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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Prozessablauf zur Herstellung
einer Lotschicht mit Kontaktkugeln eines Kontaktmaterials, etwa
eines Lotes, um Kontaktbereiche zum direkten Anbringen eines geeignet
ausgebildeten Gehäuses
oder eines Trägersubstrats
an einem Chip, der eine integrierte Schaltung trägt.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
der Herstellung integrierter Schaltungen ist es für gewöhnlich notwendig,
einen Chip in ein Gehäuse
einzubringen und Anschlussdrähte
und Anschlüsse
zum Verbinden der Chipschaltung mit der Peripherie vorzusehen. In
einigen Techniken zum Einbringen in ein Gehäuse werden Chips, Chipgehäuse oder
andere geeignete Einheiten mittels Kugeln oder Bällen aus Lot oder einem anderen
leitenden Material, die aus sogenannten Lothöckern oder Höckern hergestellt
sind, verbunden, die auf einer entsprechenden Schicht, die im Weiteren
auch als Lotschicht bezeichnet wird, mindestens einer der Einheiten,
beispielsweise auf einer dielektrischen Passivierungsschicht des
mikroelektronischen Chips gebildet sind. Um den mikroelektronischen
Chip mit dem entsprechenden Träger
zu verbinden, besitzen die Oberflächen der beiden entsprechenden
zu verbindenden Einheiten, d. h. eines mikroelektronischen Chips
mit beispielsweise mehreren integrierten Schaltungen, und eines
entsprechenden Gehäuses, darauf
ausgebildet geeignete Kontaktflächenanordnungen,
um die beiden Einheiten nach dem Aufschmelzen der Lotbälle, die
zumindest auf einer der Einheiten, beispielsweise auf dem mikroelektronischen
Chip vorgesehen sind, elektrisch miteinander zu verbinden. In anderen
Techniken sind Lotkugeln herzustellen, die mit entsprechenden Drähten zu
verbinden sind, oder die Lotkugeln werden mit entsprechenden Anschlussflächen eines
weiteren Substrats, das als eine Wärmesenke dient, in Verbindung
gebracht. Folglich kann es notwendig sein, eine große Anzahl
an Lotkugeln herzustellen, die über
die gesamte Chipfläche
verteilt sein können,
wodurch beispielsweise die I/O-(Eingabe/Ausgabe-) Kapazität geschaffen
wird, die für
moderne mikroelektronische Chips erforderlich ist, die typischerweise
eine komplexe Schaltung, etwa Mikroprozessoren, Spei cherchips, und
dergleichen enthalten, und/oder mehrere integrierte Schaltungen
aufweisen, die ein komplexes Gesamtschaltungssystem bilden.
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Um
Hunderte oder Tausende mechanisch gut befestigte Lotkugeln auf entsprechenden
Kontaktflächen
bereitzustellen, erfordert das Anbringen der Lotkugeln eine sorgfältige Gestaltung,
da das gesamte Bauteil bei Ausfall lediglich einer der Lotkugeln eventuell
funktionsunfähig
wird. Aus diesem Grunde werden im Allgemeinen eine oder mehrere
sorgfältig ausgewählte Schichten
zwischen den Lotkugeln oder den Höckern, aus denen die Lotkugeln
durch Aufschmelzen gebildet werden, und dem darunter liegenden Substrat
oder der Scheibe, die die Kontaktflächenanordnung aufweist, hergestellt.
Zusätzlich
zu der wichtigen Rolle, die diese Zwischenschichten spielen, die
im Weiteren auch als Höckerunterseitenmetallisierungsschicht
bezeichnet wird, um eine ausreichende mechanische Haftung des Höckers an
der darunter liegenden Fläche
und dem umgebenden Passivierungsmaterial zu erreichen, muss die
Höckenanterseitenmetallisierung
auch gewisse Erfordernisse im Hinblick auf die Diffusionseigenschaften und
die Stromleitfähigkeit
erfüllen.
Hinsichtlich des zuerst genannten Aspektes müssen die Höckerunterseitenmetallisierungsschichten
eine ausreichende Diffusionsbarriere bereitstellen, um einen Angriff
des Lotmaterials oder Höckermaterials,
das häufig
eine Mischung aus Blei (Pb) und Zinn (Sn) ist, auf die darunter
liegenden Metallisierungsschichten des Chips zu verhindern, wodurch
deren Funktion gestört
oder negativ beeinflusst werden kann. Ferner ist ein Abwandern von
Höckermaterial,
etwa Blei, zu anderen empfindlichen Bauteilbereichen, beispielsweise
in das Dielektrikum, in welchem ein radioaktiver Zerfall in dem
Blei auch merklich das Bauteilleistungsverhalten beeinflussen kann,
in effizienter Weise durch die Höckerunterseitenmetallisierung
zu unterdrücken. Hinsichtlich
der Stromleitfähigkeit
soll die Höckerunterseitenmetallisierung,
die als eine Verbindung zwischen der Lotkugel und der darunter liegenden
Metallisierungsschicht des Chips dient, eine Dicke und einen spezifischen
Widerstand aufweisen, die nicht in ungeeigneter Weise den Gesamtwiderstand
des Systems aus Metallisierungsfläche und Lotkugel erhöht. Des
weiteren dient die Höckerunterseitenmetallisierung
als eine Stromverteilungsschicht während des Elektroplattierens
des Höckermaterials.
Elektroplattieren ist gegenwärtig
die bevorzugte Abscheidetechnik für das Lotmaterial, da physikalische
Dampfabscheidung des Lothöckermaterials,
was ebenso angewendet wird, eine komplexe Maskentechnologie erfordert,
um Fehljustierungen auf Grund thermischer Ausdehnungen der Maske
während
ihres Kontakts mit den heißen
Metalldämpfen
zu vermeiden. Des weiteren ist es äußerst schwierig, die Metallmaske
nach dem Ende des Abscheideprozesses ohne Schädigung der Lotflächen zu
entfernen, insbesondere wenn große Scheiben bearbeitet werden
oder wenn der Abstand zwischen benachbarten Lotflächen gering
ist.
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Obwohl
auch eine Maske in dem Abscheideverfahren mit Elektroplattieren
verwendet wird, unterscheidet sich diese Technik von dem Verdampfungsverfahren
dahingehend, dass die Maske unter Anwendung von Photolithographie
erzeugt wird, um damit die zuvor genannten Probleme zu vermeiden,
die durch die physikalische Dampfabscheidung hervorgerufen werden.
