JP2005353682A - 回路素子の製造方法、電子素子の製造方法、回路基板、電子機器、および電気光学装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 余分な材料消費を抑えた実装技術を提供すること。
【解決手段】 回路素子の製造方法は、半導体素子の金属パッドが吐出装置のヘッド側を向くように、前記半導体素子を前記吐出装置のステージ上にセットするステップと、前記半導体素子に対する前記ヘッドの相対位置を変化させるステップと、前記ヘッドのノズルが前記金属パッドに対応する位置に達した場合に、前記金属パッドに導電性材料が塗布されるように前記ノズルから液状の前記導電性材料を吐出するステップと、前記金属パッド上にUBM層が得られるように、前記塗布された導電性材料を活性化または乾燥するステップと、を含んでいる。
【選択図】 図5
【解決手段】 回路素子の製造方法は、半導体素子の金属パッドが吐出装置のヘッド側を向くように、前記半導体素子を前記吐出装置のステージ上にセットするステップと、前記半導体素子に対する前記ヘッドの相対位置を変化させるステップと、前記ヘッドのノズルが前記金属パッドに対応する位置に達した場合に、前記金属パッドに導電性材料が塗布されるように前記ノズルから液状の前記導電性材料を吐出するステップと、前記金属パッド上にUBM層が得られるように、前記塗布された導電性材料を活性化または乾燥するステップと、を含んでいる。
【選択図】 図5
Description
本発明は、回路素子の製造方法、電子素子の製造方法、回路基板、電子機器、および電気光学装置に関する。
LSIなどの半導体素子を小さい実装面積で接続する技術として、フリップチップ接続が用いられる。そして、より安定したフリップチップ接続を実現するために、半導体素子の金属パッドとはんだバンプとの間に、UBM(アンダー・バンプ・メタルルジ:Under Bump Metallurgy)層が設けられる。一方で、インクジェット法による金属の塗布技術が知られている(例えば特許文献1)。
UBM層はスパッタ法またはめっき法で形成される。ただし、スパッタ法とめっき法とのどちらも、半導体素子のほぼ全面に金属材料を堆積する工程と、UBM層が不要な箇所から金属材料を取り除く工程と、を含む。このため従来のUBM層の形成方法では、金属材料の余分な消費が多い。
また一方、インクジェット法を用いてUBM層を形成することは知られていない。
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、余分な材料消費を抑えた実装技術を提供することである。
本発明の回路素子の製造方法は、ステージと、前記ステージに対面するノズルを有するヘッドと、を備えた吐出装置を用いた製造方法である。この製造方法は、半導体素子の金属パッドが前記ヘッド側を向くように、前記半導体素子を前記ステージ上にセットするステップAと、前記半導体素子に対する前記ヘッドの相対位置を変化させるステップBと、前記ノズルが前記金属パッドに対応する位置に達した場合に、前記金属パッドに導電性材料が付与されるように前記ノズルから液状の前記導電性材料を吐出するステップCと、前記金属パッド上にUBM層が得られるように、前記付与された導電性材料を活性化または乾燥するステップDと、を含んでいる。
上記構成によって得られる効果の一つは、UBM層を形成するために必要となる導電性材料の消費が少ないことである。金属パッド上に選択的に導電性材料を付与できるからである。
本発明のある態様では、前記ステップCは、前記金属パッド上に第1導電性材料が付与されるように、第1のノズルから液状の前記第1導電性材料を吐出するステップを含んでおり、前記ステップDは、前記金属パッド上に第1金属層が得られるように、前記付与された第1導電性材料を活性化または乾燥するステップを含んでいる。
上記構成によって得られる効果の一つは、UBM層を形成するために必要となる第1導電性材料の消費が少ないことである。金属パッド上に選択的に第1導電性材料を付与できるからである。
本発明の他の態様では、前記ステップCは、前記第1金属層上に第2導電性材料が付与されるように、第2のノズルから液状の前記第2導電性材料を吐出するステップをさらに含んでおり、前記ステップDは、前記第1金属層上に第2金属層が得られるように、前記付与された第2導電性材料を活性化または乾燥するステップをさらに含んでいる。
