JP6009998B2

JP6009998B2 - 位置合わせ構造および方法

Info

Publication number: JP6009998B2
Application number: JP2013132525A
Authority: JP
Inventors: 文洋佐々; 淳一小舘; 光男碓氷; 阪田　知巳; 知巳阪田; 一善小野; 神　好人; 好人神
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP2015008198A

Description

本発明は、実装時に用いる位置合わせ構造および方法に関する。

近年、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの作製において、チップを対となるチップ、あるいはチップへ分割する前のウェハに張り合わせるチップ実装技術が広く利用されている（非特許文献１参照）。これらのチップ実装技術は、「Chip on chip (CoC)」,「 Chip on Wafer (CoW)」などと呼ばれている。

上述したチップ実装技術では、例えば、チップ面に形成したバンプなどの突起状の構造、あるいは板状または気密シールを兼ねたリング状の凸構造からなる接合部を介し、チップ同士で張り合わせ、電気的接続と構造的接合を行うようにしている。このようなチップ実装技術では、従来のワイヤボンディングによる実装技術と比較した場合、周辺部の配線（ワイヤボンディング）スペースが不要であり、チップサイズを小さくすることが可能となる。

ところで、光デバイスやＭＥＭＳデバイスなどの技術では、素子間の位置関係の誤差で性能が大きく変動する。このため、上述したチップ実装技術を、光デバイスやＭＥＭＳデバイスなどに適用する場合、実装時の位置合わせ精度が重要となる。チップ実装時の精度を向上させる技術として、高精度実装機を用い、目標精度を達成するまでチップ同士の近接と位置確認を繰り返し行うことで、精度を高める方法がある（特許文献１参照）。

また、実装時の位置合わせにおいて、チップを作製するウェハプロセスの段階において接合部とは別に、エッチングやめっきなどにより、傾斜を持った嵌め合い構造を形成し、実装ずれを機械的に補正する方法も提案されている（特許文献２参照）。この技術では、チップ同士を対応する嵌め合い構造の部分で位置合わせを行うことで、実装を行う。このとき、互いの嵌め合い構造が、わずかに位置ずれした状態で配置されても、嵌め合う方向に荷重を印加すれば、嵌め合い構造の傾斜面が互いに滑りあい、嵌め合いの位置まで移動して停止する。この後、接着剤やはんだ等の方法で接合を行えば、互いに位置合わせがされた状態で実装が行える。

特許文献２の技術によれば、特許文献１に比較して、繰り返し位置合わせなどの特別な操作が必要なく、より精度の低い安価な実装装置で実施することができ、コストをかけることなく、また、実装に要する時間を短縮することが可能となる。このため、嵌め合い構造により位置合わせを行う実装は、大量生産に適した高精度実装法として大きな利点を持つ。

特開２００７−０９６０５７号公報特開平０７−０７７６３４号公報特開２００９−１６２２０９号公報

K. Tanida, M. Umemoto, Y. Tomita, M. Tago, R. Kajiwara, Y. Akiyama, and K. Takahashi, "Au bump interconnection with ultrasonic Flip-Chip bonding in 20 μm Pitch", Japanese Journal of Applied Physics, vol.42, pp.2198-2203, 2003. 松原清著、「トライボロジ −摩擦・摩耗・潤滑の科学と技術−」、産業図書株式会社、第３版、昭和５８年。 D. V. Dao et al. , "Multimodule Micro Transportation System Based on Electrostatic Comb-Drive Actuator and Ratchet Mechanism",Journal of Microelectromechanical Systems, vol.20, no. 1, pp.140-149 ,2011.

ところで、チップの位置合わせは、チップを対象の箇所に載置してから行うことになる。従って、位置合わせに先だって、チップを対象の箇所に載置することになる。これらのプロセスを全て安価に行うためには、高精度なフリップチップボンダーなどの高価な装置も使用することなく、チップの載置および位置合わせを行うことになる。例えば、チップの搭載を安価な装置を用いて行い、手動で位置合わせをしてチップを配置することになる。また、位置精度の低い装置を用いてチップの配置を行うことになる。

しかしながら、これらのようなチップの配置では、配置した状態で１００μｍから１ｍｍ程度の位置ずれが発生している。このため、位置合わせを行うためには、上述した位置ずれを補正することになる。

ここで、前述した嵌め合い構造による位置ずれの補正では、嵌め合い構造の深さを位置ずれの大きさに対応して形成することになる。従って、上述したような大きな位置ずれの補正を、前述した嵌め合い構造のみで実現するためには、１００μｍ〜１ｍｍの深さを有する嵌め合い構造とすることになる。この寸法は、実装するチップの厚さを大幅に超える値であり、現実的ではない。

