三次元実装装置
【課題】半導体デバイスの製造のスループットをさらに向上できるとともに、製造される半導体デバイスの品質の低下を防止できる三次元実装装置を提供する。
【解決手段】三次元実装装置１１において、搬送トレイ１６は配置面１６ａａをそれぞれ含む８つの内側トレイ１６ａを有し且つ各配置面１６ａａに配置された８つの積層チップ２１を搬送し、チャンバ２７は全ての内側トレイ１６ａを収容し、複数の下部ステージ２８の各々はチャンバ２７内において複数の内側トレイ１６ａの各々を載置し、複数のチャック２９の各々は、チャンバ２７内において、配置面１６ａａに配置された積層チップ２１の各々と一対一で対応して配設され、各下部ステージ２８及び各複数のチャック２９が各下部ステージ２８及び各複数のチャック２９の間を詰めるように移動する。
【解決手段】三次元実装装置１１において、搬送トレイ１６は配置面１６ａａをそれぞれ含む８つの内側トレイ１６ａを有し且つ各配置面１６ａａに配置された８つの積層チップ２１を搬送し、チャンバ２７は全ての内側トレイ１６ａを収容し、複数の下部ステージ２８の各々はチャンバ２７内において複数の内側トレイ１６ａの各々を載置し、複数のチャック２９の各々は、チャンバ２７内において、配置面１６ａａに配置された積層チップ２１の各々と一対一で対応して配設され、各下部ステージ２８及び各複数のチャック２９が各下部ステージ２８及び各複数のチャック２９の間を詰めるように移動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のチップを積層する三次元実装装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスのフットプリントを低減するために、複数のＩＣ基板（チップ）を積層して半導体デバイスを製造する三次元実装方法が開発されている。この三次元実装方法では、各チップにおいて当該チップを厚み方向に貫通する導体からなる配線、例えば、ＴＳＶ（Through Silicon Via）が形成され、一のチップの配線の端部に形成された電極パッドが他のチップの配線の端部に形成された半田バンプと接合されて三次元的に回路が形成される。三次元実装方法としては、ＣＯＷ（Chip On Wafer）工法やＣＯＣ（Chip On Chip）工法等が知られている。いずれの工法においても、積層するチップのずれを防止するために、各チップ同士の本接合に先立って各チップ同士を仮接合し、仮接合された複数のチップ同士をリフローによって本接合することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この三次元実装方法では、１つのチャンバ、例えば、リフロー炉内において半導体デバイスを構成する積層された複数のチップの組（以下、「積層チップ」という。）を１つずつリフローするが、スループット向上の観点から１つの積層チップのリフローは数秒以内に行われ、リフローのための積層チップの加熱やリフロー後の積層チップの冷却も急速に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１０９９５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、１つの積層チップのリフローが数秒以内に行われているため、これ以上リフローを行う時間を短くしてスループットを向上することは困難である。また、積層チップにおける急速加熱や急速冷却は、半田の溶融形態、凝固形態を不安定にするため、製造される半導体デバイスにおいて半田の結晶状態を理想状態とすることができず、凝固した半田において残留応力を生じさせ、半田内において気泡（ボイド）を発生させ易くなり、積層チップから製造される半導体デバイスの品質を低下させるという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、半導体デバイスの製造のスループットをさらに向上できるとともに、製造される半導体デバイスの品質の低下を防止できる三次元実装装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の三次元実装装置は、基部、及び該基部から分離可能に構成され且つ平面からなる配置面を各々有する複数の分離部を有し、前記複数の分離部の各々における前記配置面には複数のチップが積層されてなるチップの組である積層チップが１つずつ配置され、各前記配置面に配置された各前記積層チップを搬送する搬送部と、前記複数の分離部を収容する収容室と、前記収容室内において、前記複数の分離部を載置する複数の載置部と、前記収容室内において、前記複数の載置部に載置された前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップと対向する複数の押圧部とを備える三次元実装装置であって、前記複数の載置部の各々及び前記複数の押圧部の各々はそれぞれ加熱装置及び冷却装置を内蔵し、前記複数の載置部の各々は前記複数の分離部の各々に一対一で対応して配設され、前記複数の押圧部の各々は、各前記配置面に配置された各前記積層チップの各々に一対一で対応して配設され、前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の少なくとも一方が前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の間を詰めるように移動することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の三次元実装装置は、請求項１記載の三次元実装装置において、前記複数の押圧部の各々は、前記積層チップの上面と当接する当接部と、該当接部を支持する支持部とを有し、前記支持部は球欠状の凹部を有し、前記当接部は球欠状の凸部を有し、前記凹部に前記凸部が嵌合されて前記支持部へ前記当接部が取り付けられることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の三次元実装装置は、請求項２記載の三次元実装装置において、前記押圧部の前記当接部における前記積層チップとの当接面が傾いた場合、前記当接部を水平面を有する部材に押し当てて前記当接面を水平にすることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の三次元実装装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元実装装置において、前記収容室は上部及び下部に分割可能であり、前記搬送部の前記基部には所定の方向に前記搬送部を移動させるための移動力が負荷され、前記収容室内で前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップへ処理が施された後、前記搬送部が前記所定の方向に移動する際、前記収容室は分割されて前記搬送部の移動経路から退出することを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の三次元実装装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元実装装置において、前記複数の分離部が前記収容室に収容される際、前記基部は前記収容室の上部及び下部に挟まれ、且つ前記複数の分離部は前記挟まれた基部から離間することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、積層チップが１つずつ配置される配置面を各々有する複数の分離部を載置する複数の載置部、及び複数の分離部における配置面に配置された各積層チップと対向する複数の押圧部の少なくとも一方が、複数の載置部及び複数の押圧部の間を詰めるように移動し、複数の載置部の各々及び複数の押圧部の各々はそれぞれ加熱装置を内蔵するので、複数の分離部に配置された複数の積層チップが同時に押圧され且つ加熱される。その結果、同時に複数の半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットをさらに向上することができる。また、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットがさらに向上するので、積層チップの加熱や冷却を行う時間を十分に確保でき、もって、半田の溶融形態、凝固形態を安定させることができる。その結果、製造される半導体デバイスの品質の低下を防止できる。
【００１３】
