JP5874428B2 - キャリブレート用ターゲット治具および半導体製造装置 - Google Patents

キャリブレート用ターゲット治具および半導体製造装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体チップのダイボンディング工程で使用されるキャリブレート用ターゲット治具、およびオートキャリブレート機能を備えたダイボンディング用の半導体製造装置に関し、とくにリードフレームに半導体チップを確実に接着するためのキャリブレート用ターゲット治具、および当該ターゲット治具を用いたダイボンディング用の半導体製造装置に関する。
半導体装置の製造工程では、半導体チップを連続してリードフレームに接着する半導体製造装置として、従来からダイボンディング装置(以下、DB装置という。)が使用される。
DB装置は、リードフレームを加熱する加熱ステージと、複数のリードフレームを連続して搬送するフィード用レール等の送り装置とを備えている。各リードフレームには、加熱ステージ上で溶融した状態の半田がアイランドなどの半導体素子搭載部に載せられ、送り装置によって搬送されてくる。
半導体チップは、DB装置の例えば手前側にセッティングされたダイシング済みのウェハから、バキューム式の吸着コレットを用いて一つずつDB装置に移動されて、所定の位置にダイボンディングされる。その際、半導体チップがウェハシートの裏面から突き上げられると、そのウェハの上方から吸着コレットによって真空吸着されてDB装置まで搬送される。吸着コレットが保持している半導体チップは、DB装置で加熱されたリードフレームの所定位置まで下降してそこで押圧されることによって、半田層を介して半導体チップのマウントが完了する。
図4は、従来の半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。
吸着コレット1は、DB装置まで水平方向に移動し、その後、制御された所定の距離だけ下降する。このとき、リードフレーム2はフィード用レール(図示せず)によって搬送され、リードフレーム2上で溶融状態の半田3に対応する位置に半導体チップ4をマウントすることができる。加熱ステージ5は、リードフレーム2を所定温度に保持しており、その上面がレール上蓋6によって覆われている。このレール上蓋6は、リードフレーム2上での半田3の放熱を防ぐとともに、外部への雰囲気ガスの飛散を防いでいる。
レール上蓋6には所定の大きさの開口6aが形成されていて、吸着コレット1は半導体チップ4を保持した状態で開口6aまで移動する。その後、レール上蓋6の開口6aからリードフレーム2上の半田3の位置まで自動的に下降して、各リードフレーム2の所定位置に半導体チップ4を固着する。その際、吸着コレット1を搬送制御するDB装置側のコレット制御手段(図示せず)では、吸着コレット1が半導体チップ4を搬送して開口6aの上まで到達した際の半田3の表面までの距離が予め設定されている。あるいは、半導体チップ4を吸着していない状態で、吸着コレット1をレール上蓋6に接触させて、レール上蓋6の位置を基準位置として記憶させてもよい。
そして、コレット制御手段では、コレット制御手段に予め設定された距離に基づいて、吸着コレット1をZ軸方向にリードフレーム2に向かって下降させ、吸着コレット1に吸着された半導体チップ4をリードフレーム2上に移動する。このとき、半導体チップ4をリードフレーム2に対して所定の圧力で押し付ける圧接動作を行ってリードフレーム2上に半導体チップ4をマウントする。
半導体チップ4をリードフレーム2上に確実にマウントし、しかも半田3による固着状態を安定させるには、上記のように、半導体チップ4を所定の圧力でリードフレーム2に押し付ける圧接動作が必要であり、加圧不足や過剰な加圧とならないように、吸着コレット1のZ軸方向の移動距離の制御が必要である。
