(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディング装置に設けられる超音波トランスデューサにおいて、
先端部にボンドツールが取り付けられ、少なくとも後端部に第１中空部が形成されたホーン体と、
前記第１中空部に収容され、超音波振動を発生する振動子部と、
前記ホーン体の後端部に形成された後端開口を介して挿入され、前記ホーン体の後端部に螺合して前記振動子部を前記第１中空部内に押し込み固定する固定部材と、
を含み、
前記振動子部の先端側が前記ホーン体における第１中空部の先端側の内壁当接面に当たり且つ前記振動子部の後端側が前記固定部材により押し込み固定され、これにより前記ホーン体における第１中空部の周囲に相当する部分が振動子部両端間の締結部材として機能することを特徴とするボンディング装置の超音波トランスデューサ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記第１中空部内において前記振動子部の外側周囲には筒状の絶縁体が設けられたことを特徴とするボンディング装置の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記振動子部及び前記固定部材にはそれぞれ貫通孔が形成され、
前記貫通孔を介して信号ラインが前記振動子部に接続されたことを特徴とするボンディング装置の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記ホーン体には、前記第１中空部から先端部側へ連通する第２中空部が形成されたことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記ホーン体における第１中空部の周囲に相当する部分の外面に、当該超音波トランスデューサを保持するためのフランジが形成されたことを特徴とするボンディング装置の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
ボンディング装置に設けられる超音波トランスデューサの製造方法において、
ホーン体の後端部にその後端開口に連通する第１中空部を形成する工程と、
前記第１中空部内に振動子部を挿入する工程と、
前記第１中空部に更に固定部材を配置し、前記振動子部を押し込み固定する工程と、
前記振動子部から前記ホーン体の内部を通って外部まで引き出された信号ラインに信号線を接続する工程と、
を含むことを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置におけるボンディング装置で超音波振動を発生する超音波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置におけるボンディング装置として、ワイヤボンディング装置、バンプボンディング装置、及び、シングルポイントボンディング装置などが知られている。そのような装置では、超音波トランスデューサを利用して、ボンディング部に対して超音波振動が与えられる。これに関し、超音波振動と荷重とを組み合わせてボンディング部を接合する超音波圧着方式や、例えば２００℃程度にボンディング部を加熱しつつ超音波振動を与える超音波併用熱圧着方式などが知られている。
【０００３】
従来のボンディング装置用の超音波トランスデューサとして、ランジュバン型トランデューサ（ボルト締め型トランスデューサ）が知られており、そのトランスデューサは、一般に、ボルト締め型振動子（ランジュバン型振動子）と、それにより発生した超音波が伝達されるホーンと、そのホーンの先端に取り付けられるボンドツールで構成される。
【０００４】
ボルト締め型振動子は、通常、複数枚の電歪素子と、それらの間に配置される複数の電極と、それらの電歪素子及び電極を貫通するボルトと、そのボルトを介して電歪素子などからなる積層体を強く挟持する一対のブロックで構成される。このような構成の場合、各電歪素子の側面は外部に露出しており、また、各電極に対する信号線の接続は、積層体の側面上で行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、信号線の接続部分がトランスデューサの側面上で行われ、その接続部分もトランスデューサ占有空間の一部を構成することになるので、トランスデューサにおける特に後端部の太さを細くできないという問題があった。
【０００６】
半導体製造装置において、ボンディング部にボンドツールを当接させた状態では、トランスデューサの下方には他の機構（例えば試料押さえ）などが存在し、それと超音波トランスデューサとの物理的干渉（衝突）を避ける必要がある。それ故、超音波トランスデューサの細径化が望まれており、換言すれば、可動空間を確保・拡大するためにトランスデューサの小型化が要請されている。
【０００７】
また、超音波トランスデューサの搬送時の駆動負荷を軽減して駆動応答性を高めるためにもその軽量化が望まれている。更に、従来の超音波トランスデューサにおいては、電歪素子などからなる積層体が外部に露出しているので、下方に存在するヒーターからの熱放射を直接受ける。このため、加熱による振動特性の変化が危惧されている。
