WO2024147188A1

WO2024147188A1 - 半導体チップのアライメント方法、接合方法、電子部品製造装置、並びに電子部品製造システム

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Publication number: WO2024147188A1
Application number: PCT/JP2023/000129
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Inventors: 広菊地; 瑾李; 憲雅永田; 正明宮武
Original assignee: Tokyo University of Science; Yamaha Robotics Co Ltd
Current assignee: Tokyo University of Science; Yamaha Robotics Co Ltd
Priority date: 2023-01-06
Filing date: 2023-01-06
Publication date: 2024-07-11
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Abstract

積層される第１半導体チップ（２２１）と第２半導体チップ（２３１）とのアライメント方法であって、第１半導体チップ（２２１）を超音波加振し、超音波振動している第１半導体チップ（２２１）に重なるように第２半導体チップ（２３１）の下面（２３１ａ）を第１半導体チップ（２２１）の上面（２２１ａ）に近接させて第２半導体チップ（２３１）を開放し、第２半導体チップ（２３１）を第１半導体チップ（２２１）の上にセルフアライメントさせる。

Description

半導体チップのアライメント方法、接合方法、電子部品製造装置、並びに電子部品製造システム

　本発明は、積層される半導体チップのアライメント方法、接合方法、電子部品製造装置、並びに電子部品製造システムの構成に関する。

　電極にはんだバンプを形成した半導体チップの上に半導体チップを積層して押圧により仮接合した後、リフロー炉において加熱し、はんだが液状になる際の表面張力と界面張力によりセルフアライメントを行わせ、その後、温度を低下させてはんだを固化させて半導体チップを積層接合する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、はんだを固化させた後、半導体チップの隙間に樹脂を充填して封止を行い積層した電子部品とする。

特開２００９－１１０９９５号公報

　ところで、特許文献１に記載された従来技術では、溶融したはんだにより積層した半導体チップのセルフアライメントを行うことはできるが、はんだを固化させた後に隙間に樹脂を充填することが必要となるなど、工程が複雑であり、改善の余地があった。

　そこで、本発明は、積層した半導体チップのアライメント、接合を簡便な方法で行うことを目的とする。

　本発明のアライメント方法は、積層される第１半導体チップと第２半導体チップとのアライメント方法であって、第１半導体チップを超音波加振し、超音波振動している第１半導体チップに重なるように第２半導体チップの下面を第１半導体チップの上面に近接させて第２半導体チップを開放し、第２半導体チップを第１半導体チップの上にセルフアライメントさせること、を特徴とする。

　このように、下側の半導体チップを超音波振動させることにより上側の半導体チップを下側の半導体チップの上にセルフアライメントさせるので、簡便な方法で半導体チップのセルフアライメントを行うことができる。

　本発明のアライメント方法において、第１半導体チップと第２半導体チップとは外形形状が同一でもよい。

　これにより、セルフアライメントの精度を向上させることができる。

　本発明のセルフアライメント方法において、超音波加振は、ウェーハ又は基板を超音波加振することによりウェーハ又は基板の上に搭載された複数の第１半導体チップを超音波加振し、セルフアライメントさせることは、超音波振動している一の第１半導体チップに重なるように一の第２半導体チップの下面を一の第１半導体チップの上面に近接させて一の第２半導体チップを開放する動作を複数の第１半導体チップ毎に繰り返して実行し、複数の第２半導体チップを複数の第１半導体チップの上にセルフアライメントさせてもよい。

　これにより、複数の第２半導体チップを複数の第１半導体チップの上に同時にセルフアライメントすることができる。また、複数の第２半導体チップを各第１半導体チップの上にセルフアライメントするまでの間、超音波加振を停止しないので、上側に第２半導体チップが浮遊していない第１半導体チップの上に異物が付着することを抑制でき、ボンディング品質を向上させることができる。

　本発明の接合方法は、第１半導体チップの上に第２半導体チップを積層接合する接合方法であって、第１半導体チップを超音波加振する超音波加振工程と、超音波振動している第１半導体チップに重なるように第２半導体チップの下面を第１半導体チップの上面に近接させて第２半導体チップを開放し、第２半導体チップを第１半導体チップの上にセルフアライメントさせるセルフアライメント工程と、第２半導体チップの下面が第１半導体チップの上面に接触するまで第１半導体チップの超音波加振を低減し、第１半導体チップに第２半導体チップを積層接合する接合工程と、を備えること、を特徴とする。

　これにより、簡便な方法で半導体チップを積層接合することができる。

　本発明の接合方法において、第１半導体チップと第２半導体チップとは外形形状が同一でもよい。

　本発明の接合方法において、超音波加振工程は、ウェーハ又は基板を超音波加振することによりウェーハ又は基板の上に搭載された複数の第１半導体チップを超音波加振し、セルフアライメント工程は、超音波振動している一の第１半導体チップに重なるように一の第２半導体チップの下面を一の第１半導体チップの上面に近接させて一の第２半導体チップを開放する動作を複数の第１半導体チップ毎に繰り返して実行し、複数の第２半導体チップを複数の第１半導体チップの上にセルフアライメントさせ、接合工程は、各第２半導体チップの各下面が各第１半導体チップの各上面に接触するまでウェーハ又は基板の超音波加振を低減し、各第１半導体チップに各第２半導体チップを積層接合してもよい。

　これにより、複数の第２半導体チップを複数の第１半導体チップの上に同時にセルフアライメントし、同時に接合することができる。また、複数の第２半導体チップを各第１半導体チップの上にセルフアライメントするまでの間、超音波加振を停止しないので、上側に第２半導体チップが浮遊していない第１半導体チップの上に異物が付着することを抑制でき、ボンディング品質を向上させることができる。

　本発明の接合方法において、第１半導体チップの上面を親水化する第１親水化工程と、第２半導体チップの下面を親水化する第２親水化工程と、を含み、接合工程は、親水化した第１半導体チップの上面に親水化した第２半導体チップの下面を接触させて接合する親水化接合工程と、親水化接合した第１半導体チップと第２半導体チップとを加熱して第１半導体チップの電極と第２半導体チップの電極とを熱拡散接合する熱拡散接合工程とを含んでもよい。

