(57)【要約】【課題】シェア強度を所定の値以上に維持することができる半導体素子接合装置及びこれを用いた半導体素子接合方法を提供する。【解決手段】半導体素子(10)と基板(11)との間にバンプ(14)を介在させた状態で、半導体素子(10)を基板(11)側へ押込む押込み手段(15)と、半導体素子(10)及び基板(11)の少なくとも一方に超音波振動を印加することにより半導体素子(10)と基板(11)とを相対的に振動させる超音波振動印加手段(16)と、超音波振動を印加した時点から半導体素子(10)を所定量押込むまでに要する時間を計測する時間計測手段(17)と、時間計測手段(17)により計測された時間に基づいて、次回の接合時における超音波振動の出力を制御する制御手段(18)とを含む半導体素子接合装置(1)とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と基板とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合装置であって、
前記半導体素子と前記基板との間にバンプを介在させた状態で、前記半導体素子を前記基板側へ押込む押込み手段と、
前記半導体素子及び前記基板の少なくとも一方に超音波振動を印加することにより前記半導体素子と前記基板とを相対的に振動させる超音波振動印加手段と、
前記超音波振動を印加した時点から前記半導体素子を所定量押込むまでに要する時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段により計測された時間に基づいて、次回の接合時における超音波振動の出力を制御する制御手段とを含むことを特徴とする半導体素子接合装置。
【請求項２】
半導体素子と基板とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合方法であって、
前記半導体素子と前記基板との間にバンプを介在させた状態で、前記半導体素子を前記基板側へ押込みながら、前記半導体素子及び前記基板の少なくとも一方に超音波振動を印加することにより前記半導体素子と前記基板とを相対的に振動させる工程を含み、
前記超音波振動を印加した時点から前記半導体素子を所定量押込むまでに要する時間を計測し、この計測された時間に基づいて、次回の接合時における超音波振動の出力を制御することを特徴とする半導体素子接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と基板とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合装置及びこれを用いた半導体素子接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を基板上へ接合する装置として、半導体素子と基板との間にバンプを介在させた状態で、超音波振動により半導体素子と基板とを相対的に振動させながら接合する半導体素子接合装置が知られている。
【０００３】
従来の半導体素子接合装置を用いて接合動作を繰り返すと、例えば半導体素子の保持手段が汚れたり、基板が載置されるステージが汚れたりすることによって、接合強度（例えばシェア強度）が低下する場合がある。上記課題を解決するため、特許文献１には、半導体素子と基板との相対的な振動の変化を検出して上記保持手段の汚れの有無を判定する判定装置を含む半導体素子接合装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３１３８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記保持手段の汚れの有無とシェア強度との間には明確な相関関係はなく、シェア強度を所定の値以上に維持するには、特許文献１に提案された半導体素子接合装置では未だ不充分であった。
【０００５】
本発明は、シェア強度を所定の値以上に維持することができる半導体素子接合装置及びこれを用いた半導体素子接合方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体素子接合装置は、半導体素子と基板とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合装置であって、
前記半導体素子と前記基板との間にバンプを介在させた状態で、前記半導体素子を前記基板側へ押込む押込み手段と、
前記半導体素子及び前記基板の少なくとも一方に超音波振動を印加することにより前記半導体素子と前記基板とを相対的に振動させる超音波振動印加手段と、
前記超音波振動を印加した時点から前記半導体素子を所定量押込むまでに要する時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段により計測された時間に基づいて、次回の接合時における超音波振動の出力を制御する制御手段とを含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体素子接合方法は、半導体素子と基板とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合方法であって、
前記半導体素子と前記基板との間にバンプを介在させた状態で、前記半導体素子を前記基板側へ押込みながら、前記半導体素子及び前記基板の少なくとも一方に超音波振動を印加することにより前記半導体素子と前記基板とを相対的に振動させる工程を含み、