また、複数の載置部の各々は複数の分離部の各々に一対一で対応して配設され、複数の押圧部の各々は、各配置面に配置された各積層チップの各々に一対一で対応して配設されるので、各積層チップを他の積層チップから独立して押圧することができ、各積層チップの高さが異なっても、各積層チップを確実に押圧することができる。その結果、製造される各半導体デバイスの品質にばらつきが生じるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る三次元実装装置及びチップの積層装置の配置状態を示す平面図である。
【図２】図１における三次元実装装置がリフロー処理を施す積層チップの構成を概略的に示す断面図であり、図２（Ａ）はリフロー処理を施す前の構成を示し、図２（Ｂ）はリフロー処理を施した後の構成を示す。
【図３】図１における線III−IIIに沿う断面図である。
【図４】図３におけるチャックの構成を概略的に示す拡大断面図である。
【図５】図４のチャックによる積層チップの押圧の様子を示す工程図である。
【図６】図４のチャックにおけるチャックヘッドのチャック面を水平に戻す処理を示す工程図である。
【図７】図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【図８】図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【図９】図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【図１０】２つの搬送トレイが設けられた場合を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
まず、本発明の実施の形態に係る三次元実装装置について説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係る三次元実装装置及びチップの積層装置の配置状態を示す平面図である。なお、図１では、説明を簡単にするために、積層装置及び三次元実装装置のいずれも上部機構を取り除いた状態で示されている。
【００１８】
図１において、チップの積層装置１０と三次元実装装置１１とは一列に配置され、積層装置１０及び三次元実装装置１１の間にはベルトコンベア１２が張り渡されている。積層装置１０は、複数のＩＣ回路（チップ）１３が並べられたダイシングフィルム１４を載置するチップ置き場１５と、ベルトコンベア１２に担持された搬送トレイ１６（搬送部）と、チップ１３を移動させるピックアップユニット１７と、半田ペーストが満たされている浸漬ユニット１８と、ピックアップユニット１７にピックされたチップ１３の下面を撮影するカメラユニット１９と、チップ１３の種類に応じて交換されるピックアップユニット１７の各種ヘッドツールが載置されるツール交換ユニット２０とを備える。
【００１９】
積層装置１０では、ピックアップユニット１７が、チップ置き場１５からチップ１３を１つピックして浸漬ユニット１８へ移動させ、チップ１３の下面を半田ペーストに浸漬させて該下面に半田ペーストを付着させ、さらに、チップ１３をカメラユニット１９へ移動させてチップ１３の下面を撮影させ、該下面に付着した半田ペーストの状態を確認する。その後、チップ１３を搬送トレイ１６へ移動させて該搬送トレイ１６上に既に配置されている他のチップ１３の上に重ね置く。これにより、搬送トレイ１６上において、複数のチップ１３が積層されたチップの組（以下、「積層チップ」という。）２１が構成される。本実施の形態では、搬送トレイ１６上において８つの積層チップ２１が構成される。
【００２０】
搬送トレイ１６は、８つの積層チップ２１に対応して設けられた方形のステンレス板からなる８つの内側トレイ１６ａ（分離部）と、該内側トレイ１６ａを囲むステンレス板からなる外側トレイ１６ｂ（基部）と、該外側トレイ１６ｂを囲む枠状のフレーム１６ｃ（基部）とからなる。搬送トレイ１６では、外側トレイ１６ｂに８つの方形の貫通穴が設けられ、該貫通穴の１つ１つに内側トレイ１６ａが１つずつ挿嵌される。各内側トレイ１６ａの外周縁部は外側トレイ１６ｂの各貫通穴の内縁部に載置されるだけであり、内側トレイ１６ａ及び外側トレイ１６ｂは互いに固定されておらず、外側トレイ１６ｂの外縁部がフレーム１６ｃに載置されるだけであり、外側トレイ１６ｂ及びフレーム１６ｃは互いに固定されていない（図３等参照。）。各内側トレイ１６ａの各々における表面である配置面１６ａａには積層チップ２１が１つずつ配置され、フレーム１６ｃにはベルトコンベア１２が連結され、該ベルトコンベア１２が三次元実装装置１１へ向けて駆動力をフレーム１６ｃへ負荷することにより、搬送トレイ１６は積層装置１０から三次元実装装置１１へ移動する。
【００２１】
三次元実装装置１１へ移動した搬送トレイ１６のうち、内側トレイ１６ａはチャンバ２７に収容されて、該チャンバ２７内おいて各積層チップ２１にリフロー処理が施される。三次元実装装置１１の構成、作用の詳細については後述する。
【００２２】
図２は、図１における三次元実装装置がリフロー処理を施す積層チップの構成を概略的に示す断面図であり、図２（Ａ）はリフロー処理を施す前の構成を示し、図２（Ｂ）はリフロー処理を施した後の構成を示す。
【００２３】
図２（Ａ）に示すように、積層チップ２１は、一番下に配置された、ベースチップ２２に複数のチップ１３を積層して構成される。ベースチップ２２の上面には複数の電極パッド２３が形成され、各チップ１３の下面には複数の半田バンプ２４が形成されるとともに、該半田バンプ２４を避けるようにストッパー２５が形成される一方、チップ１３の上面には複数の電極パッド２６が形成される。チップ１３の下面の半田バンプ２４は、チップ１３の下面に付着した半田ペーストによって形成される。また、各半田バンプ２４の表面にはフラックス（図示しない）の層が形成されている。各チップ１３において下面の半田バンプ２４は上面の電極パッド２６と当該チップ１３を厚み方向に貫通する配線、例えば、ＴＳＶ（図示しない）によって接続される。
【００２４】
積層チップ２１が構成される際、ベースチップ２２の上面の各電極パッド２３にチップ１３の下面の各半田バンプ２４を当接させるようにベースチップ２２へチップ１３を重ね、さらに、チップ１３の上面の各電極パッド２６に他のチップ１３の下面の各半田バンプ２４を当接させるようにベースチップ２２へチップ１３を重ね、以後、チップ１３の積み重ねを繰り返す。このとき、電極パッド２６及び半田バンプ２４の厚さの合計はストッパー２５の厚さよりも大きいため、積層チップ２１へリフロー処理を施す前は、下のチップ１３の上面に上のチップ１３のストッパー２５が当接することはない。
【００２５】
一方、積層チップ２１へリフロー処理を施すと、上のチップ１３の半田バンプ２４が溶融して下のチップ１３の電極パッド２６と接合されるが、このとき、半田バンプ２４の形状が崩れるため、上のチップ１３は下のチップ１３へ向けて沈下し、上のチップ１３のストッパー２５が下のチップ１３の上面に当接する（図２（Ｂ））。これにより、積層チップ２１から半導体デバイスが製造される。
【００２６】
図３は、図１における線III−IIIに沿う断面図であり、図１における三次元実装装置の構成を概略的に示す。
【００２７】
図３において、三次元実装装置１１は、搬送トレイ１６における各内側トレイ１６ａを収容するチャンバ２７（収容室）と、チャンバ２７の底部から上方に向けて立設される複数のシャフト４１によって支持される複数のテーブル状の下部ステージ２８（載置部）と、チャンバ２７の天井部において各下部ステージ２８と対向して配設される複数の略円柱状のチャック２９（押圧部）と、チャンバ２７内のガスを排出してチャンバ２７内の圧力を調整する排気管３０とを備える。これらの他に、三次元実装装置１１は真空ポンプ、圧力計、流量計、レギュレータ等を備えるか、またはこれらの機器へ接続される。
【００２８】
チャンバ２７は上部２７ａ及び下部２７ｂに分割可能であり、チャンバ２７が分割される際、下部２７ｂは三次元実装装置１１の基部３１からピラー３２を介して支持される。下部２７ｂの側壁の頂部には外側に向かうフランジ２７ｂａが形成され、下部２７ｂの底部からフランジ２７ｂａの上面までの高さは、下部２７ｂの底部から各下部ステージ２８の上面である載置面２８ａまでの高さよりも低い。下部ステージ２８にはステージヒータ（加熱装置）及び放熱用のヒートシンク（冷却装置）（ともに図示しない）が内蔵される。また、複数の下部ステージ２８の各々は複数の内側トレイ１６ａの各々に一対一で対応して配設される。すなわち、三次元実装装置１１は８つの下部ステージ２８を備える。複数の下部ステージ２８の各々の載置面２８ａには１つの内側トレイ１６ａが載置され、載置面２８ａは水平に維持される。
