WO2022074719A1 - 表面処理装置および半導体装置の製造装置 - Google Patents

表面処理装置および半導体装置の製造装置 Download PDF

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Definitions

  • a semiconductor provided with a surface treatment device that applies a hydrophilization treatment to the joint surface of an object to be joined to the object to be joined by using hydrogen bonds prior to the joining, and the surface treatment device.
  • a surface treatment device that applies a hydrophilization treatment to the joint surface of an object to be joined to the object to be joined by using hydrogen bonds prior to the joining, and the surface treatment device.
  • Patent Document 1 describes a joining device for joining wafers to each other, which includes an activation treatment for activating the surface of each wafer and a hydrophilization treatment for making the surface of each wafer hydrophilic before joining the two.
  • the joining device to which is applied is disclosed.
  • the hydrophilization treatment liquid pure water is supplied to the activated wafer by using a nozzle provided on the upper side of the wafer, whereby OH groups are adhered to the surface of the wafer.
  • Patent Document 1 since pure water is supplied to the object (that is, the wafer) in a liquid state, droplets tend to remain unevenly on the surface of the object. As a result, there is a possibility that voids (microvoids) may be generated on the bonding interface after the wafers are bonded to each other. That is, in Patent Document 1, the wafers that have been subjected to the hydrophilization treatment are temporarily bonded to each other by hydrogen bonding, and then the wafers are mainly bonded by heat treatment. If a large amount of water molecules are accumulated on the bonding interface during this heat treatment, the remaining water molecules are rapidly removed from the bonding interface, and voids (microvoids) are generated.
  • a surface treatment device capable of easily adhering an appropriate amount of OH groups to the surface of an object and a semiconductor device manufacturing device provided with the surface treatment device are disclosed.
  • the surface treatment apparatus disclosed in the present specification is a surface treatment apparatus that applies a hydrophilization treatment to the bonding surface of an object to be bonded to the object to be bonded by using hydrogen bonds prior to the bonding.
  • a water vapor pressure equal to or higher than the saturated water vapor pressure corresponding to the temperature of the joint surface is applied to the support base that supports the surface opposite to the joint surface of the object and the joint surface of the object supported by the support base. It is characterized by being provided with a spray nozzle for temporarily generating dew condensation on the joint surface by blowing the humidified air.
  • the support base may further include a cooler that cools the joint surface to a temperature lower than the temperature of the surrounding atmosphere and higher than the dew point temperature of the water vapor pressure in the surrounding atmosphere. ..
  • one or more of the objects are placed on the support base in a state of being surrounded by a frame member, the cooler cools the one or more objects, and the frame member is not cooled. , Position and size.
  • the spray nozzle may be movable with respect to the support base in parallel with the spraying of the humidified air.
  • the spray nozzle may have a spray area that covers all of one or more objects.
  • the object may be a chip that is a semiconductor integrated circuit or a wafer to which the chip is bonded.
  • the semiconductor device manufacturing device disclosed in the present specification is a semiconductor device manufacturing device that manufactures a semiconductor device by joining a chip, which is a semiconductor integrated circuit, to a wafer by using a hydrogen bond.
  • the surface treatment device comprises a treatment device, wherein the surface treatment device is joined to a support base that supports one or more surfaces opposite to the joint surface of the object and a joint surface of the object supported by the support base. It is characterized by comprising a spray nozzle for temporarily generating dew condensation on the joint surface by blowing humidified air having a water vapor pressure equal to or higher than the saturated water vapor pressure corresponding to the surface temperature.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device manufacturing apparatus 10.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a surface treatment device 20 incorporated in the manufacturing device 10.
  • This manufacturing device 10 manufactures a semiconductor device by bonding one or more chips 110 to a wafer 100 that functions as a substrate.
  • a wafer 100 that functions as a substrate.
  • hydrogen bonds are used, which will be described later.
  • the manufacturing apparatus 10 includes a chip supply unit 12, a substrate supply unit 14, a bonding unit 16, a first surface treatment device 20f, and a second surface treatment device 20s. ..
  • the chip supply unit 12 supplies the chip 110 to the first surface treatment device 20f.
  • the chip 110 is supplied to the first surface treatment device 20f in a state of being adhered to the dicing tape 120 (not visible in FIG. 1) stretched inside the dicing ring 122 which is a frame member of the annulus. ..
  • the bottom surface of the chip 110 (that is, the joint surface with the wafer 100) is adhered to the dicing tape 120 in an upward posture.
  • the substrate supply unit 14 carries in and out the wafer 100, and has, for example, an arm robot (not shown) that conveys the wafer 100.
  • the unprocessed wafer 100 is carried in from the carry-in port 14a and is conveyed to the second surface treatment device 20s. Further, the semiconductor device manufactured by bonding is carried out from the carry-out port 14b.
  • the first surface treatment device 20f applies a hydrophilization treatment to the surface of the supplied chip 110.
  • the second surface treatment device 20s applies a hydrophilization treatment to the surface of the supplied wafer 100.
  • the configurations of the first surface treatment device 20f and the second surface treatment device 20s are almost the same. In the following, when the two are not distinguished, it is referred to as "surface treatment device 20". The specific configuration of the surface treatment device 20 will be described later.
  • the bonding unit 16 bonds one or more chips 110 to the wafer 100 to manufacture a semiconductor device.
  • the bonding unit 16 has a stage on which the wafer 100 is placed, and a bonding head (none of which is shown) capable of sucking and holding the chip 110 and heating the chip 110. The bonding process by the bonding unit 16 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 is an image diagram showing the state of bonding.
  • the chip 110 is bonded to the upper surface of the wafer 100.
  • another chip 110 is bonded on the chip 110 bonded to the wafer 100.
  • Electrodes 102 and 112 are provided on these bonding surfaces, that is, the upper surface of the wafer 100, the bottom surface of the chip 110, and the upper surface of the chip 110.
  • the bonding unit 16 bonds the electrode 112 of the chip 110 and the electrode 112 of the wafer 100 or the electrode 112 of another chip 110 so that they are in contact with each other. As a result, the wafer 100 and the chip 110, or the chip 110 and the chip 110 are electrically connected.
