JP5207215B2 - 加熱加圧システム - Google Patents

Description

本発明は、本発明は半導体ウエハの積層工程における加熱加圧システムに関するもので、特に半導体ウエハと半導体ウエハとを加熱加圧してバンプを接合する熱加圧システムに関するものである。

近年、携帯電話やＩＣカード等の電子機器の高機能化に伴い、その内部に実装される半導体デバイス（ＬＳＩ、ＩＣなど）の薄型化又は小型化が進んでいる。また、線幅を狭くすることなく記憶容量を増すために半導体ウエハを数層重ね合わせた三次元実装タイプの半導体デバイス、例えばＳＤカード又はＭＥＭＳなどが増えつつある。

これら半導体デバイスの製造工程の中において、特許文献１は生産性を上げるため、１つ１つのチップではなく半導体ウエハ同士を重ね合わせて接合する加熱加圧システムが提案されている。特許文献１に示すような加熱加圧システムにおいては、１枚のウエハを載置した１枚のウエハホルダを一対用意してそれぞれを向かい合わせに加熱加圧することで三次元実装タイプの半導体デバイスを製造している。

加熱加圧システムによるウエハ同士の接合において最も重要なことは、向かい合わさった半導体ウエハ同士の接合面温度と圧力状態とを制御することである。つまり、適切な接合が行われるためには、この半導体ウエハの接合面が「適切な温度」及び「適切な圧力」で「適切な時間」保持されることが不可欠である。このため、特許文献１では、径の大きなウエハであってもウエハの接合面が均一な温度分布になるように、ヒーターの向きを変えて積層した加熱部を開示している。
特開２００７−１０３２２５号公報

しかしながら、半導体ウエハの接合面が均一な温度分布となったとしても実際の接合面の温度が目標値に達していなかったり、目標値を超えてしまっていたりすることがある。具体的には、半導体ウエハ同士の加圧力によっても「接触熱抵抗を含む界面」が影響を受けるため、ヒーターの温度管理をしていても接合面の温度が実際にどれくらいの温度に達しているかはわからない。

また、製品となる半導体ウエハの接合面に温度センサーを取り付けることはできないから、温度センサーを取り付けるにしても半導体ウエハ同士の接合面から離れたヒーター周辺に設置しなければならないことが多い。従って、温度センサーとウエハ同士の接合面との間には複数の「接触熱抵抗を含む界面」が介在することになるため、温度センサーで計測した温度とウエハ同士の接合面の温度とには大きくズレが生じることが多い。
なお、接触熱抵抗（＝１／接触熱伝達率）とは物体同士の接触面が完全に密着しないことにより生じる熱抵抗のことであり、接触熱抵抗は加圧力や物体同士の表面粗さなどによって変化する。「接触熱抵抗を含む界面」とは、接触熱抵抗が発生している物体と物体との界面を意味する。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、接触熱抵抗を考慮してヒーター制御を行うことにより、半導体ウエハ同士の接合面の温度を制御するようにして、より最適に半導体ウエハ同士の接合を行うことができる加熱加圧システムを提供することを目的としている。

本観点に係る加熱加圧システムは、少なくとも２つの物体を加熱及び加圧して接合する加熱加圧システムであって、２つの物体の一方を加熱する第一のヒーター部と、他方を加熱する第二のヒーター部と、物体の加熱加圧の条件を入力する入力部と、入力された条件に基づいて、二つの物体の接合面の温度が目標温度になるように第一のヒーター部及び第二のヒーター部をそれぞれ制御する温度制御部と、を備える。
このような構成によれば、２つの物体が接合する面の温度が目標温度になるように制御することができるため、物質同士の接合不良が極めて少なくすることができる。

本発明の加熱加圧システムは、半導体ウエハの接合面が目的温度になるように、さらに目的温度で所定時間できるように半導体ウエハを温度制御できるためという利点がある。

＜ウエハ張り合わせ装置の全体構成＞
図１はウエハ張り合わせ装置１００の全体斜視図であり、図２はウエハ張り合わせ装置１００の上面概略図である。
ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハローダーＷＬ及びウエハホルダローダーＷＨＬを有している。ウエハローダーＷＬ及びウエハホルダローダーＷＨＬは、多関節ロボットであり六自由度方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ，θＹ，θＺ）に移動可能である。さらにウエハローダーＷＬはレールＲＡに沿ってＹ方向に長い距離移動可能であり、ウエハホルダローダーＷＨＬはレールＲＡに沿ってＸ方向に長い距離移動可能である。

ウエハ張り合わせ装置１００は、その周辺に半導体ウエハＷを複数枚収納するウエハストッカー１０を有している。ウエハ張り合わせ装置１００は、第１の半導体ウエハＷと第２の半導体ウエハＷとを張り合わせるため、第１の半導体ウエハＷを収納するウエハストッカー１０−１と第２の半導体ウエハＷを収納するウエハストッカー１０−２とが用意されている。また、ウエハストッカー１０の近郊に半導体ウエハＷをプリアライメントするウエハプリアライメント装置２０が設けられている。ウエハローダーＷＬによりウエハストッカー１０から取り出された半導体ウエハＷがウエハプリアライメント装置２０に送られる。

ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハホルダＷＨを複数枚収納するウエハホルダストッカー３０を有している。ウエハホルダＷＨは第１の半導体ウエハＷに対しても第２の半導体ウエハＷに対しても共用して使用することができるため、ウエハホルダストッカー３０は一箇所である。また、ウエハホルダストッカー３０の近郊にウエハホルダＷＨをプリアライメントするウエハホダルプリアライメント装置４０が設けられている。ウエハホルダローダーＷＨＬによりウエハホルダストッカー３０から取り出されたウエハホルダＷＨがウエハホルダプリアライメント装置４０に送られる。ウエハホルダプリアライメント装置４０では、プリアライメントされたウエハホルダＷＨに対して、プリアライメントされた半導体ウエハＷがウエハローダーＷＬにより載置される。

ウエハ張り合わせ装置１００は、一対の半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨをアライメントし、２枚の半導体ウエハＷを半導体装置の線幅精度で重ね合わせるアライナー５０を有している。アライナー５０にはウエハホルダプリアライメント装置４０から半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨがウエハホルダローダーＷＨＬにより送られてくる。また、重ね合わされた半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨはウエハホルダローダーＷＨＬにより加熱加圧装置７０に送られる。

ウエハ張り合わせ装置１００の加熱加圧装置７０は、ウエハホルダＷＨを介してアライナー５０で重ね合わされた半導体ウエハＷ同士を加熱し加圧し接合する。加熱加圧装置７０は、ヒーターにより半導体ウエハＷで所定温度まで加熱し、且つ加圧アクチュエータにより所定の圧力を所定の時間加えることで、半導体ウエハＷ上の電極であるＣｕなどの金属バンプ同士を接合する。この時半導体ウエハＷ間に樹脂を封入して加熱することもある。また、加熱加圧装置７０内は真空状態又は窒素雰囲気に保持されている。加熱加圧装置７０については図３を使って詳述する。

ウエハ張り合わせ装置１００は加熱加圧装置７０の隣に分離ユニット８０を有している。分離ユニット８０は、張り合わされた半導体ウエハＷをウエハホルダＷＨから外す。冷却された半導体ウエハＷはウエハローダーＷＬにより分離冷却ユニット８０から取り出され、張り合わせウエハ用ストッカー８５に送られる。冷却されたウエハホルダＷＨはウエハホルダローダーＷＨＬにより分離冷却ユニット８０から取り出され、再びウエハホルダストッカー３０に戻される。張り合わされた半導体ウエハＷはその後ダイシングされ個々の半導体装置に切り取られる。

ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハ張り合わせ装置１００全体の制御を行う主制御装置９０が設けられている。主制御装置９０は、ウエハローダーＷＬ、ウエハホルダローダーＷＨＬ、ウエハプリアライメント装置２０、及びウエハホルダプリアライメント装置４０などの各装置を制御する制御装置と信号の受け渡しを行い全体の制御を行う。

＜加熱加圧装置７０の構成＞
図３は加熱加圧装置７０を示した側面の概念図である。

加熱加圧装置７０はアライナー５０で位置合わして重ね合わされた第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２を加熱加圧する。第１半導体ウエハＷ１は第１ウエハホルダＷＨ１にて−Ｚ方向に保持されている。第１ウエハホルダＷＨ１は第１トッププレートＴＰ１に支えられている。第１トッププレートＴＰ１はヒーターＨＴ及び冷却管ＣＬを備えた高熱伝導の高い材料で構成された第１温度調整プレートＡＴ１に支えられている。さらに第１温度調整プレートＡＴ１は第１ベースプレートＢＰ１に支えられて、この第１ベースプレートＢＰ１は加熱加圧装置７０のフレーム７１に備え付けられている。

一方、第２半導体ウエハＷ２は第２ウエハホルダＷＨ２にてＺ方向に保持されている。第２ウエハホルダＷＨ２は第２トッププレートＴＰ２により着脱可能に支えられ、この第２トッププレートＴＰ２はヒーターＨＴ及び冷却管ＣＬを備えた高熱伝導の高い材料で構成された第２温度調整プレートＡＴ２に支えられている。さらに第２温度調整プレートＡＴ２は第２ベースプレートＢＰ２に備え付けられている。第２ベースプレートＢＰ２は、内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５とで支えられている。

第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２はそれぞれ第１温度調整プレートＡＴ１及び第２温度調整プレートＡＴ内のヒーターで加熱されるようになっている。また第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２は内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５により半導体ウエハＷに均等に圧力がかかるように加圧される。

