JP2009028728A - 超音波振動接合方法およびこの方法により形成されるデバイス並びに超音波振動接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の重ね合わされた被接合物が超音波振動振動エネルギーにより接合される超音波振動接合装置において、被接合物を破損することなく安定して確実に接合できる超音波振動接合方法および超音波振動接合装置を提供する。
【解決手段】超音波振動エネルギー制御部３１ａにより、超音波振動エネルギーを検出し、接合開始から超音波振動エネルギーが急減するまでは、加圧制御部３１ｃにより被接合物に加える加圧力を増大し、かつ共振振幅制御部３１ｂにより、共振器７の振幅を予め設定された設定値に一定に保持するように、超音波振動エネルギー制御部３１ａによって振動子８に印加する電圧および電流の制御を行う。そして、超音波振動エネルギーの急減後は、共振器７の振幅を減衰させる制御を行い、被接合物へのダメージを防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、重ね合わされた複数の被接合物を超音波振動で接合する超音波振動接合方法および超音波振動接合装置に関する。

従来、複数の被接合物を接合する方法として、当該被接合物同士を所定の加圧力で加圧しながら、同時に所定の超音波振動エネルギーを所定時間加えることで、短時間で被接合物同士を接合する超音波振動接合と呼ばれる方法がある。

この方法は、被接合物に超音波振動を印加し、被接合物表面に「滑り」を発生させ摩擦することにより、被接合物表面の酸化膜や不純物を除去し、新生面を露出させて被接合物同士の接合を行う方法である。

このような方法としては、従来、被接合物を加圧する加圧力を増大させる制御を行うことにより、被接合物間に接合に必要な十分な「滑り」を発生させて、両被接合物を接合する方法が提案されている。

この場合、超音波振動は、共振器に保持された第一の被接合物、ステージに保持された第二の被接合物およびステージへと順次伝達されることとなる。ところが、このように加圧力を増大させる場合、前記加圧力が最初から大きいときは、共振器からステージに至る各伝達界面での摩擦力が大きいため、第一および第二の被接合物間の接合部で「滑り」が生じず、接合部表面に新生面が現れないため、両被接合物を接合できないおそれがある。また、加圧力が小さいときには、共振器と第一の被接合物間の摩擦力が小さいため、共振器と第一の被接合物間で「滑り」が生じてしまい、超音波振動が第一および第二の被接合物に伝達されず、被接合物間では「滑り」が生じないこととなる。

一方、接合過程で第一および第二の被接合物の接合部間の接合面積が増加すると、被接合物間の結合力が増加し、被接合物間の結合力が共振器と第一の接合物間の摩擦力よりも大きくなるため、接合途中の工程において加圧力を所定時間一定に保ったままにすると、その間において共振器と第一の被接合物との間で「滑り」が発生するため、上手く接合することができないおそれもある。また、特に第二の被接合物の基材が柔らかい場合には、超音波振動を吸収し、同様に第一および第二の被接合物間に「滑り」が生じないため、第一および第二の被接合物の接合ができなくなることも考えられる。

したがって、第一および第二の被接合物間に接合に必要な「滑り」を生じさせるためには、両被接合物の接合状態に応じて設定加圧力の値を変更する制御を行う必要がある。

このように、設定加圧力の値を変更制御して超音波振動接合を行う具体例として、特許文献１がある。この特許文献１の超音波振動接合装置における加圧力の具体的な制御方法は、操作者が操作盤を操作して、接合開始加重設定値、平行圧力設定値、第１加重圧力設定値、第２加重圧力設定値、振動子の一次接合時間、接合される部分の大きさや材料などの物性に応じた第１加重圧力設定値から第２加重圧力設定値に達するまで圧力変化の傾きなどを予め入力して設定するというものである。そして、入力設定された値に従った制御による加重下で、超音波振動接合が行われるようになっている。