　このように、親水化接合により半導体チップの表面同士を接合し、各電極を熱拡散接合で接合することにより、簡便な方法で半導体チップの積層接合を行うことができる。

　本発明の接合方法において、ウェーハ又は基板の上に搭載された複数の第１半導体チップの上面をそれぞれ親水化する第３親水化工程と、複数の第２半導体チップの下面をそれぞれ親水化する第４親水化工程と、を含み、接合工程は、親水化した各第１半導体チップの各上面に親水化した各第２半導体チップの各下面をそれぞれ接触させて接合する親水化接合工程と、親水化接合した各第１半導体チップと各第２半導体チップとをウェーハ又は基板と共に加熱して各第１半導体チップの各電極と各第２半導体チップの各電極とをそれぞれ熱拡散接合する熱拡散接合工程とを含んでもよい。

　これにより、複数の半導体チップを同時に親水化接合し、各電極を同時に熱拡散接合することができる。

　本発明の接合方法において、第１半導体チップの上面を活性化する第１活性化工程と、第２半導体チップの下面を活性化する第２活性化工程と、を含み、
　接合工程は、活性化した第１半導体チップの上面に活性化した第２半導体チップの下面を表面活性化接合で接合してもよい。

　これにより、表面活性化接合により半導体チップの積層接合を行うことができる。

　本発明の電子部品製造装置は、第１半導体チップに第２半導体チップを積層接合する電子部品製造装置であって、上側の吸着面に第１半導体チップを吸着固定するステージと、第２半導体チップを把持、開放するコレットと、コレットをステージの吸着面に沿った方向と吸着面に接離する方向に移動させるボンディングヘッドと、ステージを超音波加振する超音波加振器と、コレットとボンディングヘッドと超音波加振器との動作を調整する制御部と、を備え、制御部は、情報処理を行うプロセッサを備え、プロセッサは、超音波加振器によってステージを超音波加振して第１半導体チップを超音波加振し、ボンディングヘッドにより第２半導体チップを把持したコレットを第１半導体チップに重なる位置に移動させ、第２半導体チップの下面が第１半導体チップの上面に近接するまでコレットを下降させ、コレットに第２半導体チップを開放させて第２半導体チップを第１半導体チップの上にセルフアライメントさせ、超音波加振器の出力を低減して第２半導体チップの下面を第１半導体チップの上面に接触させて、第１半導体チップに第２半導体チップを積層接合すること、を特徴とする。

　本発明の電子部品製造装置において、第１半導体チップと第２半導体チップとは外形形状が同一でもよい。

　本発明の電子部品製造装置において、ステージは、複数の第１半導体チップが搭載されたウェーハ又は基板を吸引固定し、制御部のプロセッサは、超音波加振器によってステージを超音波加振してウェーハ又は基板の上に搭載された複数の第１半導体チップを超音波加振し、ボンディングヘッドにより一の第２半導体チップを把持したコレットを一の第１半導体チップに重なる位置に移動させ、一の第１半導体チップの上面に近接するまでコレットを下降させ、コレットに一の第２半導体チップを開放させる動作を繰り返して実行し、複数の第２半導体チップを複数の第１半導体チップの上にセルフアライメントさせ、超音波加振器の出力を低減して各第２半導体チップの各下面を各第１半導体チップの各上面に接触させて、各第１半導体チップに各第２半導体チップを積層接合してもよい。

　本発明の電子部品製造システムは、電子部品製造装置を含む電子部品製造システムであって、親水化装置と、加熱装置とを更に含み、親水化装置は、第１半導体チップの上面と、第２半導体チップの下面とを親水化して電子部品製造装置に供給し、電子部品製造装置のプロセッサは、超音波加振器の出力を低減して第２半導体チップの親水化処理された下面を第１半導体チップの親水化処理された上面に接触させて、第１半導体チップと第２半導体チップとを親水化接合させ、加熱装置は、第１半導体チップに第２半導体チップを親水化接合した接合体を加熱して第１半導体チップの電極と第２半導体チップの電極とを熱拡散接合さてもよい。

　これにより、効率的に半導体チップを積層した電子部品を製造することができる。

　本発明の電子部品製造システムは、電子部品製造装置を含む電子部品製造システムであって、親水化装置と、加熱装置とを更に含み、親水化装置は、各第１半導体チップの各上面と、各第２半導体チップの各下面とを親水化して電子部品製造装置に供給し、電子部品製造装置のプロセッサは、超音波加振器の出力を低減して各第２半導体チップの親水化処理された各下面を各第１半導体チップの親水化処理された各上面に接触させて、各第１半導体チップと各第２半導体チップとを親水化接合させ、加熱装置は、各第１半導体チップに各第２半導体チップを親水化接合した接合体を加熱して各第１半導体チップの各電極と各第２半導体チップの各電極とを熱拡散接合させてもよい。

　本発明は、積層した半導体チップのアライメント、接合を簡便な方法で行うことができる。

実施形態の電子部品製造システムの概略構成を示す系統図である。実施形態のボンディング装置の構成を示す系統図である。図１に示す電子部品製造システムの動作を示すフローチャートである。図２に示すボンディング装置に第１半導体チップが取り付けられたウェーハと第２半導体チップとを搬入する工程を示す説明図である。図２に示すボンディング装置において、第２半導体チップをピックアップして第１半導体チップの上に位置合わせする工程を示す説明図である。第２半導体チップを第１半導体チップの上に位置合わせした状態で超音波加振を開始し、コレットを下降させて第１半導体チップに近接させた状態を示す説明図である。第２半導体チップのセルフアライメントを示す説明図である。図７に示すＡ部の詳細断面図である。第２半導体チップの親水化接合を示す説明図である。図８に示すＢ部の詳細断面図である。２つ目の第２半導体チップのセルフアライメントを示す説明図である。全ての第２半導体チップの親水化接合が終了した中間製品を示す説明図である。中間製品を親水化装置に搬出する搬出工程を示す説明図である。所定段数の第２半導体チップを積層した電子部品の熱拡散接合工程を示す説明図である。図１に示す電子部品製造システムの他の動作を示すフローチャートである。図１５に示す動作中における、図２に示すボンディング装置でのセルフアライメントを示す説明図である。図１５に示す動作中における、図２に示すボンディング装置での親水化接合を示す説明図である。他の実施形態の電子部品製造システムの概略構成を示す系統図である。