【００２９】
チャンバ２７の上部２７ａは、基部３１から立設する柱部３５によって固定的に支持された天井板３６からロッド３７を介してチャンバアクチュエータ３８によって釣支され、該チャンバアクチュエータ３８はロッド３７の突出量を調整して上部２７ａの上下方向の移動を制御する。また、上部２７ａの側壁の外側には、下方に向けて突出するＬ字型のフック４４の突出量及び回転を制御するフックアクチュエータ４５が配置される。
【００３０】
複数のチャック２９の各々は、下部ステージ２８に載置された内側トレイ１６ａの配置面１６ａａに配置された１つの積層チップ２１に一対一で対応して配設され、図４に示すように、積層チップ２１の上面と当接するチャック面２９ａ（当接面）を有するチャックヘッド２９ｂ（当接部）と、該チャックヘッド２９ｂを支持するチャックベース２９ｃ（支持部）を有し、チャックヘッド２９ｂにはチャックヒータ（加熱装置）及び放熱用のヒートシンク（冷却装置）（ともに図示しない）が内蔵される。
【００３１】
チャックヘッド２９ｂはチャック面２９ａと反対側において球欠状の凸部２９ｄを有し、チャック２９ｃは球欠状の凹部２９ｅを有し、該凹部２９ｅに凸部２９ｄが嵌合される。本実施の形態では、凹部２９ｅの曲率半径は凸部２９ｄの曲率半径よりもわずかに大きく設定されるため、凸部２９ｄが凹部２９ｅへ嵌合され、且つ凸部２９ｄは凹部２９ｅ内において該凹部２９ｅの球欠表面をなぞるように動く。これにより、チャックヘッド２９ｂはチャックベース２９ｃに対して自在に向きを変更する。また、各チャック２９は、上部２７ａの天井部からロッド４２によって釣支され、当該天井部に固定され且つロッド４２の突出量を制御するチャックアクチュエータ４３によって上下方向の移動が制御される。
【００３２】
本実施の形態では、チャンバアクチュエータ３８、チャックアクチュエータ４３及びフックアクチュエータ４５はそれぞれ動力源として電気モータ（図示しない）を内蔵し、該電気モータによってロッド３７，４２やフック４４の突出量を制御する。なお、各アクチュエータは動力源として電気モータではなく、エアシリンダーや電磁バネ等を内蔵していてもよい。
【００３３】
図５は、図４のチャックによる積層チップの押圧の様子を示す工程図である。
【００３４】
まず、ロッド４２がチャックアクチュエータ４３によって繰り出されてチャック２９が、配置面１６ａａ上の積層チップ２１に当接するが、図５（Ａ）に示すように、チャック２９のチャック面２９ａが水平である一方、積層チップ２１の上面が傾いている場合、チャック面２９ａが水平のままではチャック２９によって積層チップ２１を適切に押圧するのは困難である。
【００３５】
しかしながら、上述したように、チャックヘッド２９ｂはチャックベース２９ｃに対して向きを自在に変更することができるため、チャック面２９ａが積層チップ２１の上面に接触すると、図５（Ｂ）に示すように、チャックヘッド２９ｂはチャック面２９ａの全面が積層チップ２１の上面と万遍なく当接するように向きを変える。これにより、積層チップ２１の上面に万遍なく押圧力を負荷することができるため、チャック２９は積層チップ２１を適切に押圧することができ、適切に圧縮された積層チップ２１を得ることができる（図５（Ｃ））。
【００３６】
また、図５（Ａ）に示すような上面が傾いた積層チップ２１を押圧した後、チャックヘッド２９ｂのチャック面２９ａは傾いたままとなるため、次に押圧する積層チップ２１の上面が水平だった場合、押圧工程の初期において積層チップ２１を適切に押圧できないことがある。
【００３７】
本実施の形態では、これに対応して、チャックヘッド２９ｂのチャック面２９ａが傾いた場合、積層チップ２１を押圧する前に該チャック面２９ａを水平に戻す。
【００３８】
図６は、図４のチャックにおけるチャックヘッドのチャック面を水平に戻す処理を示す工程図である。
【００３９】
まず、搬送トレイ１６をチャンバ２７から搬出した後、該チャンバ２７に新たな搬送トレイ１６を搬入することなく、各下部ステージ２８の載置面２８ａをチャック面２９ａが傾いた各チャック２９と対向させる（図６（Ａ））。
【００４０】
次いで、チャックアクチュエータ４３によってチャック２９を降下させて載置面２８ａに当接させる。このとき、チャック面２９ａが載置面２８ａに密着するように載置面２８ａと当接するチャックヘッド２９ｂの向きが変わるが、載置面２８ａは水平に維持されているので、チャック面２９ａも水平に戻る（図６（Ｂ））。
【００４１】
次いで、チャックアクチュエータ４３によってチャック２９を上昇させて載置面２８ａから離間させる（図６（Ｃ））。
【００４２】
したがって、チャック２９のチャック面２９ａが傾いた場合、図６の処理を実行することにより、チャック面２９ａを水平に戻すことができ、もって、上面が傾いた積層チップ２１を押圧した後に、上面が水平な積層チップ２１を押圧する場合であっても、いずれの積層チップ２１も適切に押圧することができる。
【００４３】
なお、図６の処理では、チャック２９のチャック面２９ａを下部ステージ２８の載置面２８ａに当接させたが、水平面を有する部材をチャンバ２７へ搬入して各下部ステージ２８に載置させ、該部材の水平面へチャック面２９ａを当接させて当該チャック面２９ａを水平にしてもよい。
【００４４】
三次元実装装置１１では、チャンバ２７が上部２７ａ及び下部２７ｂに分割された際、ベルトコンベア１２によって搬送トレイ１６が上部２７ａ及び下部２７ｂの間に搬入され、搬入された搬送トレイ１６は複数の内側トレイ１６ａの各々が複数の下部ステージ２８の各々と対向するように位置が調整される。本実施の形態では、各内側トレイ１６ａの大きさは、全ての内側トレイ１６ａがチャンバ２７内に全て収容できるように設定されており、これにより、搬送トレイ１６が上部２７ａ及び下部２７ｂの間に搬入される際、チャンバ２７の上部２７ａの側壁部及び下部２７ｂの側壁部に間には外側トレイ１６ｂが存在する。また、本実施の形態では、各下部ステージ２８は各内側トレイ１６ａよりも小さくなるように大きさが設定される。
【００４５】
次に、図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法について説明する。
【００４６】
図７、図８、図９は、図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【００４７】
まず、図７（Ａ）に示すように、搬送トレイ１６が上部２７ａ及び下部２７ｂの間に搬入された後、チャンバアクチュエータ３８がチャンバ２７の上部２７ａを降下させてＬ字型のフック４４の先端を下部２７ｂのフランジ２７ｂａよりも下方に位置させる。その後、図７（Ｂ）に示すように、フックアクチュエータ４５がＬ字型のフック４４を回転させて該フック４４の先端におけるＬ字部をフランジ２７ｂａへ係合させる。
【００４８】
次いで、図８（Ａ）に示すように、フックアクチュエータ４５がＬ字型のフック４４の突出量を少なくすることによってチャンバ２７の下部２７ｂを、該下部２７ｂのフランジ２７ｂａが外側トレイ１６ｂに当接するまで引き上げる。このとき、下部２７ｂの底部からフランジ２７ｂａの上面までの高さは、下部２７ｂの底部から各下部ステージ２８の載置面２８ａまでの高さよりも低いため、フランジ２７ｂａの外側トレイ１６ｂへの当接よりも先に、各下部ステージ２８の載置面２８ａが各内側トレイ１６ａへ当接するが、上述したように、各内側トレイ１６ａ及び外側トレイ１６ｂは互いに固定されておらず、各下部ステージ２８は各内側トレイ１６ａよりも小さいため、各内側トレイ１６ａのみが各下部ステージ２８の載置面２８ａに載置され、各下部ステージ２８によって持ち上げられて外側トレイ１６ｂから離間する。各下部ステージ２８の載置面２８ａは水平に維持されているため、載置面２８ａに載置された各内側トレイ１６ａの配置面１６ａａも水平となる。また、各内側トレイ１６ａは各下部ステージ２８の載置面２８ａへ真空吸着又は静電吸着によって吸着される。
【００４９】
次いで、図８（Ｂ）に示すように、下部２７ｂのフランジ２７ｂａが外側トレイ１６ｂに当接した後も、フックアクチュエータ４５によって下部２７ｂを引き上げ続けるとともに、チャンバアクチュエータ３８がチャンバ２７の上部２７ａを降下させて下部２７ｂの側壁部及び上部２７ａの側壁部の間に外側トレイ１６ｂを挟み込み、チャンバ２７内を外部から密閉する。このとき、外側トレイ１６ｂはフランジ２７ｂａによって持ち上げられてフレーム１６ｃから離間する。
【００５０】