特許第３４４７９８２号（段落０００９，００１７〜００２５，図２）

前記特許文献１の装置では、接合開始から終了までの所定の時間ごとの適切な加圧力を、作業者が入力して設定するオープンループ方式の制御を行っている。この方式は、設定値による被接合物同士の接合過程における接合状態が装置にフィードバックされるフィードバック制御ではないため、一度設定値が設定入力された後は、量産で流れる被接合物の状態や吸着保持される状況において、表面の汚れや異物の噛み込み、共振器やステージの摩耗などの不安定要素の影響を吸収することができず、結果として不良率が高く歩留まりの低下を招くという問題がある。

また、前記オープンループ制御の場合では、両被接合物の接合終了時を、接合開始からの所定の経過時間で判断するため、上記のような被接合物ごとの不安定要素などにより、実際の被接合物の接合終了時が設定した終了時とずれてしまう可能性もある。この場合、設定した接合終了時より実際の接合終了時のほうが遅いと、被接合物の接合が不完全であることとなり、設定した接合終了時より実際の接合終了時のほうが早いと、被接合物に余分な超音波振動エネルギーが加えられることとなり、被接合物の破壊やダメージにつながることになる。

したがって、被接合物表面の新生面が増大するごとに、接合面積が増大し、接合面積が大きくなれば被接合物同士の接合力も増大することとなる。そして、被接合物同士の接合力が増大すると、被接合物間の「滑り」の大きさは減衰することになる。そこで、被接合物間に所定の大きさの「滑り」を発生させるためには、共振器の振動振幅を一定に保つために、印加する超音波振動エネルギーを増大することが必要となる。

しかし、両被接合物の接合部間での接合が十分進んでいるにも関わらず、被接合物間に所定の「滑り」を生じさせるために超音波振動エネルギーを加え続けると、両被接合物の接合部分や両被接合物に余分な超音波振動エネルギーが加えられることになり、両被接合物の接合部分や被接合物に破壊やダメージが発生することとなる。特にダメージは強度が弱い部分に集中して発生し、例えば接合部が半導体（Ｓｉ）のバンプ(電極)であれば、Ｓｉとバンプの境になるアンダーバリアメタルの付近にひび（クラック）が入るなどのダメージが生じるおそれがある。

さらに、前記特許文献１の装置では、被接合物間に「滑り」を生じさせるために、加圧力の制御を行っているが、加圧力のみの制御では、被接合物間に安定した十分な「滑り」を生じさせることは難しく、被接合物ごとの不安定要素などによって、被接合物間に接合に最適な「滑り」が生じないことも考えられる。したがって、被接合物間に安定した「滑り」を生じさせるには、両被接合物の接合状態に応じて加圧力を制御するとともに、被接合物の振動振幅を所定の設定値に保持するように、被接合物に与える超音波振動エネルギーを制御することが必要である。

そこで、本発明は、被接合物を破損することなく安定して確実に接合できる超音波振動接合方法および超音波振動接合装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる超音波振動接合方法は、重ね合わされた複数の被接合物を加圧手段により加圧しながら、振動子からの超音波振動エネルギーの印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合方法において、エネルギー量検出手段により前記共振器への前記超音波振動エネルギーを検出するとともに、共振器振幅検出手段により前記共振器の振幅を検出し、接合開始から、前記重ね合わされた複数の被接合物への前記加圧手段による加圧力を単調増大させる一方、接合開始から、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーが急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させることを特徴としている（請求項１）。

また、本発明にかかる超音波振動接合方法は、前記共振器の振幅の前記設定値が、前記被接合物の種類ごとに予め求めておいたものであることを特徴としている（請求項２）。

また、請求項１または２に記載の超音波接合方法により形成されるデバイスは、前記接合物が、基板、ウエハー、基板もしくはウエハーを分割したチップまたは半導体もしくはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴としている（請求項３）。

