JP2006080100A - 接合方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】エネルギー波により金属接合部の接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、金属接合部に高さのばらつきが存在する場合にあっても、全金属接合部同士を良好にかつ容易に接合できるようにした接合方法および装置を提供する。
【解決手段】基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、両被接合物の前記金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、少なくとも一方の被接合物を弾性材を介して加圧することにより接合することを特徴とする接合方法、および接合装置。
【選択図】 図4
【解決手段】基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、両被接合物の前記金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、少なくとも一方の被接合物を弾性材を介して加圧することにより接合することを特徴とする接合方法、および接合装置。
【選択図】 図4
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップやウエハー、各種回路基板等の、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する接合方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属接合部を有する被接合物同士を接合する方法として、特許文献1には、シリコンウエハーの接合面同士を接合するに際し、接合に先立って室温の真空中で不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原子ビームを照射してスパッタエッチングする、シリコンウエハーの接合法が開示されている。この接合法では、シリコンウエハーの接合面における酸化物や有機物等が上記のビームで飛ばされて活性化された原子で表面が形成され、その表面同士が、原子間の高い結合力によって接合される。したがって、この方法では、基本的に、接合のための加熱を不要化でき、活性化された表面同士を単に接触させるだけで、常温またはそれに近い低温での接合が可能になる。
【0003】
しかし、この接合法において常温またはそれに近い低温での接合を行うには、上記のようなエネルギー波によるエッチングにより表面活性化された金属接合部の接合面同士を接合するに際し、被接合物間に高い位置決め精度が求められるのは勿論のこと、接合される複数組の金属接合部同士が、均等に当接される必要がある。たとえば、少なくとも一方の被接合物の金属接合部がバンプに形成されている場合、各バンプに高さのばらつきがあると、他方の被接合物の対応する各金属接合部に対し、接合時に接合面が良好に接触できないバンプが生じることになり、全バンプを望ましい電気的接続状態を達成できるように接合することが困難になるという不都合が生じる場合がある。とくに事前にエネルギー波による洗浄を行った被接合物同士の接合においては、このように接合されるべき金属接合部同士の高精度での接触が要求される。
【0004】
【特許文献1】
特許第2791429号公報(特許請求の範囲)
【特許文献2】
特開2002−64266号公報(特許請求の範囲、図1、3−6)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、エネルギー波により金属接合部の接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、金属接合部に高さのばらつきが存在する場合にあっても、全金属接合部同士を良好にかつ容易に接合できるようにした接合方法および装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る接合方法は、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、両被接合物の前記金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、少なくとも一方の被接合物を弾性材を介して加圧することにより接合することを特徴とする方法からなる。
【0007】
上記の接合方法においては、被接合物同士の接合は、大気中で行うこともできるし、減圧中(真空中)で行うこともでき、さらには、不活性ガス中で行うこともできる。また、エネルギー波による洗浄と接合とは、別の位置で行うこともできるし、同じ位置、たとえば同一のチャンバ内で行うこともできる。後者の場合、被接合物を大気中を搬送した後、チャンバ内にてエネルギー波による洗浄を行い、続いて同じチャンバ内で接合することもできる。
【0008】
また、本発明に係る接合方法においては、洗浄した後の金属接合部同士を、常温あるいはそれに近い低温で接合することも可能であるが、加熱を併用すると、より容易に接合することができる。
【0009】
エネルギー波による洗浄には、取り扱い易さ、制御の容易性等の面から、プラズマを用いることが好ましく、中でも、Arガス雰囲気中で発生させたArプラズマを用いることが好ましい。
【0010】
上記エネルギー波による洗浄では、金属接合部の接合される全表面で1nm以上の深さにエッチングすることが好ましい。このような深さ以上にエッチング可能なエネルギー波照射により、大気中であっても、金属接合部同士を接合するに必要な表面性状を得ることが可能になる。
【0011】
本発明に係る接合は、とくに、表面が金、銅、Al、In、Snのいずれかにより構成されている金属接合部同士を接合する場合に好適である。たとえば、互いに接合される金属接合部の組み合わせとして、金、銅、Al、In、Snのいずれかの同種金属同士、あるいは任意の2つの異種金属同士、あるいは、一方を金とし他方を銅、Al、In、Snのいずれかとする組み合わせとすることができる。中でも、金同士の接合の場合、常温でも確実に接合できるようになる。ただし、金同士の接合以外の場合でも(たとえば、金/銅、金/アルミニウム等の接合等)、常温あるいはそれに近い低温での接合を可能とすることができる。また、少なくとも一方の金属接合部を特定の金属、たとえば金で構成する場合、金属接合部を形成する電極等の全体を金で構成することもできるが、表面だけを金で構成することもできる。表面を金で構成するための形態はとくに限定されず、金めっきの形態や金薄膜をスパッタリングや蒸着等により形成した形態を採用すればよい。
