(57)【要約】【課題】フリップチップ接続の半導体装置の歩留まりを高くできる半導体製造装置を実現すること。【解決手段】半導体チップ１５の上面よりも広く、かつ、基板１１との接触により塞がれる開口面と、内部を減圧するための減圧手段に繋がる減圧用配管９とを備えた容器１と、容器１内に設けられ、半導体チップ１５を保持するための保持ヘッド３と、保持ヘッド３に保持された半導体チップ１５を基板１１上に加圧するための昇降・速度調整・加圧機構部４とを備えている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと基板とをフリップチップ接続するための半導体製造装置であって、
前記基板または該基板を載置するステージとの接触により塞がれる、内部に繋がった開口面と、該開口面が塞がれた前記内部を減圧するための減圧手段に繋がる配管とを備えた容器と、
前記容器内に設けられ、前記半導体チップを保持するための保持手段と、
前記保持手段に保持された前記半導体チップを前記基板上に加圧するための加圧手段と
を具備してなることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記保持手段を昇降させるとともに、前記保持手段の降下速度を調整するための昇降・速度調整手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記加圧手段と前記昇降・速度調整手段とは一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記容器の上壁を貫通した連結軸をさらに備え、前記連結軸の前記容器内にある端部が前記保持手段に接続され、前記連結軸の前記容器外にある端部が前記加圧手段に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記保持手段は、静電チャック機構を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記保持手段は、加熱機構を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項７】
前記開口面の周囲上に設けられた弾性部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項８】
半導体チップと基板とをフリップチップ接続する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
内部に繋がる開口面と、減圧手段に繋がる配管とを備えた容器を用意する工程と、
前記容器内に設けられた保持手段により前記半導体チップを保持する工程と、
前記基板または該基板を載置するステージに前記容器を接触させ、前記開口面を塞ぐ工程と、
前記開口面が塞がれた前記容器の内部を減圧した状態で、前記保持手段に保持された半導体チップを前記基板上に加圧する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記容器の内部を減圧した状態で、前記保持手段に保持された前記半導体チップを前記基板上に加圧する工程において、
前記基板上には樹脂が予め塗布されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記樹脂は、フラックス成分またはフラックス効果を有する成分を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記容器の内部を減圧した状態で、前記保持手段に保持された前記半導体チップを前記基板上に加圧する工程において、
前記半導体チップが保持された保持手段を降下させ、前記半導体チップを前記基板上に加圧する際に、前記保持手段の降下速度を制御することを特徴する請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記保持手段は、静電チャック機構により前記半導体チップを保持することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記半導体チップを前記基板上に加圧すると同時に、前記基板上に塗布された樹脂を加熱することを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ接続の半導体装置を製造するための半導体製造装置およびフリップチップ接続の半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のフリップチップ接続工程を示す断面図である。まず、図５（ａ）に示すように、基板ステージ８１上に基板８２を載置する。基板８２には図示しない複数のパッド電極が設けられている。
【０００３】
次に、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、シリンジ８３を走査するともに、シリンジ８３のニードル８４から樹脂８５を吐出させることにより、基板８２上に樹脂８５を塗布する。樹脂８５は、フラックス成分もしくはフラックス効果を有する成分を含んでいる。
【０００４】
次に、図５（ｄ）に示すように、半導体チップ８６を保持ヘッド８７により保持し、続いて、図示しない昇降・速度調整・加圧機構により、保持ヘッド８７を所定の高さまで上昇させ、半導体チップ８６上のバンプ８８と基板８２上の図示しないパッド電極とを位置合わせする。半導体チップ８６の表面には図示しない複数のパッド電極が設けられ、これらのパッド電極上にはそれぞれバンプ８８が設けられている。
