特許 6683976 半導体装置の製造方法および製造装置

(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】6683976

(24)【登録日】2020年3月31日

(45)【発行日】2020年4月22日

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法および製造装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20200413BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311Q

   H01L21/60 311T

【請求項の数】11

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-565563(P2018-565563)

(86)(22)【出願日】2018年1月30日

(86)【国際出願番号】JP2018002968

(87)【国際公開番号】WO2018143196

(87)【国際公開日】20180809

【審査請求日】2019年7月30日

(31)【優先権主張番号】特願2017-15745(P2017-15745)

(32)【優先日】2017年1月31日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】519294332

【氏名又は名称】株式会社新川

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 智宣

(72)【発明者】

【氏名】島津 武仁

(72)【発明者】

【氏名】魚本 幸

【審査官】 小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２６０１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−１２５１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−７４１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０４７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−５４５６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２１／６０３

Ｈ０１Ｌ ２１／６０７

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

Ｈ０１Ｌ ２１／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チップ部品の電極部を、接合対象物に設けられた被接合部に直接接合する半導体装置の製造方法であって、
前記接合対象物を液槽内に載置する載置工程と、
前記液槽内に液体を注入する液体注入工程と、
前記液槽に貯留された液中において、ボンディングヘッドで保持した前記チップ部品を、前記接合対象物に重ね合わせることにより、前記電極部を前記被接合部に接合する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、さらに、
前記載置工程の後、前記液体注入工程の前に、前記接合対象物の位置を検出する位置検出工程と、
前記位置検出工程での位置検出結果に基づいて、前記接合対象物と前記ボンディングヘッドとの相互の位置決めを行う位置決め工程と、
を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記液体は、前記電極部の接合面または前記被接合部の接合面をエッチングし、前記電極部の接合面または前記被接合部の接合面に活性層を生成するエッチング液であって、
前記接合する工程は、前記活性層が生成された前記接合面のいずれかを他方の前記接合面に接合する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記電極部または前記被接合部は、接合面となる金属の薄膜を有し、
前記エッチング液は、前記金属の薄膜をエッチングして前記接合面に活性層を生成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項5】

請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記電極部または前記被接合部は、接合面となる金属の薄膜を有し、
前記接合する工程は、前記電極部と前記被接合部とを前記薄膜を介して接合する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項6】

請求項１，２，５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記液体は、超純水、フッ素系不活性液体、シリコーンオイルからなる群、または、これらの混合液からなる群から選択される、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記電極部は、銅の薄膜からなり、
前記液体には、前記電極部の酸化を防止するためのイオン調整剤が添加されている、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項8】

チップ部品の各電極部を、接合対象物に設けられた被接合部に直接接合する半導体装置の製造装置であって、
液体が貯留されるとともに、その内部に前記接合対象物が載置される液槽と、
前記液槽に貯留された液中において、前記チップ部品と前記接合対象物とを相互に重ね合わせることにより、前記チップ部品の前記電極部を前記接合対象物の前記被接合部に直接接合するボンディングヘッドと、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。

【請求項9】

請求項８に記載の半導体装置の製造装置であって、さらに、
前記液槽に液体を注入および排出する注排出機構と、
前記液槽に液体が注入されていない状態で、前記液槽に載置された前記接合対象物の位置を検出する位置検出機構と、
前記位置検出機構による位置検出結果に基づいて、前記液槽に保持された前記接合対象物と前記ボンディングヘッドとを相互に位置決めする位置決め機構と、
を備え、
前記注排出機構は、前記位置検出機構により位置検出された後に、前記液槽に液体を注入する、
ことを特徴とする半導体装置の製造装置。

【請求項10】

請求項８または９に記載の半導体装置の製造装置であって、さらに、
前記ボンディングヘッドを前記液槽の液中から引き上げた際に、前記ボンディングヘッドに付着した液体を除去するヘッド除液機構を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造装置。

【請求項11】

請求項８または９に記載の半導体装置の製造装置であって、さらに、
前記液槽内の液体に超音波振動を伝搬する超音波洗浄機構を備える、ことを特徴とする半導体装置の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、チップ部品の各電極部を、接合対象物に設けられた被接合部に直接接合する半導体装置の製造方法、および、製造装置を開示する。

【背景技術】

【0002】

近年、電子機器において小型化および計量化が求められており、半導体装置の実装密度の更なる向上が求められている。半導体装置を構成するチップ部品を、基板等の接合対象物に実装する工法として、フリップチップボンディングが知られている。フリップチップボンディングでは、チップ部品にバンプと呼ばれる突起を形成し、当該バンプを介して、チップ部品の電極部と接合対象物の被接合部（例えば電極部）とを電気的に接続する。