  • FIG. 4 is an image diagram showing a state of hydrogen bonding.
  • reference numeral 130 is an object to be joined to each other, that is, a chip 110 or a wafer 100.
  • the wafer 100 or another chip 110 is bonded to the object 130, and when the wafer 100 is the object 130, the chip 110 is bonded to the object 130. It becomes an object to be joined.
  • the joint surface of the object 130 is hydrophilized in advance by the surface treatment device 20. The specific method of the hydrophilization treatment will be described later, but by performing the hydrophilization treatment, as shown in FIG.
  • the Si atom and the OH group on the bonding surface of the object 130 are chemically bonded.
  • An OH group adheres to the joint surface of the object 130.
  • an OH group attached to one object 130 and an OH group attached to the other object 130 are in a state of being molecularly bonded to each other, that is, a state of being hydrogen-bonded.
  • the hydrogen bond has a certain degree of bonding force, it has not reached a sufficient bonding force as a semiconductor device. Therefore, after the objects 130 are hydrogen-bonded to each other, the objects 130 are heated in order to further increase the bonding force.
  • the object 130 is heated after hydrogen bonding, the water molecule H2O evaporates, and as shown in FIG. 4 (c), the Si atoms of each of the two objects 130 are in a state of being bonded to each other. In this state, the two objects 130 are directly bonded atomically, so that a very strong bonding force can be obtained.
  • a hydrophilization treatment to attach an OH group to the bonding surface of the object 130.
  • a first surface treatment device 20f and a second surface treatment device 20s are provided for the hydrophilization treatment. Since the configurations of the first surface treatment apparatus 20f and the second surface treatment apparatus 20s are substantially the same, the configuration of the surface treatment apparatus 20 will be described below by taking the first surface treatment apparatus 20f as an example.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the surface treatment device 20 (specifically, the first surface treatment device 20f).
  • the surface treatment device 20 temporarily causes dew condensation on the joint surface of the object 130 to make the joint surface hydrophilic.
  • the surface treatment device 20 includes a support base 22 that supports the object 130, and a spray nozzle 26 that blows humidified air onto the object 130.
  • the support base 22 is a table on which the object 130 is placed with the joint surface of the object 130 exposed to the outside so as to support the surface opposite to the joint surface of the object.
  • the chip 110 which is the object 130
  • the support base 22 incorporates a cooler 24 for cooling the object 130.
  • the cooler 24 includes, for example, a cooling plate and a cooling mechanism for cooling the cooling plate.
  • the cooling plate is a plate on which the object 130 is placed, and is made of a metal having high heat transfer properties, for example, copper or aluminum.
  • a heat absorbing element such as a Pelche element, a heat pump, or the like can be used.
  • the drive of such a cooling mechanism is controlled by the controller 28.
  • the controller 28 controls the drive of the manufacturing apparatus 10, and is, for example, a computer having a processor and a memory.
  • the cooler 24 covers all of one or more objects 130, while the frame member (ie, dicing ring 122) surrounding one or more objects 130 is set to a position and size that does not cover. ing.
  • the frame member ie, dicing ring 122
  • the occurrence of dew condensation on the surface of the frame member can be prevented, which will be described later.
  • a spray nozzle 26 is provided above the support base 22.
  • the spray nozzle 26 is a nozzle that blows humidified air onto the joint surface of the object 130.
  • An air source 27 that generates humidified air and supplies it to the spray nozzle 26 is connected to the spray nozzle 26.
  • the air source 27 uses sufficiently purified clean air and pure water to generate humidified air having a predetermined temperature and humidity.
  • a pump for pumping the supplied humidified air, a valve for controlling the discharge of the humidified air (neither of them is shown), and the like are provided. May be good. Further, in this example, the spraying area of the spray nozzle 26 cannot cover all of one or more objects 130 supported by the support base 22.
  • a moving mechanism 29 for moving the spray nozzle 26 with respect to the support base 22 is provided.
  • the moving mechanism 29 for example, an XY table or the like using a motor as a drive source can be used.
  • the spray nozzle 26 can scan the joint surfaces of all one or more objects 130.
  • the blowing of humidified air by the blowing nozzle 26 is driven and controlled by the controller 28.
  • the conditions of the humidified air when the object 130 is not cooled by the cooler 24 will be examined.
  • the temperature of the joint surface of the object 130 becomes the same as the temperature Ta of the surrounding atmosphere.
  • the saturated water vapor pressure at this temperature Ta is Ha. If air having a water vapor pressure exceeding the saturated water vapor pressure Ha comes into contact with the joint surface, dew condensation will occur on the joint surface. Therefore, the humidified air may have a water vapor pressure equal to or higher than the saturated water vapor pressure Ha at the ambient temperature Ta (that is, the temperature of the joint surface).
  • the humidity of the surrounding atmosphere is sufficiently low, and the dew condensation evaporates.
  • OH groups remain attached to the surface of the joint surface even if the droplets evaporate thereafter. In other words, according to the method, an appropriate amount of OH groups can be easily attached to the joint surface, while the residual droplets can be effectively prevented.
  • the object 130 may be cooled by the cooler 24 in conjunction with the blowing of the humidified air.
  • the conditions of the humidified air when the object 130 is cooled by the cooler 24 will be described with reference to FIG.
  • the object 130 When cooling the object 130, it is necessary to suppress the cooling temperature to a temperature at which dew condensation does not occur in the surrounding atmosphere. Specifically, when the temperature of the surrounding atmosphere is Ta and the humidity is Aa%, the water vapor pressure contained in the surrounding atmosphere is Hc. Since the dew point of the water vapor pressure Hc is Tc, dew condensation occurs in the surrounding atmosphere at a temperature of Tc or less. Therefore, when cooling the object 130, the joint surface temperature must exceed the dew point of the water vapor pressure contained in the surrounding atmosphere, or Tc in the example of FIG.
  • the surface temperature of the frame member is the same as the temperature Ta of the surrounding atmosphere.
