半导体装置的制造装置及半导体装置的制造方法与流程

本申请案享有以日本专利申请案2015-97594号(申请日：2015年5月12日)为基础申请案的优先权。本申请案通过参照该基础申请案而包含基础申请案的全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种半导体装置的制造装置及半导体装置的制造方法。

背景技术：

半导体装置设置着焊料凸块。

技术实现要素：

本发明的实施方式提供一种能够容易地进行半导体装置的制造的半导体装置的制造装置及半导体装置的制造方法。

实施方式的半导体装置的制造装置具备：平台；头部，与所述平台对向配置，能够保持半导体元件；驱动部，能够使所述头部沿与所述头部及所述平台交叉的第一方向移动，并且对所述头部施加负载；负载传感器，检测所述头部的负载值；及控制部，具备第一动作与第二动作，所述第一动作是通过对所述驱动部进行驱动而使所述头部接近所述平台，所述第二动作是检测所述负载值的变化而使所述半导体元件与所述头部分离。

附图说明

图1是实施方式的半导体装置的制造装置的概略构成图。

图2是表示实施方式的半导体装置的制造方法的流程的流程图。

图3(a)～(c)是表示实施方式的半导体装置的加工前的状态与加工后的状态的示意性剖视图。

图4是表示实施方式的半导体装置的制造方法的各阶段的示意性剖视图。

图5是表示实施方式的半导体装置的制造方法的各阶段的示意性剖视图。

图6是表示实施方式的半导体装置的制造方法的各阶段的示意性剖视图。

图7是表示头部的温度、头部的负载值、及头部15的高度的时间推移的图。

图8是表示头部的温度与头部的高度尺寸的关系的图。

图9是表示半导体装置的其它实施方式的示意性剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，附图是示意性图，厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比例等并非必须与实物一致。另外，关于上下左右的方向，也是表示将下述半导体基板的电路形成面侧设为上或下的情况下的相对的方向，并非必须与以重力加速度方向为基准的情况一致。

图1是表示半导体装置的制造装置5的概念性构成的示意性图。制造装置5中，在其下侧具有使用有陶瓷等的平台10，在平台10的上部具有头部15。制造装置5具有支撑头部15的支撑部20。制造装置5具有对平台10、头部15、及支撑部20进行控制的控制装置80。图中平台10被隔开，但也可通过未图示的外部构成将制造装置5整体作为一体的构成而设置。另外，头部15可与支撑部20作为一体而构成头部15。此外，在以下的说明中，将上下方向称为Z轴方向，将水平方向称为XY轴方向。

平台10能够在上表面保持如图3(b)所示的基板25。基板25例如是陶瓷基板或玻璃环氧基板等。平台10具有平台加热器30及温度传感器35。平台加热器30能够对平台10进行加热，且将保持在平台10上表面的基板25以特定的温度进行加热。温度传感器35能够检测平台10的温度。温度传感器35例如通过检测平台10的温度而可间接地检测保持在平台10上表面的基板25的温度。

平台加热器30通过对平台10进行加热而能够将图3(b)所示的设置在基板25的焊料凸块25a加热到低于熔点的固定温度(例如150℃)。平台加热器30根据温度传感器35所检测的温度而受到控制。

头部15在下表面部分具有接合工具40。头部15例如能够吸附且保持图3(a)所示的半导体元件45等半导体元件。头部15具有头加热器50及温度传感器55。头部15在内部具有孔60。孔60中例如能够流过冷却用的高压气等。

头加热器50例如利用电流而能够发热。头部15通过头加热器50的发热而能够升温。另外，头加热器50能够对接合工具40进行加热，且对保持在接合工具40的半导 体元件45进行加热。

在使头部15及头加热器50的加热停止时，例如向头加热器50的电流被阻断。通过阻断电流而可停止加热。

另外，通过使孔60中流过冷却用的高压气而能够使头部15快速冷却。

温度传感器55能够检测头部15的温度。温度传感器55例如通过检测接合工具40的温度而能够间接地检测保持在接合工具40的半导体元件45的温度。

支撑部20具有驱动部65、位置传感器70、及负载传感器75。

驱动部65能够使头部15在Z轴方向(上下方向)移动。即，驱动部65能够使头部15在平台10的方向上移动，从而使头部15与平台10的距离接近或远离。进而，使驱动部65能够对头部15朝平台10的方向施加负载。