図４（ａ）は第２半導体ウエハＷ２から第２ベースプレートＢＰ２の構成を示した概念図である。なお第１半導体ウエハＷ１から第１ベースプレートＢＰ１の構成も、第２半導体ウエハＷ２から第２ベースプレートＢＰ２の構成と同じであるので説明を割愛する。

本実施形態の第２ウエハホルダＷＨ２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料から構成される。特に窒化アルミニウムは熱伝導率が高いので半導体ウエハＷの加熱又は冷却には適している。

第２トッププレートＴＰ２は、耐摩耗用又は耐衝撃用に優れている合金から構成されている。また、ヒーターＨＴの近傍には温度センサーＴＳが配置されている。温度センサーＴＳの温度出力によってヒーターＨＴのフィードバック制御を行うことができる。なお、温度センサーＴＳは、第２温度調整プレートＡＴ２に設けても良い。

第２温度調整プレートＡＴ２は、ヒーターＨＴから又は第２冷却管ＣＬ２への熱伝達を向上させるために高熱伝達率の材料、例えば銅又はアルミニウム合金から構成される。
第２ベースプレートＢＰ２は、耐摩耗用又は耐衝撃用に優れている合金から構成されている。

第２温度調整プレートＡＴ２には、複数のヒーターＨＴが均等に配置されており、また、複数の第２冷却管ＣＬ２が配置されている。不図示のバルブを開閉することにより第２冷却管ＣＬ２には例えば２０°Ｃの純水などの冷媒が流れたり止まったりする。第２冷却管ＣＬ２は半導体ウエハＷを加熱加圧して接合した後、接合した半導体ウエハＷを冷却するために使われる。

ベースプレートＢＰ２には、複数の第１冷却管ＣＬ１が配置されている。第１冷却管ＣＬ１にも例えば２０°Ｃの純水などの冷媒が流れている。第１冷却管ＣＬ１はヒーターＨＴによる半導体ウエハＷの加熱中にその熱が内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５に伝達しないようにしている。

さて、第２半導体ウエハＷ２から第２ベースプレートＢＰ２の構成においては、図４（ｂ）から（ｅ）に示すような「接触熱抵抗を含む界面」が存在する。
図４（ｂ）は第２半導体ウエハＷ２と第２ウエハホルダＷＨ２との界面であり、この界面における接触熱伝達率（＝１／接触熱抵抗）をＫ（ｗ、ｗｈ）とする。（ｃ）は第２ウエハホルダＷＨ２と第２トッププレートＴＰ２との界面であり、この界面における接触熱伝達率をＫ（ｗｈ、ｔｐ）とする。（ｄ）は第２トッププレートＴＰ２と第２温度調整プレートＡＴ２との界面であり、この界面における接触熱伝達率をＫ（ｔｐ、ａｔ）とする。（ｅ）は第２温度調整プレートＡＴ２とヒーターＨＴとの界面であり、この界面における接触熱伝達率をＫ（ａｔ、ｈｔ）とする。

本実施形態に示した簡単な構造であっても、ヒーターＨＴから半導体ウエハＷに至るまでには複数の「接触熱抵抗を含む界面」が存在する。従って、温度センサーＴＳの温度出力と半導体ウエハＷの接合面の温度とには温度差があり、また半導体ウエハＷが所定の温度に至るまでの時間にも時間差が生じてしまう。

＜熱流体解析システム＞
図５は、主制御装置９０のうちの熱流体解析システムを示したブロック図である。熱流体解析システムは、バスＢで相互に接続されている表示部９１と、キーボード及びマウス等で構成された入力部９２と、接触熱抵抗算出部９３と、接触熱抵抗モデルテーブル９４と、温度予測部９５と、温度制御部９６と、記憶部９９とを有している。

熱流体解析システムは、記憶部９９に予めインストールされた熱流体解析プログラムを格納するとともに、熱流体解析プログラムの処理に必要な各種のデータを格納する。
接触熱抵抗算出部９３は、接触熱抵抗モデルごとにその接触面における接触熱抵抗又は熱伝導率Ｋを算出し、その算出結果を接触熱抵抗モデルテーブル９４に記録する。

温度予測部９５は、接触熱抵抗モデルテーブル９４に記憶された接触熱抵抗又は熱伝達率、及びヒーター温度などに基づいて、半導体ウエハＷの接合面の温度を予測する。接触熱抵抗が変化し、またヒーターＨＴの温度も変化することがあるため、半導体ウエハＷの接合面の温度は定常的な場合だけでなく過渡的熱特性の変化もある。定常的又は過渡的熱特性の変化も考慮して、温度予測部９５は、半導体ウエハＷの接合面の温度を予測する。

また、温度予測部９５は、ヒーターＨＴの加熱能力、第２冷却管ＣＬ２の冷却能力などから半導体ウエハＷを接合するサイクル時間を計算する。また、温度予測部９５は、トッププレートＴＰに配置された温度センサーＴＳの温度変化と温度予測部９５が予測したトッププレートＴＰの温度変化とが異なる場合には、温度予測部９５内の計算モジュールのパラメータなどを補正する学習機能を備えることが好ましい。より正確な半導体ウエハＷの接合面の温度を予測することができる。