  • the humidity difference may be utilized to cause dew condensation only on the joint surface of the cooled object 130 and not to cause dew condensation on the surface of the uncooled frame member.
  • the humidified air may contain a water vapor pressure of not less than the saturated water vapor pressure Hc of the joint surface temperature Td and less than the saturated water vapor pressure Ha of the ambient temperature Ta.
  • the humidity of the humidified air is set to Ac% or more and less than Ab%, dew condensation occurs on the joint surface, and dew condensation on the frame member can be prevented.
  • the joint surface hydrophilic by cooling the object 130 until dew condensation occurs. That is, in the example of FIG. 7, if the joint surface of the object 130 is cooled to the dew point temperature Tc or less of the water vapor pressure Hc in the surrounding atmosphere, dew condensation occurs on the joint surface without blowing humidified air. However, it takes some time to raise the once cooled object 130 to a temperature at which dew condensation evaporates. Therefore, when the object 130 is cooled to cause dew condensation, the dew condensation continues until the object 130 rises to a temperature at which the object 130 can evaporate, and a large amount of droplets are generated on the joint surface.
  • the spray nozzle 26 since the spraying area of the spray nozzle 26 is smaller than the total area of the plurality of objects 130 mounted on the support base 22, the spray nozzle 26 is moved and scanned.
  • the configuration of such a spray nozzle 26 may be changed as appropriate.
  • the spray nozzle 26 may have a spray area that can cover all of the plurality of objects 130.
  • a plurality of spray holes 26a provided in the spray nozzle 26 may be provided. With such a configuration, humidified air can be more reliably and evenly dispersed.
  • the spray hole 26a provided in the spray nozzle 26 may be a single spray hole 26a as shown in FIG. 9B.
  • the configuration of the spray nozzle 26 can be simplified. Further, the humidified air may be blown in a columnar shape as shown in FIG. 9 (b), or may be blown in a conical shape as the diameter increases as it goes downstream, as shown in FIG. 9 (c).
  • the chip 110 is conveyed from the chip supply unit 12 to the first surface treatment device 20f (S10).
  • the chip 110 is carried into the first surface treatment device 20f in a state of being adhered to the dicing tape 120 stretched inside the dicing ring 122.
  • a hydrophilic treatment is applied to the joint surfaces of one or more chips 110 (S12). Specifically, in a state where the chip 110 is placed on the support base 22, the chip 110 is cooled and humidified air is blown to the joint surface of the chip 110 by the spray nozzle 26.
  • the hydrophilic treatment of the wafer 100 is also performed. That is, the wafer 100 that functions as a substrate is conveyed from the substrate supply unit 14 to the second surface treatment device 20s (S14). Subsequently, the transferred wafer 100 is subjected to a hydrophilization treatment (S16). Specifically, in a state where the wafer 100 is placed on the support base 22, the wafer 100 is cooled and humidified air is blown to the joint surface of the wafer 100 by the spray nozzle 26.
  • the chip 110 is temporarily bonded to the wafer 100 by hydrogen bonding (S18).
  • the hydrophilized wafer 100 is conveyed to the bonding unit 16 and placed on a table provided in the bonding unit 16. Further, the bonding tool provided in the bonding unit 16 sucks and holds the hydrophilized chip 110 and places it on the upper surface of the wafer 100.
  • the bonding surfaces of the chip 110 and the wafer 100 come into contact with each other, the OH groups attached to both bonding surfaces form hydrogen bonds. As a result, the chip 110 and the wafer 100 are temporarily joined with a certain degree of joining force.
  • the temporarily bonded wafer 100 and the chip 110 are subsequently heated, and the two are finally bonded (S20).
  • S20 By heating the chip 110 and the wafer 100, water molecules at the bonding interface evaporate, and the Si atoms of both are firmly bonded to each other. So to speak, the silicon of the chip 110 and the silicon of the wafer 100 are atomically bonded. This provides a strong bond.
  • the production of the semiconductor device is completed.
  • the chips 110 are not laminated
  • two or more chips 110 may be laminated in the thickness direction.
  • the upper surface of the chip 110 located on the lower side serves as a joining surface with other chips 110 laminated on the upper side thereof, but the upper surface of the lower chip 110 may be hydrophilized. It does not have to be.
  • the upper surface of the lower chip 110 is hydrophilized, for example, after the lower chip 110 is placed on the wafer 100, the lower chip 110 is placed on the surface treatment device 20 again together with the wafer 100. , Just put it in.
  • the configuration described so far is an example, in which the surface treatment device 20 has at least a support base 22 that supports a surface of the object 130 on the side opposite to the joint surface, and the joint surface at the temperature of the joint surface.
  • Other configurations may be appropriately modified as long as it has a spray nozzle for blowing humidified air having a water vapor pressure equal to or higher than the corresponding saturated water vapor pressure.
  • both the chip 110 and the wafer 100 are hydrophilized, but the hydrophilization treatment may be applied only to at least one of the chip 110 and the wafer 100. Therefore, the manufacturing apparatus 10 may have only one of the first surface treatment apparatus 20f and the second surface treatment apparatus 20s, and may not have the other. Further, in this example, the object 130 is cooled in the hydrophilization treatment, but the object 130 does not have to be cooled.
  • the hydrophilization treatment is performed on the joint surface, but prior to the hydrophilization treatment, another surface treatment, for example, irradiating the joint surface with plasma to activate the atoms on the joint surface.
  • Plasma treatment may be performed.
  • the surface treatment device 20 is incorporated in the manufacturing device 10 of the semiconductor device, but the surface treatment device 20 may be incorporated in another device for joining the object 130 by utilizing hydrogen bonds. .. Further, the surface treatment device 20 may be used alone without being incorporated in another device.