次いで、図９（Ａ）に示すように、各チャックアクチュエータ４３によって各チャック２９を降下させ、各チャック２９はチャック面２９ａによって各配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１を所定の圧力で押圧する。また、このとき、排気管３０によってチャンバ２７内を真空引きして減圧し、チャックヘッド２９ｂ内のチャックヒータ及び下部ステージ２８内のステージヒータを発熱させて各積層チップ２１を加熱することによって各積層チップ２１へリフロー処理を施す。これにより、各積層チップ２１において各半田バンプ２４が溶融して各電極パッド２６と接合されて半導体デバイスが製造される。
【００５１】
各積層チップ２１から半導体デバイスが製造された後、図９（Ｂ）に示すように、チャックアクチュエータ４３によってチャック２９を引き上げ、チャンバアクチュエータ３８によってチャンバ２７の上部２７ａを引き上げ、さらに、フックアクチュエータ４５によってフック４４を回転させてチャンバ２７の下部２７ｂにおけるフランジ２７ｂａ及びフック４４の先端におけるＬ字部の係合を解消して下部２７ｂを降下させる。これにより、チャンバ２７を上部２７ａ及び下部２７ｂへ分割して搬送トレイ１６の移動経路から退出させるとともに、外側トレイ１６ｂをフレーム１６ｃへ載置させ、内側トレイ１６ａを外側トレイ１６ｂへ載置させる。
【００５２】
その後、ベルトコンベア１２によって搬送トレイ１６を移動させて上部２７ａ及び下部２７ｂの間から搬出して本処理を終了する。
【００５３】
上述した三次元実装装置１１では、複数の積層チップ２１が１つずつ配置される配置面１６ａａを各々有する複数の内側トレイ１６ａを載置する複数の下部ステージ２８、及びチャック面２９ａを各々有する各チャック２９が各下部ステージ２８及び各チャック２９の間を詰めるように移動し、各下部ステージ２８及び各チャック２９はそれぞれステージヒータ，チャックヒータを内蔵するので、複数の配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１が同時に押圧され且つ加熱されてリフロー処理が施される。その結果、同時に複数の半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットをさらに向上することができる。また、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットがさらに向上するので、積層チップ２１の加熱や冷却を行う時間を十分に確保でき、もって、半田の溶融形態、凝固形態を安定させることができる。その結果、製造される半導体デバイスの品質の低下を防止できる。
【００５４】
上述した三次元実装装置１１では、複数の下部ステージ２８の各々は複数の内側トレイ１６ａの各々に一対一で対応して配設され、複数のチャック２９の各々は、複数の配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１の各々に一対一で対応して配設されるので、各積層チップ２１を他の積層チップ２１から独立して押圧することができ、各積層チップ２１の高さが異なっても、各積層チップ２１を確実に押圧することができる。これにより、製造される各半導体デバイスの品質にばらつきが生じるのを防止できる。
【００５５】
また、三次元実装装置１１では、内側トレイ１６ａがチャンバ２７に収容される際、各内側トレイ１６ａはチャンバ２７の上部２７ａ及び下部２７ｂに挟まれた外側トレイ１６ｂから離間するので、各内側トレイ１６ａは外側トレイ１６ｂに拘束されることなく、チャック２９及び下部ステージ２８によって押圧される。その結果、複数の配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１を確実に押圧することができる。
【００５６】
さらに、三次元実装装置１１では、チャンバ２７内で配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１へリフロー処理が施された後、搬送トレイ１６が移動する際、チャンバ２７は分割されて搬送トレイ１６の移動経路から退出するので、複数の配置面１６ａａに複数の半導体デバイスを配置したまま搬送トレイ１６は移動することができる。その結果、半導体デバイスの製造のスループットをより向上することができる。
【００５７】
また、三次元実装装置１１では、各積層チップ２１へリフロー処理が施される際、チャンバ２７内が真空引きされて減圧されるため、低酸素状態で半田バンプ２４及び電極パッド２６の溶融接合を行うことができ、もって電極パッド２６の酸化を防止することができる。また、各半田バンプ２４の表面のフラックスの蒸発を促進することができるとともに、溶融した半田バンプ２４中に生じる気泡を除去することができる。なお、低酸素状態への移行を促進するために、チャンバ２７にＮ２導入口を設け、リフロー処理の際、チャンバ２７内へＮ２ガスを導入してもよい。
【００５８】
以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００５９】
上述した実施の形態では、１つの搬送トレイ１６に８つの積層チップ２１が載置され、三次元実装装置１１において８つの積層チップ２１へ同時にリフロー処理を施すが、搬送トレイ数は１つに限られず、例えば、図１０に示すように、２つの搬送トレイ４８を設け、各搬送トレイ４８のそれぞれに４つの積層チップ２１が載置され、各搬送トレイ４８に対応して設けられた三次元実装装置の２つのチャンバ４９のそれぞれが４つの積層チップ２１を収容して同時にリフロー処理を施してもよい。
【００６０】
また、三次元実装装置１１が、積層チップ２１が押圧される際にチャックアクチュエータ４３が積層チップ２１へ加える荷重を検出可能な荷重検出機構（図示しない）を備え、該荷重検出機構が検出した荷重に基づいてチャックアクチュエータ４３が加える荷重を安定させるためにチャックアクチュエータ４３の動力源を制御してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 積層装置
１１ 三次元実装装置
１２ ベルトコンベア
１３ チップ
１６ 搬送トレイ
１６ａ 内側トレイ
１６ａａ 配置面
１６ｂ 外側トレイ
１６ｃ フレーム
２１ 積層チップ
２７ チャンバ
２７ａ 上部
２７ｂ 下部
２８ 下部ステージ
２９ チャック
２９ａ チャック面
２９ｂ チャックヘッド
２９ｃ チャックベース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のチップを積層する三次元実装装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスのフットプリントを低減するために、複数のＩＣ基板（チップ）を積層して半導体デバイスを製造する三次元実装方法が開発されている。この三次元実装方法では、各チップにおいて当該チップを厚み方向に貫通する導体からなる配線、例えば、ＴＳＶ（Through Silicon Via）が形成され、一のチップの配線の端部に形成された電極パッドが他のチップの配線の端部に形成された半田バンプと接合されて三次元的に回路が形成される。三次元実装方法としては、ＣＯＷ（Chip On Wafer）工法やＣＯＣ（Chip On Chip）工法等が知られている。いずれの工法においても、積層するチップのずれを防止するために、各チップ同士の本接合に先立って各チップ同士を仮接合し、仮接合された複数のチップ同士をリフローによって本接合することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この三次元実装方法では、１つのチャンバ、例えば、リフロー炉内において半導体デバイスを構成する積層された複数のチップの組（以下、「積層チップ」という。）を１つずつリフローするが、スループット向上の観点から１つの積層チップのリフローは数秒以内に行われ、リフローのための積層チップの加熱やリフロー後の積層チップの冷却も急速に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１０９９５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、１つの積層チップのリフローが数秒以内に行われているため、これ以上リフローを行う時間を短くしてスループットを向上することは困難である。