【0012】
また、弾性材を介して加圧する被接合物の基材の厚みを100μm以下とすることが好ましい、このような薄肉の基材とすることにより、弾性材を介して加圧される際に、加圧力により基材自身、ひいてはその被接合物自身が変形可能となり、その変形代を弾性材によって吸収することが可能となる。すなわち、被接合物同士を接合するために接合力を加えたとき、複数組の金属接合部のうち、金属接合部の高さのばらつきにより、ある特定組の金属接合部同士が先に当接した段階では、残り組の金属接合部同士は未だ離間した状態にあるが、少なくとも一方の被接合物の基材が弾性材を介して加圧されるので、上記互いに離間していた金属接合部同士が互いに当接されるように、上記基材の変形およびそれに伴う弾性材による変形代の吸収が自然に発生することになる。その結果、離間していた金属接合部同士も互いに当接されるようになり、つまり、金属接合部の高さのばらつきが自動的に吸収され、全金属接合部同士が良好に当接されて所望の接合が行われることになる。
【0013】
接合圧力としては特に限定されないが、上記の如く被接合物の基材の厚みを100μm以下と薄くしておくことにより、300MPa以下の低圧力にて、弾性材を介しての望ましい金属接合部同士の接触を達成することが可能になる。たとえば、Siウエハにおいて、50μm厚に薄型化したものを弾性材を介し、300MPaで加圧した場合、容易に±2μmのバンプ高さばらつきが許容され接合ができた。
【0014】
また、金属接合部同士の接合に際し、表面同士が良好に密着できるように、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Hvで120以下、さらに好ましくはアニーリングにより硬度を100以下に下げたものがよい。たとえば、表面硬度Hvを30〜70の範囲内(たとえば、平均Hvを50)とすることが好ましい。このような低硬度としておくことで、接合圧力印加時に金属接合部の表面が微細に適当に変形し、より密接な接合が可能となる。たとえば、Hv硬度50の,表面粗さ100nmの金バンプを接合すると、表面粗さが±10nm以下となり、良好に接合できた。
【0015】
そしてこの本発明に係る接合方法においては、上記弾性材を介して基材の変形を許容しつつ行う接合により、1ステップで最終的な所定の本接合まで行わせることも可能であるが、被接合物同士を一旦仮接合した後、少なくとも一方の被接合物を上記のように弾性材を介して加圧することにより本接合することもできる。仮接合と本接合を同じ装置で行い、両接合ともに弾性材を介した加圧接合とすることもできるし、仮接合と本接合を異なる装置で行い、仮接合と本接合のいずれか一方、あるいは両方に対し、弾性材を介した加圧接合とすることもできる。
【0016】
本発明に係る接合装置は、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する装置であって、金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄する洗浄手段と、該洗浄手段による洗浄後に金属接合部同士を接合する接合手段とを備えた接合装置において、前記接合手段が、少なくとも一方の被接合物を接合のために加圧する手段を有し、該加圧手段に、該被接合物の基材の変形を許容する弾性材を介装したことを特徴とするものからなる。
【0017】
この接合装置においては、上記洗浄手段を、大気圧下で金属接合部の表面にエネルギー波を照射する手段に構成することもできるし、減圧下で金属接合部の表面にエネルギー波を照射する手段に構成することもできる。
【0018】
また、上記接合手段を、大気中で金属接合部同士を接合する手段から構成することもできるし、減圧中で金属接合部同士を接合する手段から構成することもでき、さらに、不活性ガス中で金属接合部同士を接合する手段から構成することもできる。
【0019】
また、上記接合手段は、上記加圧手段とともに固相での金属間の接合を促進させるために180℃以下好ましくは150℃未満に加熱する加熱手段を有することが好ましい。
【0020】
また、上記洗浄手段としては、プラズマ照射手段が好ましく、中でも、Arプラズマ照射手段が好ましい。
【0021】
また、上記洗浄手段は、金属接合部同士を大気中で接合する場合にも必要な表面エッチングを行えるようにするために、金属接合部の接合される全表面で1nm以上の深さののエッチングが可能なエネルギー以上でエネルギー波を照射する手段からなることが好ましい。
【0022】
また、接合される両金属接合部の表面金属種の組み合わせは、前述したように、金、銅、Al、In、Snのいずれかの同種金属同士、あるいは任意の2つの異種金属同士、あるいは、一方を金とし他方を銅、Al、In、Snのいずれかとする組み合わせとすることができる。中でも、金同士の組み合わせとする場合、接合が最も容易になる。
【0023】
そして、弾性材を介して加圧される被接合物の基材が、金属接合部の高さのばらつきを吸収するために容易にかつ適切に変形できるようにするために、その基材の厚みが100μm以下であることが好ましい。
【0024】
このような条件下では、上記加圧手段による接合圧力を、300MPa以下の低圧力に制御することが可能となる。
【0025】
さらに、金属接合部同士がより密接に接合されるように、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Hvで120以下好ましくは100以下とされていることが望ましい。
【0026】
また、上記接合手段としては、被接合物同士を仮接合する機能と、仮接合後に本接合する機能とを有するものとすることができる。
【0027】
