WO2021256433A1 - 半導体装置の製造装置および製造方法 - Google Patents

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WO2021256433A1
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chip
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bump
semiconductor device
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大輔 谷
孝寛 清水
雅文 宮本
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株式会社新川
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Definitions

  • This specification discloses a manufacturing apparatus and a manufacturing method for manufacturing a semiconductor device by bonding a chip held by a mounting tool to a substrate.
  • a flip chip bonder has been known as a technology for mounting a chip on a board.
  • a protruding electrode called a bump is formed on the bottom surface of the chip. Then, the mounting tool presses the chip against the substrate, heats the chip to melt the bumps, and joins the bumps of the chip to the electrodes of the substrate.
  • some techniques for detecting the melting timing of bumps have been proposed.
  • thermocompression bonding tool if the load detection value by the load detecting means provided in the thermocompression bonding tool (corresponding to the mounting tool) decreases to a predetermined value or less, it is determined that the bump has melted, and the thermocompression bonding tool is used.
  • the technology to raise is disclosed. According to such a technique, as soon as the melting of the bump can be detected, the next operation, that is, the rise of the thermocompression bonding tool can be performed.
  • the time for thermocompression bonding can be shortened and the productivity can be improved as compared with the technique in which the time until melting is estimated in advance and the heating is continued until the estimated time elapses.
  • the position of the mounting tool is kept constant when the chip is heated and pressurized.
  • the mounting tool extends axially due to thermal expansion until the bumps melt.
  • the load applied to the chip gradually increases due to the elongation of the mounting tool.
  • the bumps may be crushed more than necessary.
  • the gap between the chip and the board cannot be kept at an appropriate value.
  • this specification discloses a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a semiconductor device capable of appropriately maintaining the quality of the bump while detecting the melting timing of the bump.
  • the semiconductor device manufacturing apparatus disclosed herein includes a stage that supports a substrate, a mounting tool that heatably holds a chip having bumps on the bottom surface, and a mounting tool that is moved in the vertical direction to load the chip.
  • the chip is heated by the mounting tool, and the command position in the vertical direction of the pressurizing mechanism is updated as needed so that the position deviation, which is the difference between the commanded position of the pressurizing mechanism and the current position, becomes constant.
  • the process and the detection process of monitoring the pressing load of the chip by the pressurizing mechanism and detecting the melting of the bump based on the decrease of the pressing load are performed. It is characterized by being configured.
  • the controller has the pressurizing mechanism so that the gap amount, which is the gap amount between the bottom surface of the chip and the substrate, keeps the target value after the time when the melting of the bump is detected in the detection process. Further, the second process of updating the command position at any time may be performed.
  • the pressurizing mechanism has a drive motor that moves the mounting tool in the vertical direction, and the controller monitors the current value of the drive motor as a parameter indicating the pressing load in the detection process. You may.
  • the controller may calculate a value obtained by subtracting the target value of the position deviation from the current position of the mounting tool as the command position of the pressurizing mechanism.
  • the method of manufacturing a semiconductor device disclosed herein is the mounting of a chip held by a mounting tool after the chip is grounded to a substrate supported by a stage until the bumps provided on the bottom surface of the chip are melted.
  • the vertical command of the pressurizing mechanism so that the position deviation, which is the difference between the command position and the current position of the pressurizing mechanism that heats the chip with the tool and moves the mounting tool in the vertical direction, is constant.
  • a detection that monitors the pressing load of the chip by the pressurizing mechanism in parallel with the first step of updating the position at any time and detects the melting of the bump based on the decrease of the pressing load. It is characterized by having a step and.
  • the command position of the pressurizing mechanism is such that the gap amount, which is the gap amount between the bottom surface of the chip and the substrate, keeps the target value. May be provided with a second step of updating from time to time.
  • the quality of the bump can be appropriately maintained while detecting the melting timing of the bump.
  • FIG. 1 is an image diagram showing a configuration of a semiconductor device manufacturing apparatus 10.
  • the manufacturing apparatus 10 is an apparatus for manufacturing a semiconductor device by mounting a semiconductor chip 100, which is an electronic component, on a substrate 110 in a face-down state.
  • the manufacturing apparatus 10 has a bonding head 14 having a mounting tool 20, a chip supply means (not shown) for supplying the semiconductor chip 100 to the mounting tool 20, a stage 12 for supporting the substrate 110, and a stage 12 in the XY direction (horizontal direction). ), An XY stage 18 to be moved to), a controller 16 to control the drive thereof, and the like.
  • the substrate 110 is sucked and held by the stage 12, and is heated by a stage heater (not shown) provided on the stage 12. Further, the semiconductor chip 100 is supplied to the mounting tool 20 by the chip supply means.
  • the chip supply means can be considered. For example, a configuration in which a semiconductor chip is picked up by a relay arm from a wafer mounted on a wafer stage and transferred to the relay stage can be considered. In this case, the XY stage 18 transfers the relay stage directly under the mounting tool 20, and the mounting tool 20 picks up the semiconductor chip from the relay stage located directly below.
  • the substrate 110 is subsequently transferred directly under the mounting tool 20 by the XY stage 18. In this state, the mounting tool 20 descends toward the substrate 110, and the semiconductor chip 100 sucked and held at the end is crimped onto the substrate 110 for mounting.
  • the mounting tool 20 sucks and holds the semiconductor chip 100 and heats the semiconductor chip 100. Therefore, the mounting tool 20 is provided with a suction hole communicating with the vacuum source, a tool heater for heating the semiconductor chip 100 (neither of them is shown), and the like. In addition to the mounting tool 20, the bonding head 14 is further provided with a pressurizing mechanism 22 and an elevating mechanism 24.
  • the pressurizing mechanism 22 presses the semiconductor chip 100 against the substrate 110 by moving the mounting tool 20 in the Z-axis direction (that is, in the vertical direction), and applies a pressing load to the semiconductor chip 100.
  • the pressurizing mechanism 22 includes a drive motor 30, a slide shaft 32, a leaf spring 34, and a guide member 36.
