JPH097906A - 半導体素子の製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体素子部品と半導体基板との相対距離に
応じて接近速度を変化させて、最適な状態で能率良く半
導体素子部品を半導体基板に接合し得るようにする。 【構成】 半導体基板Ｗは第１試料台１により保持さ
れ、半導体素子部品Ｐは第２試料台２により保持された
状態のもとで、第２試料台２が第１試料台１に向けて接
近移動する。半導体素子部品Ｐには発光部２１と受光部
２２とが設けられており、受光部２２に入射する反射光
によって半導体素子部品Ｐと半導体基板Ｗとの距離が検
出される。半導体素子部品Ｐが半導体基板Ｗに対して所
定の距離にまで接近移動すると、第２試料台２の接近速
度は低速に切り換えられる。半導体素子部品Ｐと半導体
基板Ｗとに対する加圧力は最適値に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子部品を半導体
基板に接合して半導体装置を製造する半導体装置の製造
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】単一の半導体素子つまり半導体チップを
実装するシングルチップ実装では、パッケージとプリン
ト配線基板を伝播する信号遅延が大きくなり、パッケー
ジの持つ寄生容量やインダクタンスの影響も無視できな
くなっている。単一チップでの高速性能を複数チップか
らなるシステムでも損なわずに引き出すには、チップを
できるだけ近接して配置し、パッケージに起因するチッ
プ間の信号遅延を減らす必要がある。

【０００３】そこで、チップ同士を高密度に実装してチ
ップ間の遅延を防止するようにした技術として、マルチ
チップモジュール（ＭＣＭ）が開発されている。このマ
ルチチップモジュールの技術に関しては、たとえば、日
経ＢＰ社発行「ＶＬＳＩパッケージング技術（下）」、
１９９３年５月３１日発行、Ｐ２１６〜Ｐ２２２に記載
されている。

【０００４】通常、単一の半導体チップにはメモリー機
能素子部、ＣＰＵ機能素子部など複数の機能素子部が形
成されており、チップの製造時に複数の機能素子部のう
ち１つの機能素子部に不良が発生すると、他の機能素子
部が良好に形成されたとしても、そのチップを製品化す
ることはできない。

【０００５】そこで、所定の機能素子部のみを単一のチ
ップに形成し、これを半導体基板に接合することが可能
であれば、所望の機能全てを有する半導体素子を歩留り
良く製造することが可能であるとの観点より、本発明者
は種々の検討を行った。

【０００６】以下は、本発明者によって検討された技術
であり、その概要は次のとおりである。

【０００７】すなわち、所定の機能素子部を有する半導
体素子は厚さが数１０μｍ〜数１００μｍの薄膜に形成
されることになり、これを半導体基板つまりシリコンウ
エハに接合する実験を行ったところ、半導体素子の割れ
や欠けが発生し易いことが判明した。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】半導体素子に厚さ数１
０μｍ〜数１００μｍ程度の薄膜を用いるため、半導体
基板に対する接合状態により半導体素子の割れ、欠けが
発生し易い。この原因の１つに、加圧接合した瞬間の接
合速度の大きさが考えられる。これまでの開発では、接
合処理の時間を短縮するために、所定の機能素子部を有
する半導体素子部品を半導体基板の近傍にまでは迅速に
接近移動し、これらが接合した瞬間の接合速度が最小と
なるように、半導体素子部品の移動速度をこれが半導体
基板の近傍にまで移動した後には低下させるようにし
た。

【０００９】しかし、接合した瞬間に接合速度が最小と
なるようにした場合に問題となるのは、半導体素子の品
種とか、三次元構造など多層接合させる場合などによる
接合物の厚さの違いや、取付状態により発生する基板、
半導体素子間の距離の変動により発生する接合時の加圧
速度が変動することである。この変動が半導体素子部品
の割れや欠けなどのダメージの１つの原因となってお
り、接合処理を自動化する際の大きな問題となってい
る。

