JP6916687B2 - 実装装置ならびに実装方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、バンプを有する電子部品を電極を有する基板に実装する、実装方法および実装装置に関する。特に、バンプを有する半導体チップを、電極を有する基板にフリップチップ実装する実装装置および実装方法に係る。

近年の電子機器開発において、そこに搭載される電子部品に対して種々の要求があり、これに応えるべく早いサイクルでの開発が進められている。この一環として、半導体チップ等の電子部品の基板への実装方法では、伝送距離の短縮や小型化等の要求に応えるため、フリップチップ実装の普及が進んでいる。フリップチップ実装は、電子部品のバンプを基板の電極に接合させる工法であるが、バンプとしてハンダバンプを用いる工法が多く採用されている（図１１（ａ））。

フリップチップ実装においても、実装密度の向上等の要求を背景に、バンプの小型化およびバンプ間隔の狭ピッチ化が進んでいる。これに対し、ハンダバンプを用いる工法では、銅ピラーの先端部にハンダを用いるなどして対応している（図１１（ｂ））。しかし、ピラーＰの小径化に伴うハンダＳの減少により、ハンダＳと他の金属（基板Wの電極Ｅ、銅ピラーＰ）との界面に生成される、機械的に脆い金属間化合物ＩＭＣの割合が増すことになり接合部の信頼性に悪影響を及ぼす。

このため、実装密度向上に伴い、ハンダを用いない工法が求められており、超音波等を用いたフリップチップ実装が注目されている。超音波を用いたフリップチップ実装では、従来、金メッキした電極に金バンプを接合する工法が実用化されているが、高価な金を用いる等の理由により普及は充分進んでいなかった。しかし、バンプと電極に安価な銅が利用できれば急速な普及が見込まれることから、銅バンプと銅電極を用いたフリップチップ実装の実用化に向けた取り組みも進んでいる（特許文献１）。

超音波実装を行なう実装装置の一例を図１２に示す。図１２に示した実装装置１００は、ステージ４が吸着保持した基板Ｗに、ボンディングヘッド６が吸着保持した半導体チップＣを加圧しながら加圧方向と直角方向に超音波振動を印加して、半導体チップＣのバンプと基板Ｗの電極を超音波接合するものである。

ここで、超音波振動は図１３に示すような超音波ヘッド６０によって半導体チップＣに印加される。超音波ヘッド６０は、略Ｕ字形を上下反転させ、加圧ユニット５（図１２）に連結されたフレーム６０１と、フレーム６０１の両側面に形成された貫通孔を両側から貫通する１組のブースター６０２と、フレーム６０１の内側で１組のブースター６０２によって挟み込まれた状態で保持されたホーン６０３と、ブースター６０２に超音波振動を伝達付与するための超音波発生器６０４から構成されている。また、ホーン６０３の下面中央で、超音波発生器６０４からブースター６０２を介して伝達された超音波振動が最大となる位置には凸部からなる吸着部材６０５が設けられている。吸着部材６０５には、吸着穴６０６が形成され、半導体チップＣを吸着保持できる。

また、超音波接合においては摩擦によって現れる（酸化していない）金属面同士の接合が重要であり、金属面が大気中の酸素と触れることにより再酸化することを防ぐ必要がある。このため、実装装置１００の例のように補助手段としてノズル４１を設け、ノズル４１が不活性ガスを吹き付けることにより接合面近傍の酸素濃度を低下させることも提案されている。

特開２０１６−２０１５０１号公報

超音波振動を印加する超音波ヘッドにおいて、適切な共振周波数を得るためには精密な設計が必要であり、吸着保持する半導体チップCの大きさに応じて設計変更をする必要がある。

また、超音波接合において半導体チップC等の電子部品を基板に接合する際に必要なのは、前述のように（半導体チップから基板に向けた）加圧方向と直角方向な振動（横振動）であり、加圧方向の振動（縦振動）は好ましくない。ところが、図１３に示す超音波ヘッド６０の例では、ホーン６０３の下面中央での縦振動は殆どないが、ホーン６０３の下面中央から離れるほど縦振動は大きくなる。このため、半導体チップCの周辺部のバンプの接続品質に悪影響を及ぼし、この悪影響は半導体チップが大きいほど顕著になる。

更に、ホーン６０３を横から支持する構造上の制約から、大きな荷重を加えることが難しい。このため、延性のある金バンプを有する半導体チップの場合のように、比較的低荷重で接合が行なえる場合と異なり、剛性を有する銅バンプを有する半導体チップの場合では（バンプ数の多い）大型の半導体チップへの適用が困難となっている。