Landscapes

  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

Abstract

被接合物に水素結合を利用して接合される対象物（１３０）の接合面に、前記接合に先立って、親水化処理を施す表面処理装置（２０）であって、１以上の前記対象物（１３０）の接合面と反対の面を支持する支持ベース（２２）と、前記支持ベース（２２）で支持された前記対象物（１３０）の接合面に、前記接合面の温度に対応する飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を有した加湿空気を吹き付けることで、前記接合面に結露を一時的に発生させる吹付ノズル（２６）と、を備える。

Description

表面処理装置および半導体装置の製造装置
　本明細書は、被接合物に水素結合を利用して接合される対象物の接合面に、当該接合に先立って、親水化処理を施す表面処理装置、および、当該表面処理装置を具備した半導体装置の製造装置を開示する。
　近年、水素基結合を利用して、対象物を被接合物に接合する技術が提案されている。例えば、二つのウエハを接合する際、あるいは、ウエハに半導体集積回路であるチップを接合する際に、水素結合を利用することが、従来から提案されている。
　特許文献１には、ウエハ同士を接合する接合装置であって、両者を接合する前に、各ウエハの表面を活性化させる活性化処理と、各ウエハの表面を親水化する親水化処理と、を施す接合装置が開示されている。親水化処理では、ウエハの上側に設けられたノズルを用いて、活性化されたウエハに、液状の純水を供給し、これにより、ウエハの表面にＯＨ基を付着させている。
特開２０１２－１７５０４３号公報
　しかしながら、特許文献１の技術では、純水を液体状態のまま対象物（すなわちウエハ）に供給しているため、対象物の表面には、液滴が不均一に残存しやすかった。その結果、ウエハ同士を接合した後の接合境界面にボイド（マイクロボイド）が発生するおそれがあった。すなわち、特許文献１では、親水化処理が施されたウエハ同士を水素結合により仮接合し、その後、加熱処理で本接合している。この加熱処理の際、接合境界面に多量の水分子がたまっていると、残存していた水分子が接合界面から急激に排除され、ボイド（マイクロボイド）が生じる。
　そこで、一部では、対象物を高湿度な環境に置くことで、ＯＨ基を対象物の表面に付着させることも考えられる。かかる形態によれば、液滴は、生じないため、水素結合後の接合境界面に多量の水分子が残存することを防止できる。しかし、この場合、気体状の水分子を対象物表面に接触させているに過ぎず、ＯＨ基と対象物表面との結合が生じにくかった。そのため、対象物の表面にＯＨ基を充分にかつ確実に付着させるためには、予め当該表面を、プラズマ処理等で活性化させる必要があり、全体的な処理が複雑化していた。
　そこで、本明細書では、対象物の表面に適量のＯＨ基を容易に付着できる表面処理装置および当該表面処理装置を具備した半導体装置の製造装置を開示する。
　本明細書で開示する表面処理装置は、被接合物に水素結合を利用して接合される対象物の接合面に、前記接合に先立って、親水化処理を施す表面処理装置であって、１以上の前記対象物の接合面と反対の面を支持する支持ベースと、前記支持ベースで支持された前記対象物の接合面に、前記接合面の温度に対応する飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を有した加湿空気を吹き付けることで、前記接合面に結露を一時的に発生させる吹付ノズルと、を備えることを特徴とする。
　この場合、さらに、前記支持ベースは、前記接合面の温度を、周辺雰囲気の温度より低く、かつ、前記周辺雰囲気の水蒸気圧の露点温度よりも高い温度に、冷却する冷却器を備えてもよい。
　また、１以上の前記対象物は、その周囲を枠部材によって取り囲まれた状態で前記支持ベースに載置され、前記冷却器は、１以上の前記対象物を冷却し、前記枠部材は冷却しない、位置およびサイズであってもよい。
　また、前記吹付ノズルは、前記加湿空気の吹き付けと並行して、前記支持ベースに対して移動可能であってもよい。
　また、前記吹付ノズルは、１以上の前記対象物全てをカバーする吹き付け面積を有してもよい。
　また、前記対象物は、半導体集積回路であるチップまたは当該チップが接合されるウエハであってもよい。
　本明細書で開示する半導体装置の製造装置は、ウエハに半導体集積回路であるチップを、水素結合を利用して接合することで半導体装置を製造する半導体装置の製造装置であって、前記チップを、前記ウエハまたは前記ウエハに実装された他のチップの上面に接合するボンディングユニットと、前記接合に先立って、前記チップまたは前記ウエハである対象物の接合面に親水化処理を施す１以上の表面処理装置と、を備え、前記表面処理装置は、１以上の前記対象物の接合面と反対の面を支持する支持ベースと、前記支持ベースで支持された前記対象物の接合面に、前記接合面の温度に対応する飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を有した加湿空気を吹き付けることで、前記接合面に結露を一時的に発生させる吹付ノズルと、を備えることを特徴とする。
　本明細書で開示する技術によれば、プラズマ処理等を行わなくても、加湿空気の吹き付け期間中にのみ、結露が生じ、加湿空気の吹き付けが停止すれば、結露が蒸発する。その結果、対象物の接合面に、液滴が残存せず、適切な量のＯＨ基が付着する。
半導体装置の製造装置の構成を示す図である。 製造装置に組み込まれた表面処理装置の構成を示す図である。 ボンディングの様子を示すイメージ図である 水素結合の様子を示すイメージ図である。 加湿空気の温湿条件を示す図である。 加湿空気の温湿条件を示す図である。 吹付ノズルの他の例を示す図である。 吹付ノズルの他の例を示す図である。 製造装置による半導体装置の製造の流れを示すフローチャートである。
　以下、半導体装置の製造装置１０について図面を参照して説明する。図１は、半導体装置の製造装置１０の構成を示す図である。また、図２は、製造装置１０に組み込まれた表面処理装置２０の構成を示す図である。
