WO2004028732A1

WO2004028732A1 - 接合方法および装置

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Publication number: WO2004028732A1
Application number: PCT/JP2003/012144
Authority: WO
Inventors: Akira Yamauchi
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2005-03-25
Also published as: TW200406875A; AU2003271061A1

Abstract

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、両接合物の金属接合部の表面をエネルギー波により洗浄した後、大気中で金属接合部同士を超音波接合する接合方法、および接合装置。この接合技術により、ダメージを与えることなく所望の超音波接合が可能になり、超音波接合時間の短縮、ひいては接合工程全体のタクトタイムの短縮が可能になるとともに、超音波エネルギー容量の縮小が可能となって装置全体の小型化、コストダウンをはかることが可能になる。また、従来超音波接合できなかった異種金属、たとえば金／銅や金／アルミニウムの組み合わせでの接合も可能になる。

Description

曰月糸田 »

接合方法および装置

技術分野

本発明は、チップやウェハ一、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。

背景技術

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、従来から超音波を利用した接合方法が知られている。しかし、従来の超音波接合では、接合面の表面に形成された酸化膜や有機物層、コンタミ層が比較的厚いものであったり、強固に付着したものであると、それらを超音波印加により十分に破壊したり除去したりすることが困難で、現実には信頼性の高い超音波接合を行うことができなかつた。また、このような状況下で強引に接合させようとして、超音波の強度を上げたり（たとえば、振幅を大きくしたり）、長時間印加したりすると、被接合物としてのチップやそれに形成されたバンプにダメージを与えることがあり、接合製品の信頼性を大きく低下させることになる。また、長時間の印加は、接合のタクトタイムの増加を招くため、好ましくない。したがって、従来方法においては、超音波の強度増大や印加時間の増加は困難かつ望ましくないものであり、そうかといって低強度、短時間印加のままでは、信頼性の高い超音波接合を行うことができなかつた。

一方、上記超音波接合とは別に、接合部を有する被接合物同士を接合する方法として、特許第 2 7 9 1 4 2 9号公報には、シリコンウェハ一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ツチングする、シリコンウェハ一の接合法が開示されている。この接合法では、シリコンウェ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。

しかし、この接合法では、エッチングされた接合面同士の接合は、真空中にて、表面活性化の状態を維持したまま行われなければならない。そのため、上記ビ一ムによる表面洗浄から接合に至るまで、所定の真空状態に保たなければならず、とくに接合のための機構の少なくとも一部を所定の真空度に保持可能なチヤンバ内に構成しなければならないためシール機構が大がかりになり、装置全体が大型かつ高価なものになる。また、上記ビームによる表面洗浄と接合の工程を分けるためにこれらを別の箇所で行おうとすると、両箇所間にわたって所定の真空伏態に保つことや、該真空状態に保ったまま被接合物を洗浄箇所から接合箇所に搬送する手段が必要になり、現実的な装置設計が難しくなるとともに、さらに装置全体の大型化を招く。また、本接合法では、高温加熱しないので、接合面の凹凸を潰して良好な接合面積を得るためには、 3 0 0 M P a程度の高加圧力が必要となり、半導体回路上のバンプや光素子のような化合物半導体においてはダメージを与える可能性がある。

上記のようなビーム照射によるスパッタエツチングにより表面洗浄して接合する方法に関して、最近、上述したような接合面の表面活性化による接合に対する利点を最大限確保しつつ、被接合物の金属接合部同士の接合を大気中で行うことの可能性が探究され始めた。表面活性化後、大気中での接合が可能になれば、真空中等で接合を行う場合に比べて、接合工程、装置を大幅に簡素化することが可能となる。