位置传感器70检测头部15的Z轴方向的位置。此外，位置传感器70也可间接地检测位置。例如，位置传感器70也可根据驱动部65的驱动量、支撑部20的Z轴方向的位置、或支撑部20的移动量等检测头部15的位置。

负载传感器75检测头部15的负载值。例如，在使头部15下降时，驱动部65或头部15隔着保持在接合工具40的半导体元件45而使头部15对平台10施加负载。负载传感器75能够检测对该平台10施加的负载。此外，负载传感器75也可间接地检测负载。例如，负载传感器75也可根据驱动部65的驱动所需的力等而检测负载。

此外，也可将位置传感器70与驱动部65、或负载传感器75与驱动部65作为一体而设置。

控制装置80根据位置传感器70的信号而检测头部15的Z轴方向的位置，由此能够控制头部15的Z轴方向的位置。而且，基于该位置传感器70的控制例如适于高速的头部15的移动。

另一方面，控制装置80根据负载传感器75的信号而检测头部15的负载值，由此能够根据负载值的大小而控制头部15的Z轴方向的位置。而且，基于该负载传感器75的控制适于微细的移动、或头部15的由负载引起的移动。

换句话说，头部15能够进行基于位置传感器70的检测信号的控制、及基于负载传感器75的检测信号的控制。

控制装置80例如具有CPU(Central Processing Unit，中央处理器)或存储器等，根据程序进行装置整体的控制。控制装置80根据下述程序控制平台10、头部15、及支撑部20等各部的活动。

此外，制造装置5还具备未图示的位置检测相机。位置检测相机可检测平台10上 的基板25、或保持在头部15的接合工具40上的半导体元件45的XY轴方向(水平方向)的位置。控制装置80根据位置检测相机所检测到的图像能够对头部15在XY方向及水平面内的旋转方向的移动进行控制。

接下来，说明利用制造装置5进行的半导体装置的制造步骤。

图3(a)是所述半导体元件45的示意性剖视图。半导体元件45在半导体基板的表面制成由各种加工步骤形成的集成电路。在半导体元件45的表面(上表面)配置着多个金属垫45a。金属垫45a是能够与外部电连接的金属电极。

图3(b)是基板25的示意性剖视图。基板25例如是刚性基板、挠性基板等。更具体而言，例如基板25是陶瓷基板、玻璃环氧基板等各种印刷基板。在基板25的表面(上表面)配置着未图示的电极图案，在电极图案上配置着焊料凸块25a。如下所述，基板25经由焊料凸块25a而能够与半导体元件45的金属垫45a电连接。此外，在基板25的正面或背面，也可配置用以与外部电路连接的除焊料凸块25a以外的各种端子部等。

图3(c)是在所述基板25上安装有半导体元件45的状态的示意性剖视图。半导体元件45与基板25隔开距离d而配置。基板25的焊料凸块25a在安装时熔融且被压碎，因而成为焊料25b。焊料25b与半导体元件45的金属垫45a电连接。

参照图2及图4～图8对利用制造装置5将半导体元件45安装到基板25的安装步骤进行说明。

图2是概略性表示由制造装置5的控制装置80执行的安装步骤的控制动作的步骤的流程图。图7表示伴随一连串的步骤的动作的流程而产生的头部15的温度的推移、头部15的负载值的推移、及头部15的高度的推移。按照该图2及图7对各步骤S1～S11进行说明。此外，图7的时间(sec)的推进为一例。另外，头部15的温度是指制造装置侧的设定温度，实际的头部15的温度也可不必与图7一致。

图4是表示步骤S1的示意性剖视图。

在步骤S1中，如图4所示，头部15配置在与平台10隔开的位置。半导体元件45配置在头部15的接合工具40上。半导体元件45例如通过由控制装置80的控制所产生的吸引而保持在接合工具40。金属垫45a配置在下方的平台10侧。

在步骤S2中，基板25配置在平台10的上表面。基板25例如通过由控制装置80的控制所产生的吸引而保持在平台10的上表面。焊料凸块25a配置在上方的头部15侧。此外，步骤S1与步骤S2的顺序不同。