なお、接合部近傍の酸素濃度を下げるためにノズルを設けることに関しては、開放系においては多量の不活性ガスを必要とするため不経済であり、作業環境的にも好ましくない。他方において、実装装置全体をチャンバー内に入れることで不活性ガスの使用量を減らすことは出来るが、装置が大掛かりになりすぎて経済的でない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金に比べて剛性の高い金属をバンプに用いた半導体チップ等の電子部品を、ハンダを用いずに基板に接合するフリップチップ実装する実装装置ならびに実装方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法を提供するものであり、電子部品サイズの大型化にも適したものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装装置であって、
前記基板を保持し、前記基板を面内方向に移動可能なステージと、
前記電子部品を保持して前記基板に向けて駆動および荷重を印加する機能を有するボンディングヘッドと、前記ステージを収容し、前記ボンディングヘッドと対向する位置には前記ボンディングヘッドが通過可能な開口部を有したステージカバーと、前記ステージカバー内に気体を供給する給気手段と、前記ステージ、前記ボンディングヘッド、前記給気手段の動作を制御する制御部を備え、
前記ボンディングヘッドが下降して前記電子部品を前記基板に接近させる過程において、
前記開口部の高さに対する前記ボンディングヘッドの高さ位置に応じて、前記制御部が前記給気手段を制御して、前記ステージカバー内に供給する気体の量を制御する実装装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の実装装置であって、
前記ボンディングヘッドが前記電子部品を前記基板に加圧する時に、前記ステージが前記基板を前記加圧方向と垂直な方向に往復運動させるよう、前記制御部が前記ボンディングヘッドと前記ステージを制御する実装装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
前記開口部を通過する前記ボンディングヘッドの最大断面積に対して、前記開口部の面積が１．０５倍から２．０倍の範囲である実装装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、前記ステージは前記基板を吸着するための基板吸着穴を有し、前記ボンディングヘッドは前記電子部品を吸着するための電子部品吸着穴を有し、
前記基板吸着穴は、前記基板の前記電極対向位置を避ける位置に配置し、前記電子部品吸着穴は、前記電子部品の前記バンプ対向位置を避けるよう配置した実装装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の実装装置を用いて、電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記バンプと前記電極が接触するまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、前記バンプと前記電極が接触した後に、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する加圧工程とを備え、
前記加圧工程において、前記基板と前記電子部品の少なくとも一方に、前記加圧を行う方向と垂直な往復運動を印加する実装方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の実装方法であって、
前記接近工程で前記給気手段が不活性気体の供給を開始し、前記加圧工程開始時点で、前記バンプと前記電極を含む空間の酸素濃度が１％以下である実装方法である。

請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６に記載の実装方法であって、
前記往復運動を、前記加圧を行なう方向と垂直な面内の少なくとも２方向から印加する実装方法である。

請求項８に記載の発明は、請求項５から請求項７のいずれかに記載の実装方法であって、
前記加圧工程内に印加荷重を増加させる工程を含む実装方法である。

請求項９に記載の発明は、請求項５から請求項８のいずれかに記載の実装方法であって、前記往復運動が減衰振動であって、前記加圧工程内に振幅をゼロに近づけることを特徴とする実装方法である。

請求項１０に記載の発明は、請求項５から請求項９のいずれかに記載の実装方法であって、前記加圧工程において、前記電子部品を１００℃以上２００℃以下に加熱する実装方法である。

請求項１１に記載の発明は、請求項５から請求項１０のいずれかに記載の実装方法であって、
前記バンプと前記電極の素材が銅である実装方法である。

請求項１２に記載の発明は、前記電子部品としてバンプ数が１００個以上の半導体チップを用い、請求項５から請求項１１のいずれかの実装方法で前記半導体チップを基板に実装する、半導体装置の製造方法である。

本発明により、剛性の高い金属をバンプに用いつつサイズの大きい半導体チップ等の電子部品を、ハンダを用いずにフリップチップ実装することが出来、簡易な構成で信頼性の高い半導体装置を得ることが出来る。

本発明の実施形態に係る実装装置の外観を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の主要部分を示す図である。 本発明の実施形態に係る実装装置の制御構成を示すブロック図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る位置合わせ前の状態を説明する図、（ｂ）同実施形態に係る位置合わせ後の状態を説明する図である。 （ｃ）本発明の実施形態に係る接近工程を説明する図、（ｄ）同実施形態に係る加圧工程を説明する図、（ｅ）同実施形態に係る実装後の状態を説明する図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る基板の往復運動方向を説明する図であり、（ｂ）同実施形態に係る同時に２方向の往復運動を行なった一例である。 （ａ）本発明の実施形態に係る基板の往復運動方向を説明する図であり、（ｂ）同実施形態に係る同時に２方向の往復運動を行なった別の例である。 本発明の実施形態における加圧工程の荷重変化を示す図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る往復運動の減衰について説明する図であり、（ｂ）同実施形態に係る２方向からの往復運動を減衰させた一例の渦巻き運動を説明する図である。 （ａ）フリップチップ実装の接合について説明する図であって、ハンダバンプを用いた接合部の断面図である（ｂ）同接合を説明する図であって、先端部にハンダを有するピラーバンプを用いた接合の断面図である。 超音波接合によるフリップチップ実装を行なう実装装置の一例を示す図である。 超音波接合に用いる超音波ヘッドの一例を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る実装装置１の外観を示すものであり、図２は外観上隠れている構成要素を示すものである。実装装置１は、電子部品である半導体チップＣを基板Ｗに実装するものであり、基台２、支持フレーム３、ステージ４、ステージカバー４０、ノズル４１、加圧ユニット５、ボンディングヘッド６、画像認識手段７、真空ポンプ８（図３）および制御部１０（図４）を備えている。図１および図２において、左右方向をＸ方向、奥行き方向をＹ方向、上下方向をＺ方向とし、Ｚ方向を中心軸として回転する方向をθ方向としている。