【０００５】
次に、同図（ｄ）に示すように、上記昇降・速度調整・加圧機構により、保持ヘッド８７を所定の速度で基板８２上に降下させ、さらに図５（ｅ）に示すように、上記昇降・速度調整・加圧機構により半導体チップ８６を基板８２上に加圧し、その後、保持ヘッド８７から半導体チップ８６を脱着する。
【０００６】
そして、バンプ８８の熔融工程、樹脂８５の熱硬化処理工程等を経て、図５（ｆ）に示すフリップチップ接続の半導体装置が得られる。
【０００７】
しかし、この種の従来のフリップチップ接続方法にて得られた半導体装置は、所望のデバイス動作が得られなくなる率が高く、歩留まりの向上が困難であるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のフリップチップ接続方法にて得られた半導体装置は、所望のデバイス動作が得られなくなる率が高く、歩留まりの向上が困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、フリップチップ接続の半導体装置の歩留まりの向上を図れる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【００１１】
すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体製造装置は、半導体チップと基板とをフリップチップ接続するための半導体製造装置であって、前記基板または該基板を載置するステージとの接触により塞がれる、内部に繋がった開口面と、該開口面が塞がれた前記内部を減圧するための減圧手段に繋がる配管とを備えた容器と、前記容器内に設けられ、前記半導体チップを保持するための保持手段と、前記保持手段に保持された前記半導体チップを前記基板上に加圧するための加圧手段とを具備してなることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップと基板とをフリップチップ接続する工程を含む半導体装置の製造方法であって、内部に繋がる開口面と、減圧手段に繋がる配管とを備えた容器を用意する工程と、前記容器内に設けられた保持手段により前記半導体チップを保持する工程と、前記基板または該基板を載置するステージに前記容器を接触させ、前記開口面を塞ぐ工程と、前記開口面が塞がれた前記容器の内部を減圧した状態で、前記保持手段に保持された半導体チップを前記基板上に加圧する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、減圧下でフリップチップ接続を行うことで、樹脂中のボイドを減少させることができるので、歩留まりの向上を図れるようになる。
【００１４】
また、減圧チャンバの代わりに、本発明の如き構成の容器を使用することにより、フリップチップ接続を行うところの空間（密閉容積）を小さくできる。そのため、コストがかかる大排気量の減圧装置を用いずとも、短時間で上記空間を所定の圧力まで下げることができる。
【００１５】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態を説明する前に、本発明の基礎となった研究や考察結果等について説明する。本発明者の鋭意研究によれば、従来の技術の項で述べた問題は、樹脂中のボイドが原因であることが明らかになった。
【００１７】
このようなボイドの種類としては、樹脂の製造時に発生したもの、あるいは樹脂をシリンジに詰め入れたときに発生したものがあげられる。以下、この種のボイドを微小ボイドという。微小ボイドは、図５（ｂ）、図５（ｃ）の工程で、基板８２上に塗布された樹脂８５中に含まれる。図６に、この種の微小ボイド９０を模式的に示す。
【００１８】
ボイドの種類としては、微小ボイド９０の他に、巻き込みボイドと呼ばれるものがある。巻き込みボイドとは、図５（ｅ）の工程で、半導体チップ８６上のバンプ８８が樹脂８５を浸漬して基板８２上の図示しないパッド電極と接続するときに生じるものである。図７に、この種の巻き込みボイド９１を模式的に示す。
【００１９】
樹脂８５中の微小ボイド９０および巻き込みボイド９１は、バンプ８８の熔融工程、樹脂８５の熱硬化処理工程を経て、最終的には、図８に示すように、樹脂８５中においては区別できないボイド９２という形で残存することになる。
【００２０】
ここで、本発明者の研究によれば、巻き込みボイドの発生は、以下のような手法により防止できることを確認している。すなわち、図５（ｄ）の工程で、半導体チップ８６の降下速度を０．０１〜０．０５ｍｍ／ｓの範囲に設定し、かつ、粘度が１０Ｐａ・ｓ以上の樹脂８５を使用することにより、巻き込みボイドの発生率を０〜２０％程度に抑制できることが分かった。なお、降下速度を０．１ｍｍ／ｓ以上に設定した場合には、巻き込みボイドの発生率は５０〜８０％と高かった。
【００２１】
しかし、このような降下速度を下げることで、巻き込みボイドの発生を抑制する方法は、図５（ｄ）および図５（ｅ）の工程（位置合わせ、接続工程）に要する時間が長くなり、半導体装置の製造時間の増大を招くので好ましくない。
【００２２】
ボイドの発生を抑制する他の方法としては、図９に示すように、フリップチップ接続工程を減圧下で行うことがあげられる。すなわち、減圧チャンバ１００内に基板８２（または基板８２が載置された基板ステージ８１）を搬入し、その後、図示しない減圧装置（真空装置）により減圧チャンバ１００内を排気し、所定の圧力まで減圧し（図９（ａ））、この減圧下の状態でフリップチップ接続工程を行う。このとき、樹脂８５の表面のボイドは破裂して消滅し、樹脂８５の表面には樹脂破泡痕１０１が生じる（図９（ｂ））。