また、本発明にかかる超音波振動接合装置は、重ね合わされた複数の被接合物を加圧手段により加圧しながら、振動子からの超音波振動エネルギーの印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合装置において、前記加圧手段および前記振動子を制御する駆動制御手段と、前記振動子の前記超音波振動エネルギーを検出するエネルギー量検出手段と、前記共振器の振幅を検出する共振器振幅検出手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記複数の重ね合わされた被接合物への加圧力が単調増大するように前記加圧手段を制御する加圧制御部と、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーが急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させるように前記振動子を制御する振動子制御部とを有することを特徴としている（請求項４）。

請求項１，４の発明によれば、超音波振動エネルギーを検出することにより、接合終了時を判断することができる。つまり、被接合物の接合が終了すると、被接合物間の接合面での接合力が大きくなるため、共振器および第一の被接合物間（または第二の被接合物およびステージ間）には、超音波振動により共振器および第一の被接合物間（または第二の被接合物およびステージ間）の最大静止摩擦力以上の大きさの力が加わり、共振器および第一の被接合物間（または第二の被接合物およびステージ間）の摩擦係数は、静止摩擦係数から動摩擦係数に移行することになる。その結果、共振器および第一の被接合物間（または第二の被接合物およびステージ間）では、「滑り」が生じることになる。そこで、超音波振動エネルギーの監視を行うと、共振器および第一の被接合物間（または第二の被接合物およびステージ間）の「滑り」が生じ始めたとき、共振器にかかる負荷が小さくなるため、超音波振動エネルギーが急減する。よって、超音波振動エネルギーの急減時を検出することで、接合終了時と判断することができる。

また、接合開始から加圧力を増大させるとともに、接合開始から接合終了の合図である超音波振動エネルギーが急減時までは、共振器の振動振幅を所定の設定値に保持するので、両被接合物の接合部間に接合に十分な大きさの安定した「滑り」を生じることができる。したがって、前記接合部間に新生面が現れ、両被接合物を確実に接合させることができる。

さらに、超音波振動エネルギーの急減後は、被接合物の接合が終了しているため、共振器の振幅を減衰させることにより、接合部や基材に余分な超音波振動エネルギーが加えられることを防止でき、被接合物などの破壊を未然に回避することができる。

請求項２の発明によれば、被接合物の種類ごとに共振器の振幅を設定することができるため、被接合物の種類ごとに良好な接合をすることができる。

請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明と同様の効果を奏する新規なデバイスを提供することができる。

本発明の一実施形態について、図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１は本発明の一実施形態における超音波振動接合装置の概略構成図、図２および図３は被接合物の接合開始から終了までの、超音波振動エネルギー、共振器の振動振幅、被接合物間の「滑り」の大きさおよび加圧力の状態遷移図であり、図２は超音波振動エネルギー下降後も共振器の振動振幅を所定の値に保持する場合、図３は超音波振動エネルギー下降後、共振器の振動振幅を減少させる場合である。なお、本実施形態では、第１の被接合物であるチップ２０と第２の被接合物である基板２２を接合するための装置を例として挙げる。

（装置構成）
本実施形態における超音波振動接合装置は、図１に示すように、上下駆動機構２５とヘッド部２６および第２の接合物である基板２２を吸着保持するステージ１０を合わせた接合機構２７と、ステージテーブル１２および位置認識部２９を合わせたアライメント部２８、架台３５、架台３５に立設された支柱１３、支柱１３に沿って上下動する架台フレーム３４、搬送部３０、制御装置３１により構成される。

接合機構２７の上下駆動機構２５およびヘッド部２６は、本発明の「加圧手段」として機能している。上下駆動機構２５は、上下駆動モータ１の回転をボルト・ナット機構２を介して、上下ガイド３によりガイドされるヘッド部２６に上下方向への運動に変換して伝達し、ヘッド部２６を上下動させるようになっている。上下駆動モータ１は、例えばサーボモータのトルク制御によるものを使用するのが好ましい。