上記構成によって得られる効果の一つは、2つの金属層を含むUBM層が得られることである。
本発明の他の態様では、前記ステップCは、前記第2金属層上に第3導電性材料が付与されるように、第3のノズルから液状の前記第3導電性材料を吐出するステップをさらに含んでいて、前記ステップDは、前記第2金属層上に第3金属層が得られるように、前記付与された第3導電性材料を活性化または乾燥するステップをさらに含んでいる。
上記構成によって得られる効果の一つは、3つの金属層を含むUBM層が得られることである。
好ましくは、前記第1導電性材料はチタンの微粒子を含んでいて、前記第2導電性材料はニッケルの微粒子を含んでいて、前記第3導電性材料は金の微粒子を含んでいる。
上記構成によって得られる効果の一つは、安定したはんだバンプを実現できるUBM層が得られることである。
本発明の他の態様では、上記回路基板の製造方法は、前記UBM層上にはんだバンプを形成するステップEと、前記はんだバンプをリフローするステップFと、をさらに含んでいる。
上記構成によって得られる効果の一つは、安定したフリップチップ接続を実現できるはんだバンプが得られることである。
本発明のある態様では、回路基板が上記回路素子の製造方法で製造されている。本発明の他の態様では、電子機器が上記回路素子の製造方法で製造されている。また本発明の他の態様では、電気光学装置が上記回路素子の製造方法で製造される。
本発明の電子素子の製造方法は、ステージと、前記ステージに対面するノズルを有するヘッドと、を備えた吐出装置を用いた電子素子の製造方法である。この製造方法は、基板の導電端子が前記ヘッド側を向くように、前記基板を前記ステージ上にセットするステップAと、前記基板に対する前記ヘッドの相対位置を変化させるステップBと、前記ノズルが前記導電端子に対応する位置に達した場合に、前記導電端子に導電性材料が付与されるように前記ノズルから液状の前記導電性材料を吐出するステップCと、前記導電端子上にUBM層が得られるように、前記付与された導電性材料を活性化または乾燥するステップDと、を含んでいる。
上記構成によって得られる効果の一つは、UBM層を形成するために必要となる導電性材料の消費が少ないことである。導電端子上に選択的に導電性材料を付与できるからである。
図1(a)の半導体チップ10は、フリップチップ技術によって配線基板や他の半導体チップに実装される半導体素子である。具体的には、半導体チップ10には、図示しない集積回路が形成されている。さらに半導体チップ10は、集積回路に電気的に接続された複数の金属パッド12を有している。これら集積回路と複数の金属パッド12とは、半導体チップ10のベース基板5(図5)に対して同じ側に設けられている。
なお、図1(a)の半導体チップ10の形状はほぼ方形である。そして半導体チップ10は、半導体チップ10の外周に沿って並んだ12個の金属パッド12を有している。また、半導体チップ10の表面は絶縁層13で覆われている。ただし、絶縁層13は、金属パッド12の表面のみが露出するようにパターニングされている。
複数の金属パッド12のそれぞれの上には、後述する製造装置によってUBM(アンダー・バンプ・メタルルジ:Under Bump Metallurgy)層が設けられることになる。そしてさらに、設けられたUBM層上には、めっき法、ボールマウント法、ディッピング法、印刷法などによってはんだバンプが設けられることになる。本明細書では、はんだバンプが設けられた半導体チップ10を「回路素子」とも表記する。
はんだバンプが設けられた半導体チップ10は、配線基板に実装されることになる。具体的には、設けられたはんだバンプのそれぞれと、後述する配線基板に設けられた対応するランドとが接するように、配線基板に対して半導体チップ10が位置決めされる。そして、はんだバンプを溶融することで、半導体チップ10が配線基板に物理的かつ電気的に連結される。つまり、半導体チップ10が配線基板に実装される。本明細書では、半導体チップ10が実装された配線基板を「回路基板」とも表記する。
金属パッド12を構成する金属は主にアルミである。一般的に、このような金属パッド12に対して、はんだの塗れ性(または濡れ性)は良好でない。したがって、金属パッド12にはんだバンプが物理的に接続しにくい。この理由から、はんだバンプとの親和性がよい導電層を金属パッド12上に設けることが好ましい。本実施形態では、このような導電層がUBM層である。