　以下、実施形態の電子部品製造システム１００について説明する。図１に示すように、電子部品製造システム１００は、電子部品製造装置であるボンディング装置１０と、親水化装置５０と、加熱装置６０と、第１搬送装置５５と、第２搬送装置６５とで構成されている。

　ボンディング装置１０は、第１半導体チップ２２の上に第２半導体チップ２３を積層接合する。ボンディング装置１０の詳細については、後で図２を参照して説明する。尚、本実施形態では、第１半導体チップ２２と第２半導体チップ２３とは外形形状が同一である。

　親水化装置５０は、第１半導体チップ２２の上面２２ａと、第２半導体チップ２３の下面２３ａとを親水化する。親水化装置５０としては色々な構成が考えられる。例えば、大気圧プラズマを照射することにより、第１半導体チップ２２の上面２２ａと、第２半導体チップ２３の下面２３ａとを親水化するように構成してもよい。また、上面２２ａ、下面２３ａを純水などで洗浄し、洗浄後に大気圧プラズマによって上面２２ａと下面２３ａとを親水化してもよい。

　第１搬送装置５５は、図１中の矢印５６に示すように下面２３ａが親水化された第２半導体チップ２３をボンディング装置１０に搬入する。また、第１搬送装置５５は、図１中の矢印５７に示すように上面２２ａが親水化された第１半導体チップ２２が搭載されたウェーハ２１をボンディング装置１０に搬送する。また、第１搬送装置５５は、図１中の矢印５８に示すように、ボンディング装置１０で第１半導体チップ２２の上に第２半導体チップ２３が接合された中間製品２７を親水化装置５０に搬出し、図１中の矢印５９に示すように、親水化装置５０によって第２半導体チップ２３の上面２３ｄを親水化した中間製品２７をボンディング装置１０に搬入する。

　第２搬送装置６５は、図１中の矢印６６に示すように、ボンディング装置１０によって所定段数の第２半導体チップ２３～２５が積層された接合体である電子部品２８を加熱装置６０に搬送する。加熱装置６０は、搬送された電子部品２８を加熱して、第１半導体チップ２２の各電極、各第２半導体チップ２３～２５の各電極を熱拡散接合する。

　次に、図２を参照しながらボンディング装置１０の構造について説明する。図２に示すように、ボンディング装置１０は、ステージ１１と、コレット１２と、ボンディングヘッド１３と、カメラ１４と、ガイドレール１５と、超音波加振器１６と、載置台１７と、制御部４０とを含んでいる。尚、以下の説明では、ガイドレール１５の延びる方向をＹ方向、水平面でＹ方向と直角方向をＸ方向、上下方向をＺ方向として説明する。また、載置台１７の側をＹ方向マイナス側、ステージ１１の側をＹ方向プラス側、図１において紙面手前側をＸ方向プラス側、紙面の向こう側をＸ方向マイナス側、上方向をＺ方向プラス側、下方向をＺ方向マイナス側として説明する。

　ステージ１１は、上側の吸着面１１ａに第１半導体チップ２２、或いは複数の第１半導体チップ２２が搭載されたウェーハ２１を真空吸着することによって第１半導体チップ２２を真空吸着する。

　コレット１２は、ボンディングヘッド１３の下端に接続され、先端に第２半導体チップ２３を吸着して第２半導体チップ２３を把持すると共に、第２半導体チップ２３を開放する。

　ボンディングヘッド１３は、内部にＹ方向駆動モータ１３Ｍを備え、ガイドレール１５にガイドされて図２中の矢印９１に示す様にＹ方向に移動する。また、ボンディングヘッド１３は、図２中の矢印９２に示すようにコレット１２をＺ方向に移動させるＺ方向駆動モータ１２Ｍを内蔵している。また、ガイドレール１５は、図示しないＸ方向駆動装置によりＸ方向に移動する。従って、ボンディングヘッド１３と図示しないＸ方向駆動装置とは、コレット１２をステージ１１の吸着面１１ａに沿った方向であるＸＹ方向と、吸着面１１ａに接離する方向であるＺ方向とに移動させる。

　カメラ１４は、ボンディングヘッド１３に取り付けられて、ステージ１１の吸着面１１ａに吸着された第１半導体チップ２２、或いは載置台１７の上に載置された第２半導体チップ２３の画像を取得する。

　超音波加振器１６は、内部に超音波振動子を含み、ステージ１１に接続されてステージ１１を超音波加振させる。

　載置台１７は、親水化装置５０によって下面２３ａが親水化された第２半導体チップ２３が一時的に載置される台である。載置台１７は、例えば、超音波加振や空気圧等により、上面に第２半導体チップ２３を非接触で載置できるようにしてもよい。

　制御部４０は、情報処理を行うプロセッサであるＣＰＵ４１と、動作プログラムや制御データを格納するメモリ４２とを備えるコンピュータである。カメラ１４が取得した画像データは、制御部４０に入力される。制御部４０は、入力された画像データの画像分析を行うことにより、第１半導体チップ２２、第２半導体チップ２３の位置を検出する。また、ボンディングヘッド１３の内部に取り付けられているＺ方向駆動モータ１２Ｍは、コレット１２のＺ方向の位置を検出して制御部４０に出力する。

　ボンディングヘッド１３のＹ方向駆動モータ１３Ｍ、Ｚ方向駆動モータ１２Ｍ、Ｘ方向駆動装置、コレット１２、超音波加振器１６は、制御部４０の指令によって動作する。Ｙ方向駆動モータ１３Ｍ、Ｚ方向駆動モータ１２Ｍ、Ｘ方向駆動装置は、制御部４０からの指令に基づいて、コレット１２のりＸＹＺ位置を調整する。また、コレット１２は、制御部４０からの指令によって第２半導体チップ２３の吸着把持、開放を行う。超音波加振器１６は、制御部４０からの指令に基づいてステージ１１の超音波加振を行う。

