JP2004119701A - 接合方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ洗浄工程における反応ガス供給時に、保持されていた被接合物が飛ばされるという不都合の発生を防止し、接合面に対する所定の洗浄を確実に行うことができるようにし、表面活性化された金属接合部同士の良好な接合を達成できる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、前記金属接合部の接合面をガス供給下で発生されたプラズマにより洗浄した後金属接合部同士を接合する接合方法であって、プラズマ洗浄工程において、被接合物の保持部材に設けられた吸引孔を通しての吸引により被接合物を保持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２

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し、とくに、金属接合部同士を接合する前にその接合面をプラズマ洗浄する際に、洗浄される被接合物を所定の状態に確実に保持できるようにした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、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（たとえば、特許文献１参照）。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】
また、上記のようなエネルギー波によるエッチングにより接合面を表面活性化するに際し、エネルギー波として、表面洗浄効果、取り扱い易さ等の面から、プラズマが好適であることも知られている（たとえば、特許文献２参照）。さらに一般に、プラズマを容易に発生させ、発生するプラズマの強度等を容易に制御できるようにするためには、減圧下で反応ガス、たとえばＡｒガスを供給し、そのガス雰囲気でプラズマを発生させることが好ましいことも知られている。
【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）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のように、反応ガス（たとえばＡｒガス）を供給し、そのガス雰囲気でプラズマを発生させて被接合物の接合面を洗浄する場合には、以下のような問題がある。たとえば図３に示すように、洗浄チャンバ内が減圧状態にされた後、Ａｒガス等の反応ガス１０１が供給され、そのガス雰囲気下でプラズマが発生されて、たとえばトレイ１０２上にセット（載置）されている、チップやウエハー等からなる被接合物１０３が洗浄されるが、反応ガス１０１を吹き付けるときに、被接合物１０３が飛ばされてしまうことがある。これは、真空状態（減圧状態）とされているチャンバ内に、急激にガスが導入されるために発生する現象である。被接合物１０３が飛ばされてしまうと、所定の洗浄を開始することはできない。
【０００６】
そこで本発明の課題は、上記のような不都合の発生を防止し、接合面に対する所定の洗浄を確実に行うことができるようにし、表面活性化された金属接合部同士の良好な接合を達成できる接合方法および装置を提供することにある。
【０００７】
【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、前記金属接合部の接合面をガス供給下で発生されたプラズマにより洗浄した後金属接合部同士を接合する接合方法であって、前記プラズマ洗浄工程（つまり、前記ガス供給を含むプラズマ洗浄工程）において、被接合物の保持部材に設けられた吸引孔を通しての吸引により被接合物を保持することを特徴とする方法からなる。
【０００８】
この接合方法においては、被接合物周囲を減圧状態にした後前記ガスを供給することが好ましい。ただし、減圧状態にせずに、大気圧のままプラズマを発生させることも可能である。
【０００９】
また、上記接合方法においては、とくに、上記吸引により被接合物の裏面（つまり、保持部材側の面）に作用する圧力よりも、上記ガス供給により被接合物の表面（つまり、洗浄される側の面）に作用する圧力の方を高めることが好ましい。この圧力関係により、被接合物は保持部材上に押し付けられ、確実に保持部材上に保持される。
【００１０】
上記供給ガスとしては、一般に不活性ガスが使用され、とくにＡｒガスを用いることが好ましい。
【００１１】
また、上記保持部材をプラズマ電極と兼用し、該プラズマ電極上に直接被接合物を保持させることも可能であるが、プラズマ洗浄場所（たとえば、特定のチャンバ内）への被接合物の出し入れや、洗浄後の被接合物の取り扱いを容易にするためには、被接合物を載せる吸引孔の開いたトレイを上記保持部材として用い、該トレイに載せた状態でプラズマ洗浄することが好ましい。
【００１２】
本発明においては、プラズマ洗浄により被接合物の金属接合部の接合面を十分に表面活性化することにより、大気中での接合も可能となる。もちろん、接合を減圧下や特殊ガス（たとえば、不活性ガス）雰囲気下で行うことも可能である。
【００１３】
被接合物同士の接合時には、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℃未満への加熱、加圧、超音波印加の少なくとも一つを行うようにすると、一層容易に且つ確実に接合できる。
【００１４】
上記プラズマ洗浄では、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のプラズマで洗浄することにより、金属接合部同士を大気中においても接合するに必要な表面性状を得ることが可能になる。
【００１５】
本発明に係る接合方法は、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。
【００１６】
上記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。
【００１７】
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の前記金属接合部の接合面を、チャンバ内においてガス供給手段からのガス供給下で発生されたプラズマにより洗浄した後、接合手段により金属接合部同士を接合する接合装置において、前記チャンバ内においてプラズマ洗浄される被接合物を保持する保持部材を設けるとともに、該保持部材に被接合物を吸着する吸引孔を設け、該吸引孔に吸引手段を接続したことを特徴とするものからなる。
【００１８】
この接合装置においては、上記チャンバに、ガス供給前にチャンバ内を減圧する減圧手段が接続されていることが好ましい。