　この製造装置１０は、基板として機能するウエハ１００に、１以上のチップ１１０を接合して、半導体装置を製造する。チップ１１０をウエハ１００に接合する際には、水素結合を利用するが、これについては、後述する。
　製造装置１０は、図１に示すように、チップ供給ユニット１２と、基板供給ユニット１４と、ボンディングユニット１６と、第一表面処理装置２０ｆと、第二表面処理装置２０ｓと、を有している。チップ供給ユニット１２は、チップ１１０を、第一表面処理装置２０ｆに供給する。ここで、チップ１１０は、円環の枠部材であるダイシングリング１２２の内側に張られたダイシングテープ１２０（図１では見えず）に接着された状態のまま第一表面処理装置２０ｆに供給される。なお、チップ１１０は、その底面（すなわちウエハ１００との接合面）が上向きの姿勢でダイシングテープ１２０に接着されている。
　基板供給ユニット１４は、ウエハ１００を搬入出するもので、例えば、ウエハ１００を搬送するアームロボット（図示せず）等を有している。未処理のウエハ１００は、搬入ポート１４ａから搬入され、第二表面処理装置２０ｓに搬送される。また、ボンディングにより製造された半導体装置は、搬出ポート１４ｂから搬出される。
　第一表面処理装置２０ｆは、供給されたチップ１１０の表面に親水化処理を施す。また、第二表面処理装置２０ｓは、供給されたウエハ１００の表面に親水化処理を施す。この第一表面処理装置２０ｆ及び第二表面処理装置２０ｓの構成は、ほぼ同様である。以下では、両者を区別しない場合は、「表面処理装置２０」と表記する。この表面処理装置２０の具体的な構成は、後述する。
　ボンディングユニット１６は、ウエハ１００に１以上のチップ１１０をボンディングし、半導体装置を製造する。具体的には、ボンディングユニット１６は、ウエハ１００が載置されるステージと、チップ１１０を吸引保持するとともに加熱可能なボンディングヘッド（いずれも図示せず）と、を有している。このボンディングユニット１６によるボンディング処理について、図３を参照して説明する。
　図３は、ボンディングの様子を示すイメージ図である。半導体装置を製造する際には、図３に示すように、ウエハ１００の上面にチップ１１０を接合する。また、２以上のチップ１１０を厚み方向に接合する場合には、ウエハ１００に接合されたチップ１１０の上に、他のチップ１１０を接合する。これらの接合面、すなわち、ウエハ１００の上面、チップ１１０の底面、および、チップ１１０の上面には、電極１０２，１１２が設けられている。ボンディングユニット１６は、チップ１１０の電極１１２と、ウエハ１００の電極１１２または他のチップ１１０の電極１１２と、が互いに接触するように、両者を接合する。そして、これにより、ウエハ１００とチップ１１０、または、チップ１１０とチップ１１０とが電気的に接続される。
　チップ１１０とウエハ１００、または、チップ１１０とチップ１１０とを接合する際には、水素結合が利用される。図４は、水素結合の様子を示すイメージ図である。図４において、符号１３０は、互いに接合される対象物、すなわち、チップ１１０またはウエハ１００である。なお、チップ１１０が対象物１３０の場合、ウエハ１００または他のチップ１１０が、対象物１３０と接合される被接合物となり、ウエハ１００が対象物１３０の場合、チップ１１０が対象物１３０と接合される被接合物となる。本例では、対象物１３０の接合に先立って、予め、表面処理装置２０により、対象物１３０の接合面に、親水化処理を施す。親水化処理の具体的方法は、後述するが、親水化処理を行うことで、図４（ａ）に示すように、対象物１３０の接合面のＳｉ原子とＯＨ基とが化学的に結合し、対象物１３０の接合面には、ＯＨ基が付着する。この状態で、二つの対象物１３０を接近させ、接触させると、図４（ｂ）に示すように、一方の対象物１３０に付着したＯＨ基と、他方の対象物１３０に付着したＯＨ基と、が互いに分子結合した状態、すなわち、水素結合した状態となる。
　水素結合は、ある程度の結合力を有しているものの、半導体装置として充分な結合力に達していない。そのため、対象物１３０を互いに水素結合させた後には、その結合力を、より高めるために、対象物１３０を加熱する。水素結合した後、対象物１３０を加熱すると、水分子Ｈ２Ｏが蒸発し、図４（ｃ）に示すように、二つの対象物１３０それぞれのＳｉ原子が互いに結合した状態となる。この状態になれば、二つの対象物１３０は、原子的に直接接合されたこととなるため、非常に強固な結合力が得られる。
　このように、対象物１３０を、水素結合を利用して接合する場合、他の接着剤、例えば、非導電性フィルム等の樹脂が不要となるため、当該樹脂が電極１０２，１１２の接合面に入り込むことで生じる導電性の低下等の問題を効果的に防止できる。また、上記の場合、チップ１１０の底面に、ハンダバンプ等の突起を設ける必要がないため、チップ１１０、ひいては、半導体装置の厚みを低減できる。
　ところで、こうした水素結合を利用した接合を行う場合には、上述した通り、対象物１３０の接合面にＯＨ基を付着させる親水化処理を施す必要がある。本例では、親水化処理のために、第一表面処理装置２０ｆおよび第二表面処理装置２０ｓを設けている。この第一表面処理装置２０ｆおよび第二表面処理装置２０ｓの構成は、ほぼ同じであるため、以下では、第一表面処理装置２０ｆを例に挙げて表面処理装置２０の構成を説明する。
　図２は、表面処理装置２０（具体的には第一表面処理装置２０ｆ）の構成を示す図である。表面処理装置２０は、対象物１３０の接合面に、一時的に結露を発生させることで、当該接合面を親水化させる。この表面処理装置２０は、対象物１３０を支持する支持ベース２２と、対象物１３０に加湿空気を吹き付ける吹付ノズル２６と、を備えている。
　支持ベース２２は、対象物の接合面と反対の面を支持するように、対象物１３０の接合面を外部に露出した状態で、当該対象物１３０が載置されるテーブルである。第一表面処理装置２０ｆの場合は、対象物１３０であるチップ１１０は、ダイシングリング１２２とともに支持ベース２２に載置される。換言すれば、第一表面処理装置２０ｆの場合、複数の対象物１３０（チップ１１０）が、纏めて支持ベース２２に載置される。支持ベース２２には、対象物１３０を冷却するための冷却器２４が、組み込まれている。