しかしながら、こうしたDB装置では、加熱ステージ5でのヒータ加熱による熱膨張でフィード用レール等が上下変動し、リードフレーム2のマウント位置の高さ(Z軸方向の距離)が変化する場合がある。そのため、吸着コレット1で保持された半導体チップ4をリードフレーム2上に連続してマウントし、しかも半田3による固着状態を安定させるには、吸着コレット1が半導体チップ4を搬送して開口6aの上まで到達した位置からリードフレーム2の半田3の表面までの距離を調整するキャリブレート機能が必要である。すなわち、キャリブレート機能とは、コレット制御手段に予め設定された距離、すなわち、吸着コレット1が半導体チップ4を搬送して開口6aの上まで到達した位置から半田の表面までの距離を、半導体チップ4をマウントする際に補正する機能である。
キャリブレートを行うには、吸着コレット1が半導体チップ4を保持しない状態で、その先端部分をレール上蓋6の上面、あるいはフィード用レールの周辺の固定面に接触させることで、下降する吸着コレット1の上下方向(Z軸方向)での位置を補正できる。こうしたオートキャリブレート機能は、従来からDB装置に付帯されている一般的なものである。
このようなキャリブレートを行うことにより、吸着コレット1が半導体チップ4を搬送して開口6aの上まで到達した位置から半田の表面までの距離を補正することができる。そして、吸着コレットに吸着された半導体チップをリードフレームに対して所定の圧力で押し付ける圧接動作を、レールなどの熱膨張の前後で変更する必要がない。
図5は、従来の半導体製造装置のレール上蓋に吸着コレットを押し当てた状態を示す断面図である。
ダイシング済みのウェハから半導体チップ4を吸着する際には、ダイシング時のシリコン屑などの塵がチップ表面に残らないよう、レール上蓋6の手前側に置かれたウェハ(図示せず)側からフィード用レールの方向にエアブローが行われる。そのとき、ウェハ側からシリコン屑などの塵7がレール上蓋6まで吹き飛ばされ、図5に示すように、レール上蓋6の上面に付着しているおそれがあった。また、エアブローによる以外にも、半導体チップ4を吸着コレット1で保持して搬送するため、吸着コレット1あるいは半導体チップ4自体から、そのダイシングにともなうシリコン屑が塵7として、レール上蓋6に落下する。
特許文献1には、ボンディング工程でのステージ高さのティーチング時間を短縮して、ボンディング工程での作業効率を向上させるボンディング装置および半導体装置の製造方法の発明が記載されている。
特許文献2のツール状態検出装置は、保持したチップをワークとしてのリードフレームにボンディングする際に、リードフレームへの着地を検出することで、ボンディング荷重等を適切に制御するものにおいて、ボンディングツールの着地状態を判断する為に用意された既存のランディングセンサを有効利用することによって、ボンディングヘッドに設けられたボンディングツールの状態を検出するものである。
特許文献3のダイボンダでは、コレットホルダおよびコレットは、ピックアップポジション(Pa)とボンディングポジション(Pc)との間を往復動作するが、コレットホルダおよびコレットがボンディングポジション(Pc)に到着した時に、供給配管への冷却流体の供給流量を増大して、コレットホルダおよびコレットを冷却する。これにより、コレットホルダおよびコレットの伸縮による高さ位置の変化を小さくして、ピックアップ精度およびボンディング精度の向上が可能になり、ダメージなく半導体チップをボンディングすることができる。
特許文献4に記載されたチップ搭載装置は、コレットをチップ搭載対象面等に接触させてその位置を把握するために、第1可動部を固定部に対して下降させることにより行い、接触の際に第2可動部が第1可動部に対して持ち上げられるときのずれの大きさを精度のよい第2高さ検知手段で読み取って、チップの厚さにバラツキがあっても正確な高さ方向の位置精度でチップの搭載を行う。
特許文献5では、稼動中において温度変動があっても、チップを高精度にボンディングすることができるダイボンダおよびダイボンディング方法が開示されている。この発明によれば、補正制御手段では、その検出されたコレット吸着面の高さ(検出高さ)と、基本制御手段で設定されているコレット吸着面の高さ(基準高さ)とを比較する。高さ検出手段にて、ボンディングポジション(Q)においてコレット吸着面の高さを検出することができ、この検出したコレット吸着面の高さに基づいて制御手段にてボンディングポジション(Q)での鉛直方向移動量を制御することができ、ボンディングポジション(Q)での鉛直方向移動量の補正の信頼性の向上を図る。