  • the drive motor 30 is a drive source of the pressurizing mechanism 22, for example, a voice coil motor.
  • the drive motor 30 has a stator 30a fixed to the moving body 46 and a mover 30b movable in the Z-axis direction with respect to the stator 30a.
  • the mover 30b is mechanically connected to the mounting tool 20 via the slide shaft 32.
  • the slide shaft 32 is attached to the moving body 46 via a leaf spring 34 that can bend in the Z-axis direction. Further, the guide member 36 is fixed to the moving body 46. The slide shaft 32 is inserted through a through hole formed in the guide member 36, and is slidable along the through hole.
  • the mover 30b moves in the Z-axis direction with respect to the moving body 46.
  • the mounting tool 20 fixed to the slide shaft 32 and the slide shaft 32 moves in the Z-axis direction together with the mover 30b while elastically deforming the leaf spring 34.
  • the amount of displacement of the slide shaft 32 with respect to the stator 30a is detected by a position sensor such as a linear scale 50 fixed to the guide member 36 and sent to the controller 16.
  • the elevating mechanism 24 elevates the mounting tool 20 and the pressurizing mechanism 22 with respect to the base member 38 in the Z-axis direction.
  • the elevating mechanism 24 has an elevating motor 40 as a drive source.
  • a lead screw 42 extending in the axial direction is connected to the elevating motor 40 via a coupling, and the reed screw 42 rotates as the elevating motor 40 is driven.
  • a moving block 44 is screwed into the lead screw 42, and the moving block 44 is fixed to the upper surface of the stator 30a of the drive motor 30.
  • a moving body 46 is fixed to the side surface of the stator 30a. The moving body 46 is slidable along a guide rail 48 fixed to the base.
  • the lead screw 42 rotates on its axis, and the moving block 44 moves up and down in the Z-axis direction accordingly. Then, as the moving block 44 moves up and down, the pressurizing mechanism 22 and the mounting tool 20 fixed to the moving block 44 also move up and down.
  • the amount of elevation of the pressurizing mechanism 22 by the elevating mechanism 24 is also detected by a sensor (for example, an encoder attached to the elevating motor 40) and sent to the controller 16.
  • the controller 16 controls the drive of the mounting tool 20, the pressurizing mechanism 22, the elevating mechanism 24, the stage 12, and the XY stage 18.
  • the controller 16 is physically a computer having a processor 16a and a memory 16b.
  • This "computer” also includes a microcontroller that incorporates a computer system into an integrated circuit.
  • the processor 16a refers to a processor in a broad sense, and is a general-purpose processor (for example, CPU: Central Processing Unit, etc.) or a dedicated processor (for example, GPU: Graphics Processing Unit, ASIC: Application Special Integrated Circuit, FP). Field Processor Gate Array, programmable logic device, etc.) are included.
  • the operation of the processor 16a described below may be performed not only by one processor but also by a plurality of processors existing at physically separated positions in cooperation with each other.
  • the memory 16b does not have to be a physically single element, and may be composed of a plurality of memories that are physically separated from each other.
  • the memory 16b may include at least one of a semiconductor memory (for example, RAM, ROM, solid state drive, etc.) and a magnetic disk (for example, a hard disk drive, etc.).
  • the controller 16 When driving the drive motor 30, the controller 16 first acquires the detection value of the linear scale 50 as the detection position Pd in the Z-axis direction of the mounting tool 20, and obtains the differential value of the detection value of the linear scale 50 as the speed detection value. Get as. Then, the controller 16 calculates the speed command value based on the position deviation which is the deviation between the detection position and the command position in the Z-axis direction of the mounting tool 20, and based on the deviation between the speed command value and the speed detection value. A torque command value is calculated, and a current corresponding to the torque command value is applied to the drive motor 30.
  • the drive motor 30 is a voice coil motor and outputs a torque proportional to the applied current. Therefore, the current value applied to the drive motor 30 is substantially proportional to the pressing load applied to the semiconductor chip 100. Therefore, in this example, the controller 16 acquires the current value of the drive motor 30 as a parameter indicating the pressing load. Further, the controller 16 sequentially updates the command position used for controlling the drive motor 30 according to the flow of the mounting process, which will be described later.
  • FIG. 2 is an image diagram showing how the semiconductor chip 100 is mounted.
  • a plurality of electrodes 112 are formed on the upper surface of the substrate 110.
  • the semiconductor chip 100 protrudes from the bottom surface of the chip main body 102 and has a plurality of bumps 104 made of a conductive metal such as solder.
  • the semiconductor chip 100 is heated in a state where the bump 104 is in contact with the electrode 112 of the substrate 110 to melt the bump 104. Then, by melting the bump 104, the bump 104 and the electrode 112 are coupled.
  • a thermosetting resin layer for example, a layer of a non-conductive film, or the like may be further provided on the bottom surface of the chip main body 102.
  • the semiconductor chip 100 is continuously pressed even after the bump 104 is melted, the melted bump may be deformed and crushed.
  • the bump 104 that is crushed and spreads laterally may cause a short circuit defect with another adjacent bump 104.
  • the mounting tool 20 continuously applies a load to the semiconductor chip 100, and the timing at which the mounting tool 20 is subducted above a certain level is detected as the melting timing of the bump 104, and thereafter, the load is applied to the semiconductor chip 100.
  • a technique for reducing the load to be applied has been proposed.
  • the technique for detecting the subduction of the mounting tool 20 it was not possible to accurately determine whether the subduction was caused by the melting of the bump 104 or the destruction of the bump 104 before melting. ..
  • the mounting tool 20 since the mounting tool 20 temporarily sinks significantly, the molten bump 104 may be crushed and spread laterally.
  • Patent Document 1 it is determined that the bump 104 has melted if the load detection value by the load detection means provided on the mounting tool 20 decreases below a predetermined position instead of the sinking amount of the mounting tool 20. .. According to such a technique, the sinking of the mounting tool 20 can be suppressed to some extent.
