特許 6581389 半導体装置の製造装置及び製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6581389

(24)【登録日】2019年9月6日

(45)【発行日】2019年9月25日

(54)【発明の名称】半導体装置の製造装置及び製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20190912BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311T

   H01L21/60 311Q

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-97594(P2015-97594)

(22)【出願日】2015年5月12日

(65)【公開番号】特開2016-213384(P2016-213384A)

(43)【公開日】2016年12月15日

【審査請求日】2017年8月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】東芝メモリ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100176599

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100205095

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 啓一

(74)【代理人】

【識別番号】100208775

【弁理士】

【氏名又は名称】栗田 雅章

(72)【発明者】

【氏名】三浦 正幸

【審査官】 石丸 昌平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２１９３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０５７１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１５３５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３５３６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１５２４７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−０６２９６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属バンプまたは金属電極が設けられた基板を保持可能なステージと、
前記ステージと対向して配置され、前記基板に金属バンプが設けられたときは金属電極が設けられ、前記基板に金属電極が設けられたときは金属バンプが設けられた半導体素子を保持可能なヘッド部と
前記ヘッド部と前記ステージと交差する第一方向に沿って、前記ヘッド部を移動させるとともに、前記ヘッド部に荷重を加えることが可能な駆動部と、
前記ヘッド部の荷重値を検知する荷重センサと、
前記ヘッド部を加熱可能な加熱手段と、
前記ヘッド部を冷却可能な冷却手段と、
前記ヘッド部の前記第一方向の位置を検知する位置センサと、
前記駆動部を駆動することで、
前記金属電極と前記金属バンプとが接触する近傍位置まで前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけさせる第一の動作と、
前記荷重値が第一の値になるまで前記ヘッド部を加圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけさせる第二の動作と、
前記荷重値が前記第一の値より小さい第二の値になるまで前記ヘッド部を減圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざけ、前記ヘッド部を第一の位置とする第三の動作と、
前記加熱手段により、前記ヘッド部の温度を上昇させる第四の動作と、
前記金属バンプの溶融後、前記ヘッド部の温度上昇による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざける第五の動作と、
前記ヘッド部の加熱を停止し、冷却を開始する第六の動作と、
前記ヘッド部の温度下降による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけ、前記荷重値が０よりも大きい第三の値になったところで、前記半導体素子と前記ヘッド部とを切り離す第七の動作と、を備え、
前記第一の動作から前記第五の動作はこの順番にて行われる、
半導体装置の製造装置。

【請求項2】

金属バンプまたは金属電極が設けられた基板を保持可能なステージと、
前記ステージと対向して配置され、前記基板に金属バンプが設けられたときは金属電極が設けられ、前記基板に金属電極が設けられたときは金属バンプが設けられた半導体素子を保持可能なヘッド部と
前記ヘッド部と前記ステージと交差する第一方向に沿って、前記ステージを移動させるとともに、前記ヘッド部に荷重を加えることが可能な駆動部と、
前記ヘッド部の荷重値を検知する荷重センサと、
前記ヘッド部を加熱可能な加熱手段と、
前記ヘッド部を冷却可能な冷却手段と、
前記ヘッド部の前記第一方向の位置を検知する位置センサと、
前記駆動部を駆動することで、
前記金属電極と前記金属バンプとが接触する近傍位置まで前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけさせる第一の動作と、
前記荷重値が第一の値になるまで前記ヘッド部を加圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけさせる第二の動作と、
前記荷重値が前記第一の値より小さい第二の値になるまで前記ヘッド部を減圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざけ、前記ヘッド部を第一の位置とする第三の動作と、
前記加熱手段により、前記ヘッド部の温度を上昇させる第四の動作と、
前記金属バンプの溶融後、前記ヘッド部の温度上昇による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざける第五の動作と、
前記ヘッド部の加熱を停止し、冷却を開始する第六の動作と、
前記ヘッド部の温度下降による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づける第七の動作と、
前記荷重値が０よりも大きい第三の値になったところで、前記半導体素子と前記ヘッド部とを切り離す第八の動作と、を備え、
前記第一の動作から前記第五の動作はこの順番にて行われる、
半導体装置の製造装置。

【請求項3】

前記荷重値が前記第三の値のとき前記金属バンプは一部のみが凝固している請求項１または２記載の半導体装置の製造装置。

【請求項4】

前記第七の動作において前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけることは、前記第六の動作よりも前に開始される請求項１または２記載の半導体装置の製造装置。