【０００８】
加えて、従来の超音波トランスデューサにおいては、振動子の前側のブロックとホーンとの間に連結部があり、そこに断面積の大きな段差が存在すると、振動伝達の効率が低下するという問題があった。
【０００９】
なお、特開平１０−３０３２４０号公報には、ホーン軸方向に沿ってホーン内部に中空部が形成された超音波トランスデューサが開示されている。その中空部は超音波トランスデューサを軽量化するためのものである。ホーンの後端にはランジュバン型振動子が設けられている。従って、電歪素子の表面は外部に露出し、その表面上で信号線の接続が行われることから、超音波トランスデューサ（特に後端部）の細径化は困難で、上記同様の問題が指摘される。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、超音波トランスデューサ（特にその後端部）の形状を小型化することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、超音波トランスデューサにおいて、積層体の外部表面上での結線を回避することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、超音波トランスデューサにおいて、ホーン内部に積層体を埋設できるようにし、また軽量化を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、ボンディング装置に設けられる超音波トランスデューサにおいて、先端部にボンドツールが取り付けられ、少なくとも後端部に第１中空部が形成されたホーン体と、前記第１中空部に収容され、超音波振動を発生する振動子部と、前記ホーン体の後端部に形成された後端開口を介して挿入され、前記ホーン体の後端部に螺合して前記振動子部を前記第１中空部内に押し込み固定する固定部材と、を含み、前記振動子部の先端側が前記ホーン体における第１中空部の先端側の内壁当接面に当たり且つ前記振動子部の後端側が前記固定部材により押し込み固定され、これにより前記ホーン体における第１中空部の周囲に相当する部分が振動子部両端間の締結部材として機能することを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、ホーン体の後端部に第１中空部が形成され、その内部の振動子部にて発生した超音波がホーン体を介してボンドツールに伝達される。そして、そのボンドツールの超音波振動がボンディング部分へ伝達される。
【００１５】
本発明によれば、振動子部がホーン体の後端部内に収容されているので、ホーン体の後端部の形状をシンプルにでき、後端部の細径化を図ることが可能である。また、振動子部を物理的及び熱的に保護できる利点もある。更に加工性も良好であり、製造コストを低減できる。
【００１６】
望ましくは、前記第１中空部内において前記振動子部の外側周囲には筒状の絶縁体が設けられる。
【００１７】
ここで、周囲壁（ホーン体における第１中空部の周囲に相当する部分）は例えば筒状の形態を有していてもよいが、必要に応じて、その周囲壁に対し１又は複数の開口などを形成してもよい。また、ホーン体は上記周囲壁を含めて一体成形されるのが望ましく、その構成によれば部品点数を削減して製造コストを低減でき、また超音波振動の伝達効率を高めることができる。上記固定部材は第１中空部内に挿入配置されるのが望ましいが、例えば後端部を包囲するようなキャップ形状としてもよい。
【００１８】
望ましくは、前記振動子部及び前記固定部材にはそれぞれ貫通孔が形成され、前記貫通孔を介して信号ラインが前記振動子部に接続される。このように信号ラインをホーン体内部から引き出されるので、従来のように信号ラインを外側表面上に接続することに起因する問題を解消でき、すなわち、トランスデューサ後端部の規模を小型化してその占有空間を小さくできる。
【００１９】
また望ましくは、前記ホーン体には、前記第１中空部から先端部側へ連通する第２中空部が形成される。この第２中空部によれば、ホーン体の重量をより削減でき、トランスデューサの搬送負荷を低減できる。
【００２０】
なお、ホーン体の先端部側に、第２中空部に連通すると共に外界に連通する第３中空部を形成してもよい。そのような構成によれば、放熱作用をより高められ、熱的な安定性を確保できる。もちろん、そのような中空部に対して空気などを強制的に送り込む空冷機構を設けてもよい。
【００２１】
また望ましくは、前記ホーン体における第１中空部の周囲に相当する部分の外面に、当該超音波トランスデューサを保持するためのフランジが形成される。この場合、そのフランジは振動の節の位置に形成するのが望ましい。ここで、そのフランジはホーン体と一体形成するのが望ましい。
【００２２】
