JP5323121B2 - 超音波接合装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波接合装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、超音波ホーンに対するボンディングツールの取付状態を安定させることができる超音波接合装置及びこの超音波接合装置を用いる半導体装置の製造方法に関する。

下記特許文献１に記載されているように、バンプ付きの電子部品を実装基板等に超音波振動を利用して接合する超音波接合装置が知られている。

このような超音波接合装置は、図４ないし図６に示すように、超音波ホーン１００と、ホーンホルダ１０１と、ボンディングヘッド１０２を有している。

超音波ホーン１００は、長尺の棒状に形成された部材であり、長手方向の一端側にボンディングツール１０３が保持され、長手方向の他端側に超音波発生源１０４が取付けられている。超音波発生源１０４が駆動されることにより超音波振動が生じ、この超音波振動が超音波ホーン１００を介してボンディングツール１０３に伝播される。

ボンディングツール１０３は、内部に中空路１０５が形成された棒状部材であり、超音波ホーン１００の一端側に形成された取付孔１０６に差し込まれている。ボンディングツール１０３の一端側には、超音波接合の対象物である半導体チップ等を真空吸着する吸着部１０７が形成されている。ボンディングツール１０３の他端側には、空気吸引用のチューブ１０８の一端が接続され、チューブ１０８の他端には空気吸引用のポンプ（図示せず）が接続されている。

ホーンホルダ１０１は、ホルダ本体部１０１ａと、一端がホルダ本体部１０１ａと一体に形成されて他の一端がホルダ本体部１０１ａに対向する割り面１０１ｂを備えた締付固定部１０１ｃとを有している。割り面１０１ｂに連通する部分に、超音波ホーン１００が差し込まれる取付孔１０１ｄが形成されている。

ホーンホルダ１０１への超音波ホーン１００の取付けは、取付孔１０１ｄに超音波ホーン１００を差し込み、締付固定部１０１ｃ側からホルダ本体部１０１ａ側に向けて割り面１０１ｂの隙間寸法を小さくする向きに締付ネジ１０９を締付けることにより行われている。

ホルダ本体部１０１ａには、割り面１０１ｂと平行な向きに取付面１０１ｅが形成されている。超音波ホーン１００が取付けられたホーンホルダ１０１は、ボンディングヘッド１０２に固定されている。ボンディングヘッド１０２へのホーンホルダ１０１の固定は、ホルダ本体部１０１ａの取付面１０１ｅをボンディングヘッド１０２に当接させ、ホルダ本体部１０１ａとボンディングヘッド１０２とを取付ネジ１１０で連結することにより行われている。

特開２００４−１０３６０３号公報

しかしながら、上述した超音波接合装置では、以下の点について配慮がなされていない。

超音波ホーン１００を取付孔１０１ｄに差し込んで締付ネジ１０９を締付けた場合、ホルダ本体部１０１ａの取付面１０１ｅ側は図５において鎖線で示すように変形する。また、締付固定部１０１ｃも図５において鎖線で示すように変形する。

さらに、超音波ホーン１００が取付けられたホーンホルダ１０１をボンディングヘッド１０２に固定する場合、取付ネジ１１０を締付けると、ホルダ本体部１０１ａは締付ネジ１０９を締付けた場合に生じた変形を戻す向きに変形し、この変形に伴って締付固定部１０１ｃが図６において破線で示すように変形する。

このため、締付ネジ１０９と取付ネジ１１０とを締付ける際に生じるホルダ本体部１０１ａと締付固定部１０１ｃとの変形量を、個々の超音波接合装置において均等になるように調整することが難しい。そして、個々の超音波接合装置において超音波ホーン１００やボンディングツール１０３の取付状態がばらつきを生じ、このばらつきが個々の超音波接合装置における接合性能の差となって現れる場合がある。

また、チューブ１０８とボンディングツール１０３との接続は、チューブ１０８の端部をボンディングツール１０３の端部の外周に嵌合させて行われている。このため、超音波接合作業時におけるボンディングツール１０３の超音波振動に伴い、チューブ１０８とボンディングツール１０３との嵌合状態が変化し、嵌合が外れる場合もある。