特開2003−332363号公報(段落番号[0002]〜[0005]参照) 特開2009−194047号公報(段落番号[0041]〜[0055]、図2〜図5参照) 特開2003−174042号公報(段落番号[0026]〜[0038]、図1〜図3参照) 特開2004−273805号公報(段落番号[0016]〜[0026]、図3〜図6参照) 特開2009−188079号公報(段落番号[0031]〜[0053]、図1,2参照)
図5において、レール上蓋6の上面に塵7が付着したままで、吸着コレット1を下降させてレール上蓋6に接触させるキャリブレート動作が行われると、この塵7が吸着コレット1の先端部分に付着してしまう。そのため、そのような状態の吸着コレット1がつぎに半導体チップ4を吸着すれば、塵7で半導体チップ4の表面素子を損傷するおそれがあった。
図6は、傾斜した状態で半導体チップが吸着された従来の半導体製造装置を示す断面図である。ここに示す半導体チップ4aのように、吸着コレット1の先端部分に傾いた状態で吸着され、そのままの状態でマウントされれば、半導体チップ4がリードフレーム2に対して傾斜した状態で被着され、あるいはリードフレーム2上に半田3がはみ出してしまう。すなわち、半導体チップの確実な接着が困難になり、半導体装置に欠陥が生じるといった問題があった。
図4〜図6に示す吸着コレット1は、いずれも半導体チップ4の上面と接触して真空吸着する平型コレットであるが、半導体チップの上面には回路パターン面が形成されている場合があり、そこに吸着コレット1を接触させたくない場合には、つぎに示す角錐型コレットが使用される。
図7は、角錐型の吸着コレットで半導体チップを吸着した状態を示す図である。
角錐型の吸着コレット8は、下端部に複数(例えば、4つ)の傾斜面8aで囲まれた凹部9が形成され、これらの傾斜面8aによって半導体チップ4aの外周が位置決める。各傾斜面8aは、下端から上方に向かって徐々に対向する傾斜面8aの間隔が狭くなるように傾いていて、半導体チップ4aを吸着して凹部9内に保持するように、バキューム孔9aと連通している。
このような吸着コレット8でキャリブレート動作を行ったとき、塵7が吸着コレット8の傾斜面8aに付着していれば、塵7で半導体チップ4aの表面素子を損傷するおそれは無くても、半導体チップ4aは傾いた状態で吸着されてしまう。したがって、角錐型の吸着コレット8を用いた場合でも、リードフレーム2上での半導体チップ4aの確実な接着が困難であった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、コレットの先端に塵が付着しにくいキャリブレート用ターゲット治具を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、レール上蓋などのキャリブレート位置にターゲット治具を設けて、コレットの先端に塵が付着しないようにした半導体製造装置を提供することである。
本発明では、上記問題を解決するために、半導体チップをダイボンディングする平面をX−Y平面とし、前記半導体チップを保持し搬送するコレットの前記X−Y平面に直交するZ軸方向距離を補正するためのキャリブレート用ターゲット治具において、前記コレットの前記X−Y平面内に固定される治具本体と、前記治具本体の上面から突起して、前記治具本体の上面に降下する塵の大きさを越える高さに形成され、前記コレットのZ軸方向先端部と接触するターゲットマークと、を備えることを特徴とするキャリブレート用ターゲット治具が提供される。
また、本発明の半導体製造装置は、オートキャリブレート機能を備え、半導体チップをリードフレームにマウントするダイボンディング用の半導体製造装置において、前記リードフレームを加熱する加熱手段と、前記リードフレームにマウントされる半導体チップを保持し搬送するコレットと、半導体チップをダイボンディングする平面をX−Y平面とし、これと直交するZ軸方向について、前記コレットの所定位置と前記リードフレームのチップマウント面との距離を予め設定したコレット制御手段と、前記加熱手段による熱により生じる前記チップマウント面でのZ軸方向の変動距離に比例して上下変動する位置に配置された、前述のキャリブレート用ターゲット治具と、を備え、前記コレットを前記Z軸方向に移動させてターゲットマークに前記コレットのZ軸方向先端部を接触させ、前記コレット制御手段に予め設定した前記コレットの所定位置と前記リードフレームの前記チップマウント面との距離を補正することを特徴とする。