  • the mounting tool 20 is not raised or lowered in order to keep the Z-axis direction position of the mounting tool 20 constant from the start of heating until the bump 104 is melted, and the mounting is accompanied by heating. No consideration was given to the thermal expansion of the tool 20.
  • the built-in tool heater of the mounting tool 20 raises the temperature in order to heat the semiconductor chip 100.
  • the mounting tool 20 thermally expands in the long axis direction as shown by the two-dot chain line in FIG. Therefore, even if the mounting tool 20 is stopped without being raised or lowered, the end surface of the mounting tool 20 is displaced downward due to thermal expansion, and the pressing load increases.
  • the pressing load increases, and there is a possibility that the bump 104 before melting may be destroyed or the molten bump 104 may be excessively crushed.
  • the pressing load applied to the semiconductor chip 100 is monitored, and the timing at which the pressing load suddenly decreases is detected as the melting timing of the bump 104. Further, in order to prevent the bump 104 from being destroyed before melting, even if the mounting tool 20 thermally expands until the bump 104 is melted, a position deviation which is a deviation between the current position of the mounting tool 20 and the command position. The command position is sequentially updated so that Hereinafter, the flow of mounting the semiconductor chip 100 will be described with reference to FIGS. 3 to 5.
  • FIG. 3 is a graph showing changes over time of various parameters when the semiconductor chip 100 is mounted.
  • the upper row shows the detected value of the linear scale 50
  • the middle row shows the current value of the drive motor 30, and the lower row shows the drive state of the tool heater.
  • 4 and 5 are flowcharts showing the flow of a method for manufacturing a semiconductor device.
  • the stage 12 aligns horizontally with respect to the mounting tool 20 so that the bump 104 of the semiconductor chip 100 is located directly above the electrode 112 of the substrate 110. ..
  • the flowchart of FIG. 4 starts from this state. After that, the controller 16 drives the elevating motor 40 and lowers the mounting tool 20 together with the pressurizing mechanism 22 at high speed (S10). If the semiconductor chip 100 is close to the substrate 110 (Yes in S12) until a slight gap remains between the semiconductor chip 100 and the substrate 110, the controller 16 stops driving the elevating motor 40.
  • the time t1 in FIG. 3 indicates the timing when the semiconductor chip 100 is close to the substrate 110.
  • the controller 16 drives the drive motor 30 and lowers the mounting tool 20 at a low speed until the bump 104 touches the electrode 112 (S14). Specifically, the controller 16 gradually updates the command position P * input to the drive motor 30 so that the mounting tool 20 gradually approaches the substrate 110 until grounding is detected.
  • the grounding timing of the bump 104 may be determined based on the detection position or the current value of the drive motor 30. That is, when the bump 104 touches the electrode 112, the detection position Pd does not change even if the command position P * is updated. Therefore, the timing presented by the change in the detection position Pd may be determined as the ground contact timing.
  • the semiconductor chip 100 and the mounting tool 20 receive a reaction force from the substrate 110. Since the drive motor 30 tries to output the torque corresponding to this reaction force, the current value of the drive motor 30 rapidly increases. The timing of this rapid increase in current value may be determined as the grounding timing. In FIG. 3, grounding is detected at time t2.
  • Pd is the detection position of the mounting tool 20.
  • ⁇ a is the amount of thermal expansion of the mounting tool 20 generated per sampling.
  • the coefficient of thermal expansion ⁇ a per sampling is obtained in advance by an experiment or the like. Further, the thermal expansion amount ⁇ a per sampling may be a fixed value, or may be a variable value that changes with the passage of time or a temperature change of the tool heater.
  • Pd + ⁇ a is the current position of the mounting tool 20.
  • ⁇ P * is a target value of the position deviation ⁇ P, and is a fixed value having a constant value.
  • the broken line in FIG. 3 indicates the command position P * used during the first processing.
  • the position deviation ⁇ P is always kept constant even if the mounting tool 20 or the semiconductor chip 100 is thermally expanded. be able to. Then, by keeping the position deviation ⁇ P constant, the output torque from the drive motor 30, and by extension, the pressing load of the semiconductor chip 100 can be kept substantially constant. As a result, it is possible to effectively prevent the bump 104 before melting from being destroyed and crushed.
  • the controller 16 In parallel with the first process, the controller 16 also monitors the pressing load applied to the semiconductor chip 100 (S22). Since the pressing load is substantially proportional to the current value Id of the drive motor 30, the controller 16 monitors the current value Id of the drive motor 30 as a parameter indicating the pressing load.
  • the controller 16 determines that the bump 104 has been melted if the current value Id drops sharply.
  • the bump 104 is melted and the reaction force from the semiconductor chip 100 is reduced.
  • the mounting tool 20 may be displaced downward by the target value ⁇ P * of the position deviation from the current position (Pd + ⁇ a) so as to reach the command position P *.
  • the target value ⁇ P * of the position deviation is set to a sufficiently small value so that the bump 104 is not largely crushed in the displacement at the time of melting the bump 104.
  • Pg is the position of the mounting tool 20 when the mounting tool 20 is grounded on the semiconductor chip 100 in a normal temperature state and the gap amount G is a desired value.
  • this Pg is referred to as a "standard position”.
  • This standard position Pg is a fixed value calculated in advance from the value of the gap amount G, the dimensional value of the semiconductor chip 100, and the like.
  • ⁇ g is the amount of thermal expansion of the mounting tool 20 and the semiconductor chip 100. This ⁇ g is a variable value that fluctuates depending on the time and the temperature of the heater.
  • the controller 16 turns off the tool heater at an appropriate timing (S26). After that, if a sufficient cooling time has elapsed to cure the bump 104 (Yes in S28), the controller 16 releases the suction of the semiconductor chip 100 and then drives the pressurizing mechanism 22 and the elevating mechanism 24. Raise the mounting tool 20 (S30).
  • the timing at which the current value of the drive motor 30, and by extension, the pressing load suddenly drops, is detected as the melting timing of the bump 104.
  • the melting timing of the bump 104 can be accurately detected without crushing the melted bump 104.
