(57)【要約】【課題】接合装置において、基板周縁部に応力集中が生じることを防止する。【解決手段】基板保持部材であって、基板に接して当該基板を保持する保持面を有する板状部材と、保持面において基板を保持する保持領域の外周に沿って配され、保持面から突出する受圧部材とを備える。板状部材は、保持面において受圧部材の外側まで延在するフランジ部を更に有してもよい。受圧部材は、保持領域に保持された基板の厚さと等しい突出量を有してもよい。受圧部材は、保持領域を包囲する環状部材であってよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に接して当該基板を保持する保持面を有する板状部材と、
保持面において基板を保持する保持領域の外周に沿って配され、前記保持面から突出する受圧部材と
を備える基板保持部材。
【請求項２】
前記板状部材は、前記保持面において前記受圧部材の外側まで延在するフランジ部を更に有する請求項１に記載の基板保持部材。
【請求項３】
前記受圧部材は、前記保持領域に保持された基板の厚さと等しい突出量を有する請求項２に記載の基板保持部材。
【請求項４】
前記受圧部材は、前記保持領域を包囲する環状部材である請求項３に記載の基板保持部材。
【請求項５】
前記環状部材は、前記保持面に保持した基板の外形に略等しい内側形状を有する請求項４に記載の基板保持部材。
【請求項６】
前記受圧部材は、前記板状部材の外形と等しい外形を有する請求項１に記載の基板保持部材。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれかに記載された一対の前記基板保持部材と、
前記一対の基板保持部材に各々保持されて前記一対の基板保持部材の間に挟まれた一対の基板に、前記板状部材を介して圧力を加える加圧部と
を備え、当該一対の基板を圧着させる接合装置。
【請求項８】
前記受圧部材は、前記一対の基板保持部材に挟まれた基板に対して前記板状部材から加えられる圧力が低い領域において前記板状部材に保持される請求項７に記載の接合装置。
【請求項９】
前記一対の保持部材は、一対の基板を挟む一対の前記板状部材と、当該一対の基板の厚さの合計に等しい突出量を有する単一の受圧部材とを有する請求項８に記載の接合装置。
【請求項１０】
前記受圧部材は、外部からの制御により突出量を変化する請求項７に記載の接合装置。
【請求項１１】
前記受圧部材は、電気機械変換材料層と、前記電気機械変換材料層に印加する電圧を変化させる電圧制御部とを含む請求項１０に記載の接合装置。
【請求項１２】
基板と、当該基板の厚さと等しい厚さを有して当該基板の周囲に配された受圧部材とに接して当該基板を加圧する加圧面を備えた接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板保持部材および接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の実効的な実装密度を向上させる技術のひとつとして、複数のダイを積層して形成される積層型半導体装置がある。積層型半導体装置の製造においては、相互に位置合わせされたダイまたはウエハを接合した後、圧力を加えて接合を安定化させる。特許文献１には、基板保持部材に保持させた基板を熱間で加圧する加圧装置が記載される。
【特許文献１】特開２００７−１１５９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ウエハは脆い材料なので加圧した場合に応力分布が生じることは好ましくない。そこで、加圧装置は、加圧部または基板保持部材の表面を高度に平坦にして、ウエハにかかる圧力を均一にしている。しかしながら、加圧された基板の外周縁部には依然として高い圧力がかかる場合があった。また、その反動で、高い圧力がかかる領域に隣接して、圧力が低下する領域が生じるので、基板全面を漏れなく接合するには、よりも高い圧力をかけることが求められる場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決すべく、本発明の第１の態様として、基板に接して当該基板を保持する保持面を有する板状部材と、保持面において基板を保持する保持領域の外周に沿って配され、保持面から突出する受圧部材とを備える基板保持部材が提供される。