チューブ１０８とボンディングツール１０３との嵌合状態が変化すると、特に、嵌合深さ寸法が変化すると、ボンディングツール１０３に対する超音波振動の伝播状態が変化し、超音波接合装置における接合性能が経時的に変化することが考えられる。また、チューブ１０８とボンディングツール１０３との嵌合が外れると、ボンディングツール１０３による半導体チップの吸着が不能になり、接合作業を中断しなければならない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、意図する超音波振動を部材に伝達させやすくして、接合性能の向上を可能とする超音波接合装置及び半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、超音波接合装置において、内部に中空路が形成され、一端側に超音波接合の対象物を吸着保持する吸着部が形成された中空棒状のボンディングツールと、前記ボンディングツールを保持し、超音波発生源で生じた超音波振動を前記ボンディングツールに伝播する棒状の超音波ホーンと、前記ボンディングツールの他端側に取付けられ、一端側が前記中空路に連通されて他端側が負圧発生部に接続される第２中空路が内部に形成されるブロック体と、前記ブロック体と前記ボンディングツールとの接続状態が変化する方向に前記ブロック体が移動することを規制する押圧部材と、を備え、前記ブロック体と前記ボンディングツールの端部の外周とが嵌合することで前記中空路と前記第２中空路とが連通する構成にされていることである。

なお、超音波接合装置において、一端側にボンディングツールを保持し、超音波発生源で生じた超音波振動を前記ボンディングツールに伝播する棒状の超音波ホーンと、前記超音波ホーンを保持するホーンホルダと、前記ホーンホルダを保持するボンディングヘッドと、を備え、前記ホーンホルダは、ホルダ基部と、前記ホルダ基部に連結されてこのホルダ基部に対向する割り面を有し、第１締付部材を締付けることにより前記割り面の前記ホルダ基部に対する隙間寸法を小さくして前記超音波ホーンを締付固定する締付固定部と、前記ホルダ基部に連結され、前記割り面に対して直交する向きに形成された取付面を有し、この取付面を前記ボンディングヘッドに当接させて第２締付部材を締付けることにより前記ボンディングヘッドに取付けられる取付部と、前記締付固定部と前記取付部との間を離間させるスリットと、を有するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、請求項１記載の超音波接合装置において、前記超音波ホーンを保持するホーンホルダを備え、前記ホーンホルダは、被取付部に取り付けられる取付面を有する取付部と、前記取付部に連続して前記取付面に直交する方向に延び出すホルダ基部と、前記ホルダ基部に連続し、前記超音波ホーンが差し込まれる取付孔を前記ホルダ基部とで形成するとともに、前記取付孔に前記超音波ホーンを締め付ける際に隙間寸法が小さくされる割り面を前記ホルダ基部との間に形成する締付固定部と、
を有することである。
本発明の実施の形態に係る第３の特徴は、請求項２記載の超音波接合装置において、前記被取付部と前記締付固定部との間にスリットが形成されていることである。
本発明の実施の形態に係る第４の特徴は、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波接合装置において、前記押圧部材が板バネであることである。
本発明の実施の形態に係る第５の特徴は、半導体装置の製造方法において、内部に中空路が形成され、一端側に超音波接合の対象物を吸着保持する吸着部が形成された中空棒状のボンディングツールと、前記ボンディングツールを保持し、超音波発生源で生じた超音波振動を前記ボンディングツールに伝播する棒状の超音波ホーンと、前記ボンディングツールの他端側に取付けられ、一端側が前記中空路に連通されて他端側が負圧発生部に接続される第２中空路が内部に形成されるブロック体と、前記ブロック体と前記ボンディングツールとの接続状態が変化する方向に前記ブロック体が移動することを規制する押圧部材と、を備え、前記ブロック体と前記ボンディングツールの端部の外周とが嵌合することで前記中空路と前記第２中空路とが連通する構成にされていることを特徴とする超音波接合装置を用いて、半導体チップと他の部材とを接合することである。
本発明の実施の形態に係る第６の特徴は、請求項５記載の半導体装置の製造方法において、前記超音波接合装置は更に前記超音波ホーンを保持するホーンホルダを備え、前記ホーンホルダは、被取付部に取り付けられる取付面を有する取付部と、前記取付部に連続して前記取付面に直交する方向に延び出すホルダ基部と、前記ホルダ基部に連続し、前記超音波ホーンが差し込まれる取付孔を前記ホルダ基部とで形成するとともに、前記取付孔に前記超音波ホーンを締め付ける際に隙間寸法が小さくされる割り面を前記ホルダ基部との間に形成する締付固定部と、を有することである。
本発明の実施の形態に係る第７の特徴は、請求項６記載の半導体装置の製造方法において、前記被取付部と前記締付固定部との間にスリットが形成されていることである。
本発明の実施の形態に係る第８の特徴は、請求項５〜７のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法において、前記押圧部材が板バネであることである。