基台２は、実装装置１を構成する主な構造体である。基台２は充分な剛性を有するよう構成されている。基台２は、支持フレーム３とステージ４を支持している。

支持フレーム３は、加圧ユニット５を支持するものである。支持フレーム３は、基台２のステージ４近傍からＺ方向に延びるように構成されている。

ステージ４は、基板Ｗを保持しつつ、移動させるものである。ステージ４は、Ｙ方向駆動ユニット４ａ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂ、吸着テーブル４ｃによって構成されている。ステージ４は基台２に取り付けられ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂによって吸着テーブル４ｃをＸ方向に、Ｙ方向駆動ユニット４ａによって（Ｘ方向駆動ユニット４ｂおよび）吸着テーブル４ｃをＹ方向に移動できるように構成されている。また、図３には実装装置１の主要部分の断面図を示すが、吸着テーブル４ｃは基板Ｗを吸着するための基板吸着穴４Ｈを有しており、吸着テーブル４ｃ内に設けたステージ内流路４Ｅを経て真空ポンプ８に通じている。ここで、真空ポンプ８および、真空ポンプ８に通じる流路に設けたバルブ４Ｖの動作により基板吸着穴４Ｈ内を減圧して基板Ｗを吸着テーブル４ｃに吸着保持することが出来る。

以上の構成により、ステージ４は、基台２上において吸着テーブル４ｃが吸着した基板Ｗを、基板Ｗの面内方向であるＸ方向、Ｙ方向に移動させることが出来る。

ステージカバー４０は、基台２上に設けられ、ステージ４を収容するカバーであるが、ボンディングヘッド６と対向する上面には開口部４０Ｈを有している。なお、基板Ｗの出し入れに関しては、ステージカバー４０の側面に開閉部を設けて行なってもよいし、ステージカバー４０が上昇して基板Ｗの出し入れをする構成としてもよい。

ノズル４１はステージカバー４０に覆われた内部に気体を供給するために設けられ、図示していない弁とともに、本発明の給気手段を構成している。弁として、流量または圧力を制御可能なものを用いてもよい。ノズル４１から供給される気体の役割は、ステージカバー４０で覆われた内部の酸素濃度を下げることであり、不活性気体を用いる。不活性気体としては、窒素や希ガスを用いることが可能であるが、希ガスは高価であるので窒素を用いることが望ましい。

加圧ユニット５は、ボンディングヘッド６を移動させるものである。加圧ユニット５は、図示しないサーボモータによってボールねじを回転させることによりボールねじの軸方向の駆動力を発生させるよう構成されている。加圧ユニット５は、ボールねじの軸方向が基板Ｗに対して垂直なＺ方向の駆動力（加圧力）を発生するように構成されている。加圧ユニット５は、サーボモータの出力を制御することによりＺ方向の荷重Ｐｚを任意に設定できるように構成されている。ボンディング時の位置ズレの観点から、ボンディングヘッド６はＺ方向のみ可動できる構成とすることが望ましい。

なお、本実施形態において、加圧ユニット５は、サーボモータとボールねじの構成としたが、これに限定されるものではなく、空圧アクチュエータ、油圧アクチュエータやボイスコイルモータから構成してもよい。また、加圧ユニット５は、ボンディングヘッド６をθ方向に回転させる機能を有していてもよい。

ボンディングヘッド６は、加圧ユニット５の駆動力を半導体チップＣに伝達するとともに、半導体チップを加熱するものである。ボンディングヘッド６は、図３に示すように、アタッチメントツール６１、ヒータ６２、断熱ブロック６３、ヘッド本体６４から構成されている。