【０００５】
また、本発明の第２の態様として、一対の上記基板保持部材と、一対の基板保持部材に各々保持されて一対の基板保持部材の間に挟まれた一対の基板に、板状部材を介して圧力を加える加圧部とを備え、当該一対の基板を圧着させる接合装置が提供される。
【０００６】
更に、本発明の第３の態様として、基板と、当該基板の厚さと等しい厚さを有して当該基板の周囲に配された受圧部材とに接して当該基板を加圧する加圧面を備えた接合装置が提供される。
【実施例】
【０００７】
図１は、接合装置１００全体の構造を模式的に示す図である。接合装置１００は、基盤１１０と、基盤１１０の上に搭載された下部組立体１２０および計測部１４０と、下部組立体１２０の上に更に搭載された上部組立体１３０とを有する。また、接合装置１００には、それぞれが基板２２０を保持した一対の基板ホルダ２１０と、基板ホルダ２１０に基板２２０と共に保持された受圧部材２３０とが装填される。
【０００８】
下部組立体１２０は、支柱１２２、下部フレーム１２４、ロードセル１２６および圧力伝達部１２８を有する。支柱１２２は、基盤１１０に下端を支持され、基盤１１０から垂直に起立する。
【０００９】
下部フレーム１２４は、支柱１２２の上端に両側端を支持される。下部フレーム１２４の略中央にはロードセル１２６が搭載され、更に、その上に圧力伝達部１２８が搭載される。これにより、ロードセル１２６は、圧力伝達部１２８に鉛直に加わった圧力の大きさを検出する。
【００１０】
また、下部フレーム１２４は、互いに対向する内側端面の上端近傍にベアリング１２３を備える。ベアリング１２３は、側方から圧力伝達部１２８に接して、下部フレーム１２４に対する圧力伝達部１２８の位置を安定させつつ、圧力伝達部１２８の円滑な昇降を許す。
【００１１】
圧力伝達部１２８は、上面近傍にヒータユニット１２１を埋設される。ヒータユニット１２１は、圧力伝達部１２８の上面に搭載された基板ホルダ２１０を介して基板２２０を加熱する。なお、ヒータユニット１２１は、独立した部材として、圧力伝達部１２８の上に搭載され、更に、基板ホルダ２１０が積層して搭載される場合もある。
【００１２】
上部組立体１３０は、支柱１３２、上部フレーム１３４、シリンダ１３６および圧力伝達部１３８を有する。シリンダ１３６および支柱１３２は、下部フレーム１２４の上端面に支持され、それぞれ垂直に起立する。
【００１３】
上部フレーム１３４は、ベアリング１３３を介して、支柱１３２により側方から位置決めされる。これにより、シリンダ１３６に作動流体が供給または排出された場合に、上部フレーム１３４は鉛直に円滑に昇降する。
【００１４】
また、上部フレーム１３４は、下端をシリンダ１３６に支持されて、下部フレーム１２４よりも上方に延在する。上部フレーム１３４の略中央には圧力伝達部１３８が懸架される。更に、圧力伝達部１３８の下面近傍にヒータユニット１３１が埋設される。
【００１５】
なお、ヒータユニット１２１、１３１としては、セラミックヒータ、カートリッジヒータ等を使用できる。また、圧力伝達部１２８、１３８の内部に流路を設け、加熱した媒体を流通させて加熱する構造としてもよい。更に、ヒータユニット１２１、１３１に温度センサを設けて加熱温度を管理してもよい。
【００１６】
基板ホルダ２１０の各々は、静電吸着等により基板２２０および受圧部材２３０を保持して、基板２２０と一体的に取り扱うことができる。これにより、多くの場合は脆い基板２２０の取り扱いを容易且つ安全にする。基板２２０としては、Ｓｉウエハ、化合物半導体基板、ガラス基板を例示できるが、これらに限定されるわけではない。
【００１７】
接合装置１００においては、下部組立体１２０の圧力伝達部１２８の上面に一方の基板ホルダ２１０が保持される。また、上部組立体１３０の圧力伝達部１３８の下上面に他方の基板ホルダ２１０が保持される。圧力伝達部１２８、１３８による基板ホルダ２１０の保持は、静電吸着、負圧吸着等による。一対の基板ホルダ２１０は、それぞれ基板２２０および受圧部材２３０を保持する。