本発明によれば、意図する超音波振動を部材に伝達させやすくして、接合性能の向上を可能とすることができる。

本発明の一実施の形態に係る超音波接合装置を含む半導体製造装置の概略構造を示す斜視図である。 超音波接合装置を示す斜視図である。 超音波接合装置を示す正面図である。 従来例の超音波接合装置を示す斜視図である。 従来例の超音波接合装置の組立工程の一工程の状態を示す正面図である。 従来例の超音波接合装置の組立工程の他の一工程の状態を示す正面図である。

以下、本発明の一実施の形態を図１ないし図３に基づいて説明する。

図１は、本発明の超音波接合装置を含む半導体製造装置の一例としての超音波フリップチップボンダを示したものである。この半導体製造装置は、半導体装置を製造する際に使用されるもので、電子部品の供給部としてのウエハステージ１を備えている。このウエハステージ１は、ベース２上に順次設けられたＸＹテーブル３とθテーブル４とを有し、θテーブル４上には超音波接合の対象物である多数の半導体チップ５に分割されて図示しないシートに貼着された半導体ウエハ６が載置されている。

半導体チップ５は、ピックアップ反転ユニット７によって取り出される。ピックアップ反転ユニット７は、Ｌ字状のピックアップ反転ツール８を有する。ピックアップ反転ツール８は、先端部に半導体チップ５を真空吸着するノズル９を有し、基端部はＺテーブル１０に設けられた取付部１１に連結されている。取付部１１は中心線回りに回動可能に設けられており、ピックアップ反転ツール８は実線で示す位置と鎖線で示す位置との間、つまり、ノズル９を上向きにする位置と下向きにする位置との間で１８０°回動可能に設けられている。Ｚテーブル１０は、Ｚガイド１２に沿ってＺ方向に駆動されるようになっている。

半導体ウエハ６は、ウエハステージ１の上方に配置されたウエハ認識カメラ１３によって撮像される。ウエハ認識カメラ１３からは撮像信号が出力され、この撮像信号に基づいてピックアップ反転ツール８によってピックアップされる半導体チップ５の位置決めが行われる。つまり、θテーブル４のθ方向の位置調節と、ＸＹテーブル３の位置調節とが行われる。

θテーブル４上から半導体チップ５を吸着して図１に実線で示す位置に反転したピックアップ反転ツール８は、受け渡し認識カメラ１４によって撮像される。受け渡し認識カメラ１４によって撮像された半導体チップ５は、受け渡し認識カメラ１４の撮像結果に基づいて後述するボンディング機構１５のボンディングツール１６に受け渡される。

ボンディング機構１５は、ベース１７を有する。ベース１７上には、Ｘテーブル１８がＸ方向に沿って移動可能に設けられている。Ｘテーブル１８には、Ｙテーブル１９がＹ方向に沿って移動可能に設けられている。Ｙテーブル１９には、Ｚテーブル２０がＺ方向に移動可能に設けられている。Ｚテーブル２０には、ボンディングヘッド２１が取付けられている。ボンディングヘッド２１には、ホーンホルダ２２が保持されている。ホーンホルダ２２には、超音波ホーン２３が保持されている。