アタッチメントツール６１には電子部品吸着穴６Ｈが設けられ、電子部品吸着穴６Ｈはボンディングヘッド６内に形成されたヘッド内流路６Ｅを経て真空ポンプ８に通じている。ここで、真空ポンプ８および、真空ポンプ８に通じる流路に設けたバルブ６Ｖの動作により電子部品吸着穴６Ｈ内を減圧して半導体チップＣをアタッチメントツール６１に吸着保持することが出来る。またヒータ６２には、セラミックヒータ等の電熱部材が内蔵されており、ヒータ温度制御のための温度センサが内蔵されていてもよい。

ボンディングヘッド６は、加圧ユニット５を構成している図示しないボールねじとナットに取り付けられている。つまり、ボンディングヘッド６（のアタッチメントツール６１）はステージ４（の吸着テーブル４ｃ）と平行に対向するように配置されている。すなわち、ボンディングヘッド６は加圧ユニット５によってＺ方向に移動されることで、半導体チップＣを基板Ｗに接近させることが出来る。なお、ボンディングヘッド６がＺ方向に移動して半導体チップＣを基板Ｗに接近させる過程において、ステージカバー４０が障害とならないように、ステージカバー４０上面にある開口部４０Ｈはボンディングヘッド６を通過させる形状を有している。その際、ボンディング時の酸素濃度を充分に低下させるよう、また、ステージカバー４０内の圧力が上昇し過ぎないようボンディングヘッド６と開口部４０Ｈ（の縁）との隙間は０．１ｍｍ〜５ｍｍとすることが望ましい。また、アタッチメントツール６１で開口部４０Ｈの隙間を制限することもできる。この場合、種々のサイズに対応できるので好ましい。

実装装置１において、画像認識手段７は画像により半導体チップＣと基板Ｗの位置情報を取得するものである。画像認識手段７は、ステージ４に保持されている基板Ｗ上面の位置合わせマークと、ボンディングヘッド６に保持されている半導体チップＣの位置合わせマークを画像認識して、基板Ｗと半導体チップＣの（ＸＹ面内における）位置情報を取得するように構成されている。

制御部１０は、図４に示すように、ステージ４、ノズル４１、加圧ユニット５、ボンディングヘッド６、画像認識手段７と接続されている。また、真空ポンプ８は制御部１０から独立してもよいが、制御部１０に接続されていてもよい。制御部１０は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であっても、あるいはワンチップＬＳＩからなる構成であってもよい。制御部１０は接続先から信号を取得したり制御するための種々のプログラムやデータが収納されている。

制御部１０は、ステージ４に接続され、Ｙ方向駆動ユニット４ａ、Ｘ方向駆動ユニット４ｂを個々に制御する。また、制御部１０はバルブ４Ｖを制御することにより、吸着テーブル４ｃによる基板Ｗの吸着有無を制御する。このため、制御部１０は、Ｙ方向吸着ユニット４ａ、Ｙ方向吸着ユニット４ｂおよびバルブ４Ｖの制御により、基板ＷをＸＹ面内の位置を任意に変化させることが出来る。

制御部１０はノズル４１に接続され、ステージカバー４０に覆われた内部への不活性気体の供給有無を制御できる。具体的には、制御部１０はノズル４１に連結する弁の開閉制御により不活性気体の供給有無を制御し、弁として圧力や流量を制御する制御弁が用いられる場合においては圧力や流量をも制御することが出来る。

制御部１０は、加圧ユニット５に接続され、加圧ユニット５のＺ方向の高さおよび荷重Ｐｚを制御することができる（図４の５Ｚ）。また、加圧ユニット５がボンディングヘッド６のθ方向への回転機能を有している場合は、制御部５がボンディングヘッドのθ方向回転角を制御する構成としてもよい。また、制御部１０は、加圧ユニット５のＺ方向高さ情報を入手して、ステージカバー４０の開口部４０Ｈとボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１の相対位置を掌握する機能を有していてもよい。

制御部１０は、ボンディングヘッド６に接続され、ヒータ６２を所定の温度に制御することができる。また、制御部１０はバルブ６Ｖを制御することにより、アタッチメントツール６１による半導体チップＣの吸着有無を制御する。

制御部１０は、画像認識手段７に接続され、画像認識手段７の位置を制御するとともに、画像情報から基板Ｗと半導体チップＣの位置情報を取得することができる。

制御部１０は、真空ポンプ８と接続されているときは、実装動作開始前に真空ポンプ８を稼働するよう制御する。このため、バルブ４Ｖおよびバルブ６Ｖの開閉により、基板Ｗおよび半導体チップＣの吸着有無が制御される。

以下、図１から図４で説明した実装装置１を用いて、半導体チップＣを基板Ｗに実装する工程について、図５および図６を用いて説明する。

まず、図５（ａ）において、バンプＢを有する半導体チップＣはアタッチメントツール６１に吸着保持され、電極Ｅを有する基板Ｗは吸着テーブル４ｃに吸着保持されている。ここで、基板Ｗを吸着するための基板吸着穴４Ｈは、基板Ｗの電極Ｅが形成された箇所の裏面位置を避けるように配置されている。また、半導体チップＣを吸着する電子部品吸着穴は半導体チップＣのバンプＢが形成された箇所の裏面位置を避けるように配置されている。