  • the pressing load can be kept constant even if thermal expansion occurs. As a result, an excessive load is applied to the bump 104 before melting, and the bump 104 can be effectively prevented from being destroyed.
  • the configuration described so far is an example, and the first command position P * in the vertical direction of the pressurizing mechanism 22 is updated as needed so that the position deviation ⁇ P becomes constant after touchdown until the bump 104 melts.
  • Other configurations may be appropriately changed as long as the processing and the detection processing for detecting the timing at which the pressing load is suddenly reduced as the melting timing of the bump 104 are performed.
  • the current value of the drive motor 30 has been monitored as a parameter indicating the pressing load, but a load sensor may be provided in the pressurizing mechanism 22 to monitor the detected value of the load sensor. ..
  • the value obtained by adding the thermal expansion amount ⁇ a per sampling to the detection position Pd of the mounting tool 20 is treated as the mounting tool 20 and the current position, but the thermal expansion is taken into consideration.
  • another value may be used as the current position.
  • a profile of the displacement of the mounting tool 20 due to thermal expansion may be acquired in advance by an experiment or the like, and the current position of the mounting tool 20 may be obtained from this profile.
  • the drive motor 30 is used as the drive source of the pressurizing mechanism 22, but other drive sources such as a battery cylinder and a hydraulic cylinder may be used.

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Abstract

半導体装置の製造装置（１０）は、ステージ（１２）と、実装ツール（２０）と、前記実装ツール（２０）を鉛直方向に移動させてチップ（１００）に荷重を付与する加圧機構（２２）と、コントローラ（１６）と、を備え、前記コントローラ（１６）は、前記チップ（１００）が着地した後、バンプ（１０４）が溶融するまで、前記実装ツール（２０）で前記チップ（１００）を加熱するとともに、位置偏差ΔＰ＊が一定となるように、前記加圧機構（２２）の指令位置Ｐ＊を随時更新する第一処理と、押圧荷重の減少に基づいて、前記バンプの溶融を検出する検出処理と、を行うように構成されている。

Description

半導体装置の製造装置および製造方法
　本明細書では、実装ツールで保持したチップを基板にボンディングすることで、半導体装置を製造する製造装置および製造方法を開示する。
　従来から、基板にチップを実装する技術として、フリップチップボンダが知られている。フリップチップボンダでは、チップの底面にバンプと呼ばれる突起電極が形成されている。そして、実装ツールにより、このチップを基板に押圧するとともに、チップを加熱してバンプを溶融させ、基板の電極にチップのバンプを接合する。近年、こうしたボンディング処理において、バンプの溶融タイミングを検出するための技術がいくつか提案されている。
　例えば、特許文献１には、熱圧着ツール（実装ツールに対応）に設けられた荷重検出手段による荷重検出値が所定値以下に減少したならば、バンプが溶融したと判断し、熱圧着ツールを上昇させる技術が開示されている。かかる技術によれば、バンプの溶融が検知できれば、すぐに、次の動作、すなわち、熱圧着ツールの上昇に遷移できる。その結果、溶融までの時間を予め想定し、その想定時間が経過するまで加熱を続ける技術に比べて、熱圧着の時間を短縮でき、生産性を向上できる。
特開平１１－１４５１９７号公報
　しかしながら、特許文献１の技術では、チップを加熱加圧する際、実装ツールの位置を一定に保持している。しかし、実装ツールは、バンプが溶融するまでの間に熱膨張により軸方向に延びる。実装ツールの位置を一定に保持した場合、この実装ツールの伸びにより、チップに付与される荷重が徐々に増加する。そして、これにより、バンプが、必要以上に押し潰される恐れがあった。バンプが押し潰されると、チップと基板との間隙であるギャップを適切な値に保てない。また、バンプが押し潰され、面方向に広がると、隣接するバンプとの間でショート不良を発生させるおそれもあった。
　つまり、従来の技術では、バンプの品質を適切に保つことができなかった。そこで、本明細書では、バンプの溶融タイミングを検知しつつバンプの品質を適切に保つことができる半導体装置の製造装置および製造方法を開示する。