　次に図３から１４を参照しながら、実施形態の電子部品製造システム１００の動作について説明する。尚、以下の説明では、３つの第１半導体チップ２２が搭載されたウェーハ２１をステージ１１の吸着面１１ａに真空吸着させ、各第１半導体チップ２２の上にそれぞれ第２半導体チップ２３を接合する動作について説明する。３つの第１半導体チップ２２それぞれを区別する場合には、第１半導体チップ２２１、２２２、２２３と表記する。また、３つの第２半導体チップ２３それぞれを区別する場合には、第２半導体チップ２３１、２３２、２３３のように表記する。また、第１半導体チップ２２１、２２２、２２３と第２半導体チップ２３１、２３２、２３３とはそれぞれ外形形状が同一である。尚、ウェーハ２１の上に搭載される第１半導体チップ２２の数は３つに限らず、もっと多数であってもよいし、１つであってもよい。

　まず、電子部品２８（図１参照）を製造するための複数の第１半導体チップ２２が搭載されたウェーハ２１、複数の第２半導体チップ２３は、親水化装置５０に搬入される。親水化装置５０は、図３のステップＳ１０１に示すように親水化工程を実行する。親水化工程は、大気圧プラズマを照射することにより、第１半導体チップ２２の上面２２ａと、第２半導体チップ２３の下面２３ａとを親水化する。親水化工程が終了したら、図３のステップＳ１０２に示すように、第１搬送装置５５は、親水化処理の終了した第１半導体チップ２２が搭載されたウェーハ２１、第２半導体チップ２３をボンディング装置１０に搬送するワーク搬送工程を実行する。

　図４中の矢印９５ａに示すように、第１搬送装置５５は、ワーク搬送工程において、下面２３ａを親水化した第２半導体チップ２３をボンディング装置１０の内部の載置台１７の上まで搬送する。また、図４中の矢印９５ｂに示すように、第１搬送装置５５は、ワーク搬送工程において、親水化処理の終了した第１半導体チップ２２が搭載されたウェーハ２１をステージ１１の吸着面１１ａの近傍まで搬送する。搬送されたウェーハ２１は、図示しない送り装置によりステージ１１の吸着面１１ａの上まで搬送され、吸着面１１ａの所定の位置に吸着固定される。

　第１半導体チップ２２、第２半導体チップ２３が所定の位置に搬入されたら、ボンディング装置１０の制御部４０のＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０３において、第２半導体チップ２３のピックアップを実行する。ＣＰＵ４１は、図４に示すように、Ｙ方向駆動モータ１３ＭとＸ方向駆動装置によりボンディングヘッド１３をＸＹ方向に移動させて、載置台１７の上に載置された１つ目の第２半導体チップ２３１の上にコレット１２を移動させる。そして、ＣＰＵ４１は、Ｚ方向駆動モータ１２Ｍによって図４中の矢印９４に示すようにコレット１２を下降させ、コレット１２の先端に第２半導体チップ２３１を吸着把持する。そしてＣＰＵ４１は、図５の矢印９６に示すように、Ｚ方向駆動モータ１２Ｍによってコレット１２を上昇させて第２半導体チップ２３１をピックアップする。

　次に、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０３に示すように、第２半導体チップ２３１の位置合わせを実行する。ＣＰＵ４１は、Ｙ方向駆動モータ１３Ｍによって図５中の矢印９６に示すようにボンディングヘッド１３をＹ方向プラス側に移動させる。そして、ＣＰＵ４１は、カメラ１４が撮像した１つ目の第１半導体チップ２２１の画像に基づいて第１半導体チップ２２１の位置を検出する。そして、ＣＰＵ４１は、Ｙ方向駆動モータ１３ＭとＸ方向駆動装置によって第２半導体チップ２３１の位置が第１半導体チップ２２１の位置に重なるようにボンディングヘッド１３を移動させて、第２半導体チップ２３１の位置合わせを行う。

　次に、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０４に進んで、超音波加振器１６を駆動し、図６中の矢印９７に示すように、ステージ１１の超音波加振を開始する。そして、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０５に進んで、Ｚ方向駆動モータ１２Ｍを動作させて、図６中の矢印９８に示すように、第２半導体チップ２３１の下面２３１ａを第１半導体チップ２２１の上面２２１ａに近接させる。このように、第１半導体チップ２２１が超音波振動した状態で、第２半導体チップ２３１を近接させると、第１半導体チップ２２１の上面２２１ａと第２半導体チップ２３１の下面２３１ａとの間に超音波スクイーズ効果が発生する。超音波スクイーズ効果は、微小隙間を介して対向する二つの平板の一方を振動させると、隙間内の粘性の影響により、当該隙間内に、外部よりも高い圧力が発生する効果である。この超音波スクイーズ効果が生じると、第１半導体チップ２２１の上面２２１ａと第２半導体チップ２３１の下面２３１ａとの間に両者の接触を阻害する超音波スクイーズ空気膜２９１が形成されるとともに、第２半導体チップ２３１の下面２３１ａを第１半導体チップ２２１の上面２１１ａで保持する保持力が発生する。ここで、第２半導体チップ２３１の下面２３１ａと第１半導体チップ２２１の上面２２１ａとの近接距離は、超音波スクイーズ空気膜２９１の厚さＨ（図８参照）よりも少し大きい程度でよい。超音波スクイーズ空気膜２９１の厚さＨは、超音波振動の振幅よって変動するが、例えば、超音波スクイーズ空気膜２９１の厚さＨが数μｍ～１０μｍの場合、近接距離は、１０μｍ～２０μｍ程度としてもよい。

