JP6791969B2 - ボンディング装置用の加熱冷却装置の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造の分野に係るボンディング装置に関し、特に、ボンディング装置の加熱冷却装置の製造方法に関する。

背景技術
ウェハボンディングは、異なる材料のウェハを接合する技術であり、半導体装置の３次元加工にとって重要なものである。ウェハボンディング工程は主に、ウェハ表面処理（洗浄、活性化）、位置合わせおよびボンディングを含む。これらの工程の後に、個々のウェハを位置合わせし、接合して、３次元構造を形成する。ボンディングは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術におけるパッケージングに用いられるだけでなく、３次元装置製造の一部を構成するものでもある。それは、製造における初期作業および最終作業の両方に関与している。ボンディング装置は、加熱されることができる２つの平板の間に配置される材料を接合するための装置である。これらの材料は、加えられる圧力、温度または電圧のような外部条件下で発生するファン・デル・ワールズ力、分子間力あるいは原子間力によって互いに接合される。したがって、接合される材料に対して２つの平板が与えることができる圧力および温度は、ボンディング装置の性能を評価するための重要な測定基準とみなされる。

従来のボンディング装置は、一定の厚さを有し、かつそれぞれの曲面が互いに向かい合っている主板を含む。加熱線および冷却管は、曲面の下に切り込まれたチャネル内に埋設される。これらのチャネルは、ろう付け材料によって充填され、曲面の平坦度を確保するために、フライス加工が行われる。しかしながら、加圧かつ加熱条件下において、この装置は、非チャネル部分において一定の表面平坦度を確保することができるだけであり、チャネル部分においては、凹凸が生じ得る。また、各主板の両側に切り込みを入れた後の各主板の耐力を考慮しながら主板の変形を防ぐために、主板はそれぞれ、かなり大きな厚さで設計される。しかしながら、これは、加熱および冷却工程には好ましくないものであり、また、大きい真空チャンバを必要とし、よって、真空チャンバを排気するための真空ポンプの大きな作業負荷を必要とする。

さらに、従来の溶接工程（例えば、上述したようにチャネル内に加熱線および冷却管を溶接するための工程）は通常、不完全なガス抜きの問題を伴い、主板に残る残留空気が検査をすり抜け、使用中に加熱されると膨張する可能性があり、よって、表面平坦度に不均一さをもたらし、深刻な場合ではウェハにひびが生じることさえある。

発明の概要
本発明の目的は、表面平坦度が良好であるとともに、より早い加熱および冷却を可能にするボンディング装置の加熱冷却装置の製造方法として、溶接のつなぎ目での完全なガス抜きを可能にするような、加熱冷却装置の製造方法を提供することにある。

これらの目的を達成するために、本発明において提供される加熱冷却装置は、加熱冷却装置の上下方向において、加熱線板と、冷却管板と、加熱線と、冷却管と、はんだ層とを含む。加熱線および冷却管は、加熱線板および冷却管板の各々の溝において溶接され、上下方向において厚みがより小さくなった一体化組立品を形成するようにはんだ層により均一に溶接される。加熱線は、外部加熱装置に接続するように構成され、冷却管は、外部冷却装置に接続するように構成される。

好ましくは、外部加熱装置は、電気ヒータである。

好ましくは、外部冷却装置は、冷媒としての冷却物質で満たされている。

好ましくは、加熱線および冷却管のうちの１つまたはそれぞれは、均一な螺旋である。

好ましくは、はんだ層は、真空ろう付けはんだから形成される。

好ましくは、真空ろう付けはんだは、ニッケル系はんだである。

好ましくは、加熱冷却装置の厚さは、２２ｍｍ〜２５ｍｍである。

先行技術と比較すると、この解決策では、加熱線および冷却管は、はんだ層によって均一に溶接され、全体の厚さがより小さく、伝熱経路がより短く、効率的な冷却領域がより拡大し、冷却効率が向上し、処理サイクルが減り、かつ生産率が増える一体化組立品を形成する。また、ボンディングが行われる真空チャンバを小型化することが可能であり、それにより所望の真空度を作り出すために真空ポンプに要求される作業負荷および時間を減らすことができる。さらに、加熱線板および冷却管板はそれぞれ、その１つの表面のみにおいて溝が掘られ、そのもう一方の表面は、接合される材料に接触するためのものであり、また、溝が掘られた表面が溶接されるので、構成部品は、向上した表面平坦度を有し、よって、より均一な押圧を提供することが可能である。その結果、より高い接合精度が得られる。