発明の開示

そこで本発明者らは、前述した従来の超音波接合における問題点を考慮しつつ、最近検討され始めた上記のような表面活性化による接合技術に着目して鋭意検討、試験した結果、両技術および加熱をうまく組み合わせることにより、従来の超音波接合における問題点を解決できることを見出し、従来のハンダ融点以下の温度で金属接合を行うことが可能な本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の目的は、超音波の強度低下や印加時間の短縮が可能で、被接合物や接合部にダメージを与えることなく所望の超音波接合を行うことができるとともに接合のタクトタイムの短縮が可能であり、かつ、接合に要求される超音波エネルギーの容量を低減でき、装置全体の小型化、コストダウンも可能な、超音波を利用した接合方法および装置を提供することにある。また、接合面の表面活性化による低温接合においても、超音波を印加することにより、バンプ等にダメージを与えるおそれのない低加圧力で接合可能な方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、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、大気中で金属接合部同士を超音波接合することを特徴とする方法からなる。金属接合部の表面のエネルギー波による洗浄は、大気圧下で行うことも可能であり、減圧下で行うことも可能である。

接合のための超音波印加条件は、金属接合部へのダメージ（とくに、クラックの発生）を抑えるために、以下のように最適化することが好ましい。すなわち、印加する超音波の振幅を 3 / m未満にする。より好ましくは 2〃m以下、さらに好ましくは 1 m以下である。

また、上記の如く超音波の振幅を小さくして印加超音波強度を低下させたことによる接合性能の低下は、印加する超音波の周波数を上げることで補うことが可能である。超音波の周波数としては、 4 0 k H z以上が好ましく、より好ましくは 6 0 k H z以上である。

また、超音波印加により、従来の表面活性化による低温での加圧接合に比べ、接合荷重を大幅に低下させることが可能になる。金属接合部へのダメージを抑えつつ良好な接合を達成するためには、接合荷重を 1 5 0 M P a以下にすることが好ましい。

金属接合部の表面洗浄のために用いるエネルギー波としては、プラズマが好ましく、中でも、 A rガス雰囲気下でのプラズマが好ましい。

上記接合は常温で行うことも可能であるが、加熱を併用することにより、粒子の拡散が助長されるので、より容易に接合界面の凹凸を潰して平坦にし、良好な接合状態が得られるようになる。加熱温度としては、 1 8 0 °C以下好ましくは 1 5 0 °C未満でよい。つまり、従来の一般的な低温金属接合はハンダ接合であり、ハングの融点は 1 8 3 °C程度であるので、それよりも低温の接合、すなわち、 1 8 0 °C以下好ましくは 1 5 0 °C未満での接合を可能とするものである。

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 1 n m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、金属接合部同士を大気中で接合するに必要な表面性状を得ることが可能になる。

本発明に係る超音波接合は、とくに、表面が A u、 C u、 A l、 I n、 S n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、 A u、 C u、 A l、 I n、 S n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、方を A uとし他方を C u、 A 1、 I n、 S n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、 A u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、 A u同士の接合以外の場合でも（たとえば、 λ \χ / C u、 A u / A 1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 A uで構成する場合、金属接合部を形成する電極等の全体を A uで構成することもできるが、表面だけを A uで構成することもできる。表面を A uで構成するための形態はとくに限定されず、 A uめっきの形態や A u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。また、接合表面を A uに限定するならば、表面活性化により大気中でも常温で接合が可能になり、常温接合による接合のもと、超音波印加により加圧力を約半分に下げても、界面の凹凸を潰して良好な接合が可能となる。従来 3 0 0 M P a程度の加圧力が必要であつたが、表面活性化後超音波を印加することにより、約 1 5 0 M P aまで下げることが可能となった。

上記金属接合部同士の接合時には、金属接合部間の隙間のばらつきを最大 4 μ m以下にすることが好ましい。隙間のばらつきが 4 / m以下であれば、適切な接合荷重、たとえば 3 0 0 M P a程度（好ましくは、 1 5 0 M P a以下）の接合荷重で、金属接合部同士の接合のために必要な隙間のばらつき以下に抑えることが可能となる。また、金属接合部同士の接合時に、被接合物間の平行度を 4 m以内に調整することが好ましい。このような平行度調整により、上記の隙間のばらつきを小さく抑えることが可能になるとともに、金属接合部同士がより密接に面接触できるようになり、一層容易に低温接合できるようになる。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接合前の表面粗さ（とくに表面のうねり）を 3 0 0 n m以下にすることが好ましい。このような表面粗さとすることにより、より密接な接合が可能となる。