Jedoch erfordert das Elektroplattieren eine zusammenhängende und äußerst gleichförmige Stromverteilungsschicht,
die auf dem Substrat haftet, das im Wesentlichen nichtleitend ist,
mit Ausnahme der Flächen,
auf denen die Höcker
herzustellen sind. Somit muss die Höckerunterseitenmetallisierung
auch strenge Anforderungen im Hinblick auf eine gleichförmige Stromverteilung
erfüllen,
da Ungleichförmigkeiten
während
des Plattierungsprozesses auch die endgültige Konfiguration der Höcker und
nach dem Wiederverflüssigen
der Höcker
auch die resultierenden Lotkugeln im Hinblick auf beispielsweise
Höhenungleichförmigkeiten
beeinflussen können,
die sich wiederum als Schwankungen der schließlich erhaltenen elektrischen
Verbindungen und deren mechanischen Integrität auswirken können. Die
Höhe der
Höcker
ist u. a. durch die lokale Abscheiderate während des Elektroplattierungsprozesses
bestimmt, der an sich ein äußerst komplexer Prozess
ist, so dass Prozessungleichförmigkeiten, die
sich aus Unregelmäßigkeiten
der Plattierungsanlage oder von Komponenten davon ergeben, auch
direkt die entsprechenden Ungleichförmigkeiten während des
abschließenden
Montageprozesses hervorrufen können.
Die Höckerunterseitenmetallisierungsschicht
wird mittels geeigneter Ätztechniken
strukturiert, um gut definierte Inseln unter dem Lotmaterial bereitzustellen,
wodurch eine gut definierte Benetzungsschicht für den nachfolgenden Aufschmelzprozess
bereitgestellt wird, während
welchem die Lothöcker
in Kugeln geformt werden. Die Größe und damit die
Höhe dieser
Lotkugeln ist für
den eigentlichen Vorgang das Anbringens der Chips an dem Trägersubstrat
wesentlich, da Höhenschwankungen
zu einem geringeren Kontakt in dem abschließenden Aufschmelzprozess zum
Verbinden mit der entsprechenden Lotfläche des Trägersubstrats führen können. Während des
Wiederverflüssigens
des Lotmaterials zur Ausbildung der Lotkugeln kann insbesondere
darin enthaltenes Zinn eine intermetallische Phase mit dem Kupfer
der obersten Teilschicht der Höckerunterseitenmetallisierungsschicht
bilden, wodurch eine zuverlässige
Metallisierungsgrenzefläche
erzeugt wird. Des weiteren wird während des Wiederverflüssigungsprozesses
eine Oxidschicht, die Blei und Zinn aufweist, an der Oberfläche der
Lotkugel gebildet und verleiht dieser eine glänzende Erscheinung. Die Oxid schicht
dient als eine Passivierungsschicht während der nachfolgenden Fertigungsprozesse,
etwa dem Schneiden des Substrats, und dergleichen, wobei die Integrität der Lotkugeln
beibehalten werden soll, um im Wesentlichen weitere Ungleichförmigkeiten
der Lotkugeln zu unterdrücken.
Somit sollte die Oxidschicht vorzugshalber eine hohe Stabilität während der
weiteren Montageprozesse aufweisen, sollte jedoch durch Flussmaterial
vor dem endgültigen Lotprozess
zum Anbringen an dem Trägersubstrat einfach
entfernbar sein. Während
des Entfernens der Oxidschicht können
jedoch nicht entfernte Reste des Oxids deutlich den Lötprozess
beeinflussen, wodurch möglicherweise
ein Kontakt ohne Benetzung mit der Lotfläche des Trägersubstrats hervorgerufen wird.
Somit kann sich eine weniger zuverlässige Verbindung oder ein totaler
Ausfall der Verbindungsstruktur ergeben. Wie zuvor erläutert ist,
werden große
Anstrengungen unternommen, um den komplexen Prozess zu verbessern,
der mit der Herstellung der Höckerunterseitenmetallisierungsschicht
und den Lothöckern
verknüpft
ist, wobei jedoch Ungleichförmigkeiten,
die während
des Aufschmelzprozesses auftreten, ebenso eine vergleichbare Bedeutung
besitzen.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte Technik,
die eines oder mehrere der erkannten Probleme vermeidet oder zumindest
deren Auswirkungen reduziert.
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Überblick über die Erfindung
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik,
die die Problematik der Gleichförmigkeit
des Aufschmelzprozesses betrifft, die durch die Oxidpassivierungsschicht
hervorgerufen wird, wobei das Problem gelöst wird, indem die Herstellung
einer zuverlässigen
Oxidschicht auf einem Oberflächenbereich
der Lotkugeln ermöglicht wird,
wobei diese Schicht eine erhöhte
Stabilität
aufweist, während
eine Dicke und Gleichförmigkeit
verbessert ist, um damit ein einfaches und effizientes Entfernen
vor und während
des Lotprozesses zum Befestigen entsprechender Lotkugeln an einer
Lotfläche
zu ermöglichen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die erhöhte
Stabilität
und Gleichförmigkeit der
entsprechenden zinn- und bleioxidenthaltenden Deckschicht der entsprechenden
Lotkugeln erreicht, indem die Temperatur geeignet gesteuert wird,
bei der der Oxidationsprozess in Gang gesetzt wird und/oder die
Abkühlrate
während
der Herstellung der Oxidschicht in einer oxidierenden Umgebung gesteuert
wird, nachdem der Aufschmelzprozess zum Runden der anfänglichen
Lothöcker
abgeschlossen ist.
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Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden mehrerer
blei- und zinnenthaltender Lothöcker über einem
Substrat und das Bilden von Lotkugeln durch Aufschmelzen bzw. Wiederverflüssigen der
mehreren Lothöcker
in einer inerten Umgebung mit Wasserstoff und/oder einer Wasserstoff/Stickstoffmischung
durch Erwärmen
der Lothöcker über die
Schmelztemperatur der Lothöcker.
Des weiteren umfasst das Verfahren das Aussetzen der Lotkugeln der
Einwirkung von Umgebungsluft, wenn eine Temperatur des Substrats
kleiner als ungefähr 250
Grad C und höher
als ungefähr
190 Grad C ist.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden mehrerer
blei- und zinnenthaltender Lothöcker über einem
Substrat und das Bilden von Lotkugeln durch Aufschmelzen bzw. Wiederverflüssigen der
mehreren Lothöcker
in einer inerten Umgebung mit Wasserstoff und/oder einer Wasserstoff/Stickstoff-Mischung
durch Erwärmen der
Lothöcker über die
Schmelztemperatur der Lothöcker
hinaus. Ferner werden die Lotkugeln der Einwirkung von Umgebungsluft
ausgesetzt, während eine
Abkühlrate
des Substrats so gesteuert wird, dass diese innerhalb eines Bereichs
von ungefähr
10 Grad pro Minute bis ungefähr
25 Grad pro Minute liegt.
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Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bilden mehrerer
Lothöcker über einem
Substrat und das Bilden von Lotkugeln durch Wiederverflüssigen der
mehreren Lothöckern in
einer inerten Umgebung mit Wasserstoff und/oder einer Wasserstoff/Stickstoffmischung
durch Erwärmen
der Lothöcker über die
Schmelztemperatur der Lothöcker.