超音波ホーン２３は、長尺の棒状に形成された部材であり、長手方向の一端側にボンディングツール１６が保持され、長手方向の他端側に超音波発生源２４が取付けられている。超音波発生源２４が駆動されることにより超音波振動が生じ、この超音波振動は超音波ホーン２３を介してボンディングツール１６に伝播される。

ボンディングツール１６は、内部に中空路２５が形成された棒状部材であり、超音波ホーン２３の一端側に形成された取付孔２６に差し込まれている。ボンディングツール１６の一端側には、超音波接合の対象物である半導体チップ５等を真空吸着する吸着部２７が形成されている。超音波ホーン２３の一端側には割り面２８が形成され、取付孔２６は割り面２８を含む面内に形成されている。取付孔２６にボンディングツール１６を差し込み、割り面２８と直交する位置に取付けられる締付ネジ２９を締付けることにより割り面２８の隙間寸法が小さくなり、ボンディングツール１６が締付固定される。

ホーンホルダ２２は、ホルダ基部２２ａと、締付固定部２２ｂと、取付部２２ｃと、スリット２２ｄと、割り面２２ｅと、取付孔２２ｆと、取付面２２ｇとを有している。ホルダ基部２２ａと締付固定部２２ｂと取付部２２ｃとは、一体に形成されている。

締付固定部２２ｂは、一端がホルダ基部２２ａに連続して形成され、他端が割り面２２ｅを介してホルダ基部２２ａに対向している。ホルダ基部２２ａと締付固定部２２ｂとの間には、割り面２２ｅに連通する取付孔２２ｆが形成されている。取付孔２２ｆには、超音波ホーン２３が差し込まれる。取付孔２２ｆに超音波ホーン２３が差し込まれた後、第１締付部材である締付ネジ３０を用いて締付固定部２２ｂとホルダ基部２２ａとを締付け、ホルダ基部２２ａに対する割り面２２ｅの隙間寸法を小さくすることにより超音波ホーン２３を締付固定することができる。

取付部２２ｃは、ホルダ基部２２ａに対してＴ字形状に直交する向きに形成され、割り面２２ｅに対して直交する向きに形成された取付面２２ｇを有している。取付面２２ｇをボンディングヘッド２１に当接させ、第２締付部材である取付ネジ３１を締付けることにより、取付部２２ｃがボンディングヘッド２１に取付けられている。取付ネジ３１の締付方向は、取付孔２２ｆの中心線方向と平行な方向とされている。

取付固定部２２ｂと取付部２２ｃとの間には、これらの取付固定部２２ｂと取付部２２ｃとを離間させるスリット２２ｄが形成されている。

超音波ホーン２３の一端側に形成された取付孔２６に差し込まれて保持されたボンディングツール１６の他端側には、ブロック体３２が取付けられている。ブロック体３２の内部には、Ｌ字形状に屈曲した第２中空路３３が形成されている。ボンディングツール１６へのブロック体３２の取付けは、ブロック体３２をボンディングツール１６の端部の外周に嵌合させることにより行われている。第２中空路３３の一端側は中空路２５に連通され、第２中空路３３の他端側にはチューブ３４の一端が接続されている。チューブ３４の他端は、負圧発生部である空気吸引用のポンプ（図示せず）に接続されている。ブロック体３２は、シリコンゴム等の弾性を有する材料で形成されている。

ボンディングヘッド２１には、押圧部材３５が取付けられている。押圧部材３５は、例えば、板バネが用いられており、ボンディングヘッド２１にネジ止めされている。押圧部材３５は、ブロック体３２を押え、ブロック体３２がボンディングツール１６から抜け出す方向に移動することを規制している。

このような構成において、半導体チップ５がボンディングツール１６の吸着部２７に吸着され、その後、Ｘテーブル１８、Ｙテーブル１９、Ｚテーブル２０が移動することにより半導体チップ５がボンディングステージ３６上に載置された他の部材である基板３７上の目的とする接合位置に向けて搬送される。