　本明細書で開示する半導体装置の製造装置は、基板を支持するステージと、底面にバンプを有するチップを加熱可能に保持する実装ツールと、前記実装ツールを鉛直方向に移動させて前記チップに荷重を付与する加圧機構と、前記実装ツールおよび前記加圧機構の駆動を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記チップを前記基板に着地させた後、前記バンプが溶融するまで、前記実装ツールで前記チップを加熱するとともに、前記加圧機構の指令位置と現在位置との差である位置偏差が一定となるように、前記加圧機構の鉛直方向の指令位置を随時更新する第一処理と、前記第一処理と並行して、前記加圧機構による前記チップの押圧荷重を監視し、前記押圧荷重の減少に基づいて、前記バンプの溶融を検出する検出処理と、を行うように構成されている、ことを特徴とする。
　この場合、前記コントローラは、前記検出処理において前記バンプの溶融を検出した時点から後に、前記チップの底面と前記基板との間隙量であるギャップ量が目標値を保つように、前記加圧機構の指令位置を随時更新する第二処理をさらに行ってもよい。
　この場合、前記加圧機構は、前記実装ツールを鉛直方向に移動させる駆動モータを有しており、前記コントローラは、前記検出処理において前記駆動モータの電流値を、前記押圧荷重を示すパラメータとして監視してもよい。
　また、前記コントローラは、前記第一処理において、前記実装ツールの現在位置から、位置偏差の目標値を減算した値を、前記加圧機構の指令位置として算出してもよい。
　本明細書で開示される半導体装置の製造方法は、実装ツールで保持されたチップをステージで支持された基板に接地させた後、前記チップの底面に設けられたバンプが溶融するまで、前記実装ツールで前記チップを加熱するとともに、前記実装ツールを鉛直方向に移動させる加圧機構の指令位置と現在位置との差である位置偏差が一定となるように、前記加圧機構の鉛直方向の指令位置を随時更新する第一ステップと、前記第一ステップと並行して、前記加圧機構による前記チップの押圧荷重を監視し、前記押圧荷重の減少に基づいて、前記バンプの溶融を検出する検出ステップと、を備えることを特徴とする。
　この場合、さらに、前記検出ステップにおいて前記バンプの溶融を検出した時点から後に、前記チップの底面と前記基板との間隙量であるギャップ量が目標値を保つように、前記加圧機構の指令位置を随時更新する第二ステップを、備えてもよい。
　本明細書で開示される技術によれば、バンプの溶融タイミングを検知しつつバンプの品質を適切に保つことができる。
半導体装置の製造装置の構成を示すイメージ図である。 半導体チップの実装の様子を示すイメージ図である。 半導体チップの実装時における各種パラメータの経時変化を示すグラフである。 半導体装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。 半導体装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。
　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の構成を示すイメージ図である。製造装置１０は、電子部品である半導体チップ１００をフェースダウンの状態で基板１１０上に実装することで半導体装置を製造する装置である。製造装置１０は、実装ツール２０を有したボンディングヘッド１４、半導体チップ１００を実装ツール２０に供給するチップ供給手段（図示せず）、基板１１０を支持するステージ１２、ステージ１２をＸＹ方向（水平方向）に移動させるＸＹステージ１８、および、これらの駆動を制御するコントローラ１６等を備えている。
　基板１１０は、ステージ１２に吸引保持されており、ステージ１２に設けられたステージヒータ（図示せず）により加熱される。また、半導体チップ１００は、チップ供給手段により、実装ツール２０に供給される。チップ供給手段の構成としては、種々考えられるが、例えば、ウェーハステージに載置されたウェーハから、半導体チップを中継アームでピックアップして、中継ステージに移送するような構成が考えられる。この場合、ＸＹステージ１８は、中継ステージを実装ツール２０の真下に移送し、実装ツール２０は、真下に位置する中継ステージから半導体チップをピックアップする。
　実装ツール２０で半導体チップがピックアップされれば、続いて、ＸＹステージ１８により、基板１１０が実装ツール２０の真下に移送される。この状態になれば、実装ツール２０は、基板１１０に向かって下降し、末端に吸引保持した半導体チップ１００を基板１１０に圧着し、実装する。
　実装ツール２０は、半導体チップ１００を吸引保持するとともに、この半導体チップ１００を加熱する。そのため、実装ツール２０には、真空源に連通された吸引孔や、半導体チップ１００を加熱するためのツールヒータ（いずれも図示せず）等が設けられている。ボンディングヘッド１４には、こうした実装ツール２０に加え、さらに、加圧機構２２および昇降機構２４が設けられている。
　加圧機構２２は、実装ツール２０をZ軸方向（すなわち鉛直方向）に移動させることで、半導体チップ１００を基板１１０に押し付け、当該半導体チップ１００に押圧荷重を付加する。加圧機構２２は、駆動モータ３０と、スライド軸３２と、板バネ３４と、ガイド部材３６と、を有している。駆動モータ３０は、加圧機構２２の駆動源であり、例えば、ボイスコイルモータである。この駆動モータ３０は、移動体４６に固着された固定子３０ａと、当該固定子３０ａに対してＺ軸方向に可動の可動子３０ｂと、を有している。可動子３０ｂは、スライド軸３２を介して実装ツール２０に機械的に連結されている。また、スライド軸３２は、Ｚ軸方向に撓むことが可能な板バネ３４を介して移動体４６に取り付けられている。さらに、移動体４６には、ガイド部材３６が固着されている。スライド軸３２は、このガイド部材３６に形成された貫通孔に挿通されており、貫通孔に沿って、スライド可能となっている。
　駆動モータ３０に電流を印加すると、可動子３０ｂは、移動体４６に対してＺ軸方向に移動する。このとき、スライド軸３２およびスライド軸３２に固着された実装ツール２０は、板バネ３４を弾性変形させながら、可動子３０ｂとともにＺ軸方向に移動する。このスライド軸３２の固定子３０ａに対する変位量は、ガイド部材３６に固着されたリニアスケール５０等の位置センサにより検知され、コントローラ１６に送られる。