　次に、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０５に示すように、コレット１２に開放動作を行わせ、図３のステップＳ１０６に進んでセルフアライメントを行わせる。第２半導体チップ２３１はコレット１２から解放されると、図７、図８に示すようにコレット１２の先端から離れ、超音波スクイーズ空気膜２９１により第１半導体チップ２２１の上面２２１ａから浮上した状態で保持される。超音波スクイーズ効果により生じる保持力は、第１半導体チップ２２１の上面２２１ａに垂直な方向および平行な方向（すなわち面方向）の双方に生じる。すなわち、超音波スクイーズ効果が生じた場合、第２半導体チップ２３１は、第１半導体チップ２２１の上面２２１ａから浮上する方向の力が作用する。また、超音波スクイーズ効果が生じた場合、第２半導体チップ２３１は振動面内に留まろうとする。そのため、外力を受けて、第２半導体チップ２３１が面方向に一時的に位置ずれしたとしても、第２半導体チップ２３１は、その全体が振動面内に位置するように、面方向に移動し、第１半導体チップ２２１の上面２２１ａと正対した状態に戻ろうとする。

　ここで、本実施形態では、第１半導体チップ２２１の外形形状と第２半導体チップ２３１の外形形状とは同一であるから、超音波スクイーズ効果により、第２半導体チップ２３１は、その全体が振動面内（すなわち第１半導体チップ２２１の上面２２１ａの外形より内側のエリア内）に位置するように、面方向に自動的に移動する。これにより、第２半導体チップ２３１は、面方向にセルフアライメントされる。そして、図８に示すように、第２半導体チップ２３１の各電極２３１ｂの位置と第１半導体チップ２２１の電極２２１ｂの位置が一致した状態となる。

　次に、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０７に示すように、超音波加振器１６によるステージ１１の超音波加振の振幅を低減していく。すると、図８に示す超音波スクイーズ空気膜２９１の厚さＨは次第に薄くなる。そして、ＣＰＵ４１がある程度超音波加振の振幅を低減すると、図９、図１０に示すように第２半導体チップ２３１は重力により第１半導体チップ２２１の上に落下し、第２半導体チップ２３１の下面２３１ａが第１半導体チップ２２１の上面２２１ａに接触する。第２半導体チップ２３１の下面２３１ａと第１半導体チップ２２１の上面２２１ａとは親水化装置５０によって親水化されているので、下面２３１ａが上面２２１ａに接触すると図３のステップＳ１０８に示すように、接合面３０１において親水化接合される。

　ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０９に進んで超音波加振器１６によるステージ１１の超音波加振を停止する。

　ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１１０で、ある段（Ｎ段）の全て第１半導体チップ２２に第２半導体チップ２３を接合したかを判断する。そして、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１１０でＮＯと判断した場合には、図３のステップＳ１０３に戻り、図１１に示すように、２つ目の第２半導体チップ２３２をピックアップして位置合わせし、超音波加振によるセルフアライメントを行わせ、２つ目の第２半導体チップ２３２を２つ目の第１半導体チップ２２２の上に接合する。ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１１０でＹＥＳと判断するまで図３のステップＳ１０３～Ｓ１０９を繰り返して実行する。

　そして、図１２に示すように、３つの第１半導体チップ２２１～２２３の上に３つの第２半導体チップ２３１～２３３を接合し、中間製品２７ができたら図３のステップＳ１１０でＹＥＳと判断して図３のステップＳ１１１に進み、所定の段数、例えば、図１に示す電子部品２８の場合、３段に第２半導体チップ２３、２４、２５を積層したかを判断する。ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１１１でＮＯと判断した場合には、中間製品２７のステージ１１への吸着を解除して第１搬送装置５５に動作開始の信号を出力する。これにより、第１搬送装置５５は、図１３の矢印９９に示すように中間製品２７を親水化装置５０に搬送する（ワーク搬送工程）。親水化装置５０は、図３のステップＳ１０１に戻って、中間製品２７の第２半導体チップ２３の上面２３ｄ（図１参照）を親水化処理し、図３のステップＳ１０２で親水化した中間製品２７をボンディング装置１０に搬送する。ボンディング装置１０は、図３のステップＳ１０３～Ｓ１１０の動作を実行して第２段目の第２半導体チップ２４を第１段目の第２半導体チップ２３の上に接合する。

　以下、ボンディング装置１０と親水化装置５０とが図３のステップＳ１０１～Ｓ１１１、Ｓ１１３の動作を繰り返して実行し、図１４に示すように、第１半導体チップ２２の上に３段に第２半導体チップ２３、２４、２５を積層した接合体である電子部品２８を形成する。電子部品２８が形成されると、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１１１でＹＥＳと判断して、ステージ１１の電子部品２８の吸着を解除して、第２搬送装置６５に動作開始の信号を出力する。これにより、第２搬送装置６５は、電子部品２８を加熱装置６０に搬出する。

　加熱装置６０は、図３のステップＳ１１２において、電子部品２８を加熱し、図１４のＣ部詳細に示すように、第１半導体チップ２２１の電極２２１ｂの上端面２２１ｃと第２半導体チップ２３１の電極２３１ｂの下端面２３１ｃとを熱拡散接合させる。熱拡散接合が終了したら、電子部品２８は完成品となる。

　以上説明したように、実施形態のボンディング装置１０は、下側の第１半導体チップ２２を超音波振動させることにより上側の第２半導体チップ２３を第１半導体チップ２２の上にセルフアライメントさせることができ、簡便な方法で第１半導体チップ２２と第２半導体チップ２３とを積層接合することができる。

　以上、実施形態の電子部品製造システム１００とボンディング装置１０の構成と動作について説明したが、ボンディング装置１０の図３のステップＳ１０３～ステップＳ１０６の動作は、第２半導体チップ２３を第１半導体チップ２２の上にセルフアライメントする方法である。また、ボンディング装置１０の図３のステップＳ１０３～ステップＳ１０９の動作は、第１半導体チップ２２の上に第２半導体チップ２３を積層接合する接合方法である。ここで、図３のステップＳ１０４は、接合方法の超音波加振工程であり、図３のステップＳ１０５とステップＳ１０６とは接合方法のセルフアライメント工程であり、図３のステップＳ１０７～ステップＳ１０９は接合方法の接合工程である。また、図３のステップＳ１０１は、接合方法の第１親水化工程、第２親水化工程であり、図３のステップＳ１０７～ステップＳ１０９は接合方法の親水化接合工程であり、図３のステップＳ１１２は接合方法の熱拡散接合工程である。