【請求項5】

金属バンプまたは金属電極が設けられた基板を保持可能なステージと、
前記ステージと対向して配置され、前記基板に金属バンプが設けられたときは金属電極が設けられ、前記基板に金属電極が設けられたときは金属バンプが設けられた半導体素子を保持可能なヘッド部と、
前記ヘッド部と前記ステージと交差する第一方向に沿って、前記ヘッド部と前記ステージとを近づけるまたは遠ざけるとともに、前記ヘッド部又は前記ステージの少なくとも何れか一つに荷重を加えることが可能な駆動部と、
前記ヘッド部の荷重値を検知する荷重センサと、
前記ヘッド部を加熱可能な加熱手段と、
前記ヘッド部を冷却可能な冷却手段と、
前記ヘッド部の前記第一方向の位置を検知する位置センサと、
を有する半導体装置の製造装置を用いた製造方法であって、
前記駆動部を駆動することで、
前記金属電極と前記金属バンプとが接触する近傍位置まで前記ヘッド部を前記ステージとの距離を近づけさせる第一の工程と、
前記荷重値が第一の値になるまで前記ヘッド部を加圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけさせる第二の工程と、
前記荷重値が前記第一の値より小さい第二の値になるまで前記ヘッド部を減圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざけ、前記ヘッド部を第一の位置とする第三の工程と、
前記加熱手段により、前記ヘッド部の温度を上昇させる第四の工程と、
前記金属バンプの溶融後、前記ヘッド部の温度上昇による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざける第五の工程と、
前記ヘッド部の加熱を停止し、冷却を開始する第六の工程と、
前記ヘッド部の温度下降による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけ、前記荷重値が０よりも大きい第三の値になったところで、前記半導体素子と前記ヘッド部とを切り離す第七の工程と、を備え、
前記第一の工程から前記第五の工程はこの順番にて行われる、
半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記荷重値が前記第三の値のとき前記金属バンプは一部のみが凝固している請求項５記載の半導体装置の製造方法。

【請求項7】

前記第七の工程において前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけることは、前記第六の工程よりも前に開始される請求項５記載の半導体装置の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、半導体装置の製造装置及び製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、はんだバンプが設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６−３２４７０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体装置の製造を容易にする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本実施形態に係る半導体装置の製造装置は、金属バンプまたは金属電極が設けられた基板を保持可能なステージと、前記ステージと対向して配置され、前記基板に金属バンプが設けられたときは金属電極が設けられ、前記基板に金属電極が設けられたときは金属バンプが設けられた半導体素子を保持可能なヘッド部と前記ヘッド部と前記ステージと交差する第一方向に沿って、前記ヘッド部を移動させるとともに、前記ヘッド部に荷重を加えることが可能な駆動部と、前記ヘッド部の荷重値を検知する荷重センサと、前記ヘッド部を加熱可能な加熱手段と、前記ヘッド部を冷却可能な冷却手段と、前記ヘッド部の前記第一方向の位置を検知する位置センサと、前記駆動部を駆動することで、 前記金属電極と前記金属バンプとが接触する近傍位置まで前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけさせる第一の動作と、前記荷重値が第一の値になるまで前記ヘッド部を加圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけさせる第二の動作と、前記荷重値が前記第一の値より小さい第二の値になるまで前記ヘッド部を減圧させるように前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざけ、前記ヘッド部を第一の位置とする第三の動作と、前記加熱手段により、前記ヘッド部の温度を上昇させる第四の動作と、前記金属バンプの溶融後、前記ヘッド部の温度上昇による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を遠ざける第五の動作と、前記ヘッド部の加熱を停止し、冷却を開始する第六の動作と、
前記ヘッド部の温度下降による高さ寸法の変化に合わせて前記ヘッド部と前記ステージとの距離を近づけ、前記荷重値が０よりも大きい第三の値になったところで、前記半導体素子と前記ヘッド部とを切り離す第七の動作と、を備える制御部と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る半導体装置の製造装置の概略的な構成図。

【図2】実施形態に係る半導体装置の製造方法の流れを示すフロー図。

【図3】実施形態に係る半導体装置の加工前の状態と加工後の状態を示す模式的な断面図。

【図4】実施形態に係る半導体装置の製造方法の各段階を示す模式的な断面図。

【図5】実施形態に係る半導体装置の製造方法の各段階を示す模式的な断面図。

【図6】実施形態に係る半導体装置の製造方法の各段階を示す模式的な断面図。

【図7】ヘッド部の温度、ヘッド部の荷重値、及びヘッド部１５の高さの時間推移を示した図。

【図8】ヘッド部の温度とヘッド部の高さ寸法との関係を示した図。

【図9】半導体装置の他の実施形態を示す模式的な断面図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実ものとは必ずしも一致しない。また、上下左右の方向についても、後述する半導体基板における回路形成面側を上または下とした場合の相対的な方向を示し、必ずしも重力加速度方向を基準としたものとは一致しない。