【００１８】
計測部１４０は、例えばレーザ干渉計等の精密な測定機器を有し、接合装置１００において接合される基板２２０の状態を計測する。ここでいう状態とは、接合される基板２２０の間隔、傾き、表面性状等を意味する。計測部１４０による計測結果に応じて、例えば、シリンダ１３６へ供給され、また、シリンダ１３６から排出される作動流体が制御される。また、基板２２０の極端に大きな傾き等が検出された場合に接合装置１００を停止させる安全装置の一部としても使用される。
【００１９】
図２は、接合装置１００の動作を示す図であり、図１に対照して描かれる。シリンダ１３６から作動流体が排出された場合、上部フレーム１３４は、シリンダ１３６に引きつけられて降下する。これにより、圧力伝達部１３８および基板ホルダ２１０も降下して、基板２２０に上方から圧力を加える。これにより、一対の基板２２０が、受圧部材２３０と共に圧接される。
【００２０】
また、上記の動作と並行してヒータユニット１２１、１３１が動作する。これにより、基板ホルダ２１０を介して基板２２０が加熱される。こうして、一対の基板２２０は恒久的に接合される。
【００２１】
なお、基板２２０に加わる圧力はロードセル１２６により検出される。これにより、所要の圧力を正確に加えて基板２２０を接合できる。また、計測部１４０により、基板２２０の間隔、傾き等を監視しつつ接合できるので、接合により形成される積層型半導体装置の歩留りを向上させることができる。
【００２２】
図３は、基板２２０および受圧部材２３０を保持する基板ホルダ２１０の形状を示す斜視図である。基板ホルダ２１０は、全体として円板状をなす。基板ホルダ２１０は、基板２２０と、後述する受圧部材２３０とを保持する保持面２１２と、保持面２１２の径方向外側に向かって延在するフランジ部２１４とを有する。
【００２３】
保持面２１２は平坦に仕上げられている。また、図示されていないが、保持面２１２においては、基板ホルダ２１０の内部に、基板２２０および受圧部材２３０を静電吸着する場合に電圧を印加する電極が埋設されている。
【００２４】
フランジ部２１４は、保持面２１２と同じ厚さを有し、挿通穴２１６、基準標識２１７、バーコード２１８等を有する。挿通穴２１６は、基板２２０を接合した後で基板ホルダ２１０を取り外す場合に工具を挿通する。基準標識２１７は、位置決めの基準となる記号を記した透明基板が埋め込まれる。記号は、基板ホルダ２１０の位置合わせ、基板ホルダ２１０に対する基板２２０の相対位置の計測等の場合に参照される。バーコード２１８は、基板ホルダ２１０の個体を識別する場合に読み取られる。
【００２５】
これら挿通穴２１６、基準標識２１７、バーコード２１８等は、接合装置１００の仕様に応じて取捨選択される。また、更に他の部材がフランジ部２１４に設けられる場合もある。更に、フランジ部２１４自体も、基板２２０を搭載した状態で基板ホルダ２１０を搬送する場合に把持する手がかりとして使用される場合がある。
【００２６】
このように、フランジ部２１４は、単なる基板２２０の保持の他に、様々な機能を与えて利用される。なお、保持面２１２およびフランジ部２１４は、例えば絶縁性のセラミックス材等により、全体として一体的に成形される。
【００２７】
受圧部材２３０は、薄い環状の形態を有する。受圧部材２３０の内側の形状は、接合する基板２２０の外形に倣った形状を有する。このため、基板ホルダ２１０の保持面２１２上に、基板２２０と共に受圧部材２３０を載せた場合、基板ホルダ２１０および受圧部材２３０の間の間隙は小さい。
【００２８】
また、受圧部材２３０の外形は、基板ホルダ２１０の保持面２１２と略等しい大きさと形状を有する。なお、この実施形態では、基板２２０のオリエンテーションフラットに沿った部分に限って、受圧部材２３０の形状は直線状になるが、受圧部材２３０の外形は、基板２２０の外形に倣った形状に限定されるわけではない。更に、受圧部材２３０は、対応する基板２２０と同じ厚さを有するが、この点については後述する。
【００２９】