【００２３】
フリップチップ接続工程の終了後は、減圧チャンバ１００内の圧力を大気圧まで戻す。このとき、樹脂８５中のボイドには圧力がかかるので、ボイドは収縮する。これにより、問題を起こすような大きなサイズのボイド８９の発生を防止できるようになる。このように減圧下でフリップチップ接続工程を行えば、半導体チップ８６の降下速度を下げずに、ボイドの問題を解決できるようになる。
【００２４】
しかし、減圧チャンバ１００内でフリップチップ接続工程を行うために、減圧チャンバ１００の容積は大きい必要がある。具体的には、５０〜６０リットルの容積が必要となる。
【００２５】
このような大きな容積の減圧チャンバ１００内を所定の圧力（減圧到達圧）まで時間をかけずに減圧するためには、つまり、樹脂８５中のボイドを必要なサイズまで収縮するために必要な圧力まで減圧するためには、大排気量の減圧装置（真空装置）が必要となる。これは製造コストの上昇に繋がる。
【００２６】
一方、減圧下では、通常、半導体チップ８６を吸引方式により保持ヘッド８７に保持する。この場合、半導体チップ８６を保持するための吸引圧が減圧到達圧よりも低いと、保持ヘッド８７から半導体チップ８６が落下したり、位置ずれが生じるなどの問題が発生しやすくなる。
【００２７】
以下、上記研究や考察結果等を考慮した本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態に係るフリップチップ接続の半導体装置を製造するためのボンディング装置を示す概略構成図である。
【００２９】
本実施形態のボンディング装置は、下面に内部に繋がる開口面が設けられ、上壁に貫通口が設けられ、かつ、図示しない減圧装置（真空装置）に繋がった耐減圧性を有する容器１と、容器１の上記貫通口内に挿設され、上下方向に可動な連結軸２と、連結軸２の容器１内の端部に接続され、半導体素チップを保持するための保持ヘッド３と、連結軸２の容器１外の端部に接続された昇降・速度調整・加圧機構部４とを備えている。
【００３０】
容器１の下面の開口面は、半導体チップの接続相手である基板の上面よりも狭く、かつ、半導体チップと基板との接続領域よりも広い。上記開口面の平面形状は、例えば上記基板の上面の平面形状と相似である。連結軸２と保持ヘッド３とは止め具５により接続され、同様に、連結軸２と昇降・速度調整・加圧機構部４とは止め具６により接続されている。保持ヘッド３は、保持機構として静電チャック機構を備えている。
【００３１】
容器１の上壁に設けられた貫通口の側壁には耐圧パッキン７が設けられ、同様に、容器１の下面の開口面の周囲には耐圧パッキン８が設けられている。耐圧パッキン７，８は、容器１内の気密性を確保するために、例えばゴム等の弾性部材で構成されている。容器１の側壁には図示しない減圧装置（真空装置）に繋がった減圧用配管９が設けられている。容器１の容積は２０〜３０リットルである。
【００３２】
次に、上記の如きに構成されたボンディング装置を用いたフリップチップ接続の半導体装置の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、図２（ａ）に示すように、基板ステージ１０上に基板１１を載置する。基板１１上には図示しない複数のパッド電極が設けられている。基板ステージ１０のサイズは、例えば７０ｍｍ×７０ｍｍ〜８０ｍｍ×８０ｍｍである。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示すように、シリンジ１２を走査するともに、シリンジ１２のニードル１３から樹脂１４を吐出させることにより、基板１１上に樹脂１４を塗布する。樹脂１４は、フラックス成分もしくはフラックス効果を有する成分を含んでいる。ここまでは、従来と同じである。
【００３５】
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体チップ１５を保持ヘッド３により保持する。このとき、保持ヘッド３に１００〜５００Ｖの程度の電圧を印加することにより、半導体チップ１５の保持力に必要な静電吸着力が得られる。
【００３６】
半導体チップ１５の表面には図示しない複数のパッド電極が設けられ、これらのパッド電極上にはそれぞれバンプ１６が設けられている。バンプ１６が設けられていない側の面が保持ヘッド３に保持される。半導体チップ１５のサイズは、例えば４０ｍｍ×４０ｍｍ〜５０ｍｍ×５０ｍｍである。
【００３７】
この図２（ｃ）の工程は、図２（ａ）の工程の前、図２（ａ）の工程と図２（ｂ）の工程との間、図２（ａ）の工程と同時、または図２（ｂ）の工程と同時であっても構わない。
【００３８】
次に、基板１１が載置された基板ステージ１０を容器１の下面まで移動させ、基板１１と容器１の下面とを接触させて生じる空間内に基板１１が収まるように、かつ、半導体チップ１５上のバンプ１６と基板１１上の図示しないパッド電極とが対向するように、基板１１と容器１との位置合わせを行う。
【００３９】
次に、図３（ｄ）に示すように、ボンディング装置を図示しない機構により降下させて、基板１１と容器１の下面とを接触させ、容器１の開口面を基板１１により塞ぐ。その後、減圧用配管９に繋がった図示しない減圧装置により、基板１１と容器１の下面とを接触させて生じた空間内を真空排気することにより、基板１１と容器１とを密着させるとともに、上記空間内を所定の圧力、具体的には１００〜４０００Ｐａまで減圧する。