　昇降機構２４は、実装ツール２０および加圧機構２２をベース部材３８に対してＺ軸方向に昇降させる。かかる昇降機構２４は、駆動源として昇降モータ４０を有している。この昇降モータ４０には、軸方向に延びるリードスクリュー４２が、カップリングを介して連結されており、昇降モータ４０の駆動に伴い、リードスクリュー４２が、自転する。リードスクリュー４２には、移動ブロック４４が螺合されており、この移動ブロック４４は、駆動モータ３０の固定子３０ａの上面に固着されている。また、固定子３０ａの側面には、移動体４６が固着されている。この移動体４６は、ベースに固着されたガイドレール４８に沿ってスライド可能となっている。昇降モータ４０に電流を印加すると、リードスクリュー４２が自転し、これに伴い、移動ブロック４４が、Ｚ軸方向に昇降する。そして、移動ブロック４４が昇降することで、当該移動ブロック４４に固着された加圧機構２２および実装ツール２０も昇降する。昇降機構２４による加圧機構２２の昇降量も、センサ（例えば昇降モータ４０に取り付けられたエンコーダ等）で検知され、コントローラ１６に送られる。
　コントローラ１６は、実装ツール２０、加圧機構２２、昇降機構２４、ステージ１２、およびＸＹステージ１８の駆動を制御する。このコントローラ１６は、物理的には、プロセッサ１６ａおよびメモリ１６ｂを有したコンピュータである。この「コンピュータ」には、コンピュータシステムを一つの集積回路に組み込んだマイクロコントローラも含まれる。また、プロセッサ１６ａとは、広義的なプロセッサを指し、汎用的なプロセッサ（例えばＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、等）や、専用のプロセッサ（例えばＧＰＵ：Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ、ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ、プログラマブル論理デバイス、等）を含むものである。また、以下に述べるプロセッサ１６ａの動作は、１つのプロセッサによって成すのみでなく、物理的に離れた位置に存在する複数のプロセッサが協働して成すものであってもよい。同様に、メモリ１６ｂも、物理的に一つの要素である必要はなく、物理的に離れた位置に存在する複数のメモリで構成されてもよい。また、メモリ１６ｂは、半導体メモリ（例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、ソリッドステートドライブ等）および磁気ディスク（例えば、ハードディスクドライブ等）の少なくとも一つを含んでもよい。
　ここで、コントローラ１６による駆動モータ３０の駆動制御について簡単に説明する。駆動モータ３０を駆動する際、コントローラ１６は、まず、リニアスケール５０の検出値を、実装ツール２０のＺ軸方向の検出位置Ｐｄとして取得し、リニアスケール５０の検出値の微分値を速度検出値として取得する。そして、コントローラ１６は、実装ツール２０のＺ軸方向の検出位置と指令位置との偏差である位置偏差に基づいて速度指令値を算出し、この速度指令値と速度検出値との偏差に基づいてトルク指令値を算出し、トルク指令値に応じた電流を駆動モータ３０に印加する。ここで、本例において、駆動モータ３０は、ボイスコイルモータであり、印加された電流に比例したトルクを出力する。したがって、駆動モータ３０に印加された電流値は、半導体チップ１００に付加される押圧荷重にほぼ比例する。そこで、本例において、コントローラ１６は、この駆動モータ３０の電流値を、押圧荷重を示すパラメータとして取得する。また、コントローラ１６は、実装処理の流れに応じて、駆動モータ３０の制御に利用する指令位置を順次、更新するが、これについては後述する。
　次に、こうした製造装置１０による半導体チップ１００の実装方法について説明する。図２は、半導体チップ１００の実装の様子を示すイメージ図である。図２に示すように、基板１１０の上面には、複数の電極１１２が形成されている。また、半導体チップ１００は、チップ本体１０２の底面から突出し、半田等の導電金属からなるバンプ１０４を複数有している。半導体チップ１００を実装する際には、このバンプ１０４を基板１１０の電極１１２に接触させた状態で、半導体チップ１００を加熱し、バンプ１０４を溶融させる。そして、バンプ１０４が溶融されることで、バンプ１０４と電極１１２が結合される。なお、図２では図示していないが、チップ本体１０２の底面には、さらに、熱硬化性樹脂層、例えば、非導電性フィルムの層等が設けられていてもよい。
　ここで、この実装の際、バンプ１０４が溶融した後も、半導体チップ１００の押圧を続けると、溶融したバンプが変形し、潰れてしまうことがあった。この場合、潰れて横に広がったバンプ１０４が、隣接する他のバンプ１０４との間でショート不良を招くおそれがあった。
　そこで、従来から、実装ツール２０で半導体チップ１００に荷重を付加し続け、実装ツール２０に一定以上の沈み込みが発生したタイミングをバンプ１０４の溶融タイミングとして検出し、以降は、半導体チップ１００に付加する荷重を軽減する技術が提案されている。しかしながら、こうした実装ツール２０の沈み込みを検出する技術の場合、当該沈み込みが、バンプ１０４の溶融に起因するものか、溶融前のバンプ１０４の破壊に起因するものかを正確に判別できなかった。また、この従来の技術では、実装ツール２０が一時的に大きく沈み込むため、溶融したバンプ１０４が潰れて横に広がるおそれがあった。
　そこで、特許文献１では、実装ツール２０の沈み込み量ではなく、実装ツール２０に設けられた荷重検出手段による荷重検出値が所定位置以下に減少すれば、バンプ１０４が溶融したと判断している。かかる技術によれば、実装ツール２０の沈み込みを、ある程度抑えることができる。しかしながら、特許文献１では、加熱を開始してからバンプ１０４が溶融するまでの間、実装ツール２０のＺ軸方向位置を一定に保つために実装ツール２０を昇降させておらず、加熱に伴う実装ツール２０の熱膨張について考慮されていなかった。
　すなわち、半導体チップ１００を実装する際、実装ツール２０は、半導体チップ１００を加熱するために、内蔵されたツールヒータが昇温する。この加熱に伴い、実装ツール２０は、図２の二点鎖線で示すように、その長軸方向に熱膨張する。そのため、実装ツール２０を昇降させることなく静止させたとしても、実装ツール２０の末端面は、熱膨張により下方に変位し、押圧荷重が増加していく。その結果、特許文献１では、熱膨張が進行するにつれて、押圧荷重が増加し、溶融前のバンプ１０４が破壊されたり、溶融したバンプ１０４が過剰に潰されたりするおそれがあった。また、また、特許文献１の技術では、熱膨張の影響を考慮していないため、チップ本体１０２の底面と基板１１０の上面との間隔であるギャップ量Ｇを、所望の値にできないおそれがあった。