図４は、図３に示した部材を積層して接合装置１００に装入した状態を示す断面図である。基板２２０および受圧部材２３０は、それぞれ基板ホルダ２１０に保持され、更に、基板２２０および受圧部材２３０が相互に対向するように、一対の基板ホルダ２１０が対向して積層される。
【００３０】
受圧部材２３０の各々は、それぞれが包囲する基板２２０と同じ厚さを有する。換言すれば、受圧部材２３０は、基板ホルダ２１０の保持面２１２から、基板２２０の厚さと同じ高さまで突出している。
【００３１】
基板２２０は保持面２１２の中央に保持される。受圧部材２３０は、基板２２０の外側直近に、基板２２０と共に保持面２１２に保持される。一対の基板ホルダ２１０は、互いに積層されたそれぞれ一対の基板２２０および受圧部材２３０を挟む。接合装置１００の圧力伝達部１２８、１３８は、これら基板２２０、受圧部材２３０および基板ホルダ２１０を更に挟んで、後述するように加圧する。
【００３２】
ここで、基板ホルダ２１０は、保持面２１２の外側にフランジ部２１４を有する。このため、フランジ部２１４は、受圧部材２３０の外側まで延在する。なお、圧力伝達部１２８、１３８は、基板ホルダ２１０の外径よりも更に大きな径を有する。このため、接合装置１００が動作した場合、基板ホルダ２１０の背面は、全面にわたって加圧される。
【００３３】
図５は、図４の一部を拡大して示す図である。即ち、図５は、図４における受圧部材２３０近傍を拡大して示す図である。接合装置１００の圧力伝達部１２８、１３８は、基板２２０および受圧部材２３０を挟んだ基板ホルダ２１０を加圧しているものとする。
【００３４】
図示のように、下側の圧力伝達部１２８は、基板２２０および受圧部材２３０を保持した基板ホルダ２１０の背面に当接している。また、上側の圧力伝達部１３８は、基板２２０および受圧部材２３０を下面に保持した基板ホルダ２１０の背面に当接している。一対の基板ホルダ２１０の間には、積層された一対の基板２２０が挟まれている。圧力伝達部１２８、１３８は相互に接近する方向に圧力を加えており、基板ホルダ２１０の各部には応力Ｐ０が生じている。
【００３５】
上記の応力Ｐ０は、基板ホルダ２１０を介して、基板２２０および受圧部材２３０に圧力として作用する。しかしながら、基板ホルダ２１０は、基板２２０および受圧部材２３０よりも径が大きいので、受圧部材２３０外側のフランジ部２１４においては、基板ホルダ２１０の間が空いている。この間隙は、接合された基板２２０から基板ホルダ２１０を取り外す場合の手がかりとなる。
【００３６】
圧力伝達部１２８、１３８は、基板ホルダ２１０の背面全体に圧力を加えている。保持面２１２においては、基板２２０および受圧部材２３０からの反力を受けて、基板ホルダ２１０は厚さ方向に圧縮変形する。これに対して、間に間隙を有するフランジ部２１４では、加えられた圧力Ｐ０が、基板ホルダ２１０を曲げ変形させる。このため、図中で点線Ａで囲った領域では、圧縮変形する保持面２１２と曲げ変形するフランジ部２１４との境界において、基板ホルダ２１０に応力分布が生じる。
【００３７】
図６は、接合装置１００において加圧された部材の縁部に生じる圧力分布を示すグラフである。ここでは、半径１００ｍｍの基板２２０加圧した場合に生じる圧力分布を示す。グラフの横軸は、円板の中心からの距離を表す。
【００３８】
図示のように、基板２２０の周縁部直近では、外縁に向かって上昇する大きな応力が生じていることが判る。また、外縁における応力集中と引き換えに、外縁に続く半径９０ｍｍ以上の領域においては応力が減少している。
【００３９】
このような応力分布が生じた場合、大きな応力が生じる外縁部においては、基板２２０に割れ等が生じる場合がある。従って、外縁部における基板２２０の割れを避けるには、接合装置１００が加える圧力を低くすればよい。
【００４０】
しかしながら、応力が小さくなる外縁に続く９０ｍｍ以上の領域では、基板２２０に加わる圧力が低下する。このため、基板２２０が十分に接合されない場合がある。従って、接合不良を回避するには、接合装置１００が加える圧力を高くしなければならない。
【００４１】
なお、半径９０ｍｍから内側の領域では、基板２２０に生じる圧力は概ね均一になり、大きな応力分布は生じない。このように、基板２２０の接合不良は、基板２２０の外縁部と、それに続く領域に発生し易い。
