JP5883510B2 - 基板にチップをボンディングするための圧力伝達器 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項１に記載の、基板に多数のチップをボンディングするための圧力伝達器、及び請求項８に記載の、基板に多数のチップをボンディングするためのボンディング装置に関する。
半導体工業分野には、種々様々な機能ユニットを互いに結合する、特にボンディング（接合）する複数の手段が存在する。これらの手段の１つがチップ・ツー・ウェハ（Ｃ２Ｗ）方法であり、この方法では個々のチップを基板に個別にボンディングする。別の重要な方法はいわゆる「アドバンスト・チップ・ツー・ウェハ」（ＡＣ２Ｗ）方法であり、この方法ではチップをまず最初に、仮に（一時的に）基板に接合し、永久接合は、１接合段階で一緒に行われる。その際、全てのチップが同時に、基板に永久接合される。この接合段階においてチップを基板に対して押圧する間（接合力）、チップと基板は加熱される。
前記押圧及び加熱過程に基づき、特にますます小型化しているパターンにおいては、例えば加熱中の熱膨張による技術的な問題が生じる。
したがって、本発明の課題は、前記方法を最適化することができ、接合時の廃棄物が最小限に抑えられる、圧力伝達器若しくはボンディング装置を提供することにある。
この課題は、請求項１及び８に記載の特徴により解決される。本発明の有利な改良は、従属請求項に記載されている。本発明の枠内には、明細書、請求項及び／図面に記載された複数の特徴のうちの少なくとも２つから成る、あらゆる組み合わせも含まれる。記載された値の範囲では、述べられた限界値内に位置する値も、限界値として開示されたものであり、任意の組み合わせにおいて用いることができる。
本発明の基本思想は、多数のチップを１つの基板にボンディングするための圧力伝達器を、ボンディング方向Ｂに対して横方向での押圧体の滑動を可能にするように形成する、という点にある。但し、ボンディング方向Ｂに対して横方向での滑動を制限するための制限手段が、特に圧力伝達器を保持体にボンディング方向Ｂで位置固定するための位置固定手段の形態で設けられていると、有利である。特に有利には、本発明はＡＣ２Ｗ方法と共に用いられ、この方法では複数のチップを一時的に基板に接合してから、圧力伝達器を用いて１接合プロセスで接合する。この場合、本発明では、接合温度まで加熱する過程が、圧力伝達前に少なくとも概ね終了していると有利である。これにより、押圧体は、ボンディング方向Ｂに接合力が加えられる場合よりも自由に、ボンディング方向Ｂに対して横方向に滑動することができる。
基板としては、特に半導体、有利にはウェハが考慮される。
本発明により、ボンディングの際に生じる、圧力伝達器とチップ表面との間の熱応力の問題は、少なくとも概ね解決される。それというのも、押圧体は本発明による滑り層によって、滑り層とは反対の側の全ての構成部材から、ボンディング方向Ｂに対して横方向で少なくとも概ね分離されているので、押圧体自体の応力しか関係しなくなるからである。つまり、滑り層は、該滑り層に接する構成部材の、ほぼ完全に摩擦無しの相対運動を可能にする。本発明では、滑り層は特に、有利には主に炭素を含む固体として形成されている。有利には材料として、基底面が特に少なくとも概ねボンディング方向Ｂに対して垂直に向けられたグラファイトが選択される。
本発明の有利な構成では、前記位置固定手段が、ボンディング方向Ｂに対して横方向に弾性的に形成されている。つまり、これらの位置固定手段は、圧力伝達器をボンディング方向Ｂで保持すると同時に、押圧体がボンディング方向Ｂに対して横方向に滑動できるようにするために働く。このようにして位置固定手段は同時に、上述した制限手段として働き、延いては本発明による複数の機能を果たすようになっている。