上記のような本発明に係る接合方法および装置においては、減圧下または大気圧下で被接合物の金属接合部の表面にエネルギー波が照射され、表面がエッチングにより洗浄され活性化された金属接合部同士が接合装置部にて加圧により(場合によっては加熱を併用して)接合される。金属接合部同士の接合に際し、金属接合部に高さのばらつきがあると、非常に大きな加圧力を負荷しないと全金属接合部同士の接触が困難であるが、本発明においては少なくとも一方の被接合物が弾性材を介して加圧されるので、全金属接合部同士が接触するように、自動的にその被接合物の基材が適切にかつ容易に変形され、同時にその変形代が弾性材によって吸収される。その結果、エネルギー波により表面が事前洗浄されていた全金属接合部同士が良好に当接され、つまり、金属接合部の高さのばらつきが完全に吸収された状態で当接され、その状態にて接合が行われることになる。したがって、事前エネルギー波洗浄による効果が最大限に発揮され、低温、とくに常温あるいはそれに近い温度での接合まで可能となる。
【0028】
また、適切な温度での加熱を併用すれば、一層容易に所定の接合を行うことができるようになる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係る接合装置1を示しており、基材の表面に金属接合部2または3を有する被接合物4または5は、エネルギー波による洗浄手段としてのプラズマ照射手段8から照射されたプラズマ9によって金属接合部2、3の接合面がエッチングにより洗浄される(洗浄工程)。本実施態様では、真空ポンプ6により減圧され所定の真空度にされたチャンバ7内で、プラズマ9によって金属接合部2、3の接合面がエッチングにより洗浄されるようになっている(洗浄工程)。さらに、本実施態様では、ポンプ10によりチャンバ7内にArガスを供給できるようになっており、Arガス雰囲下でプラズマ照射できるようになっている。洗浄された被接合物4、5は、洗浄チャンバ7内から取り出され、接合工程(接合装置部11)にて、金属接合部2、3同士が、たとえば大気中で接合される。ただし、この接合部11を、たとえば全体的にあるいは局部的にチャンバ(図示略)で囲み、内部を減圧状態(あるいは真空状態)、あるいは不活性ガスの減圧状態(あるいは大気圧状態)とし、その特殊雰囲気下で接合を実施することもできる。
【0030】
なお、上記において、被接合物4は、たとえばチップからなり、被接合物5は、例えば基板からなる。ただし、ここでチップとは、たとえば、ICチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど種類や大きさに関係なく基板と接合される側の全ての形態のものを指す。この被接合物4上に、金属接合部2として、たとえばバンプが形成されている。また、基板とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど種類や大きさに関係なくチップと接合される側の全ての形態のものを指す。また、チップと基板は位置を入れ替えてもかまわない。
【0031】
接合装置部11では、たとえば、所定の待機部12に、上記洗浄された被接合物4、5が搬送された後載置される。被接合物4は、反転機構13のヘッド部14に、洗浄面に触れないように、吸着等により保持され、上下反転された後、ボンディングヘッド15の下部に設けられたボンディングツール16に、金属接合部2が下方に向けられた形態で吸着等によって保持される。被接合物5は、待機部12から移載され、たとえば、ボンディングステージ17上に、金属接合部3が上方に向けられた形態で吸着等によって保持される。本実施態様では、ボンディングツール16に加熱手段としてのヒータ18が内蔵されており、特殊雰囲気中あるいは大気中にて、常温下での接合、加熱下での接合のいずれも可能となっている。
【0032】
ボンディングヘッド15は、加圧手段19により、ボンディングツール16を介して被接合物4を下方に押圧できるようになっており、被接合物5に対して、所定の接合圧力を印加、コントロールできるようになっている。本実施態様では、ボンディングヘッド15は、上下方向(Z方向)に移動および位置決めできるようになっている。
【0033】
また、上記被接合物5を保持しているボンディングステージ17は、本実施態様では、下部に設けられている位置調整テーブル20による、X、Y方向の水平方向位置制御、θ方向の回転方向位置制御、および、X軸、Y軸周りの傾き調整制御により、被接合物4との間の相対位置合わせおよび平行度調整を行うことができるようになっており、金属接合部同士の接合時の隙間のばらつきを小さく抑えることもできるようになっている。この相対位置合わせおよび平行度調整は、被接合物4、5間に進退可能に挿入される認識手段、たとえば2視野の認識手段21(たとえば、2視野カメラ)により、被接合物4、5あるいはそれらの保持手段に付された認識マーク(図示略)を読み取り、読み取り情報に基づいて位置や角度の必要な修正を行うことにより、実施される。2視野の認識手段21は、X、Y方向、場合によってはZ方向への位置調整が可能となっている。この相対位置合わせおよび平行度調整は、本実施態様では主としてボンディングステージ17側で行われるが、ボンディングヘッド15またはボンディングツール16側で行うようにすることも可能であり、両側で行うことも可能である。両側で行う場合には、必要に応じて、ボンディングヘッド15側については昇降制御だけでなく回転制御および/または平行移動制御を行い、ボンディングステージ17側についても回転制御、平行移動制御および昇降制御などを行うことができ、これら制御形態は必要に応じて任意に組み合わせることが可能である。
【0034】
このように構成された接合装置1において、少なくとも一方の被接合物4(チップ)を接合のために加圧する手段19に、本実施態様では図2にも示すように、加圧手段19の下部に設けられたボンディングツール16の下部において被接合物4を直接保持する部分に、該被接合物4の基材4aの変形を許容する弾性材22を介装されている。この被接合物4の基材4aの表面に、図2の保持姿勢では基材4aの下面に、複数の金属接合部2(たとえば、バンプ)が形成されている。この被接合物4の下方には、被接合物5(基板)が被接合物4に対向配置された状態でボンディングステージ17上に保持されており、この被接合物5の基材5aの表面に、被接合物4の金属接合部2に対応する複数の金属接合部3が設けられている。これら互いに対応する金属接合部同士が、加圧手段19による加圧によって互いに当接され、加圧接合される。被接合物4、5上に形成された金属接合部2、3には、多かれ少なかれ、高さのばらつきが存在している。