在步骤S3中，由控制装置80将位置检测相机配置在平台10与头部15之间的空间区域。位置检测相机拍摄位于Z轴方向的上下的基板25及半导体元件45，并检测两者 的位置。之后，控制装置80根据检测出的位置，使平台10或头部15在XY轴方向(水平方向)及水平面内的旋转方向相对地移动。通过该移动而将基板25的焊料凸块25a与半导体元件45的金属垫45a配置在对向的位置。

在步骤S4中，控制装置80使头部15下降到与平台10接近的位置。图5是表示步骤S4的示意性剖视图。

首先，头部15的下降根据位置传感器70的检测信号而通过位置控制进行控制。焊料凸块25a与半导体元件45的金属垫45a接触的稍前的位置由控制装置80预先设定。而且，控制装置80通过使头部15下降到所设定的位置而使头部15快速地下降。

接下来，头部15的下降通过负载值控制而控制。即，控制装置80根据负载传感器75的检测信号而控制头部15的下降。对于负载传感器75的检测信号的阈值由控制装置80预先设定。然后，头部15下降到使焊料凸块25a与金属垫45a接触(头部15接地到平台10)。该接触是根据负载传感器15检测的负载值超出所设定的阈值、或负载值的每单位时间的变化量超出所设定的阈值而检测到。

此外，将步骤S4中未加压的状态下的头部的高度尺寸设为A0，将平台10的高度尺寸设为B0。另外，步骤S4的头部15下降的控制也能够不进行位置传感器70的位置控制而仅以负载值控制来进行。

在步骤S5中，一边隔着金属垫45a与焊料凸块25a对平台10施加负载，一边使头部15进一步下降。而且，使头部15下降直到头部15对平台10的负载成为第一负载值(图7中为约190N)(时刻t1)。图6是表示步骤S5的示意性剖视图。

将金属垫45a压抵到焊料凸块25a，使焊料凸块25a压缩变形。然后，在两者接触的各自的表面产生的自然氧化膜破损，因而两者电导通。

该步骤S5中，在负载成为第一负载值的状态下，头部15及平台10被施加负载，受到加压因而被压缩。即，如图6所示，头部15的高度尺寸被压缩到小于A0的A1(＜A0)，平台10的高度尺寸被压缩到小于B0的B1(＜B0)。

此外，在步骤S5中，因施加负载而使金属垫45a、焊料凸块25a逐渐变形。由该变形而导致头部15在时刻t1到t2其位置缓慢地下降。

假设在此状态下由头部15的头加热器50进行加热，则透过接合工具40及半导体元件45的金属垫45a而使基板25的焊料凸块25a受到加热，焊料凸块25a熔融。因焊料凸块25a的熔融而使对头部15及平台10的负载开放。即，头部15及平台10得以减压，因而变化到原来的高度尺寸A0、B0。进而，头部15因加热而膨胀，故头部15的高度尺寸有可能变为大于原来的高度尺寸A0的尺寸。如果通过该加热而使头部15及平 台10的高度尺寸大于A1、B1，则有可能引起各种不良。例如，有可能焊料凸块25a被过度压碎，与相邻的焊料凸块25a产生短路。或有可能焊料凸块25a与金属垫45a变形，引起未料的短路(short)或开路(open)。进而，有可能头部15与平台10接触，而导致头部15或平台10受损。

因此，本实施方式中，作为步骤S6，控制装置80一边利用负载传感器75检测负载量，一边使头部15的负载降低。即，使头部15减压。然后，在成为特定的负载量的时间点，控制装置80停止使头部15的负载降低(时刻t2，图7中为约10N)。通过使头部15的负载降低而使对头部15及平台10的压力降低，头部15及平台10例如成为原来的高度尺寸A0、B0或至少大于A1、B1的尺寸。即，通过使头部15及平台10的高度尺寸预先接近与原来的尺寸相近的尺寸，而能够减少升温时头部15及平台10的高度尺寸变大的量。进而，通过以特定的负载量使减压停止，而能够保持焊料凸块25a与金属垫45a的接触状态。即，能够减少在焊料凸块25a与金属垫45a的表面形成氧化膜。

作为步骤S7，控制装置80通过使头加热器50升温而使头部15升温。(时刻t3)。如上所述，头部15通过升温而热膨胀到高度尺寸比A0长的尺寸。

图8是表示头部15的温度与高度尺寸的关系的曲线图的一例。

图8的纵轴表示头部15的Z轴方向的移位量，横轴表示头部15的温度。头部15的温度是以175℃时的Z轴方向的移位量为基准设为“0”。温度240℃时的移位量为8.0μm，在温度310℃时的移位量为18.6μm。即，头部15的温度越高，头部15的移位量越增加。