　冷却器２４は、例えば、冷却プレートと、当該冷却プレートを冷却する冷却機構と、を備える。冷却プレートは、対象物１３０が載置されるプレートで、伝熱性の高い金属、例えば、銅やアルミニウム等で構成される。また、冷却機構としては、例えば、ペルチェ素子のような吸熱素子や、ヒートポンプ等を利用できる。こうした冷却機構の駆動は、コントローラ２８で制御される。コントローラ２８は、製造装置１０の駆動を制御するもので、例えば、プロセッサとメモリとを有したコンピュータである。
　本例において、この冷却器２４は、１以上の対象物１３０全てをカバーする一方で、１以上の対象物１３０を取り囲む枠部材（すなわち、ダイシングリング１２２）は、カバーしない位置およびサイズに設定されている。かかる構成とすることで、対象物１３０のみを冷却ででき、枠部材の表面における結露の発生を防止できるが、これについては、後述する。
　支持ベース２２の上方には、吹付ノズル２６が設けられている。吹付ノズル２６は、対象物１３０の接合面に対して、加湿空気を吹き付けるノズルである。この吹付ノズル２６には、加湿空気を生成し、吹付ノズル２６に供給するエア源２７が接続されている。エア源２７は、充分に清浄化されたクリーンエアと純水とを用いて、所定の温度および湿度の加湿空気を生成する。また、さらに、吹付ノズル２６とエア源２７を連結する流路上には、供給された加湿空気を圧送するポンプや、加湿空気の吐出を制御するバルブ（いずれも図示せず）等が設けられてもよい。また、本例では、吹付ノズル２６の吹付面積は、支持ベース２２に支持された１以上の対象物１３０全てをカバーできない。そこで、本例では、吹付ノズル２６を、支持ベース２２に対して移動させる移動機構２９を設けている。移動機構２９としては、例えば、モータを駆動源とするＸＹテーブル等を用いることができる。この移動機構２９で移動させられることにより、吹付ノズル２６は、１以上の対象物１３０全ての接合面を走査できる。こうした吹付ノズル２６による加湿空気の吹き付けは、コントローラ２８により駆動制御される。
　本例では、この吹付ノズル２６により加湿空気を接合面に吹き付けることで、接合面に一時的、すなわち、加湿空気の吹き付け期間中にのみ、結露を生じさせ、それ以外の期間では、結露が蒸発するようにしている。かかる現象を生じさせるためには、対象物１３０の接合面は、周辺雰囲気で結露が生じない温度とする必要がある。また、加湿空気は、対象物１３０の接合面の温度で結露が生じる温度および湿度に設定される必要がある。こうした接合面の温度および加湿空気の温度および湿度の設定について、図５、図６を参照して説明する。図５、図６は、水の飽和水蒸気圧を示すグラフである。図５、図６において、横軸は、温度であり、縦軸は、水蒸気圧を示している。また、図５、図６において、Ｔａ、Ａａは、周辺雰囲気における温度および湿度を示している。
　はじめに、図５を参照して、冷却器２４で対象物１３０を冷却しない場合の加湿空気の条件について検討する。冷却を行わない場合、対象物１３０の接合面の温度は、周辺雰囲気の温度Ｔａと同じとなる。この温度Ｔａにおける飽和水蒸気圧は、Ｈａである。この飽和水蒸気圧Ｈａを超える水蒸気圧を有する空気が接合面に接触すれば、当該接合面に結露が生じることになる。したがって、加湿空気は、周辺雰囲気温度Ｔａ（すなわち接合面の温度）での飽和水蒸気圧Ｈａ以上の水蒸気圧を有すればよい。例えば、加湿空気の温度をＴｂとし、温度Ｔｂの飽和水蒸気圧をＨｂとした場合、加湿空気の湿度は、（Ａａ＝Ｈａ／Ｈｂ×１００）％以上であればよい。かかる加湿空気を吹き付けている期間中、接合面には、結露が発生する。一方で、加湿空気の吹き付けを停止すると、周辺雰囲気の湿度は充分に低いため、結露が蒸発する。ただし、一度、結露により接合面に、極薄い水膜が形成されれば、その後、液滴が蒸発したとしても、接合面の表面には、ＯＨ基が、付着した状態で残る。換言すれば、当該方法によれば、接合面に、適量のＯＨ基を容易に付着できる一方で、液滴の残存を効果的に防止できる。
　このように、対象物１３０を冷却しなくても、結露を生じさせることができるが、この場合、加湿空気の湿度をかなり高くする必要があり、加湿空気の生成の負担が大きい。そこで、加湿空気の吹き付けと連動して、冷却器２４で対象物１３０を冷却してもよい。冷却器２４で対象物１３０を冷却した場合の加湿空気の条件について、図６を参照して説明する。
　対象物１３０を冷却する場合、その冷却温度は、周辺雰囲気で結露が生じない温度に抑える必要がある。具体的に説明すると、周辺雰囲気の温度がＴａ、湿度がＡａ％の場合、当該周辺雰囲気に含まれる水蒸気圧はＨｃとなる。この水蒸気圧Ｈｃの露点は、Ｔｃであるため、温度Ｔｃ以下では、周辺雰囲気で結露が生じることになる。そのため、対象物１３０を冷却する場合、その接合面温度が、周辺雰囲気に含まれる水蒸気圧の露点超過、図６の例ではＴｃ超過にしなければならない。
　ここで、冷却器２４で接合面温度がＴｄ（なお、Ｔｃ＜Ｔｄ＜Ｔａ）になった場合を考える。この場合、接合面温度Ｔｄでの飽和水蒸気圧はＨｄであるため、接合面で結露を生じさせるためには、加湿空気は、Ｈｄ以上の水蒸気圧を有する必要がある。したがって、加湿空気の温度がＴｂの場合、加湿空気の湿度は、（Ａｃ＝Ｈｄ／Ｈｂ×１００）％以上であることが必要となる。この湿度Ａｃ％は、対象物１３０を冷却しない場合に必要な湿度Ａｂ％に比べて低くなっている。このように、対象物１３０を冷却することで、加湿空気で必要となる湿度を比較的低く抑えることができる。
　なお、本例では、対象物１３０のみを冷却し、対象物１３０を取り囲む枠部材は冷却していない。そのため、枠部材の表面温度は、周辺雰囲気の温度Ｔａと同じである。換言すれば、対象物１３０と、枠部材との間には温度差が生じている。この温度差を利用して、冷却された対象物１３０の接合面にのみ結露を生じさせ、冷却されていない枠部材の表面に結露を生じさせない構成としてもよい。具体的には、加湿空気を、接合面温度Ｔｄの飽和水蒸気圧Ｈｃ以上、かつ、周辺雰囲気温度Ｔａの飽和水蒸気圧Ｈａ未満の水蒸気圧を含むようにしてもよい。具体的には、加湿空気の湿度を、Ａｃ％以上、Ａｂ％未満とすれば、接合面に結露が生じ、枠部材の結露を防止できる。