また、積層チップにおける急速加熱や急速冷却は、半田の溶融形態、凝固形態を不安定にするため、製造される半導体デバイスにおいて半田の結晶状態を理想状態とすることができず、凝固した半田において残留応力を生じさせ、半田内において気泡（ボイド）を発生させ易くなり、積層チップから製造される半導体デバイスの品質を低下させるという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、半導体デバイスの製造のスループットをさらに向上できるとともに、製造される半導体デバイスの品質の低下を防止できる三次元実装装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の三次元実装装置は、基部、及び該基部から分離可能に構成され且つ平面からなる配置面を各々有する複数の分離部を有し、前記複数の分離部の各々における前記配置面には複数のチップが積層されてなるチップの組である積層チップが１つずつ配置され、各前記配置面に配置された各前記積層チップを搬送する搬送部と、前記複数の分離部を収容する収容室と、前記収容室内において、前記複数の分離部を載置する複数の載置部と、前記収容室内において、前記複数の載置部に載置された前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップと対向する複数の押圧部とを備える三次元実装装置であって、前記複数の載置部の各々及び前記複数の押圧部の各々はそれぞれ加熱装置及び冷却装置を内蔵し、前記複数の載置部の各々は前記複数の分離部の各々に一対一で対応して配設され、前記複数の押圧部の各々は、各前記配置面に配置された各前記積層チップの各々に一対一で対応して配設され、前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の少なくとも一方が前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の間を詰めるように移動することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の三次元実装装置は、請求項１記載の三次元実装装置において、前記複数の押圧部の各々は、前記積層チップの上面と当接する当接部と、該当接部を支持する支持部とを有し、前記支持部は球欠状の凹部を有し、前記当接部は球欠状の凸部を有し、前記凹部に前記凸部が嵌合されて前記支持部へ前記当接部が取り付けられることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の三次元実装装置は、請求項２記載の三次元実装装置において、前記押圧部の前記当接部における前記積層チップとの当接面が傾いた場合、前記当接部を水平面を有する部材に押し当てて前記当接面を水平にすることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の三次元実装装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元実装装置において、前記収容室は上部及び下部に分割可能であり、前記搬送部の前記基部には所定の方向に前記搬送部を移動させるための移動力が負荷され、前記収容室内で前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップへ処理が施された後、前記搬送部が前記所定の方向に移動する際、前記収容室は分割されて前記搬送部の移動経路から退出することを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の三次元実装装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元実装装置において、前記複数の分離部が前記収容室に収容される際、前記基部は前記収容室の上部及び下部に挟まれ、且つ前記複数の分離部は前記挟まれた基部から離間することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、積層チップが１つずつ配置される配置面を各々有する複数の分離部を載置する複数の載置部、及び複数の分離部における配置面に配置された各積層チップと対向する複数の押圧部の少なくとも一方が、複数の載置部及び複数の押圧部の間を詰めるように移動し、複数の載置部の各々及び複数の押圧部の各々はそれぞれ加熱装置を内蔵するので、複数の分離部に配置された複数の積層チップが同時に押圧され且つ加熱される。その結果、同時に複数の半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットをさらに向上することができる。また、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットがさらに向上するので、積層チップの加熱や冷却を行う時間を十分に確保でき、もって、半田の溶融形態、凝固形態を安定させることができる。その結果、製造される半導体デバイスの品質の低下を防止できる。
【００１３】
また、複数の載置部の各々は複数の分離部の各々に一対一で対応して配設され、複数の押圧部の各々は、各配置面に配置された各積層チップの各々に一対一で対応して配設されるので、各積層チップを他の積層チップから独立して押圧することができ、各積層チップの高さが異なっても、各積層チップを確実に押圧することができる。その結果、製造される各半導体デバイスの品質にばらつきが生じるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る三次元実装装置及びチップの積層装置の配置状態を示す平面図である。
【図２】図１における三次元実装装置がリフロー処理を施す積層チップの構成を概略的に示す断面図であり、図２（Ａ）はリフロー処理を施す前の構成を示し、図２（Ｂ）はリフロー処理を施した後の構成を示す。
【図３】図１における線III−IIIに沿う断面図である。
【図４】図３におけるチャックの構成を概略的に示す拡大断面図である。
【図５】図４のチャックによる積層チップの押圧の様子を示す工程図である。
【図６】図４のチャックにおけるチャックヘッドのチャック面を水平に戻す処理を示す工程図である。
【図７】図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【図８】図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【図９】図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【図１０】２つの搬送トレイが設けられた場合を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
まず、本発明の実施の形態に係る三次元実装装置について説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係る三次元実装装置及びチップの積層装置の配置状態を示す平面図である。なお、図１では、説明を簡単にするために、積層装置及び三次元実装装置のいずれも上部機構を取り除いた状態で示されている。
【００１８】
図１において、チップの積層装置１０と三次元実装装置１１とは一列に配置され、積層装置１０及び三次元実装装置１１の間にはベルトコンベア１２が張り渡されている。積層装置１０は、複数のＩＣ回路（チップ）１３が並べられたダイシングフィルム１４を載置するチップ置き場１５と、ベルトコンベア１２に担持された搬送トレイ１６（搬送部）と、チップ１３を移動させるピックアップユニット１７と、半田ペーストが満たされている浸漬ユニット１８と、ピックアップユニット１７にピックされたチップ１３の下面を撮影するカメラユニット１９と、チップ１３の種類に応じて交換されるピックアップユニット１７の各種ヘッドツールが載置されるツール交換ユニット２０とを備える。
【００１９】
積層装置１０では、ピックアップユニット１７が、チップ置き場１５からチップ１３を１つピックして浸漬ユニット１８へ移動させ、チップ１３の下面を半田ペーストに浸漬させて該下面に半田ペーストを付着させ、さらに、チップ１３をカメラユニット１９へ移動させてチップ１３の下面を撮影させ、該下面に付着した半田ペーストの状態を確認する。その後、チップ１３を搬送トレイ１６へ移動させて該搬送トレイ１６上に既に配置されている他のチップ１３の上に重ね置く。これにより、搬送トレイ１６上において、複数のチップ１３が積層されたチップの組（以下、「積層チップ」という。）２１が構成される。本実施の形態では、搬送トレイ１６上において８つの積層チップ２１が構成される。
【００２０】