前記超音波振動を印加した時点から前記半導体素子を所定量押込むまでに要する時間を計測し、この計測された時間に基づいて、次回の接合時における超音波振動の出力を制御することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の半導体素子接合装置は、半導体素子と基板とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合装置として使用される。上記半導体素子は特に限定されず、例えば半導体ウエハから切り分けられた半導体チップ（所謂ベアチップ）等が使用できる。上記基板についても特に限定されず、例えばガラス・エポキシ基板やセラミック基板等が使用できる。
【０００９】
また、本発明の半導体素子接合装置は、上記半導体素子と上記基板との間にバンプを介在させた状態で上記半導体素子を上記基板側へ押込む押込み手段と、上記半導体素子及び上記基板の少なくとも一方に超音波振動を印加することにより上記半導体素子と上記基板とを相対的に振動させる超音波振動印加手段とを有する。
【００１０】
上記バンプは、例えば接合前において、上記半導体素子に形成された電極上又は上記基板に形成された電極上に予め設けられている。上記バンプの形状は特に限定されないが、その接合前の高さ及び体積が、例えばそれぞれ２０〜３０μｍ及び７×１０4〜１０×１０4μｍ3程度であればよく、その接合前における接合箇所の面積が、例えば３×１０3〜５×１０3μｍ2程度であればよい。また、上記バンプの材料についても特に限定されず、例えば金等の金属材料を使用できる。
【００１１】
上記押込み手段については特に限定されず、例えばボイスコイルモータ（以下、「ＶＣＭ」と略称する。）等の動力源を使用することができる。上記押込み手段によって上記半導体素子を押込む際の荷重は、例えば１つのバンプあたり５００〜１０００ｍＮ程度である。なお以下の記述において、半導体素子を押込む際の荷重の値は１つのバンプあたりの荷重の値とする。
【００１２】
上記超音波振動印加手段についても特に限定されず、例えば慣用の超音波振動発生装置が使用できる。上記超音波振動印加手段によって印加される超音波振動の周波数は、例えば６０〜１２０ｋＨｚ程度であればよく、その出力は、例えば０．２５〜２．５Ｗ程度であればよい。超音波振動の振動方向は、上記基板面に平行な方向であれば特に限定されない。また、超音波振動を印加する際は、上記半導体素子と上記基板とを相対的に振動させることができる限り、例えば上記基板を固定した状態で上記半導体素子に印加してもよいし、上記半導体素子を固定した状態で上記基板に印加してもよい。また、上記基板及び上記半導体素子の双方に、それぞれ位相が相違する超音波振動を印加してもよい。
【００１３】
上記押込み手段によって上記半導体素子を押込みながら、上記超音波振動印加手段によって上記半導体素子及び上記基板の少なくとも一方に超音波振動を印加すると、上記バンプの変形量（圧縮量）が急激に増大する。これにより、上記半導体素子の上記基板側への押込み量が急激に増大する。
【００１４】
図１に接合時における上記バンプの高さの経時変化を示す。なお、図１に示す例では、上記バンプとして金バンプを使用し、その接合前の高さ及び体積は、それぞれ２６μｍ及び８×１０4μｍ3であり、その接合前における接合箇所の面積は３．８×１０3μｍ2であった。また、半導体素子を押込む際の荷重は２３００ｍＮとし、印加する超音波振動の周波数及び出力は、それぞれ６３．５ｋＨｚ及び１．５Ｗとした。図１に示すように、超音波振動の印加開始時点Ｘから半導体素子が所定量押込まれた時点Ｙにかけて、上記バンプの高さが急激に減少していることが分かる。即ち、超音波振動印加時の初期段階においては、上記半導体素子の上記基板側への押込み速度が増大する。本発明者らは、超音波振動印加時の初期段階における上記半導体素子の上記基板側への押込み速度（以下、単に「押込み速度」という。）と、接合強度の指標であるシェア強度との間に相関関係を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
ここで、上記相関関係について、図２を参照して説明する。図２は、押込み速度と、１つのバンプあたりのシェア強度（以下の記述において、シェア強度の値は１つのバンプあたりのシェア強度の値とする。）との関係を示すグラフである。なお、この場合の押込み速度は、超音波振動を印加した時点から半導体素子を７μｍ押込むまでの平均速度とした。即ち、押込み速度は、半導体素子を７μｍ押込むまでの時間をＴ（単位は「ｍｓ」）としたときに、７／Ｔにより算出される速度とした。また、使用したバンプは図１に示す例と同様のものを用い、シェア強度は、株式会社レスカ（Rhesca）製PTR-3000を用いてランドプルシェアテストにより測定した。
【００１６】
図２に示すように、押込み速度とシェア強度とは、良好な相関関係を有している。よって、例えば図２に示す系において２０００ｍＮ以上のシェア強度を得るには、押込み速度が０．７８μｍ／ｍｓ以上であればよいことが分かる。
【００１７】
以上の結果を考慮し、本発明の半導体素子接合装置は、上述した構成要素以外に、上記超音波振動を印加した時点から上記半導体素子を所定量押込むまでに要する時間を計測する時間計測手段と、この時間計測手段により計測された時間に基づいて、次回の接合時における上記時間が所定の範囲内となるように、次回の接合時における超音波振動の出力を制御する制御手段とを含む。ここで、上記「所定量」は、超音波振動印加時の初期段階において押込み速度が増大する時の押込み量であり、その値は使用するバンプ等により異なるが、例えば５〜７μｍ程度である。
【００１８】