【００１０】また、接合圧力についても半導体素子部品
の品種などによって最適な圧力値が相違し、ある品種で
は最適な加圧力であっても他の品種については割れが発
生したり、接合が不十分となることがある。

【００１１】本発明の目的は、半導体素子部品を半導体
基板に接合する際に、半導体素子部品と半導体基板との
相対距離に応じて接近速度を変化させて、最適な状態で
能率良く接合し得るようにすることにある。

【００１２】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１４】すなわち、本発明の半導体素子の製造方法
は、半導体素子部品と半導体基板とが所定の距離に接近
するまではこれらを高速で接近移動し、所定の距離まで
接近した後は接触するまでは低速で接近移動し、接触状
態を所定時間維持し、半導体素子部品と半導体基板とを
固相拡散により接合することを特徴とする。そして、半
導体素子部品と半導体基板とが接触した後にはこれらの
加圧力を所定の値に設定するようにしたことを特徴とす
る。

【００１５】また、本発明の半導体素子の製造装置は、
半導体基板を保持する第１試料台と、第１試料台に対し
て相対的に接近離反移動自在に配置され半導体素子部品
を保持する第２試料台と、半導体素子部品と半導体基板
との距離を検出する距離検出手段と、半導体素子部品の
半導体基板に対する距離に応じて第２試料台の第１試料
台に対する相対移動速度を変化させる駆動制御手段とを
有することを特徴とする。半導体素子部品と半導体基板
との距離は、半導体素子部品に受光部と発光部とを設け
て直接検出するようにしても良く、リニアーエンコーダ
によって第１試料台と第２試料台との距離から検出する
ようにしても良い。

【００１６】さらに、本発明の半導体素子の製造装置
は、半導体素子部品と半導体基板とを加圧する加圧力を
加圧力制御手段を有している。そして、接合される半導
体素子部品や半導体基板の全ての種類についてこれらの
間の接近距離に応じた最適な加圧力が予めメモリに格納
されており、これらが所定の位置まで接近したならば、
最適な加圧力によって接合される。

【００１７】

【作用】前記半導体素子の製造方法および装置にあって
は、半導体素子部品と半導体基板の種類に応じてこれら
の間が所定の距離となるまでは高速で接近移動させるこ
とにより、接合処理を迅速に行うことができる。また、
所定の距離となるまで接近移動した後には接触するまで
は低速で移動することになり、半導体素子部品の割れや
欠けの発生が防止される。低速移動が開始される位置は
半導体素子部品などの厚さに応じて調整されるので、厚
みが相違した複数の種類の半導体素子部品について最適
な状態で接合することができる。

【００１８】接合処理がなされる全ての種類の半導体素
子部品についての厚みなどのデータを予めメモリに格納
しておき、加圧時にそのデータを読み出して接近移動速
度、加圧力を制御することにより、自動的に加圧処理を
行うことができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００２０】（実施例１）図１は本発明の一実施例であ
る半導体素子の製造装置を示す図であり、装置本体３は
シリコン製の半導体基板Ｗを保持する第１試料台１と、
半導体素子部品Ｐを保持する第２試料台２とを有し、第
１試料台１は台座１ａの上に設けられ、第２試料台２は
第１試料台１の上方に位置してこれに対して接近離反移
動自在となっている。ただし、これらの試料台１，２は
相互に相対的に接近離反移動するようになっていれば良
く、上側の第２試料台２を固定式とし、下側の第１試料
台１を上下動させるようにしても良い。

【００２１】第２試料台２を第１試料台１に向けて接近
離反移動させるために、第２試料台２は装置本体３に固
定された油圧シリンダ４の図示省略したロッドに取り付
けられている。