Des weiteren werden die Lotkugeln einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt,
wenn eine Temperatur des Substrats kleiner als ungefähr 250 Grad
C ist, während
eine Abkühlrate
des Substrats so gesteuert wird, dass diese in einem Bereich von ungefähr 10 Grad
C pro Minute bis ungefähr
25 Grad C pro Minute liegt.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a bis 1c schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements mit darin ausgebildeten
Lothöckern
(1a) zeigen, die wiederverflüssigt werden (1b),
um abgerundete Lotkugeln zu bilden, wobei eine nachfolgende Ausbildung
einer zuverlässigen
und dünnen
Oxidschicht (1c) gemäß anschaulicher Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung erfolgt;
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1d schematisch
einen Graphen zeigt, der eine Abkühlrate während der Oxidation von Lotkugeln
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1e schematisch
mehrere Substrate zeigt, die in einer im Wesentlichen horizontalen
Weise angeordnet sind, um gleichzeitig mehrere Substrate gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zu bearbeiten; und
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2a bis 2d schematisch
mehrere vertikal angeordnete Substrate während eines Prozessablaufes
zur Herstellung abgerundeter Lotkugeln mit einer darauf ausgebildeten
zuverlässigen und
dünnen
Oxidschicht gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sein, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulich offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf den Einfluss
der Passivierungsschicht von Lotkugeln im Hinblick auf den Prozess zum
Einbau in ein Gehäuse
und betrifft somit eine Fertigungssequenz zur Herstellung einer
zuverlässigen
aber leicht entfernbaren Oxidschicht auf Lotkugeln, die herzustellen
ist, um die Integrität
der Lotkugeln während
weiterer Fertigungsprozesse beizubehalten, wobei ein effizientes
Entfernen der Oxidschicht vor oder während des Lötprozesses zum Verbinden der
Lotkugeln mit entsprechenden Bildflächen eines Trägersubstrats
ermöglicht
wird. Zu diesem Zweck wird der eigentliche Aufschmelzprozess, in welchem
die zuvor gebildeten Lothöcker über die Schmelztemperatur
des Lotmaterials hinaus erwärmt werden,
in einer im Wesentlichen inerten Umgebung ausgeführt, die auf der Grundlage
von Wasserstoff oder Formierungsgas, d. h. einem Gas mit einer Mischung
aus Wasserstoff und Stickstoff, eingerichtet wird. In dieser Hinsicht
sollte beachtet werden, dass eine inerte Umgebung mit Wasserstoff
oder einem Formierungsgas als eine Atmosphäre mit einem spezifizierten
Druck zu verstehen ist, wobei die Hauptkomponente durch Wasserstoff
oder durch das Formierungsgas repräsentiert ist, während dennoch Spuren
anderer Gase und Substanzen in der inerten Umgebung auf Grund typischer
Anlagenkontaminationen oder anderer kleiner Unzulänglichkeiten
der entsprechenden Anlagen vorhanden sein können. Obwohl ferner eine chemische
Reaktion der inerten Umgebung mit freigelegten Oberflächenmaterialien des
zu behandelnden Substrats vernachlässigbar ist, können dennoch
sehr geringe Mengen an Fremdmaterialien oder Gasen und Teilchen
in die inerte Umgebung freigesetzt werden und können selbst in noch messbaren
Mengen vorhanden sein. Daher ist der Begriff „inerte Umgebung", wie er hierin und
in den angefügten
Patentansprüchen
verwendet ist, in dem oben definierten Sinne zu verstehen, wobei
beispielsweise ein Anteil von weniger als ungefähr 1 Volumenprozent oder weniger
als ungefähr
0,1 Volumenprozent eines nicht inerten Gases bezogen auf Wasserstoff
oder Formierungsgas als eine inerte Umgebung mit Wasserstoff und/oder
einer Wasserstoff/Stickstoffmischung gemäß der vorliegenden Erfindung
zu betrachten ist. Ferner wird gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung das in Kontakt bringen der wiederverflüssigten Lothöcker mit
einer oxidierenden Umgebung, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen
durch die Umgebungsluft repräsentiert
ist, bei erhöhten
Temperaturen bis zu ungefähr
250 Grad C ausgeführt,
wodurch eine äußerst gleichförmige und
gut steuerbare Oxidation freigelegter Oberflächenbereiche der Lotkugeln
erreicht wird. Zusätzlich
oder alternativ wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen
nach dem Wiederverflüssigen
der Lothöcker
das nachfolgend ausgeführte
Abkühlen
des Substrats und damit der Lotkugeln so gesteuert, dass eine Abkühlrate in
einem Bereich von ungefähr
25 Grad C pro Minute bis 10 Grad C pro Minute liegt, während die
Lotkugeln der oxidierenden Umgebung, etwa der Umgebungsluft ausgesetzt
sind. Folglich kann auf Grund einer erhöhten Oxidati onstemperatur und/oder
einer entsprechenden Steuerung der Abkühlrate eine dünne aber
zuverlässige
Oxidschicht für
blei- und zinnbasierte Lotkugeln gebildet werden.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1e und
den 2a bis 2d werden
nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 100 mit einem Substrat 101, über welchem mehrere
Lothöcker 102 gebildet
sind. Das Substrat 101 kann ein beliebiges Substrat repräsentieren,
das zur Herstellung von Schaltungselementen integrierter Schaltungen
darauf geeignet ist. Beispielsweise kann das Substrat 101 ein
Siliziumvollsubstrat repräsentieren,
mit einer darauf ausgebildeten geeigneten siliziumbasierten Halbleiterschicht,
oder das Substrat 101 kann ein SOI-(Silizium-auf-Isolator)
Substrat mit einer vergrabenen isolierenden Schicht repräsentieren, über der
eine siliziumbasierte kristalline Halbleiterschicht gebildet ist.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
kann das Substrat 101 ein beliebiges geeignetes Trägermaterial
für ein
kristallines oder amorphes Halbleitermaterial repräsentieren, das
für die
Herstellung von Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren,
Widerständen und
dergleichen geeignet ist. Der Einfachheit halber sind derartige
Schaltungselemente in den Figuren nicht gezeigt. Es sollte ferner
beachtet werden, dass das Substrat 101 ferner auch eine
oder mehrere „Verdrahtungs"-Schichten aufweisen
kann, die für
die elektrische Verbindung der entsprechenden Schaltungselemente
sorgen und die auch die elektrische Verbindung zu mindestens einigen
der mehreren Lothöckern 102 herstellen.
