JP4782177B2 - チップ積層体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、チップ積層体の製造装置に関するものである。

半導体装置の組立においては、半導体チップをはんだや樹脂を介して、リードフレームや電極を形成した基板などにボンディングしている。このボンディングを行なう場合、一般に、図４に示すように、水平移動動作Ａ、Ｄ、Ｇ、下降動作Ｂ、Ｅおよび上昇動作Ｃ、Ｆ、さらに必要に応じて回転動作Ｈを行うコレット３０を具備するダイボンダを用いている。

図４に示すダイボンダを使用したダイボンディング方法を説明する。まず、コレット３０は、水平移動を行って（Ａ）、ピックアップポジションで下降し（Ｂ）、半導体チップ４０のピックアップを行う。この場合、ピックアップするポジションには、粘着シート６０の直下にピックアップステージ７０が固定配置され、そのピックアップステージ７０内に、半導体チップ４０を粘着シート６０から剥離させるための突き上げピン８０を上下動自在に収納配置している。そして、突き上げピン８０を上昇させ、半導体チップ４０の裏面を粘着シート６０から剥離させてコレット３０によるピックアップを容易にする。

その後、コレット３０は上昇し（Ｃ）、水平移動を行って（Ｄ）、ボンディングポジションで下降し（Ｅ）、半導体チップ４０をリードフレームや基板５０にボンディングを行い上昇し（Ｆ）、水平移動を行う。この繰り返しによって、半導体チップ４０を、ピックアップポジションでピックアップし、ボンディングポジションでリードフレームや基板５０にボンディングしている。

ところで、ガラスエポキシ基板（ガラエポ基板）等のインターポーザに半導体チップを実装してなる半導体装置がある。この場合、ガラエポ基板は、加熱すると歪みが生じて表面に凹凸ができる。これにより、凹凸のある基板に精度良くチップをボンディングすることは困難である。また、基板の熱膨張率は、通常、チップの熱膨張率とは異なっている。例えば、ガラエポ基板との熱膨張率は１×１０^-5〜１×１０^-4℃^-1であるのに対し、チップの熱膨張率は２．６〜３．６×１０^-6℃^-1であり大きく相違している。このような熱膨張率の違いは、基板からチップが剥がれる原因となる。

このため、近年では、基板に精度良く、しかも確実にチップをボンディングするために、加熱の際に歪みが生じない基板を用いることが要求されている。また、チップと基板との熱膨張率が略同一である場合、基板からチップが剥がれるのを防止できるため、チップと基板との材料を同一にすることが好ましい。このため、半導体ウエハの上にチップを積層すると、半導体ウエハは加工の際に歪みを生じず、また、チップと基板とが同一材料となって、精度良く、確実にボンディングすることができる。特許文献１には、従来のダイボンダにおいて、基板に複数のチップを積層するものが提案されている。
特開２００３−８６７５８号公報

しかしながら、前記したような半導体ウエハにチップを積層してなる半導体装置を製造するためには、特許文献１に記載のようにチップ積層用の他のステージを必要としたり、複数の装置を必要としたりする。このため、前記図４で示した従来のダイボンダをそのまま用いて、１つの装置で前記のような半導体装置を製造することは困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みて、既存の装置を大幅に設計変更することなく、１つの装置でインターポーザ上にチップを積層することができ、精度良く、確実にボンディングすることができるチップ積層体の製造装置を提供する。

本発明のチップ積層体の製造装置は、搬送系である第１のポジションと、個々のシリコンインターポーザに分割されたウエハのある第２のポジションと、第１のポジションと第２のポジションとの間の往復動が可能な吸着コレットを備え、シリコンインターポーザに半導体チップを積層してなるチップ積層体を製造する製造装置であって、第１のポジションが、半導体チップが供給される材料供給状態と、チップ積層体がボンディングされるチップ積層体ボンディング状態とに切り換え可能であり、材料供給状態とした第１のポジションに位置する半導体チップを吸着コレットにてピックアップし、半導体チップを吸着コレットにて第２のポジションに搬送して、第２のポジションのシリコンインターポーザ上に半導体チップをボンディングして、チップ積層体を形成し、第２のポジションで吸着コレットにてチップ積層体をピックアップし、チップ積層体をチップ積層体ボンディング状態とした第１のポジジョンへ搬送して基板にボンディングするものである。