【００４２】
このように、フランジ部２１４を有する基板ホルダ２１０を用いた場合、接合装置１００で加圧した場合に、基板２２０の周縁部では特異な応力分布が生じる。このため、基板２２０の損傷を避けつつ接合不良を回避して歩留りを向上させるには、加圧する場合の圧力の設定が難しくなる。
【００４３】
しかしながら、再び図５を参照すると、基板２２０の外側には受圧部材２３０が配される。従って、基板ホルダ２１０の曲げ変形に起因する応力分布は、受圧部材２３０に作用する。これにより、基板２２０には均一な圧力が作用するので、部分的な接合不良を配慮することなく、適切な圧力を設定して接合することができる。
【００４４】
このように、受圧部材２３０を併用した基板ホルダ２１０は、加圧された場合に生じる応力分布が基板２２０に作用することを防止して、基板２２０全体を良好に接合させることができる。このような、受圧部材２３０は、基板ホルダ２１０と共に繰り返し使用することができる。
【００４５】
なお、図中に点線Ｂで囲った、基板２２０および受圧部材２３０の間には、不可避に間隙が生じる。この間隙の中でも、一対の基板ホルダ２１０の間に間隙が生じることは避けられない。しかしながら、基板２２０および受圧部材２３０の間の間隙は狭いので、基板ホルダ２１０の曲げ変形が生じた場合も変形量は小さい。従って、曲げ変形の反力として生じる応力分布も僅かなので無視できる。
【００４６】
受圧部材２３０は、基板ホルダ２１０に挟まれる基板２２０と同じ厚さを有していれば、任意の材料により形成し得る。しかしながら、接合装置１００において加圧された場合に、保持面２１２全体で応力分布を均一にすることを目指す場合は、例えば、基板２２０と等しい弾性係数を有する材料を選択することが好ましい。このような観点からは、基板２２０の材料そのものにより形成することが有利になる。
【００４７】
一方、受圧部材２３０は、寸法に対して細く薄い形状を有する部材なので、強度が低くなりがちになる。そこで、受圧部材２３０の強度および耐久性を向上させて取り扱いを容易にすることを考慮すると、弾性係数を基板２２０の材料に合わせて調整した金属、樹脂等により形成することが好ましい。
【００４８】
また、同じ寸法の大量の基板２２０を繰り返し接合する場合は、受圧部材２３０を基板ホルダ２３０の保持面に保持させたまま、基板２２０を順次交換する作業手順としてもよい。一方、寸法、形状等が異なる基板２２０の接合をする場合は、受圧部材２３０も、基板２２０の形状および寸法に合わせて交換すべきことはいうまでもない。
【００４９】
図７は、受圧部材２３０の他の態様を示す断面図である。なお、図７は、図４に対照して描かれており、図４と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００５０】
図示のように、この形態においては、受圧部材２３０の外径が増して、基板ホルダ２１０の外径と等しくなっている。これにより、圧力伝達部１２８、１３８が基板ホルダ２１０を加圧した場合に、基板ホルダ２１０の間に間隙が生じないので、基板ホルダ２１０の曲げ変形に起因する外縁部の応力集中が生じない。従って、基板ホルダ２１０の弾性変形による劣化が軽減され、寿命を延ばすことができる。
【００５１】
ただし、基板ホルダ２１０と同じ外径の受圧部材２３０を挟んだ場合、一対の基板ホルダ２１０相互の間に手がかりがなくなる。このため、接合後に基板２２０から基板ホルダ２１０を取り外す場合等に、基板ホルダ２１０を側端面で操作しなければならない。
【００５２】
図８は、受圧部材２３０のまた他の形態を示す断面図である。図８も図４に対照して描かれており、図４と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００５３】
図示のように、圧力伝達部１２８、１３８の間には、積層された一対の基板２２０と共に、単一の受圧部材２３０が挟まれる。受圧部材２３０の厚さは、一対の基板２２０の厚さを合わせた厚さに等しい。このような受圧部材２３０を用いた場合も、基板２２０毎に配した一対の受圧部材２３０を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００５４】