温度制御部９６は、入力部９２で入力された接合面の目標温度Ｈ１及び加圧力などに基づいて、ヒーターＨＴの供給電流、第２冷却管ＣＬ２などのバルブ開閉を行う。
なお、表示部９１に表示された熱流体解析プログラムによるＧＵＩ（Graphic User Interface）に従って、操作者は接合面の目標温度、使用するウエハホルダＷＨの種類などを入力部９２により入力する。

ところで、接触熱抵抗算出部９３による接触熱抵抗の算出は、接触面における接触部材の材料、接触圧力、仕上げ面（表面粗さ）等の接触条件に基づいて算出される。その算出方法は所定のものに限定されない。周知の方程式に基づいて算出してもよいし、試験用半導体ウエハの実験で得られた結果をルックアップテーブルとして記憶部９９に蓄積し、そのルックアップテーブルに基づいて算出してもよい。本実施の形態では、接触熱抵抗の推定式として「橘の式」を用いた例を説明する。

＜接触熱抵抗の算出＞
図６は、「橘の式」を用いて接触熱抵抗を算出する例である。
図６（ａ）は「橘の式」を示す。この「橘の式」において、各パラメータの意味は以下の通りである。
Ｋ：接触熱伝達率（Ｗ／ｍ^２℃）
δ１：接触面を構成する一方の部材の表面粗さ（μｍ）
δ２：接触面を構成する他方の部材の表面粗さ（μｍ）
δ０：接触相当長さ（＝２３μｍ）
λ１：接触面を構成する一方の部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）
λ２：接触面を構成する他方の部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）
Ｐ：接触圧力（ＭＰａ）
Ｈ：接触面を構成する部材のうち軟らかい方の硬度（ＨＢ）
λｆ：介在流体熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）。接触面の隙間にできる空気の熱伝導率を想定している。真空中であれば流体熱伝導率は０として考える。

なお、上記の算出方法において、トップテーブルＴＰ、温度調整プレートＡＴなど予め測定して表面粗さδ１及びδ２、熱伝導率λ１及びλ２などを記憶部９９に記憶しておいてもよい。また、介在流体熱伝導率λｆは真空と窒素雰囲気とを選択できるようにしておく。

さらに、表示部９１に表示された熱流体解析プログラムによるＧＵＩに基づいて操作者がδ１、δ２、λ１、λ２、Ｐ、Ｈ、及びλｆの値を入力部９２で入力してもよい。例えば、接触圧力Ｐは接合するバンプの材料等により最適加圧力は異なるため操作者が適宜入力する必要がある。また接触圧力Ｐもどのようなタイミングで加圧するかも入力することができる。半導体ウエハＷの表面粗さδ１は、接合する半導体ウエハＷの種類毎に異なる可能性あり、これも操作者が適宜入力できるようにしておくことが好ましい。また操作者の都合によりウエハホルダＷＨを、操作者が独自に製作又は使用する可能性もある。

図６（ｂ）は、図４（ｂ）で示した半導体ウエハＷとウエハホルダＷＨとの接触熱伝達率Ｋ（ｗ、ｗｈ）を接触熱抵抗算出部９３が算出した例である。本実施形態では４５０℃で半導体ウエハＷ同士の接合を行う。図６（ｂ）の表に示す値を使って接触熱伝達率Ｋ（ｗ、ｗｈ）を算出すると７３．２Ｗ／ｍ２℃となった。約１０回の実験を行った結果は６０Ｗ／ｍ２℃から９４Ｗ／ｍ２℃であったため、「橘の式」の算出結果ときわめて実験結果となった。

なお、図４（ｃ）に示した半導体ウエハＷとトッププレートＴＰとの接触熱伝達率Ｋ（ｗｈ、ｔｐ）、（ｄ）に示したトッププレートＴＰと温度調整プレートＡＴの接触熱伝達率Ｋ（ｔｐ、ａｔ）、及び（ｅ）に示した温度調整プレートＡＴとヒーターＨＴとの接触熱伝達率Ｋ（ａｔ、ｈｔ）も、同様に接触熱抵抗算出部９３で算出される。

＜加圧力と半導体ウエハＷの温度との関係＞
接触熱抵抗は加圧力の影響を受けるため、半導体ウエハＷ同士の加圧力によって半導体ウエハの温度が変わってしまうことを説明する。

図７Ａ（ａ）は、加熱加圧装置７０の内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５とによる加圧力を示すグラフであり、（ｂ）は加熱加圧装置７０のヒーターＨＴの温度（実線）との半導体ウエハＷの温度（点線）とを示す。