搬送トレイ１６は、８つの積層チップ２１に対応して設けられた方形のステンレス板からなる８つの内側トレイ１６ａ（分離部）と、該内側トレイ１６ａを囲むステンレス板からなる外側トレイ１６ｂ（基部）と、該外側トレイ１６ｂを囲む枠状のフレーム１６ｃ（基部）とからなる。搬送トレイ１６では、外側トレイ１６ｂに８つの方形の貫通穴が設けられ、該貫通穴の１つ１つに内側トレイ１６ａが１つずつ挿嵌される。各内側トレイ１６ａの外周縁部は外側トレイ１６ｂの各貫通穴の内縁部に載置されるだけであり、内側トレイ１６ａ及び外側トレイ１６ｂは互いに固定されておらず、外側トレイ１６ｂの外縁部がフレーム１６ｃに載置されるだけであり、外側トレイ１６ｂ及びフレーム１６ｃは互いに固定されていない（図３等参照。）。各内側トレイ１６ａの各々における表面である配置面１６ａａには積層チップ２１が１つずつ配置され、フレーム１６ｃにはベルトコンベア１２が連結され、該ベルトコンベア１２が三次元実装装置１１へ向けて駆動力をフレーム１６ｃへ負荷することにより、搬送トレイ１６は積層装置１０から三次元実装装置１１へ移動する。
【００２１】
三次元実装装置１１へ移動した搬送トレイ１６のうち、内側トレイ１６ａはチャンバ２７に収容されて、該チャンバ２７内おいて各積層チップ２１にリフロー処理が施される。三次元実装装置１１の構成、作用の詳細については後述する。
【００２２】
図２は、図１における三次元実装装置がリフロー処理を施す積層チップの構成を概略的に示す断面図であり、図２（Ａ）はリフロー処理を施す前の構成を示し、図２（Ｂ）はリフロー処理を施した後の構成を示す。
【００２３】
図２（Ａ）に示すように、積層チップ２１は、一番下に配置された、ベースチップ２２に複数のチップ１３を積層して構成される。ベースチップ２２の上面には複数の電極パッド２３が形成され、各チップ１３の下面には複数の半田バンプ２４が形成されるとともに、該半田バンプ２４を避けるようにストッパー２５が形成される一方、チップ１３の上面には複数の電極パッド２６が形成される。チップ１３の下面の半田バンプ２４は、チップ１３の下面に付着した半田ペーストによって形成される。また、各半田バンプ２４の表面にはフラックス（図示しない）の層が形成されている。各チップ１３において下面の半田バンプ２４は上面の電極パッド２６と当該チップ１３を厚み方向に貫通する配線、例えば、ＴＳＶ（図示しない）によって接続される。
【００２４】
積層チップ２１が構成される際、ベースチップ２２の上面の各電極パッド２３にチップ１３の下面の各半田バンプ２４を当接させるようにベースチップ２２へチップ１３を重ね、さらに、チップ１３の上面の各電極パッド２６に他のチップ１３の下面の各半田バンプ２４を当接させるようにベースチップ２２へチップ１３を重ね、以後、チップ１３の積み重ねを繰り返す。このとき、電極パッド２６及び半田バンプ２４の厚さの合計はストッパー２５の厚さよりも大きいため、積層チップ２１へリフロー処理を施す前は、下のチップ１３の上面に上のチップ１３のストッパー２５が当接することはない。
【００２５】
一方、積層チップ２１へリフロー処理を施すと、上のチップ１３の半田バンプ２４が溶融して下のチップ１３の電極パッド２６と接合されるが、このとき、半田バンプ２４の形状が崩れるため、上のチップ１３は下のチップ１３へ向けて沈下し、上のチップ１３のストッパー２５が下のチップ１３の上面に当接する（図２（Ｂ））。これにより、積層チップ２１から半導体デバイスが製造される。
【００２６】
図３は、図１における線III−IIIに沿う断面図であり、図１における三次元実装装置の構成を概略的に示す。
【００２７】
図３において、三次元実装装置１１は、搬送トレイ１６における各内側トレイ１６ａを収容するチャンバ２７（収容室）と、チャンバ２７の底部から上方に向けて立設される複数のシャフト４１によって支持される複数のテーブル状の下部ステージ２８（載置部）と、チャンバ２７の天井部において各下部ステージ２８と対向して配設される複数の略円柱状のチャック２９（押圧部）と、チャンバ２７内のガスを排出してチャンバ２７内の圧力を調整する排気管３０とを備える。これらの他に、三次元実装装置１１は真空ポンプ、圧力計、流量計、レギュレータ等を備えるか、またはこれらの機器へ接続される。
【００２８】
チャンバ２７は上部２７ａ及び下部２７ｂに分割可能であり、チャンバ２７が分割される際、下部２７ｂは三次元実装装置１１の基部３１からピラー３２を介して支持される。下部２７ｂの側壁の頂部には外側に向かうフランジ２７ｂａが形成され、下部２７ｂの底部からフランジ２７ｂａの上面までの高さは、下部２７ｂの底部から各下部ステージ２８の上面である載置面２８ａまでの高さよりも低い。下部ステージ２８にはステージヒータ（加熱装置）及び放熱用のヒートシンク（冷却装置）（ともに図示しない）が内蔵される。また、複数の下部ステージ２８の各々は複数の内側トレイ１６ａの各々に一対一で対応して配設される。すなわち、三次元実装装置１１は８つの下部ステージ２８を備える。複数の下部ステージ２８の各々の載置面２８ａには１つの内側トレイ１６ａが載置され、載置面２８ａは水平に維持される。
【００２９】
チャンバ２７の上部２７ａは、基部３１から立設する柱部３５によって固定的に支持された天井板３６からロッド３７を介してチャンバアクチュエータ３８によって釣支され、該チャンバアクチュエータ３８はロッド３７の突出量を調整して上部２７ａの上下方向の移動を制御する。また、上部２７ａの側壁の外側には、下方に向けて突出するＬ字型のフック４４の突出量及び回転を制御するフックアクチュエータ４５が配置される。
【００３０】
複数のチャック２９の各々は、下部ステージ２８に載置された内側トレイ１６ａの配置面１６ａａに配置された１つの積層チップ２１に一対一で対応して配設され、図４に示すように、積層チップ２１の上面と当接するチャック面２９ａ（当接面）を有するチャックヘッド２９ｂ（当接部）と、該チャックヘッド２９ｂを支持するチャックベース２９ｃ（支持部）を有し、チャックヘッド２９ｂにはチャックヒータ（加熱装置）及び放熱用のヒートシンク（冷却装置）（ともに図示しない）が内蔵される。
【００３１】
チャックヘッド２９ｂはチャック面２９ａと反対側において球欠状の凸部２９ｄを有し、チャック２９ｃは球欠状の凹部２９ｅを有し、該凹部２９ｅに凸部２９ｄが嵌合される。本実施の形態では、凹部２９ｅの曲率半径は凸部２９ｄの曲率半径よりもわずかに大きく設定されるため、凸部２９ｄが凹部２９ｅへ嵌合され、且つ凸部２９ｄは凹部２９ｅ内において該凹部２９ｅの球欠表面をなぞるように動く。これにより、チャックヘッド２９ｂはチャックベース２９ｃに対して自在に向きを変更する。また、各チャック２９は、上部２７ａの天井部からロッド４２によって釣支され、当該天井部に固定され且つロッド４２の突出量を制御するチャックアクチュエータ４３によって上下方向の移動が制御される。
【００３２】
本実施の形態では、チャンバアクチュエータ３８、チャックアクチュエータ４３及びフックアクチュエータ４５はそれぞれ動力源として電気モータ（図示しない）を内蔵し、該電気モータによってロッド３７，４２やフック４４の突出量を制御する。なお、各アクチュエータは動力源として電気モータではなく、エアシリンダーや電磁バネ等を内蔵していてもよい。
【００３３】
図５は、図４のチャックによる積層チップの押圧の様子を示す工程図である。
【００３４】
まず、ロッド４２がチャックアクチュエータ４３によって繰り出されてチャック２９が、配置面１６ａａ上の積層チップ２１に当接するが、図５（Ａ）に示すように、チャック２９のチャック面２９ａが水平である一方、積層チップ２１の上面が傾いている場合、チャック面２９ａが水平のままではチャック２９によって積層チップ２１を適切に押圧するのは困難である。
【００３５】
しかしながら、上述したように、チャックヘッド２９ｂはチャックベース２９ｃに対して向きを自在に変更することができるため、チャック面２９ａが積層チップ２１の上面に接触すると、図５（Ｂ）に示すように、チャックヘッド２９ｂはチャック面２９ａの全面が積層チップ２１の上面と万遍なく当接するように向きを変える。これにより、積層チップ２１の上面に万遍なく押圧力を負荷することができるため、チャック２９は積層チップ２１を適切に押圧することができ、適切に圧縮された積層チップ２１を得ることができる（図５（Ｃ））。
【００３６】
また、図５（Ａ）に示すような上面が傾いた積層チップ２１を押圧した後、チャックヘッド２９ｂのチャック面２９ａは傾いたままとなるため、次に押圧する積層チップ２１の上面が水平だった場合、押圧工程の初期において積層チップ２１を適切に押圧できないことがある。
【００３７】
本実施の形態では、これに対応して、チャックヘッド２９ｂのチャック面２９ａが傾いた場合、積層チップ２１を押圧する前に該チャック面２９ａを水平に戻す。