　本明細書では、バンプ１０４の溶融を適切に検出するために、半導体チップ１００に付加される押圧荷重を監視し、押圧荷重が急減したタイミングを、バンプ１０４の溶融タイミングとして検出する。また、溶融前のバンプ１０４の破壊を防止するために、バンプ１０４が溶融するまでの間、実装ツール２０が熱膨張しても、実装ツール２０の現在位置と指令位置との偏差である位置偏差が一定となるように、指令位置を順次更新する。以下、半導体チップ１００の実装の流れについて図３～図５を参照して説明する。
　図３は、半導体チップ１００の実装時における各種パラメータの経時変化を示すグラフで、上段はリニアスケール５０の検出値を、中段は、駆動モータ３０の電流値を、下段は、ツールヒータの駆動状態を、それぞれ示している。また、図４、図５は、半導体装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。
　半導体チップ１００を基板１１０に実装する際には、半導体チップ１００のバンプ１０４が、基板１１０の電極１１２の真上に位置するように、ステージ１２が実装ツール２０に対して水平方向に位置合わせする。図４のフローチャートは、この状態からスタートしている。その後、コントローラ１６は、昇降モータ４０を駆動し、加圧機構２２とともに実装ツール２０を高速で下降させる（Ｓ１０）。半導体チップ１００と基板１１０との間に若干の間隙が残る状態まで、半導体チップ１００が基板１１０に近接すれば（Ｓ１２でＹｅｓ）、コントローラ１６は昇降モータ４０の駆動を停止する。図３における時刻ｔ１は、この半導体チップ１００が基板１１０に近接したタイミングを示している。
　半導体チップ１００が基板１１０に近接すれば、コントローラ１６は、駆動モータ３０を駆動し、バンプ１０４が電極１１２に接地するまで、実装ツール２０を低速で下降させる（Ｓ１４）。具体的には、コントローラ１６は、接地が検出されるまで、実装ツール２０が、徐々に基板１１０に近づくように、駆動モータ３０に入力する指令位置Ｐ＊を徐々に更新する。バンプ１０４の接地タイミングは、検出位置に基づいて判断してもよいし、駆動モータ３０の電流値に基づいて判断してもよい。すなわち、バンプ１０４が電極１１２に接地すると、指令位置Ｐ＊を更新しても検出位置Ｐｄは、変化しなくなる。そこで、検出位置Ｐｄの変化が提示したタイミングを、接地タイミングと判断してもよい。また、バンプ１０４が電極１１２に接すると、半導体チップ１００および実装ツール２０は、基板１１０から反力を受ける。駆動モータ３０は、この反力に応じたトルクを出力しようとするため、駆動モータ３０の電流値が急増する。この電流値の急増タイミングを接地タイミングと判断してもよい。図３では、時刻ｔ２において、接地が検出されている。
　バンプ１０４の接地が検出されれば（Ｓ１６でＹｅｓ）、ツールヒータで半導体チップ１００の加熱を開始するとともに、位置偏差ΔＰが一定となるように、駆動モータ３０の指令位置Ｐ＊を随時更新する第一処理（Ｓ１８，Ｓ２０）を実行する。すなわち、コントローラ１６は、接地が検出された時刻ｔ２において、実装ツール２０に搭載されたツールヒータをＯＮし、半導体チップ１００の加熱を開始する（Ｓ１８）。また、コントローラ１６は、駆動モータ３０の指令位置Ｐ＊を、Ｐ＊＝Ｐｄ＋σａ－ΔＰ＊の式に従って随時更新する。ここで、Ｐｄは、実装ツール２０の検出位置である。σａは、一サンプリング当たりに発生する実装ツール２０の熱膨張量である。一サンプリング当たりの熱膨張量σａは、予め実験等により取得しておく。また、この一サンプリング当たりの熱膨張量σａは、固定値でもよいが、時間の経過またはツールヒータの温度変化とともに変化する可変値でもよい。Ｐｄ＋σａは、実装ツール２０の現在位置となる。ΔＰ＊は、位置偏差ΔＰの目標値であり、値一定の固定値である。図３における破線は、第一処理中に用いる指令位置Ｐ＊を示している。
　このように、Ｐ＊＝Ｐｄ＋σａ－ΔＰ＊の式に基づいて、指令位置Ｐ＊を随時更新することで、実装ツール２０や半導体チップ１００が熱膨張したとしても、位置偏差ΔＰを常に一定に保つことができる。そして、位置偏差ΔＰを一定に保つことで、駆動モータ３０からの出力トルク、ひいては、半導体チップ１００の押圧荷重をほぼ一定に保つことができる。これにより、溶融前のバンプ１０４を破壊して潰すことが効果的に防止できる。
　第一処理と並行して、コントローラ１６は、半導体チップ１００に付加される押圧荷重の監視も行う（Ｓ２２）。押圧荷重は、駆動モータ３０の電流値Ｉｄにほぼ比例するため、コントローラ１６は、駆動モータ３０の電流値Ｉｄを、押圧荷重を示すパラメータとして監視する。加熱を継続した結果、バンプ１０４が溶融すると、実装ツール２０が半導体チップ１００から受ける反力が急激に低下し、押圧荷重、ひいては、電流値Ｉｄが急激に低下する。コントローラ１６は、この電流値Ｉｄの急激な低下が発生すれば、バンプ１０４の溶融が発生したと判断する。
　具体的には、コントローラ１６は、Ｎサンプリング前の電流値Ｉｄ［ｉ－Ｎ］と、現在の電流値Ｉｄ［ｉ］と、の差分ΔＩｄ＝Ｉｄ［ｉ－Ｎ］－Ｉｄ［ｉ］を算出する。そして、コントローラ１６は、この差分ΔＩｄと、規定の基準値ΔＩｄ_ｄｅｆと、を比較し、ΔＩｄ≧ΔＩｄ＿ｄｅｆ以上となれば、バンプ１０４が、溶融したと判断する。なお、Ｎは、１以上の整数である。図３では、時刻ｔ３において、溶融したと判断される。
　なお、本例では、実装ツール２０の指令位置Ｐ＊を、現在位置（Ｐｄ＋σａ）よりも下方に設定しているため、バンプ１０４の溶融が発生し、半導体チップ１００からの反力が低下した場合、実装ツール２０は、指令位置Ｐ＊に到達するように、現在位置（Ｐｄ＋σａ）から位置偏差の目標値ΔＰ＊分だけ、下方に変位することがある。このバンプ１０４溶融時の変位において、バンプ１０４を大きく潰さないように、位置偏差の目標値ΔＰ＊は、充分に小さな値が設定される。