図７Ａ（ａ）の加圧プロファイルＡでは、ヒーターＨＴの加熱と同時に内側加圧アクチュエータ７３及び外側加圧アクチュエータ７５が半導体ウエハＷの接合面に加圧力Ｐ０になるように加圧している。そして、内側加圧アクチュエータ７３及び外側加圧アクチュエータ７５は時刻ｔ４で加圧力Ｐ０から加圧力ゼロになるように減圧している。なお、保持時間ＴＴ（時刻ｔ１から時刻ｔ３）所定の温度で所定の圧力を維持することで、半導体ウエハＷの金属バンプ同士を接合する。

加圧プロファイルＡの場合には、図７Ａ（ｂ）に示すような温度グラフとなった。ヒーター温度はヒーター近傍の温度センサーから得られたものであり、半導体ウエハＷの温度は試験用ウエハを用いて実験により実測したものである。両グラフの間にギャップが生じるのは、前述の通りヒーターＨＴから半導体ウエハＷ間には多くの接触熱抵抗が存在したり、また各部での放熱ロスがあったりするためである。しかしながら、トライアンドエラーで試行的に調整すれば、この半導体ウエハＷは目標温度Ｈ１にまで到達し、加圧力Ｐの下で保持時間ＴＴ保持することができるため、接合の機能的要求を満足させることができる。温度制御部９６は時刻ｔ３にヒーターＨＴへの電源供給を止め、第２冷却管ＣＬ２の冷媒のバルブを開放して半導体ウエハＷを冷却する。冷却時間ＴＣは時刻ｔ３から時刻ｔ５までである。

図７Ｂ（ｃ）は、接触熱抵抗を考慮しないで、加圧力を図７Ａ（ａ）の加圧プロファイルＡから加圧プロファイルＢに示すように小さくした場合の半導体ウエハＷの温度を示す。操作者は、加圧力のみを変更し他の温度や保持時間ＴＴは変更前の状態を維持したかったにもかかわらず、圧力低下に伴い接触熱伝達率が小さくなるので、実際の半導体ウエハＷの温度は一点鎖線で示すようなグラフとなる。

つまり、到達温度が温度Ｈ１からＨ２へ低下して接合臨界温度に到達しない場合がある。また、保持時間ＴＴも時刻ｔ１から時刻ｔ３であった期間が時刻ｔ１から時刻ｔ２へ短縮してしまい拡散時間が不足してしまう。またヒーターＨＴへの電源供給を止め、第２冷却管ＣＬ２の冷媒のバルブを開放して半導体ウエハＷを冷却する冷却時間ＴＣも時刻ｔ３から時刻ｔ６となり長くなってしまう。つまり十分な冷却を行うために時間ＬＴＣが不足してしまう。冷却時間ＴＣが不足したままウエハを取り出すと外気温との差で熱衝撃破壊が生じたりする。

試験用ウエハであればウエハ接合面の温度を観察することができるが、製品となる半導体ウエハＷでは目標温度Ｈ１と実際のウエハ温度の間にここまで大きな乖離が生じていることにすら気づかないことが多い。その結果、接合不良ウエハを生みだしてしまうことになる。

図７Ｂ（ｄ）は、接触熱抵抗を考慮して、加圧力を図７Ａ（ａ）の加圧プロファイルＡから加圧プロファイルＢに示すように小さくした場合の半導体ウエハＷの温度を示す。
接触熱抵抗算出部９３は加圧プロファイルＢになったことによる、半導体ウエハＷからヒーターＨＴまでの接触熱抵抗を算出する。算出結果は接触熱抵抗モデルテーブル９４に記録される。

温度予測部９５は、ヒーターＨＴの温度及び記録された接触熱抵抗などに基づいて半導体ウエハＷの接合面の温度を算出する。接合面の目標温度Ｈ１に達しないようであれば温度制御部９６はヒーターＨＴへの供給電力を増大する。また、保持時間ＴＴが確保するため、温度制御部９６は時刻ｔ１までに目標温度Ｈ１に達するようにヒーターＨＴへの供給電力を調整する。

このようにして補正されたヒーターＨＴの温度のグラフは、図７Ｂ（ｄ）の二点鎖線のようになる。半導体ウエハＷが目標温度Ｈ１になるように、温度制御部９６はヒーターＨＴが温度Ｈ３になるように制御するとともに、時刻ｔ１までに目標温度Ｈ１に達するようヒーターＨＴの立ち上がり時刻ｔ０でヒーター温度Ｈ３になるようにしている。また温度制御部９６は冷却時間ＴＣも確保できるように第２冷却管ＣＬ２のバルブを全開にしたりして冷却時刻が時刻ｔ６から時刻ｔ５へと改善される解を求める。

以上は図７Ａ（ａ）に示した加圧力の大きな加圧プロファイルＡと加圧力の小さな加圧プロファイルＢとについて説明した。しかし、操作者は表示部９１に表示されたＧＵＩに従って、入力部９２で各種の加圧プロファイルを選択することができる。