本発明によれば、キャリブレートを行う場合にコレットの先端に塵が付着しない。したがって、半導体チップが傾斜して被着され、あるいはリードフレームに半田がはみ出すなどの不具合を除去し、リードフレーム上に半導体チップを確実に接着できる。また、コレットに吸着される半導体チップの表面に傷をつけるおそれがない。
本発明の実施の形態に係るキャリブレート用ターゲット治具であって、(A)は平面図、(B)はB−B線に沿って示す側断面図である。 本発明のターゲット治具を用いたダイボンディング用の半導体製造装置を示す平面図である。 本発明の半導体製造装置におけるキャリブレート動作を説明するための断面図である。 従来の半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。 従来の半導体製造装置のレール上蓋に吸着コレットを押し当てた状態を示す断面図である。 傾斜した状態で半導体チップが吸着された従来の半導体製造装置を示す断面図である。 角錐型の吸着コレットで半導体チップを吸着した状態を示す図である。
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るキャリブレート用ターゲット治具であって、(A)は平面図、(B)はB−B線に沿って示す側断面図である。
キャリブレート用のターゲット治具10は、横10cm、縦1〜2cm程度の長方形の治具本体11の上面に「+」文字状のターゲットマーク12が突起して形成されたものであって、治具本体11の厚みは2mm程度のものである。治具本体11には、その左右方向端部近傍にそれぞれ取付穴13a,13bが形成されている。このターゲット治具10は、取付穴13a,13bにより後述する図2に示すダイボンディング用の半導体製造装置(DB装置)の上蓋に固定され、半導体チップを保持し搬送する吸着コレットのX−Y平面内に固定され、そのZ軸方向距離を補正するために使用されるものである。
ターゲット治具10のターゲットマーク12は、治具本体11の表面に突起して形成されている。ターゲットマーク12の治具本体11表面からの高さは、DB装置の上蓋等に付着する塵(後述する図3参照)の想定する最大の寸法より高く形成しておく。例えば、塵の寸法の最大値を200[μm]であると想定すると、ターゲットマーク12の治具本体11表面からの高さを500[μm]とする。
また、図1に示す例では、ターゲットマーク12を「+」文字状に形成した。このとき、ターゲットマーク12自体に曲面(R)加工が施されるとともに、ターゲットマーク12からの突起幅が、治具本体11の表面に降下した塵の大きさと比較して狭く形成されている。例えば、「+」文字状の突起部分を50〜100[μm]の幅に形成した。これらにより、ターゲットマーク12は「+」文字状の上面に塵が乗りにくい形状となる。なお、治具本体11は金属板から削り出しの方法で作成されるが、その表面のターゲットマーク12は、治具本体11を放電加工することによって形成できる。
ここでは、上述した図7に示す角錐型の吸着コレット8をターゲット治具10と接触させてキャリブレート動作を行う場合を考慮すると、ターゲットマーク12の大きさが吸着コレット8の凹部9より長く形成されていればよい。ターゲットマーク12が吸着コレット8の凹部9より短い場合には、ターゲットマーク12が吸着コレット8の下端部(Z軸方向先端部)に形成された凹部9内に入ってしまい、治具本体11の表面に降下した塵が傾斜面8aと接触してしまうからである。
そこで、この例では、ターゲットマーク12の上下および左右の長さを8000[μm]とした。こうして、ターゲット治具10の治具本体11から突起するターゲットマーク12は、キャリブレート動作に際して下降してくる吸着コレット1,8(図4〜図7参照)のZ軸方向先端部と確実に接触し、その先端に塵が付着しないように形成されている。
図2は、本発明のターゲット治具を用いたダイボンディング用の半導体製造装置を示す平面図である。