（２）また上記目的を達成するために、本発明に係るボンディング装置に設けられる超音波トランスデューサの製造方法は、ホーン体の後端部に後端開口に連通する第１中空部を形成する工程と、前記第１中空部内に振動子部を挿入する工程と、前記第１中空部に更に固定部材を設け、前記振動子部を押し込み固定する工程と、前記振動子部から前記ホーン体の内部を通って外部まで引き出された信号ラインに信号線を接続する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１には、本発明に係る超音波トランスデューサの好適な実施形態が示されており、図１は、その断面図である。この超音波トランスデューサ１０は、半導体製造装置において、ボンディング部に対して超音波振動を伝達するための機構である。
【００２５】
図１において、紙面上横方向に伸長したホーン体１２は、例えば、チタン合金、ステンレス材、アルミニウム材などの部材で構成され、それは超音波トランスデューサ１０の本体を成すと共に、後に詳述する振動子部１６で生じた超音波振動をボンドツール１３に伝達する。ここで、ボンドツール１３は、半導体製造装置において、ボンディング部に接触し、超音波圧着あるいは超音波併用熱圧着を実現するために超音波振動を伝達する部材である。図１に示すトランスデューサ１０がワイヤボンディング装置に設けられる場合、図示されていないワイヤ供給装置によってボンドツール１３の先端へボンディング用ワイヤが供給される。
【００２６】
ボンドツール１３は、ホーン体１２の先端部をなす保持部２０によって保持されており、具体的にはホーン体１２の先端部には垂直にスリット２０Ａが形成され、その両側部分をネジで締め付けることによりボンドツール１３が保持されている。図１において、符号２８はそのためのネジ穴を示している。これは従来同様の構造である。
【００２７】
ホーン体１２には、振動の節の位置にフランジが形成される。図１においてはその一部分が符号１２Ａで示されている。図示されていないボンディングヘッド（搬送機構）によってそのフランジが保持され、これによって超音波トランスデューサ１０が三次元方向に搬送される。符号１２Ａ’は、変形例として、他の位置に設けられたフランジの一部分を示している。その位置も振動の節の位置に相当する。フランジの形成に関しては後述する。
【００２８】
ホーン体１２の後端部内には、内部ユニット１４が配置されている。すなわち、ホーン体１２の後端部には後端開口に連通する第１中空部１００が形成されており、その第１中空部１００内に内部ユニット１４が挿入されている。ここで、第１中空部１００の周囲壁は後述するように締結部１２Ｂとして機能する。
【００２９】
本実施形態においては、第１中空部１００に連通して、ホーン体１２の中間部１２Ｃに第２中空部１０２が形成されている。さらに、その第２中空部１０２に連通して、その先端側には第３中空部１０４が形成されている。第３中空部１０４は図１に示されるようにスリット２０Ａまで伸長している。
【００３０】
内部ユニット１４の中央部には、各部材を貫通する貫通孔が形成されており、その直径は本実施形態において第２中空部１０２の直径に一致している。ホーン体１２についてその基端から先端側にかけての外径をみた場合、基端部よりも中間部１２Ｃの方がやや細くそれらの間にはテーパー部１２Ｄが形成されている。中間部１２Ｃの先端側にもテーパー部１２Ｅが形成されており、そのテーパー部１２Ｅは保持部２０に連なっている。すなわち、基端側から先端側にかけて緩やかではあるが段階的に外径が小さくされており、これにより超音波振動の増幅作用が得られている。本実施形態においては、図１に示されるようにホーン体１２の全体にわたって著しい断面積の変化すなわち断面積の大きな段差は設けられておらず、効率的に超音波振動をボンドツール１３へ伝達することが可能である。次に、図２を用いて内部ユニット１４について詳述する。
【００３１】
図２（Ａ）には内部ユニット１４の分解図が示されており、また（Ｂ）には超音波トランスデューサ１０を基端側からみた外観が示されている。
【００３２】
図２（Ａ）に示されるように、締結部１２Ｂの内部は第１中空部１００を構成しており、その第１中空部１００は大別して前部空間１００Ａと後部空間１００Ｂとで構成される。前部空間１００Ａ内には振動子部１６が挿入配置される。また、後部空間１００Ｂには固定手段としての押圧ブロック４２が配置される。ここで、締結部１２Ｂにおける後部空間１００Ｂに望む内面には、ネジ部３０が形成されており、その一方、押圧ブロック４２の外周面にはネジ部４４が形成されており、それらの螺合によって押圧ブロック４２が締結部１２Ｂに固定される。同時に、振動子部１６が第１中空部１００内において所定圧力で押し込み固定されることになる。本実施形態では、ホーン体における第１中空部１００の先端側の内壁に肩部が形成されており（符号２０４参照）、後に詳述するように、振動子部１６の先端側が第１中空部１００の先端側の内壁当接面に当たり且つ振動子部１６の後端側がカラー４０を介して押圧ブロック４２により固定される。
【００３３】