図７Ｃは、加熱加圧装置７０の内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５とによる加圧力を示すグラフである。
図７Ｃ（ｅ）の加圧プロファイルＣでは、ヒーターＨＴの加熱が始まってからしばらくして内側加圧アクチュエータ７３及び外側加圧アクチュエータ７５が半導体ウエハＷの接合面に加圧力Ｐ０になるように加圧している。そして、内側加圧アクチュエータ７３及び外側加圧アクチュエータ７５は時刻ｔ４で加圧力Ｐ０から加圧力ゼロになるように減圧している。

図７Ｃ（ｅ）の加圧プロファイルＤでは、ヒーターＨＴの加熱が始まると同時に加圧していくがちょうど目標温度Ｈ１になった時点で加圧力Ｐ０になるように徐々に加圧していく。そして、内側加圧アクチュエータ７３及び外側加圧アクチュエータ７５は時刻ｔ４から時刻ｔ６にかけて徐々に加圧力Ｐ０から加圧力ゼロにしている。

図７Ｃ（ｆ）の加圧プロファイルＥでは、ヒーターＨＴの加熱が始まると同時に加圧していくがちょうど目標温度Ｈ１になった時点で加圧力Ｐ０になるように徐々に加圧していく。そして、内側加圧アクチュエータ７３及び外側加圧アクチュエータ７５は時刻ｔ４で加圧力Ｐ０から加圧力ゼロにしている。

図７Ｃ（ｆ）の加圧プロファイルＦでは、ヒーターＨＴの加熱が始まると同時に加圧力Ｐ１まで加圧しそのまま加圧力Ｐ１で所定時間保持している。そして目標温度Ｈ１になると同時に再び加圧して加圧力Ｐ０にしている。また、減圧に際しても時刻ｔ４で加圧力Ｐ０から加圧力Ｐ１にししばらくか圧力Ｐ１を保持し時刻ｔ６で加圧力をゼロにしている。

操作者は、入力部９２から上記加圧プロファイルＡないし加圧プロファイルＦまでの一つを選択できる。これらは一例であり、別の加圧プロファイルを作成しても良い。このように各種の加圧プロファイルを選択した場合であっても、接触熱抵抗算出部９３が接触熱抵抗を算出する。そして、加圧圧力が徐々に変化したりヒーターＨＴの温度が徐々に変化したりする過渡的熱特性を考慮して、温度制御部９６は目標温度Ｈ１に達するようにヒーターＨＴなどを制御する。

以上、加圧Ｐの変更に伴う補正について述べてきたが、他にも接触熱抵抗を変化させる「面粗さ」、「硬度」、「熱伝導率」、「介在流体」等の要因が変更される場合であっても全く同様に接触熱抵抗算出部９３が接触熱抵抗を算出して、適正な半導体ウエハＷの接合ができる。

＜半導体ウエハの接合のフローチャート＞
図８は、半導体ウエハＷの接合のフローチャートである。
ステップＰ３１において、操作者は表示部９１に表示されたＧＵＩに従って、半導体ウエハ枚数、目標温度Ｈ１、加圧力Ｐ、加圧プロファイル、半導体ウエハＷの面粗さ、保持時間ＴＴ、冷却時間ＴＣなどの条件を入力する。これらすべての条件を入力する必要はなく、例えば操作者は導体ウエハ枚数、目標温度Ｈ１及び加圧力Ｐ以外はデフォルトで設定されている条件を入力するようにしても良い。

ステップＰ３２において、接触熱抵抗算出部９３は、入力された条件に基づいて接触熱抵抗の界面ごとにその接触面における接触熱抵抗又は接触熱伝導率を算出する。
ステップ３３において、温度予測部９５は、記録された接触熱抵抗などに基づいて所定の計算モジュールに従い半導体ウエハＷの接合面の温度を算出する。

ステップＰ３４において、加熱加圧装置７０はその能力範囲外を超える条件設定はないか判定する。例えば半導体ウエハＷの目標温度Ｈ１が４８０℃で冷却時間が１０秒と設定された場合、５秒以内に半導体ウエハＷの温度を４８０℃から常温に冷却することは第２冷却管ＣＬ２の能力から達成することはできない。このような判定の場合にはステップＰ３５に進み、入力された条件が能力範囲内であればステップＰ３６に進む。

ステップＰ３５において、表示部９１に入力変更を促す入力項目を表示する。例えば「冷却時間を２０秒以上の値を入れてください。又は目標温度を４００℃以下にしてください。」と表示したり、目標温度Ｈ１及び冷却時間ＣＬの項目を点滅させたりして操作者による条件設定が不備を認識させる。

ステップＰ３６において、結合した半導体ウエハＷができあがるサイクル時間を表示する。１時間内にできあがる半導体ウエハの枚数（スループット）であってもよい。
ステップＰ３７において、ウエハ張り合わせ装置１００を動作させ、加熱加圧装置７０の温度制御部９６がヒーターＨＴなどを制御する。