Wiederum sind entsprechende Verdrahtungsschichten oder Metallisierungsschichten
in 1a nicht gezeigt. Die mehreren Lothöcker 102,
die beispielsweise Zinn und Blei in einem geeigneten Verhältnis aufweisen,
sind auf entsprechenden Höckerunterseitenmetallisierungsschichten 103 gebildet,
die wiederum aus mehreren Teil- bzw. Unterschichten aufgebaut sind,
um für
die erforderlichen thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften
zu sorgen, wie dies zuvor erläutert
ist. In einer anschaulichen Ausführungsform
kann die oberste Schicht 104 der Höckerunterseitenmetallisierungsschicht 103 aus
Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebaut sein, die eine stabile
Verbindung mit dem in den Lothöckern 102 enthaltenen
Zinn während
des Ausschmelzprozesses bildet, der nachfolgend auszuführen ist.
Die zur Herstellung derartiger Metallisierungsschichten 103 verwendeten
Materialien und Techniken sind dem Fachmann bekannt und werden daher
nicht weiter erläutert,
um die vorliegende Erfindung nicht zu verdunkeln. Die Abmessungen
und der Abstand zwischen benachbarten Lothöckern 102 ist im Wesentlichen
durch Bauteiler fordernisse bestimmt, wobei in anspruchsvollen Anwendungen
eine laterale Abmessung der Lothöcker 102 im
Bereich von einigen Mikrometern bis einige hundert Mikrometer und
mehr liegen kann, während der
Abstand zwischen benachbarten Lothöckern 102 ungefähr 100 μm oder weniger
oder sogar 75 μm oder
weniger betragen kann.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100,
wie es in 1a gezeigt ist, umfasst im Wesentlichen
die gleichen Prozesse, wie sie zuvor beschrieben sind. D. h., nach der
Herstellung von Schaltungselementen und entsprechenden Verdrahtungsschichten,
die entsprechende Kontaktflächen
(nicht gezeigt) innerhalb einer geeigneten Passivierungsschicht
(nicht gezeigt) aufweisen, wird die Höckerunterseitenmetallisierungsschicht 103 über dem
Substrat 101 gebildet, und nachfolgend werden die Lothöcker 102 mittels
eines geeigneten Abscheideverfahrens, beispielsweise auf der Grundlage
von Elektroplattierungstechniken hergestellt, während welchem eine geeignet strukturierte
Lackmaske verwendet wird, um entsprechende Inseln aus Lotmaterial
zu bilden, die die Lothöcker 102 repräsentieren.
Danach kann die Lackmaske entfernt werden und das Höckerunterseitenmetallisierungsmaterial
kann strukturiert werden, wodurch die Höckerunterseitenmetallisierungsschicht(en) 103 zurückbleiben.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Das Halbleiterbauelement 100 ist der
Einwirkung einer inerten Umgebung 105 ausgesetzt, die in
einer anschaulichen Ausführungsform eine
Wasserstoffumgebung umfasst, während
in anderen anschaulichen Ausführungsformen
ein Formierungsgas, d. h. eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff,
zum Einrichten der inerten Umgebung 105 verwendet werden
kann. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die „Qualität" der inerten Umgebung 105 überwacht
und/oder gesteuert zumindest im Hinblick auf die Anwesenheit von
Spuren aus Sauerstoff. In einer anschaulichen Ausführungsform wird
das Ausüben
einer Erwärmung
des Substrats 101 und damit der Lothöcker 102 auf oder über die Schmelztemperatur
der Lothöcker 102 mit
einem Sauerstoffanteil von ungefähr
10 Teilen pro Million (ppm) oder weniger ausgeführt. Beispielsweise wird vor
dem Einrichten der inerten Umgebung 105 auf der Grundlage
von Wasserstoff oder Formierungsgas das Substrat 101 mittels
reinem Stickstoff gespült, um
damit Kontaminationen, insbesondere Sauerstoff, aus der Umgebung
des Substrats 101 zu entfernen oder zumindest deutlich
zu verringern. Wenn ein entsprechender Messwert eine weiterhin unerwünscht große Sauerstoffmenge
anzeigt, kann ein weiterer Spülschritt
ausgeführt
werden, bis der gewünschte
gerin ge Schwellwert erreicht ist. Danach wird die inerte Umgebung 105 eingerichtet,
wobei in einigen Ausführungsformen
der Sauerstoffanteil überwacht
wird. Beispielsweise kann beim Einrichten der inerten Umgebung 105 das
Substrat 101 mit Wasserstoff oder Formierungsgas, mit welchem
die inerte Umgebung 105 einzurichten ist, gespült werden,
und die entsprechende Durchflussrate kann verwendet werden, um in
kontinuierlicher Weise Kontaminationsstoffe zu entfernen, die noch
in der inerten Umgebung 105 vorhanden sein können, oder
die während
der nachfolgenden Erwärmung
des Substrats 101 erzeugt werden können. Geeignete Durchflussraten
für Wasserstoff
und/oder das Formierungsgas können
von den Gegebenheiten der verwendeten Prozessanlage abhängen, etwa
einem vertikalen Aufschmelzofen, einem horizontalen Aufschmelzofen
oder einer Aufschmelzkammer mit Einzelsubstratbearbeitung, und dergleichen,
und diese Werte können
effizient auf der Grundlage der hierin bereitgestellten Lehre mittels
Testuntersuchungen unter Anwendung der verfügbaren Anlage ermittelt werden.
Danach wird eine geeignete Temperatur in der inerten Umgebung 105 festgelegt,
die über
der Schmelztemperatur des Materials der Lothöcker 102 liegt. Die
Schmelztemperatur, die im Bereich von 200 bis 320 Grad C liegen
kann, kann von der Materialzusammensetzung, beispielsweise von dem
Verhältnis aus
Blei und Zinn, abhängen
und kann im Voraus festgelegt werden, so dass die Temperatur in
der inerten Umgebung 105 auf einen geeignet ausgewählten Wert über den
entsprechenden Schmelztemperatur eingestellt werden kann.
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Es
sollte beachtet werden, dass das Erwärmen des Substrats 101 und
damit der Lothöcker 102 in
mehreren Schritten ausgeführt
werden kann, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen in unterschiedlichen
Prozesskammern ausgeführt
werden können,
solange sichergestellt ist, dass der Sauerstoffanteil unter dem
gewünschten
Schwellwert bleibt. In noch weiteren Ausführungsformen wird die Temperatur
in der inerten Umgebung 105 entsprechend einem speziellen
Zeitablauf in-situ erhöht,
wobei eine im Wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung über das
Substrat 101 und über
verschiedene Substrate, wenn mehrere Substrate gleichzeitig in der
Umgebung 105 bearbeitet werden, erreicht wird. Nach dem Überschreiten
der Schmelztemperatur werden die Lothöcker 102 zunehmend
verflüssigt und
können
im Wesentlichen gerundet werden, wobei die schließlich erhaltenen
Abmessungen im Wesentlichen durch die Abmessungen der Lothöcker 102 und
der darunter liegenden Schicht 104 bestimmt sind, die im
Wesentlichen vollständig
während des
Aufschmelzprozesses benetzt wird, während die Oberflächenspannung
des Lotmaterials zu einer im Wesentlichen runden Form führt, mit
Ausnahme der Unterseite, die mit der Schicht 104 in Kontakt
ist, wodurch die entsprechenden Lotkugeln 102a gebildet werden.