【0035】
上記のような接合装置を用いて本発明に係る接合方法は次のように実施される。まず、所定の真空度とされたチャンバ7内で、被接合物4としてのチップ4の金属接合部2(たとえば、バンプ)と、被接合物5としての基板5の金属接合部3(たとえば、電極)が、Arプラズマ洗浄され、表面が活性化される。プラズマ洗浄においては、後の接合のために表面異物層を除去し十分に表面活性化するために、金属接合部の接合される全表面で1nm以上エッチングできるようにプラズマ照射強度、時間を設定することが好ましい。
【0036】
表面洗浄されたチップ4および基板5は、一旦待機部12に載置され、チップ4は上下反転されてボンディングツール16に、基板5は反転されずにボンディングステージ17に、それぞれ保持される。対向保持されたチップ4と基板5はは、2視野の認識手段21による読み取り情報に基づいて、所定の精度内に入るように位置合わせされ、平行度も所定の精度内に入るように調整される。
【0037】
この状態から、ボンディングツール16が降下され、加圧手段19により所定の接合圧力が印加され、必要に応じてヒータ18によって加熱され、チップ4の金属接合部2(バンプ)と基板5の金属接合部3が、たとえば大気中にて接合される。
【0038】
この接合に際しては、図2に示したように、被接合物4、5上に形成された金属接合部2、3には、多かれ少なかれ、高さのばらつきが存在しており、このままでは、対応する全金属接合部同士を当接させるためには、非常に大きな加圧力を必要とする。しかし、本実施態様においては、被接合物4が弾性材22を介して加圧されるので、図3に示すように、加圧時に弾性材22が被接合物4の基材4aの変形を許容し、弾性材22自身も弾性変形するので、結局、金属接合部2、3の高さのばらつきが自動的に吸収され、対応する全金属接合部同士が小さな加圧力で容易にかつ確実に当接することになる。各金属接合部の接合面は事前にエネルギー波により洗浄され、表面が活性化されているから、高い結合力をもって良好に接合される。そして、全金属接合部同士が互いに当接されているから、このような小さい加圧力をもって全金属接合部同士に対し確実かつ良好な接合が行われる。
【0039】
ちなみに、100μmのピッチでチップ4に金属接合部2としてのバンプが形成されており、バンプ高さに4μmのばらつきがあり、チップ4のSi基材4aの厚みが50μmの場合について上記加圧接合を行ったところ、300MPa、あるいはそれ以下の接合圧力にて、すべてのバンプを良好に接合することができた。
【0040】
この接合は、前述したように、上記のように弾性材22を介して加圧することによりいきなり本接合することもできるし、被接合物4、5同士を一旦仮接合した後、少なくとも一方の被接合物を上記のように弾性材22を介して加圧することにより本接合することもできる。
【0041】
また,本実施態様では弾性材を上側のみに用いたが、ステージ側のみに用いることも可能である。さらに、本発明に係る接合方法および装置においては、弾性材を両被接合物側に介装することもできる。たとえば図4に示すように、被接合物4側のボンディングツール16の下面側に弾性材22を介装するとともに、被接合物5側のボンディングステージ17の上面側に弾性材23を介装することができる。このように両側にそれぞれ弾性材22、弾性材23を介装すれば、被接合物4の基材4aと被接合物5の基材5aの両方が変形できるので、全金属接合部同士がより確実に当接され、かつ、より小さい加圧力をもって良好な接合を行うことが可能となる。また、チップを吸着するためにバンプを外した位置に弾性材の吸着孔を設けることが好ましい。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る接合方法および装置によれば、エネルギー波により金属接合部の接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、金属接合部に高さのばらつきが存在する場合にあっても、全金属接合部同士を確実に当接させて良好にかつ容易に接合できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様に係る接合装置の概略構成図である。
【図2】図1の装置における接合部の拡大概略部分構成図である。
【図3】図2の装置の接合動作時の概略構成図である。
【図4】両側に弾性材を介装した場合の接合装置部の概略部分構成図である。
【符号の説明】
1 接合装置
2、3 金属接合部
4 被接合物(チップ)
4a、5a 被接合物の基材
5 被接合物(基板)
6 真空ポンプ
7 チャンバ
8 プラズマ照射手段
9 プラズマ
10 Arガス供給ポンプ
11 接合装置部
12 待機部
13 反転機構
14 反転機構のヘッド部
15 ボンディングヘッド
16 ボンディングツール
17 ボンディングステージ
18 加熱手段としてのヒータ
19 加圧手段
20 位置調整テーブル
21 2視野の認識手段
22、23 弾性材
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップやウエハー、各種回路基板等の、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する接合方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属接合部を有する被接合物同士を接合する方法として、特許文献1には、シリコンウエハーの接合面同士を接合するに際し、接合に先立って室温の真空中で不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原子ビームを照射してスパッタエッチングする、シリコンウエハーの接合法が開示されている。この接合法では、シリコンウエハーの接合面における酸化物や有機物等が上記のビームで飛ばされて活性化された原子で表面が形成され、その表面同士が、原子間の高い結合力によって接合される。したがって、この方法では、基本的に、接合のための加熱を不要化でき、活性化された表面同士を単に接触させるだけで、常温またはそれに近い低温での接合が可能になる。
【0003】