【0003】

現在、基板の更なる高密度化により、こうしたバンプの微細化も求められている。しかし、バンプの微細化には限度があるため、一部では、バンプを無くしたバンプレスの工法も提案されている。例えば、特許文献１には、所定の相対位置に位置決めしたチップ部品と接合対象物を相互に重合して加圧することにより、チップ部品および接合対象物それぞれの電極部を、金属間結合の法則により、直接接合するボンディング方法が開示されている。かかるボンディング方法によれば、チップ部品にバンプを形成する必要がなく、電極部を高密度に配することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−２６０１７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の技術では、電極部の酸化を防止するために、ボンディングヘッドや、基板が載置されるステージを、チャンバ内に収容し、当該チャンバ内を真空雰囲気または不活性ガスで充填していた。このようにボンディングヘッドおよびステージをチャンバ内に収容した場合、装置全体が大型で複雑となる。また、ボンディングに先だって、チャンバ内を真空または不活性ガスで充填する必要があり、実装工程が煩雑となっていた。さらに、直接接合する場合、チップ部品と接合対象物（基板等）との平行度のバラツキを吸収するバンプが存在しないため、ごく微小な粒子であっても、接合精度の低下を招く。そのため、直接接合する場合は、ボンディングに先だって、チップ部品の電極部および接合対象物の被接合部（電極部）の表面を十分に洗浄しておく必要があり、非常に手間であった。

【0006】

そこで、本願では、より簡易な手順および構成で、チップ部品を接合対象物に直接接合できる半導体装置の製造方法および製造装置を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願で開示する半導体装置の製造方法は、チップ部品の電極部を、接合対象物に設けられた被接合部に直接接合する半導体装置の製造方法であって、前記接合対象物を液槽内に載置する載置工程と、前記液槽内に液体を注入する液体注入工程と、前記液槽に貯留された液中において、ボンディングヘッドで保持した前記チップ部品を、前記接合対象物に重ね合わせることにより、前記電極部を前記被接合部に接合する工程と、を備える。

【0008】

かかる方法によれば、チップ部品と接合対象物が、液中に配されるため、異物が簡易かつ効果的に除去される。結果として、より簡易な手順で、チップ部品を接合対象物に直接接合できる。

【0009】

上述の製造方法は、さらに、前記載置工程の後、前記液体注入工程の前に、前記接合対象物の位置を検出する位置検出工程と、前記位置検出工程での位置検出結果に基づいて、前記接合対象物と前記ボンディングヘッドとの相互の位置決めを行う位置決め工程と、を備えてもよい。

【0010】

かかる方法とすれば、液体の影響を受けることなく、位置を検出できるため、より正確な位置決めができ、接合精度を向上できる。

【0011】

また、前記液体は、前記電極部の接合面または前記被接合部の接合面をエッチングし、前記電極部の接合面または前記被接合部の接合面に活性層を生成するエッチング液であって、前記接合する工程は、前記活性層が生成された前記接合面のいずれかを他方の前記接合面に接合してもよい。この場合、前記電極部または前記被接合部は、接合面となる金属の薄膜を有し、前記エッチング液は、前記金属の薄膜をエッチングして前記接合面に活性層を生成してもよい。

【0012】

かかる方法とすれば、電極部および被接合部を事前に活性化処理しなくても、これらを液中に配することで活性化できるため、表面活性化接合をより簡易に実施できる。

【0013】

また、前記電極部または前記被接合部は、接合面となる金属の薄膜を有し、前記接合する工程は、前記電極部と前記被接合部とを前記薄膜を介して接合してもよい。この場合、前記液体は、超純水、フッ素系不活性液体、シリコーンオイルからなる群、または、これらの混合液からなる群から選択されてもよい。

【0014】

かかる方法とすれば、原子拡散接合をより簡易に実施できる。

【0015】

また、前記電極部は、銅の薄膜からなり、前記液体には、前記電極部の酸化を防止するためのイオン調整剤が添加されてもよい。

【0016】

かかる構成とすることで、電極部および被接合部の酸化を効果的に防止でき、より好適に、電極部を直接接合できる。

【0017】

本願で開示する半導体装置の製造装置は、チップ部品の各電極部を、接合対象物に設けられた被接合部に直接接合する半導体装置の製造装置であって、液体が貯留されるとともに、その内部に前記接合対象物が載置される液槽と、前記液槽に貯留された液中において、前記チップ部品と前記接合対象物とを相互に重ね合わせることにより、前記チップ部品の前記電極部を前記接合対象物の前記被接合部に直接接合するボンディングヘッドと、を備える。