この場合、位置固定手段が、押圧体を保持体の方向で、特に押圧体と保持体との間に配置された滑り層と共に緊締するための緊締部材として形成されていると、特に有利である。この構成は、特に簡単且つ省スペースに実現可能であり、前記の複数の機能を満たすものである。
本発明の改良では、押圧体が、特に材料及び／又は寸法に関して、押圧体の熱膨張特性が少なくともボンディング方向Ｂに対して横方向で、製品用基板の熱膨張特性に対応するように選択される。有利には、前記材料として、基板及び／又はチップの材料が選択される。特に本発明では、押圧体の寸法が、特にボンディング方向Ｂに対して横方向で、基板の寸法にほぼ合致していると、有利である。前記熱膨張特性には特に、押圧体及び／又は基板及び／又はチップの熱膨張係数が含まれる。排他的ではないが、特に金属、セラミック、プラスチック又は複合材料等の材料クラスが使用可能である。特にＳｉ、ＣＴＥ適合ガラス、つまり熱膨張係数が製品用基板の熱膨張係数に適合されたガラス、低ＣＴＥ金属等である。ＣＴＥ適合ガラス及び低ＣＴＥ金属は、"CTE matched glass" 及び"low CTE metals" という英語の名称でも知られている。とりわけ熱伝導率の極めて高い材料が好ましい。ケイ素の熱膨張係数は、例えば約２．６*１０−６Ｋ−１である。製品用基板の熱膨張係数と、本発明による構成の熱膨張係数との差の絶対値は、１００*１０−６Ｋ−１未満、有利には１０*１０−６Ｋ−１未満、より有利には１*１０−６Ｋ−１未満、最も有利には０．１*１０−６Ｋ−１未満、極めて有利には０．０１*１０−６Ｋ−１未満、最も理想的なのは、０Ｋ−１である。
少なくともボンディング方向Ｂに弾性的な、特にチップの中間空間において少なくとも部分的に中断された層が、圧力を相殺（補償）するために設けられていることにより、圧力伝達器によってボンディング方向Ｂでの延伸、応力及び高さの差が相殺され、その結果、均一な押圧が可能になる。つまり、前記弾性層は補償層として働く。特に、弾性層は、１ＭＰａ〜１００ＧＰａ、有利には１ＭＰａ〜１０ＧＰａ、更に有利には１ＭＰａ〜１ＧＰａの弾性係数を有している。好適な材料はポリマである。弾性係数の比較値としては、約１ＭＰａの有効等方弾性係数を有するゴムが用いられる。繊維強化されたポリマは、好適には約１００ＧＰａの、繊維長手方向軸線に沿った有効弾性係数を有している。これは弾性材料の上限を画すものである。
本発明の別の有利な構成では、押圧体とチップとの間に、特にチップの中間空間において少なくとも部分的に中断された硬質層が、チップに対する直接的な圧力伝達のために設けられている。この硬質層は、前記弾性層よりも（特に２倍）大きな弾性係数を有しており、この場合、硬質層は保護層として用いられる。特に硬質層は、特に１０μｍ未満、有利には１μｍ未満、更に有利には１００ｎｍ、最も有利には１０ｎｍ未満の平均表面粗さを有する、平坦な表面を形成するためにも役立つ。有利には、硬質層は超硬質層として形成される。好適な材料は、金属及びセラミック、特に鉄材、非鉄金属、超硬合金、窒化物層、カーバイド層、ホウ化物層、酸化物セラミックである。硬質層のボンディング方向Ｂの厚さは、１０ｍｍ未満、有利には５ｍｍ未満、更に有利には２ｍｍ未満、最も有利には５００μｍ未満、極めて有利には１００μｍ未満である。
別の有利な構成では、押圧体が、第１の押圧面の周面に配置された位置固定箇所を、特に有利には環状の凹部の形態で有している。このようにして、押圧体を保持体に省スペースで位置固定することが可能であり、この場合は、ボンディングに際して生じ得る、保持体から接合すべきチップまでの熱伝達に基づいて、ボンディング方向Ｂにできるだけ薄い圧力伝達器の構成が有利である。
本発明によるボンディング装置には、説明した圧力伝達器の特徴が相応に当てはまる。
本発明の別の利点、特徴及び詳細は、好適な実施形態の説明並びに図面に基づき明らかである。