Um eine unnötig
lange Zeitdauer zu vermeiden, in der das Lotmaterial in dem geschmolzenen Zustand
vorliegt, kann die Temperatur während
der abschließenden
Phase des Aufschmelzprozesses deutlich über der Schmelztemperatur gehalten
werden und kann bis zu ungefähr
360 Grad C für
eine Schmelztemperatur von ungefähr
320 Grad C gehalten werden. In anderen Fällen kann eine reduzierte Prozesstemperatur
von ungefähr
beispielsweise 250 Grad C bis 260 Grad C in Verbindung mit einer
reduzierten Schmelztemperatur einer entsprechenden Materialzusammensetzung
der Lothöcker 102 eingesetzt
werden. Nach einer spezifizierten Zeitdauer der Einwirkung der Prozesstemperatur über der Schmelztemperatur
zum Wiederverflüssigen
der Lothöcker 102 wird
die Prozesstemperatur reduziert, wobei das Substrat 101 und
damit die Lotkugeln 102a abkühlen können, wobei in Abhängigkeit
der zuvor angewendeten Temperatur die Lotkugeln 102a mit
einer oxidierenden Umgebung bei einer Temperatur bis zu 250 Grad
C und weniger in Kontakt gebracht werden, und wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen
eine minimale Temperatur für
die Lotkugeln 102a bei ungefähr 190 Grad C liegt.
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1c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100, das einer oxidierenden
Umgebung 106 ausgesetzt ist, wobei eine Temperatur des
Substrats 101 und damit der Lotkugeln 102a bis
zu 250 Grad C und weniger beträgt.
Ohne die vorliegende Anmeldung auf die folgende Erläuterung
einschränken
zu wollen, so wird dennoch angenommen, dass die erhöhte Temperatur
zu Beginn der Einwirkung der oxidierenden Umgebung 106 die
Steuerbarkeit und somit die Gleichförmigkeit des einsetzenden Oxidationsprozesses
verbessert, während
welchem Zinnoxid und Bleioxid an Oberflächenbereichen der Lotkugeln 102a gebildet
werden, wodurch eine Oxidschicht 107 gebildet wird. In
einer anschaulichen Ausführungsform
wird die oxidierende Umgebung 106 auf der Grundlage von
Sauerstoff und einem inerten Gas, etwa Stickstoff, Argon, und dergleichen eingerichtet,
wobei ungefähr
5 bis 25 Volumenprozent Sauerstoff in der Umgebung 106 vorgesehen sind.
In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen kann die oxidierende
Umgebung 106 auf der Grundlage von Umgebungsluft eingerichtet
werden, wobei beachtet werden sollte, dass der Begriff „Umgebungsluft" als eine Umgebungsluft
zu verstehen ist, wie sie typischerweise in Reinräumen für die Herstellung
von Halbleiterbauelementen anzutreffen ist, und somit kann die Umgebungsluft
als eine Gasmischung mit ungefähr
20 % Sauerstoff und 79 % Stickstoff mit Spuren anderer Gase, etwa
Edelgase, und dergleichen betrachtet werden. Während der Einwirkung der oxidierenden
Umgebung 106 können
sich das Substrat 101 und damit die Lot kugeln 102a weiter
abkühlen,
wodurch zunehmend die Reaktionsgeschwindigkeit des Oxidationsprozesses
verlangsamt wird. Die Zeitdauer von der Einrichtung der oxidierenden
Umgebung 106 bis zu dem Punkt, an dem das Substrat 101 eine
vorbestimmte „End"-Temperatur erreicht, kann als ein gesteuerter
Bereich der gesamten Abkühlphase
betrachtet werden, wobei die gesamte Abkühlphase als beendet betrachtet
wird, wenn das Substrat 101 die Umgebungstemperatur einnimmt.
In einer Ausführungsform
beträgt
die Endtemperatur diese Periode, in der Substrathantierungsprozesse
und andere Prozesse im Wesentlichen vermieden werden, ungefähr 50 Grad
C. In einer anschaulichen Ausführungsform
wird die Abkühlrate
des Substrats 101 während
dieses gesteuerten Bereichs innerhalb eines Bereichs von ungefähr 10 Grad
C pro Minute und ungefähr
25 Grad C pro Minute gehalten. Durch Beschränken der Abkühlrate auf den
oben spezifizierten Wertebereich kann die Gleichförmigkeit
des voranschreitenden Oxidationsprozesses und damit der sich ergebenden
Oxidschicht 107 so verbessert werden, dass mit einer geringeren
endgültigen
Dicke dennoch eine hohe Stabilität
erreicht werden kann, wobei die geringere Dicke und die dennoch
verbesserte Gleichförmigkeit
ein zuverlässiges
Entfernen der Oxidschicht 107 in einer späteren Phase
während
des Verbindens mit einer Lotfläche
eines Trägersubstrats
ermöglichen.
Beispielsweise kann für
eine bleireiche Blei/Zinn-Legierung und mit einer Anfangstemperatur
für die
oxidierende Umgebung 106 von ungefähr 250 Grad C eine äußerst gleichförmige Schichtdicke
für die
Oxidschicht 107 von ungefähr 10 Nanometer und deutlich weniger
erreicht werden.
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1d zeigt
schematisch einen geeigneten Bereich für Werte der Abkühlrate gemäß einigen
anschaulichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. In 1d repräsentiert
die vertikale Achse die Temperatur des Substrats 101, die
im Wesentlichen gleich der Temperatur der Lotkugeln 102a ist, und
die horizontale Achse repräsentiert
die Zeit in Minuten, nachdem das Substrat 101 sich abkühlen kann.