【００２２】油圧シリンダ４には油圧ポンプなどを有す
る油圧源５が油圧路６により接続されており、この油圧
源５からの油圧によって油圧シリンダ４が作動するよう
になっている。この油圧路６には油圧源５からの油圧の
圧力を制御する圧力制御弁７が設けられ、さらに油路６
にはエアハイドロコンバータ８が設けられている。この
エアハイドロコンバータ８は、供給される空気圧によっ
て油圧シリンダ４に流入する油圧の出力を制御する。

【００２３】このエアハイドロコンバータ８に空気圧を
供給するために、これと空気圧源１１との間に接続され
た空気圧路１２には、電空レギュレータ１３が設けられ
ている。この電空レギュレータ１３は供給される電圧値
に応じてエアハイドロコンバータ８への空気圧の出力を
制御する。

【００２４】電空レギュレータ１３には電圧発生器１４
とリレー１５とを有する電圧制御器１６が接続されてお
り、この電圧制御器１６は、リレー１５が接点ａに切り
換わると高い電圧を出力し、リレー１５が接点ｂに切り
換わると低い電圧を出力する。リレー１５はコンパレー
タ１７からの出力信号により作動するようになってい
る。前述したエアハイドロコンバータ８、電空レギュレ
ータ１３、および電圧制御器１６は半導体素子部品Ｐと
半導体基板Ｗとの間の距離に応じて第２試料台２の接近
速度を変化させる駆動制御手段を構成している。

【００２５】半導体素子部品Ｐにはこれと半導体基板Ｗ
との距離を直接測定するために、発光部２１と受光部２
２が組み込まれており、発光部２１から照射されて半導
体基板Ｗの表面で反射した光を受光部２２が受光するこ
とにより、その反射光の強度に応じて半導体素子部品Ｐ
と半導体基板Ｗとの距離が検出される。発光部２１と受
光部２２は距離検出手段を構成しており、受光部２２か
らの信号はアンプ２３を介してコンパレータ１７に送ら
れる。

【００２６】図示する場合には、第２試料台２が第１試
料台１に対して所定の距離となるまでは、リレー１５は
接点ａの位置に設定されることになり、電空レギュレー
タ１３には高い電圧が供給される。これにより、エアハ
イドロコンバータ８には空気圧源１１からの空気圧が大
きな出力で供給され、油圧シリンダ４には多くの油圧が
供給されることになり、第２試料台２は早い速度で第１
試料台１に向けて前進する。

【００２７】半導体素子部品Ｐが半導体基板Ｗに対して
所定の距離まで接近すると、受光部２２により受光され
る反射光の強度が所定のしきい値を超える。これによ
り、コンパレータ１７からの信号によってリレー１５は
接点ｂに切り換わり、電空レギュレータ１３に供給され
る電圧がそれまでよりも低くなり、エアハイドロコンバ
ータ８を介して油圧シリンダ４内に供給される油圧の量
が低下する。したがって、第２試料台２は第１試料台１
に減速されて接近移動する。油圧の流量が減少すること
によって、絞り作用により油の圧力も低下することにな
り、半導体素子部品Ｐが半導体基板Ｗに接触する加圧力
は最小となり、過度の加圧力が半導体素子部品Ｐに加わ
らないように制御される。このように、電圧制御器１６
などによって構成される駆動力制御手段は、加圧力を制
御する加圧力制御手段をも構成している。

【００２８】図示実施例では、第２試料台２が第１試料
台１に対して所定の接近距離となるまでは一定の速度で
第２試料台２を前進移動するようにし、さらに接近移動
して半導体素子部品Ｐが半導体基板Ｗに接近するまでは
それまでよりも低い速度で移動するようにしており、接
近速度には大小の２種類が設定され、その２種類の速度
に応じた２種類の加圧力に設定されている。これに対し
て、３段階あるいはそれ以上の段階で、接近速度を減速
するようにしたり、ある程度まで接近した後には無段階
で徐々に速度を減速するようにしても良い。