上記の目的を達成するために、本発明において提供される方法は、
１）加熱線板および冷却管板における溝にそれぞれ加熱線および冷却管を配置し、溶接することによって固定する工程と、
２）加熱線板の表面と冷却管板の表面との間に真空ろう付けはんだを配置して、その端部に開口が残されたままで端部において表面を溶接する工程と、
３）真空チャンバにおいて真空ろう付けはんだを加熱溶融し、同時に、加熱線と冷却管との間で真空ろう付けはんだが均一に分布されることを可能とするように押圧を加え、かつ、溶接された表面の間に存在する空気を完全に除去するように真空チャンバを排気して、続いて溶接によって開口を閉じる工程と、
４）加熱冷却装置の上面および下面を仕上げる工程とを含む。

好ましくは、工程１）において、加熱線は、スポットアルゴンアーク溶接によって加熱線板における溝に固定され、冷却管は、スポットアルゴンアーク溶接によって冷却管板における溝に固定される。

好ましくは、工程２）において、表面は、その端部においてアルゴンアーク溶接される。

好ましくは、工程２）において、２つの開口が残されている。

好ましくは、工程３）において、１０００〜１０４０℃の温度で加熱を行う。

好ましくは、工程３）において、加熱を０．５時間行う。

好ましくは、工程３）において、加熱線と冷却管との間で真空ろう付けはんだが均一に分布されることを可能にするために圧力を加えている間に、真空ろう付けはんだの余剰分は、開口から排出される。

好ましくは、工程４）において、加熱冷却装置の上面および下面をフライス加工によって仕上げる。

好ましくは、真空ろう付けはんだは、ニッケル系はんだである。

先行技術と比較して、この解決策では、真空において加熱線と冷却管との間に配置されるはんだを加熱し、押圧を加えることにより、はんだをその間にて均一に分布させ、また、その間に存在する空気を完全に除去することによって、続くボンディング工程において加熱中に残留空気の膨張から生じる不十分な平坦度またはひび割れの問題に対処することが可能である。さらに、溶接後に上面および下面を仕上げることにより、各表面が、より重要な要件を満たすことができる平坦度を有することが可能となる。

図１は、本発明の特定の実施形態によるボンディング装置の加熱冷却装置の構造概略図である。 図２は、本発明の特定の実施形態による加熱線の構造概略図である。図１において：１−加熱線板；２−冷却管板；３−冷却管インタフェース；４−加熱器インタフェース；５−加熱線；６−冷却管。

添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。

図１は、加熱線板１と、冷却管板２と、加熱線５と、冷却管６と、はんだ層とを含む、本発明によるボンディング装置の加熱冷却装置の実施形態を示す。加熱線５および冷却管６は、加熱線板１および冷却管板２におけるそれぞれの溝にて溶接され、加熱線５および冷却管６は、はんだ層によって均一に溶接される。加熱線５は、加熱器インタフェース４を介して外部加熱装置に接続され、一方で、冷却管６は、冷却管インタフェース３を介して外部冷却装置に接続される。外部加熱装置は、電気ヒータであってもよい。外部冷却装置は、冷媒としての冷却物質で満たされていてもよい。加熱線５および冷却管６はそれぞれ、均一な螺旋であってもよい。はんだ層は、真空ろう付けはんだであってもよい。真空ろう付けはんだは、ニッケル系はんだであってもよい。加熱冷却装置の厚さは、２２ｍｍ〜２５ｍｍであってもよい。

この設計により、加熱線５および冷却管６は、はんだ層によって均一に溶接され、全体の厚さがより小さく、伝熱経路がより短く、効率的な冷却領域がより拡大し、冷却効率が向上し、処理サイクルが減り、かつ生産率が増える一体化組立品を形成する。また、ボンディングが行われる真空チャンバを小型化することが可能であり、それにより所望の真空度を作り出すために真空ポンプに要求される作業負荷および時間を減らすことができる。