【0018】

かかる構成とすれば、チップ部品と接合対象物が、液中に配されるため、異物が簡易かつ効果的に除去される。結果として、より簡易な構成で、チップ部品を接合対象物に直接接合できる。

【0019】

上述の製造装置は、さらに、前記液槽に液体を注入および排出する注排出機構と、前記液槽に液体が注入されていない状態で、前記液槽に載置された前記接合対象物の位置を検出する位置検出機構と、前記位置検出機構による位置検出結果に基づいて、前記液槽に保持された前記接合対象物と前記ボンディングヘッドとを相互に位置決めする位置決め機構と、を備え、前記注排出機構は、前記位置検出機構により位置検出された後に、前記液槽に液体を注入してもよい。

【0020】

かかる構成とすれば、液体の影響を受けることなく、位置を検出できるため、より正確な位置決めができ、接合精度を向上できる。

【0021】

また、上述の製造装置は、さらに、前記ボンディングヘッドを前記液槽の液中から引き上げた際に、前記ボンディングヘッドに付着した液体を除去するヘッド除液機構を備えてもよい。

【0022】

かかる構成とすることで、ボンディングヘッドで新たなチップ部品をピックアップする際に、当該ボンディングヘッドに液体が付着していることを防止できる。

【0023】

また、上述の製造装置は、さらに、前記液槽内の液体に超音波振動を伝搬する超音波洗浄機構を備えてもよい。

【0024】

かかる構成とすることで、超音波振動により、液体内に配された接合対象物およびチップ部品をより、効果的に洗浄できる。

【発明の効果】

【0025】

本願で開示する半導体装置の製造方法および製造装置によれば、チップ部品と接合対象物が、液中に配されるため、異物が簡易かつ効果的に除去される。結果として、より簡易な手順および構成で、チップ部品を接合対象物に直接接合できる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】半導体装置の製造装置の構成を示す図である。

【図2】チップ部品および基板の概略斜視図である。

【図3】直接接合されたチップ部品および基板の概略断面図である。

【図4】半導体装置の製造の流れを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、図面を参照して半導体装置の製造装置１０について説明する。図１は、半導体装置の製造装置１０の構成を示す図である。この製造装置１０は、チップ部品１１０を、接合対象物である基板１００に、直接接合するのに特に適した装置である。

【0028】

ここで、直接接合とは、チップ部品１１０に形成された電極部１１２と、接合対象物（基板１００等）に形成された電極部１０２（被接合部）とを、バンプや接着剤、ワイヤ等の中継部材を介在させることなく、直接、接触させて接合することをいう。代表的な直接接合としては、原子拡散接合と、表面活性化接合と、がある。原子拡散接合および表面活性化接合は、いずれも、接合部材（電極部１０２，１１２）の融点以下の温度条件で、当該接合部材を、塑性変形が生じない程度に重ねて接合する接合方法である。原子拡散接合は、金属薄膜同士を接触させて接合させた際に、接合面間に生じる金属原子の拡散を利用して接合する手法である。表面活性化接合は、接合面を表面処理して、当該接合面の表面の原子を、化学結合しやすい活性な状態したうえで、接合する手法である。以下の説明では、原子拡散接合を利用してボンディングする場合を例に挙げて説明する。ただし、本願で開示する技術は、原子拡散接合に限らず、表面活性化接合や、他の直接接合を利用したボンディング技術に適用できる。

【0029】

製造装置１０の説明に先だって、チップ部品１１０および接合対象物である基板１００の構成について図２、図３を参照して説明する。図２は、チップ部品１１０および基板１００の概略斜視図であり、図３は、基板１００にチップ部品１１０を接合した状態を示す概略断面図である。

【0030】

チップ部品１１０は、スクライブ工程を経てウェハから切り離されてチップ状とされたＩＣである。チップ部品１１０のボンディング面には、１以上（図示例では１２個）の電極部１１２が、所定のパターンで高密度に形成されている。この電極部１１２は、導電性金属、例えば、金や銅等を含む。図面では、見易さのために電極部１１２を厚く図示しているが、実際には、この電極部１１２の厚みは、原子拡散接合ができる程度に十分に薄い。具体的には、電極部１１２は、数ｎｍ〜数百ｎｍの厚みの金属薄膜を備える。こうした電極部１１２は、例えば、スパッタリング等で形成される。ボンディング面には、さらに、１以上（図示例では３個）の位置決めマーク１１４が設けられている。ここで、これまでの説明で明らかな通り、このチップ部品１１０は、バンプを有さない、バンプレスチップである。