しかし、この接合法において常温またはそれに近い低温での接合を行うには、上記のようなエネルギー波によるエッチングにより表面活性化された金属接合部の接合面同士を接合するに際し、被接合物間に高い位置決め精度が求められるのは勿論のこと、接合される複数組の金属接合部同士が、均等に当接される必要がある。たとえば、少なくとも一方の被接合物の金属接合部がバンプに形成されている場合、各バンプに高さのばらつきがあると、他方の被接合物の対応する各金属接合部に対し、接合時に接合面が良好に接触できないバンプが生じることになり、全バンプを望ましい電気的接続状態を達成できるように接合することが困難になるという不都合が生じる場合がある。とくに事前にエネルギー波による洗浄を行った被接合物同士の接合においては、このように接合されるべき金属接合部同士の高精度での接触が要求される。
【0004】
【特許文献1】
特許第2791429号公報(特許請求の範囲)
【特許文献2】
特開2002−64266号公報(特許請求の範囲、図1、3−6)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、エネルギー波により金属接合部の接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、金属接合部に高さのばらつきが存在する場合にあっても、全金属接合部同士を良好にかつ容易に接合できるようにした接合方法および装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る接合方法は、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、両被接合物の前記金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、少なくとも一方の被接合物を弾性材を介して加圧することにより接合することを特徴とする方法からなる。
【0007】
上記の接合方法においては、被接合物同士の接合は、大気中で行うこともできるし、減圧中(真空中)で行うこともでき、さらには、不活性ガス中で行うこともできる。また、エネルギー波による洗浄と接合とは、別の位置で行うこともできるし、同じ位置、たとえば同一のチャンバ内で行うこともできる。後者の場合、被接合物を大気中を搬送した後、チャンバ内にてエネルギー波による洗浄を行い、続いて同じチャンバ内で接合することもできる。
【0008】
また、本発明に係る接合方法においては、洗浄した後の金属接合部同士を、常温あるいはそれに近い低温で接合することも可能であるが、加熱を併用すると、より容易に接合することができる。
【0009】
エネルギー波による洗浄には、取り扱い易さ、制御の容易性等の面から、プラズマを用いることが好ましく、中でも、Arガス雰囲気中で発生させたArプラズマを用いることが好ましい。
【0010】
上記エネルギー波による洗浄では、金属接合部の接合される全表面で1nm以上の深さにエッチングすることが好ましい。このような深さ以上にエッチング可能なエネルギー波照射により、大気中であっても、金属接合部同士を接合するに必要な表面性状を得ることが可能になる。
【0011】
本発明に係る接合は、とくに、表面が金、銅、Al、In、Snのいずれかにより構成されている金属接合部同士を接合する場合に好適である。たとえば、互いに接合される金属接合部の組み合わせとして、金、銅、Al、In、Snのいずれかの同種金属同士、あるいは任意の2つの異種金属同士、あるいは、一方を金とし他方を銅、Al、In、Snのいずれかとする組み合わせとすることができる。中でも、金同士の接合の場合、常温でも確実に接合できるようになる。ただし、金同士の接合以外の場合でも(たとえば、金/銅、金/アルミニウム等の接合等)、常温あるいはそれに近い低温での接合を可能とすることができる。また、少なくとも一方の金属接合部を特定の金属、たとえば金で構成する場合、金属接合部を形成する電極等の全体を金で構成することもできるが、表面だけを金で構成することもできる。表面を金で構成するための形態はとくに限定されず、金めっきの形態や金薄膜をスパッタリングや蒸着等により形成した形態を採用すればよい。
【0012】
また、弾性材を介して加圧する被接合物の基材の厚みを100μm以下とすることが好ましい、このような薄肉の基材とすることにより、弾性材を介して加圧される際に、加圧力により基材自身、ひいてはその被接合物自身が変形可能となり、その変形代を弾性材によって吸収することが可能となる。すなわち、被接合物同士を接合するために接合力を加えたとき、複数組の金属接合部のうち、金属接合部の高さのばらつきにより、ある特定組の金属接合部同士が先に当接した段階では、残り組の金属接合部同士は未だ離間した状態にあるが、少なくとも一方の被接合物の基材が弾性材を介して加圧されるので、上記互いに離間していた金属接合部同士が互いに当接されるように、上記基材の変形およびそれに伴う弾性材による変形代の吸収が自然に発生することになる。その結果、離間していた金属接合部同士も互いに当接されるようになり、つまり、金属接合部の高さのばらつきが自動的に吸収され、全金属接合部同士が良好に当接されて所望の接合が行われることになる。
【0013】
接合圧力としては特に限定されないが、上記の如く被接合物の基材の厚みを100μm以下と薄くしておくことにより、300MPa以下の低圧力にて、弾性材を介しての望ましい金属接合部同士の接触を達成することが可能になる。たとえば、Siウエハにおいて、50μm厚に薄型化したものを弾性材を介し、300MPaで加圧した場合、容易に±2μmのバンプ高さばらつきが許容され接合ができた。
【0014】
また、金属接合部同士の接合に際し、表面同士が良好に密着できるように、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Hvで120以下、さらに好ましくはアニーリングにより硬度を100以下に下げたものがよい。たとえば、表面硬度Hvを30〜70の範囲内(たとえば、平均Hvを50)とすることが好ましい。このような低硬度としておくことで、接合圧力印加時に金属接合部の表面が微細に適当に変形し、より密接な接合が可能となる。たとえば、Hv硬度50の,表面粗さ100nmの金バンプを接合すると、表面粗さが±10nm以下となり、良好に接合できた。
【0015】