本発明のチップ積層体の製造装置によれば、第１のポジションに半導体チップを配置して、第１のポジションからピックアップすべき半導体チップをピックアップし、この半導体チップを第２のポジションに搬送して第２のポジションのウエハの個々のシリコンインターポーザ上にボンディングしてチップ積層体を製造することができる。その後、チップ積層体を第１のポジションに搬送して基板にボンディングする。これにより、チップ積層体を、シリコン基板を構成要素とするシリコンインターポーザに半導体チップを積層した積層体によって構成することができる。ここで、シリコンインターポーザとは、シリコン基板上に配線のみを形成したもの、あるいはそれに容量素子または抵抗素子等の受動素子を組み込んだものをいう。すなわち、第１のポジションが、半導体チップが供給される材料供給状態と、形成されたチップ積層体がボンディングされるチップ積層体ボンディング状態との切り換えが可能とされる。これにより、第１のポジションにおいて、半導体チップが供給される材料供給状態とするピックアップポジション、及び形成されたチップ積層体がボンディングされるチップ積層体ボンディング状態とするボンディングポジションとを共通化することができる。

第２のポジションに突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えることができる。第１のポジションがピックアップポジションとなった場合、第２のポジションはボンディングポジションとなって、第２のポジションの下方には加熱手段が配設される。一方、第１のポジションがボンディングポジションとなった場合、第２のポジションはピックアップポジションとなって、第２のポジションの下方には突き上げ機構が配設される。この場合、吸着コレットの制御に連動して切換手段を制御することができる。

前記の場合、半導体チップをフリップチップとすることができる。

本発明では、既存のボンディング装置を大幅に設計変更することなく、１つの装置でウエハの個々のシリコンインターポーザ上に半導体チップを積層することができ、半導体チップと基板（シリコンインターポーザ）とを同一材料とすることができるため、精度良く、確実にボンディングすることができる。

第２のポジションに突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えると、第２のポジションがピックアップポジションとなった場合でもボンディングポジションとなった場合でも、確実に機能することができる。吸着コレットの制御に連動して切換手段が制御されると、各ポジションの変更があっても自動で第２のポジションが機能するように切り換えられる。

半導体チップをフリップチップとすることもでき、汎用性に優れている。

以下本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。

図１にチップ積層体の製造装置の簡略図を示し、このチップ積層体の製造装置は、第１のポジション１で吸着コレット４にて半導体チップ３（以下、単に「チップ３」ということがある。）をピックアップし、このチップ３を第２のポジション２に搬送して、第２のポジション２でチップ３をウエハの個々のシリコンインターポーザ７にボンディングしてチップ積層体を形成し、この第２のポジション２で吸着コレット４にてチップ積層体をピックアップし、チップ積層体を第３のポジション９（本実施形態では、後述するように第１のポジション）に搬送するものである。

このようなチップ積層体の製造装置は、図１に示すように、第１のポジション１と、第２のポジション２と、供給される半導体チップ３を吸着する吸着コレット４を有するアーム５と、第１のポジションを観察する認識用カメラ（図示省略）と、第２のポジションを観察する認識用カメラ（図示省略）とを備える。

半導体チップ３は半導体ウエハが多数に分割されてなるものであり、第１ポジション１にて搬送される。また、個々のシリコンインターポーザ７に分割された半導体ウエハが第２ポジションのウエハ支持台８に載置支持されている。また、このウエハ支持台８は、図示省略の制御手段の制御によって、このウエハ支持台８を支持しているＸＹステージがＸＹ方向に駆動する。ウエハ支持台８の直下には、図示省略の突き上げ機構（突き上げピン）を上下動自在に収納配置している。ここで、シリコンインターポーザとは、シリコン基板上に配線のみを形成したもの、あるいはそれに容量素子または抵抗素子等の受動素子を組み込んだものをいう。

第２のポジション２には、突き上げ機構と、加熱手段としてのヒータ１１（図２参照）が自動で配設される図示省略の切換手段が接続されている。この切換手段は、例えばマイクロコンピュータにて構成されており、この切換手段の制御にて第２のポジション２に突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切り換えられる。

吸着コレット４はコレットホルダ６に保持され、この吸着コレット４とコレットホルダ６がアーム５に連結されている。アーム５は搬送手段１０に支持され、この搬送手段１０にてＸＹＺθ方向に移動することができ、第１のポジション１と第２のポジション２との間の往復動が可能である。このため、搬送手段１０には、ＸＹＺθ軸ステージや、ＸＹＺθ方向に移動可能なロボットアーム等を使用することができる。