ステップＰ３８では、温度センサーＴＳでヒーターＨＴ近傍の温度を検出する。検出された温度は温度予測部９５へフィードバック用として送られる。本実施形態ではトッププレートＴＰに温度センサーＴＳが取り付けられているため、温度予測部９５はトッププレートＴＰの温度も予測し、予測されたトッププレートＴＰの温度と温度センサーＴＳからのトッププレートＴＰの温度とを比較する。これによって温度予測部９５はトッププレートＴＰの計算モジュールのパラメータなどを補正する。これを繰り返すことによって温度予測部９５は精度を上げていく。

本実施形態では、接触熱抵抗を「橘の式」で計算する例を主に説明してきたが、試験用半導体ウエハの実験で得られた結果をルックアップテーブルとして記憶部９９に蓄積しておいて、そのルックアップテーブルに基づいて算出してもよい。

ウエハ張り合わせ装置１００の全体斜視図である。 ウエハ張り合わせ装置１００の上面概略図である。 （ａ）は加熱加圧装置７０を示した上面図であり、（ｂ）はその側面図である。 （ａ）第２半導体ウエハＷ２から第２ベースプレートＢＰ２の構成を示した概念図である。（ｂ）から（ｅ）は「接触熱抵抗を含む界面」を示した図である。 主制御装置９０のうちの熱流体解析システムを示したブロック図である。 橘の式」を用いて接触熱抵抗を算出する例である。 （ａ）は加熱加圧装置７０の２つの加圧力プロファイルを示すグラフであり、（ｂ）はヒーターＨＴの温度（実線）との半導体ウエハＷの温度（点線）とを示す。 （ｃ）は、接触熱抵抗を考慮しないで加圧力を小さくした場合の半導体ウエハＷの温度を示したグラフであり、（ｄ）は、接触熱抵抗を考慮して加圧力を小さくした場合の半導体ウエハＷの温度を示したグラフでありである。 加熱加圧装置７０の各種の加圧力プロファイルを示すグラフである。 半導体ウエハＷの接合のフローチャートである。

ＡＴ … 温度調整プレート
ＢＰ … ベースプレート
ＣＬ１ … 第１冷却管
ＣＬ２ … 第２冷却管
Ｗ … 半導体ウエハ （Ｗ１ … 第１半導体ウエハ、Ｗ２ … 第２半導体ウエハ）
ＨＴ … ヒーター
ＴＰ … トッププレート
ＴＳ … 温度センサー
ＷＨ … ウエハホルダ
ＷＬ … ウエハローダー
ＷＨＬ … ウエハホルダローダー
１０ … ウエハストッカー
２０ … ウエハプリアライメント装置
３０ … ウエハホルダストッカー
４０ … ウエハホルダプリアライメント装置
５０ … アライナー
７０ … 加圧装置（７３ … 内側加圧アクチュエータ、７５ … 外側加圧アクチュエータ）
８０ … 分離冷却ユニット
７０ … 加圧装置
８０ … 分離冷却ユニット
９０ … 主制御装置（９１ … 表示部、９２ … 入力部、９３ … 接触熱抵抗算出部、９４ … 接触熱抵抗モデルテーブル、９５ … 接合面温度算出部、９６ … 温度制御部）
１００ … ウエハ張り合わせ装置

Claims (19)