本実施形態においてバンプＢおよび電極Ｅの素材は銅からなる銅バンプ、銅電極を想定しているが、半導体等の電子部品の接合に用いられるものであれば他の金属素材であってもよい。

図５（ａ）の状態において、基板Ｗの電極Ｅと半導体チップＣのバンプＢは対向状態にはあるものの対向面の垂直方向で電極ＥとバンプＢの位置は揃っていない。そこで、電極ＥとバンプＢの位置を揃えるための位置合わせ工程が必要となる。位置合わせに際しては、画像認識手段７を用いて基板Ｗと半導体チップＣの位置情報を取得するが、位置情報を取得する際には基板Ｗおよび半導体チップＣに設けられた位置合わせマークを用いることが望ましい。

また、位置合わせに際して、図２に示す実装装置１は、ＸＹ面内方向にステージ４を移動させ、θ方向にはボンディングヘッド６の向きを調整して、基板Ｗと半導体チップＣの相対位置を調整する構成となっている。ただし、相対位置を調整する機構はこれに限定されるものではなく、ステージ４がθ方向調整機能を有していてもよい。

位置合わせ工程が完了すると、基板Ｗと半導体チップＣの対向面に垂直方向に、電極ＥとバンプＢの位置が揃う（図５（ｂ））。この状態から、ボンディングヘッド６を下降させて、基板Ｗに半導体チップＣを接近させるのが接近工程である（図５（ｂ）→図６（ｃ）→図６（ｄ））。

この接近工程において、制御部１０はノズル４１から不活性気体ＧＰを供給するよう制御する。このため、接近工程においてステージカバー４０で覆われた内部の大気は不活性ガスに置換されて行き、酸素濃度は低下する。
ところで、同じ接近工程途上であっても、図５（ｂ）に示すように、ボンディングヘッド６のアタッチメント６１がステージカバー４０の開口部４０Ｈから離れているタイミングで不活性気体ＧＰの供給を開始すれば、供給した不活性気体ＧＰの多くが開口部４０Ｈから排出されるため無駄になる。一方において、半導体チップＣのバンプＢと基板Ｗの電極Ｅが接触する寸前で不活性気体ＧＰの供給を開始した場合は、不活性ガスへの置換が不充分な段階での接合開始となり好ましくない。そこで、図６（ｃ）に示すようにボンディングヘッド６のアタッチメントツール６１がステージカバー４０の開口部４０Ｈを通過するタイミングで不活性ガスＧＰの供給を開始するのが好ましい。

なお、ここで、ステージカバー４０の開口部４０Ｈの面積がボンディングヘッドの断面積に比べて大き過ぎると、ステージカバー４０の外部に排出される気体Ｇｅに不活性ガスＧＰも多く含まれるようになり、不活性ガスＧＰの利用効率が低くなり好ましくない。一方において、開口部４０Ｈの面積が小さい場合ボンディングヘッド６の下降時に開口部４０Ｈの縁とボンディングヘッド６が機械的に干渉する懸念があり好ましくない。特に、ボンディングヘッド６がθ方向回転機能を有している場合においては、干渉を生じる可能性が増す。このため、開口部４０Ｈを通過するボンディングヘッド６の最大断面積に対して、開口部４０Ｈの面積が１．０５から２．０倍の範囲にあることが好ましく、１．１倍から１．５倍の範囲にあることが更に望ましい。

なお、ステージカバー４０に覆われた内部の酸素濃度を充分に低下させたい場合は、図５（ｂ）に示すように、ボンディングヘッド６のアタッチメント６１がステージカバー４０の開口部４０Ｈから離れているタイミングから不活性ガスの供給してもよい。この場合、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈに接近する過程においては、開口部４０Ｈの面積が実質的な開口面積となるが、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈを通過する段階においては開口部４０Ｈの面積とボンディングヘッド６（開口部４０Ｈと同高さ部分）の面積との差が実質的な開口面積となる。このため、ノズル４１が供給する不活性ガスＧＰの量を、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈに接近する段階で多く、ボンディングヘッド６が開口部４０Ｈを通過開始後（図６（ｃ））に少なくするような構成としてもよい。

接近工程において、ボンディングヘッド６は半導体チップＣに圧力を加えることはない。しかし、半導体チップＣのバンプＢが基板Ｗの電極Ｅに接触すると、加圧なしでボンディングヘッド６を下降することが出来ない。このため、バンプＢが電極Ｅに接触するまでが接近工程となる。