またヘッド部２６では、振動子８に電圧および電流を印加して振動させるときに、被接合物に効率よく超音波振動エネルギーを与えるために、振動子８が共振器７に接合されている。また、共振器７は第１の接合物であるチップ２０を保持するための吸着機構（図示せず）を備え、この吸着機構によりチップ２０を保持するようになっている。そして、共振器７は、共振器７の振動を阻害しないかたちで共振器７を保持することが可能な共振器保持部６に設置され、ヘッド逃がしガイド５により上下方向にガイドされている。また、共振器７は、自重をキャンセルして、加圧力検出手段３２に押しあてるためのヘッド自重カウンター４に牽引された状態で、加圧力を検出する加圧力検出手段３２および上下駆動機構２５に設置されている。

また、ヘッド部２６は、ヘッド高さ検出手段２４を備え、ヘッド高さを検出することができるようになっている。なお、このヘッド高さ検出手段２４には、接触式、非接触式のいずれのセンサを用いてもよい。さらに、上下駆動機構２５は、架台フレーム３４に連結されている。

次に、アライメント部２８について説明する。アライメント部２８のステージテーブル１２は、基板２２の金属パッド２２ａがチップ２０の所定の金属突起２０ａに対応するように、基板２２の位置を調整するための平行移動、回転移動の移動軸により構成される。また、ステージ１０には、基板２２を保持するための吸着機構（図示せず）が備えられている。ここで、共振器７およびステージ１０の吸着機構として、真空吸着あるいは静電吸着を利用したものを用いるとよい。

また、位置認識部２９は、前記チップ２０と前記基板２２各々の位置認識用のマークを認識する上下マーク認識手段１４を備え、上下マーク認識手段１４を水平および／または上下に移動させる認識手段移動テーブル１５を備えている。また、共振器振幅検出手段３３が上下マーク認識手段１４の先端に設けられており、認識手段移動テーブル１５により任意の位置へ移動して、共振器７の振動振幅の測定が可能である。なお、この共振器振幅検出手段３３には、例えばレーザードップラー測定器を使用することができ、上下マーク認識手段１４の先端に設置できない場合は、上下マーク認識手段１４とは別に設置してもよい。

そして、搬送部３０は、前記チップ２０を搬送するチップ供給装置１６、チップトレイ１７を備えるとともに、前記基板２２を搬送する基板搬送装置１８、基板搬送コンベア１９を備えている。

また、制御部３１は、装置全般の制御を司り、操作部を備えるとともに、超音波振動エネルギー制御部３１ａ、共振振幅制御部３１ｂ、加圧制御部３１ｃおよび記録部３１ｄを備えている。

超音波振動エネルギー制御部３１ａは、本発明の「超音波振動エネルギー検出手段」、振動子８の制御を行う「駆動制御手段」および「振動子制御部」として機能している。超音波振動エネルギーは、振動子８への印加電圧とその印加電圧に対する電流の積により検出できるため、超音波振動エネルギーの制御は、超音波振動エネルギー制御部３１ａによって、振動子８への印加電圧を変化させて行ってもよいし、印加電流を変化させてもよく、印加電圧および電流の両方を制御してもよい。

共振振幅制御部３１ｂは、共振器振幅検出手段３３により検出した共振器７の振動振幅または被接合物間の「滑り」の大きさなどを、所定の値に保持するように制御を行う。

加圧制御部３１ｃは、加圧力検出手段３２からの信号により上下駆動モータ１のトルクを制御し、接合に関する加圧力を制御する。また、記録部３１ｄは、被接合物の種類ごとに予め求めておいた共振器７の振幅の設定値を記録している。

なお、前記チップ２０の接合面には複数の金属突起２０ａが形成され、前記基板２２の接合面の金属突起２０ａに対応する位置には、複数のハンダなどの金属パッド２２ａが形成されている。

（接合動作）
次に、チップ２０を基板２２に面実装するために、チップ２０の金属突起２０ａと基板２２の金属パッド２２ａとを超音波振動により接合する一連の動作について以下に説明する。