【0008】

図１は、半導体装置の製造装置５の概念的な構成を示した模式的な図である。製造装置５は、その下側にセラミックなどを用いたステージ１０を有し、ステージ１０の上部にヘッド部１５を有する。製造装置５は、ヘッド部１５を支持する支持部２０を有する。製造装置５は、ステージ１０、ヘッド部１５、支持部２０を制御する制御装置８０を有する。図ではステージ１０は離れているが、図示しない外部の構成を介して、製造装置５は全体を一体の構成として設けられてもよい。また、ヘッド部１５は、支持部２０と一体としてヘッド部１５を構成できる。なお、以下の説明では、上下方向をＺ軸方向、水平方向をＸＹ軸方向と称する。

【0009】

ステージ１０は、上面に図３（ｂ）に示されるような基板２５を保持可能である。基板２５は、例えば、セラミック基板やガラスエポキシ基板等である。ステージ１０は、ステージヒータ３０及び温度センサ３５を有する。ステージヒータ３０は、ステージ１０を加熱し、ステージ１０の上面に保持された基板２５を所定の温度で加熱可能である。温度センサ３５は、ステージ１０の温度を検知可能である。温度センサ３５は、例えば、ステージ１０の温度を検知することで、間接的にステージ１０の上面に保持された基板２５の温度を検知することができる。

【0010】

ステージヒータ３０はステージ１０を加熱することで、図３（ｂ）に示される基板２５に設けられたはんだバンプ２５ａを融点よりも低い一定温度（例えば１５０℃）に加熱することができる。ステージヒータ３０は、温度センサ３５が検知した温度に基づいて、制御される。

【0011】

ヘッド部１５は、下面部分にボンディングツール４０を有する。ヘッド部１５は、例えば、図３（ａ）に示される半導体素子４５等の半導体素子を吸着し、保持することが可能である。ヘッド部１５は、ヘッドヒータ５０及び温度センサ５５を有する。ヘッド部１５は、内部に孔６０を有する。孔６０は、例えば冷却用の高圧エア等を流すことが可能である。

【0012】

ヘッドヒータ５０は、例えば、電流により、発熱が可能である。ヘッドヒータ５０の発熱により、ヘッド部１５は昇温が可能である。また、ヘッドヒータ５０は、ボンディングツール４０を加熱し、ボンディングツール４０に保持される半導体素子４５を加熱することが可能である。

【0013】

ヘッド部１５及びヘッドヒータ５０の加熱を停止する際には、例えば、ヘッドヒータ５０への電流は遮断される。電流が遮断されることにより、加熱を止める事が出来る。

【0014】

また、孔６０に冷却用の高圧エアが流れることで、ヘッド部１５を急速に冷却することが可能である。

【0015】

温度センサ５５は、ヘッド部１５の温度を検知可能である。温度センサ５５は、例えば、ボンディングツール４０の温度を検知することで、間接的にボンディングツール４０に保持される半導体素子４５の温度を検知することができる。

【0016】

支持部２０は、駆動部６５、位置センサ７０、荷重センサ７５を有する。

【0017】

駆動部６５は、ヘッド部１５をＺ軸方向（上下方向）に移動させることができる。つまり、駆動部６５は、ヘッド部１５をステージ１０の方向に移動させることができ、ヘッド部１５とステージ１０の距離を近づけたり、遠ざけたりすることができる。さらに、駆動部６５は、ヘッド部１５にステージ１０の方向へ荷重を加えさせることが可能である。

【0018】

位置センサ７０は、ヘッド部１５のＺ軸方向の位置を検知する。なお、位置センサ７０は、間接的に位置を検知しても構わない。例えば、位置センサ７０は、駆動部６５の駆動量や、支持部２０のＺ軸方向の位置や、支持部２０の移動量等から、ヘッド部１５の位置を検知しても構わない。