　また、以上の説明では、ＣＰＵ４１は、図３のステップＳ１０７で超音波加振器１６によるステージ１１の超音波加振の振幅を低減して、図３のステップＳ１０８で重力により第２半導体チップ２３１の下面２３１ａを第１半導体チップ２２１の上面２２１ａの上に接触させ、その後、図３のステップＳ１０９で超音波加振器１６によるステージ１１の超音波加振を停止するとして説明したがこれに限らない。例えば、超音波加振器１６によるステージ１１の超音波加振の振幅を低減せずに、停止させることにより、第２半導体チップ２３１の下面２３１ａを第１半導体チップ２２１の上面２２１ａの上に接触させてもよい。

　次に図１５から図１７を参照しながら、ボンディング装置１０の他の動作について説明する。先に図３から図１４を参照して説明した動作と同様の動作については同一のステップ番号を付して説明は省略する。

　この動作は、ウェーハ２１の上に搭載された複数の第１半導体チップ２２を超音波加振し、超音波振動している複数の第１半導体チップ２２にそれぞれ重なるように複数の第２半導体チップ２３の下面２３ａを各第１半導体チップ２２の２２ａ上面に近接、開放し、複数の第２半導体チップ２３を複数の第１半導体チップ２２の上に同時にセルフアライメントさせ、超音波加振を低減して複数の第１半導体チップ２２の上に複数の第２半導体チップ２３を同時に積層接合する。

　図１５のステップＳ１０２に示す様に、ステージ１１の吸着面１１ａの上に３つの第１半導体チップ２２１、２２２、２２３が搭載されたウェーハ２１を真空吸着させ、３つの第２半導体チップ２３１、２３２、２３３を載置台１７に載置する。

　ボンディング装置１０の制御部４０のＣＰＵ４１は、図１５のステップＳ２０１において、超音波加振器１６によりステージ１１の超音波加振を開始する。これにより、ウェーハ２１に搭載されている３つの第１半導体チップ２２１、２２２、２２３が超音波振動を開始する。

　ＣＰＵ４１は、図１５のステップＳ２０２において、１つめの第１半導体チップ２２１に１つ目の第２半導体チップ２３１の位置合わせを行い、図１５のステップＳ２０３において、第２半導体チップ２３１を第１半導体チップ２２１に近接させ、コレット１２に第２半導体チップ２３１を開放させる。これにより、図３のステップＳ２０４に示すように１つ目の第２半導体チップ２３１は１つ目の第１半導体チップ２２１の上に浮遊してセルフアライメントされた状態となる。

　次にＣＰＵ４１は、図１５のステップＳ２０５で、ある段（Ｎ段）Ｎ段の全ての第２半導体チップ２３をセルフアライメント状態としたかを判断する。図１５のステップＳ２０５でＮＯと判断した場合には、ＣＰＵ４１は、図１５のステップＳ２０２に戻って、２つ目の第２半導体チップ２３２を２つ目の第１半導体チップ２２２の上に位置合わせし、図１５のステップＳ２０３で第２半導体チップ２３２の近接と開放を実行する。これにより、２つ目の第２半導体チップ２３２が２つ目の第１半導体チップ２２２の上にセルフアライメントされた状態となる。

　同様に、ＣＰＵ４１は、３つ目の第２半導体チップ２３３を３つ目の第１半導体チップ２２３の上にセルフアライメントされた状態とする。これにより、図１６に示すように、３つの第２半導体チップ２３１～２３３が３つの第１半導体チップ２２１～２２３の上に同時にセルフアライメントされた状態となる。

　ＣＰＵ４１は、図１５のステップＳ２０５でＹＥＳと判断したら図１５のステップＳ２０６に進んで、超音波加振器１６の超音波振動の振幅を低減していく。すると、３つの第２半導体チップ２３１、２３２、２３３は重力によりそれぞれ第１半導体チップ２２１、２２２、２２３の上に接触し、図１５のステップＳ２０７、図１７に示すように各接合面３０１、３０２、３０３で親水化接合される。そして、ＣＰＵ４１は、図１５のステップＳ２０８で超音波加振器１６によるステージ１１の超音波加振を停止する。

　以上説明したように、本動作により複数の第２半導体チップ２３を複数の第１半導体チップ２２の上に同時にセルフアライメントし、同時に接合することができる。また、複数の第２半導体チップ２３を各第１半導体チップ２２の上にセルフアライメントするまでの間、超音波加振を停止しないので、上側に第２半導体チップ２３が浮遊していない第１半導体チップ２２の上に異物が付着することを抑制でき、ボンディング品質を向上させることができる。

　以上、実施形態の電子部品製造システム１００とボンディング装置１０の他の動作について説明したが、ボンディング装置１０の図１５のステップＳ２０１～Ｓ２０５の動作は、第２半導体チップ２３を第１半導体チップ２２の上にセルフアライメントする方法である。また、ボンディング装置１０の図１５のステップＳ２０６～ステップＳ２０８の動作は、第１半導体チップ２２の上に第２半導体チップ２３を積層接合する接合方法である。ここで、図１５のステップＳ２０１は、接合方法の超音波加振工程であり、図１５のステップＳ２０２～ステップＳ２０５は接合方法のセルフアライメント工程であり、図１５のステップＳ２０６～ステップＳ２０８は接合方法の接合工程である。また、図１５のステップＳ１０１は、接合方法の第３親水化工程、第４親水化工程であり、図１５のステップＳ２０６～ステップＳ２０８は接合方法の親水化接合工程であり、図１５のステップＳ１１２は接合方法の熱拡散接合工程である。