バンプＢが電極Ｅに接触した後は、バンプＢと電極Ｅを接合させて半導体チップＣを基板Ｗに実装する。その際に、半導体チップCを基板Wに向けて加圧する必要があることから、この工程を加圧工程と呼ぶ（図６（ｄ））。

なお、接近工程で開始したノズル４１からの不活性ガスＧＰの供給は、加圧工程においても継続し、バンプＢと電極Ｅを含む空間を低酸素濃度に維持する。ここで、加圧工程開始時の、具体的な酸素濃度としては３％以下が望ましく、１％以下であることが更に望ましい。

このように、実装装置１ではステージ４を覆うステージカバー４１の内部は半密閉空間であり、空気を不活性ガスＧＰに置換しやすいため、バンプＢと電極Ｅを含む空間の酸素濃度を１％以下にするのは容易である。一方、図１２に示した実装装置１００ではバンプＢと電極Ｅを含む空間が開放系にあるため、酸素濃度を３％以下にするのも難しい。また、実装装置全体を密閉系に入れた場合と比べた場合、本実施形態では、気体の置換を行なう容積が限定されているため、ボンディングヘッド６が下降して行く過程のような短時間で酸素濃度を１％以下にすることも可能である。すなわち、気体を置換することに起因するタクトタイムの増加を抑えることが出来る。

加圧工程に際しては、ヒータ６２を加熱することで、アタッチメントツール６１経由で半導体チップCを加熱する。この加熱では、半導体チップCのバンプＢおよび、これと接触している基板Ｗの電極Ｅを１００℃以上にすることで、バンプＢと電極Ｅを形成する金属材が相互に拡散し易くなり、バンプＢと電極Ｅの接合の可能性が増す。このため、ヒータ６２の加熱温度は１００℃以上に設定される。ただし、バンプＢの温度が２００℃を超えるまで加熱すると、接合金属の酸化が進んだり、基板Ｗとして例えば耐熱性の低いプラスチックフィルムを用いるのには不適となるので、ヒータ６２の温度が２００℃を超えないように制御部１０がヒータ６２を制御する。この場合のヒータ６２の加熱温度とは、半導体チップＣと基板Ｗの間の温度である。例えば、半導体チップＣの間に熱伝対（ＳＦ５０）を挟むことにより測定することができる
加圧工程では、ヒータ６２を加熱した状態でボンディングヘッド６を下降させて、半導体チップＣを基板Ｗに向けて荷重Ｐｚで加圧するが、本発明においては更に半導体チップＣと基板Ｗの相互間で対向面に沿った方向で往復運動を行なう（図６ｄ）。
ところで、加圧工程において半導体チップＣと基板Ｗの相互間で対抗面に沿って往復運動を行なうというだけでは従来の超音波接合も包含される内容であるが、本発明は超音波接合と以下のような相違点がある。

実装装置１の場合、ステージ４により基板Ｗを面内方向に移動（図６（ｄ）のＷＭ）させることで、半導体チップＣと基板Ｗの相互間で対向面に沿った方向での往復運動が実現するので、ボンディングヘッド６の形状に超音波接合用ヘッドのような制限がなく、超音波接合に加えて大幅な荷重アップが図れる。更に、吸着テーブル４ｃとアタッチメントツール６１がともに平坦な面形状を有しているのであれば、ステージ４により基板Ｗを面内方向に移動させたとしても、半導体チップＣの位置によらず常に同じ圧力を印加することが可能となる。

まず、本発明で必要とする往復運動の回数は２回以上２０回が好ましい。また、本発明では往復運動を行なう時間が１秒以上１０秒以下であることが好ましい。すなわち、１秒以上で２回以上の往復運動で酸化膜除去が可能となり、１０秒以下で２０回以下の往復運動で充分な接合強度を得ることができる。

なお、前述のとおり超音波接合に比べて大きな荷重が印加された状態で、基板Ｗを面内方向に移動させる。このため、半導体チップＣのバンプＢが形成された箇所の裏面位置にアタッチメントツール６１の電子部品吸着穴６Ｈが配置されていると、半導体チップＣが電子部品吸着穴６Ｈにめり込むような変形をする可能性がある。同様に、基板Ｗの電極Ｅが形成された裏面位置に吸着テーブル４ｃの基板吸着穴４Ｈが配置されていると、基板Ｗが基板吸着穴４Ｈにめり込むように変形する可能性がある。そこで、これを避けるように、前述のように、基板吸着穴４Ｈおよび電子部品吸着穴６Ｈは配置されている。

このような実装装置１を用い、半導体チップＣのバンプＢと基板Ｗの電極が接合する条件について更に補足する。まずは往復運動の最大振れ幅であるが、バンプＢの直径の１％以上というのがバンプＢと電極Ｅが接続するための好ましい条件である。この条件を満たせば、バンプＢ先端と電極Ｅ表面の間の摩擦により金属酸化物等が除去され、露出した活性面同士が接合する。一方、最大振れ幅がバンプＢの直径の２０％を超えると、位置ズレによる接合信頼性が低下するので好ましくない。更に、位置合わせ工程における許容誤差も考慮すれば、往復運動の最大振れ幅はバンプ直径の１０％以下にするのが好ましい。