【００２９】このように、図１に示す半導体素子の製造
装置にあっては、半導体素子部品Ｐに発光部２１と受光
部２２とを設けることによって、半導体素子部品Ｐと半
導体基板Ｗとの間隔を直接的に検出することができ、半
導体基板Ｗや半導体素子部品Ｐの厚みが変化した場合で
も同一の装置を用いて、それぞれ同一の距離まで接近し
たときに、最適な速度と最適な加圧力によって半導体素
子部品Ｐを半導体基板Ｗに接触させることができる。

【００３０】半導体素子部品Ｐと半導体基板Ｗの接合面
は生地のままでも良く、接合面に金などの金属をコーテ
ィングしておき、金属同士で接合するようにしても良
い。これらの両部材が接触され所定の加圧力が加えられ
た状態のもとで、これらを図示しない熱源を用いて加熱
することより、両部材は固相拡散接合される。なお、接
触する前に予め両部材あるいは一方の部材を予熱するよ
うにしても良い。

【００３１】（実施例２）図２は本発明の他の実施例で
ある半導体素子の製造装置を示す図であり、この図にあ
っては図１に示される装置における部材と共通の部材に
は同一の符号が付されており、重複する説明を省略す
る。

【００３２】この場合には、第２試料台２の第１試料台
１に対する距離を検出するために、装置本体３にはリニ
アエンコーダ２４が設けられ、第２試料台２には作動部
材２５が設けられている。リニアエンコーダ２４として
は、作動部材２５に設けられた磁石により作動してその
位置を検出するタイプ、あるいは作動部材２５に多数の
貫通孔を設け、作動部材２５に向けてリニアエンコーダ
２４から光を照射するようにし、光が透過する貫通孔の
位置に基づいて作動部材２５の位置そして第２試料台２
の位置を検出するようにしても良い。

【００３３】コンパレータ１７には制御部２６が接続さ
れており、この制御部２６に接続された図示しない操作
パネルのキーを用いて半導体基板Ｗと半導体素子部品Ｐ
の種類が入力されるようになっている。それぞれの種類
に応じて、制御部２６内に組み込まれたメモリにはその
厚みのデータが格納されており、それぞれの厚みに応じ
て第２試料台２が第１試料台１に対してどの程度接近し
たときに、半導体素子部品Ｐと半導体基板Ｗとの間の距
離がどの程度となるかが演算される。

【００３４】この場合にも、前記実施例と同様に、第２
試料台２の接近移動速度は、大小の２種類に設定されて
おり、第２試料台２が第１試料台１に対して所定の距離
まで接近したことをリニアエンコーダ２４からの信号に
よって検出すると、第２試料台２は減速された速度で接
近移動し、同時に加圧力も最適値にまで低下される。速
度と加圧力とを切り換える位置は、制御部２６を用いて
入力された設定値によって任意の位置に設定することに
より、半導体素子部品Ｐがどのような種類でも、両方の
部材が同様の間隔となった状態で接近速度を低下させる
ように制御することができる。

【００３５】（実施例３）図３は本発明のさらに他の実
施例である半導体素子の製造装置を示す図であり、基本
構造は図２に示す装置と同様となっており、図３にあっ
ては図１および図２に示す部材と共通する部材には同一
の符号が付され、重複した説明を省略している。

【００３６】この場合には、第１試料台１とこれを支持
する台座１ａとの間にはロードセル３１が設けられてお
り、このロードセル３１によって第１試料台１に加えら
れる加圧力が検出される。このロードセル３１はＡ／Ｄ
変換器３２を介して制御部３３に接続されており、この
制御部３３にはＣＰＵ３４およびメモリ３５などが設け
られ、ＣＰＵ３４からはコンパレータ１７に対して制御
信号が送られる。

【００３７】第２試料台２による半導体素子部品Ｐに対
する加圧力を相違させて、製造される全ての半導体素子
部品Ｐと半導体基板Ｗとについて実験を行なう。加圧力
の値は制御部３３に設けられた図示しない表示部に表示
され、実験した加圧力の値と接合状態つまり割れなどを
発生させることなく適切に接合されたか否かなどとを比
較することにより、最適な圧力値を各々の半導体素子部
品Ｐについて求めることができる。