　次に図１８を参照しながら他の実施形態の電子部品製造システム２００について説明する。電子部品製造システム２００は、親水化接合に代えて表面活性化接合で第１半導体チップ２２と第２半導体チップ２３とを接合する。

　図１８に示すように、電子部品製造システム２００は、表面活性化装置７０と、第１搬送装置５５と、ボンディング装置１０とで構成される。

　表面活性化装置７０は、例えば、真空中でアルゴンの不活性な原子ビームを第１半導体チップ２２の上面２２ａ、第２半導体チップ２３の下面２３ａに照射して上面２２ａ、下面２３ａの表面を活性化する装置である。表面活性化装置７０は、第１半導体チップ２２の上面２２ａを活性化する第１活性化工程と、第２半導体チップ２３の下面２３ａを活性化する第２活性化工程とを実行する。また、ボンディング装置１０は、第２半導体チップ２３のセルフアライメントを行った後、活性化した第１半導体チップ２２の上面２２ａに活性化した第２半導体チップ２３の下面２３ａを合わせて表面活性化接合を実行する。この際、ボンディング装置１０は真空中で表面活性化接合を行うように構成してもよい。

　以上の説明では、第１半導体チップ２２と第２半導体チップ２３とは外形形状が同一であるとして説明したが、これに限らない。第２半導体チップ２３は第１半導体チップ２２と外形形状が相似形であれば、第１半導体チップ２２よりも大きくてもよいし、逆に第１半導体チップ２２よりも小さくてもよい。

　また、以上の説明では、複数の第１半導体チップ２２が搭載されたウェーハ２１をステージ１１の吸着面１１ａに真空吸着させ、各第１半導体チップ２２の上にそれぞれ第２半導体チップ２３を積層接合することとして説明したがこれに限らない。例えば、複数の第１半導体チップ２２が搭載された基板をステージ１１の吸着面１１ａに真空吸着して第２半導体チップ２３を積層接合してもよい。更に、複数の第１半導体チップ２２を直接、又は保持治具を介してステージ１１の吸着面１１ａに真空吸着して第２半導体チップ２３を積層接合してもよい。

　１０　ボンディング装置、１１　ステージ、１１ａ　吸着面、１２　コレット、１２Ｍ　Ｚ方向駆動モータ、１３　ボンディングヘッド、１３Ｍ　Ｙ方向駆動モータ、１４　カメラ、１５　ガイドレール、１６　超音波加振器、１７　載置台、２１　ウェーハ、２２、２２１、２２２、２２３　第１半導体チップ、２２ａ、２２１ａ、２３ｄ　上面、２３、２４、２５、２３１、２３２、２３３　第２半導体チップ、２３ａ、２３１ａ　下面、２７　中間製品、２８　電子部品、４０　制御部、４１　ＣＰＵ、４２　メモリ、５０　親水化装置、５５　第１搬送装置、６０　加熱装置、６５　第２搬送装置、７０　表面活性化装置、７５　金属薄膜形成装置、１００、２００、３００　電子部品製造システム、２２１ｂ、２３１ｂ　電極、２２１ｃ　上端面、２３１ｃ　下端面、２９１　超音波スクイーズ空気膜、３０１、３０２、３０３　接合面。