まず、被接合物の設置を行う。すなわち、チップ２０を搬送部３０のチップ供給装置１６によりチップトレイ１７から共振器７に供給し、共振器７に真空吸着などにより吸着保持する。また、基板２２を基板搬送装置１８により基板搬送コンベア１９からステージ１０に供給し、ステージ１０に真空吸着などにより吸着保持する。そして、接合面を対向保持されたチップ２０と基板２２の間に、上下マーク認識手段１４を認識手段移動テーブル１５により挿入し、対向するチップ２０と基板２２各々の位置合わせマークを上下マーク認識手段１４により認識する。チップ２０と基板２２の位置合わせマークがずれている場合には、チップ２０を基準として基板２２の位置をステージテーブル１２により平行移動方向および／または回転移動方向へ移動させ、位置調整を行う。

次に、チップ２０および基板２２の接合位置が整合された状態で、ヘッド部２６を上下駆動機構２５により下降させ、チップ２０の所定の金属突起２０ａと、これに対応する基板２２の所定の金属パット２２ａとを接触させ、所定の加圧力となるように調整を行う。ここで、ヘッド部２６の高さ方向の位置は、ヘッド高さ検出手段２４により検出する。また、チップ２０と基板２２の接触タイミングは加圧力検出手段３２により検出する。

そして、前記上下駆動モータ１により所定の加圧力がチップ２０および基板２２に加えられた状態で、超音波振動接合を開始する。接合中は、超音波振動エネルギー、共振器７の共振振幅および加圧力を監視し、制御装置３１により、前記超音波振動エネルギー、前記共振器７の共振振幅および前記加圧力の制御を行う。その制御の方法について、図２および図３を用いて説明する。

図２および図３において、Ａは加圧力、Ｂは共振器７の振動振幅、Ｃは被接合物であるチップ２０と基板２２の間の「滑り」の大きさ、Ｄは超音波振動エネルギーを示している。なお、図２および図３の横軸は時間（秒）であり、縦軸において、Ａの加圧力の単位は（Ｎ）、Ｂの共振器７の振動振幅およびＣの被接合物間の「滑り」の大きさの単位は（μｍ）、Ｄの超音波振動エネルギーの単位は（Ｗ）である。また、図２および図３中の時間ｔ＝０が、接合開始時点を示す。

チップ２０および基板２２の接合面には、小さな凹凸や複数の接合部での高さの違いなどがあるため、接合面積は接合が進む過程で徐々に大きくなる。そうすると、チップ２０と基板２２の接合力は徐々に大きくなるため、共振器振幅検出手段３３によりチップ２０および基板２２の間の「滑り」の大きさを検出すると、チップ２０および基板２２の間の「滑り」は徐々に小さくなる。そして、チップ２０および基板２２の間の接合力が共振器７とチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）の摩擦力よりも大きくなり、共振器７とチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）に、共振器７とチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）の最大静止摩擦力の大きさ以上の力が加わると、共振器７とチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）の摩擦係数は静止摩擦係数から動摩擦係数に移行し、共振器７とチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）で「滑り」が生じることとなる。したがって、超音波振動エネルギーはチップ２０および基板２２に十分伝達されず、接合が進まないこととなる。

そこで、図２および図３中のＡのように、加圧力を増大すると、接合開始から時間とともに共振器７とチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）の摩擦力増加に伴い、共振器７とチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）の「滑り」が押さえられ、チップ２０に超音波振動エネルギーが伝達され、チップ２０と基板２２の間の「滑り」が大きくなるため、チップ２０と基板２２の接合面に新生面が現れ、接合面積はより大きくなっていく。

しかし、上記したように接合面積が増大するにつれて、チップ２０と基板２２の間の「滑り」は小さくなる。よって、加圧力を大きくするとともに、超音波振動エネルギーを増大し、図２および図３中のＣのように、チップ２０と基板２２の間の「滑り」の大きさを所定値に保持するために、超音波振動エネルギー制御部３１ａおよび共振振幅制御部３１ｂにより、図２および図３中のＢのように、共振器７の振動振幅が予め設定された設定値に一定保持されるように制御を行う。

