(57)【要約】【課題】  半導体チップを保持して移送する際や保持待機状態の際にも、半導体チップの接合部の不活性ガスによるシールドを行い、酸化を防止できるものとし、接合後は接合部及びボンディングヘッドの急速冷却をするボンディング装置とする。【解決手段】  半導体チップを保持し、基板に接合させるボンディング装置に次の手段を採用した。  第１に、ボンディングヘッドは下面に半導体チップを保持する保持部を備え、保持部を取り囲んで保持部に向けて気体を噴出する気体噴出手段と、気体噴出手段を保持部に対して昇降させる昇降手段とを備える。  第２に、昇降手段は、気体噴出手段を保持部の下面より下方へ突出させる下降状態と、突出させない上昇状態に昇降させる。  第３に、半導体チップを保持して移送する際に、気体噴出手段を下降状態として保持部に保持された半導体チップに向けて不活性ガスを噴出させる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを保持して移送するボンディングヘッドと、基板を支持するステージを備え、ボンディングヘッドに半導体チップを保持し、基板に接合させるボンディング装置において、
ボンディングヘッドは下面に半導体チップを保持する保持部を備えるとともに、該保持部を取り囲んで該保持部に向けて気体を噴出する気体噴出手段と、該気体噴出手段を前記保持部に対して昇降させる昇降手段とを備え、
該昇降手段は、前記気体噴出手段を前記保持部の下面より下方へ突出させる下降状態と、突出させない上昇状態に昇降させ、
ボンディングヘッドで半導体チップを保持して移送する際に、前記気体噴出手段を下降状態として前記保持部に保持された半導体チップに向けて不活性ガスを噴出させることを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
上記気体噴出手段は上記保持部を囲繞するリング状に構成され、該気体噴出手段の上方に上記保持部に固定して該保持部と前記気体噴出手段との間隙を塞ぐ閉塞部材を設け、該閉塞部材によって上昇状態の前記気体噴射手段と上記保持部との間隙を塞ぐことを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
【請求項３】
上記ステージを上記気体噴出手段で取り囲むことの可能な形状に構成し、接合時もしくは接合後に上記気体噴出手段を下降状態として気体を噴出することを特徴とする請求項１または２に記載のボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを基板に接合するボンディング装置の改良に関するものであり、詳しくは、半導体チップの酸化を防止するための機構を有するボンディングヘッドを備えたボンディング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体チップを基板上に加熱して接合するボンディング装置の場合、半導体チップの接合部の酸化による接合不良が発生することが知られており、これを防止するため接合部周辺を不活性ガス（窒素ガス等）によりシールドする手段が採用されている。
【０００３】
この種のボンディング装置において、基板に半導体チップを加熱し接合する際、接合部の酸化を防止するため、特許文献１の図５に示されるように基板支持ステージにフードを設けるなどして、窒素ガスのブローを行っていた。しかし、基板支持ステージ全域に窒素ガスのブローを行い、酸素濃度を下げようとした場合は多量の窒素ガスが必要であり、現実問題としては酸素濃度を接合部の酸化防止に必要な濃度に低減することは困難であった。
【０００４】
そこで、特許文献１の図１乃至図４に示されるようにボンディングヘッドの下面に不活性ガス供給穴を設け、該供給穴より不活性ガスを供給し、半導体チップの接合部をシールドする手段が提供された。この手段は接合時には直下に基板及び基板支持ステージがあるため効果を奏するが、ボンディングヘッドで半導体チップを移送する時、及び保持待機状態の時には、半導体チップの接合部を不活性ガスでシールドすることができず、半導体チップの接合部の酸化が懸念されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４５５８３８号特許公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、基板支持ステージ上で基板に半導体チップを接合する際には勿論のこと、ボンディングヘッドで半導体チップを保持して移送する際や保持待機状態の際にも、半導体チップの接合部の不活性ガスによるシールドを確実に行い、該接合部の酸化を防止できるものとすると共に、半導体チップの接合後は接合部及びボンディングヘッドの急速冷却を可能とするボンディング装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため第１の発明は、半導体チップを保持して移送するボンディングヘッドと、基板を支持するステージを備え、ボンディングヘッドに半導体チップを保持し、基板に接合させるボンディング装置に次の手段を採用した。