Claims

　積層される第１半導体チップと第２半導体チップとのアライメント方法であって、
　前記第１半導体チップを超音波加振し、
　超音波振動している前記第１半導体チップに重なるように前記第２半導体チップの下面を前記第１半導体チップの上面に近接させて前記第２半導体チップを開放し、前記第２半導体チップを前記第１半導体チップの上にセルフアライメントさせること、
　を特徴とするアライメント方法。
　請求項１に記載のアライメント方法であって、
　前記第１半導体チップと前記第２半導体チップとは外形形状が同一であること、
　を特徴とするアライメント方法。
　請求項２に記載のアライメント方法であって、
　前記超音波加振は、ウェーハ又は基板を超音波加振することにより前記ウェーハ又は前記基板の上に搭載された複数の前記第１半導体チップを超音波加振し、
　前記セルフアライメントさせることは、超音波振動している一の前記第１半導体チップに重なるように一の前記第２半導体チップの前記下面を一の前記第１半導体チップの前記上面に近接させて一の前記第２半導体チップを開放する動作を複数の前記第１半導体チップ毎に繰り返して実行し、複数の前記第２半導体チップを複数の前記第１半導体チップの上にセルフアライメントさせること、
　を特徴とするアライメント方法。
　第１半導体チップの上に第２半導体チップを積層接合する接合方法であって、
　前記第１半導体チップを超音波加振する超音波加振工程と、
　超音波振動している前記第１半導体チップに重なるように前記第２半導体チップの下面を前記第１半導体チップの上面に近接させて前記第２半導体チップを開放し、前記第２半導体チップを前記第１半導体チップの上にセルフアライメントさせるセルフアライメント工程と、
　前記第２半導体チップの前記下面が前記第１半導体チップの前記上面に接触するまで前記第１半導体チップの超音波加振を低減し、前記第１半導体チップに前記第２半導体チップを積層接合する接合工程と、を備えること、
　を特徴とする接合方法。
　請求項４に記載の接合方法であって、
　前記第１半導体チップと前記第２半導体チップとは外形形状が同一であること、
　を特徴とする接合方法。
　請求項５に記載の接合方法であって、
　前記超音波加振工程は、ウェーハ又は基板を超音波加振することにより前記ウェーハ又は前記基板の上に搭載された複数の前記第１半導体チップを超音波加振し、
　前記セルフアライメント工程は、超音波振動している一の前記第１半導体チップに重なるように一の前記第２半導体チップの前記下面を一の前記第１半導体チップの前記上面に近接させて一の前記第２半導体チップを開放する動作を複数の第１半導体チップ毎に繰り返して実行し、複数の前記第２半導体チップを複数の前記第１半導体チップの上にセルフアライメントさせ、
　前記接合工程は、各前記第２半導体チップの各前記下面が各前記第１半導体チップの各前記上面に接触するまで前記ウェーハ又は前記基板の超音波加振を低減し、各前記第１半導体チップに各前記第２半導体チップを積層接合すること、
　を特徴とする接合方法。
　請求項５に記載の接合方法であって、
　前記第１半導体チップの前記上面を親水化する第１親水化工程と、
　前記第２半導体チップの前記下面を親水化する第２親水化工程と、を含み、
　前記接合工程は、親水化した前記第１半導体チップの前記上面に親水化した前記第２半導体チップの前記下面を接触させて接合する親水化接合工程と、親水化接合した前記第１半導体チップと前記第２半導体チップとを加熱して前記第１半導体チップの電極と前記第２半導体チップの電極とを熱拡散接合する熱拡散接合工程とを含むこと、
　を特徴とする接合方法。
　請求項６に記載の接合方法であって、
　前記ウェーハ又は前記基板の上に搭載された複数の前記第１半導体チップの前記上面をそれぞれ親水化する第３親水化工程と、
　複数の前記第２半導体チップの前記下面をそれぞれ親水化する第４親水化工程と、を含み、
　前記接合工程は、親水化した各前記第１半導体チップの各前記上面に親水化した各前記第２半導体チップの各下面をそれぞれ接触させて接合する親水化接合工程と、親水化接合した各前記第１半導体チップと各前記第２半導体チップとを前記ウェーハ又は前記基板と共に加熱して各前記第１半導体チップの各電極と各前記第２半導体チップの各電極とをそれぞれ熱拡散接合する熱拡散接合工程とを含むこと、
　を特徴とする接合方法。
　請求項５に記載の接合方法であって、
　前記第１半導体チップの前記上面を活性化する第１活性化工程と、
　前記第２半導体チップの前記下面を活性化する第２活性化工程と、を含み、
　前記接合工程は、活性化した前記第１半導体チップの前記上面に活性化した前記第２半導体チップの前記下面を表面活性化接合で接合すること、
　を特徴とする接合方法。
　第１半導体チップに第２半導体チップを積層接合する電子部品製造装置であって、
　上側の吸着面に前記第１半導体チップを吸着固定するステージと、
　前記第２半導体チップを把持、開放するコレットと、
　前記コレットを前記ステージの前記吸着面に沿った方向と前記吸着面に接離する方向に移動させるボンディングヘッドと、
　前記ステージを超音波加振する超音波加振器と、
　前記コレットと前記ボンディングヘッドと前記超音波加振器との動作を調整する制御部と、を備え、
　前記制御部は、情報処理を行うプロセッサを備え、
　前記プロセッサは、
　前記超音波加振器によって前記ステージを超音波加振して前記第１半導体チップを超音波加振し、
　前記ボンディングヘッドにより前記第２半導体チップを把持した前記コレットを前記第１半導体チップに重なる位置に移動させ、前記第２半導体チップの下面が前記第１半導体チップの上面に近接するまで前記コレットを下降させ、
　前記コレットに前記第２半導体チップを開放させて前記第２半導体チップを前記第１半導体チップの上にセルフアライメントさせ、
　前記超音波加振器の出力を低減して前記第２半導体チップの前記下面を前記第１半導体チップの前記上面に接触させて、前記第１半導体チップに前記第２半導体チップを積層接合すること、
　を特徴とする電子部品製造装置。
　請求項１０に記載の電子部品製造装置であって、
　前記第１半導体チップと前記第２半導体チップとは外形形状が同一であること、
　を特徴とする電子部品製造装置。
　請求項１１に記載の電子部品製造装置であって、
　前記ステージは、複数の前記第１半導体チップが搭載されたウェーハ又は基板を吸引固定し、
　前記制御部の前記プロセッサは、
　前記超音波加振器によって前記ステージを超音波加振して前記ウェーハ又は前記基板の上に搭載された複数の前記第１半導体チップを超音波加振し、
　前記ボンディングヘッドにより一の前記第２半導体チップを把持した前記コレットを一の前記第１半導体チップに重なる位置に移動させ、一の前記第１半導体チップの前記上面に近接するまで前記コレットを下降させ、前記コレットに一の前記第２半導体チップを開放させる動作を繰り返して実行し、複数の前記第２半導体チップを複数の前記第１半導体チップの上にセルフアライメントさせ、
　前記超音波加振器の出力を低減して各前記第２半導体チップの各前記下面を各前記第１半導体チップの各前記上面に接触させて、各前記第１半導体チップに各前記第２半導体チップを積層接合すること、
　を特徴とする電子部品製造装置。
　請求項１１に記載の電子部品製造装置を含む電子部品製造システムであって、
　親水化装置と、加熱装置とを更に含み、
　前記親水化装置は、前記第１半導体チップの前記上面と、前記第２半導体チップの前記下面とを親水化して前記電子部品製造装置に供給し、
　前記電子部品製造装置の前記プロセッサは、前記超音波加振器の出力を低減して前記第２半導体チップの親水化処理された前記下面を前記第１半導体チップの親水化処理された前記上面に接触させて、前記第１半導体チップと前記第２半導体チップとを親水化接合させ、
　前記加熱装置は、前記第１半導体チップに前記第２半導体チップを親水化接合した接合体を加熱して前記第１半導体チップの電極と前記第２半導体チップの電極とを熱拡散接合させること、
　を特徴とする電子部品製造システム。
　請求項１２に記載の電子部品製造装置を含む電子部品製造システムであって、
　親水化装置と、加熱装置とを更に含み、
　前記親水化装置は、各前記第１半導体チップの各前記上面と、各前記第２半導体チップの各前記下面とを親水化して前記電子部品製造装置に供給し、
　前記電子部品製造装置の前記プロセッサは、前記超音波加振器の出力を低減して各前記第２半導体チップの親水化処理された各前記下面を各前記第１半導体チップの親水化処理された各前記上面に接触させて、各前記第１半導体チップと各前記第２半導体チップとを親水化接合させ、
　前記加熱装置は、各前記第１半導体チップに各前記第２半導体チップを親水化接合した接合体を加熱して各前記第１半導体チップの各電極と各前記第２半導体チップの各電極とを熱拡散接合させること、
　を特徴とする電子部品製造システム。