　バンプ１０４が溶融したと判断した場合（Ｓ２２でＹｅｓ）、コントローラ１６は、ギャップ量Ｇが所望の値になるように、実装ツール２０の位置を制御する第二処理を実行する（Ｓ２４）。すなわち、コントローラ１６は、駆動モータ３０の指令位置Ｐ＊を、Ｐ＊＝Ｐｇ＋σｇとして随時更新する。ここで、Ｐｇは、常温状態かつギャップ量Ｇが所望の値になった半導体チップ１００に実装ツール２０を接地させたときの、実装ツール２０の位置である。以下では、このＰｇを、「標準位置」と呼ぶ。この標準位置Ｐｇは、ギャップ量Ｇの値や半導体チップ１００の寸法値等から予め算出される固定値である。また、σｇは、実装ツール２０および半導体チップ１００の熱膨張量である。このσｇは、時間やヒータの温度に応じて変動する可変値である。かかる指令位置Ｐ＊＝Ｐｇ＋σｇで、実装ツール２０の位置を制御することで、ギャップ量Ｇを所望の値に保つことができる。また、コントローラ１６は適当なタイミングで、ツールヒータをＯＦＦする（Ｓ２６）。その後、バンプ１０４を硬化させるのに十分な冷却時間が経過すれば（Ｓ２８でＹｅｓ）、コントローラ１６は、半導体チップ１００の吸引を解除したうえで、加圧機構２２および昇降機構２４を駆動して実装ツール２０を上昇させる（Ｓ３０）。
　以上の説明で明らかな通り、本例では、駆動モータ３０の電流値、ひいては、押圧荷重が急激に低下したタイミングを、バンプ１０４の溶融タイミングとして検出している。かかる構成とすることで、溶融したバンプ１０４を押し潰すことなく、バンプ１０４の溶融タイミングを正確に検出できる。また、第一処理において、位置偏差ΔＰが一定になるように、指令位置Ｐ＊を随時更新しているため、熱膨張が発生しても、押圧荷重を一定に保つことができる。その結果、溶融前のバンプ１０４に過剰な荷重がかかり、バンプ１０４が、破壊されることが効果的に防止できる。
　なお、これまで説明した構成は、一例であり、接地後、バンプ１０４が溶融するまで、位置偏差ΔＰが一定となるように加圧機構２２の鉛直方向の指令位置Ｐ＊を随時更新する第一処理と、押圧荷重が急減したタイミングを、バンプ１０４の溶融タイミングとして検出する検出処理と、を行うのであれば、その他の構成は、適宜変更されてもよい。例えば、これまでの説明では、駆動モータ３０の電流値を、押圧荷重を示すパラメータとして監視していたが、加圧機構２２に荷重センサを設け、この荷重センサの検出値を監視するのでもよい。また、上述の説明では、実装ツール２０の検出位置Ｐｄに、一サンプリングあたりの熱膨張量σａを加算した値を、実装ツール２０と現在位置として取り扱っているが、熱膨張が考慮されるのであれば、他の値を現在位置として用いてもよい。例えば、熱膨張に伴う実装ツール２０の変位のプロファイルを、予め実験等で取得しておき、このプロファイルから実装ツール２０の現在位置を求めるようにしてもよい。また、上述の説明では、加圧機構２２の駆動源として駆動モータ３０を用いているが、他の駆動源、例えば、電池シリンダや油圧シリンダ等を用いてもよい。
　１０　製造装置、１２　ステージ、１４　ボンディングヘッド、１６　コントローラ、１８　ＸＹステージ、２０　実装ツール、２２　加圧機構、２４　昇降機構、３０　駆動モータ、３０ａ　固定子、３０ｂ　可動子、３２　スライド軸、３４　板バネ、３６　ガイド部材、３８　ベース部材、４０　昇降モータ、４２　リードスクリュー、４４　移動ブロック、４６　移動体、４８　ガイドレール、５０　リニアスケール、１００　半導体チップ、１０２　チップ本体、１０４　バンプ、１１０　基板、１１２　電極。

Claims (6)

  1. 　基板を支持するステージと、
    　底面にバンプを有するチップを加熱可能に保持する実装ツールと、
    　前記実装ツールを鉛直方向に移動させて前記チップに荷重を付与する加圧機構と、
    　前記実装ツールおよび前記加圧機構の駆動を制御するコントローラと、
    　を備え、前記コントローラは、
    　前記チップを前記基板に着地させた後、前記バンプが溶融するまで、前記実装ツールで前記チップを加熱するとともに、前記加圧機構の指令位置と現在位置との差である位置偏差が一定となるように、前記加圧機構の鉛直方向の指令位置を随時更新する第一処理と、
    　前記第一処理と並行して、前記加圧機構による前記チップの押圧荷重を監視し、前記押圧荷重の減少に基づいて、前記バンプの溶融を検出する検出処理と、
    　を行うように構成されている、ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置の製造装置であって、
    　前記コントローラは、前記検出処理において前記バンプの溶融を検出した時点から後に、前記チップの底面と前記基板との間隙量であるギャップ量が目標値を保つように、前記加圧機構の指令位置を随時更新する第二処理をさらに行う、
    　ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
  3. 　請求項１に記載の半導体装置の製造装置であって、
    　前記加圧機構は、前記実装ツールを鉛直方向に移動させる駆動モータを有しており、
    　前記コントローラは、前記検出処理において前記駆動モータの電流値を、前記押圧荷重を示すパラメータとして監視する、
    　ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造装置であって、
    　前記コントローラは、前記第一処理において、前記実装ツールの現在位置から、位置偏差の目標値を減算した値を、前記加圧機構の指令位置として算出する、ことを特徴とする半導体装置の製造装置。
  5. 　半導体装置の製造方法であって、
    　実装ツールで保持されたチップをステージで支持された基板に接地させた後、前記チップの底面に設けられたバンプが溶融するまで、前記実装ツールで前記チップを加熱するとともに、前記実装ツールを鉛直方向に移動させる加圧機構の指令位置と現在位置との差である位置偏差が一定となるように、前記加圧機構の鉛直方向の指令位置を随時更新する第一ステップと、
    　前記第一ステップと並行して、前記加圧機構による前記チップの押圧荷重を監視し、前記押圧荷重の減少に基づいて、前記バンプの溶融を検出する検出ステップと、
    　を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 　請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、さらに、
    　前記検出ステップにおいて前記バンプの溶融を検出した時点から後に、前記チップの底面と前記基板との間隙量であるギャップ量が目標値を保つように、前記加圧機構の指令位置を随時更新する第二ステップを、備える、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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