【0019】

荷重センサ７５は、ヘッド部１５の荷重値を検知する。例えば、ヘッド部１５を下降させた際、駆動部６５又はヘッド部１５はボンディングツール４０に保持される半導体素子４５を介して、ヘッド部１５はステージ１０へ荷重を加える。荷重センサ７５は、このステージ１０への荷重を検知することができる。なお、荷重センサ７５は、間接的に荷重を検知しても構わない。例えば、荷重センサ７５は、駆動部６５の駆動に要する力等から、荷重を検知しても構わない。

【0020】

なお、位置センサ７０と駆動部６５、又は荷重センサ７５と駆動部６５は、一体として設けられていても構わない。

【0021】

制御装置８０は、位置センサ７０の信号から、ヘッド部１５のＺ軸方向の位置を検知することで、ヘッド部１５のＺ軸方向の位置を制御することができる。そして、この位置センサ７０による制御は、例えば、高速なヘッド部１５の移動に向いている。

【0022】

他方、制御装置８０は、荷重センサ７５の信号から、ヘッド部１５の荷重値を検知することで、荷重値の大きさに基づいて、ヘッド部１５のＺ軸方向の位置を制御することができる。そして、この荷重センサ７５による制御は、微細な移動や、ヘッド部１５の荷重に基づいた移動に向いている。

【0023】

言い換えれば、ヘッド部１５は、位置センサ７０の検知信号に基づく制御と、荷重センサ７５の検知信号に基づく制御が可能である。

【0024】

制御装置８０は、例えば、ＣＰＵやメモリ等を有し、プログラムにしたがって装置全体の制御を行う。制御装置８０は、後述するプログラムにしたがって、ステージ１０、ヘッド部１５、支持部２０等の各部の動きを制御する。

【0025】

なお、製造装置５は、図示しない位置検出カメラをさらに備える。位置検出カメラは、ステージ１０上の基板２５や、ヘッド部１５のボンディングツール４０に保持された半導体素子４５のＸＹ軸方向（水平方向）の位置を検知することができる。制御装置８０は、位置検出カメラの検知した画像に基づいて、ヘッド部１５をＸＹ方向及び水平面内の回転方向に移動制御できる。

【0026】

次に、製造装置５による半導体装置の製造工程について説明する。

【0027】

図３（ａ）は前述した半導体素子４５の模式的な断面図である。半導体素子４５は、半導体基板の表面に種々の加工工程による集積回路が作りこまれたものである。半導体素子４５の表面（上面）には、金属パッド４５ａが複数個配置されている。金属パッド４５ａは、外部と電気的に接続可能な金属電極である。

【0028】

図３（ｂ）は、基板２５の模式的な断面図である。基板２５は、例えばリジッド基板、フレキシブル基板等である。より具体的には、例えば、基板２５は、セラミック基板、ガラスエポキシ基板等の各種プリント基板である。基板２５の表面（上面）には、図示しない電極パターンと、電極パターン上にはんだバンプ２５ａと、が配置される。後述するように、基板２５は、はんだバンプ２５ａを介して、半導体素子４５の金属パッド４５ａと電気的に接続可能である。なお、基板２５の表面あるいは裏面には、外部回路と接続するためのはんだバンプ２５ａ以外の各種の端子部などが配置されていてもよい。

【0029】

図３（ｃ）は、前述した基板２５に半導体素子４５を実装した状態の模式的な断面図である。半導体素子４５と基板２５は、距離ｄだけ離れて配置されている。基板２５のはんだバンプ２５ａは、実装の際に溶融され押しつぶされるため、はんだ２５ｂとなる。はんだ２５ｂは、半導体素子４５の金属パッド４５ａと電気的に接続している。

【0030】

図２及び図４〜図８を参照して製造装置５による基板２５への半導体素子４５の実装の工程について説明する。

【0031】

図２は、製造装置５の制御装置８０による実装工程の制御動作を概略的に示す工程の流れ図である。図７は、一連の工程の動作の流れに伴うヘッド部１５の温度の推移、ヘッド部１５の荷重値の推移、及びヘッド部１５の高さの推移を示している。この図２及び図７にそって、各ステップＳ１〜Ｓ１１について説明する。なお、図７の時間（sec）の進行は、一例である。また、ヘッド部１５の温度は、製造装置側の設定温度を意味しており、実際のヘッド部１５の温度は図７と必ずしも一致しなくともよい。

【0032】

図４は、ステップＳ１を示した模式的な断面図である。

【0033】

ステップＳ１において、図４に示されるように、ヘッド部１５は、ステージ１０と離れた位置に配置される。半導体素子４５は、ヘッド部１５のボンディングツール４０に配置される。半導体素子４５は、例えば、制御装置８０の制御による吸引により、ボンディングツール４０に保持される。金属パッド４５ａは、下方のステージ１０側に配置される。