また、このような大きな深さの嵌め合い構造を形成するためには、大きな段差の表面加工、もしくは、より大きな高さを得るための厚膜めっき処理などを行う必要がある。このため、大きな嵌め合い構造を形成するためには、ＭＥＭＳデバイスに比べてより長い加工時間を必要とし、デバイスへダメージを与える可能性が大きくなる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、デバイスに対してダメージを与えることなく、また、コストをかけることなくより容易に、実装時の位置合わせができるようにすることを目的とする。

本発明に係る位置合わせ構造は、平面視円形の第１位置合わせ面を備える第１位置合わせ構造と、平面視円形の第２位置合わせ面を備えて第１位置合わせ構造と対になる第２位置合わせ構造とを備え、第１位置合わせ面は、第１位置合わせ面の中心を同心として同一周期で形成された円形の複数の溝と、溝の底部と外側の溝の頂部との間に形成されて断面が直線状の第１斜面と、溝の底部と内側の溝の頂部との間に形成されて断面が第１斜面より長い直線状の第２斜面とを備え、第２位置合わせ面は、複数の溝に対応する第２位置合わせ面の中心を同心とした複数の円周部に配置され、溝の深さより長い高さの平面視円形の複数の凸部を備える。

また、本発明に係る位置合わせ方法は、上記位置合わせ構造の位置合わせ方法であって、第１位置合わせ構造と第２位置合わせ構造とを、第１位置合わせ面と第２位置合わせ面とで接触させる第１工程と、第１位置合わせ面と第２位置合わせ面とを接触させている状態で、第１位置合わせ構造および第２位置合わせ構造の少なくとも一方に、複数の溝の周期の１周期以上２周期以下の音響波を印加する第２工程とを備える。

以上説明したことにより、本発明によれば、デバイスに対してダメージを与えることなく、また、コストをかけることなくより容易に、実装時の位置合わせができるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における位置合わせ構造の構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態における位置合わせ構造の構成を示す平面図である。図３は、本発明の実施の形態における位置合わせ構造の構成を示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態における位置合わせ方法について説明する説明図である。図５は、本発明の実施の形態における位置合わせ方法の原理について説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における位置合わせ構造の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態における位置合わせ構造の構成を示す平面図である。

この位置合わせ構造は、第１位置合わせ構造１０１、およびこの第１位置合わせ構造１０１と対になる第２位置合わせ構造１０４を備える。第１位置合わせ構造１０１は、平面視円形の第１位置合わせ面１０２を備える。また、第２位置合わせ構造１０４は、平面視円形の第２位置合わせ面１０５を備える。

第１位置合わせ面１０２は、第１位置合わせ面１０２の中心を同心として同一周期で形成された平面視円形の複数の溝１０３を備える。各々の溝１０３は、溝１０３の底部と外側の溝１０３の頂部との間に形成された断面が直線状の第１斜面１３１と、溝１０３の底部と内側の溝１０３の頂部との間に形成された断面が直線状の第２斜面１３２とを備える。また、第２斜面１３２の断面の直線部の長さは、第１斜面１３１の断面の直線部の長さより長くされている。言い換えると、溝１０３は、断面視非対称とされている。また、中心１１１は、最も内側の溝１０３の頂部となる。

なお、内側とは、第１位置合わせ面１０２の中心１１１の側である。また、断面は、中心１１１を通る面の断面である。ここで、第１斜面１３１は、中心１１１の側および第１位置合わせ面１０２の上側を向く面である。一方、第２斜面１３２は、中心１１１より離れる側および第１位置合わせ面１０２の上側を向く面である。

第２位置合わせ面１０５は、複数の溝１０３に対応する第２位置合わせ面１０５の中心を同心とした複数の円周部１０６に、溝１０３の深さより長い高さの平面視円形の複数の凸部１０７を配置している。ここで、上述したように、第１位置合わせ構造１０１の中心１１１が頂部の場合、第２位置合わせ構造１０４の中心１１２には、凸部１０７を配置しない。凸部１０７は、例えば円柱である。なお、凸部１０７の上面の径は、上記周期より小さいものである。

例えば、溝１０３および円周部１０６の周期は、１μｍ〜１００μｍ程度である。また、第１位置合わせ面１０２および第２位置合わせ面１０５の最外周（最も外側の溝１０３および最も外側の円周部１０６）は、直径１０μｍから１０ｍｍである。