第１に、ボンディングヘッドは下面に半導体チップを保持する保持部を備えるとともに、該保持部を取り囲んで該保持部に向けて気体を噴出する気体噴出手段と、該気体噴出手段を前記保持部に対して昇降させる昇降手段とを備える。
第２に、該昇降手段は、前記気体噴出手段を前記保持部の下面より下方へ突出させる下降状態と、突出させない上昇状態に昇降させるものとする。
第３に、ボンディングヘッドで半導体チップを保持して移送する際に、前記気体噴出手段を下降状態として前記保持部に保持された半導体チップに向けて不活性ガスを噴出させることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に次の手段を付加したボンディング装置である。
第１に、上記気体噴出手段は、上記保持部を囲繞するリング状に構成される。
第２に、該気体噴出手段の上方に上記保持部に固定して該保持部と前記気体噴出手段との間隙を塞ぐ閉塞部材を設ける。
第３に、該閉塞部材によって上昇状態の前記気体噴出手段と上記保持部との間隙を塞ぐものとする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明における基板を支持するステージを上記気体噴出手段で取り囲むことの可能な形状に構成し、接合時もしくは接合後に上記気体噴出手段を下降状態として気体を噴出することを第１または第２の発明に付加したボンディング装置とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、ボンディングヘッドで半導体チップを保持して移送する際に、気体噴出手段を下降状態として保持部に保持された半導体チップに向けて不活性ガスを噴出させるようにすることにより、接合前の半導体チップ受け渡し直後から直接半導体チップへの不活性ガスの供給が可能となり、半導体チップの移送時、及び保持待機状態時などにも半導体チップの接合部の酸化が防止できるものとなった。又、直接半導体チップに向けて不活性ガスを噴出させるため、不活性ガスの消費量が低減できるものとなった。
【００１１】
第２の発明の効果ではあるが、気体噴出手段が保持部を囲繞するリング状に構成されることにより、ボンディングヘッドの半導体チップ保持部へ不活性ガスを放射状に噴出でき、且つ、気体噴出手段の上方に保持部に固定して保持部と気体噴出手段との間隙を塞ぐ閉塞部材を設け、閉塞部材によって上昇状態の気体噴出手段と保持部との間隙を塞ぐようにすることにより、不活性ガスの流れを該保持部へと制御できるため、不活性ガスによる接合部のシールドが確実なものとなり半導体チップの接合部の酸化をより防止できるものとなった。又、局部的に不活性ガスを噴出させるため、不活性ガスの消費量が低減できるものとなった。
【００１２】
第３の発明の効果ではあるが、基板を支持するステージを気体噴出手段で取り囲むことの可能な形状に構成し、接合時もしくは接合後に気体噴出手段を下降状態として気体を噴出するようにすることにより、接合時には、接合部に対して局部的に不活性ガスを噴出できるため、不活性ガスによる接合部のシールドがより確実なものとなり接合部の酸化をより確実に防止できるものとなると共に、不活性ガスの消費量を低減することができるものとなった。又、接合後は、噴出するガスを不活性ガスからエアに切り換えて噴出するなどして、外部から接合部及びボンディングヘッドを急速に冷却することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】半導体チップ受け渡し時の気体噴出リングの位置を示す部分断面説明図
【図２】ボンディングヘッドによる半導体チップ移送時の気体噴出リングの位置を示す部分断面説明図
【図３】半導体チップの基板への接合時における気体噴出リングの位置を示す部分断面説明図
【図４】気体噴出リングの平面図
【図５】気体噴出リングの側面図
【図６】気体噴出リングの上部部材の底面図
【図７】気体噴出リングのＡ−Ａ線断面図
【図８】気体噴出リングのＢ−Ｂ線断面図
【図９】気体噴出リングの噴出口に角度を付けた例を示す部分断面説明図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に従って、実施例と共に本発明の実施の形態について説明する。