【0031】

基板１００にも、１以上（図示例では１２個）の電極部１０２が形成されている。この電極部１０２は、チップ部品１１０の電極部１１２が接合される被接合部として機能する。基板１００の電極部１０２も、チップ部品１１０の電極部１１２と同様に、導電性金属、例えば、金や銅等を備える金属薄膜であり、スパッタリング等で形成される。また、基板１００にも、１以上（図示例では３個）の位置決めマーク１０４が設けられている。なお、図２、図３では、電極部１０２は、基板１００の上表面から突出しているが、電極部１０２は、その上表面が、外部に露出するとともに基板１００の上表面に連なるように（電極部１０２が突出しないように）、基板１００内に埋め込まれていてもよい。

【0032】

チップ部品１１０を基板１００上にボンディングする際には、チップ部品１１０の位置決めマーク１１４と、基板１００の位置決めマーク１０４とが正確に合致するように、チップ部品１１０を基板１００に対して相対的に位置決めしたうえで、当該チップ部品１１０を、基板１００に重ね合わせる。そして、チップ部品１１０の電極部１１２を、基板１００の電極部１０２に、適度な荷重で押し当てると、各電極部１１２，１０２を構成する金属原子の拡散現象により、両電極部１１２，１０２が接合される。

【0033】

次に、製造装置１０について、図１を参照して説明する。製造装置１０は、ステージ１２、液槽１４、ボンディングヘッド１６、制御部１８等を備えている。ステージ１２には、基板１００が載置される。ステージ１２は、載置された基板１００が動かないように、当該基板１００を保持する基板保持機構（図示せず）が設けられている。基板保持機構としては、例えば、基板１００を底面側から吸着保持する吸着機構や、基板１００を爪部材でステージ１２上に押し付けて固定するクランプ機構等を用いることができる。

【0034】

また、ステージ１２には、当該ステージ１２に載置保持された基板１００の平行度を調整する基板平行度調整機構１２ａが内蔵されている。基板平行度調整機構１２ａは、ステージ１２上面の傾きを調整して、当該ステージ１２に載置された基板１００を水平に調整する機構である。この基板平行度調整機構１２ａは、例えば、凸状半球面部材と凹状半球面部材とを組み合わせた球面軸受け機構でもよいし、ステージ１２内の所定の３点を独立して昇降させるリフト機構等でもよい。

【0035】

なお、後述するように、ステージ１２が収容される液槽１４には、液体５０が注入され、ステージ１２の周囲は、液体５０で満たされる。したがって、基板保持機構および基板平行度調整機構１２ａは、いずれも、液体５０に触れても問題なく動作できる構成、あるいは、機構に液体５０が触れない防止構成であることが望まれる。

【0036】

こうしたステージ１２は、液槽１４に収容され、固定されている。液槽１４は、液体５０が貯留可能な容器である。液槽１４は、ステージ１２および当該ステージ１２に載置された基板１００を、液中に浸漬できる程度の大きさを有していれば、その形状、サイズは、特に限定されない。液槽１４には、当該液槽１４に液体５０を注入するための注入配管３２と、液槽１４に貯留された液体５０を外部に排出する排出配管３４と、が接続されている。注入配管３２は、液槽１４と、液体供給源２０とを接続しており、当該注入配管３２の途中には、液体５０を送り出すための注入ポンプ３６と、注入バルブ３８が設けられている。注入ポンプ３６および注入バルブ３８は、いずれも、制御部１８により駆動制御されており、注入バルブ３８を開放した状態で注入ポンプ３６を駆動することで、液槽１４に液体５０が注入される。注入配管３２は、液槽１４に接続されていれば、その接続箇所は特に限定されないが、気泡発生を防止することを考えると、注入配管３２は、液槽１４の底面近傍に接続されることが望ましい。

【0037】

排出配管３４は、液槽１４と、ドレンとを接続しており、当該排出配管３４の途中には、排出バルブ４０が設けられている。排出バルブ４０は、制御部１８により駆動が制御されており、排出バルブ４０を開放することで、液体５０が排出される。排出配管３４は、液槽１４の底面に接続されることが望ましい。なお、排出配管３４は、ドレンに進む排液ルートだけでなく、注入配管３２に戻る還流ルートを有していてもよく、液体５０の流出先を、排液ルートまたは還流ルートに切り替えできるようにしてもよい。還流ルートを設ける場合には、循環して流れる液体５０から異物を除去するフィルタを設けることが望ましい。還流ルートを設けることで、液槽１４に供給された液体５０を循環させることができ、液体５０に適度な流れを生じさせることができる。これにより、異物が液槽１４内で滞留することを防止でき、チップ部品１１０の直接接合をより好適に行うことができる。