また、金属接合部の接合後の表面粗さは 1 0 n m以下にすることが好ましい。接合後の界面が表面粗さ 1 0 n m以下に押し潰されることにより、接合面積が大きくなり、低抵抗でシュア強度的にも良好な接合となる。

また、上記同様の目的で、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がピツカ一ス硬度 H で 1 2 0以下、さらに好ましくは、ァニ一リングにより硬度を 1 0 0 以下に下げたものが好ましい。たとえば、表面硬度 H vを 3 0〜7 0の範囲内 (たとえば、平均 Η Vを 5 0 ) 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、接合荷重印加時に金属接合部の表面が適当に変形し、より密接な接合が可能となる。

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、各被接合物の前記金属接合部の表面にエネルギー波を照射する洗浄手段と、該手段から取り出した被接合物の金属接合部同士を大気中で超音波接合する接合手段とを有することを特徴とするものからなる。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。

接合のための超音波印加条件を最適な条件とするために、上記接合手段は、ダメ一ジを少なくするためには、振幅 3 /z m未満、望ましくは 2 // m以下、さらに望ましくは 1 / m以下の超音波を印加可能な手段からなることが好ましい。また、接合手段は、周波数 4 0 k H z以上、望ましくは 6 0 k H z以上の超音波を印加可能な手段からなることにより、振幅を落としてもエネルギーを増大させることができるので、このように構成されていることが好ましい。さらに、接合手段は、 1 5 0 M P a以下の接合荷重で接合可能な手段からなることが好ましい。

この接合装置においては、上記洗浄手段がプラズマ照射手段からなることが好ましく、中でも、 A rプラズマ照射手段からなることが好ましい。また、上記接合手段は、加熱手段を有し、ハンダ融点より低い 1 8 0 °C以下好ましくは 1 5 0 °C未満の温度で金属接合部同士を超音波接合できる手段に構成されていることが好ましい。

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に必要な表面エツチングを行うために、金属接合部の接合される全表面で 1 n m以上の深さののェ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。

また、揆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、 A u、 C u、 A l、 I n、 S n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 A uとし他方を C u、 A l、 I n、 S n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、 A u同士の組み合わせとする場合、接合が最も容易になる。

また、上記接合手段は、金属接合部同士の接合時の隙間のばらつきを最大 4 μ m以下にする手段を備えていることが好ましい。また、接合手段が、金属接合部同士の接合時の被接合物間の平行度を 4 / m以内に調整する手段を備えていることが好ましい。また、少なくとも一方の金属接合部の接合前の表面粗さが 3 0 0 n m以下とされていることが望ましい。また、少なくとも一方の金属接合部の接合後の表面粗さが 1 0 n m以下とされていることが望ましい。さらに、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 H Vで 1 2 0以下、さらには 1 0 0以下とされていることが望ましい。

本発明はまた、前記のような接合方法により作製された接合体も提供する。すなわち、本発明に係る接合体は、基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士の接合体であって、両被接合物の前記金属接合部の表面がエネルギー波により洗浄された後、大気中で金属接合部同士が超音波接合されることによつて作製されたことを特徴とするものからなる。

上記接合体においては、接合された被接合物の少なくとも一方が半導体からなる構成とすることができる。

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、表面がエツチングにより洗浄され活性化された金属接合部同士が大気中で超音波接合される。事前にエネルギー波照射により表面の酸化膜や有機物層、コンタミ層が除去されるため、低強度の超音波にて短時間で所望の接合を行うことが可能になる。したがつて、被接合物や接合部にダメ一ジを与えることなく良好な超音波接合を行うことが可能になるとともに、超音波接合に要する時間短縮により、接合工程全体のタクトタイムの短縮が可能となる。また、超音波印加手段の容量も小さくてよいため、装置全体の小型化、コストダウンも可能となる。さらに、大気中での接合が可能とるので、接合のために大がかりな真空装置やそのためのシール装置等が不要になり、この面からも、工程全体、装置全体として大幅に簡素化され、コストダウンも可能となる。さらにまた、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ので、加熱に関する装置負担も小さくすることが可能となる。