本発明によるボンディング装置の概略的な側面図である。 本発明によるボンディング装置の第１実施形態を詳細に示した図である。 本発明による圧力伝達器の別の実施形態の概略図である。 本発明による圧力伝達器の更に別の実施形態の概略的な側面図である。 本発明によるボンディング装置の別の実施形態を詳細に示した図である。 本発明による圧力伝達器の更に別の実施形態の概略的な側面図である。 本発明による圧力伝達器の更に別の実施形態の概略的な側面図である。
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。
図面において同一の、又は同一作用を有する構成部材には、同一の符号を付してある。
図１に著しく簡略化されて概略的に図示された、ボンディング室１６を取り囲むケーシング１１を備えたボンディング装置は、ドア（図示せず）により閉鎖可能な開口（図示せず）を介して装填及び取出可能である。ボンディング室１６内では、規定された雰囲気及び温度が調節可能であり、そのために相応の供給部及び導出部、若しくは加熱手段が設けられていてよい。加熱手段としては、特に保持体９及び／又は取付け部１０が用いられる。
ボンディング室１６の底部には、製品用基板１４を取り付けるための取付け部１０が設けられており、この場合、製品用基板１４の位置固定は、真空経路、機械的な緊締、又は静電気によって行うことができる。
製品用基板１４は、取付け部１０に載置されて該取付け部１０に位置固定される基板１２から成っており、この基板１２には、一時的に複数のチップ１３が位置固定されていて、これらのチップ１３を永久に位置固定するために、ボンディング装置が設けられている。
取付け部１０の上側には保持体９が設けられており、この場合、保持体９は取付け部１０に対して、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に相対運動するようになっている。保持体９は、有利にはＸ軸線、Ｙ軸線及びＺ軸線を中心として回動可能であり、これにより、ウェッジエラーを相殺するか、又は表面相互の方向付けを改善することができるようになっている。前記相対運動は、有利には保持体９を運動させることにより行われる一方で、取付け部１０は固定であるか、若しくは何ら自由度を有しない。
ボンディング室１６に製品用基板１４を装填して、圧力伝達器１を保持体９の下面９ｕに取り付けた後で、圧力伝達器１は製品用基板１４に対して位置合わせされて、圧力伝達器１の、製品用基板１４に面した側１ｕが当接するまで降下され、ボンディング方向Ｂでの運動を相応に制御することにより、規定された接合力が、チップ１３のチップ表面１３ｏに加えられる。同時に、又は次いで、製品用基板１４が、所定の接合温度に加熱される。このプロセスは、所定の制御装置によって制御される。
図２ａには、圧力伝達器１及び製品用基板１４が詳細に示されており、図示の部分の関係は、描写上の目的から著しく概略化されており、特にチップ１３は、実際の状況に対応していない。
図２ａに示した第１の実施形態において、圧力伝達器１は、全ての実施形態が有する押圧体２の他に、付加的に保持体４を有していて、この保持体４は押圧体２と共に、該押圧体２及び保持体４の周囲に固定された複数の緊締部材（クリップ）の形態の位置固定手段８を介して緊締されている。
押圧体２と保持体４との間には滑り層３が、特に全面的に設けられていて、この滑り層３により、ボンディング方向Ｂに対して横方向での押圧体２の滑動が可能になる。
押圧体２と保持体４とは、（滑り層３に対して）特にほぼ鏡像的に形成されている。
ボンディング装置の保持体９には、圧力伝達器１が、位置固定手段８の、特に緊締部材と一体成形されたアーム８ａによって位置固定される。択一的又は付加的に、保持体４は保持体９に、真空経路を介して位置固定され得る。