1. 少なくとも２つの半導体ウエハを加熱及び加圧して接合する加熱加圧システムであって、
   前記２つの半導体ウエハの一方を加熱する第一のヒーター部と、
   他方を加熱する第二のヒーター部と、
   前記半導体ウエハの加熱加圧の条件を入力する入力部と、
   前記入力された加圧に基づいて前記前記半導体ウエハを加圧する加圧部と、
   少なくとも前記加圧部によって２つの半導体ウエハが加圧される加圧力に基づいて、前記２つの半導体ウエハが重ねて加圧された接合面の温度を予測する温度予測部と、
   前記温度予測部により予測された温度に基づいて、前記二つの半導体ウエハの接合面の温度が目標温度になるように前記第一のヒーター部及び前記第二のヒーター部をそれぞれ制御する温度制御部と、
   を備える加熱加圧システム。
2. 前記条件は、前記第一のヒーター部および前記第二のヒーター部の温度、前記一方の半導体ウエハと前記第一のヒーター部との間または前記他方の半導体ウエハと前記第二のヒーター部との間に配置される構成部材同士の接触部分に存在する接触熱抵抗または熱伝導率、前記構成部材と前記半導体ウエハとの接触部分に存在する接触熱抵抗または熱伝導率、前記接触部分の接触面の面粗さ、前記接触面の硬度、前記２つの半導体ウエハが配置される気体の熱伝導率の少なくとも一つを含む請求項１に記載の加熱加圧システム。
3. 前記気体の熱伝導率は、前記加圧加熱システム内の気体の熱伝導率、及び、真空状態の熱伝導率を含む請求項２に記載の加熱加圧システム。
4. 前記構成部材同士の接触部分、又は、前記構成部材と前記半導体ウエハとの接触部分に接触熱抵抗モデルを生成して前記接触熱抵抗又は前記熱伝導率を算出する接触熱抵抗算出部を有し、
   前記温度予測部は、前記接触熱抵抗算出部で算出された前記接触熱抵抗又は前記熱伝導率に基づいて前記接合面の温度を予測する請求項３に記載の加熱加圧システム。
5. 前記接触熱抵抗モデルは、前記構成部材の表面粗さ、接触圧力、前記構成部材の熱伝導率、前記構成部材の硬度、及び前記接触部分の面積の少なくとも一つを含む請求項４に記載の加熱加圧システム。
6. 前記第一のヒーター部の付近、前記第一のヒーター部と前記一方の半導体ウエハとの間、前記第二のヒーター部の付近、及び前記第二のヒーター部と前記他方の半導体ウエハとの間の少なくとも一カ所に配置された温度センサーを備え、
   前記温度制御部は、前記温度センサーからの情報を参照し、前記接触熱抵抗モデルの計算精度を向上させる学習機能を持つ請求項４又は請求項５に記載の加熱加圧システム。
7. 前記温度制御部は、前記温度予測部により予測された温度と前記第一ヒータ部および第ニのヒーター部の少なくとも一方の温度とに基づいて、前記第一ヒータ部および第ニのヒーター部の少なくとも一方を制御する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の加熱加圧システム。
8. 前記第一のヒーター部の付近、前記第一のヒーター部と前記一方の半導体ウエハとの間、前記第二のヒーター部の付近、及び前記第二のヒーター部と前記他方の半導体ウエハとの間の少なくとも一カ所に配置された温度センサーを備え、
   前記温度制御部は、前記温度予測部により予測された温度と前記センサーにより検出された温度とに基づいて前記第一のヒータ部および前記第ニのヒーター部の少なくとも一方を制御する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の加熱加圧システム。
9. 前記温度予測部は、実験で得られた結果を記憶する記憶部を有し、前記結果に基づいて、前記半導体ウエハの接合面の温度を予測する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の加熱加圧システム。
10. 前記温度予測部は、温度予測のための計算モジュールを有する請求項６又は請求項８に記載の加熱加圧システム。
11. 前記温度予測部は、前記温度センサーが配置された箇所の温度を予測し、前記箇所の予測温度と前記温度センサーの温度とが異なる場合、前記計算モジュールを補正する請求項１０に記載の加熱加圧システム。
12. 前記温度予測部は、時間成分を考慮した熱特性計算を前記計算モジュールにより行い、前記半導体ウエハの目標温度到達時間又は冷却完了時間を予測する請求項１０又は請求項１１に記載の加熱加圧システム。
13. 前記温度予測部は、前記時間成分により前記２つの半導体ウエハを加熱し且つ加圧し一体物に加工するスループット予測を行い、生産管理情報として出力する請求項１２に記載の加熱加圧システム。
14. 前記加圧部の加圧力は、前記温度予測部により予測された温度に基づいて可変である請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の加熱加圧システム。
15. 前記構成部材は、重ね合わされた前記２つの半導体ウエハを保持し、前記加圧加熱システムに搬送される半導体ウエハホルダーであり、前記第一のヒーター部及び前記第二のヒーター部は、前記半導体ウエハホルダーを介して前記半導体ウエハを加熱する請求項２から請求項１４のいずれか一項に記載の加熱加圧システム。
16. 前記半導体ウエハホルダーは、セラミック材料から構成される請求項１５に記載の加熱加圧システム。
17. 前記温度制御部は、前記二つの半導体ウエハの前記接合面の温度がそれぞれ同一の温度になるように前記第一のヒーター部及び前記第二のヒーター部をそれぞれ制御する請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の加熱加圧システム。
18. 前記２つの半導体ウエハを張り合わせる張り合わせ装置であって、
    前記２つの半導体ウエハをアライメントするアライメント装置と、
    前記アライメント装置でアライメントされた前記２つの半導体ウエハを加熱及び加圧して接合する加熱加圧システムと、を備え、
    前記加熱加圧システムは、請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載の加熱加圧システムである張り合わせ装置。
19. 前記２つの半導体ウエハを保持する半導体ウエハホルダーと、
    前記２つの半導体ウエハを保持した前記半導体ウエハホルダーを前記アライメント装置から搬送するローダーと、
    所定の気体内又は真空内で、前記ローダーにより搬送された前記半導体ウエハホルダーを支えるプレートと、を備え、
    前記第一のヒーター部および前記第二のヒーター部は、前記プレートおよび前記半導体ウエハホルダーを介して前記半導体ウエハを加熱する請求項１８に記載の張り合わせ装置。