図２乃至図３において、符号１は半導体チップであり、３は基板である。図２乃至図３に示されるボンディング装置は、半導体チップ１を保持して移送するボンディングヘッド２と、基板３を支持する基板支持ステージ４を備え、ボンディングヘッド２に半導体チップ１を保持し、基板３に接合させるものである。尚、実施例での基板支持ステージ４は、後述の気体噴出リング１０の内側空間に収まり、気体噴出リング１０が基板支持ステージ４を取り囲むことが可能な大きさと形状とされている。
【００１５】
ボンディングヘッド２は、下面に半導体チップ１を吸着保持するチップ保持部５と、加熱圧着のためのヒータ部６を有する。ボンディングヘッド２は、チップ供給ステージ７（図１にのみ示される）から、半導体チップ１を吸着保持し、移送し、基板支持ステージ４に支持された基板３に接合するための移送機構として、ボンディングヘッド２の水平移動を司るＸ軸駆動機構（図示されていない）とボンディングヘッド２の昇降及び回転方向の移動を司るＺ軸及びθ軸駆動機構８を有している。尚、実施例でのチップ供給ステージ７は、次に述べる気体噴出リング１０の内側空間より大きいものが利用されている。
【００１６】
ボンディングヘッド２には、本発明おける気体噴出手段となる気体噴出リング１０がリング昇降機構９を介して装着されている。尚、図１乃至図３中符号１１は、リング昇降機構９及び気体噴出リング１０をボンディングヘッド２に装着するための取付部である。
【００１７】
気体噴出リング１０は、図４に示されるようにボンディングヘッド２のチップ保持部５を囲繞するようリング状に構成されている。尚、図４中符号１４は気体導入口である。気体噴出リング１０は、図５に示されるように上部リング部材１２と下部リング部材１３とによりなる。
【００１８】
図６は上部リング部材１２の底面図であり、気体導入口１４に?がる導入通路１５及び環状気体通路１６及び気体噴出口１７が溝状に形成され、下部リング部材１３と当接密着させて気体噴出リング１０としている。実施例では気体噴出口１７は図６に示されるように６カ所設けられている。又、実施例での気体噴出口１７の形状は、上部リング部材１２のテーパー面１８と下部リング部材１３のテーパー面１９により気体を水平方向へ噴出するよう構成されているが、図９に示すように、気体噴出口１７が上方に向かって気体を噴出するような角度を付けることもできる。
【００１９】
尚、図７は気体噴出リング１０の図４で示すＡ−Ａ線の断面図で、図６におけるａ−ａ線の位置と同じ位置での断面図であり、図８は気体噴出リング１０の図４で示すＢ−Ｂ線の断面図で、図６におけるｂ−ｂ線の位置と同じ位置での断面図である。
【００２０】
気体噴出リング１０のリング昇降機構９は、ボンディングヘッド２の取付部１１にベース２０を取り付け、該ベース２０にスライドガイド２１、及びスライドガイド２１を上下動させるリング昇降シリンダ２２を配備し、スライドガイド２１の下方に気体噴出リング１０を連結部材２３を介して装着し、リング昇降シリンダ２２の作動により気体噴出リング１０を、ボンディングヘッド２のチップ保持部５の下面より下方へ突出させる下降状態と、突出させない上昇状態の間で昇降させるものである。
【００２１】
図２及び図３における気体噴出リング１０の位置が、下降状態の位置であり、気体噴出リング１０の気体噴出口１７より、直接半導体チップ１に向けて気体（窒素、アルゴン、ヘリウム等からなる酸化防止を目的とした不活性ガス、または冷却用のエア）が噴出される位置である。他方、図１における気体噴出リング１０の位置が，上昇状態の位置であり、ボンディングヘッド２のチップ保持部５に半導体チップ１を吸着保持する際に、気体噴出リング１０が障害とならない程度、ボンディングヘッド２のチップ保持部５の下端より、気体噴出リング１０の下端が上方にある位置である。尚、基板支持ステージ４が気体噴出リング１０の内側空間より大きい場合には、半導体チップ１を基板３に接合する際にも、気体噴出リング１０は上昇状態の位置に保持される。
【００２２】
尚、ボンディングヘッド２のチップ保持部５には、気体噴出リング１０が上昇状態の際に、気体噴出リング１０とボンディングヘッド２のチップ保持部５との間隙を塞ぐための閉塞板２４が設けられている。これにより気体噴出リング１０が上昇状態で噴出した気体（不活性ガス）の気流方向は下方へと変化し、半導体チップ１に向かって気体（不活性ガス）を供給できると共に、該気体がボンディングヘッド２の上方へ流れ出てしまうことを防げる。
【００２３】
気体噴出リング１０の気体導入口１４には図１に示されるようにフレキシブルな気体配管２８が接続され、気体配管２８は、切替装置２５を介してエア供給源２６と不活性ガス供給源２７とに接続されている。
【００２４】