また、事前にエネルギー波照射により表面の酸化膜や有機物層、コンタミ層が除去されるため、従来できなかった異種金属同士の接合、たとえば、金ノ銅ゃ金 /アルミニウムの超音波接合が可能になり、超音波接合の適用範囲が大幅に拡大される。

また、事前のエネルギー波照射による接合面の表面活性化後に超音波印加により接合することにより、常温接合においても、接合荷重を大幅に低減できるようになる。接合表面が A uの場合、表面活性化により大気中でも常温で接合が可能になるのに加え、この常温接合による接合においては、超音波印加により加圧力を約半分に下げても、界面の凹凸を潰して良好な接合が可能となる。

また、とくに本発明では、事前のエネルギー波照射による洗浄と超音波接合との組み合わせにより、接合条件が大幅に緩和される。従来の超音波接合では振幅 3 〃m以上の超音波印加が必要であつたが、振幅 3 // in以上では接合への寄与度は大きくなるものの、ダメージを与えるおそれがある。本発明では、エネルギー波洗浄による接合面の表面活性化により、コンタミ層が極めて薄くなつているため、振幅を低下することが可能になる。そのため、超音波印加によるダメージ (たとえば、クラック発生）を無くすことが可能になる。また、振幅低下により超音波強度が低下し、その分接合への寄与度が低下するおそれもあるが、ダメージ低減のために振幅を下げても、周波数を上げることにより、とくに周波数を 4 0 k H z以上、好ましくは 6 0 k H z以上とすることにより、接合に対して十分な寄与度を維持することが可能となる。つまり、接合メカニズムは、高周波振動により金属そのものが膨張収縮を繰り返すことと考えられるので、振幅を大きくすることをほとんど不要化することが可能となる。

また、超音波印加により、接合界面での応力が増大するため、界面の凹凸は潰れやすくなり、結果として軟らかくなるのと同等の状態が創出される。その結果、単なる加圧による接合に比べ、低荷重での接合が可能になる。従来少なくとも 3 0 0 M P aの接合荷重が必要であつたのに対し、 1 5 0 M P a以下での接合が可能になる。

さらに、適切な温度での加熱の併用や、金属接合部の隙間のばらつきの抑制、平行度の調整等を行うことにより、一層容易に所定の超音波接合を行うことができるようになる。

このように、本発明に係る接合方法および装置によれば、ダメージを与えることなく所望の超音波接合が可能になり、超音波接合時間の短縮、ひいては接合ェ程全体のタクトタイムの短縮が可能になるとともに、超音波エネルギー容量の縮小が可能となって装置全体の小型化、コストダウンをはかることが可能になる。また、従来超音波接合できなかった異種金属、たとえば金/銅や金アルミニゥムの組み合わせでの接合も可能になる。

また、事前エネルギー波洗浄により、印加超音波の強度を大幅に低下させることが可能になり、印加条件を最適化することにより、ダメージを受けやすい被接合物にあっても、ダメージを発生させることなく、高い生産効率をもって良好に接合できるようになる。

さらに、従来の表面活性化による低温接合と比べ、超音波を印加することにより、接合荷重を大幅に低減することが可能となり、半導体回路上のバンプや光素子のような化合物半導体など大きな荷重をかけられないものについても、接合が可能になる。

図面の簡単な説明

図 1は、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は、熱衝撃試験サイクルと良品率との関係図である。

図 3は、モデル試験における超音波振幅とシア強度との関係図である。図 4は、別のモデル試験における超音波振幅とシア強度（相対値）との関係図である。

図 5は、モデル試験における接合荷重とバンプ潰れ量との関係図である。図 6は、振幅 1 /z mの超音波印加試験における周波数と良品率（相対値）との関係図である。