本発明の半導体素子接合装置は、上記構成要素を有することによって、シェア強度を所定の値以上に維持することができる。例えば、本発明の半導体素子接合装置を用いて接合動作をｎ回（ｎは自然数）行った結果、上記半導体素子を所定量押込むまでに要する時間が長くなった場合（即ち、上記半導体素子の押込み速度が遅くなった場合）に、上記制御手段によって、（ｎ＋１）回目の接合時の超音波振動の出力をｎ回目よりも所定量増加させることにより、所定の押込み速度以上に維持することができる。これにより、シェア強度を所定の値以上に維持することができる。なお、超音波振動の出力を増加させる際の増加量は、要求されるシェア強度や使用するバンプ等により異なり、その好適な例については後述する。
【００１９】
上記時間計測手段は特に限定されないが、例えば３〜１０ｍｓ程度の時間を測定できるカウンタ等が好ましい。上記制御手段としては、例えばコンピュータに使用される中央処理装置（ＣＰＵ）等を含むものが挙げられる。
【００２０】
次に、本発明の半導体素子接合方法について説明する。なお、本発明の半導体素子接合方法は、上述した本発明の半導体素子接合装置を用いた半導体素子接合方法である。よって、以下の記述において、上述と重複する内容については、その説明を省略する場合がある。
【００２１】
本発明の半導体素子接合方法は、半導体素子と基板とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合方法であって、上記半導体素子と上記基板との間にバンプを介在させた状態で、上記半導体素子を上記基板側へ押込みながら、上記半導体素子及び上記基板の少なくとも一方に超音波振動を印加することにより上記半導体素子と上記基板とを相対的に振動させる工程を含み、上記超音波振動を印加した時点から上記半導体素子を所定量押込むまでに要する時間を計測し、この計測された時間に基づいて、次回の接合時における超音波振動の出力を制御する。これにより、上述したように上記半導体素子の押込み速度を所定の値以上に維持することができるため、シェア強度を所定の値以上に維持することができる。以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
まず、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合装置について図面を参照して説明する。参照する図３は、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合装置の概略構成図である。
【００２３】
図３に示すように、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合装置１は、半導体素子１０と基板１１とを接合する動作を繰り返し行う半導体素子接合装置であって、基板１１が載置されるステージ１２と、半導体素子１０を保持する保持手段１３と、半導体素子１０と基板１１との間にバンプ１４を介在させた状態で、半導体素子１０を基板１１側へ押込むＶＣＭ１５と、保持手段１３を介して半導体素子１０に超音波振動を印加することにより半導体素子１０と基板１１とを相対的に振動させる超音波振動印加手段１６と、半導体素子１０に印加される荷重を検出するロードセル１７と、半導体素子接合装置１の各構成要素を制御する制御手段１８とを含む。
【００２４】
バンプ１４は、接合前において半導体素子１０に形成された電極１９ａに予め設けられている。そして、ＶＣＭ１５によって半導体素子１０に荷重を印加すると、バンプ１４は、基板１１に形成された電極１９ｂと接触した状態で圧縮される。これにより、半導体素子１０が基板１１側へ押込まれる。更に、超音波振動印加手段１６によって半導体素子１０に超音波振動を印加することにより、半導体素子１０と基板１１とを相対的に振動させる。これによりバンプ１４が軟化し、半導体素子１０と基板１１とがバンプ１４を介して接合する。
【００２５】
ロードセル１７は、半導体素子１０に超音波振動を印加した時点から半導体素子１０を所定量押込むまでに要する時間を計測する時間計測手段としての役割も果たす。ロードセル１７により時間計測を開始させるには、例えば、超音波振動が印加された瞬間の半導体素子１０の押込み量の急激な変化をロードセル１７に検知させて、この瞬間からロードセル１７に時間計測を開始させればよい。また、半導体素子１０に超音波振動が印加された瞬間に、制御手段１８から時間計測を開始させる信号をロードセル１７に送信してもよい。ロードセル１７による時間計測を終了させる場合も同様に、例えば、ＶＣＭ１５により半導体素子１０を所定量押込んだ時点で、制御手段１８から時間計測を終了させる信号をロードセル１７に送信すればよい。そして、ロードセル１７により計測された時間に基づいて、制御手段１８が次回の接合時における超音波振動の出力を制御する。これにより、半導体素子１０の押込み速度を所定の値以上に維持することができるため、シェア強度を所定の値以上に維持することができる。
【００２６】
以上、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合装置について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では時間計測手段としてロードセル１７を用いたが、時間計測手段はこれに限定されず、例えば制御手段１８が時間計測手段を兼ねてもよい。
【００２７】
次に、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合方法について図３及び図４を参照して説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合方法を示すフローチャートである。なお、以下に説明する半導体素子接合方法は、上述した本発明の一実施形態に係る半導体素子接合装置１を用いた半導体素子接合方法である。また、以下の記述において、図３と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