第１位置合わせ構造１０１および第２位置合わせ構造１０４は、例えば位置合わせを行う２つのチップの向かい合う面において、各々の対応する箇所に形成すればよい。例えば、図３に示すように、平面視矩形の第１チップ２０１の４隅に、第１位置合わせ構造１０１を設け、平面視矩形の第２チップ２０２の４隅に、第２位置合わせ構造１０４を設ければよい。第１チップ２０１と第２チップ２０２とは、平面視の形状が同一とされている。

上述した第１位置合わせ面１０２および第２位置合わせ面１０５の凹凸形状は、例えば、よく知られたインプリント法により形成すればよい。また、第１位置合わせ構造１０１および第２位置合わせ構造１０４は、例えば、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ），アルミニウム（Ａｌ）などの金属から構成すればよい。

次に、本発明の実施の形態における位置合わせ方法について説明する。この位置合わせ方法は、上述した実施の形態における位置合わせ構造を用いる。

まず、第１位置合わせ構造１０１と第２位置合わせ構造１０４とを、第１位置合わせ面１０２と第２位置合わせ面１０５とで接触させる（第１工程）。例えば、第１位置合わせ面１０２と第２位置合わせ面１０５との間に、重力，静電気力，磁力，または液体を介した表面張力などの引力を働かせることで、両者を接触させる。この段階では、図４の（ａ），（ａ’）に例示するように、２つのチップ同士は位置合わせがされてない状態であり、第１位置合わせ構造１０１の中心１１１と、第２位置合わせ構造１０４の中心１１２とは、重なっていない（ずれている）。

次に、上述したように第１位置合わせ面１０２と第２位置合わせ面１０５とを接触させている状態で、第１位置合わせ構造１０１および第２位置合わせ構造１０４の少なくとも一方に、複数の溝の周期の１周期以上２周期以下の音響波を印加する（第２工程）。

このように、中心同士がずれて接触している状態で、上記音響波を印加すると、第２位置合わせ構造１０４に形成されている複数の凸部１０７の各々が受ける力は、凸部１０７の一部の上面端部が接触している溝１０３と、第１斜面１３１または第２斜面１３２との摩擦力の差により、中心１１１に向かうものとなる。

ここで、中心１１１と中心１１２とがずれている場合、第１位置合わせ構造１０１の中心１１１から見ると、中心１１２がずれている側の方が、より多くの凸部１０７が第１位置合わせ面１０２のいずれかの溝１０３に接触している。従って、中心１１１から見て中心１１２の側の複数の凸部１０７が受ける中心１１１に向かう力の合計は、中心１１１から見て中心１１２がない側の複数の凸部１０７が受ける中心１１１に向かう力の合計より大きいものとなる。このため、音響波が印加されているときに第２位置合わせ構造１０４の全体が受ける力は、中心１１２が中心１１１に向かう方向となる。

また、複数の凸部１０７が、中心１１２を通るいずれの直線に対してもほぼ対称に配置されていれば、図４の（ｂ），（ｂ’）に示すように、中心１１１と中心１１２とが重なると、全ての凸部１０７の中心１１２に向かう力の合計がほぼ０となり釣り合った状態となる。従って、上述したように中心１１２が移動し、中心１１１と中心１１２とが重なると、音響波を印加していても、第１位置合わせ構造１０１に対して第２位置合わせ構造１０４が相対的に移動することがなくなる。この結果、最終的に位置合わせがされた状態が得られる。

上述した音響波の印加による凸部の移動について、図５を用いてより詳細に説明する。図５は、一定の周期で形成された複数の溝５０３を備える基板５０１の上に、複数の凸部５０７を備える移動構造体５０４が載置されている状態を示している。各々の溝５０３は、溝５０３の底部と矢印の元の方向（紙面左側）の溝５０３との頂部との間に形成された断面が直線状の第１斜面５３１と、溝５０３の底部と矢印の先の方向（紙面右側）の溝５０３の頂部との間に形成された断面が直線状の第２斜面５３２とを備える。ここで、第２斜面５３２の断面の直線部の長さは、第１斜面５３１の断面の直線部より長くされている。

一方、移動構造体５０４は、複数の溝５０３に対応して複数の凸部５０７が形成されている。なお、溝５０３の延在方向にも、複数の凸部５０７が形成されている。また、凸部５０７は、溝５０３の深さより長い高さの平面視円形とされ、凸部５０７の上面の径は、上記周期より小さくされている。これら凸部５０７の上面の一部の周部が、第１斜面５３１および第２斜面５３２のいずれかに接触している。

この状態で、前述したように音響波が印加されると、振動により、溝５０３および凸部５０７は、基板５０１の平面方向に移動し、凸部５０７は、図５の（ｂ）または（ｃ）に示すように、溝５０３の第１斜面５３１および第２斜面５３２に繰り返し衝突する状態となる。