〔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）

5 被接合物（基板）

6 真空ポンプ

7 チヤンバ

8 プラズマ照射手段

9 プラズマ

1 0 A rガス供給ポンプ

1 1 接合装置部

1 2 待機部

1 3 反転機構

1 4 反転機構のへッド部

1 5 ボンディングへッド

1 6 ボンディングツール

1 7 ボンディングステージ

1 8 加熱手段としてのヒータ

1 9 超音波印加手段

2 0 位置調整テーブル

2 1 2視野の認識手段

発明を実施するための最良の形態以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図 1は、本発明の一実施態様に係る接合装置 1を示している。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、まず、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、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 の表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、ポンプ 1 0によりチャンバ 7内に A rガスを供給できるようになっており、 A rガス雰囲下でかつ所定の減圧下にてプラズマ照射できるようになつている。なお、本実施態様では所定の減圧下にてプラズマ照射することとしているが、大気圧下でのプラズマ照射とすることも可能である。洗浄された被接合物 4、 5は、チャンバ 7 内から取り出され、接合工程（接合装置部 1 1 ) にて、金属接合部 2、 3同士が大気中で超音波接合される。

なお、上記被接合物 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、 I Cチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウェハ一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、ウェハ一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。本発明における代表的な態様として、接合される被接合物の少なくとも一方が半導体からなる態様を挙げることができる。上記洗浄された被接合物 4、 5は、チャンバ 7を有する洗浄手段から接合装置部 1 1における接合手段まで、適当な搬送手段で搬送される。接合装置部 1 1では、たとえば、所定の待機部 1 2に、上記洗浄された被接合物 4、 5が載置される。被接合物 4は、反転機構 1 3のへッド部 1 4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、ボンディングへッド 1 5の下部に設けられたボンディングツール 1 6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 1 2から移載され、たとえば、ボンディングステージ 1 7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 1 6に加熱手段としてのヒータ 1 8が内蔵されており、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。

ボンディングへッド 1 5は、ボンディングツール 1 6を介して、被接合物 4を下方に押圧し、被接合物 5に対して、所定の接合荷重を印加、コントロールできるようになっている。本実施態様では、ボンディングへッド 1 5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つている。このボンディングへッド 1 5またはボンディングツール 1 6に超音波印加手段 1 9が設けられており、本実施態様では、被接合物 4側に、とくにその金属接合部 2に超音波振動を与えることにより、被接合物 5の金属接合部 3との間で超音波接合を行うことができるようになっている。

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 1 7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 2 0による、 X、 Y方向の水平方向位置制御、 0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つており、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つている。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 2 1 (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 2 1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 1 7側で行われるが、ボンディングへッド 1 5またはボンディングツール 1 6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、ボンディングへッド 1 5側については昇降制御だけでなく回転制御および Zまたは平行移動制御を行い、ボンディングステージ 1 7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。

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ヤンバ 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、 A r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、超音波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 1 n m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。一例で示すと、 1 0 0 V、 5 0 Wのプラズマ洗浄手段で A rプラズマを 5秒照射するレベルである。

表面洗浄されたチップ 4および基板 5は、一旦待機部 1 2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 1 6に、基板 5は反転されずにボンディングステージ 1 7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 2 1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。とくに平行度に関しては、良好な超音波接合を達成するために、両被接合物間の平行度を 4 // m以下とし、かつ、金属接合部間の隙間のばらつきを最大 4 / m以下とするように調整されることが好ましい。

この状態から、ボンディングツール 1 6が降下され、所定の接合荷重が印加され、必要に応じてヒータ 1 8によって加熱され、超音波印加手段 1 9により印加される超音波振動を利用して、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、大気中にて超音波接合される。

従来の超音波接合においては、前述したように、接合面表面の酸化膜や有機物層、コンタミ層が厚かったり、強固に付着していたりすると、現実には超音波接合ができなかった。しかし、上記のような本発明に係る超音波接合においては、接合前に、エネルギー波、本実施態様では A rプラズマによる表面洗浄が施されており、接合面表面に超音波接合に必要なエッチングが施されて上記のような異物層が十分に除去あるいは分解され表面が十分に活性化されているので、従来よりも低い超音波印加強度で（たとえば、従来よりも小さい振幅で）かつ従来よりも短い時間で所望の超音波接合を行うことが可能になる。したがって、無理に接合させるために超音波印加強度を上げたり、印加時間を長くしたりする必要はなく、チップやバンプにダメージを与えるおそれも除去されて、接合品質も確保されることになる。また、超音波接合時間を短縮できるので、接合工程全体のタクトタイムも短縮され、生産性が大幅に向上される。さらに、超音波印加強度が小さくてよいので、超音波エネルギー容量が縮小され、超音波印加手段 1 9としても小型かつ安価なものでよい。したがって、装置全体の小型化、コストダウンにも寄与できることになる。