【0034】

ステップＳ２において、基板２５は、ステージ１０の上面に配置される。基板２５は、例えば、制御装置８０の制御による吸引により、ステージ１０の上面に保持される。はんだバンプ２５ａは、上方のヘッド部１５側に配置される。なお、ステップＳ１とステップＳ２とは順不同である。

【0035】

ステップＳ３において、制御装置８０により、ステージ１０とヘッド部１５との間の空間領域に位置検出カメラが配置される。位置検出カメラは、Ｚ軸方向の上下に位置する基板２５および半導体素子４５を撮影し、両者の位置を検出する。この後、制御装置８０は、検出した位置に基づいて、ステージ１０あるいはヘッド部１５をＸＹ軸方向（水平方向）および水平面内の回転方向に相対的に移動させる。この移動により、基板２５のはんだバンプ２５ａと、半導体素子４５の金属パッド４５ａとは、対向する位置に配置される。

【0036】

ステップＳ４において、制御装置８０は、ヘッド部１５をステージ１０と近接した位置まで下降させる。図５は、ステップＳ４を示した模式的な断面図である。

【0037】

まず、ヘッド部１５の下降は、位置センサ７０の検知信号に基づき、位置制御により制御される。はんだバンプ２５ａと半導体素子４５の金属パッド４５ａとが接触する少し前の位置が、制御装置８０にあらかじめ設定される。そして、制御装置８０は、設定された位置までヘッド部１５を下降させることで、ヘッド部１５は急速に下降される。

【0038】

次に、ヘッド部１５の下降は、荷重値制御により制御される。つまり、制御装置８０は、荷重センサ７５の検知信号に基づいてヘッド部１５の下降を制御する。荷重センサ７５の検知信号に対する閾値が、制御装置８０にあらかじめ設定される。そして、ヘッド部１５は、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａとが接触（ヘッド部１５がステージ１０に接地）するまで下降される。この接触は、荷重センサの１５の検知する荷重値が設定された閾値を超える、または荷重値の時間当たりの変化量が設定された閾値を超えることにより検知される。

【0039】

なお、ステップＳ４で加圧していない状態でのヘッド部の高さ寸法をＡ０、ステージ１０の高さ寸法をＢ０とする。また、ステップＳ４のヘッド部１５の下降の制御は、位置センサ７０の位置制御なしで荷重値制御のみで行うことも可能である。

【0040】

ステップＳ５において、金属パッド４５ａとはんだバンプ２５ａを介してステージ１０に荷重を加えつつ、ヘッド部１５はさらに下降される。そして、ヘッド部１５によるステージ１０への荷重が第一荷重値（図７では約１９０Ｎ）になるまで、ヘッド部１５は下降される（時刻ｔ１）。図６は、ステップＳ５を示した模式的な断面図である。

【0041】

金属パッド４５ａがはんだバンプ２５ａに 押し付けられ、はんだバンプ２５ａは圧縮変形される。そして、両者が接触するそれぞれの表面に生成されている自然酸化膜は破れるため、両者は電気的に導通する。

【0042】

このステップＳ５において、荷重が第一荷重値になった状態では、ヘッド部１５及びステージ１０は荷重が加えられており、加圧されているため、圧縮される。すなわち、図６に示されるように、ヘッド部１５の高さ寸法は、Ａ０よりも小さいＡ１（＜Ａ０）に圧縮され、ステージ１０の高さ寸法はＢ０よりも小さいＢ１（＜Ｂ０）に圧縮される。

【0043】

なお、ステップＳ５において、荷重が加わることで、徐々に金属パッド４５ａ、はんだバンプ２５ａが変形する。この変形により、時刻ｔ１からｔ２において、ヘッド部１５は緩やかにその位置が下がる。

【0044】

仮に、この状態で、ヘッド部１５のヘッドヒータ５０により加熱を行うと、ボンディングツール４０および半導体素子４５の金属パッド４５ａを通じて、基板２５のはんだバンプ２５ａが加熱され、はんだバンプ２５ａは溶融する。はんだバンプ２５ａの溶融により、ヘッド部１５およびステージ１０への荷重は開放される。つまり、ヘッド部１５及びステージ１０は、減圧されるため、元の高さ寸法Ａ０、Ｂ０に変化する。さらに、ヘッド部１５は加熱により膨張するため、ヘッド部１５の高さ寸法は、元の高さ寸法Ａ０よりも大きい寸法へと変化する可能性がある。この加熱により、ヘッド部１５およびステージ１０の高さ寸法がＡ１、Ｂ１より大きくなると、種々の不良が起きる可能性がある。例えば、はんだバンプ２５ａが過剰に押しつぶされ、隣接するはんだバンプ２５ａとショートする可能性がある。または、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａが変形し、意図しないショートやオープンを起こす可能性がある。さらには、ヘッド部１５とステージ１０が接触し、ヘッド部１５やステージ１０が損傷する可能性がある。