具体的には、図２および図３中のＡのように加圧力を増大させるとともに、振動子８に所定の電圧を印加し、前記電圧の位相と前記電圧を印加したときに振動子８に流れる電流の位相を検出して、振動子８に印加した電圧と電流の位相が一致し、かつ、図２および図３中のＢおよびＣに示すように、共振器７の振動振幅およびチップ２０と基板２２の間の「滑り」の大きさが所定の値に保持されるように、振動子８の電流を制御する。なお、一例として、振動子８への印加電圧は０Ｖ〜１０Ｖの範囲内で設定を行っている。また、部材、面積などにより違いがあるが、一例としてチップ２０と基板２２の間の「滑り」の大きさは、０．１μｍ〜０．５μｍ程度の振幅である。

また、共振器７の振動振幅の設定値は、被接合物の種類により共振器７の振動振幅が予め計測され記録部３１ｄにすでに記録されている場合には、記録部３１ｄより読み出し、超音波振動エネルギー制御部３１ａおよび共振振幅制御部３１ｂに設定することができる。さらに、上記したように、印加電圧を一定にし電流を変化させることにより制御する場合には、印加電圧値に対する電流の最適条件を予め計測し、記録部３１ｄに記録しておくと、共振振幅制御部３１ｂにより共振器７の振動振幅の制御を行わなくても、記録部３１ｄから印加電圧値およびそれに対応する最適電流値を読み出し、設定することができる。

また、上記のように振動子８へ電圧を印加して共振器７の振動振幅が予め設定された設定値に保持されるように制御を行っているとき、同時に超音波振動エネルギー制御部３１ａにより、例えば振動子８に流れる電流値を計測して超音波振動エネルギーを検出すると、超音波振動エネルギーは図２および図３中のＤに示すように、徐々に増大することとなる。

そして、前記超音波振動エネルギーの監視を続けると、チップ２０と基板２２の接合終了時を検出することができる。チップ２０と基板２２の接合が終了すると、前述したようにチップ２０および基板２２の間の「滑り」は生じなくなるため、共振器７と被接合物であるチップ２０の間（または基板２２とステージ１０の間）で「滑り」が生じ、共振器７にかかる負荷が軽減することとなり、超音波振動エネルギーは図２中のＤに示すように急減する。そこで、前記超音波振動エネルギーが急減したときを接合終了時と判断することができる。

超音波振動エネルギーの急減後も、図２のように共振器７の振動振幅を一定に保持する制御を続けると、チップ２０や基板２２に余計な力を加えることになり、チップ２０や基板２２の破壊やダメージを引き起こすことになる。そこで、超音波振動エネルギーの急減後はチップ２０および基板２２へのダメージや破壊を防止するために、超音波振動エネルギー制御部３１ａ、共振振幅制御部３１ｂおよび加圧制御部３１ｃにより、図３に示すように共振器７の振動振幅を減少させる制御を行う。また、共振器７の振動振幅を減少させるとともに、加圧力を減少させる制御を行ってもよい。

そして、超音波振動接合が終了し、共振器７の振動振幅および加圧力が所定の値まで減少した後、チップ２０の吸着を解除すると、チップ２０は基板２２側に実装された状態でステージ上に残る。これを再び基板搬送装置１８により基板搬送コンベア１９へ排出して一連動作は終了する。

したがって、上記した実施形態によれば、超音波振動エネルギー急減前に、加圧力を増大するとともに共振器７の振動振幅を一定値に保持する制御を行うことにより、チップ２０と基板２２の接合部間に「滑り」が生じるため、前記接合部間に新生面が現れ、両被接合物を接合させることができる。

また、超音波振動エネルギーの急減後に共振器７の振動振幅を減衰させるため、接合が終了したチップ２０および基板２２に余分な超音波振動エネルギーが加えられることを防ぎ、被接合物の破壊やダメージを避けることができる。