作为步骤S8，控制装置80配合由升温引起的头部15的高度尺寸的变化而使头部15的位置上升(时刻t4)。头部15的上升由根据位置传感器70的检测信号进行的位置控制进行。

之所以在时刻t3之后隔开时间使头部15上升是基于两个原因。第一个原因在于，在焊料凸块25a熔融前使焊料凸块25a与金属垫45a之间密接。因密接而在焊料凸块25a与金属垫45a的表面形成氧化膜，从而能够防止开路。第二个原因在于，存在头部15的热膨胀较头部15的温度上升迟的情况。

但是，在焊料凸块25a熔融之后，由所述头部15的热膨胀而引起的不良的危险性增加，因而较理想的是提前使头部15的位置上升。该时刻t4是作为参数而预先设定在控制装置80。或时刻t4也可由控制装置80根据负载传感器75的检测信号而计算出。

此外，头部15的温度的推移、与由热膨胀引起的Z轴方向的变化量并非必须一致。热膨胀具有随着时间的经过而线性增加的倾向。因此，如图7所示，头部15的Z轴方 向的位置控制也与其配合而进行。

通过该位置控制，使位于头部15下端部的半导体元件45的金属垫45a与平台10侧的基板25的焊料凸块25a的距离能够保持为维持大致相同距离的状态。

对头部15的负载值在时刻t3到t4暂时增加之后降低的原因进行说明。在焊料凸块25a熔融之前的期间，头部15也因升温而引起高度尺寸膨胀。但是，由于头部15的位置被固定，所以负载值会增加头部15的高度尺寸膨胀的量。之后，如果焊料凸块25a熔解，则头部15的负载开放，负载值降低。

此外，为避免所述不良，较理想为在步骤S7的负载增加之前，将头部15的位置控制切换为根据位置传感器70的检测信号进行的位置控制。

作为步骤S9，控制装置80停止对头加热器50的通电而使头部15的加热停止(时刻t5)。进而，控制装置80通过使空气流过孔60中而加速散热，使头部15冷却。此外，利用时刻t5之前的固定时间的加热使焊料凸块25a充分地熔融，与金属垫45a融合。

作为步骤S10，控制装置80使头部15下降。此外，如图7所示，头部15的下降也可在时刻t5之前开始。或可与冷却的开始同时地，或从之后的时间点开始头部15的下降。

对使头部15下降的原因进行说明。

头部15及平台10随着冷却而开始收缩。即，头部15及平台10的高度尺寸变短。于是，对固定在头部15的金属垫45a、与固定在平台10的焊料凸块25a之间施加张力。该张力有可能成为焊料凸块25a的裂纹的原因。因此，为了不施加张力而需要使头部15下降。

另外，头部15的下降必须配合所述头部15及平台10的收缩的长度而进行。如果相比于头部15及平台10收缩的长度极大地下降，则会对金属垫45a与焊料凸块25a之间施加较强的压缩力。如果施加压缩力，则会成为裂纹或断裂引起的开路不良的原因。

因步骤S10的头部15的下降，使半导体元件45的金属垫45a与基板25的焊料凸块25a的距离保持为大致相同的距离。即，能够抑制张力、压缩力波及到焊料凸块25a。

作为步骤S11，控制装置80一边将头部15压入，一边利用负载传感器75检测头部15的负载。控制装置80检测负载值的变化，使半导体元件45与头部15分离(时刻t6)。具体来说，控制装置80解除头部15的接合工具40对半导体元件45的吸附状态。然后，控制装置80使头部15上升。在平台10上，如图3(c)所示，成为半导体元件45的金属垫45a与焊料凸块25b以存在特定距离d的状态连接的基板25残存的状态，能够将半导体装置从平台10卸除。

如果头部15的冷却推进，则焊料凸块25a凝固。如果焊料凸块25a开始凝固，则状态从液状变化为固体，因而焊料凸块25a的体积或形状发生变化。于是，施加到头部15的负载值发生变化。因此，控制装置80能够检测头部15的负载值的变化，配合焊料凸块25a的凝固而进行分离。此外，焊料凸块25a的凝固温度例如为200度左右，在焊料凸块25a的实际温度成为约凝固温度以下时，焊料凸块25a开始凝固。