【0045】

そこで、本実施形態は、ステップＳ６として、制御装置８０は、荷重センサ７５により荷重量を検知しつつ、ヘッド部１５の荷重を低減させる。すなわち、ヘッド部１５を減圧させる。そして、所定の荷重量になった時点で、制御装置８０は、ヘッド部１５の荷重を低減させることを停止する（時刻ｔ２、図７では約１０Ｎ）。ヘッド部１５の荷重を低減させることで、ヘッド部１５及びステージ１０への圧力は低減し、ヘッド部１５及びステージ１０は、例えば、元の高さ寸法Ａ０、Ｂ０、又は少なくともＡ１，Ｂ１よりも大きい寸法となる。つまり、ヘッド部１５及びステージ１０の高さ寸法を予め元の寸法に近い寸法に近づけておくことで、昇温時にヘッド部１５及びステージ１０の高さ寸法が大きくなる量を低減できる。さらに、所定の荷重量で減圧を停止させることで、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａの接触状態を保持させることができる。すなわち、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａの表面に、酸化膜が形成されることを低減できる。

【0046】

ステップＳ７として、制御装置８０は、ヘッドヒータ５０を昇温させることで、ヘッド部１５を昇温させる。（時刻ｔ３）。ヘッド部１５は昇温することで、前述の通り、高さ寸法がＡ０よりも長い寸法へと熱膨張する。

【0047】

図８は、ヘッド部１５の温度と、高さ寸法との関係を示すグラフの一例である。

【0048】

図８の縦軸は、ヘッド部１５のＺ軸方向の変位量を示し、横軸はヘッド部１５の温度を示す。ヘッド部１５の温度が１７５℃のときのＺ軸方向の変位量を基準として「０」としている。温度が２４０℃のときの変位量は８．０μｍ、温度が３１０℃のときの変位量は１８．６μｍである。つまり、ヘッド部１５は高温なほど、ヘッド部１５の変位量は増加する。

【0049】

ステップＳ８として、制御装置８０は、昇温によるヘッド部１５の高さ寸法の変化に合わせて、ヘッド部１５の位置を上昇させる（時刻ｔ４）。ヘッド部１５の上昇は、位置センサ７０の検知信号による位置制御による。

【0050】

時刻ｔ３の後に、時間をおいてからヘッド部１５を上昇させるのは、二つの理由による。１つ目は、はんだバンプ２５ａが溶融するまで、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａの間を密着させておくためである。密着させておくことで、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａの表面に酸化膜が形成され、オープンすることを防ぐことができる。２つ目は、ヘッド部１５の熱膨張は、ヘッド部１５の温度の上昇よりも遅れる場合があるためである。

【0051】

ただし、はんだバンプ２５ａが溶融した後は、前述したヘッド部１５の熱膨張による不具合の危険性が増加するため、早期にヘッド部１５の位置を上昇させたほうが望ましい。この時刻ｔ４は、予め制御装置８０にパラメータとして設定される。または、時刻ｔ４は、制御装置８０により、荷重センサ７５の検知信号から算出されてもよい。

【0052】

なお、ヘッド部１５の温度の推移と、熱膨張によるＺ軸方向の変化量は必ずしも一致しない。熱膨張は時間の経過と共に直線的に増加する傾向にある。そこで、図７に示されているように、ヘッド部１５のＺ軸方向の位置制御もこれに合わせて行う。

【0053】

この位置制御により、ヘッド部１５の下端部に位置する半導体素子４５の金属パッド４５ａとステージ１０側の基板２５のはんだバンプ２５ａとの距離は、ほぼ同じ距離を保持した状態に保つことが可能である。

【0054】

時刻ｔ３からｔ４において、ヘッド部１５の荷重値が一度増加した後、低減する理由について説明する。はんだバンプ２５ａが溶融するまでの間にも、ヘッド部１５は昇温により高さ寸法が膨張する。しかし、ヘッド部１５の位置は固定されているため、ヘッド部１５の高さ寸法が膨張した分、荷重値は増加する。その後、はんだバンプ２５ａが融解すると、ヘッド部１５の荷重は開放され、荷重値は低減する。