In 1d repräsentiert
die durchgezogene Linie A eine Abkühlrate von ungefähr 25 Grad
C pro Minute, so dass, wenn man mit einer Anfangstemperatur von
250 Grad C beginnt, die beispielsweise zum Zeitpunkt t1 erreicht
wird, eine Temperatur von ungefähr
50 Grad C zu einem Zeitpunkt t2 erreicht
wird, wobei das Intervall t1, t2 ungefähr 8 Minuten entspricht. Während des
Zeitintervalls beginnend bei t0, das den
Zeitpunkt repräsentieren
soll, wenn das Wiederverflüssigen
der Lothöcker 102 in
der inerten Umgebung 105 aufgeschmolzen werden, wobei das Substrat 101 danach
weiter abkühlen
kann, während die
inerte Umgebung 105 weiter beibehalten wird, bis zum Punkt
t1, wird die oxidierende Umgebung 106 so eingerichtet,
um den Oxidations prozess zur Herstellung der Oxidschicht 107 in
Gang zu setzen, wobei eine erhöhte
Gleichförmigkeit
und eine gewünschte Dicke
erreicht werden kann, solange die maximale Abkühlrate, die durch eine durchgezogene
Linie repräsentiert
ist, nicht überschritten
wird. In ähnlicher Weise
repräsentiert
die gestrichelte Linie B in 1b eine
entsprechende minimale Abkühlrate
gemäß dem oben
spezifizierten Bereich, so dass folglich die gestrichelte Linie
B eine Abkühlrate
von ungefähr
10 Grad C pro Minute repräsentiert,
wobei eine noch bessere Gleichförmigkeit
und eine akzeptable Dicke für
die Oxidschicht 107 erreicht werden kann, wenn die Abkühlrate bei
oder unter der gestrichelten Linie B gehalten wird. D. h., der schraffierte
Bereich, der von der durchgezogenen Linie A und der gestrichelten
Linie B eingeschlossen wird, repräsentiert einen Bereich zulässiger Abkühlraten
während
der Einwirkung der oxidierenden Umgebung 106 gemäß einigen
anschaulichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Somit umfasst der gesteuerte Bereich
der Abkühlperiode,
die in dieser Ausführungsform
durch die Temperaturen von ungefähr
250 Grad C und ungefähr
50 Grad C definiert ist, eine Abkühlrate, die in dem schraffierte
Bereich liegt.
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Wie
zuvor erläutert
ist, kann in einigen Ausführungsformen
die oxidierende Umgebung 106 durch die Umgebungsluft eines
Reinraumes repräsentiert
sein, wobei beispielsweise die entsprechende Abkühlrate von der Durchflussrate
abhängt,
mit der die Umgebungsluft dem Substrat 101 zugeführt wird,
wobei zu beachten ist, dass eine typische Umgebungstemperatur im
Bereich von ungefähr
20 bis 25 Grad C liegt. Somit kann die Abkühlrate in effizienter Weise
auf der Grundlage der Durchflussrate von Umgebungsluft, die dem
Substrat 101 zugeführt
wird, gesteuert werden. In anderen Ausführungsformen kann die Temperatur
der Umgebungsluft auf einen geeigneten Wert vor der Zufuhr zu dem
Substrat 101 eingestellt werden, um damit einen weiteren
Mechanismus zusätzlich
oder alternativ zur Steuerung der Durchflussrate zur Einhaltung
der Kühlrate
gemäß dem oben
spezifizierten Wertebereich bereit zu stellen. In noch anderen anschaulichen
Ausführungsformen
kann die Temperatur des Substrats 101 zusätzlich auf
der Grundlage einer geeigneten Substrathalterung mit einer geeigneten
Heiz/Kühlereinheit
und dergleichen gesteuert werden.
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In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird das Substrat 101 in Bezug auf die weitere Handhabung
oder weitere Herstellungsprozesse freigegeben, wenn seine Temperatur
bei ungefähr
50 Grad C oder weniger liegt. Folglich wird durch Beibehalten der
oxidierenden Umgebung 106 mit hoher Gleichförmigkeit
bis zu Temperaturen von ungefähr 50
Grad C der entsprechende Oxidationsprozess, obwohl dieser bei diesen
geringen Temperaturen deutlich verlangsamt ist, dennoch in einer äußerst gleichförmigen Weise
ablaufen, wodurch zusätzlich zu
einer guten Gesamtgleichförmigkeit
der Oxidschicht 107 beigetragen wird.
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Wie
zuvor erläutert
ist, kann die Schmelztemperatur und damit die eigentliche Prozesstemperatur
während
des Wiederverflüssigens
der Lothöcker 102 und
der Ausbildung der verrundeten Lotkugeln 102a von der Materialzusammensetzung
des Lotmaterials abhängen
und kann damit von ungefähr 200
bis 320 Grad C für
eine Blei/Zinn-Legierung mit unterschiedlichem Verhältnis variieren.
Folglich kann die entsprechende Temperatur zur Einrichtung der oxidierenden
Umgebung 106, die in 1d mit
entsprechend ungefähr
250 Grad C gezeigt ist, gemäß der entsprechenden
Schmelztemperatur und damit der zuvor angewendeten Prozesstemperatur
ausgewählt
werden, da typischerweise eine geringere Prozesstemperatur während des
Aufschmelzprozesses mit reduzierter Schmelztemperatur angewendet
werden kann. Folglich kann eine geringere Temperatur, beispielsweise
im Bereich bis hinab zu ungefähr
190 Grad C ausgewählt
werden, um die oxidierende Umgebung 106 zu einzurichten,
wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen die gleichen Wertebereiche
für die
Abkühlrate
verwendet werden, wie sie durch den schraffierten Bereich in 1d spezifiziert
sind.
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Es
sollte auch beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen
die Übergangsphase
zwischen der inerten Umgebung 105 und der oxidierenden
Umgebung 106 geeignete Spülschritte für das Einrichten einer geeigneten
Gasumgebung beinhalten kann, etwa einer Stickstoffumgebung, die
dann beibehalten wird, bis die gewünschte Temperatur zum Einrichten
der oxidierenden Umgebung 106 erreicht ist.
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1e zeigt
schematisch mehrere Substrate 101, die gleichzeitig der
Einwirkung der oxidierenden Umgebung 106 ausgesetzt sind,
wobei die mehreren Substrate 101 in einer im Wesentlichen
horizontalen Konfiguration angeordnet sind. Beispielsweise können die
mehreren Substrate 101 durch die oxidierende Umgebung 106 bewegt
werden, wobei beispielsweise die oxidierende Umgebung 106 die Umgebungsluft
repräsentieren
kann, die im Wesentlichen Sauerstoff und Stickstoff umfasst. Beispielsweise
können
kommerziell verfügbare
Aufschmelzöfen
mit einem Bandofen verwendet werden, wobei entsprechende Prozessparameter
in Bezug auf die Anfangstemperatur bei Einwirkung der oxidierenden Umgebung 106 und
die Steuerung der Abkühlrate
so eingestellt werden können,
wie dies zuvor beschrieben ist.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2c werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben, wobei mehrere
Substrate 201 mit entsprechenden Lothöckern, etwa die Substrate 101,
in einer gemeinsamen Prozesssequenz unter Anwendung einer im Wesentlichen
vertikalen Anordnung der mehreren Substrate bearbeitet werden.
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2a zeigt
schematisch ein System 250, das zur Wiederverflüssigung
von Lothöckern
und zur Bildung einer gleichförmigen
und dünnen
Oxidschicht auf dem resultierenden Lotkugeln geeignet ist. Das System 250,
das einen vertikalen Aufschmelzofen repräsentieren kann, umfasst einen Ofen 251 und
eine Kammer 253 zum Einrichten einer oxidierenden Umgebung ähnlich der
Umgebung 106, wie sie zuvor mit Bezug zu den 1d beschrieben ist.