【００１９】
また、上記ガス供給手段と吸引手段が、該吸引手段による吸引により被接合物の裏面に作用する圧力よりも、ガス供給手段によるガス供給により被接合物の表面に作用する圧力の方を高めることが可能に構成されていることが好ましい。
【００２０】
また、上記ガス供給手段としては、Ａｒガス供給手段からなることが好ましい。
【００２１】
また、上記保持部材としては、被接合物を載せる吸引孔の開いたトレイからなることが好ましい。
【００２２】
上記接合手段としては、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が可能である。
【００２３】
また、接合手段としては、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、加圧手段、超音波印加手段の少なくとも一つを有するものであることが好ましい。
【００２４】
また、上記プラズマにより洗浄する手段が、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のプラズマを発生させる手段からなることが好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
また、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好ましい。
【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、ガス供給下で発生されたプラズマにより被接合物の金属接合部の接合面がエッチングにより洗浄されて活性化され、表面活性化された金属接合部同士が接合部で接合される。接合前にプラズマ洗浄するとき、被接合物は保持部材に設けられた吸引孔を通しての吸引により、保持部材に確実に保持され、その状態で所定のガスが供給され、プラズマ洗浄が開始される。被接合物は保持部材に確実に保持されているので、ガス供給により飛ばされることはなくなり、所定の洗浄が確実に行われることになる。所定の洗浄が確実に行われ、十分に表面活性化された金属接合部同士が接合されることになるので、目標とする優れた接合状態を得ることが可能になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、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、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、減圧手段としての真空ポンプ６により減圧され所定の真空度にされた洗浄チャンバ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。さらに、本実施態様では、ガス供給手段としてのガス供給ポンプ１０により洗浄チャンバ７内にＡｒガスを供給できるようになっており、上記真空ポンプ６による減圧後にＡｒガスが供給され、そのＡｒガス雰囲下でプラズマが発生され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、この接合装置部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。
【００２９】
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。
【００３０】
接合装置部１１では、たとえば、所定の待機部に、上記洗浄された被接合物４、５が搬送された後一旦載置される。この一旦載置場所１２から、被接合物４が、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に受け渡され、金属接合部２が下方に向けられた形態でボンディングツール１６に吸着等によって保持される。被接合物５は、一旦載置場所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。また、ボンディングツール１６に超音波印加手段２２を設け、該超音波印加手段２２、または、大気圧プラズマを吹き付ける手段、上述の加熱手段としてのヒータ１８、後述の加圧手段の少なくともいずれかの手段を用いて接合する構成とすることもできる。
【００３１】
本実施態様では、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。
【００３２】
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。
【００３３】
洗浄チャンバ７内におけるプラズマ洗浄は、本実施態様では、図２にも示すように、被接合物４、５の保持部材としてのトレイ３１に載せた状態で行われ、洗浄チャンバ７内への搬入、洗浄チャンバ７内からの搬出も、トレイ３１に載せた状態で行われるようになっている。トレイ３１は、プラズマ電極３２上に置かれ、プラズマ照射手段８の電極との間で洗浄用のプラズマが発生される。本実施態様では被接合物の保持部材をトレイ３１で構成したが、被接合物を直接プラズマ電極３２上に置き、プラズマ電極３２自体を保持部材として用いることも可能である。
【００３４】
被接合物保持部材としてのトレイ３１には、被接合物４、５を吸着する吸引孔３３が設けられており、トレイ３１に開けられた吸引孔３３は、プラズマ電極３２に設けられた孔、プラズマ電極３２の取り付け部材３４に設けられた孔を介して、チャンバ外に設置された吸引手段としての吸引ポンプ３５に接続されている。吸引ポンプ３５による吸引により、被接合物４、５の裏面側には吸着力が生じ、それによって被接合物４、５がトレイ３１上に保持される。
【００３５】
この吸引手段としての吸引ポンプ３５と前述のガス供給手段としてのガス供給ポンプ１０とは、吸引ポンプ３５による吸引により被接合物４、５の裏面に作用する圧力よりも、ガス供給ポンプ１０によるガス供給により被接合物４、５の表面に作用する圧力の方を高めることが可能に構成されている。
【００３６】
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、チャンバ７内が所定の真空度（減圧度）とされた後、ガス供給ポンプ１０によりＡｒガスが供給され、トレイ３１上に保持されている、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、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、接合面の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強度、時間を設定することが好ましい。