この半導体製造装置は、オートキャリブレート機能を備えたDB装置20であって、DB装置20の手前側には半導体ウェハ31が配置されている。この半導体ウェハ31は、例えば所定の載置台(図示せず)に、チップ分割された状態でウェハシート30に貼付けられて保持されている。なお半導体ウェハ31は、ウェハシート30と一体の状態でチップごとにダイシングされている。
DB装置20は、図の左から右方向に配置された入口レール21、第1のヒータブロック22、第2のヒータブロック23、および出口レール24から構成されている。このDB装置20には、各ブロック21〜24を貫通して形成されたフィードレールに沿って、5個の送り爪25a〜25eが設けられ、入口レール21から連続して供給されるリードフレーム2を搬送している。
第1のヒータブロック22は、半導体チップを接着するべきリードフレーム2が予備加熱される場所である。リードフレーム2は、ここで所定温度まで加熱されたのち、送り爪25bによって第2のヒータブロック23に供給される。
第1、第2のヒータブロック22,23は、いずれも放熱防止用のレール上蓋22a,23aによって覆われている。第2のヒータブロック23のレール上蓋23aには、2つの開口6a,6bが形成されていて、一方の開口6aからは溶融状態の半田がリードフレーム2に供給され、他方の開口6bからは半導体チップ4がリードフレーム2にマウントされる。出口レール24では、半導体チップ4がマウントされたリードフレーム2が取り出される。
ターゲット治具10は、2つの送り爪25c,25dの間の、第2のヒータブロック23のレール上蓋23aのうえに固着されている。このターゲット治具10の取付穴13aは、第2のヒータブロック23の送り爪25c側にあって、半田供給のための位置決めピン26aによりレール上蓋23a上にターゲット治具10が固定される。この位置決めピン26aは、リードフレーム2に対して溶融半田の搬入位置を決める際に使用される。また、ターゲット治具10の送り爪25d側にはもう一方の取付穴13bがあって、リードフレーム2に対して半導体チップのマウント位置を決めるための別の位置決めピン26bが取付穴13bに挿入される。
図2において、リードフレーム2とウェハシート30との間に記された矢印A1,A2は、前述した吸着コレット1のX−Y平面内での搬送経路を示しており、図示しないコレット制御手段にはリードフレーム2のチップマウント面とのZ軸方向での基準位置が教示されている。ウェハシート30から分離された半導体チップは、半導体ウェハ31から矢印A1に沿って第2のヒータブロック23の開口6bまで、吸着コレット1によって運ばれる。一方、DB装置20のフィードレールに沿ってリードフレーム2が搬送されるとき、第2のヒータブロック23では、その部材(例えば加熱ステージなど)の熱膨張によって、その上下方向(Z軸方向)位置に変動が生じている。
そこで、この変動量をダイボンディング工程に先立って予め把握し、半導体チップ4のボンディングの基準位置を補正するキャリブレートがなされない場合は、チップ破壊あるいは半田付け不良などの不都合が発生する。したがって、つぎにターゲット治具10を用いたキャリブレート機能について説明する。
図3は、本発明の半導体製造装置におけるキャリブレート動作を説明するための断面図である。
吸着コレット1は、第2のヒータブロック23の開口6bまで移動したあと、半導体チップ4とともに制御された所定の距離(L)だけ下降し、リードフレーム2の所定位置に半導体チップ4を自動的に載置する。その際、加熱ステージ5も加熱によって膨張し、これに伴って、リードフレーム2のマウント位置自体が上下方向(Z軸方向)に変動する。しかも、その温度が安定するまでに15〜20分程度の時間が必要である。
ターゲット治具10は、上述したように、第2のヒータブロック23のレール上蓋23aに固着されている。このため、第2のヒータブロック23とともにその表面位置が変動する。すなわち、第2のヒータブロック23による熱でDB装置20が膨張した場合、レール上蓋23aに固着されたターゲット治具10は、リードフレーム2の上下位置が変化する変動距離に比例して上下する。