往復運動の方向として実装装置１では、図７（ａ）に示すＸ方向往復運動ＷＭｘとＹ方向往復運動ＷＭｙを独立に制御することができる。このため、Ｘ方向往復運動ＷＭｘとＹ方向往復運動ＷＭｙを同じ周波数で同位相で行なえば、両往復運動の振幅比に応じてＸＹ面内の任意な方向で往復運動を行なうことも可能である（図７（ｂ））。このため、半導体チップＣのバンプ配置に応じて、ＸＹ面内の最適な方向で往復運動を行なうことも可能である。

更に、Ｘ方向往復運動ＷＭｘとＹ方向往復運動ＷＭｙを同じ周波数で位相を変えるだけで、種々のパターン動作が可能になる。これは所謂リサージュ図形に相当するものであるが、単なる往復運動と異なり２次元的な動きとなるため、バンプＢの先端面においては摩擦を生じる面積が広がることが期待できる。図８（ａ）はその一例であり、Ｘ方向往復運動ＷＭｘとＹ方向往復運動ＷＭｙを位相差９０度に印加したものであり、基板Ｗは吸着テーブル４ｃとともに微小な円を描くように運動する（図８（ｂ））。

ここで、加圧工程においては、図９に示すように印加荷重Ｐｚを時間とともに上昇させても良い。これは、バンプＢの先端と電極Ｅが接触した直後は接触面で摩擦を生じさせるために低荷重としつつ、バンプＢと電極Ｅが接合した後は両者を密着させるために高荷重が必要となるためである。このように印加荷重Ｐｚが増加した状態になると、バンプＢと電極Ｅは良好な接合状態となる。このため、印加荷重Ｐａの増加に伴って、往復運動の振幅を（摩擦を生じさせる必要がある）当初よりも収束させてもよい。しかも、収束により振幅をゼロに近づければ、位置合わせを行なった相対位置とほぼ同じ位置関係で基板Ｗ上に半導体チップＣが実装されることになり好ましい。このようにして、基板Ｗに半導体チップＣを実装した状態を図６（ｅ）に示す。このように、基板Ｗに半導体チップＣが実装された半導体装置は、基板Ｗの電極Ｅと半導体チップＣのバンプＢとが強固に金属接合し、金属間化合物による脆化の問題もないので、製品としての信頼性が極めて高い。

なお、収束する往復運動の振幅変化は図１０（ａ）に示すようになるが、図８のようにＸ方向往復運動ＷＭｘとＹ方向往復運動ＷＭｙに位相差を持たせて振幅を収束させれば渦巻状の運動となる（図１０（ｂ））。このような渦巻状の運動においては、接合強度と位置精度を両立することが可能となる。

ところで、印加荷重Ｐｚに関しては、バンプＢの材質、直径、個数に応じて適正化する必要があるが、最大値においては、同様なバンプ条件で超音波接合を行なう場合の２倍以上とすることも可能である。

以上の実施形態は、電子部品として、１００個以上のバンプＢを有する半導体チップＣを基板Ｗに実装するのに好適である。例えば、約１０００個の銅バンプを有する半導体チップを基板Ｗに実装するのに際して、超音波接合に比較して２倍強の接合強度が得られ、バンプ位置の接合強度への影響もみられなかった。バンプ位置による接合強度への影響がない理由としては、半導体チップＣと基板Ｗの接合面全体が同様な平行運動をするためと考える。また、接合強度が向上した理由としては、低酸素濃度雰囲気により再酸化が抑制されているためと推察される。

なお、実施形態では、加圧工程において半導体チップＣと基板Ｗの相互間で対抗面に沿って往復運動を行なう際に、ステージ４を用いて基板Ｗを往復運動させたが、半導体チップＣを往復運動させてもよい。例えば、ボンディングヘッド６をＸＹ方向に微調整可能な加圧ユニット５を有している場合は、加圧ユニット５の動作により半導体チップＣをＺ方向に加圧しながらＸＹ面内で往復運動させてもよい。すなわち、加圧工程を行なう際に、加圧方向と垂直な面内の２方向以上から往復運動を印加することも可能となる。

また、実施形態において、バンプＢおよび電極Ｅは前処理なしでも接合し得ることを確認した。しかし、更に接合強度を高めて、バラツキを低減させるためにはバンプＢおよび電極Ｅの表面に生じている酸化膜を除去しておくことが望ましい。酸化膜を除去する手段としては、一般的な防錆剤やプラズマ処理が利用できるが、酸化膜除去を行なってから１分以内に実装装置で加圧工程を行なうことが好ましい。ただし、位置ズレの観点からは、剛性を高くできるステージ４を前後にさせる構成が好ましい。