ここで、凸部５０７が接触する斜面との間の摩擦係数は、斜面の傾斜角をθとしたとき「μ＝ｔａｎθ」で示され、摩擦係数は、第１斜面５３１と第２斜面５３２で異なる（非特許文献２参照）。摩擦係数は、勾配がより小さい第２斜面５３２の方が小さく、こちらの方向に凸部５０７は滑りやすい状態となる。このため、音響波が印加されていると、凸部５０７は、より滑りやすい第２斜面５３２を乗り越え、矢印の方向に隣の溝５０３へ移動する。

このようにして、音響波の印加により、溝５０３の中で２つの斜面に衝突する凸部５０７は、より傾斜が緩やかな第２斜面５３２を乗り越えて隣の溝５０３に移動することを繰り返す。上述した反復振動による凸部５０７の微小な移動を繰り返すことで、移動構造体５０４は、基板５０１の溝形成面を、矢印の方向に連続的に移動していく（特許文献３，非特許文献３参照）。

以上に説明したように、本発明によれば、上述した第１位置合わせ構造と第２位置合わせ構造とを対とし、１対のチップとチップ、あるいはチップと基板の接触面に二次元的に各々設けることで、第１位置合わせ構造の中心部と第２位置合わせ構造の中心部とがずれた状態より、これらの中心部が一致する状態に位置合わせをすることが可能となる。

また、本発明によれば、位置合わせ構造の位置合わせ面の面積を広くすれば、より大きな位置ずれの状態より位置合わせをすることが可能である。例えば、位置合わせ面の広さをｍｍオーダとすれば、ｍｍオーダの位置ずれ状態より位置合わせを行うことが可能である。また、本発明によれば、位置ずれに合わせて大きな段差などを形成する必要がなく、製造過程でデバイスに対してダメージを与えることがない。例えば、溝部の深さや凸部の高さは、１００μｍ以下でよい。このように、本発明によれば、デバイスに対するダメージを低減し、また、コストをかけることなくより容易に、実装時の位置合わせができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、凸部は、円柱に限るものではなく、上面の周部で凹部の斜面に接触する状態であればよく、円錐台状であってもよい。

１０１…第１位置合わせ構造、１０２…第１位置合わせ面、１０３…溝、１０４…第２位置合わせ構造、１０５…第２位置合わせ面、１０６…円周部、１０７…凸部、１１１…中心、１１２…中心、１３１…第１斜面、１３２…第２斜面。

Claims

平面視円形の第１位置合わせ面を備える第１位置合わせ構造と、
平面視円形の第２位置合わせ面を備えて前記第１位置合わせ構造と対になる第２位置合わせ構造とを備え、
前記第１位置合わせ面は、
前記第１位置合わせ面の中心を同心として同一周期で形成された円形の複数の溝と、
前記溝の底部と外側の前記溝の頂部との間に形成されて断面が直線状の第１斜面と、
前記溝の底部と内側の前記溝の頂部との間に形成されて断面が前記第１斜面より長い直線状の第２斜面と
を備え、
前記第２位置合わせ面は、
複数の前記溝に対応する前記第２位置合わせ面の中心を同心とした複数の円周部に配置され、前記溝の深さより長い高さの平面視円形の複数の凸部を備える
ことを特徴とする位置合わせ構造。
平面視円形の第１位置合わせ面を備える第１位置合わせ構造と、
平面視円形の第２位置合わせ面を備えて前記第１位置合わせ構造と対になる第２位置合わせ構造とを備え、
前記第１位置合わせ面は、
前記第１位置合わせ面の中心を同心として同一周期で形成された円形の複数の溝と、
前記溝の底部と外側の前記溝の頂部との間に形成されて断面が直線状の第１斜面と、
前記溝の底部と内側の前記溝の頂部との間に形成されて断面が前記第１斜面より長い直線状の第２斜面と
を備え、
前記第２位置合わせ面は、
複数の前記溝に対応する前記第２位置合わせ面の中心を同心とした複数の円周部に配置され、前記溝の深さより長い高さの平面視円形の複数の凸部を備える位置合わせ構造の位置合わせ方法であって、
前記第１位置合わせ構造と前記第２位置合わせ構造とを、前記第１位置合わせ面と前記第２位置合わせ面とで接触させる第１工程と、
前記第１位置合わせ面と前記第２位置合わせ面とを接触させている状態で、前記第１位置合わせ構造および前記第２位置合わせ構造の少なくとも一方に、複数の前記溝の周期の１周期以上２周期以下の音響波を印加する第２工程と
を備えることを特徴とする位置合わせ方法。