そしてこの本発明に係る接合方法においては、上記弾性材を介して基材の変形を許容しつつ行う接合により、1ステップで最終的な所定の本接合まで行わせることも可能であるが、被接合物同士を一旦仮接合した後、少なくとも一方の被接合物を上記のように弾性材を介して加圧することにより本接合することもできる。仮接合と本接合を同じ装置で行い、両接合ともに弾性材を介した加圧接合とすることもできるし、仮接合と本接合を異なる装置で行い、仮接合と本接合のいずれか一方、あるいは両方に対し、弾性材を介した加圧接合とすることもできる。
【0016】
本発明に係る接合装置は、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する装置であって、金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄する洗浄手段と、該洗浄手段による洗浄後に金属接合部同士を接合する接合手段とを備えた接合装置において、前記接合手段が、少なくとも一方の被接合物を接合のために加圧する手段を有し、該加圧手段に、該被接合物の基材の変形を許容する弾性材を介装したことを特徴とするものからなる。
【0017】
この接合装置においては、上記洗浄手段を、大気圧下で金属接合部の表面にエネルギー波を照射する手段に構成することもできるし、減圧下で金属接合部の表面にエネルギー波を照射する手段に構成することもできる。
【0018】
また、上記接合手段を、大気中で金属接合部同士を接合する手段から構成することもできるし、減圧中で金属接合部同士を接合する手段から構成することもでき、さらに、不活性ガス中で金属接合部同士を接合する手段から構成することもできる。
【0019】
また、上記接合手段は、上記加圧手段とともに固相での金属間の接合を促進させるために180℃以下好ましくは150℃未満に加熱する加熱手段を有することが好ましい。
【0020】
また、上記洗浄手段としては、プラズマ照射手段が好ましく、中でも、Arプラズマ照射手段が好ましい。
【0021】
また、上記洗浄手段は、金属接合部同士を大気中で接合する場合にも必要な表面エッチングを行えるようにするために、金属接合部の接合される全表面で1nm以上の深さののエッチングが可能なエネルギー以上でエネルギー波を照射する手段からなることが好ましい。
【0022】
また、接合される両金属接合部の表面金属種の組み合わせは、前述したように、金、銅、Al、In、Snのいずれかの同種金属同士、あるいは任意の2つの異種金属同士、あるいは、一方を金とし他方を銅、Al、In、Snのいずれかとする組み合わせとすることができる。中でも、金同士の組み合わせとする場合、接合が最も容易になる。
【0023】
そして、弾性材を介して加圧される被接合物の基材が、金属接合部の高さのばらつきを吸収するために容易にかつ適切に変形できるようにするために、その基材の厚みが100μm以下であることが好ましい。
【0024】
このような条件下では、上記加圧手段による接合圧力を、300MPa以下の低圧力に制御することが可能となる。
【0025】
さらに、金属接合部同士がより密接に接合されるように、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Hvで120以下好ましくは100以下とされていることが望ましい。
【0026】
また、上記接合手段としては、被接合物同士を仮接合する機能と、仮接合後に本接合する機能とを有するものとすることができる。
【0027】
上記のような本発明に係る接合方法および装置においては、減圧下または大気圧下で被接合物の金属接合部の表面にエネルギー波が照射され、表面がエッチングにより洗浄され活性化された金属接合部同士が接合装置部にて加圧により(場合によっては加熱を併用して)接合される。金属接合部同士の接合に際し、金属接合部に高さのばらつきがあると、非常に大きな加圧力を負荷しないと全金属接合部同士の接触が困難であるが、本発明においては少なくとも一方の被接合物が弾性材を介して加圧されるので、全金属接合部同士が接触するように、自動的にその被接合物の基材が適切にかつ容易に変形され、同時にその変形代が弾性材によって吸収される。その結果、エネルギー波により表面が事前洗浄されていた全金属接合部同士が良好に当接され、つまり、金属接合部の高さのばらつきが完全に吸収された状態で当接され、その状態にて接合が行われることになる。したがって、事前エネルギー波洗浄による効果が最大限に発揮され、低温、とくに常温あるいはそれに近い温度での接合まで可能となる。
【0028】
また、適切な温度での加熱を併用すれば、一層容易に所定の接合を行うことができるようになる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係る接合装置1を示しており、基材の表面に金属接合部2または3を有する被接合物4または5は、エネルギー波による洗浄手段としてのプラズマ照射手段8から照射されたプラズマ9によって金属接合部2、3の接合面がエッチングにより洗浄される(洗浄工程)。本実施態様では、真空ポンプ6により減圧され所定の真空度にされたチャンバ7内で、プラズマ9によって金属接合部2、3の接合面がエッチングにより洗浄されるようになっている(洗浄工程)。さらに、本実施態様では、ポンプ10によりチャンバ7内にArガスを供給できるようになっており、Arガス雰囲下でプラズマ照射できるようになっている。洗浄された被接合物4、5は、洗浄チャンバ7内から取り出され、接合工程(接合装置部11)にて、金属接合部2、3同士が、たとえば大気中で接合される。ただし、この接合部11を、たとえば全体的にあるいは局部的にチャンバ(図示略)で囲み、内部を減圧状態(あるいは真空状態)、あるいは不活性ガスの減圧状態(あるいは大気圧状態)とし、その特殊雰囲気下で接合を実施することもできる。
【0030】
なお、上記において、被接合物4は、たとえばチップからなり、被接合物5は、例えば基板からなる。ただし、ここでチップとは、たとえば、ICチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど種類や大きさに関係なく基板と接合される側の全ての形態のものを指す。この被接合物4上に、金属接合部2として、たとえばバンプが形成されている。また、基板とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど種類や大きさに関係なくチップと接合される側の全ての形態のものを指す。また、チップと基板は位置を入れ替えてもかまわない。