【0055】

なお、前述の不具合を避けるため、ステップＳ７の荷重が増加する前までに、ヘッド部１５の位置の制御は、位置センサ７０の検知信号による位置制御に切り替えておく方が望ましい。

【0056】

ステップＳ９として、制御装置８０は、ヘッドヒータ５０への通電を停止してヘッド部１５の加熱を停止する（時刻ｔ５）。さらに、制御装置８０は、孔６０に空気を流すことで、放熱を早め、ヘッド部１５を冷却させる。なお、時刻ｔ５までの一定時間の加熱により、はんだバンプ２５ａは充分に溶融し、金属パッド４５ａとなじんでいる。

【0057】

ステップＳ１０として、制御装置８０は、ヘッド部１５を下降させる。なお、図７に示されるように、ヘッド部１５の下降は、時刻ｔ５より前もって開始しても構わない。または、冷却の開始と同時か、その後の時点からヘッド部１５の下降を開始しても構わない。

【0058】

ヘッド部１５を下降させる理由を説明する。

【0059】

冷却に伴い、ヘッド部１５及びステージ１０は、収縮を始める。つまり、ヘッド部１５及びステージ１０の高さ寸法は短くなる。すると、ヘッド部１５に固定されている金属パッド４５ａと、ステージ１０に固定されているはんだバンプ２５ａとの間に、張力が加えられる。この張力ははんだバンプ２５ａのクラックの原因となる可能性がある。そこで、張力がかからないようにするため、ヘッド部１５を下降させる必要がある。

【0060】

また、ヘッド部１５の下降は、前述のヘッド部１５及びステージ１０の収縮する長さと合わせて行う必要がある。ヘッド部１５及びステージ１０の収縮する長さより、極端に大きく下降させると、金属パッド４５ａとはんだバンプ２５ａとの間には強い圧縮力が加えられる。圧縮力が加えられると、クラックや破断によるオープン不良の原因となる可能性がある。

【0061】

ステップＳ１０のヘッド部１５の下降により、半導体素子４５の金属パッド４５ａと基板２５のはんだバンプ２５ａとの距離は、ほぼ同じ距離に保持される。つまり、はんだバンプ２５ａに張力・圧縮力が及ぶのを抑制できる。

【0062】

ステップＳ１１として、制御装置８０は、ヘッド部１５を押し込みつつ、荷重センサ７５によりヘッド部１５の荷重を検知する。制御装置８０は、荷重値の変化を検出し、ヘッド部１５から半導体素子４５を切り離す（時刻ｔ６）。具体的には、制御装置８０は、ヘッド部１５のボンディングツール４０による半導体素子４５の吸着状態を解除させる。そして、制御装置８０は、ヘッド部１５を上昇させる。ステージ１０上には、図３（ｃ）に示したように、半導体素子４５の金属パッド４５ａがはんだバンプ２５ｂに所定距離ｄを存した状態で接続された基板２５が残った状態となり、ステージ１０から半導体装置を取り外すことができる。

【0063】

ヘッド部１５の冷却が進むと、はんだバンプ２５ａが凝固する。はんだバンプ２５ａが凝固を始めると、状態が液状から固体へと変化するため、はんだバンプ２５ａの体積や形状が変化する。すると、ヘッド部１５に加わる荷重値が変化する。そこで、制御装置８０はヘッド部１５の荷重値の変化を検知し、はんだバンプ２５ａの凝固に合わせて切り離しを行うことができる。なお、はんだバンプ２５ａの凝固温度は例えば２００度前後であり、はんだバンプ２５ａの実温がおよそ凝固温度以下になると、はんだバンプ２５ａは凝固を始める。

【0064】

上記実施形態によれば、金属パッド４５ａとはんだバンプ２５ａとが接合され、昇温される前に、制御装置８０は駆動部６５を駆動し、減圧動作（Ｓ６）を実施する。減圧動作によって、ヘッド部１５およびステージ１０の高さ寸法は、圧縮前の高さ寸法に近づく。予め圧縮前の高さ寸法へ近づけさせることで、はんだバンプ２５ａが溶融した際に、ヘッド部１５およびステージ１０の高さ寸法の伸びを抑制することができる。高さ寸法の伸びを抑制することで、隣り合うはんだバンプ２５ａのショートや、ヘッド部１５に固定されたボンディングツール４０のステージ１０への衝突を抑制できる。