振動子部１６は、複数の電歪素子（圧電素子）３２と複数の電極板３４とで構成され、電歪素子３２の間及び図２において振動子部１６の右端に、それぞれ電極板３４が配置される。すなわち、振動子部１６は従来同様に複数の電歪素子及び複数の電極板を積層した構造を有する。それらの外側周囲には電気的な絶縁を保持するために、テフロンチューブ等からなる筒状の絶縁体３６が設けられている。
【００３４】
図２に示されるように、各電極板３４の中央部には貫通孔３４Ａが形成され、また、これと同様に各電歪素子３２にもその中央部に貫通孔３２Ａが形成されている。これによって振動子部１６全体として貫通孔が存在する。
【００３５】
各電極板３４の内側縁からリード片３８が引き出されており、各リード片３８は後に図３を用いて説明するように、必要に応じて接続片２２を介してペア連結されると共に、基端側方向に引き出されている。ちなみに、振動子部１６を基端部内に収容した状態で、少なくともリード片３８あるいは接続片２２の外端が後端開口２００から外部に突出するようにするのが望ましい。このような構成によれば、後に示すように信号線２４の接続をより簡便に行うことができる。
【００３６】
振動子部１６と押圧ブロック４２との間には例えば金属などで構成されるカラー４０が介在配置されており、このカラー４０はスリップリングとして機能する。カラー４０の中央部にも貫通孔４０Ａが形成され、一方、押圧ブロック４２の中央部にも貫通孔４２Ａが形成されている。各部材に形成された貫通孔３２Ａ，３４Ａ，４０Ａ，４２Ａによって内部ユニット１４全体として貫通孔が構成される。その貫通孔を利用して信号ラインの取り出しすなわちリードの引き出しが実現されている。振動子部１６とホーン体１２の間には、上記の絶縁体３６が設けられている。
【００３７】
ちなみに、押圧ブロック４２は例えばチタン合金あるいはステンレス部材などの金属部材で構成される。その後端側開口には例えばトルクレンチなどが係合される係合部４６が形成される。
【００３８】
この内部ユニット１４はそれ全体として図１に示したように超音波トランスデューサ１０の基端部内に完全に収容され、これによって当該基端部の外観を極めてシンプルにできる。ちなみに、後に説明するように、各電極板３４にはそれぞれ１つおきに同一極性が設定されており、この場合において、カラー４０及び押圧ブロック４２はホーン体１２と同電位である。この振動子部１６には例えば１００ｋＨｚ程度の高周波駆動信号が供給される。
【００３９】
本実施形態の超音波トランスデューサ１０はその用途に応じて各種の大きさに形成することができるが、例えば、その全長を超音波の１波長分に設定することができる。その場合、その全長を例えば３５ｍｍとしてもよい。その場合において、ホーン体１２の基端部の外径を例えば９ｍｍとし、第１中空部１００の直径を例えば６．５ｍｍとし、第２中空部１０２の直径を例えば３．５ｍｍとしてもよい。さらに、締結部１２Ｂの厚さをたとえば１．０ｍｍとしてもよい。もちろん、以上の各数値は一例であって、本実施形態に係る超音波トランスデューサとしては振動子１６がホーン体１２に内蔵される限りにおいて各種の形態を採用可能である。
【００４０】
図３には図２に示した各電極板３４の斜視図が示されている。本実施形態においては、図２に示したように例えば４つの電極板３４が利用されており、その４つの電極板３４の内で図３（Ａ）には第１番目及び第３番目の電極板３４−１，３４−３が示され、また、図３（Ｂ）には第２番目及び第４番目の電極板３４−２，３４−４が示されている。図示されるように、各電極板３４には貫通孔３４Ａが形成され、その内側縁からリード片３８が後端開口側に引き出されている。各リード片３８は接続片２２によって同一極性ごとに相互接続されており、それらのリード片３８及び接続片２２の端部が上述したように後端開口を超えて外部に引き出される。そして、図１及び図４（Ａ）に示すように信号線２４の導体部分が接続片２２の一端に接続される。これらのリード片３８及び接続片２２は、信号線２４への信号ラインに相当する。
【００４１】
ちなみに各リード片３８，接続片２２及び導体部分の相互間接続は例えばスポット溶接などによる。もちろん、各電極に対する信号ラインの接続方法は各図に示されたものには限られず、少なくとも内部ユニット１４の内部において信号ラインの接続処理ができる限りにおいて各種の方式を採用可能である。
【００４２】
図４（Ａ）には本実施形態に係る超音波トランスデューサ１０の基端部が示されており、その一方、図４（Ｂ）には比較例としてボルト締め型超音波振動子を用いた超音波トランスデューサの基端部が示されている。
【００４３】
最初に比較例について説明すると、ボルト締め型超音波振動子は、ボルト５０Ａを介して２つのブロックによって複数の電歪素子などを挟み込んだ構造を有し、図４（Ｂ）に示される比較例において、前側ブロック５０はボルト５０Ｂと一体形成されており、そのボルト５０Ｂは後側ブロック５４と螺合している。前側ブロック５０には連結ボルト５０Ａが形成されており、その連結ボルト５０Ａがホーン５２の基端部と螺合する。上述した説明から明らかなように、比較例においては積層体の側面が外部に完全に露出しており、その露出面を利用して信号線２４’の接続が行われる。したがって、そのような接続部分が占めるスペースを無視することができず、超音波トランスデューサの基端部の形状が肥大化するという問題があった。これに対し、図４（Ａ）に示す本実施形態においては、信号線２４の接続を後端部の後方にて行うことができるので、基端部周囲における出っ張りを削減してその占有スペースを低減できるという利点を得られる。
