半導体製造工程の基礎知識と半導体チップピッキングの改善事例

産業の米「半導体」について

「半導体は産業の⽶」と⾔いますが、どれほど活⽤されているかご存知ですか？
まずはCPU。私たちの手元にあるスマートフォンやパソコンの中で、情報処理や計算を行う装置がCPUです。CPUは一つの機器に一つだけ搭載されていると考えるかもしれませんが、昨今では大量のデータを扱うために、例えば「クアッドコア」のように一台のパソコンの中に複数のコアが内蔵されています。また、機能ごとに独立したCPUで情報を処理する例も多く見られます。例えば、自動車には一台あたり30個以上のCPUが搭載されていることもあります。
続いて記憶領域であるメモリ。CPUは情報を処理する装置ですが、情報を覚えておくことはできません。何か計算をした時に、⼀つ前に計算した結果を忘れていると仕事になりません。メモリはたくさんの情報を処理する際に、⼀時的あるいは⻑時間データを保持しておくための装置です。
さらにセンサ。ここではイメージセンサを取り上げます。スマートフォンやデジタルカメラにはイメージセンサが組み込まれています。外部から取り込まれる点や⾊の情報をデータに置き直し、それを再度読み込むことで写真や画像データとして取り扱うことができます。イメージセンサだけではなく、受光センサや加速度センサ、圧⼒センサ等、私たちの暮らしを安全で豊かにするために活躍しています。
続いてLED。半導体は私たちに⾝近な照明にも⾰命を起こしました。これまで⽩熱電球や蛍光灯を使っていたところは、⾼輝度で⾼寿命、低消費電⼒、⼩サイズであるLEDにどんどん置き替わりました。車や信号機、街頭、スマートフォン、モニター等ありとあらゆる照明はLEDとなっています。
このように、半導体が私たちの生活において、米のように無くてはならない存在になっていることが分かると思います。

半導体チップとその製造工程について

半導体チップのピッキングの課題

ここから改めて「ウエハを個⽚化してピッキング」する⼯程を取り上げます。ダイシングする時チップが飛び散らないように、ウエハを粘着テープにくっつけた状態でカットします。個⽚化したチップはピッキングツールで吸着して粘着テープから引き剥がします。シリコンの物性として、⼩さな衝撃でも割れや⽋けが発⽣しやすいという特徴があるため、せっかく前⼯程で作り上げたチップにダメージが⼊ってしまう可能性があります。そのため、ウエハの粘着テープを引き延ばす「エキスパンド」をして、下から突き上げピンで突き上げることで、ピッキングツールでチップを引き剥がして持ち上げやすくしています。

1. チップが薄く、とてもデリケートである

前述したように、半導体ウエハはインゴットをスライスすることでできあがります。ウエハを薄くすると、1インゴット当たりにできるウエハの数が多くなり、コストが下がります。また、できあがる半導体デバイスもより⼩さく薄くすることで、基板に実装する⾯積・体積が⼩さくなります。そうすることで完成する電⼦機器⾃体がコンパクトになり、最終製品をユーザーが使いやすくなるというメリットがあります。多くのチップでは、扱いやすさ（＝壊れにくさ）の⾯で0.5~1.0mm程度であることが多いようですが、最先端のチップだと20μmといった厚さも存在するようです。

2. 突き上げピンとピッキングツールの動きを連動させる必要がある

突き上げピンは、ウエハの下からサーボモータ等で駆動されて上昇します。ピッキングユニットに取り付けたコレットをサーボモータ等で駆動させて下降していきます。チップを拾い上げる手順としては、
①コレットを下げてチップに接触させる。（この時エア吸着する）
②突き上げピンを上昇させる。
③突き上げピンと同時にコレットを上げる。
④コレットをさらに上昇させてチップを持ち上げる。
という順になります。
この間に、チップにはコレットと突き上げピンそれぞれからの接触による衝撃と、コレットと突き上げピンに挟み込まれることによって⽣じる衝撃が加わることになります。前述したように薄くなったチップに対する衝撃によるダメージを減らすためには、上下軸の⾼度な位置・速度の制御や、上下軸が⾼精度に同期して動く必要があります。私たちの調査によると、位置制御で数⼗μmの挟み込みが⽣じると数百gもの荷重がかかってしまうため、この制御はかなりシビアなものになります。

3. 突き上げピンとコレットの損耗により、チップに対する位置関係が変わる可能性がある

突き上げピンやコレットは⼀⽇に何千〜何万回とチップに接触し、少しずつ損耗してしまう可能性があります。その損耗を防ぐため材質には超硬⾦属やダイヤモンドまで選択されています。それでも少しずつ先端の形状が変わることでチップとの位置関係が変わり、ピックアップミスやチップにダメージを与えてしまう可能性があります。

PPRのシステムと改善事例

半導体製造工程の歩留まり改善に貢献

今回は「半導体チップのピッキング」に焦点を当て、チップへのダメージコントロールの課題とピック＆プレースロボットPPRを⽤いた⼯程改善についてご紹介いたしました。前半でご紹介した通り、今や半導体は世の中に無くてはならないものであり、⼿元のスマートフォンがどんどんと⾼機能になっていくためには、チップの微細化、薄型化が重要な要素になっています。ユーザー様のお話をお聞きしていると、やはりこの部分でお困りの装置メーカー様、デバイスメーカー様が⾮常に多い印象です。
今後の半導体業界のブレイクスルーに向けて、PPR並びにTHKの技術がお客様の課題解決にお役に⽴てるかと思いますので、お困りごとがあればぜひTHKにお声がけください。