Ferner ist ein Behälter 252 mit
einer abnehmbaren Abdeckung 256 vorgesehen, der ausgebildet
ist, um mehrere Substrate 251 aufzunehmen, wobei jedes
der Substrate 201 darauf ausgebildet entsprechende Lothöcker, etwa
die Lothöcker 102 aufweist, die
in entsprechende Lotkugeln umzuwandeln sind. Der Behälter 252 ist
ausgebildet, die mehreren Substrate 201 in einer im Wesentlichen
vertikalen Anordnung aufzunehmen, wodurch ein vertikaler Stapel 210 gebildet
wird, wobei entsprechende Abstände zwischen
benachbarten Substraten 201 vorgesehen sind. Beispielsweise
kann der Behälter 252 ausgebildet
sein, eine vordefinierte Anzahl an Substraten, etwa 50 Substrate
oder eine andere geeignete Anzahl aufzunehmen. Der Behälter 252 kann
ferner ausgebildet sein, das Einrichten einer geeigneten inerten
Umgebung zu ermöglichen,
die während
des Wiederverflüssigens
der einzelnen Lothöcker,
die auf den Substraten 201 ausgebildet sind, ausgeübt wird. Somit
sind entsprechende Versorgungsleitungen und Mechanismen zum Zuführen eines
geeigneten Gases zu dem Behälter 252 und
zur Abfuhr von Gas vorgesehen, die in 2a der
Einfachheit halber nicht gezeigt sind.
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Während des
Betriebs des Systems 250 werden die mehreren Substrate 201 in
den Behälter 252 eingeladen,
wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Behälter 252 mit
der vordefinierten Anzahl an Substraten beladen wird, um die Prozessgleichförmigkeit
zwischen unterschiedlichen Substratgruppen zu verbessern, die nacheinander
in dem System 250 verarbeitet werden. Beispielsweise kann das
Verwenden der gleichen Anzahl an Substraten für jeden nachfolgenden Prozessdurchlauf
in dem System 250 im Wesentlichen die gleichen Prozessbedingungen
für jede
Gruppe im Hinblick auf die Durchflussraten, die zum Einrichten der
gasförmigen Umgebungen
angewendet werden und im Hinblick auf die Wärmeübertragung durch Strahlung,
Konvektion und dergleichen ergeben. Wenn folglich die mehreren Substrate 201 weniger
sind als die gewünschte vordefinierte
Anzahl an Substraten, kann eine geeignete Anzahl an Platzhaltersubstraten
in den Stapel 210 mit aufgenommen werden, um die vordefinierte Anzahl
an Substraten zu erreichen. Ferner kann die Prozessgleichförmigkeit
innerhalb des Stapels 210 verbessert werden, indem entsprechende
Platzhaltersubstrate an spezifizierten Stellen positioniert werden,
an denen eine Prozessungleichförmigkeit
erwartet werden kann. Beispielsweise kann das erste Substrat, das
als 211 bezeichnet ist, einen anderen Gasdurchfluss und
einen anderen Wärmeübertrag auf
Grund des Fehlens eines nächsten
Nachbars im Vergleich zu anderen Substraten innerhalb des Stapels 210 aufweisen.
Folglich kann das Substrat 211 ein Platzhaltersubstrat
repräsentieren,
das damit die Prozessgleichförmigkeit
für seinen
nachfolgenden Nachbarn verbessern kann, der dann ein reguläres Substrat 201 mit
zu verflüssigenden
Lothöckern
repräsentieren
kann. Nach dem Einladen der mehreren Substrate 201 möglicherweise
auf der Grundlage der vordefinierten Anzahl und mit einen oder mehreren Platzhaltersubstraten,
wird eine geeignete Umgebung in dem Behälter 251, beispielsweise
auf der Grundlage von Stickstoff, zum Spülen des Behälters 251 geschaffen,
indem eine geeignete Durchflussrate für Stickstoff eingestellt wird.
Danach kann die resultierende Umgebung in Bezug auf das Vorhandensein
von Sauerstoff und möglicherweise
anderer Kontaminationsstoffe geprüft werden, wobei in einer anschaulichen
Ausführungsform
der Prozess so gesteuert werden kann, dass der Sauerstoffanteil
ungefähr
10 ppm oder weniger beträgt.
Zu diesem Zweck kann der Behälter 252 mit
Stickstoff gespült
werden, bis der Sauerstoffanteil unter dem spezifizierten Schwellwert
ist. Danach kann Wasserstoff oder ein Formierungsgas, d. h. eine
Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff, dem Behälter 252 zugeführt werden,
wobei eine hohe Durchflussrate der entsprechenden Gase in einer
Anfangsphase zusätzlich
zu einem Entfernen unerwünschter
Kontaminationsstoffe, etwa Sauerstoff beitragen kann. Danach wird
eine stabile Durchflussrate aus Wasserstoff oder Formierungsgas
eingerichtet, um damit eine inerte Umgebung 205 für die mehreren
Substrate 201 zu definieren.
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2b zeigt
schematisch das System 250 in einer Konfiguration, in der
der Behälter 252 auf
eine Position angehoben ist, um damit den Stapel 210 innerhalb
des Ofens 251 anzuordnen, wodurch die Substrate 201 über die
Schmelztemperatur des entsprechenden Lotmaterials erwärmt werden.
Es sollte beachtet werden, dass das System 250 mehrere Öfen 251 aufweisen
kann, wovon jeder auf eine unterschiedliche Temperatur eingestellt
werden kann, wobei beispielsweise der Behälter 252 der Reihe nach
in zwei oder mehr Öfen 251 eingeführt wird,
um damit die Substrate 251 gemäß einem spezifizierten Temperaturprofil,
das durch die Reihenfolge der Öfen 251 bereitgestellt
wird, zu erwärmen.
In anderen Ausführungsformen
können
die Substrate 201 mit einem einzelnen Ofen 251 erwärmt werden,
wobei abhängig
von den Prozesserfordernissen die Aufheizrate durch entsprechendes
Einstellen der Temperatur des Ofens 251 in einer zeitabhängigen Weise
gesteuert werden kann. Das Bereitstellen eines spezifizierten Temperaturprofils
beispielsweise durch mehrere Öfen 251 oder
durch Betreiben eines einzelnen Ofens 251 gemäß einem
speziellen Zeitablauf kann für
eine verbesserte Prozessgleichförmigkeit
sorgen, da beispielsweise die Substrate 201 auf unter die Schmelztemperatur
aufgeheizt und bei dieser Temperatur für eine spezifizierte Zeitdauer
gehalten werden können,
wodurch sichergestellt wird, dass im Wesentlichen jedes der Substrate 201 die
gleiche Temperatur besitzt. Danach können die Substrate über die
Schmelztemperatur in einem oder mehreren Schritten aufgeheizt werden,
wobei die resultierende Temperaturdifferenz weniger ausgeprägt ist,
wodurch ein äußerst gleichförmiger Aufheizprozess
der Substrate 201 erreicht wird. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
wird das Aufheizen der Substrate in einem einzelnen Schritt mit
einer im Wesentlichen konstanten Temperatur in dem Ofen 251 ausgeführt. Danach
kann der Behälter 252 aus
dem Ofen 251 nach einer spezifizierten Zeitdauer entfernt werden,
nach der die abgerundeten Lotkugeln, etwa die Lotkugeln 102a ausgebildet
sind. Folglich können die
Substrate 201 sodann abkühlen, wobei in dieser Phase
die inerte Umgebung 205 noch aufrecht erhalten werden kann
oder in einigen Ausführungsformen, kann
das Innere des Behälters 252 mit
einem geeigneten Gas, etwa Stickstoff, gespült werden. Es sollte beachtet
werden, dass in dieser Phase im Wesentlichen keine Oxidation der
erwärmten
Lotkugeln stattfindet, die sich noch immer im flüssigen Zustand befinden können, da
kein Sauerstoff vorhanden ist, mit Ausnahme sehr geringer Mengen.