図２は、本発明による加熱冷却装置における加熱線の実施形態を示す。加熱線５および／または冷却管６は、均一な螺旋であってもよい。この設計により、均一な熱伝導を得ることが可能となり、それにより、加熱線１および冷却管板２にわたって温度分布が均一になり、これは、接合精度には好ましいものとなる。

実際の使用において、１つの上記加熱冷却装置の冷却管板２は、制御管の作用下で移動可能でかつ圧力が加えられるようにボンディング装置の制御管に接続され、一方で、別の上記加熱冷却装置の冷却管板２は、ボンディング装置の底面に接続される。２つの位置合わせされたウェハがボンディング装置のウェハローダによって下側の加熱冷却装置の加熱線板１の表面上に配置された後に、ボンディング装置の制御下で上側の加熱冷却装置を移動させることによって、真空が生成され、かつウェハ上に圧力がかけられ、その結果、それの加熱線板１の表面がウェハに接触しウェハを押圧する。同時に、外部電気ヒータが起動して、それに接続された加熱線５を介して熱を上側および下側の加熱線板１に伝達し、その結果、ウェハは、２つの加熱線板１によって加熱され、接合される。ボンディングが完了した後に、ウェハは除去され、冷媒が冷却管６内で循環し、加熱線板１を急速に冷却する。その結果、処理サイクルが短縮し、生産率が向上する。

図１および図２を併せて参照すると、本発明はまた、後述する工程を含む、上述の加熱冷却装置の製造方法を提供する。

工程１において、加熱線５および冷却管６は、加熱線板１および冷却管板２におけるそれぞれの溝に配置され、溶接される。具体的には、加熱線５および冷却管６は、加熱線板１および冷却管板２におけるそれぞれの溝にてスポットアルゴンアーク溶接されてもよい。

工程２において、真空ろう付けはんだは、加熱線板の表面と冷却管板の表面との間に配置され、これらの表面は、それらの周縁部に開口が残ったままで、それらの周縁においてアルゴンアーク溶接される。具体的には、真空ろう付けはんだは、ニッケル系はんだであってもよい。

工程３において、真空ろう付けはんだは、真空チャンバ内で加熱溶融され、同時に、加熱線５と冷却管６との間で真空ろう付けはんだが均一に分布されることを可能にするために圧力が加えられ、且つ、溶接された表面の間に存在する空気を完全に除去するために真空チャンバをが排気され、続いて溶接により開口を閉じる。真空チャンバ内の圧力は、０．０１Ｐａ〜０．００１Ｐａまで下げてもよく、１０００〜１０４０℃の温度で０．５時間加熱を行ってもよい。これらの条件下で、真空ろう付けはんだを完全に溶融することができる。もちろん、この工程中に、真空チャンバを排気して、その中の空気を完全に除去してもよい。好ましくは、圧力の作用下で、真空ろう付けはんだの余剰分が開口から排出される。押圧を加えて、空気が完全に除去された後に、開口は、アルゴンアーク溶接によって完全に閉じられてもよい。

工程４において、加熱冷却装置の上面および下面を仕上げる。０．０１ｍｍの平坦度を達成するように、フライス加工を用いてこれらの面を仕上げてもよい。

開口の数は、２つであることが好ましい。２つの開口は、加熱線５および冷却管６の溶接面の周縁エッジの反対側に位置してもよい。

加熱冷却装置の製造方法の具体例を以下に説明する。

まず、加熱線５および冷却管６は、加熱線板１および冷却管板２における各々の溝に配置され、その後、加熱線５および冷却管６は、加熱線板１および冷却管板２における各々の溝にてアルゴンアーク溶接される。その後、溝が形成された上記板の表面の間にニッケル系はんだを配置し、それらの表面は、溶接のつなぎ目に２つの対向する開口を残したまま、それらの周縁部においてアルゴンアーク溶接される。当該組立品はその後、０．０１Ｐａの圧力まで排気される真空チャンバ内に配置され、真空ろう付けはんだが溶融するように１０４０℃で０．５時間加熱される。その後、加熱線と冷却管との間で真空ろう付けはんだが均一に分布されることを可能とするために押圧が加えられ、同時に表面の間に残された空気が完全に除去され、真空ろう付けはんだの余剰分が開口から排出される。これに続いて、開口は、アルゴンアーク溶接によって完全に閉じられる。溶接が完了した後に、０．０１ｍｍの平面度を達成するように、フライス加工によって加熱冷却装置の上面および下面を仕上げる。

