタリングして、Ｃｕ電極１９ａ，２０ａの表面を改質し、活性化する。
【００３９】
ステップＳ３において、倣いステージ２上のチップＩＣ１９を固定ステージ１上の配線基板２０に対向配置し、両者間に認識カメラ（図示を省略する）を挿入してＳｉＯ_２基板１９ａ，２０ａに付された位置合わせ用マーク（図示を省略する）を認識し、位置合わせする。
【００４０】
ステップＳ４において、減圧条件下もしくはＮ_２雰囲気下で、改質されたＣｕ電極１９ａ，２０ａの表面同士を当接させ、押圧することにより、倣いステージ２を揺動させて、チップＩＣ１９のＣｕ電極１９ｂの表面が配線基板２０のＣｕ電極２０ｂの表面に対し平行となるように倣わせ、Ｃｕ電極１９ａ，２０ａの表面同士が均一に圧接する状態として、共有結合を起こさせ、接合させる。
【００４１】
ステップＳ５において、チップＩＣ１９が実装された配線基板２０を搬出する。
バンプレス接合は、チップ厚みよりも１／１０００レベルほど小さい電極の接合が要求されるものである。たとえば、半導体チップ１９，配線基板２０は、厚み（Ｌ１）が０．７ｍｍ程度のＳｉＯ_２基板１９ａ，２０ａにＣｕ電極１９ｂ，２０ｂが電極幅（Ｌ２）３〜３０μｍ、突出高さ（Ｌ３）８０ｎｍ程度にて形成される。上記のような倣い装置を用いることで、半導体チップ１９，配線基板２０のＣｕ電極１９ｂ，２０ｂどうしが当接する全面を均一に確実に接合可能となる。
【００４２】
ただし、接合対象はここに例示したような半導体チップ１９，配線基板２０の形状、寸法、材料に限定されるものではなく、蒸着による金属面の接合であってもよい。
【００４３】
またステップＳ４は、大気中、チップＩＣ１９，配線基板２０の双方を加熱して、共有結合と拡散とを起こさせ、接合させるように変更してもよい。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における倣い装置を説明する断面図である。
【００４４】
この実施の形態２の倣い装置は実施の形態１の装置とほぼ同様の構成を有しているが、樹脂材料からなるＯリングに代えて炭素ばね鋼（たとえばＰｋ材）からなる環状の板ばね２２が設けられている点が異なる。軸部材９は球面部７を備えた第１部材２３と鍔部１４を備えた第１部材２４とに分割形成され、第１部材２３と第２部材２４との間に上記板ばね２２が挟み込まれ、倣いステージ２に対して止めネジ２５で固定されている。
【００４５】
この倣い装置においても、倣いステージ２が固定ステージ１からの偏荷重を受けて、板ばね２２を弾性変形させながら、軸部材９の球面部７に対する点接触部を支点として偏荷重が均等荷重になるまで３次元方向に揺動し、ワークＢの表面がワークＡの表面（ワークＢの当接領域）に対し平行となるように倣う。
【００４６】
板ばね２２の耐熱性が高いため、双方のワークＡ，Ｂを１００℃以上に加熱する場合も効果を発揮することが出来る。双方のワークＡ，Ｂを加熱すると、金属拡散現象も発生するため、結合力が向上し、大気中での接合も可能になる。これは、実施の形態１の装置のように樹脂材料からなるＯリング１７を用いた場合に、１００℃以上で樹脂からガスが発生し、高真空条件が損なわれるのに比べての利点である。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明の倣い装置は、対象物を対向ステージに密着させる吸着機構や、対向ステージを無負荷状態で位置決めする機構を有しているため、常圧状態で対象物のセット，搬送，面倣い、および、セットされた対象物の超高真空中での搬送、面倣いを自動装置で行うことができ、かつ、高倍率のカメラ認識に耐えうる平行度を保証することができ、従来は不可能であった１μｍ以下のアライメントでの加圧接合が可能となり、微小パターン配線同士の張り合わせや、広域に形成された金属膜同士の張り合わせ接合を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における倣い装置の断面図
【図２】図１の倣い装置を９０度異なる方向から示した断面図
【図３】図１の倣い装置を用いたフリップチップ実装工程を説明するフローチャート
【図４】図３のフリップチップ実装工程の加工対象物であるチップＩＣと配線基板とを示した断面図
【図５】本発明の実施の形態２における倣い装置の断面図
【図６】従来の倣い装置の断面図
【図７】従来の他の倣い装置の断面図
【符号の説明】
１固定ステージ
２倣いステージ（対向ステージ）
３ホルダ
４設置面
６真空吸着穴
７球面部
８真空排気路
９軸部材
13 チャック（保持手段）
17 Ｏリング（環状弾性体）
18 リークポート
22 板ばね（環状弾性体）

Claims

第１の対象物を保持するための固定ステージに対向配置される設置面に第２の対象物を保持するための真空吸着穴が開口した対向ステージと、前記対向ステージの設置面に真空吸着された第２の対象物を側方から挟み込んで前記設置面上に保持する保持手段と、前記設置面に背反する対向ステージの背面に球面部でもって点接触し、前記対向ステージを環状弾性体を介して保持し、前記環状弾性体によってシールされた対向ステージとの間隙に臨んで開口した真空排気路を有したホルダーとを備え、前記対向ステージ上に保持された第２の対象物を前記固定ステージ上に保持された第１の対象物の所定面に当接させ、押圧した時に、前記対向ステージ上の第２の対象物の当接面を前記固定ステージ上の第１の対象物の所定面に対して平行となるように倣わせる倣い装置。
環状弾性体が樹脂材料または炭素ばね鋼からなる請求項１記載の倣い装置。
樹脂材料からなる環状弾性体が弾性変形して圧接する対向ステージの圧接部に、前記環状弾性体との間のエアを外部へリークするリークポートを設けた請求項２記載の倣い装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の倣い装置を備え、固定ステージと対向ステージのそれぞれに設置された２個の部品の金属面どうしを倣わせ、加圧接合する接合装置。
半導体チップを配線基板上に配線パターンどうし直接に接合して実装する半導体実装装置である請求項４記載の接合装置。
固定ステージに第１の対象物を保持するとともに、前記固定ステージに対向配置される対向ステージに第２の対象物を真空吸着し側方から挟み込む保持手段により保持し、前記固定ステージに対して前記対向ステージを前記第１の対象物と第２の対象物とを位置認識して位置決めし、前記対向ステージを、その背面に球面部をもって点接触し環状弾性体を介して保持したホルダーにて移動させることにより、前記対向ステージ上の第２の対象物を前記固定ステージ上の第１の対象物の所定面に当接させ押圧し、前記対向ステージ上の第２の対象物の当接面を前記固定ステージ上の第１の対象物の所定面に対して平行となるように倣わせる倣い方法。