　いずれにしても、対象物１３０の接合面温度に対応する飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を有する加湿空気を吹き付けることで、当該吹き付け期間中にのみ結露を生じさせ、吹き付け停止後に、結露を蒸発させることができる。これにより、接合面に、適量のＯＨ基を容易に付着できる。
　ここで、こうした加湿空気の吹き付けの利点について、他の技術と比較して説明する。従来、接合面を親水化するために、接合面に液状の純水を吐出することが提案されている。かかる技術でも、接合面にＯＨ基を付着できるが、この場合、接合面には、液滴が不均一に残存することになる。このように残存した液滴は、対象物１３０を水素結合させた後も接合境界面に残存する。そして、接合境界面に多量の水分子が残存したまま、対象物１３０を加熱すると、残存していた水分子が接合界面から急激に排除され、ボイド（マイクロボイド）が生じる。こうしたボイドは、当然ながら、接合品質の低下の原因となる。
　また、別の形態として、対象物１３０を結露するまで冷却することで、接合面を親水化することも考えられる。すなわち、図７の例で、対象物１３０の接合面を、周辺雰囲気の水蒸気圧Ｈｃの露点温度Ｔｃ以下まで冷却すれば、加湿空気を吹き付けなくても、接合面に結露が生じる。しかし、一度、冷却した対象物１３０を結露が蒸発する温度まで上昇させるには、ある程度の時間がかかる。そのため、対象物１３０を冷却させて結露を生じさせた場合、対象物１３０が蒸発可能な温度に上昇するまで、結露が継続し、多量の液滴が接合面に発生することになる。この場合、接合面の温度が充分に上昇したとしても、一度生じた多量の液滴を早期に蒸発させることは難しい。結果として、この場合でも、水素結合後に接合境界面に多量の水分子が残存し、加熱処理後に、ボイドが発生するおそれがあった。
　さらに、別の形態として、結露を生じさせるのではなく、対象物１３０を高湿度な環境に置くことで、ＯＨ基を接合面に付着させることも考えられる。かかる形態によれば、液滴は、生じないため、水素結合後の接合境界面に多量の水分子が残存することを防止できる。しかし、この場合、気体状の水分子を接合面に接触させているに過ぎず、ＯＨ基と接合面との結合が生じにくかった。そのため、接合面にＯＨ基を充分にかつ確実に付着させるためには、予め接合面を、プラズマ処理等で活性化させる必要があり、全体的な処理が複雑化する。
　一方、本例では、上述した通り、接合面温度の飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を含む加湿空気を接合面に吹き付けている。これにより、接合面に均一な水膜を瞬時に形成でき、接合面にＯＨ基を付着させることができる。また、加湿空気の吹き付けを停止すれば、即座に、この水膜が蒸発するため、液敵の残存、ひいては、ボイドの発生を効果的に抑制できる。
　なお、図２の例では、吹付ノズル２６の吹付面積は、支持ベース２２に載置された複数の対象物１３０のトータル面積より小さいため、吹付ノズル２６を移動させて走査させている。しかし、こうした吹付ノズル２６の構成は、適宜変更されてもよい。例えば、図７に示すように、吹付ノズル２６は、複数の対象物１３０全てをカバーできる吹付面積を有していてもよい。また、吹付ノズル２６に設けられた吹き付け孔２６ａは、図９（ａ）に示すように、複数設けられてもよい。かかる構成とすることで、加湿空気をより確実に均等分散できる。また、別の形態として、吹付ノズル２６に設けられた吹き付け孔２６ａは、図９（ｂ）に示すように、単一でもよい。かかる構成とすることで、吹付ノズル２６の構成を単純化できる。また、加湿空気は、図９（ｂ）に示すように、円柱状に吹き付けるのでもよいし、図９（ｃ）に示すように、下流に進むにつれ拡径する円錐状に吹き付けてもよい。
　次に、本例の製造装置１０による半導体装置の製造の流れについて、図１０を参照して説明する。半導体装置を製造する際には、まず、チップ１１０を、チップ供給ユニット１２から第一表面処理装置２０ｆに搬送する（Ｓ１０）。この場合、チップ１１０は、ダイシングリング１２２の内側に張られたダイシングテープ１２０に接着された状態で、第一表面処理装置２０ｆに搬入される。第一表面処理装置２０ｆでは、１以上のチップ１１０の接合面に、親水化処理を施す（Ｓ１２）。具体的には、チップ１１０を支持ベース２２に載置した状態で、チップ１１０を冷却するとともに、吹付ノズル２６でチップ１１０の接合面に加湿空気を吹き付ける。これにより、接合面には、瞬間的に微量の結露が生じる。ただし、この結露は、加湿空気の吹き付けを停止すれば即座に蒸発する。そして、結露が蒸発することで、接合面に液滴が存在しないものの、接合面のＳｉ原子には、ＯＨ基が結合した状態となる。
　チップ１１０の親水化処理と並行して、ウエハ１００の親水化処理も行う。すなわち、基板として機能するウエハ１００を、基板供給ユニット１４から第二表面処理装置２０ｓに搬送する（Ｓ１４）。続いて、搬送されたウエハ１００に対して親水化処理を施す（Ｓ１６）。具体的には、ウエハ１００を支持ベース２２に載置した状態で、ウエハ１００を冷却するとともに、吹付ノズル２６でウエハ１００の接合面に加湿空気を吹き付ける。
　チップ１１０およびウエハ１００の親水化処理が完了すれば、チップ１１０を水素結合によりウエハ１００に仮接合させる（Ｓ１８）。具体的には、親水化処理されたウエハ１００は、ボンディングユニット１６に搬送され、ボンディングユニット１６に設けられたテーブルに載置される。また、ボンディングユニット１６に設けられたボンディングツールは、親水化処理されたチップ１１０を、吸引保持し、ウエハ１００の上面に載置する。チップ１１０とウエハ１００の接合面が接触することで、両接合面に付着したＯＨ基が、水素結合する。これにより、チップ１１０とウエハ１００が、ある程度の接合力で仮接合される。