【００３８】
図６は、図４のチャックにおけるチャックヘッドのチャック面を水平に戻す処理を示す工程図である。
【００３９】
まず、搬送トレイ１６をチャンバ２７から搬出した後、該チャンバ２７に新たな搬送トレイ１６を搬入することなく、各下部ステージ２８の載置面２８ａをチャック面２９ａが傾いた各チャック２９と対向させる（図６（Ａ））。
【００４０】
次いで、チャックアクチュエータ４３によってチャック２９を降下させて載置面２８ａに当接させる。このとき、チャック面２９ａが載置面２８ａに密着するように載置面２８ａと当接するチャックヘッド２９ｂの向きが変わるが、載置面２８ａは水平に維持されているので、チャック面２９ａも水平に戻る（図６（Ｂ））。
【００４１】
次いで、チャックアクチュエータ４３によってチャック２９を上昇させて載置面２８ａから離間させる（図６（Ｃ））。
【００４２】
したがって、チャック２９のチャック面２９ａが傾いた場合、図６の処理を実行することにより、チャック面２９ａを水平に戻すことができ、もって、上面が傾いた積層チップ２１を押圧した後に、上面が水平な積層チップ２１を押圧する場合であっても、いずれの積層チップ２１も適切に押圧することができる。
【００４３】
なお、図６の処理では、チャック２９のチャック面２９ａを下部ステージ２８の載置面２８ａに当接させたが、水平面を有する部材をチャンバ２７へ搬入して各下部ステージ２８に載置させ、該部材の水平面へチャック面２９ａを当接させて当該チャック面２９ａを水平にしてもよい。
【００４４】
三次元実装装置１１では、チャンバ２７が上部２７ａ及び下部２７ｂに分割された際、ベルトコンベア１２によって搬送トレイ１６が上部２７ａ及び下部２７ｂの間に搬入され、搬入された搬送トレイ１６は複数の内側トレイ１６ａの各々が複数の下部ステージ２８の各々と対向するように位置が調整される。本実施の形態では、各内側トレイ１６ａの大きさは、全ての内側トレイ１６ａがチャンバ２７内に全て収容できるように設定されており、これにより、搬送トレイ１６が上部２７ａ及び下部２７ｂの間に搬入される際、チャンバ２７の上部２７ａの側壁部及び下部２７ｂの側壁部に間には外側トレイ１６ｂが存在する。また、本実施の形態では、各下部ステージ２８は各内側トレイ１６ａよりも小さくなるように大きさが設定される。
【００４５】
次に、図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法について説明する。
【００４６】
図７、図８、図９は、図３の三次元実装装置が実行する積層チップの三次元実装方法の工程を説明するための図である。
【００４７】
まず、図７（Ａ）に示すように、搬送トレイ１６が上部２７ａ及び下部２７ｂの間に搬入された後、チャンバアクチュエータ３８がチャンバ２７の上部２７ａを降下させてＬ字型のフック４４の先端を下部２７ｂのフランジ２７ｂａよりも下方に位置させる。その後、図７（Ｂ）に示すように、フックアクチュエータ４５がＬ字型のフック４４を回転させて該フック４４の先端におけるＬ字部をフランジ２７ｂａへ係合させる。
【００４８】
次いで、図８（Ａ）に示すように、フックアクチュエータ４５がＬ字型のフック４４の突出量を少なくすることによってチャンバ２７の下部２７ｂを、該下部２７ｂのフランジ２７ｂａが外側トレイ１６ｂに当接するまで引き上げる。このとき、下部２７ｂの底部からフランジ２７ｂａの上面までの高さは、下部２７ｂの底部から各下部ステージ２８の載置面２８ａまでの高さよりも低いため、フランジ２７ｂａの外側トレイ１６ｂへの当接よりも先に、各下部ステージ２８の載置面２８ａが各内側トレイ１６ａへ当接するが、上述したように、各内側トレイ１６ａ及び外側トレイ１６ｂは互いに固定されておらず、各下部ステージ２８は各内側トレイ１６ａよりも小さいため、各内側トレイ１６ａのみが各下部ステージ２８の載置面２８ａに載置され、各下部ステージ２８によって持ち上げられて外側トレイ１６ｂから離間する。各下部ステージ２８の載置面２８ａは水平に維持されているため、載置面２８ａに載置された各内側トレイ１６ａの配置面１６ａａも水平となる。また、各内側トレイ１６ａは各下部ステージ２８の載置面２８ａへ真空吸着又は静電吸着によって吸着される。
【００４９】
次いで、図８（Ｂ）に示すように、下部２７ｂのフランジ２７ｂａが外側トレイ１６ｂに当接した後も、フックアクチュエータ４５によって下部２７ｂを引き上げ続けるとともに、チャンバアクチュエータ３８がチャンバ２７の上部２７ａを降下させて下部２７ｂの側壁部及び上部２７ａの側壁部の間に外側トレイ１６ｂを挟み込み、チャンバ２７内を外部から密閉する。このとき、外側トレイ１６ｂはフランジ２７ｂａによって持ち上げられてフレーム１６ｃから離間する。
【００５０】
次いで、図９（Ａ）に示すように、各チャックアクチュエータ４３によって各チャック２９を降下させ、各チャック２９はチャック面２９ａによって各配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１を所定の圧力で押圧する。また、このとき、排気管３０によってチャンバ２７内を真空引きして減圧し、チャックヘッド２９ｂ内のチャックヒータ及び下部ステージ２８内のステージヒータを発熱させて各積層チップ２１を加熱することによって各積層チップ２１へリフロー処理を施す。これにより、各積層チップ２１において各半田バンプ２４が溶融して各電極パッド２６と接合されて半導体デバイスが製造される。
【００５１】
各積層チップ２１から半導体デバイスが製造された後、図９（Ｂ）に示すように、チャックアクチュエータ４３によってチャック２９を引き上げ、チャンバアクチュエータ３８によってチャンバ２７の上部２７ａを引き上げ、さらに、フックアクチュエータ４５によってフック４４を回転させてチャンバ２７の下部２７ｂにおけるフランジ２７ｂａ及びフック４４の先端におけるＬ字部の係合を解消して下部２７ｂを降下させる。これにより、チャンバ２７を上部２７ａ及び下部２７ｂへ分割して搬送トレイ１６の移動経路から退出させるとともに、外側トレイ１６ｂをフレーム１６ｃへ載置させ、内側トレイ１６ａを外側トレイ１６ｂへ載置させる。
【００５２】
その後、ベルトコンベア１２によって搬送トレイ１６を移動させて上部２７ａ及び下部２７ｂの間から搬出して本処理を終了する。
【００５３】
上述した三次元実装装置１１では、複数の積層チップ２１が１つずつ配置される配置面１６ａａを各々有する複数の内側トレイ１６ａを載置する複数の下部ステージ２８、及びチャック面２９ａを各々有する各チャック２９が各下部ステージ２８及び各チャック２９の間を詰めるように移動し、各下部ステージ２８及び各チャック２９はそれぞれステージヒータ，チャックヒータを内蔵するので、複数の配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１が同時に押圧され且つ加熱されてリフロー処理が施される。その結果、同時に複数の半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットをさらに向上することができる。また、半導体デバイス１つあたりの製造のスループットがさらに向上するので、積層チップ２１の加熱や冷却を行う時間を十分に確保でき、もって、半田の溶融形態、凝固形態を安定させることができる。その結果、製造される半導体デバイスの品質の低下を防止できる。
【００５４】
上述した三次元実装装置１１では、複数の下部ステージ２８の各々は複数の内側トレイ１６ａの各々に一対一で対応して配設され、複数のチャック２９の各々は、複数の配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１の各々に一対一で対応して配設されるので、各積層チップ２１を他の積層チップ２１から独立して押圧することができ、各積層チップ２１の高さが異なっても、各積層チップ２１を確実に押圧することができる。これにより、製造される各半導体デバイスの品質にばらつきが生じるのを防止できる。
【００５５】
また、三次元実装装置１１では、内側トレイ１６ａがチャンバ２７に収容される際、各内側トレイ１６ａはチャンバ２７の上部２７ａ及び下部２７ｂに挟まれた外側トレイ１６ｂから離間するので、各内側トレイ１６ａは外側トレイ１６ｂに拘束されることなく、チャック２９及び下部ステージ２８によって押圧される。その結果、複数の配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１を確実に押圧することができる。
【００５６】