したがって、DB装置20によって連続して半導体チップ4をダイボンディングするには、吸着コレット1をターゲット治具10のターゲットマーク12と接触させて、キャリブレート動作をする必要がある。前述した吸着コレット1に対するキャリブレート動作は、図2の矢印A2に沿って吸着コレット1を半導体ウェハ31の方向に復帰させる際に、ターゲット治具10を用いて実施される。こうしたキャリブレート動作によって、吸着コレット1が降下すべき距離(L)について、その運転開始直後から熱膨張による変動分が把握できる。
ターゲット治具10には、レール上蓋23aに降下して付着する塵の最大寸法を200[μm]であると想定して、高さが500[μm]の「+」文字状の突起部を有するターゲットマーク12が形成されている。このターゲットマーク12からリードフレーム2の上下方向でのダイボンディングの基準位置を吸着コレット1に教示すれば、吸着コレット1が半導体チップを保持する際の上述した不都合は解消できる。上述したキャリブレート動作は、DB装置20が連続動作を開始してから20分程度の間でだけ、熱膨張による上下の位置変動が大きいことを考慮すると、動作開始直後から例えば5分間隔に3〜4回程度のタイミングで実施することが好ましい。
なお、本発明のターゲット治具におけるターゲットマークは、「+」文字状のものに限らない。例えば一本線(−)、アスタリスク(*)などでもよい。塵の滞留を防ぐためには、単純な形状の方がよい。あるいは、吸着コレットの最下部(ターゲットマークに接触する部分)に点接触するように、複数の点(ドット)状の突起部からなるターゲットマークが形成されていてもよい。
1,8 吸着コレット
2 リードフレーム
3 半田
4,4a 半導体チップ
5 加熱ステージ
6,22a,23a レール上蓋
6a,6b 開口
7 塵
8a 傾斜面
9 凹部
10 ターゲット治具
11 治具本体
12 ターゲットマーク
13a,13b 取付穴
20 DB装置(ダイボンディング用の半導体製造装置)
21 入口レール
22 第1のヒータブロック
23 第2のヒータブロック
24 出口レール
25a〜25e 送り爪
26a,26b 位置決めピン
30 ウェハシート
31 半導体ウェハ

Claims (4)

  1. 半導体チップをダイボンディングする平面をX−Y平面とし、前記半導体チップを保持し搬送するコレットの前記X−Y平面に直交するZ軸方向距離を補正するためのキャリブレート用ターゲット治具において、
    前記コレットの前記X−Y平面内に固定される治具本体と、
    前記治具本体の上面から突起して、前記治具本体の上面に降下する塵の大きさを越える高さに形成され、前記コレットのZ軸方向先端部と接触するターゲットマークと、
    を備えることを特徴とするキャリブレート用ターゲット治具。
  2. 前記ターゲットマークは、前記治具本体の上面で前記コレットの底面先端部に接触するように形成されていることを特徴とする請求項1記載のキャリブレート用ターゲット治具。
  3. 前記ターゲットマークは、前記治具本体の上面で前記コレットの底面先端部に複数個所で点接触するように形成されていることを特徴とする請求項1記載のキャリブレート用ターゲット治具。
  4. オートキャリブレート機能を備え、半導体チップをリードフレームにマウントするダイボンディング用の半導体製造装置において、
    前記リードフレームを加熱する加熱手段と、
    前記リードフレームにマウントされる半導体チップを保持し搬送するコレットと、
    半導体チップをダイボンディングする平面をX−Y平面とし、これと直交するZ軸方向について、前記コレットの所定位置と前記リードフレームのチップマウント面との距離を予め設定したコレット制御手段と、
    前記加熱手段による熱により生じる前記チップマウント面でのZ軸方向の変動距離に比例して上下変動する位置に配置された、前記請求項1〜のいずれかに記載のキャリブレート用ターゲット治具と、
    を備え、
    前記コレットを前記Z軸方向に移動させてターゲットマークに前記コレットのZ軸方向先端部を接触させ、前記コレット制御手段に予め設定した前記コレットの所定位置と前記リードフレームの前記チップマウント面との距離を補正することを特徴とする半導体製造装置。
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