まず、保持手段１３に半導体素子１０を固定する（ステップＳ１）。次に、半導体素子１０と基板１１との間にバンプ１４を介在させた状態で、ＶＣＭ１５によって半導体素子１０を基板１１側へ押込む（ステップＳ２）。続いて、ロードセル１７が所定の荷重（例えば５０〜５００ｍＮ程度）を検知したときに、超音波振動印加手段１６によって半導体素子１０に超音波振動を印加するとともに、ロードセル１７により押込み時間（Ｔ）の計測を開始する（ステップＳ３）。この押込み時間（Ｔ）は、超音波振動を印加した時点から、例えば半導体素子１０を５〜７μｍ押込むまでの時間である。
【００２９】
そして、ロードセル１７が上記所定の荷重を検出した時点から、例えば半導体素子１０を１０〜１５μｍ押込んだ時点で保持手段１３による半導体素子１０の保持を解除し、接合動作を終了させる（ステップＳ４）。
【００３０】
そして、制御手段１８によって押込み時間（Ｔ）が１０ｍｓ未満か否かを判断し（ステップＳ５）、１０ｍｓ未満の場合（ステップＳ５のＹｅｓ）は、超音波振動の出力設定を変更せずに次の接合動作へと進む。一方、１０ｍｓ以上の場合（ステップＳ５のＮｏ）は、制御手段１８によって超音波振動の出力設定を変更して（ステップＳ６）、次の接合動作へと進む。これにより、半導体素子１０の押込み速度を所定の値以上に維持することができるため、シェア強度を所定の値以上に維持することができる。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合方法について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では押込み時間（Ｔ）が１０ｍｓ以上の場合に超音波振動の出力を変更したが、本発明において上記設定値はこれに限定されず、要求されるシェア強度に応じて適宜設定すればよい。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施例について説明する。なお本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
表１に、上述した半導体素子接合装置１を用いて接合動作を繰り返した際の各条件の推移を示す。ここで、表１における押込み時間は、超音波振動を印加した時点から半導体素子１０を６μｍ押込むまでの時間である。また、表１に示す例では、制御手段１８は、押込み時間が１０ｍｓ以上となったときに、超音波振動の出力設定を０．５Ｗ上げるように設定されている。なお、表１に示す例では、バンプ１４として金バンプを使用し、その接合前の高さ及び体積は、それぞれ２６μｍ及び８×１０4μｍ3であり、その接合前における接合箇所の面積は３．８×１０3μｍ2であった。また、半導体素子１０を押込む際の荷重は２５００ｍＮとし、印加する超音波振動の周波数は６３．５ｋＨｚとした。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１に示すように、開始直後（１回目の接合動作〜４回目の接合動作）の押込み時間は、３ｍｓであったが、接合動作を繰り返すうちに押込み時間が徐々に長くなり（表１には示さず）、６００回目の接合動作においては押込み時間が１０ｍｓとなった。これに伴い、６００回目のシェア強度は１３００ｍＮとなり、開始直後に比べ９００ｍＮ低下した。そして、６００回目の接合動作において押込み時間が１０ｍｓとなったため、６０１回目の接合動作の前に、制御手段１８によって超音波振動の出力が１．５Ｗから２．０Ｗに増加した。その結果、６０１回目の接合動作においては押込み時間が４ｍｓとなり、シェア強度が２１００ｍＮまで回復した。
【００３６】
上述した実施例では、押込み時間が１０ｍｓ以上となったときに超音波振動の出力設定を０．５Ｗ上げるように設定されているため、例えば要求されるシェア強度の下限値が１２００ｍＮの場合は、常にこの下限値以上に維持することができる。なお、上述した実施例では、押込み時間が１０ｍｓ以上となったときに、超音波振動の出力を０．５Ｗ上げるように設定したが、本発明において上記設定値はこれに限定されず、要求されるシェア強度に応じて適宜設定すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、シェア強度の管理を正確に行うことができる半導体素子接合装置及び半導体素子接合方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、接合時におけるバンプの高さの経時変化を示すグラフである。
【図２】図２は、押込み速度とシェア強度との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合装置の概略構成図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る半導体素子接合方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１      半導体素子接合装置
１０    半導体素子
１１    基板
１２    ステージ
１３    保持手段
１４    バンプ
１５    ＶＣＭ（押込み手段）
１６    超音波振動印加手段
１７    ロードセル（時間計測手段）
１８    制御手段
１９ａ，１９ｂ  電極
【図１】
2008544475.tif 000004
【図２】
2008544475.tif 000005
【図３】
2008544475.tif 000006
【図４】
2008544475.tif 000007
【国際調査報告】
2008544475.tif 000008
2008544475.tif 000009
2008544475.tif 000010