Nachdem eine vordefinierte Temperatur von ungefähr 250 Grad C oder weniger
erreicht ist, wird eine oxidierende Umgebung eingerichtet, um damit
die Ausbildung einer Oxidschicht in Gang zu setzen, wie dies zuvor
mit Bezug zu 1c erläutert ist.
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2d zeigt
schematisch die Substrate 201, wenn sie der Einwirkung
einer oxidierenden Umgebung 206 ausgesetzt sind, die in
einer anschaulichen Ausführungsform
auf der Grundlage von Umgebungsluft eingerichtet wird, die in die
Kammer 253 an dem Einlass 254 eingeführt und
aus der Kammer 253 an dem Auslass 255 abgeführt wird.
Die Substrate 251 können
der Einwirkung der oxidierenden Umgebung 206 ausgesetzt
werden, indem einfach die abnehmbare Abdeckung des Behälters 252 entfernt wird.
Wie zuvor erläutert
ist, kann durch Steuern der Durchflussrate und/oder der Temperatur
des sauerstoffenthaltenden Gases zum Einrichten der Umgebung 206 die
Abkühlrate
des Substrats auf der Grundlage der Kriterien gesteuert werden,
wie sie zuvor mit Bezug zu 1d erläutet sind.
Ferner kann die in 2d gezeigte Anordnung, d. h.
mit dem Gaseinlass 254 an der Unterseite des Stapels 210 und mit
dem Auslass 255 an dessen Oberseite, eine gleichförmige Durchflussrate
durch den Stapel 210 und auch eine gut definierte Abkühlrate erreicht
werden, so dass jedes der Substrate 201 im Wesentlichen
die gleichen Durchflussbedingungen für das sauerstoffenthaltende
Gas erfährt.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
kann das zum Einrichten der oxidierenden Umgebung 206 zugeführte Gas
Sauerstoff und ein geeignetes inertes Gas, etwa Stickstoff, Argon,
Helium, oder eine Kombination davon aufweisen, wobei die Kühlrate auch
auf der Grundlage der Kombination des einen oder der mehreren inerten
Gase und des Sauerstoffes erfolgen kann. Ferner kann der Anteil
an Sauerstoff zwischen ungefähr
5 Volumenprozent bis ungefähr
25 Volumenprozent variiert werden, wodurch damit die Reaktionsgeschwindigkeit
für das
Oxidieren des Lotmaterials steuerbar ist. Wenn beispielsweise ein
gewünschter
Verlauf der Abkühlrate
eingestellt wird, indem eine spezifizierte Durchflussrate beispielsweise auf
der Grundlage von Sauerstoff und Stickstoff ausgewählt wird,
kann der Sauerstoffanteil beispielsweise durch Vorsehen eines geringeren
Sauerstoffanteils während
einer Anfangsphase variiert werden, um damit den Oxidationsprozess
zu verlangsamen, während
der Sauerstoffanteil in einer späteren
Phase erhöht
wird, wenn beispielsweise ein höheres
Maß an
Temperaturgleichförmigkeit
innerhalb des Stapels 210 erreicht ist. Es sollte jedoch
beachtet werden, dass andere Steuerschemata mit geeigneten Prozessparametern
in Bezug auf die Durchflussrate, die Gaszusammensetzung und dergleichen
effizient auf der Grundlage von Untersuchungen ermittelt werden können, wobei
eine Dicke und Gleichförmigkeit
einer entsprechenden Oxidschicht mit entsprechenden Prozessparametern
in Beziehung gesetzt werden.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform werden
die Substrate 201 nicht behandelt oder anderweitig prozessiert,
sofern nicht die Temperatur bei ungefähr 50 Grad C oder darunter
liegt, wodurch Oxidationsungleichförmigkeiten reduziert werden,
die selbst bei diesen geringen Temperaturen stattfinden können. Somit
werden in dieser Ausführungsform nach
dem Erreichen einer Temperatur von ungefähr 50 Grad C oder weniger die
Substrate aus dem System 250 ausgeladen und können der
weiteren Bearbeitung, etwa dem Schneiden der Substrate zugeführt werden,
um separate Halbleiterchips zu erhalten, die dann an ent sprechenden
Trägersubstraten angebracht
werden, indem die resultierenden Lotkugeln mit entsprechenden Lotflächen auf
dem Trägersubstrat
verbunden werden.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Technik
zur Herstellung von Lotkugeln bereit, indem das Wiederverflüssigen und
der Oxidationsprozess gesteuert werden, wobei eine erhöhte Temperatur
für den
Oxidationsprozess für
eine verbesserte Prozesssteuerung und Dickengleichförmigkeit
sorgen kann. Zusätzlich
oder alternativ wird die Abkühlrate
während
des Oxidierungsprozesses gesteuert, so dass diese in einem Bereich
von ungefähr
10 bis 25 Grad C pro Minute liegt, wodurch ebenso zu einer verbesserten
Prozessgesamtgleichförmigkeit
beigetragen wird. In anschaulichen Ausführungsformen gewährleistet
die Temperatur während des
Oxidierens, was in einigen Ausführungsformen ein
Belüftungsprozess
auf der Grundlage von Umgebungsluft ist, in Verbindung mit der gut
definierten Abkühlrate
die Herstellung einer dünnen
aber stabilen Oxidschicht auf den Lotkugeln. Folglich kann die resultierende
Oxidschicht die Lotkugeln während
der weiteren Bearbeitung schützen,
kann jedoch durch ein Flussmittel in einer Montage mit direkter
Verbindung vor dem Anbringen des entsprechenden Halbleiterchips
an einem Gehäuse
effizient entfernt werden. Somit kann ein Ausbeuteverlust als Folge
eines Funktionsfehlers während
des Montageprozesses deutlich reduziert werden.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung
als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.