ところで、従来技術として、ハンダバンプの表面酸化物を摩擦によって除去した後に、ハンダを融点以上に加熱して接合するという実装方法がある。しかし、本発明は、電子部品のバンプと基板の電極に銅を用いた場合も、加熱温度１００℃以上２００℃以下で接合を実現している。すなわち、銅からなるバンプの融点温度よりはるかに低い温度で実装を行なうものであり、この点において従来技術とは全く異なるものである。

１ 実装装置
２ 基台
３ フレーム
４ ステージ
４ａ Ｙ方向駆動ユニット
４ｂ Ｘ方向駆動ユニット
４ｃ 吸着テーブル
４Ｅ 排気流路
４Ｈ 基板吸着穴
５ 加圧ユニット
６ ボンディングヘッド
６Ｈ 電子部品吸着穴
７ 画像認識手段
８ 真空ポンプ
１０ 制御部
４０ ステージカバー
４０Ｈ 開口部
４１ ノズル
６１ アタッチメントツール
６２ ヒータ
Ｂ バンプ
Ｃ 半導体チップ
Ｅ 電極
Ｗ 基板

Claims (12)

1. 電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装装置であって、
   前記基板を保持し、前記基板を面内方向に移動可能なステージと、
   前記電子部品を保持して前記基板に向けて駆動および荷重を印加する機能を有するボンディングヘッドと、
   前記ステージを収容し、前記ボンディングヘッドと対向する位置には前記ボンディングヘッドが通過可能な開口部を有したステージカバーと、
   前記ステージカバー内に気体を供給する給気手段と、
   前記ステージ、前記ボンディングヘッド、前記給気手段の動作を制御する制御部を備え、
   前記ボンディングヘッドが下降して前記電子部品を前記基板に接近させる過程において、
   前記開口部の高さに対する前記ボンディングヘッドの高さ位置に応じて、前記制御部が前記給気手段を制御して、前記ステージカバー内に供給する気体の量を制御する実装装置。
2. 請求項１に記載の実装装置であって、前記ボンディングヘッドが前記電子部品を前記基板に加圧する時に、前記ステージが前記基板を前記加圧方向と垂直な方向に往復運動させるよう、前記制御部が前記ボンディングヘッドと前記ステージを制御する実装装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の実装装置であって、
   前記開口部を通過する前記ボンディングヘッドの最大断面積に対して、前記開口部の面積が１．０５倍から２．０倍の範囲である実装装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の実装装置であって、前記ステージは前記基板を吸着するための基板吸着穴を有し、前記ボンディングヘッドは前記電子部品を吸着するための電子部品吸着穴を有し、
   前記基板吸着穴は、前記基板の前記電極対向位置を避ける位置に配置し、
   前記電子部品吸着穴は、前記電子部品の前記バンプ対向位置を避けるよう配置した実装装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の実装装置を用いて、電子部品の有するバンプと基板が有する電極を接合して、基板上に電子部品を実装する実装方法であって、
   前記バンプが前記電極に対向配置されるよう、前記電子部品と前記基板の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記バンプと前記電極が接触するまで、前記電子部品を前記基板に接近させる接近工程と、
   前記バンプと前記電極が接触した後に、前記電子部品を前記基板に向けて加圧する加圧工程とを備え、
   前記加圧工程において、前記基板と前記電子部品の少なくとも一方に、前記加圧を行う方向と垂直な往復運動を印加する実装方法。
6. 請求項５に記載の実装方法であって、前記接近工程で前記給気手段が不活性気体の供給を開始し、
   前記加圧工程開始時点で、前記バンプと前記電極を含む空間の酸素濃度が１％以下である実装方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の実装方法であって、前記往復運動を、前記加圧を行なう方向と垂直な面内の少なくとも２方向から印加する実装方法。
8. 請求項５から請求項７のいずれかに記載の実装方法であって、前記加圧工程内に印加荷重を増加させる工程を含む実装方法。
9. 請求項５から請求項８のいずれかに記載の実装方法であって、前記往復運動が減衰振動であって、前記加圧工程内に振幅をゼロに近づけることを特徴とする実装方法。
10. 請求項５から請求項９のいずれかに記載の実装方法であって、前記加圧工程において、前記電子部品を１００℃以上２００℃以下に加熱する実装方法。
11. 請求項５から請求項１０のいずれかに記載の実装方法であって、前記バンプと前記電極の素材が銅である実装方法。
12. 前記電子部品としてバンプ数が１００個以上の半導体チップを用い、請求項５から請求項１１のいずれかの実装方法で前記半導体チップを基板に実装する、半導体装置の製造方法。

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