この超音波接合においては、前述の如く、少なくとも一方の金属接合部の接合前の表面粗さが 3 0 0 n m以下とされたり、少なくとも一方の金属接合部の接合後の表面粗さが 1 0 n m以下とされたり、少なくとも一方の金属接合部の表面硬度をピツカ一ス硬度 H Vで 1 2 0以下のものとしたり、接合時に加熱を併用したりすることが有効である。加熱により、表面の硬度を下げたり、接合時の表面における原子の動きを活発化させたりすることが可能であり、一層容易に所望の超音波接合を行うことが可能になる。

とくに加熱の併用による効果は大きく、その加熱による効果とエネルギー波洗浄による効果の両方を相乗的に得ることが可能になる。とくに 1 5 0 °C程度にまで加熱すると、大きな効果が得られる。とくに、従来のハンダ融点よりも低い温度で接合することにより、従来のハンダ接合に比べ低温接合の特徴を維持しつつ, エネルギー波洗浄による効果を発揮させることができる。ただし、加熱温度は、装置に大きな負担がかからないように、かつ、金属接合部に加熱による不都合が発生しないように、たとえば 1 8 0 °C以下好ましくは 1 5 0 °C未満の温度で適切に（たとえば、上記の如く 1 5 0 °C近傍の温度あるいはそれ以下の温度に）設定すればよい。

また、本発明に係るエネルギー波洗浄後に大気中で超音波接合を行う方法では、後述の実施例に示すように、とくに金属接合部の表面がともに A uからなる場合、低い超音波印加強度、短い印加時間で所望の超音波接合を行うことが可能になる < ただし、本発明に係る接合方法では、事前にエネルギー波洗浄を行うため、 A u A uの接合に限らず、前述した各種金属の任意の組み合わせ、たとえば、 A u Z C u A u / A 1の超音波接合が可能になり、上記の如く加熱を併用すれば、これら異種金属同士の超音波接合についても一層容易に行うことが可能になる。上記のような本発明による作用、効果を確認するために、 A u Z A uの金属接合部の超音波接合を行うに際し、事前のプラズマ洗浄なしに超音波接合した場合と、プラズマ洗浄後に超音波接合した場合とについて、加熱による効果確認も加味して、試験を行った。プラズマ洗浄は、 1回で金属接合部としてのバンプの表面を 1 n mの深さエツチングできるエネルギーで処理する。一例として、 1 0 0 V、 5 0 Wのプラズマ手段で A rプラズマ洗浄を 5秒行う。評価は、接合体に一 6 5 °C〜十 1 5 0 °Cの間の温度変動を繰り返し加え、そのときのバンプ接合についての良品率（％) を測定する熱衝撃試験を行った。その結果、図 2に示すような特性が得られた。

図 2に示すように、事前のプラズマ洗浄なしで常温にて超音波接合した場合には、熱衝撃サイクル数が少ない段階でも、低い良品率しか得られなかったが、事前にプラズマ洗浄（2回の照射）を行うことにより、熱衝撃サイクル数が多い段階まで、高い良品率が得られた。また、加熱による効果を確認するために、事前のプラズマ洗浄なしで接合時の温度を 1 5 0 °Cにして超音波接合したところ、熱衝撃サイクル数が多い段階まで、高い良品率が得られた。この図 2に示す結果では、事前プラズマ洗浄よりも加熱による効果の方が高く現れているが、これは 1 5 0 °Cという比較的高い温度で試験したためで、加熱による効果は温度に依存すると考えられるため、 1 5 0 °Cよりも低い温度で試験する場合には、事前プラズマ洗浄による効果の方が高く現れる場合もある。そして、事前プラズマ洗浄と加熱の両方を行った場合には、プラズマ洗浄 1回の場合とプラズマ洗浄 2回の場合との両方とも、極めて高い効果が得られており、これらの併用が最適な形態であることが分かる。