【0038】

液槽１４に供給される液体５０は、直接接合、特に、原子拡散接合を阻害しないものであれば特に限定されない。ここで、後述するように、直接接合の場合は、極僅かな異物（粒子）も問題となるため、液体５０は、高いレベルで異物が除去されたものでなければならない。したがって、液体５０としては、例えば、電気抵抗率が１５ＭΩ・ｃｍ以上の超純水を用いることができる。超純水を用いる場合、液体供給源２０として、超純水製造装置を用いることができる。また、超純水に替えて、化学的に不活性な液体、例えば、フッ素系不活性液体、シリコーンオイル等を用いてもよい。すなわち、液体は、超純水、フッ素系不活性液体、シリコーンオイルからなる群、または、これらの混合液からなる群から選択されればよい。また、これらの液体５０には、電極部１０２，１１２の表面の酸化を防止するイオン調整剤が添加されてもよい。イオン調整剤としては、例えば、硫酸イオン等を用いることができる。

【0039】

また、原子拡散接合ではなく、表面活性化接合を行う場合、液体５０は、基板１００の電極部１０２またはチップ部品１１０の電極部１１２の接合面に活性層を生成するエッチング液であってもよい。こうしたエッチング液にも、酸化を防止するイオン調整剤が添加されてもよい。

【0040】

液槽１４の上側には、ボンディングヘッド１６が設けられている。ボンディングヘッド１６は、チップ部品１１０を保持するとともに、当該チップ部品１１０を基板１００上に押し当てて、ボンディングする。このボンディングヘッド１６の先端部１７には、チップ部品１１０を保持するチップ保持機構（図示せず）が設けられている。チップ保持機構は、チップ部品１１０を裏面から吸着保持する吸着機構でもよいし、チップ部品１１０を一対のアームで挟持する挟持機構でもよい。ここで、ボンディングヘッド１６の先端部１７も、液体５０に浸されるため、これらチップ保持機構も、液体５０に触れても問題なく動作できる構成、あるいは、機構に液体５０が触れない防水構成であることが望まれる。

【0041】

ボンディングヘッド１６は、昇降動作と、水平移動と、鉛直軸Ｒ回りの自転とが可能となっている。また、ボンディングヘッド１６には、チップ平行度調整機構１６ａが設けられており、その先端面の水平面に対する傾斜を調整できるようになっている。チップ平行度調整機構１６ａは、ボンディングヘッド１６の先端面の傾きを調整して、当該先端面に保持されたチップ部品１１０を水平に調整する機構である。このチップ平行度調整機構１６ａとしては、凸状半球面部材と凹状半球面部材とを組み合わせた球面軸受け機構等を用いることができる。

【0042】

液槽１４およびボンディングヘッド１６の近傍には、チップ部品１１０および基板１００の位置を検出する位置検出機構２４が設けられている。位置検出機構２４は、チップ部品１１０、および、基板１００の位置および姿勢を検出できるのであれば、特に限定されない。位置検出機構２４は、例えば、非接触で物体までの距離を検出する非接触測距センサや、物体を撮像して画像データを取得するカメラ等を単独で用いて、または、組み合わせて構成される。

【0043】

図１の図示例では、位置検出機構２４は、ボンディングヘッド１６に保持されたチップ部品１１０を撮像するチップ用カメラ４２と、ステージ１２に保持された基板１００を撮像する基板用カメラ４４と、を備えている。各カメラ４２，４４で撮像することで得られる画像データは、制御部１８に送られる。制御部１８は、送られた画像データに基づいて、チップ部品１１０および基板１００の位置および姿勢を算出する。位置および姿勢の算出には、種々の公知の画像処理技術を用いることができる。例えば、パターンマッチング技術を用いて、チップ部品１１０および基板１００の画像データから位置決めマーク１０４，１１４を検出し、当該位置決めマーク１０４，１１４の歪みや回転量、サイズ等に基づいて、チップ部品１１０および基板１００の位置および姿勢を検出するようにしてもよい。また、別の方法として、ステレオ計測法、三角測量法等を用いて、チップ部品１１０および基板１００の位置および姿勢を検出するようにしてもよい。なお、チップ用カメラ４２および基板用カメラ４４は、いずれも、単一でもよいし、複数でもよい。