本実施形態では、金属パッド12の表面を「被吐出部」と表記することもあるし、「ターゲット」と表記することもある。「被吐出部」または「ターゲット」とは、後述するような吐出装置から吐出された液状の材料が着弾して塗れ広がる部分を意味する。なお、金属パッド12上に着弾した液状の導電性材料が望ましい接触角を呈するように、金属パッド12の表面に薄膜が形成される場合もある。本実施形態では、金属パッド12の表面に形成されるこのような薄膜も含めて「金属パッド」と表記する。
本実施形態では、半導体チップ10は、図1(b)に示すような半導体ウエハ14の形態で製造される。本実施形態では、はんだバンプがUBM層上に設けられるまでの工程は、半導体ウエハ14における複数の半導体チップ10に対して行われる。もちろん、ダイシングによって半導体ウエハ14から分割された形態の半導体チップ10に対して、UBM層を設ける工程が行われてもよい。
以下では、半導体チップ10における複数の金属パッド12のそれぞれに、UBM層を設ける製造装置を説明する。なお、以下で説明する製造装置は、回路基板を製造する製造装置の一部である。
(A.製造装置)
図2の製造装置1は、3つの吐出装置1A、1B、1Cと、3つのオーブン(乾燥装置)2A、2B、2Cと、搬送装置3と、を有している。
図2の製造装置1は、3つの吐出装置1A、1B、1Cと、3つのオーブン(乾燥装置)2A、2B、2Cと、搬送装置3と、を有している。
吐出装置1Aは、半導体チップ10の金属パッド12上に、第1導電性材料を塗布または付与する装置である。ここで、第1導電性材料は、チタン(Ti)のナノ粒子と、チタンのナノ粒子の表面を覆うための分散剤と、有機溶媒と、を含んでいる。オーブン2Aは、塗布された第1導電性材料を加熱する装置である。オーブン2Aによる加熱によって、第1導電性材料に含まれるチタンが燒結して、第1金属層が得られる。
吐出装置1Bは、第1金属層上に、第2導電性材料を塗布または付与する装置である。ここで、第2導電性材料は、ニッケル(Ni)のナノ粒子と、ニッケルのナノ粒子の表面を覆うための分散剤と、有機溶媒と、を含んでいる。オーブン2Bは、塗布された第2導電性材料を加熱する装置である。オーブン2Bによる加熱によって、第2導電性材料に含まれるニッケルが燒結して、第2金属層が得られる。
吐出装置1Cは、第2金属層上に、第3導電性材料を塗布または付与する装置である。ここで、第3導電性材料は、金(Au)のナノ粒子と、金のナノ粒子の表面を覆うための分散剤と、有機溶媒と、を含んでいる。オーブン2Cは、塗布された第3導電性材料を加熱する装置である。オーブン2Cによる加熱によって、第3導電性材料に含まれる金が燒結して、第3金属層が得られる。
搬送装置3は、自走装置と、半導体ウエハ14を支える2本のフォークを備えたリフト機構と、を備えている。そして、搬送装置3は、半導体チップ10(半導体ウエハ14)を、吐出装置1A、オーブン2A、吐出装置1B、オーブン2B、吐出装置1C、オーブン2Cに、この順番で供給する。
以下では、吐出装置1A、1B、1Cについて、構成と機能とをさらに詳細に説明する。ただし、吐出装置1B、1Cのそれぞれの構成・機能は、吐出装置1Aの構成・機能と基本的に同じである。このため、重複を避ける目的で、吐出装置1Aを代表して説明する。なお、本明細書では、吐出装置1B、1Cにおける構成要素のうち、吐出装置1Aの構成要素と同じものには、吐出装置1Aの構成要素と同じ参照符号が付されている。
(B.吐出装置)
図3に示す吐出装置1Aは、インクジェット装置である。具体的には、吐出装置1Aは、液状の第1導電性材料21Aを保持するタンク101Aと、チューブ110Aと、チューブ110Aを介してタンク101Aから液状の第1導電性材料21Aが供給される吐出走査部102と、を備えている。ここで、吐出走査部102は、グランドステージGSと、吐出ヘッド部103と、ステージ106と、第1位置制御装置104と、第2位置制御装置108と、制御部112と、支持部104aと、を備えている。
図3に示す吐出装置1Aは、インクジェット装置である。具体的には、吐出装置1Aは、液状の第1導電性材料21Aを保持するタンク101Aと、チューブ110Aと、チューブ110Aを介してタンク101Aから液状の第1導電性材料21Aが供給される吐出走査部102と、を備えている。ここで、吐出走査部102は、グランドステージGSと、吐出ヘッド部103と、ステージ106と、第1位置制御装置104と、第2位置制御装置108と、制御部112と、支持部104aと、を備えている。