【0031】
接合装置部11では、たとえば、所定の待機部12に、上記洗浄された被接合物4、5が搬送された後載置される。被接合物4は、反転機構13のヘッド部14に、洗浄面に触れないように、吸着等により保持され、上下反転された後、ボンディングヘッド15の下部に設けられたボンディングツール16に、金属接合部2が下方に向けられた形態で吸着等によって保持される。被接合物5は、待機部12から移載され、たとえば、ボンディングステージ17上に、金属接合部3が上方に向けられた形態で吸着等によって保持される。本実施態様では、ボンディングツール16に加熱手段としてのヒータ18が内蔵されており、特殊雰囲気中あるいは大気中にて、常温下での接合、加熱下での接合のいずれも可能となっている。
【0032】
ボンディングヘッド15は、加圧手段19により、ボンディングツール16を介して被接合物4を下方に押圧できるようになっており、被接合物5に対して、所定の接合圧力を印加、コントロールできるようになっている。本実施態様では、ボンディングヘッド15は、上下方向(Z方向)に移動および位置決めできるようになっている。
【0033】
また、上記被接合物5を保持しているボンディングステージ17は、本実施態様では、下部に設けられている位置調整テーブル20による、X、Y方向の水平方向位置制御、θ方向の回転方向位置制御、および、X軸、Y軸周りの傾き調整制御により、被接合物4との間の相対位置合わせおよび平行度調整を行うことができるようになっており、金属接合部同士の接合時の隙間のばらつきを小さく抑えることもできるようになっている。この相対位置合わせおよび平行度調整は、被接合物4、5間に進退可能に挿入される認識手段、たとえば2視野の認識手段21(たとえば、2視野カメラ)により、被接合物4、5あるいはそれらの保持手段に付された認識マーク(図示略)を読み取り、読み取り情報に基づいて位置や角度の必要な修正を行うことにより、実施される。2視野の認識手段21は、X、Y方向、場合によってはZ方向への位置調整が可能となっている。この相対位置合わせおよび平行度調整は、本実施態様では主としてボンディングステージ17側で行われるが、ボンディングヘッド15またはボンディングツール16側で行うようにすることも可能であり、両側で行うことも可能である。両側で行う場合には、必要に応じて、ボンディングヘッド15側については昇降制御だけでなく回転制御および/または平行移動制御を行い、ボンディングステージ17側についても回転制御、平行移動制御および昇降制御などを行うことができ、これら制御形態は必要に応じて任意に組み合わせることが可能である。
【0034】
このように構成された接合装置1において、少なくとも一方の被接合物4(チップ)を接合のために加圧する手段19に、本実施態様では図2にも示すように、加圧手段19の下部に設けられたボンディングツール16の下部において被接合物4を直接保持する部分に、該被接合物4の基材4aの変形を許容する弾性材22を介装されている。この被接合物4の基材4aの表面に、図2の保持姿勢では基材4aの下面に、複数の金属接合部2(たとえば、バンプ)が形成されている。この被接合物4の下方には、被接合物5(基板)が被接合物4に対向配置された状態でボンディングステージ17上に保持されており、この被接合物5の基材5aの表面に、被接合物4の金属接合部2に対応する複数の金属接合部3が設けられている。これら互いに対応する金属接合部同士が、加圧手段19による加圧によって互いに当接され、加圧接合される。被接合物4、5上に形成された金属接合部2、3には、多かれ少なかれ、高さのばらつきが存在している。
【0035】
上記のような接合装置を用いて本発明に係る接合方法は次のように実施される。まず、所定の真空度とされたチャンバ7内で、被接合物4としてのチップ4の金属接合部2(たとえば、バンプ)と、被接合物5としての基板5の金属接合部3(たとえば、電極)が、Arプラズマ洗浄され、表面が活性化される。プラズマ洗浄においては、後の接合のために表面異物層を除去し十分に表面活性化するために、金属接合部の接合される全表面で1nm以上エッチングできるようにプラズマ照射強度、時間を設定することが好ましい。
【0036】
表面洗浄されたチップ4および基板5は、一旦待機部12に載置され、チップ4は上下反転されてボンディングツール16に、基板5は反転されずにボンディングステージ17に、それぞれ保持される。対向保持されたチップ4と基板5はは、2視野の認識手段21による読み取り情報に基づいて、所定の精度内に入るように位置合わせされ、平行度も所定の精度内に入るように調整される。
【0037】
この状態から、ボンディングツール16が降下され、加圧手段19により所定の接合圧力が印加され、必要に応じてヒータ18によって加熱され、チップ4の金属接合部2(バンプ)と基板5の金属接合部3が、たとえば大気中にて接合される。
【0038】
この接合に際しては、図2に示したように、被接合物4、5上に形成された金属接合部2、3には、多かれ少なかれ、高さのばらつきが存在しており、このままでは、対応する全金属接合部同士を当接させるためには、非常に大きな加圧力を必要とする。しかし、本実施態様においては、被接合物4が弾性材22を介して加圧されるので、図3に示すように、加圧時に弾性材22が被接合物4の基材4aの変形を許容し、弾性材22自身も弾性変形するので、結局、金属接合部2、3の高さのばらつきが自動的に吸収され、対応する全金属接合部同士が小さな加圧力で容易にかつ確実に当接することになる。各金属接合部の接合面は事前にエネルギー波により洗浄され、表面が活性化されているから、高い結合力をもって良好に接合される。そして、全金属接合部同士が互いに当接されているから、このような小さい加圧力をもって全金属接合部同士に対し確実かつ良好な接合が行われる。
【0039】
ちなみに、100μmのピッチでチップ4に金属接合部2としてのバンプが形成されており、バンプ高さに4μmのばらつきがあり、チップ4のSi基材4aの厚みが50μmの場合について上記加圧接合を行ったところ、300MPa、あるいはそれ以下の接合圧力にて、すべてのバンプを良好に接合することができた。
【0040】