【0044】

ここで、繰り返し述べる通り、ステージ１２を収容する液槽１４には、液体５０が注入される。液体５０が注入された状態では、カメラ４２，４４や測距センサでの位置および姿勢の検出が難しくなる。そこで、位置検出機構２４は、液槽１４に液体５０が注入される前の状態で、基板１００の位置および姿勢を検出する。

【0045】

液槽１４の上方には、さらに、ボンディングヘッド１６の先端部から液体５０を除去する除液機構２６も設けられている。すなわち、後述するように、ボンディングヘッド１６の先端部１７は、ボンディングの過程で、液槽１４に貯留された液体５０内に進入する。液体５０に進入した後、上方に引き上げられたボンディングヘッド１６の先端部１７には、液滴が付着する。除液機構２６は、この先端部１７に付着した液滴を除去する。除液機構２６は、先端部１７に付着した液体５０を除去できるのであれば、その構成は限定されない。図１の図示例では、除液機構２６は、先端部１７に、気体を噴射して液体５０を吹き飛ばすブロア機構である。製造装置１０は、さらに、液槽１４内の液体５０に超音波振動を付与することで、基板１００やチップ部品１１０の電極部１０２，１１２から異物を除去する超音波洗浄機構２２も有している。

【0046】

制御部１８は、製造装置１０全体の駆動を制御するもので、各種演算を行うＣＰＵと、各種パラメータやプログラムを記憶する記憶部と、を備えている。なお、図１では、制御部１８を単一のユニットとして図示しているが、制御部１８は、複数の制御ユニット（複数のＣＰＵ、複数の記憶部）を組み合わせて構成されてもよい。この場合、複数の制御ユニットは、有線または無線で接続される。また、複数の制御ユニットの一部は、液槽１４等から遠く離れた遠隔地に配されてもよい。

【0047】

以上の説明から明らかな通り、本願で開示する製造装置１０は、液体５０内で、チップ部品１１０を基板１００に直接接合している。このように、液中で、直接接合する理由について従来技術と比較して説明する。

【0048】

バンプを介して接合する従来技術の場合、チップ部品１１０および基板１００の高さの多少のバラツキは、バンプにより吸収されていた。そのため、チップ部品１１０および基板１００の間に微小な異物が存在していても、問題にならない場合が多かった。しかし、直接接合の場合、チップ部品１１０には、バンプは形成されておらず、チップ部品１１０の電極部１１２と、基板１００の電極部１０２とが直接接合される。この場合、チップ部品１１０の電極部１１２、および、基板１００の電極部１０２に付着する異物が、ごく微小なものであっても、接合精度を大きく悪化させる。

【0049】

特許文献１等では、こうした問題を避けるために、チップ部品１１０および基板１００の電極部１１２，１０２の表面を洗浄したうえで、これらチップ部品１１０および基板１００を真空雰囲気中または不活性ガス雰囲気中に保持し、直接接合していた。具体的には、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気に保つことができるチャンバ（クリーンルーム）を設け、当該チャンバ内にボンディングヘッド１６やステージ１２を配していた。しかし、このようにボンディングヘッド１６およびステージ１２をチャンバ内に収容した場合、装置全体が大型で複雑となる。また、ボンディングに先だって、チャンバ内を真空または不活性ガスで充填する必要があり、実装工程が煩雑となっていた。さらに、ボンディングに先だって、チップ部品１１０および接合対象物の電極部の表面を十分に洗浄しておく必要があり、非常に手間であった。

【0050】

一方、本願で開示する製造装置１０では、液体５０内に基板１００を配置し、当該液体５０内でチップ部品１１０を基板１００にボンディングする。この場合、ボンディングヘッド１６等の周囲を真空雰囲気または不活性ガス雰囲気に保つ必要がないため、これらを収容するチャンバが不要となる。その結果、製造装置１０を小型化、簡易化できる。

【0051】

また、高純度の液体５０内でボンディングする場合、基板１００およびチップ部品１１０が、当該高純度の液体５０で洗浄され、基板１００およびチップ部品１１０の電極部１０２，１１２に付着した異物が効率的に除去される。結果として、ボンディングに先だって、基板１００およびチップ部品１１０を洗浄する必要がなく、工程を簡易化できる。また、液体５０中でボンディングすることで、酸素等のボンディング阻害要因を排除した状態を容易に実現できる。換言すれば、脱酸素環境を作るために、高価な不活性ガスを多量に用いたり、真空環境を形成したりする必要がないため、ボンディングに適した環境を、簡易かつ低コストに実現できる。さらに、液体５０の成分を調整することで、電極部１０２，１１２の酸化を抑制することができ、電極部１０２，１１２を、より好適に直接接合できる。