吐出ヘッド部103は、ステージ106側に液状の第1導電性材料21Aを吐出するヘッド114(図4)を保持している。このヘッド114は、制御部112からの信号に応じて、液状の第1導電性材料21Aの液滴を吐出する。なお、吐出ヘッド部103におけるヘッド114は、チューブ110Aによってタンク101Aに連結されており、このため、タンク101Aからヘッド114に液状の第1導電性材料21Aが供給される。
ここで、液状の第1導電性材料21Aは「液状の材料」の一種である。「液状の材料」とは、ヘッド114のノズル(後述)から液滴として吐出されうる粘度を有する材料をいう。この場合、材料が水性であると油性であるとを問わない。ノズルから吐出可能な流動性(粘度)を備えていれば十分で、固体物質が混入していても全体として流動体であればよい。本実施形態では、液状の第1導電性材料21Aは、平均粒径が10nm程度のチタン粒子と、分散剤と、有機溶媒と、を含む。液状の第1導電性材料21A中で、チタン粒子は分散剤に覆われている。分散剤に覆われたチタン粒子は有機溶媒中に安定して分散されている。ここで、分散剤は、チタン原子に配位可能な化合物である。
このような分散剤として、アミン、アルコール、チオールなどが知られている。より具体的には、分散剤として、2−メチルアミノエタノール、ジエタノールアミン、ジエチルメチルアミン、2−ジメチルアミノエタノール、メチルジエタノールアミンなどのアミン化合物、アルキルアミン類、エチレンジアミン、アルキルアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、アルキルチオール類、エタンジチオールを用いることができる。
なお、平均粒径が1nm程度から数100nmまでの粒子は、「ナノ粒子」とも表記される。この表記によれば、液状の第1導電性材料21Aは、チタンのナノ粒子を含んでいる。
ステージ106は半導体ウエハ14を載せるための平面を提供している。さらにステージ106は、吸引力を用いて半導体ウエハ14の位置を固定する機能も有する。
第1位置制御装置104は、支持部104aによって、グランドステージGSから所定の高さの位置に固定されている。この第1位置制御装置104は、制御部112からの信号に応じて、吐出ヘッド部103をX軸方向と、X軸方向に直交するZ軸方向と、に沿って移動させる機能を有する。さらに、第1位置制御装置104は、Z軸に平行な軸の回りで吐出ヘッド部103を回転させる機能も有する。ここで、本実施形態では、Z軸方向は、鉛直方向(つまり重力加速度の方向)に平行な方向である。
第2位置制御装置108は、制御部112からの信号に応じて、ステージ106をグランドステージGS上でY軸方向に移動させる。ここで、Y軸方向は、X軸方向およびZ軸方向の双方と直交する方向である。
上記のような機能を有する第1位置制御装置104の構成と第2位置制御装置108の構成とは、リニアモータおよびサーボモータを利用した公知のXYロボットを用いて実現できるので、ここでは、それらの詳細な構成の説明を省略する。
第1位置制御装置104によって、吐出ヘッド部103はX軸方向に移動する。そして、第2位置制御装置108によって、半導体ウエハ14はステージ106と共にY軸方向に移動する。これらの結果、半導体チップ10(半導体ウエハ14)に対するヘッド114の相対位置が変わる。より具体的には、これらの動作によって、吐出ヘッド部103、ヘッド114、またはノズル118(図4)は、半導体チップ10に対して、Z軸方向に所定の距離を保ちながら、X軸方向およびY軸方向に相対的に移動、すなわち相対的に走査する。「相対移動」または「相対走査」とは、液状の第1導電性材料21Aを吐出する側と、そこからの吐出物が着弾する側(被吐出部)の少なくとも一方を他方に対して相対移動することを意味する。
制御部112は、液状の第1導電性材料21Aの液滴を吐出すべき相対位置を表す吐出データ(例えばビットマップデータ)を外部情報処理装置から受け取るように構成されている。制御部112は、受け取った吐出データを内部の記憶装置に格納するとともに、格納された吐出データに応じて、第1位置制御装置104と、第2位置制御装置108と、ヘッド114と、を制御する。