吸着コレット４は、その下端面に開口する吸着用の吸着孔が形成され、この吸着孔に図外の真空発生器が接続されている。この真空発生器の駆動にて吸着孔のエアが吸引され、チップ３が真空吸引され、吸着コレット４の下端面にチップ３が吸着する。なお、この真空吸引（真空引き）が解除されれば、吸着コレット４からチップ３が外れる。真空発生器としては、例えば、高圧空気を開閉制御してノズルよりディフューザに放出して拡散室に負圧を発生させるエジェクタ方式のものを採用できる。

この装置は、搬送系である第１のポジション１が、チップ３が供給される材料供給状態と、形成されたチップ積層体がボンディングされるチップ積層体ボンディング状態との切り換えが可能とされる。第１のポジション１をチップ積層体ボンディングポジションとした場合は、搬送系である第１のポジション１に基板を配置する。そしてチップ積層体をピックアップポジションである第２のポジション２でピックアップする。ピックアップの際、第２のポジション２では、突き上げピンを上昇させて、チップ積層体の裏面を粘着シートから剥離させて吸着コレット４によるピックアップを容易にする。その後、チップ積層体を、ボンディングポジションである第１のポジション１の基板に搬送してボンディングする。このように、第１のポジション１は、チップ積層体のボンディングポジションとして機能し、第２のポジション２は、チップ積層体のピックアップポジションとして機能する。尚、図２では、ウエハ支持台８の図示を省略している。また、個々のシリコンインターポーザ７に分割されたウエハは粘着シートに貼着されているが、この粘着シートの図示も省略している。

一方、第１のポジション１を材料供給状態にしてチップ３のピックアップポジションとした場合は、第２のポジション２は、第２のポジション２のウエハの個々のシリコンインターポーザ７上に、チップ３をボンディングしてチップ積層体を形成するボンディングポジションとし、第３のポジション９は、形成されたチップ積層体が基板にボンディングされるチップ積層体ボンディングポジションとする。そして、本実施形態では、第３のポジション９を第１のポジション１としている。すなわち、搬送系である第１のポジション１に半導体チップ３を配置し、第２のポジション２に個々のシリコンインターポーザ７に分割されたウエハを配置する。そして半導体チップ３をピックアップポジションである第１のポジション１でピックアップし、ボンディングポジションである第２のポジション２のウエハの個々のシリコンインターポーザ７に搬送してボンディングする。このように、第１のポジションは、半導体チップ３のピックアップポジションとして機能し、第２のポジション２は、半導体チップ３をウエハの個々のシリコンインターポーザ７にボンディングするボンディングポジションとして機能する。そして、ウエハの個々のシリコンインターポーザ７に半導体チップ３をボンディングしてチップ積層体を形成した後、第２のポジション２にあるチップ積層体をチップ積層体ボンディング状態に切り換えた第１のポジション１（第３のポジション）に搬送して基板にボンディングする。

次に、図１に示したチップ積層体の製造装置を使用したチップ積層体の製造方法を説明する。まず、第１のポジション１を材料供給状態にして、チップ３をピックアップするピックアップポジションとして機能させるとともに、第２のポジション２を、チップ３がボンディングされるボンディングポジションとして機能させる。すなわち、搬送系である第１のポジション１にチップ３を搬送する。そして、ピックアップ位置である第１のポジション１の上方に配置される認識用カメラにてピックアップすべきチップ３を観察して、吸着コレット４をこのピックアップすべきチップ３の上方に位置させてこのチップ３をピックアップする。

その後、ボンディングポジションである第２のポジション２の上方に配置された認識用カメラにて、ボンディングすべきウエハの所定のシリコンインターポーザ７を観察して、このシリコンインターポーザ７上に吸着コレット４を移動させる。

この場合、第２のポジション２の下方には、図２に示すように、突き上げ機構に換えて加熱手段としてのヒータ１１が、切換手段にて自動で配設され、ウエハを載置した状態で加熱する。このヒータ１１でウエハのシリコンインターポーザ７を加熱することにより、シリコンインターポーザ７はボンディングされるチップ３と接合する。

このようにして、ピックアップポジションである第１のポジション１からチップ３をピックアップし、ボンディングポジションである第２のポジション２のウエハの個々のシリコンインターポーザ７にボンディングを行って、積層体からなるチップ積層体を形成する。