また、受圧部材２３０が単一なので、接合装置１００に基板２２０を装入する場合に、基板ホルダ２１０に受圧部材２３０を保持させる手順をひとつ省くことができる。更に、厚くすることができるので、受圧部材２３０自体の強度を高くすることができる。
【００５５】
をただし、一対の基板ホルダ２１０に一対の基板２２０を挟む場合に、基板２２０の接合面を側方から観察することができない。このため、基板２２０の表面を観察することなく、基板２２０相互を位置合わせする方法を選ばなければならない。
【００５６】
図９は、受圧部材２３０の更に他の形態を示す断面図である。図９も図４に対照して描かれており、図４と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００５７】
受圧部材２３０は、基材層２３２および圧電材料層２３４の複数の層を含む。基材層２３２は、他の例で説明した受圧部材２３０と同様に、金属、樹脂、Ｓｉ基板等により形成される。これに対して、圧電材料層２３４は、ＰＺＴ等の圧電材料により形成される。
【００５８】
更に、圧電材料層２３４は可変電圧源２３６に結合される。可変電圧源２３６は、印加電圧を設定する制御部２３８の制御の下に、圧電材料層２３４に印加する電圧を変化させる。
【００５９】
上記のような構造を有する受圧部材２３０は、圧電材料層２３４に印加する電圧の増減に応じて厚さを増減させることができる。従って、基板２２０の厚さのばらつきに起因する基板２２０および受圧部材２３０の厚さの差を調整して、基板２２０および受圧部材２３０から基板ホルダ２１０にかかる反力が等しくなるように調整できる。これにより、基板２２０および受圧部材２３０の微細な厚さの差により基板２２０の外縁部近傍に生じる圧力分布を更に低減できる。
【００６０】
以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００６１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず」、「次に」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】接合装置１００の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】接合装置１００の動作を示す図である。
【図３】基板ホルダ２１０の外観を示す斜視図である。
【図４】基板２２０を保持して積層された基板ホルダ２１０の断面図である。
【図５】図４の部分拡大図である。
【図６】基板２２０の周縁部における応力分布を示すグラフである。
【図７】受圧部材２３０の他の形態を示す断面図である。
【図８】受圧部材２３０のまた他の形態を示す断面図である。
【図９】受圧部材２３０の更に他の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１００  接合装置、１１０  基盤、１２０  下部組立体、１２１、１３１  ヒータユニット、１２２、１３２  支柱、１２３、１３３  ベアリング、１２４  下部フレーム、１２６  ロードセル、１２８、１３８  圧力伝達部、１３０  上部組立体、１３４  上部フレーム、１３６  シリンダ、１４０  計測部、２１０  基板ホルダ、２１２  保持面、２１４  フランジ部、２１６  挿通穴、２１７  基準標識、２１８  バーコード、２２０  基板、２３０  受圧部材、２３２  基材層、２３４  圧電材料層、２３６  可変電圧源、２３８  制御部
【図１】
2010118483.tif 000003
【図２】
2010118483.tif 000004
【図３】
2010118483.tif 000005
【図４】
2010118483.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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