半導体チップ５が目的とする接合位置の上方位置まで搬送された後、Ｚテーブル２０を下降させて半導体チップ５を基板３７に対して加圧するとともに、超音波発生源２４を駆動させる。超音波発生源２４が駆動されることにより超音波振動が発生し、発生した超音波振動が超音波ホーン２３を伝播されてボンディングツール１６に伝わる。そして、ボンディングツール１６が超音波振動し、ボンディングツール１６の吸着部２７に吸着されている半導体チップ５に対して超音波振動が印可される。基板３７に接合させる半導体チップ５を加圧することに加えて超音波振動を印可することにより、基板３７への半導体チップ５の接合が良好に行われ、基板３７に半導体チップ５を接合させた半導体装置が製造される。

なお、接合対象となる半導体チップ５に超音波振動を印可して接合を行う場合には、半導体チップ５への超音波振動の印可状態を一定状態に維持することが必要である。接合する半導体チップ５に対する超音波振動の印可状態が、個々の超音波接合装置において異なる場合には、又は、同じ超音波接合装置において経時的に変化する場合には、接合性能の品質がバラツキを生ずることになり、問題となる。

そこで本発明では、超音波接合装置の組み立てに際し、まず、超音波ホーン２３をホーンホルダ２２の取付孔２２ｆに差し込み、締付ネジ３０を締付けることにより超音波ホーン２３をホーンホルダ２２に取付ける。締付ネジ３０を締付ける場合、ホルダ基部２２ａと締付固定部２２ｂとに変形が生じ易く、特に、締付固定部２２ｂが変形し易い。なお、締付固定部２２ｂと取付部２２ｃとの間にはスリット２２ｄが形成されているので、締付ネジ３０の締付時に締付固定部２２ｂが変形しても、その変形の影響は取付部２２ｃには及ばない。締付ネジ３０を締付けて超音波ホーン２３をホーンホルダ２２に固定した後、超音波発生源２４を駆動させて超音波振動の伝播に関する調整を行ない、締付ネジ３０を締付けた場合に発生する変形の影響を除去する。その後、ホーンホルダ２２をボンディングヘッド２１に取付ける。

ボンディングヘッド２１へのホーンホルダ２２の取付けは、取付ネジ３１を締付けることにより行う。ホーンホルダ２２をボンディングヘッド２１に取付けるために取付ネジ３１を締付ける場合において、締付ネジ３０の締付けによる取付部２２ｃの変形は生じておらず、取付部２２ｃの取付面２２ｇはボンディングヘッド２１の取付面に対して平行な状態を維持されているので、取付ネジ３１の締付により取付部２２ｃが変形しても、その変形量は僅かである。さらに、締付固定部２２ｂと取付部２２ｃとの間にスリット２２ｄが形成されているので、取付ネジ３１の締付けにより取付部２２ｃが変形しても、その変形が締付固定部２２ｂに伝わることが防止される。

その後、取付孔２６にボンディングツール１６を差し込み、割り面２８と直交する位置に取付けられる締付ネジ２９を締付けることにより、ボンディングツール１６を超音波ホーン２３に取付ける。

これにより、ホーンホルダ２２を介してボンディングヘッド２１に取付けられる超音波ホーン２３の取付状態を、個々の超音波接合装置に均一に維持することができる。したがって、個々の超音波接合装置において、超音波発生源２４で発生した超音波振動のボンディングツール１６への伝播状態を一定に維持することができ、超音波振動の印可による接合性能を一定に維持することができる。

また、超音波接合装置を分解してメンテナンスを行った場合や、部品交換を行った場合において、締付ネジ３０や取付ネジ３１を緩めたり締付けたりした後でも、ホーンホルダ２２を介してボンディングヘッド２１に取付けられる超音波ホーン２３の取付状態を初期状態に容易に戻すことができ、超音波振動の印加による接合性能を維持することができる。