位置固定手段８は、Ｕ字形の部分８ｕを有していて、このＵ字形の部分８ｕのアームの間で、押圧体２が保持体４と共に緊締される。つまり、Ｕ字形の部分８ｕは、押圧体２及び保持体４の周面の一部を取り囲んでいる。Ｕ字形の部分８ｕを係合させるために、押圧体２の第１の押圧面２ｏに複数の位置固定箇所１７が、特に押圧体２の周面に設けられた、特に有利には環状の凹部の形態で配置されている。ボンディング方向Ｂに対して横方向で、前記位置固定箇所１７に遊び１８が設けられており、これにより、ボンディング方向Ｂに対して横方向での押圧体２の滑動が可能になる。
前記Ｕ字形の部分８ｕの反対側のアームは、保持体４の対応する位置固定箇所に係合しており、この場合、有利には遊び無しの位置固定部が設けられている。
押圧体２の、滑り層３とは反対の側の第１の押圧面２ｏには、Ｘ方向及びＹ方向に沿った、つまり第１の押圧面２ｏに沿った基板１２上のチップ１３に対応する位置に、複数の押圧部材５が取り付けられている。これらの押圧部材５は、それぞれチップ１３の間の中間空間１５に対応して中断されている弾性層６と、この弾性層６にそれぞれ付与された硬質層７とから成っている。この硬質層７も弾性層６と同様に、中間空間１５の領域内で中断されているので、チップ１３の押圧時に場合によっては生じ得る、ボンディング方向に対して横方向に延在する横方向力が最小限に抑えられることになる。
チップ１３が、ここでは硬質層７の表面７ｏに設けられた押圧面１ｕにより押圧されると、その都度押圧部材５の重心５ｓは、個々のチップ１３の重心１３ｓに対してセンタリングされるように位置合わせされている。押圧体２及び基板１２の、類似の又は同一の熱膨張係数に基づき、且つ押圧体２のボンディング方向Ｂに対して横方向の、概ね摩擦無しの相対運動に基づき、押圧部材５はチップ１３に正確に追従するので、横方向ずれ及び横方向力が惹起されることはない。
図２ｂにおいて設けられた、簡略化された位置固定手段８′では、押圧体２及び保持体４の位置固定が、専ら押圧体２の位置固定箇所のみで位置固定して、保持体４では位置固定しない、変更された位置固定手段８′により行われているので、位置固定は、押圧体２と保持体９との間でボンディング方向Ｂに行われることになる。遊び１８を介した、押圧体２及び滑り層３の運動機構は、図２ａに示した通りである。これにより、より簡単な構成に変更された圧力伝達器１′が得られる。それというのも、位置固定手段８′と保持体４′とが、より簡単に形成されているからである。
図２ｃに示した実施形態では、保持体４が省略されて、滑り層３は、押圧体２と保持体９との間に直接に設けられる。上述した圧力伝達器１，１′よりも簡単に形成されている、変更された圧力伝達器１″が得られる。それというのも、保持体４，４′が省略可能であるからであり、その結果、当該圧力伝達器１″をより薄型に形成することができ、且つ熱が保持体９から発生される場合には、熱をより良好に伝達するようになっている。
これに対して図３ａに示した実施形態では、図２ａ〜図２ｃに示した押圧部材５が省かれているので、押圧体２の第１の押圧面２ｏが、硬質層７の機能を引き受けている。弾性層６′は、押圧体２と保持体４との間に設けられている。弾性層６′と押圧体２との間の境界面に滑り層３が設けられている一方で、位置固定手段８は、図２ａに示した位置固定手段８に相当する。これにより、変更された実施形態の圧力伝達器１′″が得られる。
第１の押圧面２ｏは、この実施形態では、チップ１３のチップ表面１３ｏに圧力を加える押圧面１ｕ′として働く。
図３ｂに示した実施形態では、図２ｂに示した実施形態に相応して、保持体４′との係合を省いた位置固定手段８′が設けられている。これにより、変更された実施形態の圧力伝達器１″″が得られる。