【0052】

次に、この製造装置１０による半導体装置の製造の流れについて図４を参照して説明する。図４は、半導体装置の製造の流れを示すフローチャートである。半導体装置を製造するために基板１００にチップ部品１１０をボンディングする場合は、まず、液槽１４内のステージ１２に基板１００を載置し、セットする（Ｓ１０）。このとき、液槽１４は、液体５０が注入されていない空の状態である。基板１００のセットは、人の手による手動でもよいし、種々のローディング機構によって自動的に行われてもよい。

【0053】

基板１００が載置されれば、続いて、制御部１８は、位置検出機構２４を駆動して、当該基板１００の位置および姿勢を検出する（Ｓ１２）。具体的には、基板用カメラ４４で、基板１００を撮像する。制御部１８は、得られた画像データを画像解析して、基板１００の位置および姿勢を算出する。なお、基板１００に複数の位置決めマーク１０４および複数の電極部１０２が設けられている。制御部１８は、この複数の位置決めマーク１０４および複数の電極部１０２の位置および姿勢を算出し、一時記憶する。なお、このとき、基板１００が非水平であると判断した場合には、基板平行度調整機構１２ａを駆動して、基板１００を水平に調整する。

【0054】

基板１００の位置等が検出できれば、制御部１８は、液槽１４に、液体５０を注入する（Ｓ１４）。すなわち、制御部１８は、注入バルブ３８を開放するとともに、排出バルブ４０を閉鎖する。また、制御部１８は、注入ポンプ３６を駆動して、液体供給源２０から液槽１４に液体５０を送り出す。そして、制御部１８は、液体５０が、規定の水位に達すれば、液体５０の注入を停止する。なお、液体５０が規定の水位に達した時、注入を停止せずに、注入を継続するとともに、排出バルブ４０を開放して、一定期間、液体５０の注入と排出を並行して行うようにしてもよい。これにより、液槽１４内に一定の流れが発生し、基板１００に付着した異物の除去が促進される。また、このとき、超音波洗浄機構２２を駆動して、基板１００に超音波振動を付与するようにしてもよい。

【0055】

続いて、ボンディングヘッド１６を駆動して、図示しないチップ供給源からチップ部品１１０をピックアップする（Ｓ１６）。チップ部品１１０がピックアップできれば、制御部１８は、位置検出機構２４を駆動して、ボンディングヘッド１６で保持されたチップ部品１１０の位置および姿勢を検出する（Ｓ１８）。具体的には、チップ用カメラ４２で撮像して得られた画像データを画像解析して、チップ部品１１０の位置および姿勢を算出する。チップ部品１１０の位置および姿勢が算出できれば、制御部１８は、基板１００に対するチップ部品１１０の位置および姿勢が適切になるように、ボンディングヘッド１６の位置決めを行う（Ｓ２０）。具体的には、制御部１８は、チップ部品１１０が非水平の場合には、チップ平行度調整機構１６ａを駆動して、チップ部品１１０を水平にする。また、チップ部品１１０の位置決めマーク１１４が、基板１００の対応する位置決めマーク１０４の真上に位置するように、ボンディングヘッド１６の水平位置および鉛直軸Ｒ回りの回転量を調整する。

【0056】

基板１００に対するチップ部品１１０の位置決めができれば、チップ部品１１０を基板１００にボンディングする（Ｓ２２）。具体的には、制御部１８は、ボンディングヘッド１６を降下させ、チップ部品１１０の電極部１１２を、基板１００の電極部１０２に、適度な荷重で押し当てる。これにより、チップ部品１１０と基板１００それぞれの電極部１１２，１０２を構成する原子が拡散し、両電極部１１２，１０２が接合される。

【0057】

なお、電極部１１２，１０２の接合に先だって、チップ部品１１０が液体５０内に進入した時点で、ボンディングヘッド１６の降下を一時的に停止させ、チップ部品１１０を液体５０内で一時的に静止させてもよい。所定時間、チップ部品１１０を液体５０内で静止させることで、チップ部品１１０に付着した異物も効果的に除去される。また、チップ部品１１０を液体５０中で静止させる際には、液体５０の注入と排出を並行して行ったり、超音波洗浄機構により液体５０に超音波振動を付与したりしてもよい。いずれにしても、チップ部品１１０の異物も除去しておくことで、基板１００およびチップ部品１１０を、より適切に直接接合できる。