以下、実施例における気体噴出リング１０の動作について説明する。図１は、半導体チップ１の受け渡し時の気体噴出リング１０の位置を示す部分断面説明図である。ボンディングヘッド２は、Ｘ軸駆動機構によりチップ供給ステージ７の吸着保持対象の半導体チップ１の上方に移動し、Ｚ軸及びθ軸駆動機構８により下降し、チップ保持部５で半導体チップ１を吸着保持する。
【００２５】
この際、チップ供給ステージ７は、気体噴出リング１０の内側空間より大きいので、気体噴出リング１０は、ボンディングヘッド２のチップ保持部５の下端面（チップ吸着面）より上方に位置しないと、チップ保持部５での半導体チップ１の吸着保持ができない。従って、気体噴出リング１０は、リング昇降シリンダ２２の動作により上昇させられ、上昇状態位置に移動する。
【００２６】
チップ保持部５に半導体チップ１を吸着保持すると、切替装置２５が動作して、不活性ガス供給源２７から不活性ガスが気体配管２８を通じて、気体噴出リング１０の気体導入口１４より、導入通路１５を通り、環状気体通路１６に送り込まれる。環状気体通路１６には、実施例では６個の気体噴出口１７が設けられており、該気体噴出口１７より不活性ガスが気体噴出リング１０の内側に噴出する。尚、本実施例では、不活性ガスとして窒素ガスを不活性ガス供給源２７から供給するようになっているが、窒素ガスの他にアルゴンやヘリウム等からなる酸化防止を目的とした不活性ガスを用いることができる。
【００２７】
この時、気体噴出リング１０は上昇状態位置にあり、不活性ガスは直接、チップ保持部５に保持された半導体チップ１に向かって噴出されてはいないが、気体噴出リング１０は、上方で閉塞板２４によりチップ保持部５との間隙を塞がれているため、不活性ガスは上方へは逃げることができず、下方へと気流方向を変えられ、噴出された不活性ガスが半導体チップ１の方向へ流れ、半導体チップ１を不活性ガスによりシールドすることができる。尚、気体噴出口１７が、図９に示すように、気体を上方に向かう角度を付けて形成されている場合、閉塞板２４による気流方向の変更は効果的である。
【００２８】
ボンディングヘッド２のチップ保持部５に半導体チップ１が吸着保持されると、ボンディングヘッド２は、Ｚ軸及びθ軸駆動機構８により上昇され、Ｘ軸駆動機構により基板支持ステージ４に支持された基板３の上方に移動し、更に、Ｚ軸及びθ軸駆動機構８により接合位置まで下降する。
【００２９】
図２が、ボンディングヘッド２による半導体チップ１の移送時における気体噴出リング１０の位置を示す部分断面説明図であり、半導体チップ１の移送時には、気体噴出リング１０がチップ保持部５より下方に位置していても、移送の障害になるものではないので、気体噴出リング１０は、リング昇降シリンダ２２により下方状態位置に下降させられている。この状態で不活性ガスは直接半導体チップ１に向かって、噴出され、半導体チップ１をシールドしている。
【００３０】
ボンディングヘッド２が下降し、チップ保持部５に吸着保持している半導体チップ１が基板３に当接すると加熱圧着による接合が行われる。この接合時には、基板支持ステージ４は、気体噴出リング１０の内側空間より小さなものとされているので、気体噴出リング１０は下降状態位置のままで接合の障害とならないため、図３の半導体チップ１の基板３への接合時における気体噴出リング１０の位置を示す部分断面説明図に示す位置のままで不活性ガスが噴出される。
【００３１】
接合が終わった状態では、気体噴出リング１０は下降状態位置のまま切替装置２５が動作して、気体配管２８にはエア供給源２６が接続され、気体噴射リング１０の気体噴出口１７からはボンディングヘッド２及び半導体チップ１を冷却するためのエアが噴出される。尚、冷却のために噴出する気体としては、エアではなく酸化防止用の不活性ガスをそのまま使用しても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・・・半導体チップ
２・・・・・ボンディングヘッド
３・・・・・基板
４・・・・・基板支持ステージ
５・・・・・チップ保持部
６・・・・・ヒータ部
７・・・・・チップ供給ステージ
８・・・・・Ｚ軸及びθ軸駆動機構
９・・・・・リング昇降機構
１０・・・・気体噴出リング
１１・・・・取付部
１２・・・・上部リング部材
１３・・・・下部リング部材
１４・・・・気体導入口
１５・・・・導入通路
１６・・・・環状気体通路
１７・・・・気体噴出口
１８，１９・テーパー面
２０・・・・ベース
２１・・・・スライドガイド
２２・・・・リング昇降シリンダ
２３・・・・連結部材
２４・・・・閉塞板
２５・・・・切替装置
２６・・・・エア供給源
２７・・・・不活性ガス供給源
２８・・・・気体配管
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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