【００４０】
このとき、容器１の容積（２０〜３０リットル）は、従来の減圧チャンバ１００の容積（５０〜６０リットル）よりも小さいので、高価な大排気量の減圧装置を用いずに、上記空間内を短い時間で所定の圧力（減圧到達圧）まで減圧することができる。そのため、製造コストの増加および製造時間の増大を防止できるようになる。
【００４１】
容器１の容積を小さくできる理由は、本実施形態の場合、フリップチップ接続を行うところの空間は、基板１１と容器１の下面とを接触させて生じる空間であり、図９に示した基板８２（または基板８２が載置された基板ステージ８１）の全体を収容する減圧チャンバ１００の密閉容積よりも小さいからである。
【００４２】
次に、図３（ｅ）に示すように、昇降・速度調整・加圧機構部４により、所定の高さまで上昇された保持ヘッド３を所定の速度で基板１１上に降下させ、半導体チップ８６を加圧することにより、減圧下でフリップチップ接続を行う。
【００４３】
このとき、保持ヘッド３は静電チャック機構により半導体チップ１５を保持しているので、減圧下でフリップチップ接続を行っても、保持ヘッド３から半導体チップ１５が落下したり、位置ずれが生じるなどの問題は起こらない。
【００４４】
また、減圧下でフリップチップ接続を行うので、ボイドの発生を防止するために、半導体チップ１５の降下速度を下げなくても済むので、製造時間の増加も起こらない。そして、このように降下速度の制約が無くなることから、降下速度を適切に調整して樹脂粘性（粘度）の影響を軽減することにより、ボイドサイズを小さくすることも可能となる。
【００４５】
さらに、降下速度を下げずに済むことにより、樹脂１４と半導体チップ１５との浸漬時の加圧力を高くできるので、基板１１上のパッド電極に接続される半導体チップ１５上のバンプを圧痕にて変形させられる。これにより、半導体チップ１５上のバンプの熔融工程時の位置ずれを効果的に防止できるようになる。
【００４６】
また、降下速度を上げることで、図３（ｅ）の工程を短縮化でき、製造時間を短縮化することも可能となる。
【００４７】
フリップチップ接続工程の終了後は、図３（ｆ）に示すように、昇降・速度調整・加圧機構部４により、印加電圧が切れた保持ヘッド３を上昇させるともに、図示しない減圧装置により基板１１と容器１とを接触させて生じた空間内の圧力を大気圧まで戻す。このとき、樹脂１４中のボイドに圧力がかかり、該ボイドは収縮するので、問題を起こすような大きなサイズのボイドの発生を防止できるようになる。
【００４８】
その後、図３（ｇ）に示すように、ボンディング装置を図示しない機構により上昇させ、フリップチップ接続された半導体装置を取り出す工程等が続く。
【００４９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、容器１の下面の開口面は基板１１よりも狭いが、図４に示すように、容器１の下面の開口面を基板１１よりも広くしても構わない。すなわち、基板ステージ１０と容器１の下面とを接触させ、容器１の下面の開口面を塞いでも構わない。また、容器１の下面の開口面は基板ステージ１０の上面よりも狭く、容器１の下面の開口面の平面形状は、例えば基板ステージ１０の上面の平面形状と相似である。
【００５０】
また、保持ヘッド３内に抵抗ヒーター等の加熱機構を組み込んでも構わない。このような保持ヘッド３を用いることにより、半導体チップ１５の加圧と樹脂１４の硬化とを同時に行えるとともに、樹脂１４中のチキソ性が低下し、消泡性が向上するので、微小ボイドの脱泡が進み、樹脂１４中の微小ボイドを容易に除去できるようになる。
【００５１】
なお、図５に示した従来のフリップチップ接続方法で、加熱機構が組み込まれた保持ヘッド８７を使用すると、樹脂８５中のボイドが大きくなりすぎ、歩留まりの向上がよりいっそう困難になる。
【００５２】
また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５３】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、フリップチップ接続の半導体装置の歩留まりを高くできる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るフリップチップ接続の半導体装置を製造するためのボンディング装置を示す概略構成図
【図２】本発明の一実施形態に係るフリップチップ接続の半導体装置の製造工程を示す断面図
【図３】図２に続く同半導体装置の製造工程を示す断面図
【図４】同実施形態のボンディング装置の変形例を示す概略構成図
【図５】従来のフリップチップ接続工程を示す断面図
【図６】従来のフリップチップ接続工程で生じた微小ボイドを示す断面図
【図７】従来のフリップチップ接続工程で生じた巻き込みボイドを示す断面図
【図８】バンプの熔融工程、樹脂の熱硬化処理工程を経た後の微小ボイドおよび巻き込みボイドを示す断面図
【図９】フリップチップ接続を減圧下で行う方法を示す断面図
【符号の説明】
１…容器
２…連結軸
３…保持ヘッド
４…昇降・速度調整・加圧機構部
５，６…止め具
７，８…耐圧パッキン
９…減圧用配管
１０…基板ステージ
１１…基板
１２…シリンジ
１３…ニードル
１４…樹脂
１５…半導体チップ
１６…バンプ
【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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