次に、第２のポジション２を、チップ積層体をピックアップするピックアップポジションとして機能させるとともに、第３のポジション９を、チップ積層体がボンディングされるチップ積層体ボンディング状態とするボンディングポジションとして機能させる。上述のように、本実施形態では、第１のポジション１を第３のポジション９としている。つまり、第２のポジション２の上方に配置される認識用カメラにてピックアップすべきチップ積層体を観察して、吸着コレット４をこのピックアップすべきチップ積層体の上方に位置させ、チップ積層体をピックアップする。そして、チップ積層体ボンディング状態に切り換えた第１のポジション１の上に吸着コレット４を移動させて、第１のポジション１の基板にチップ積層体を搬送してボンディングする。

本発明では、既存のボンディング装置を大幅に設計変更することなく、１つの装置でウエハの個々のシリコンインターポーザ７上にチップ３を積層することができ、チップ３とインターポーザとを同一材料とすることができるため、精度良く、確実にボンディングすることができる。

第１のポジション１において、半導体チップ３のピックアップポジションとチップ積層体のボンディングポジションとを共通化して切換自在とすると、第３のポジション９を別途設ける必要がなくなって、装置のコンパクト化を図ることができる。

第２のポジション２に突き上げ機構と加熱手段１１とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えると、第２のポジション２がピックアップポジションとなった場合でもボンディングポジションとなった場合でも、確実に機能することができる。吸着コレット４の制御に連動して切換手段が制御されると、各ポジションの変更があっても自動で第２のポジション２が機能するように切り換えられる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。この場合、チップ３をフリップチップとしている。このチップ積層体においては、図３に示すように、半導体チップ３の裏面に設けられたバンプ電極１２を介して、シリコンインターポーザ７にフリップチップ実装されている。

このチップ積層体の製造方法は、チップ３の裏面が下側となるように（つまり、バンプ電極１２が下側となるように）、搬送系である第１のポジション１にチップ３を搬送する。そして、前記第１実施形態と同様の方法にてウエハの個々のシリコンインターポーザ７にチップ３をボンディングする。

第２実施形態においても、前記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。特に、チップをフリップチップとすることができるため、汎用性に優れている。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、チップ３の大きさ、厚さ等は種々設定することができる。チップ３を積層する場合、その数は任意に設定することができる。

本発明の実施形態を示すチップ積層体の製造装置の簡略図である。 本発明の実施形態を示すチップ積層体の製造装置の吸着コレットの動きを示す図である。 本発明の第３実施形態を示すチップ積層体の製造装置を使用して製造したチップ積層体の断面図である。 従来のチップ積層体の製造装置を使用してボンディング作業を行う場合の吸着コレットの動きを示す図である。

１ 第１のポジション
２ 第２のポジション
３ 半導体チップ
４ 吸着コレット
７ シリコンインターポーザ７

Claims (4)

1. 搬送系である第１のポジションと、個々のシリコンインターポーザに分割されたウエハのある第２のポジションと、前記第１のポジションと前記第２のポジションとの間の往復動が可能な吸着コレットを備え、前記シリコンインターポーザに半導体チップを積層してなるチップ積層体を製造する製造装置であって、
   前記第１のポジションが、前記半導体チップが供給される材料供給状態と、前記チップ積層体がボンディングされるチップ積層体ボンディング状態とに切り換え可能であり、前記材料供給状態とした前記第１のポジションに位置する前記半導体チップを前記吸着コレットにてピックアップし、該半導体チップを前記吸着コレットにて前記第２のポジションに搬送して、該第２のポジションの前記シリコンインターポーザ上に前記半導体チップをボンディングして、前記チップ積層体を形成し、該第２のポジションで前記吸着コレットにて前記チップ積層体をピックアップし、該チップ積層体を前記チップ積層体ボンディング状態とした前記第１のポジジョンへ搬送して基板にボンディングすることを特徴とするチップ積層体の製造装置。
2. 前記第２のポジションに突き上げ機構と加熱手段とのいずれかが配置されるように切換自在にできる切換手段を備えたことを特徴とする請求項１のチップ積層体の製造装置。
3. 前記吸着コレットの制御に連動して前記切換手段の制御を可能としたことを特徴とする請求項２のチップ積層体の製造装置。
4. 前記半導体チップは、フリップチップであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項のチップ積層体の製造装置。

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