また、上記 A u Z A u接合を行う場合において、従来の単なる超音波接合に比ベ、本発明における事前プラズマ洗浄を行った場合、超音波の印加強度を低下させることが可能であることを確認するために、印加超音波の振幅（ m ) と接合品のシェア強度（g /バンプ）との関係を求めるモデル試験を行った。結果、図 3に示すように、このモデル試験は、比較的大振幅の超音波印加を対象としたものであり、とくに事前プラズマ洗浄の効果を確認するために、現在汎用されているチップに比べ大型のバンプを形成したものを使用した。このモデル試験の条件では、従来 1 0 ^ m程度の振幅の超音波を印加していたのに比べ、本発明に係る方法では、印加超音波の振幅を 4 / m以下にまで落としても、同等の接合強度が得られることを確認でき、事前プラズマ洗浄が印加超音波の強度低下に大きく寄与できることを確認できた。超音波の振幅を小さくできるということは、チップやバンプのダメージも減り、また、超音波印加手段としても小型かつ安価なものでよいことになり、装置全体の小型化、コストダウンに寄与できることが分かつた。また、接合に必要な超音波エネルギーも少なくて済むことが明らかであるから、超音波印加時間も短くて済み、接合に要する時間短縮、ひいては接合工程全体のタクタイムの短縮にも寄与できる。なお、金属接合部が A u同士である場合には、表面に酸化膜は存在せず、有機物のみである。その場合は、減圧プラズマで強制的にエッチングしなくとも、大気圧プラズマ手段の酸素プラズマによる有機物の除去で、その後の超音波接合が可能となる。

さらに、近年急速に発展されてきた、金属接合部（バンプ）のピッチが極めて小さいファインピッチ化されたチップ、すなわち、従来、超音波接合のためには 3 m以上の振幅の超音波印加が必要であったものについて、本発明に係る方法により上記同様のモデル試験を行った。試験結果について、接合品のシア強度 ( g Zバンプ）との関係を図 4に示す。事前プラズマ洗浄を行うことにより、 3 m未満の超音波振幅で優れた効果が得られていることが判る。ちなみに、 3 〃 mの振幅の時には、バンプ裏に微小クラックが入ったが、振幅 2〃 mではクラックは全く入らなかった。また、振幅 1 mでも接合が可能であった。

また、このモデル試験において、バンプ（材質： A u、硬度： 6 0 H v、初期表面粗さ： 3 0 0 n m ) に超音波を印加した場合としない場合でのバンプの潰れ量と接合荷重を測定した結果を図 5に示す。図 5に示すように、従来の常温接合では、良好な接合（バンプ潰れ量： 1 // m以上、接合後の表面粗さ： 1 0 n m以下）を達成するためには、 3 0 0 M P aの接合荷重が必要であつたが、超音波を印加することで、半分の 1 5 0 M P aで同等の結果が得られた。

さらに、本発明に係る方法における、振幅 1 a mの超音波印加時の、接合後の良品率と、印加超音波の周波数との関係を図 6に示した。図 6に示すように、周波数を 4 0 k H z以上、とくに 6 0 k H z以上とすることで、振幅 1 μ mの超音波でも、極めて優れた結果が得られた。このように、とくに上記モデル試験から分かるように、従来の超音波接合では 3 0 0 M P aあるいはそれ以上の接合荷重を必要としたが、本発明に係る方法では、 1 5 0 M P aの接合荷重での接合に成功した。

産業上の利用可能性

本発明に係る接合装置および方法は、金属接合部を有する被接合物同士のあらゆる超音波接合に適用でき、とくに少なくとも一方の被接合物が半導体である場合の超音波接合に好適である。

Claims

言青求の範囲

1. 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、大気中で金属接合部同士を超音波接合することを特徴とする接合方法。

2. 印加する超音波の振幅を 3 //m未満にする、請求項 1の接合方法。

3. 印加する超音波の周波数を 4 0 k H z以上にする、請求項 1の接合方法。

4. 印加する超音波の周波数を 6 0 k H z以上にする、請求項 3の接合方法。

5. 接合荷重を 1 5 0 MP a以下にする、請求項 1の接合方法。

6. 前記金属接合部の表面のエネルギー波による洗浄を減圧下で行う、請求項 1 の接合方法。

7. 前記エネルギー波としてプラズマを用いる、請求項 1の接合方法。

8. 前記エネルギー波として A rプラズマを用いる、請求項 7の接合方法。

9. 1 8 0°C以下に加熱した状態にて超音波接合する、請求項 1の接合方法。

1 0. 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 1 nm以上の深さにエッチングする、請求項 1の接合方法。