根据所述实施方式，在金属垫45a与焊料凸块25a接合且升温之前，控制装置80对驱动部65进行驱动，实施减压动作(S6)。通过减压动作，使头部15及平台10的高度尺寸接近压缩前的高度尺寸。通过使头部15及平台10的高度尺寸预先接近压缩前的高度尺，能够在焊料凸块25a熔融时抑制头部15及平台10的高度尺寸的扩展。通过抑制高度尺寸的扩展而能够抑制相邻的焊料凸块25a的短路、或固定在头部15的接合工具40对平台10的碰撞。

进而，根据本实施方式，在加热头部15时，配合头部15的高度尺寸的增加，控制装置80对驱动部65进行驱动，使头部15上升。通过在加热时使头部15上升而能够抑制相邻的焊料凸块25a的短路、或接合工具40对平台10的碰撞。

进而，根据本实施方式，在对头部15进行冷却时，配合头部15的高度尺寸的缩短，控制装置80对驱动部65进行驱动，使头部15下降。通过在冷却时使头部15下降，能够使焊料凸块25a与金属垫45a之间的张力降低，减少焊料凸块25a与金属垫45a之间的断裂。

进而，根据本实施方式，在将半导体元件45从接合工具40分离时，控制装置80检测头部15的负载值的变化而进行分离。通过检测负载值的变化，有可能在焊料凸块25a完全凝固之前使半导体元件45分离。通过在完全凝固之前进行分离而能够降低焊料凸块25a与金属垫45a之间的张力或压缩力。另外，通过提前进行分离，能够提高半导体装置的制造的产出率，从而能够制造廉价的半导体装置。进而，通过使与半导体装置相比具有较大的热容量的头部与半导体装置分离，能够使半导体装置快速地冷却。通过快速地冷却而能够抑制焊料凸块25a中所含的焊料材料向半导体装置的内部固相扩散。通过抑制焊料材料的固相扩散而能够提高半导体装置的可靠性。此外，当然无需在所有焊料凸块25a完全凝固之前进行分离。也可使一部分焊料凸块25a凝固。该情况也能够提高所述产出率。

(其它实施方式)

除所述实施方式中说明的情况以外，还可应用于如下的变化形态。

在所述实施方式中，使用焊料凸块25a进行了说明，但并不限于此。例如，也可形 成金属凸块或金属球。

在将金属凸块设置在半导体元件45侧的情况下也能够实施。即，能够应用于在基板25与半导体元件45的至少任一者设置着金属凸块的构成。

半导体元件45并不限于图3(a)所示的情况。例如也可为如图9所示积层的半导体元件45'。图9的半导体元件45'是在基板135上积层着半导体芯片145及半导体芯片155而成。半导体元件45'的金属垫45a'比半导体芯片155更远离基板25。为避免半导体芯片155与基板25的碰撞，在金属垫45a'与焊料凸块25a黏附时要求更高的位置控制。

使空气流过冷却孔的冷却也可不实施。另外，冷却方法也可为除空气冷却以外的任意的冷却手段。

另外，在所述实施方式中，将头部15配置在驱动部65，但也可将驱动部65配置在平台10。驱动部65只要可使头部15与平台10接近或远离即可。即，驱动部65既可使头部15向平台10的方向移动，也可使平台10向头部15的方向移动，还可为该两种情况。

同样地，位置传感器70、负载传感器75并非必须配置在头部15。即，在驱动部65使平台10移动的情况下，可将位置传感器70、负载传感器75配置在平台10。

已对本发明的实施方式进行了说明，但本实施方式是作为示例而提出，并非旨在限定发明的范围。该新颖的实施方式能够以其也各种形态实施，且可在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、及变更。本实施方式或其变化包含在发明的范围或主旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。

[符号的说明]

5 制造装置

10 平台

15 头部

20 支撑部

25 基板

25a 凸块

25b 凸块

30 平台加热器

35 温度传感器

40 接合工具

45 半导体元件

45a 金属垫

50 头加热器

55 温度传感器

60 孔

65 驱动部

70 位置传感器

75 负载传感器

80 控制装置

135 基板

145 半导体芯片

155 半导体芯片