【００４４】
例えばボンディングがなされるボンド面２０２に対する距離を対比すると、本実施形態と比較例とにおけるトランスデューサの軸中心が同じ高さにあると仮定した場合に、本実施形態においては基端部から基端部の側面からボンド面２０２までの距離Ｈ１を十分確保できるのに対し、比較例においては信号線２４’の位置如何によってはそこからボンド面２０２までの距離Ｈ２が著しく小さくなる。このため、比較例においては超音波トランスデューサの可動範囲が制限されたりあるいは電歪素子がボンド面２０２からの熱的影響を受けやすいという問題があった。本実施形態によれば超音波トランスデューサの可動空間を拡大することができると共に各電歪素子を物理的及び熱的な作用から保護できるという利点を得られる。ちなみに、基端部内には少なくとも内部ユニット１４内に貫通孔が形成され、これによってその部分における放熱作用を期待することができる。さらに、ホーン体１２の内部に第２中空部１０２を形成すれば、ホーン体１２の全体重量を削減できると共にその表面積を増大させて空冷による熱的な安定性を確保できるという利点がある。
【００４５】
もちろん、例えばホーン体１２の内部に強制的にエアーを送り込むことによって空冷作用をより高めるようしてもよい。この場合において、図１に示した第３中空部１０４はスリット２０Ａに望んでおり、その部分からエアの流通を行わせることもできる。また、図５に示すように、ホーン体１２の内部に非貫通孔としての中空部１０２’を形成し、ホーン体１２の適当な部位に、中空部１０２’に連通する小孔６０を設け、この構成によってエアの流通を行わせるようにしてもよい。この構成によれば、エアがボンディングツール側に直接流出することによる影響を解消可能である。
【００４６】
図１に示した実施形態においては、振動子部１６がリング状すなわち円筒形状に形成されていたが、もちろんそれには限られず、その形態を矩形形状にしてもよい。また、図１に示した実施形態では押圧ブロック４２は完全に第１中空部１００内に挿入されていたが、押圧ブロック４２が基端部を包囲するように形成してもよく、いずれにしても振動子部１６を第１中空部内の当接面２０４（図２参照）と押圧ブロック４２の当接面２０６との間で確実に挟持できる限りにおいて各種の構成を採用可能である。
【００４７】
図６には、参考として、本実施形態に係る超音波トランスデューサの概略的な斜視図が示されている。上記のように、ホーン体１２における振動子部の周囲であって振動の節の位置（振動子部の中央位置）にフランジ１２Ａが一体形成される。よって、超音波トランスデューサの全長を超音波の１波長分と短くしても、振動子部の中央にある振動の節を利用してフランジを設けることができ、また、フランジの取り付け加工を不要にできるとともに部品点数を削減可能である。加えて、フランジの位置決め精度を良好にできるという利点もある。更に、振動子部の中央にフランジが位置しているので、ボンディング時にフランジにかかる曲げ応力が振動子部に与える影響を軽減でき、従って安定した超音波振動を発生可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超音波トランスデューサにおけるその後端部分の形状をシンプルにすることができる。また、本発明によれば本体内部からの信号ラインの引き出しを利用して超音波トランスデューサの基端部が占める空間を小さくすることが可能である。また、本発明によれば振動子部がホーン体内に収容されているためその振動子部を各種の作用から保護できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態に係る超音波トランスデューサの断面図である。
【図２】  内部ユニットの分解図及び後端側からみた図である。
【図３】  複数の電極板間における接続関係を示す斜視図である。
【図４】  本実施形態と比較例との間における効果上の差異を示すための図である。
【図５】  ホーン体の変形例を示す断面図である。
【図６】  超音波トランスデューサの概略的な斜視図である。
【符号の説明】
１０  超音波トランスデューサ、１２  ホーン体、１３  ボンドツール、１４内部ユニット、１６  振動子部、２０  保持部、３２  電歪素子、３４  電極板、３６  絶縁体、４０  カラー、４２  押圧ブロック、１００  第１中空部、１０２  第２中空部、１０４  第３中空部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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