【００３８】複数種類の半導体基板Ｗと半導体素子部品
Ｐとについて、最適な加圧値を求めて、各々の半導体基
板Ｗなどの種類について接近位置に応じた加圧値のデー
タがメモリ３５に格納される。

【００３９】したがって、半導体素子部品Ｐを接合する
場合には、図示しない操作パネルなどを用いて半導体素
子部品Ｐなどの種類が入力される。その入力値に応じて
メモリ３５内のデータが読み出されることになる。した
がって、第２試料台２が第１試料台１に接近するに伴っ
て、半導体素子部品Ｐが半導体基板Ｗに対して所定の位
置となったことが、リニアエンコーダ２４により検出さ
れたならば、リレー１５が接点ｂに切り換わって、低速
で第２試料台２が第１試料台１に接近移動することにな
るとともに、加圧力も最適値に設定される。ロードセル
３１によって加圧力を検出することができるので、加圧
時の値を制御部３３にフィードバックすることも可能と
なる。

【００４０】図４は図３に示す装置の作動状態を示すフ
ローチャートであり、これを参照しつつ図４に示す装置
により半導体素子の製造手順について説明する。

【００４１】装置が起動されると、ステップＳ１ではＣ
ＰＵ３４などが初期状態に設定される。この状態のもと
で、作業者により半導体素子部品Ｐと半導体基板Ｗの種
類がステップＳ２において入力される。装置の作動を指
令する開始スイッチがステップＳ３で操作されると、半
導体素子部品Ｐと半導体基板Ｗについて予めメモリ３５
に格納されたデータがステップＳ４で読み出される。

【００４２】まず、リレー１５は接点ａとなって第２試
料台２は第１試料台１に向けて高速で接近移動する（ス
テップＳ５）。ステップＳ６で半導体素子部品Ｐと半導
体基板Ｗとの間の距離が所定の距離まで接近したことが
検出されたならば、第２試料台２は、ステップＳ７で低
速接近に切り換わり、ステップＳ８で半導体素子部品Ｐ
が半導体基板Ｗに接触したことが検出されたならば、ス
テップＳ９で加圧値の検出が実行される。

【００４３】予め設定された加圧値まで上昇したこと
が、ステップＳ１０で判断されたならば、ステップＳ１
１でその圧力値が維持され、設定された加圧値まで達し
ていないと判断された場合には、ステップＳ１２で圧力
を増加する。設定された圧力は接合に要する時間だけ保
持されることになり、ステップＳ１３で所定の時間が経
過したことを検出したならば、接合処理は終了する。接
合に際しては、半導体基板Ｗなどは所定の温度に加熱さ
れる。

【００４４】図３に示す実施例では、予めメモリ３５に
格納したデータに基づいて、接近速度を低速に設定する
位置および加圧力値を自動的に制御することができる。

【００４５】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００４６】たとえば、図１に示すように、半導体素子
部品Ｐに発光部２１と受光部２２を設け、これを図３に
示す装置に搭載するようにしても良い。

【００４７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００４８】(1).半導体素子部品や半導体基板の厚さや
接合位置が変化しても、これらが接触した瞬間の両者の
接近移動速度を最適値にすることができるので、半導体
素子部品の割れや欠けの発生を防止することができる。

【００４９】(2).半導体素子部品に発光部と受光部とを
設けることにより、これらの間の距離を直接検出するこ
とができる。

【００５０】(3).半導体素子部品と半導体基板との距離
をリニアエンコーダによって検出し、予め格納された半
導体素子部品の厚みデータを読み出してこれらの間の距
離を求めることができる。

【００５１】(4).加圧力をロードセルなどの加圧力検出
手段によって求めることにより、接触時の加圧力を最適
値に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体素子の製造装置
を示す概略正面図である。