本発明によると、真空において加熱線５と冷却管６との間に配置される真空ろう付けはんだを加熱して、押圧を加えることにより、加熱線と冷却管との間に真空ろう付けはんだが均一に分布され、また、それらの間に存在する空気が完全に除去されることによって、続くボンディング工程において加熱中に残留空気の膨張から生じる不十分な平坦度またはひび割れの問題に対処することが可能である。さらに、溶接後に上面および下面を仕上げることにより、各表面が、より重要な要件を満たすことができる平坦度を有することが可能となる。

Claims (13)

1. ボンディング装置の加熱冷却装置の製造方法であって、
   加熱線板と冷却管板と加熱線と冷却管とはんだ層とを有し、前記加熱線および前記冷却管が前記加熱線板および前記冷却管板の各々の溝において溶接され、且つ、前記はんだ層により均一に溶接され、前記加熱線が外部加熱装置に接続するように構成され、前記冷却管が外部冷却装置に接続するように構成された前記加熱冷却装置の製造方法であり、
   １）前記加熱線板および前記冷却管板における溝に前記加熱線および前記冷却管をそれぞれ配置し、溶接することによって固定する工程と、
   ２）前記加熱線板の表面と前記冷却管板の表面との間に真空ろう付けはんだを配置して、その端部に開口が残されたままで前記端部において前記表面を溶接する工程と、
   ３）真空チャンバにおいて前記真空ろう付けはんだを加熱溶融し、同時に、前記加熱線と前記冷却管との間で前記真空ろう付けはんだが均一に分布されることを可能とするように押圧を加え、かつ、溶接された前記表面の間に存在する空気を完全に除去するように前記真空チャンバを排気して、続いて溶接によって前記開口を閉じる工程と、
   ４）前記加熱冷却装置の上面および下面を仕上げる工程とを有する、ボンディング装置の加熱冷却装置の製造方法。
2. 前記工程１）において、前記加熱線は、スポットアルゴンアーク溶接によって前記加熱線板における前記溝に固定され、前記冷却管は、スポットアルゴンアーク溶接によって前記冷却管板における前記溝に固定される請求項１に記載の方法。
3. 前記工程２）において、前記表面は、その端部において共にアルゴンアーク溶接される請求項１に記載の方法。
4. 前記工程２）において、２つの開口が残されている請求項１に記載の方法。
5. 前記工程３）において、１０００〜１０４０℃の温度で前記加熱を行う請求項１に記載の方法。
6. 前記工程３）において、前記加熱を０．５時間行う請求項１に記載の方法。
7. 前記工程３）において、前記加熱線と前記冷却管との間で前記真空ろう付けはんだが均一に分布されることを可能にするために前記圧力を加えている間に、前記真空ろう付けはんだの余剰分は、前記開口から排出される請求項１に記載の方法。
8. 前記工程４）において、前記加熱冷却装置の前記上面および前記下面をフライス加工によって仕上げる請求項１に記載の方法。
9. 前記真空ろう付けはんだは、ニッケル系はんだである請求項１に記載の方法。
10. 前記外部加熱装置は、電気ヒータである請求項１に記載の方法。
11. 前記外部冷却装置は、冷媒としての冷却物質で満たされている請求項１に記載の方法。
12. 前記加熱線および前記冷却管のうちの１つまたはそれぞれは、均一な螺旋である請求項１に記載の方法。
13. ボンディング装置の前記加熱冷却装置の厚さが２２ｍｍ〜２５ｍｍである請求項１に記載の方法。

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