【００３７】
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。
【００３８】
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により所定の接合荷重が印加され、必要に応じてヒータ１８によって加熱され、および／または、超音波印加手段２２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、たとえば大気中にて接合される。
【００３９】
この一連の動作のうち、上記プラズマ洗浄時に、図２に示したように、被接合物４、５は、トレイ３１に設けられた吸引孔３３を通して吸引ポンプ３５により吸引されることにより、トレイ３１上に吸着されて保持される。したがって、チャンバ７内を減圧後にガス供給ポンプ１０によりＡｒガスが供給される際にも、この保持状態に維持され、供給ガスによって被接合物４、５が飛ばされるという不都合が確実に回避される。その結果、所定のプラズマ洗浄も確実に行われることになり、目標とする表面活性化状態が得られて後続の接合に供せられ、優れた接合状態が得られることになる。とくに、吸引により被接合物４、５の裏面に作用する圧力よりも、ガス供給により被接合物４、５の表面に作用する圧力の方を高くすれば、この圧力差により、被接合物４、５はより確実にトレイ３１上に保持される。
【００４０】
【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、プラズマ洗浄工程における反応ガス供給時に、保持されていた被接合物が飛ばされるという不都合の発生を確実に防止して、接合面に対する所定の洗浄を確実に行うことができるようになり、表面活性化された金属接合部同士の良好な接合をすることが達成できる。
【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の装置の洗浄チャンバ部の拡大部分概略構成図である。
【図３】従来装置における問題点を説明するための概略構成図である。
【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）
５　被接合物（基板）
６　減圧手段としての真空ポンプ
７　洗浄チャンバ
８　プラズマ照射手段
９　プラズマ
１０　ガス供給手段としてのガス供給ポンプ
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　超音波印加手段
３１　保持部材としてのトレイ
３２　プラズマ電極
３３　吸引孔
３４　プラズマ電極の取り付け部材
３５　吸引手段としての吸引ポンプ

Claims (20)

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、前記金属接合部の接合面をガス供給下で発生されたプラズマにより洗浄した後金属接合部同士を接合する接合方法であって、前記プラズマ洗浄工程において、被接合物の保持部材に設けられた吸引孔を通しての吸引により被接合物を保持することを特徴とする接合方法。
2. 被接合物周囲を減圧状態にした後前記ガスを供給する、請求項１の接合方法。
3. 前記吸引により被接合物の裏面に作用する圧力よりも、前記ガス供給により被接合物の表面に作用する圧力の方を高める、請求項１または２の接合方法。
4. 前記供給ガスとしてＡｒガスを用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
5. 前記保持部材として、被接合物を載せる吸引孔の開いたトレイを用いる、請求項１〜４のいずれかに記載の接合方法。
6. 前記金属接合部同士を大気中で接合する、請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。
7. 接合時に、加熱、加圧、超音波印加の少なくとも一つを行う、請求項１〜６のいずれかに記載の接合方法。
8. 前記プラズマによる洗浄により、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。
9. 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。
10. 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１〜９のいずれかに記載の接合方法。
11. 基材の表面に金属接合部を有する被接合物の前記金属接合部の接合面を、チャンバ内においてガス供給手段からのガス供給下で発生されたプラズマにより洗浄した後、接合手段により金属接合部同士を接合する接合装置において、前記チャンバ内においてプラズマ洗浄される被接合物を保持する保持部材を設けるとともに、該保持部材に被接合物を吸着する吸引孔を設け、該吸引孔に吸引手段を接続したことを特徴とする接合装置。
12. 前記チャンバに、ガス供給前にチャンバ内を減圧する減圧手段が接続されている、請求項１１の接合装置。
13. 前記ガス供給手段と前記吸引手段が、前記吸引手段による吸引により被接合物の裏面に作用する圧力よりも、前記ガス供給手段によるガス供給により被接合物の表面に作用する圧力の方を高めることが可能に構成されている、請求項１１または１２の接合装置。
14. 前記ガス供給手段がＡｒガス供給手段からなる、請求項１１〜１３のいずれかに記載の接合装置。
15. 前記保持部材が、被接合物を載せる吸引孔の開いたトレイからなる、請求項１１〜１４のいずれかに記載の接合装置。
16. 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１１〜１５のいずれかに記載の接合装置。
17. 前記接合手段が、加熱手段、加圧手段、超音波印加手段の少なくとも一つを有する、請求項１１〜１６のいずれかに記載の接合装置。
18. 前記プラズマにより洗浄する手段が、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のプラズマを発生させる手段からなる、請求項１１〜１７のいずれかに記載の接合装置。
19. 接合される両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１１〜１８のいずれかに記載の接合装置。
20. 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１１〜１９のいずれかに記載の接合装置。

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