さらに、制御部３１に記録部３１ｄを備えているため、被接合物の種類ごとの共振器７の最適な振動振幅の設定値、振動子８に印加する電圧値および前記電圧値に対応する最適電流値などが予め計測されて記録されている場合には、記録部３１ｄから設定値を読み出して設定することにより、同じ種類の被接合物の接合を繰り返し行う場合には、過去の計測値の記録を利用することにより簡便に良好な接合を行うことができる。

また、上記した実施形態によると、半導体デバイスやＭＥＭＳデバイスなど、微細なバンプで構成される電極を高精度に接合する必要のあるデバイスに対しても、効果的な接合を行うことができ、精度のよいデバイスを提供することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

例えば、チップ２０および基板２２の間の「滑り」を求めるために、共振器振幅検出手段３３を複数設けてチップ２０および基板２２の各振動振幅を同時に測定してもよいし、１つの共振器振幅検出手段３３でチップ２０および基板２２の振動振幅を順番に測定した後、同じ時間軸上での振幅差を計算することもできる。また、例えばチップ２０と基板２２が薄く、片側から複数の共振器振幅検出手段３３を設けることが難しい場合は、両側から個別に設置することもできる。

また、共振器振幅検出手段３３には、上記したレーザードップラー測定器に限らず、うず電流式、静電容量式、光照射式または音波式の検出手段を使用してもよい。また、上下マーク認識手段１４にもこれらの方式を使用してもよい。これらの方式の検出手段は、レーザードップラー測定器に比較すると、分解能および速度の点で精度は劣るが、本発明の振幅検出手段では振幅が目的値になっているかどうかが分かる程度の精度があれば、どのような方式でもよい。また、これらの方式は、レーザードップラー測定器より２桁安価で済み、小型な検出手段であるため複雑な入り組んだ場所でも測定が可能である。

さらに、チップ２０および基板２２の間の「滑り」の大きさは、本実施形態のように共振器振幅検出手段３３によって実際の接合界面の「滑り」の計測を行わなくても、不安定要素がなければ次のような手順で推定することができる。例えば、第２の被接合物がステージに安定吸着保持されているとすると、第２の被接合物の振幅を測定しなくとも、測定する振動物として第１の被接合物の振幅を測定することにより達成できる。また、第１の被接合物と共振器７間の摩擦が安定し、振動伝達が安定しているとすると、測定する振動物として共振器７の振幅を測定することにより達成できる。さらに、振動子の振幅は振動子のピエゾ素子にかかる出力電流に対する戻り電流値から推測することができるので、前記接合面積の増大を振動子の出力電流に対する戻り電流値により読み取ることにより達成できる。また、振動子の振幅は、振動子のピエゾ素子にかかる電圧値および／または電流値から推測することもでき、振動子への電流値および電圧値の制御は、振幅値の結果を用いてフィードバック制御により行ってもよい。

また、前記実施形態では、加圧手段として上下駆動モーター１のトルク制御による方式を示したが、エアシリンダによる流体圧力を利用した加圧手段でもよい。

また、前記実施形態ではアライメント部２８側のステージテーブル１２に水平方向の位置調節のための平行移動および回転移動の移動軸を、ヘッド部２６側に鉛直方向の位置調整のための昇降軸を配置しているが、平行移動、回転移動の移動軸および昇降軸は、ヘッド部２６側、アライメント部２８側にどのように組み合わせられてもよく、また、重複してもよい。また、ヘッド部２６およびステージテーブル１２を上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど、配置方向を適宜変更してもよい。

また、チップ２０および基板２２の保持手段は、静電吸着、真空吸着などの吸着保持に限られず、クランプ保持およびグリップによる保持などでもよく、これらを混合して保持してもよい。また、第２の被接合物の場合には、ステージ１０に置くだけでもよい。