この接合は、前述したように、上記のように弾性材22を介して加圧することによりいきなり本接合することもできるし、被接合物4、5同士を一旦仮接合した後、少なくとも一方の被接合物を上記のように弾性材22を介して加圧することにより本接合することもできる。
【0041】
また,本実施態様では弾性材を上側のみに用いたが、ステージ側のみに用いることも可能である。さらに、本発明に係る接合方法および装置においては、弾性材を両被接合物側に介装することもできる。たとえば図4に示すように、被接合物4側のボンディングツール16の下面側に弾性材22を介装するとともに、被接合物5側のボンディングステージ17の上面側に弾性材23を介装することができる。このように両側にそれぞれ弾性材22、弾性材23を介装すれば、被接合物4の基材4aと被接合物5の基材5aの両方が変形できるので、全金属接合部同士がより確実に当接され、かつ、より小さい加圧力をもって良好な接合を行うことが可能となる。また、チップを吸着するためにバンプを外した位置に弾性材の吸着孔を設けることが好ましい。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る接合方法および装置によれば、エネルギー波により金属接合部の接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、金属接合部に高さのばらつきが存在する場合にあっても、全金属接合部同士を確実に当接させて良好にかつ容易に接合できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様に係る接合装置の概略構成図である。
【図2】図1の装置における接合部の拡大概略部分構成図である。
【図3】図2の装置の接合動作時の概略構成図である。
【図4】両側に弾性材を介装した場合の接合装置部の概略部分構成図である。
【符号の説明】
1 接合装置
2、3 金属接合部
4 被接合物(チップ)
4a、5a 被接合物の基材
5 被接合物(基板)
6 真空ポンプ
7 チャンバ
8 プラズマ照射手段
9 プラズマ
10 Arガス供給ポンプ
11 接合装置部
12 待機部
13 反転機構
14 反転機構のヘッド部
15 ボンディングヘッド
16 ボンディングツール
17 ボンディングステージ
18 加熱手段としてのヒータ
19 加圧手段
20 位置調整テーブル
21 2視野の認識手段
22、23 弾性材
Claims (26)
- 基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際し、両被接合物の前記金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、少なくとも一方の被接合物を弾性材を介して加圧することにより接合することを特徴とする接合方法。
- 大気中で接合する、請求項1の接合方法。
- 減圧中で接合する、請求項1の接合方法。
- 不活性ガス中で接合する、請求項1または3の接合方法。
- 加熱を併用して接合する、請求項1〜4のいずれかに記載のの接合方法。
- 前記エネルギー波としてプラズマを用いる、請求項1〜5のいずれかに記載のの接合方法。
- 前記エネルギー波としてArプラズマを用いる、請求項6の接合方法。
- 前記エネルギー波による洗浄により、前記金属接合部の接合される全表面で1nm以上の深さにエッチングする、請求項1〜7のいずれかに記載の接合方法。
- 表面が金、銅、Al、In、Snのいずれかにより構成されている金属接合部同士を接合する、請求項1〜8のいずれかに記載の接合方法。
- 弾性材を介して加圧する被接合物の基材の厚みを100μm以下とする、請求項1〜9のいずれかに記載の接合方法。
- 接合圧力を300MPa以下とする、請求項1〜10のいずれかに記載の接合方法。
- 少なくとも一方の金属接合部の表面硬度をビッカース硬度Hvで120以下にする、請求項1〜11のいずれかに記載の接合方法。
- 被接合物同士を仮接合した後、少なくとも一方の被接合物を弾性材を介して加圧することにより本接合する、請求項1〜12のいずれかに記載の接合方法。
- 基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士を接合する装置であって、金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄する洗浄手段と、該洗浄手段による洗浄後に金属接合部同士を接合する接合手段とを備えた接合装置において、前記接合手段が、少なくとも一方の被接合物を接合のために加圧する手段を有し、該加圧手段に、該被接合物の基材の変形を許容する弾性材を介装したことを特徴とする接合装置。
- 前記接合手段が大気中で金属接合部同士を接合する手段からなる、請求項14の接合装置。
- 前記接合手段が減圧中で金属接合部同士を接合する手段からなる、請求項14の接合装置。
- 前記接合手段が不活性ガス中で金属接合部同士を接合する手段からなる、請求項14または16の接合装置。
- 前記接合手段が前記加圧手段とともに加熱手段を有する、請求項14〜17のいずれかに記載のの接合装置。
- 前記洗浄手段がプラズマ照射手段からなる、請求項14〜18のいずれかに記載のの接合装置。
- 前記洗浄手段がArプラズマ照射手段からなる、請求項19の接合装置。
- 前記洗浄手段が、前記金属接合部の接合される全表面で1nm以上の深さのエッチングが可能なエネルギー以上でエネルギー波を照射する手段からなる、請求項14〜20のいずれかに記載の接合装置。
- 接合される各金属接合部の表面が金、銅、Al、In、Snのいずれかにより構成されている、請求項14〜21のいずれかに記載の接合装置。
- 弾性材を介して加圧される被接合物の基材の厚みが100μm以下である、請求項14〜22のいずれかに記載の接合装置。
- 前記加圧手段による接合圧力が300MPa以下に制御される、請求項14〜23のいずれかに記載の接合装置。
- 少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がビッカース硬度Hvで120以下とされている、請求項14〜24のいずれかに記載の接合装置。
- 前記接合手段が、被接合物同士を仮接合する機能と、仮接合後に本接合する機能とを有する、請求項14〜25のいずれかに記載の接合装置。
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