【図２】本発明の他の実施例である半導体素子の製造装
置を示す概略正面図である。

【図３】本発明のさらに他の実施例である半導体素子の
製造装置を示す概略正面図である。

【図４】図３に示す装置の作動状態を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１ 第１試料台 ２ 第２試料台 ３ 装置本体 ４ 油圧シリンダ ５ 油圧源 ６ 油圧路 ７ 圧力制御弁 ８ エアハイドロコンバータ １１ 空気圧源 １２ 空気圧路 １３ 電空レギュレータ １４ 電圧発生器 １５ リレー １６ 電圧制御器 １７ コンパレータ ２１ 発光部 ２２ 受光部 ２３ アンプ ２４ リニアエンコーダ ２５ 作動部材 ２６ 制御部 ３１ ロードセル ３２ Ａ／Ｄ変換器 ３３ 制御部 ３４ ＣＰＵ ３５ メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 誠一郎 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立東 京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 宇佐美 光雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 徳田 正秀 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子部品を半導体基板に接合する
   半導体素子の製造方法であって、半導体素子部品と半導
   体基板とが所定の距離に接近するまではこれらを高速で
   接近移動し、所定の距離まで接近した後は接触するまで
   は低速で接近移動し、接触状態を所定時間維持し、前記
   半導体素子部品と前記半導体基板とを固相拡散により接
   合することを特徴とする半導体素子の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体素子の製造方法で
   あって、前記半導体素子部品と前記半導体基板とが接触
   した状態におけるこれらの加圧力を所定の値に設定する
   ようにしたことを特徴とする半導体素子の製造方法。
3. 【請求項３】 半導体素子部品を半導体基板に接合する
   半導体素子の製造装置であって、前記半導体基板を保持
   する第１試料台と、前記第１試料台に対して相対的に接
   近離反移動自在に配置され前記半導体素子部品を保持す
   る第２試料台と、前記半導体素子部品と前記半導体基板
   との距離を検出する距離検出手段と、前記半導体素子部
   品の前記半導体基板に対する距離に応じて前記第２試料
   台の前記第１試料台に対する相対移動速度を変化させる
   駆動制御手段とを有することを特徴とする半導体素子の
   製造装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の半導体素子の製造装置で
   あって、前記距離検出手段は前記半導体素子部品にそれ
   ぞれ設けられた発光部と受光部とからなり、前記発光部
   から照射されて前記半導体基板で反射した光の強度を前
   記受光部で検出することにより、前記半導体素子部品と
   前記半導体基板との距離を検出するようにしたことを特
   徴とする半導体素子の製造装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載の半導体素子の製造装置で
   あって、前記距離検出手段は前記第２試料台と前記第１
   試料台との距離を検出するリニアエンコーダからなり、
   前記第２試料台と前記第１試料台との距離に基づいて、
   前記半導体素子部品と前記半導体基板との距離を検出す
   るようにしたことを特徴とする半導体素子の製造装置。
6. 【請求項６】 請求項３〜５のいずれか１項に記載の半
   導体素子の製造装置であって、前記第２試料台と前記第
   １試料台とを前記半導体素子部品と前記半導体基板とを
   介して加圧するときの加圧力を制御する加圧力制御手段
   を有することを特徴とする半導体素子の製造装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体素子の製造装置で
   あって、前記第２試料台と前記第１試料台とを前記半導
   体素子部品と前記半導体基板とを介して加圧したときの
   加圧力を検出する加圧力検出手段と、前記第２試料台の
   前記第１試料台に対する位置に応じた前記第２試料台の
   加圧力を記憶するメモリーと、前記距離検出手段からの
   信号に基づいて前記第２試料台の位置に応じた加圧力を
   演算して前記加圧力制御手段に制御信号を送る演算手段
   とを有することを特徴とする半導体素子の製造装置。