図３ｃに示した圧力伝達器１′″″の構成では、図２ｃで説明した構成に相応して、保持体４，４′が省かれる。これに相応して位置固定手段も、位置固定手段８″と類似のものが使用される。
１，１′，１″，１′″，１″″ 圧力伝達器
１ｕ，１ｕ′ 押圧面
２ 押圧体
２ｏ 第１の押圧面
２ｆ 第２の押圧面
３ 滑り層
４，４′ 保持体
５ 押圧部材
６，６′ 弾性層
７ 硬質層
８，８′，８″ 位置固定手段
８ａ アーム
８ｕ Ｕ字形の部分
９ 保持体
９ｕ 下面
１０ 取付け部
１１ ケーシング
１２ 基板
１３ チップ
１３ｏ チップ表面
１３ｓ 重心
１４ 製品用基板
１５ 中間空間
１６ ボンディング室
１７ 位置固定箇所
１８ 遊び
Ｂ ボンディング方向

Claims (7)

  1. 基板（１２）に多数のチップ（１３）をボンディングするための圧力伝達器であって、
    ボンディング方向（Ｂ）に作用する接合力でもってチップ（１３）を押圧する押圧体（２）であって、該押圧体（２）は、前記ボンディング方向（Ｂ）に対して横方向に延在する第１の押圧面（２ｏ）と反対側の第２の押圧面（２ｆ）とを有する、押圧体（２）と、
    前記圧力伝達器（１）の周囲に取付け可能な位置固定手段（８，８′，８″）であって、前記圧力伝達器（１）において保持体（９）を前記ボンディング方向（Ｂ）で位置固定する、位置固定手段（８，８′，８″）と、
    前記押圧体（２）を前記ボンディング方向（Ｂ）に対して横方向に滑動させるための滑り層（３）と、を備え、
    前記位置固定手段（８，８′，８″）は、
    イ）前記ボンディング方向（Ｂ）に対して横方向に弾性的に形成されており、且つ／又は
    ロ）前記押圧体（２）を前記保持体（９）の方向で、前記押圧体（２）と前記保持体（９）との間に配置された前記滑り層（３）と共に緊締するための緊締部材として形成されている
    ことを特徴とする、基板（１２）に多数のチップ（１３）をボンディングするための圧力伝達器。
  2. 少なくとも前記ボンディング方向（Ｂ）に弾性的で、前記チップ（１３）の中間空間（１５）において間欠された層（６）が、圧力補償用に設けられている、請求項１記載の圧力伝達器。
  3. 前記押圧体（２）と前記チップ（１３）との間に、前記チップ（１３）の中間空間（１５）において間欠された硬質層（７）が、前記チップ（１３）に対する直接的な圧力伝達のために設けられている、請求項１又は２記載の圧力伝達器。
  4. 前記押圧体（２）は、前記第１の押圧面（２ｏ）の周面に配置された位置固定箇所を、環状の凹部の形態で有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力伝達器。
  5. 基板（１２）に多数のチップ（１３）をボンディングするためのボンディング装置であって、
    請求項１から４までのいずれか１項記載の圧力伝達器（１）と、
    保持体（９）と、
    前記基板（１２）を取り付けるための取付け部（１０）と、
    前記チップ（１３）及び前記基板（１２）を加熱するための加熱手段と、
    前記保持体（９）をボンディング方向（Ｂ）に移動させることにより接合力を発生させる駆動手段とが設けられている
    ことを特徴とする、基板（１２）に多数のチップ（１３）をボンディングするためのボンディング装置。
  6. 請求項１から４までのいずれか１項記載の圧力伝達器（１）又は請求項５記載のボンディング装置を用いて、基板（１２）に多数のチップ（１３）をボンディングするための方法。
  7. 前記押圧体（２）は、材料及び／又は寸法に関して、該押圧体（２）の熱膨張特性が少なくとも前記ボンディング方向（Ｂ）に対して横方向で、前記基板（１２）の熱膨張特性に対応するように選択されている、請求項６記載の方法。
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