また、共振器７の内部およびステージ１０の内部には、図１に示すように共振器ヒータ９およびステージヒータ１１がそれぞれ内蔵されていてもよい。この場合、被接合物を加熱しながら超音波振動接合を行うことができるため、被接合物に過大な超音波振動エネルギーを与える必要がなく、より被接合物の破壊やダメージを防止することができる。

また、接合過程において、加圧力は接合面積に比例した大きさで増大させてもよく、任意のカーブで増大させてもよい。また、所定の値に保持してもよい。

また、被接合物は２つに限らず、３つ以上であってもよい。被接合物は上記したチップ２０、基板２２などの半導体に限らず、その他の材料でもよい。また接合部は金、アルミニウム、銅、などが適するが、その他の金属や金属以外のものでも超音波振動で接合できるものであればよい。

また、チップ２０はウエハーなどどのような形態であってもよい。また、金属突起は個々に独立した複数の形状であってもよく、ある領域を閉じ込めてつながった形状であってもよいし、全面が接合面であってもよい。

本発明の一実施態様における超音波振動接合装置の概略構成図である。 図１の装置による接合過程において、超音波振動エネルギー急減後も共振器の振動振幅を一定に保持した場合の状態遷移図である。 図１の装置による接合過程において、超音波振動エネルギー急減後に共振器の振動振幅を減少した場合の状態遷移図である。

符号の説明

１……上下駆動モータ（加圧手段）
２……ボルト・ナット機構（加圧手段）
３……上下ガイド（加圧手段）
４……ヘッド自重カウンター（加圧手段）
５……ヘッド逃がしガイド（加圧手段）
６……共振器保持部（加圧手段）
７……共振器（加圧手段）
８……振動子（加圧手段）
２０……チップ（第１の被接合物）
２２……基板（第２の被接合物）
２５……上下駆動機構（加圧手段）
２６……ヘッド部（加圧手段）
３１……制御装置
３１ａ……超音波振動エネルギー制御部（エネルギー量検出手段、駆動制御手段、振動子制御部）
３１ｂ……共振器振幅制御部
３１ｃ……加圧制御部
３１ｄ……記録部
３２……加圧力検出手段
３３……共振器振幅検出手段

Claims (4)

1. 重ね合わされた複数の被接合物を加圧手段により加圧保持しながら、振動子からの超音波振動エネルギーの印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合方法において、
   エネルギー量検出手段により前記共振器への前記超音波振動エネルギーを検出するとともに、
   共振器振幅検出手段により前記共振器の振幅を検出し、
   接合開始から、前記重ね合わされた複数の被接合物への前記加圧手段による加圧力を単調増大させる一方、
   接合開始から、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーが急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させることを特徴とする超音波振動接合方法。
2. 前記共振器の振幅の前記設定値は、前記被接合物の種類ごとに予め求めておいたものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合方法。
3. 請求項１または２に記載の超音波振動接合方法により形成されるデバイスであって、前記被接合物が基板、ウエハー、基板もしくはウエハーを分割したチップまたは半導体もしくはＭＥＭＳデバイスからなることを特徴とするデバイス。
4. 重ね合わされた複数の被接合物を加圧手段により加圧保持しながら、振動子からの超音波振動エネルギーの印加により超音波振動する共振器から、前記重ね合わされた複数の被接合物に超音波振動を伝達して前記被接合物同士を接合する超音波振動接合装置において、
   前記加圧手段および前記振動子を制御する駆動制御手段と、
   前記振動子の前記超音波振動エネルギーを検出するエネルギー量検出手段と、
   前記共振器の振幅を検出する共振器振幅検出手段とを備え、
   前記駆動制御手段は、
   前記複数の重ね合わされた被接合物への加圧力が単調増大するように前記加圧手段を制御する加圧制御部と、
   前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーが急減するまでの間、前記共振器振幅検出手段による前記共振器の振幅を予め設定された設定値に保持し、前記エネルギー量検出手段による前記超音波エネルギーの急減後に前記共振器の振幅を減衰させるように前記振動子を制御する振動子制御部と
   を有することを特徴とする超音波振動接合装置。
   

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