さらに、三次元実装装置１１では、チャンバ２７内で配置面１６ａａに配置された複数の積層チップ２１へリフロー処理が施された後、搬送トレイ１６が移動する際、チャンバ２７は分割されて搬送トレイ１６の移動経路から退出するので、複数の配置面１６ａａに複数の半導体デバイスを配置したまま搬送トレイ１６は移動することができる。その結果、半導体デバイスの製造のスループットをより向上することができる。
【００５７】
また、三次元実装装置１１では、各積層チップ２１へリフロー処理が施される際、チャンバ２７内が真空引きされて減圧されるため、低酸素状態で半田バンプ２４及び電極パッド２６の溶融接合を行うことができ、もって電極パッド２６の酸化を防止することができる。また、各半田バンプ２４の表面のフラックスの蒸発を促進することができるとともに、溶融した半田バンプ２４中に生じる気泡を除去することができる。なお、低酸素状態への移行を促進するために、チャンバ２７にＮ２導入口を設け、リフロー処理の際、チャンバ２７内へＮ２ガスを導入してもよい。
【００５８】
以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００５９】
上述した実施の形態では、１つの搬送トレイ１６に８つの積層チップ２１が載置され、三次元実装装置１１において８つの積層チップ２１へ同時にリフロー処理を施すが、搬送トレイ数は１つに限られず、例えば、図１０に示すように、２つの搬送トレイ４８を設け、各搬送トレイ４８のそれぞれに４つの積層チップ２１が載置され、各搬送トレイ４８に対応して設けられた三次元実装装置の２つのチャンバ４９のそれぞれが４つの積層チップ２１を収容して同時にリフロー処理を施してもよい。
【００６０】
また、三次元実装装置１１が、積層チップ２１が押圧される際にチャックアクチュエータ４３が積層チップ２１へ加える荷重を検出可能な荷重検出機構（図示しない）を備え、該荷重検出機構が検出した荷重に基づいてチャックアクチュエータ４３が加える荷重を安定させるためにチャックアクチュエータ４３の動力源を制御してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 積層装置
１１ 三次元実装装置
１２ ベルトコンベア
１３ チップ
１６ 搬送トレイ
１６ａ 内側トレイ
１６ａａ 配置面
１６ｂ 外側トレイ
１６ｃ フレーム
２１ 積層チップ
２７ チャンバ
２７ａ 上部
２７ｂ 下部
２８ 下部ステージ
２９ チャック
２９ａ チャック面
２９ｂ チャックヘッド
２９ｃ チャックベース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部、及び該基部から分離可能に構成され且つ平面からなる配置面を各々有する複数の分離部を有し、前記複数の分離部の各々における前記配置面には複数のチップが積層されてなるチップの組である積層チップが１つずつ配置され、各前記配置面に配置された各前記積層チップを搬送する搬送部と、
前記複数の分離部を収容する収容室と、
前記収容室内において、前記複数の分離部を載置する複数の載置部と、
前記収容室内において、前記複数の載置部に載置された前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップと対向する複数の押圧部とを備える三次元実装装置であって、
前記複数の載置部の各々及び前記複数の押圧部の各々はそれぞれ加熱装置及び冷却装置を内蔵し、
前記複数の載置部の各々は前記複数の分離部の各々に一対一で対応して配設され、
前記複数の押圧部の各々は、各前記配置面に配置された各前記積層チップの各々に一対一で対応して配設され、
前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の少なくとも一方が前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の間を詰めるように移動することを特徴とする三次元実装装置。
【請求項２】
前記複数の押圧部の各々は、前記積層チップの上面と当接する当接部と、該当接部を支持する支持部とを有し、
前記支持部は球欠状の凹部を有し、前記当接部は球欠状の凸部を有し、前記凹部に前記凸部が嵌合されて前記支持部へ前記当接部が取り付けられることを特徴とする請求項１記載の三次元実装装置。
【請求項３】
前記押圧部の前記当接部における前記積層チップとの当接面が傾いた場合、前記当接部を水平面を有する部材に押し当てて前記当接面を水平にすることを特徴とする請求項２記載の三次元実装装置。
【請求項４】
前記収容室は上部及び下部に分割可能であり、
前記搬送部の前記基部には所定の方向に前記搬送部を移動させるための移動力が負荷され、
前記収容室内で前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップへ処理が施された後、前記搬送部が前記所定の方向に移動する際、前記収容室は分割されて前記搬送部の移動経路から退出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元実装装置。
【請求項５】
前記複数の分離部が前記収容室に収容される際、前記基部は前記収容室の上部及び下部に挟まれ、且つ前記複数の分離部は前記挟まれた基部から離間することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元実装装置。
【請求項１】
基部、及び該基部から分離可能に構成され且つ平面からなる配置面を各々有する複数の分離部を有し、前記複数の分離部の各々における前記配置面には複数のチップが積層されてなるチップの組である積層チップが１つずつ配置され、各前記配置面に配置された各前記積層チップを搬送する搬送部と、
前記複数の分離部を収容する収容室と、
前記収容室内において、前記複数の分離部を載置する複数の載置部と、
前記収容室内において、前記複数の載置部に載置された前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップと対向する複数の押圧部とを備える三次元実装装置であって、
前記複数の載置部の各々及び前記複数の押圧部の各々はそれぞれ加熱装置及び冷却装置を内蔵し、
前記複数の載置部の各々は前記複数の分離部の各々に一対一で対応して配設され、
前記複数の押圧部の各々は、各前記配置面に配置された各前記積層チップの各々に一対一で対応して配設され、
前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の少なくとも一方が前記複数の載置部及び前記複数の押圧部の間を詰めるように移動することを特徴とする三次元実装装置。
【請求項２】
前記複数の押圧部の各々は、前記積層チップの上面と当接する当接部と、該当接部を支持する支持部とを有し、
前記支持部は球欠状の凹部を有し、前記当接部は球欠状の凸部を有し、前記凹部に前記凸部が嵌合されて前記支持部へ前記当接部が取り付けられることを特徴とする請求項１記載の三次元実装装置。
【請求項３】
前記押圧部の前記当接部における前記積層チップとの当接面が傾いた場合、前記当接部を水平面を有する部材に押し当てて前記当接面を水平にすることを特徴とする請求項２記載の三次元実装装置。
【請求項４】
前記収容室は上部及び下部に分割可能であり、
前記搬送部の前記基部には所定の方向に前記搬送部を移動させるための移動力が負荷され、
前記収容室内で前記複数の分離部における前記配置面に配置された各前記積層チップへ処理が施された後、前記搬送部が前記所定の方向に移動する際、前記収容室は分割されて前記搬送部の移動経路から退出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元実装装置。
【請求項５】
前記複数の分離部が前記収容室に収容される際、前記基部は前記収容室の上部及び下部に挟まれ、且つ前記複数の分離部は前記挟まれた基部から離間することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元実装装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−７４２４０（Ｐ２０１３−７４２４０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４２４１（Ｐ２０１１−２１４２４１）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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