【0058】

チップ部品１１０と基板１００それぞれの電極部１１２，１０２を接合できれば、制御部１８は、ボンディングヘッド１６によるチップ部品１１０の保持を解除したうえで、当該ボンディングヘッド１６を上昇させる（Ｓ２４）。また、ボンディングヘッド１６が所定の高さまで上昇すれば、除液機構２６を駆動して、ボンディングヘッド１６の先端部１７に付着した液体５０を除去する。具体的には、ブロアを動作して、先端部１７に付着した液滴を吹き飛ばす。

【0059】

一つのチップ部品１１０の接合が完了すれば、制御部１８は、全てのチップ部品１１０の接合が完了したか否かを確認する（Ｓ２６）。基板１００に接合すべきチップ部品１１０が残っている場合には、ステップＳ１６に戻り、同様の処理を繰り返す。全てのチップ部品１１０の接合が完了すれば、ボンディング処理は、終了となる。ボンディング処理が終了となれば、液槽１４から液体５０を排出し、ステージ１２から基板１００を取り出す。

【0060】

以上の説明から明らかな通り、本願で開示する半導体装置の製造装置１０および製造方法によれば、チップ部品１１０と基板１００は、直接接合する際に、高純度の液体５０内に配される。そのため、チップ部品１１０および基板１００それぞれの電極部１１２，１０２に付着した異物を効率的に除去することが可能であり、直接接合を好適に行うことができる。また、チップ部品１１０と基板１００を、高純度の液体５０内に配することで、直接接合を阻害する酸素等が無い環境を容易に形成することができ、チャンバ等を設ける従来技術に比べて、製造装置１０の小型化、簡易化が可能となる。

【0061】

なお、ここで説明した構成は、一例であり、直接接合する際に、チップ部品１１０および基板１００を高純度の液体５０内に配することができるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、上述の例では、ボンディングヘッド１６を移動させて、チップ部品１１０の基板１００に対する位置決めを行っている。しかし、ボンディングヘッド１６に替えて、または、加えて、液槽１４またはステージ１２を移動させて、チップ部品１１０の基板１００に対する位置決めを行ってもよい。

【0062】

また、上述の例では、チップ部品１１０および基板１００それぞれの電極部１１２，１０２を、原子拡散接合により接合する場合を説明したが、他の直接接合法、例えば、表面活性化接合により接合してもよい。この場合、チップ部品１１０および基板１００それぞれの電極部１１２，１０２は、接合に先だって、活性化するように表面処理されていてもよい。この場合、液体５０は、この活性化状態を維持できるような、化学的に不活性な液体５０を選択すればよい。また、別の形態として、液体５０を、チップ部品１１０および基板１００それぞれの電極部１１２，１０２の接合面をエッチングして、当該接合面に活性層を生成するエッチング液としてもよい。この場合、チップ部品および基板１００は、事前に活性化されている必要はなく、製造の過程で、液体５０に浸されればよい。また、上述の例では、ボンディングヘッド１６は、チップ部品１１０を面で押圧して加圧する構成としているが、ローラ部材等でチップ部品１１０を端から順に押圧していくような構成としてもよい。また、チップ部品１１０は、必ずしも加圧される必要はなく、直接接合できるのであれば、チップ部品１１０と基板１００とが、加圧されることなく、重ね合わされるだけでもよい。

【0063】

また、上述の例では、チップ部品１１０を基板１００に接合する例を説明したが、チップ部品１１０が接合される接合対象物は、基板１００以外でもよい。例えば、基板１００の接合済みのチップ部品１１０を、接合対象物としてもよい。換言すれば、本願で開示する技術は、チップ部品１１０の上にチップ部品１１０を接合する場合に適用されてもよい。また、上述の例では、除液機構２６や、超音波洗浄機構２２を設けたが、これらは、適宜、省略されてもよい。

【符号の説明】

【0064】

１０ 製造装置、１２ ステージ、１２ａ 基板平行度調整機構、１４ 液槽、１６ ボンディングヘッド、１６ａ チップ平行度調整機構、１７ 先端部、１８ 制御部、２０ 液体供給源、２２ 超音波洗浄機構、２４ 位置検出機構、２６ 除液機構、３２ 注入配管、３４ 排出配管、３６ 注入ポンプ、３８ 注入バルブ、４０ 排出バルブ、４２ チップ用カメラ、４４ 基板用カメラ、５０ 液体、１００ 基板、１０２，１１２ 電極部、１０４，１１４ 位置決めマーク、１１０ チップ部品。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】