1 1. 接合表面が A u、 C u、 A 1、 I n、 S n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の接合方法。

1 2. 金属接合部同士の接合時に、金属接合部間の隙間のばらつきを最大 4 以下にする、請求項 1の接合方法。

1 3. 金属接合部同士の接合時に、被接合物間の平行度を 4 m以内に調整する、請求項 1の接合方法。

1 4. 少なくとも一方の金属接合部の接合前の表面粗さを 3 0 0 nm以下にする、請求項 1の接合方法。

1 5. 少なくとも一方の金属接合部の接合後の表面粗さを 1 O nm以下にする、請求項 1の接合方法。

1 6. 少なくとも一方の金属接合部の表面硬度をピツカ—ス硬度 H Vで 1 2 0以下にする、請求項 1の接合方法。

1 7. 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、各被接合物の前記金属接合部の表面にエネルギー波を照射する洗浄手段と、該手段から取り出した被接合物の金属接合部同士を大気中で超音波接合する接合手段とを有することを特徴とする接合装置。

1 8. 前記接合手段が、振幅 3 //m未満の超音波を印加可能な手段からなる、請求項 1 7の接合装置。

1 9. 前記接合手段が、周波数 4 0 kH z以上の超音波を印加可能な手段からなる、請求項 1 7の接合装置。

2 0. 前記接合手段が、周波数 6 0 k H z以上の超音波を印加可能な手段からなる、請求項 1 9の接合装置。

2 1. 前記接合手段が、 1 5 0 MP a以下の接合荷重で接合可能な手段からなる、請求項 1 7の接合装置。

2 2. 前記洗浄手段が、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からなる、請求項 1 7の接合装置。

2 3. 前記洗浄手段がプラズマ照射手段からなる、請求項 1 7の接合装置。

2 4. 前 β洗浄手段が A rプラズマ照射手段からなる、請求項 2 3の接合装置。

2 5. 前記洗浄手段と前記接合手段との間に洗浄された被接合物の搬送手段が設けられている、請求項 1 7の接合装置。

2 6. 前記接合手段が加熱手段を有し、 1 8 0°C以下で金属接合部同士を超音波接合する手段からなる、請求項 1 7の接合装置。

2 7. 前記洗浄手段が、前記金属接合部の接合される全表面で 1 nm以上の深さのエッチングが可能なエネルギ一以上でエネルギー波を照射する手段からなる、請求項 1 7の接合装置。

2 8. 接合される両金属接合部の表面が A u、 C u、 A 1、 I n、 S nのいずれかにより構成されている、請求項 1 7の接合装置。

2 9. 前記接合手段が、金属接合部同士の接合時の隙間のばらつきを最大 4 以下にする手段を備えている、請求項 1 7の接合装置。

3 0. 前記接合手段が、金属接合部同士の接合時の被接合物間の平行度を 4 urn 以内に調整する手段を備えている、請求項 1 7の接合装置。

3 1. 少なくとも一方の金属接合部の接合前の表面粗さが 3 0 0 nm以下とされている、請求項 1 7の接合装置。

3 2 . 少なくとも一方の金属接合部の接合後の表面粗さが 1 0 n m以下とされる、請求項 1 7の接合装置。

3 3 . 少なくとも一方の金属接合部の表面硬度がピツカ—ス硬度 H Vで 1 2 0以下とされている、請求項 1 7の接合装置。

r

3 4 . 基材の表面に金属接合部を有する被接合物同士の接合体であって、両被接合物の前記金属接合部の表面がエネルギー波により洗浄された後、大気中で金属接合部同士が超音波接合されることによつて作製されたことを特徴とする接合体 _c

3 5 . 前記接合された被接合物の少なくとも一方が半導体からなる、請求項 3 4 の接合体。