【0065】

さらに、本実施形態によれば、ヘッド部１５を加熱する際に、ヘッド部１５の高さ寸法の増加に合わせて、制御装置８０は駆動部６５を駆動し、ヘッド部１５を上昇させる。加熱時にヘッド部１５を上昇させることで、隣り合うはんだバンプ２５ａのショートや、ボンディングツール４０のステージ１０への衝突を抑制できる。

【0066】

さらに、本実施形態によれば、ヘッド部１５を冷却する際に、ヘッド部１５の高さ寸法の縮みに合わせて、制御装置８０は駆動部６５を駆動し、ヘッド部１５を下降させる。冷却時にヘッド部１５を下降させることで、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａとの間の張力を低減させ、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａとの間の破断を低減させることができる。

【0067】

さらに、本実施形態によれば、ボンディングツール４０から半導体素子４５が切り離される際に、制御装置８０はヘッド部１５の荷重値の変化を検知して、切り離しを行う。荷重値の変化の検出により、はんだバンプ２５ａが完全に凝固する前に、半導体素子４５の切り離しが可能となる。完全に凝固する前に切り離すことで、はんだバンプ２５ａと金属パッド４５ａとの間に張力や圧縮力を低減することができる。また、早期に切り離しを行うことで、半導体装置の製造のスループットを向上させ、安価な半導体装置の製造が可能となる。さらに、半導体装置に比べて大きな熱容量を有するヘッド部と半導体装置が切り離されることで、半導体装置は急速に冷やすことが可能である。急速に冷やすことで、はんだバンプ２５ａに含まれるはんだ材料が半導体装置の内部に固相拡散することを抑制することができる。はんだ材料の固相拡散が抑制されることで、半導体装置の信頼性の向上が可能である。なお、勿論であるが、全てのはんだバンプ２５ａが完全に凝固する前に切り離す必要はない。一部のはんだバンプ２５ａが凝固していたとしても構わない。この場合も、上述のスループットを向上させることが可能である。

【0068】

（他の実施形態）
上記実施形態で説明したもの以外に次のような変形形態に適用することができる。

【0069】

上記実施形態において、はんだバンプ２５ａを用いて説明したが、これに限られない。例えば、金属バンプあるいは金属ボールが形成されているものであれば良い。

【0070】

金属バンプは、半導体素子４５側に設けた場合でも実施可能である。つまり、基板２５と半導体素子４５の少なくともいずれか一方に金属バンプが設けられた構成のものに適用できる。

【0071】

半導体素子４５は、図３（ａ）に示したものに限られない。例えば、図９に示すように積層された半導体素子４５’でも構わない。図９の半導体素子４５’は、基板１３５上に半導体チップ１４５及び半導体チップ１５５を積層したものである。半導体素子４５’の金属パッド４５ａ’は、半導体チップ１５５よりも基板２５に離れている。半導体チップ１５５と基板２５の衝突を避けるため、金属パッド４５ａ’とはんだバンプ２５ａの接着時のより高い位置制御が求められる。

【0072】

冷却孔に空気を流す冷却は、実施しなくても構わない。また、冷却方法は、空冷以外の任意の冷却手段でも構わない。

【0073】

また、上記実施形態では、ヘッド部１５が駆動部６５に配置されていたが、ステージ１０に駆動部６５が配置されていても構わない。駆動部６５は、ヘッド部１５とステージ１０とを近づけたり、又は遠ざけたりすることができればよい。つまり、駆動部６５は、ヘッド部１５をステージ１０の方向へ移動させてもよいし、ステージ１０をヘッド部１５の方向へ移動させてもよいし、その両方であってもよい。

【0074】

同様に、位置センサ７０、荷重センサ７５は、ヘッド部１５に配置される必要は必ずしもない。つまり、駆動部６５がステージ１０を移動させる場合には、位置センサ７０、荷重センサ７５はステージ１０に配置できる。

【0075】

本発明の実施形態を説明したが、本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0076】

５ 製造装置
１０ ステージ
１５ ヘッド部
２０ 支持部
２５ 基板
２５ａ バンプ
２５ｂ バンプ
３０ ステージヒータ
３５ 温度センサ
４０ ボンディングツール
４５ 半導体素子
４５ａ 金属パッド
５０ ヘッドヒータ
５５ 温度センサ
６０ 孔
６５ 駆動部
７０ 位置センサ
７５ 荷重センサ
８０ 制御装置
１３５ 基板
１４５ 半導体チップ
１５５ 半導体チップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】