　仮接合が完了すれば、続いて、仮接合されたウエハ１００およびチップ１１０を加熱し、両者を本接合する（Ｓ２０）。チップ１１０およびウエハ１００を加熱することで接合境界面における水分子が蒸発し、両者のＳｉ原子同士が強固に結合する。いわば、チップ１１０のシリコンとウエハ１００のシリコンが、原子的に結合する。これにより、強い結合力が得られる。
　そして、必要なチップ１１０が全て、ウエハ１００にボンディングされれば、半導体装置の製造が終了となる。なお、ここでは、チップ１１０を積層させない場合を例に挙げて説明したが、２以上のチップ１１０を厚み方向に積層させてもよい。この場合、下側に位置するチップ１１０の上面は、その上側に積層される他のチップ１１０との接合面となるが、当該下側のチップ１１０の上面は、親水化処理されていてもよいし、されていなくてもよい。下側のチップ１１０の上面を親水化処理する場合には、例えば、当該下側のチップ１１０をウエハ１００に載置した後、当該下側のチップ１１０をウエハ１００ごと、表面処理装置２０に再度、投入すればよい。
　また、これまで説明した構成は、一例であり、表面処理装置２０が、少なくとも、対象物１３０の接合面と反対側の面を支持する支持ベース２２と、接合面に、当該接合面の温度に対応する飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を有した加湿空気を吹き付ける吹付ノズルと、を有するのであれば、その他の構成は、適宜変更されてもよい。
　例えば、本例では、チップ１１０およびウエハ１００の双方に親水化処理を施しているが、親水化処理は、チップ１１０およびウエハ１００の少なくとも一方にのみ施されるのでもよい。したがって、製造装置１０は、第一表面処理装置２０ｆおよび第二表面処理装置２０ｓの一方のみを有し、他方を有さない構成でもよい。また、本例では、親水化処理に当たって、対象物１３０を冷却しているが、対象物１３０は冷却しなくてもよい。
　また、本例では、接合面に対して、親水化処理のみを行っているが、親水化処理に先立って、他の表面処理、例えば、接合面にプラズマを照射し、接合面の原子を活性化させるプラズマ処理を行ってもよい。また、本例では、表面処理装置２０を半導体装置の製造装置１０に組み込んでいるが、表面処理装置２０は、水素結合を利用して対象物１３０を接合する他の装置に組み込まれてもよい。また、表面処理装置２０は、他の装置に組み込まれることなく、単独で用いられてもよい。
　１０　製造装置、１２　チップ供給ユニット、１４　基板供給ユニット、１６　ボンディングユニット、２０　表面処理装置、２２　支持ベース、２４　冷却器、２６　吹付ノズル、２７　エア源、２８　コントローラ、２９　移動機構、１００　ウエハ、１０２，１１２　電極、１１０　チップ、１２０　ダイシングテープ、１２２　ダイシングリング、１３０　対象物。

Claims (7)

  1. 　被接合物に水素結合を利用して接合される対象物の接合面に、前記接合に先立って、親水化処理を施す表面処理装置であって、
    　１以上の前記対象物の接合面と反対の面を支持する支持ベースと、
    　前記支持ベースで支持された前記対象物の接合面に、前記接合面の温度に対応する飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を有した加湿空気を吹き付けることで、前記接合面に結露を一時的に発生させる吹付ノズルと、
    　を備えることを特徴とする表面処理装置。
  2. 　請求項１に記載の表面処理装置であって、さらに、
    　前記支持ベースは、前記接合面の温度を、周辺雰囲気の温度より低く、かつ、前記周辺雰囲気の水蒸気圧の露点温度よりも高い温度に、冷却する冷却器を備える、ことを特徴とする表面処理装置。
  3. 　請求項２に記載の表面処理装置であって、
    　１以上の前記対象物は、その周囲を枠部材によって取り囲まれた状態で前記支持ベースに載置され、
    　前記冷却器は、１以上の前記対象物を冷却し、前記枠部材は冷却しない、位置およびサイズである、
    　ことを特徴とする表面処理装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の表面処理装置であって、
    　前記吹付ノズルは、前記加湿空気の吹き付けと並行して、前記支持ベースに対して移動可能である、ことを特徴とする表面処理装置。
  5. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の表面処理装置であって、
    　前記吹付ノズルは、１以上の前記対象物全てをカバーする吹き付け面積を有する、ことを特徴とする表面処理装置。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載の表面処理装置であって、
    　前記対象物は、半導体集積回路であるチップまたは当該チップが接合されるウエハである、ことを特徴とする表面処理装置。
  7. 　ウエハに半導体集積回路であるチップを、水素結合を利用して接合することで半導体装置を製造する半導体装置の製造装置であって、
    　前記チップを、前記ウエハまたは前記ウエハに実装された他のチップの上面に接合するボンディングユニットと、
    　前記接合に先立って、前記チップまたは前記ウエハである対象物の接合面に親水化処理を施す１以上の表面処理装置と、
    　を備え、前記表面処理装置は、
    　１以上の前記対象物の接合面と反対の面を支持する支持ベースと、
    　前記支持ベースで支持された前記対象物の接合面に、前記接合面の温度に対応する飽和水蒸気圧以上の水蒸気圧を有した加湿空気を吹き付けることで、前記接合面に結露を一時的に発生させる吹付ノズルと、
    　を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
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