また、ボンディングツール１６における半導体チップ５を吸着するために空気を吸引する側の機構においては、ブロック体３２がボンディングツール１６に取付けられ、ブロック体３２が押圧部材３５によって押圧されている。このため、ブロック体３２がボンディングツール１６から抜け出す方向に移動することが防止され、ブロック体３２とボンディングツール１６との嵌合状態が変化することにより発生するボンディングツール１６に対する超音波振動の伝播状態の変化を防止することができる。このため、ボンディングツール１６に対する超音波振動の伝播状態の変化が原因となって発生する超音波接合装置における接合性能の変化を防止することができ、超音波振動の印可による接合性能を一定に維持することができる。さらに、ブロック体３２がボンディングツール１６から外れることを確実に防止することができ、ブロック体３２がボンディングツール１６から外れることによる作業中断の発生を防止することができる。

５…対象物，半導体チップ、１６…ボンディングツール、２３…超音波ホーン、２４…超音波発生源、２５…中空路、３２…ブロック体、３３…第２中空路、３５…押圧部材

Claims (8)

1. 内部に中空路が形成され、一端側に超音波接合の対象物を吸着保持する吸着部が形成された中空棒状のボンディングツールと、
   前記ボンディングツールを保持し、超音波発生源で生じた超音波振動を前記ボンディングツールに伝播する棒状の超音波ホーンと、
   前記ボンディングツールの他端側に取付けられ、一端側が前記中空路に連通されて他端側が負圧発生部に接続される第２中空路が内部に形成されるブロック体と、
   前記ブロック体と前記ボンディングツールとの接続状態が変化する方向に前記ブロック体が移動することを規制する押圧部材と、
   を備え、
   前記ブロック体と前記ボンディングツールの端部の外周とが嵌合することで前記中空路と前記第２中空路とが連通する構成にされていることを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記超音波ホーンを保持するホーンホルダを備え、
   前記ホーンホルダは、被取付部に取り付けられる取付面を有する取付部と、
   前記取付部に連続して前記取付面に直交する方向に延び出すホルダ基部と、
   前記ホルダ基部に連続し、前記超音波ホーンが差し込まれる取付孔を前記ホルダ基部とで形成するとともに、前記取付孔に前記超音波ホーンを締め付ける際に隙間寸法が小さくされる割り面を前記ホルダ基部との間に形成する締付固定部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の超音波接合装置。
3. 前記被取付部と前記締付固定部との間にスリットが形成されていることを特徴とする請求項２記載の超音波接合装置。
4. 前記押圧部材が板バネであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波接合装置。
5. 内部に中空路が形成され、一端側に超音波接合の対象物を吸着保持する吸着部が形成された中空棒状のボンディングツールと、前記ボンディングツールを保持し、超音波発生源で生じた超音波振動を前記ボンディングツールに伝播する棒状の超音波ホーンと、前記ボンディングツールの他端側に取付けられ、一端側が前記中空路に連通されて他端側が負圧発生部に接続される第２中空路が内部に形成されるブロック体と、前記ブロック体と前記ボンディングツールとの接続状態が変化する方向に前記ブロック体が移動することを規制する押圧部材と、を備え、前記ブロック体と前記ボンディングツールの端部の外周とが嵌合することで前記中空路と前記第２中空路とが連通する構成にされていることを特徴とする超音波接合装置を用いて、半導体チップと他の部材とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記超音波接合装置は更に前記超音波ホーンを保持するホーンホルダを備え、
   前記ホーンホルダは、被取付部に取り付けられる取付面を有する取付部と、
   前記取付部に連続して前記取付面に直交する方向に延び出すホルダ基部と、
   前記ホルダ基部に連続し、前記超音波ホーンが差し込まれる取付孔を前記ホルダ基部とで形成するとともに、前記取付孔に前記超音波ホーンを締め付ける際に隙間寸法が小さくされる割り面を前記ホルダ基部との間に形成する締付固定部と、
   を有することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記被取付部と前記締付固定部との間にスリットが形成されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記押圧部材が板バネであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。

Images