(C.ヘッド)
図4(a)および(b)に示すように、吐出装置1Aにおけるヘッド114は、インクジェットヘッドである。具体的には、ヘッド114は、振動板126と、ノズルプレート128と、を備えている。振動板126と、ノズルプレート128と、の間には、液たまり129が位置しており、この液たまり129には、図示しない外部タンクから孔131を介して供給される液状の第1導電性材料21Aが常に充填される。
図4(a)および(b)に示すように、吐出装置1Aにおけるヘッド114は、インクジェットヘッドである。具体的には、ヘッド114は、振動板126と、ノズルプレート128と、を備えている。振動板126と、ノズルプレート128と、の間には、液たまり129が位置しており、この液たまり129には、図示しない外部タンクから孔131を介して供給される液状の第1導電性材料21Aが常に充填される。
また、振動板126と、ノズルプレート128と、の間には、複数の隔壁122が位置している。そして、振動板126と、ノズルプレート128と、一対の隔壁122と、によって囲まれた部分がキャビティ120である。キャビティ120はノズル118に対応して設けられているため、キャビティ120の数とノズル118の数とは同じである。キャビティ120には、一対の隔壁122間に位置する供給口130を介して、液たまり129から液状の第1導電性材料21Aが供給される。なお、本実施形態では、ノズル118の直径は、約27μmである。
ここで、吐出装置1Aのヘッド114におけるノズル118は、本発明の「第1のノズル」に対応する。同様に、吐出装置1Bのヘッド114におけるノズル118は本発明の「第2のノズル」に対応し、吐出装置1Cのヘッド114におけるノズル118は本発明の「第3のノズル」に対応する。
なお、後述するように、「第1のノズル」、「第2のノズル」、および「第3のノズル」は、1つの吐出装置における3つの異なるノズル118であってもよい。あるいは、「第1のノズル」、「第2のノズル」、および「第3のノズル」は、1つの吐出装置における1つの同じノズル118であってもよい。
さて、振動板126上には、それぞれのキャビティ120に対応して、それぞれの振動子124が位置する。振動子124のそれぞれは、ピエゾ素子124Cと、ピエゾ素子124Cを挟む一対の電極124A、124Bと、を含む。制御部112が、この一対の電極124A、124Bの間に駆動電圧を与えることで、対応するノズル118から液状の第1導電性材料21Aが吐出される。ここで、ノズル118から吐出される第1導電性材料21Aの体積は、0pl以上42pl(ピコリットル)以下の間で可変である。なお、ノズル118からZ軸方向に液状の第1導電性材料21Aが吐出されるように、ノズル118の形状が調整されている。
本明細書では、1つのノズル118と、ノズル118に対応するキャビティ120と、キャビティ120に対応する振動子124と、を含んだ部分を「吐出部127」と表記することもある。この表記によれば、1つのヘッド114は、ノズル118の数と同じ数の吐出部127を有する。吐出部127は、ピエゾ素子の代わりに電気熱変換素子を有してもよい。つまり、吐出部127は、電気熱変換素子による材料の熱膨張を利用して材料を吐出する構成を有していてもよい。
(D.製造方法)
以下では、回路素子の製造方法を説明する。この製造方法は、半導体チップ10の複数の金属パッド12のそれぞれにUBM層を設ける工程と、UBM層上にはんだバンプを設ける工程と、半導体チップ10を配線基板に実装する工程と、を含んでいる。
以下では、回路素子の製造方法を説明する。この製造方法は、半導体チップ10の複数の金属パッド12のそれぞれにUBM層を設ける工程と、UBM層上にはんだバンプを設ける工程と、半導体チップ10を配線基板に実装する工程と、を含んでいる。
(D1.金属パッドの形成工程)
まず、公知の材料塗布技術と公知のパターニング技術とを用いて、半導体ウエハ14における複数の半導体チップ10のそれぞれに、図5(a)に示す複数の金属パッド12を設ける。本実施形態では、複数の金属パッド12のそれぞれは、約0.5μmの厚さのアルミからなる。また、複数の金属パッド12のそれぞれは、半導体チップ10における集積回路に電気的に接続されている。なお、図5(a)においては、半導体チップ10の最下層に位置するベース基板5上に複数の金属パッド12が形成されている。
まず、公知の材料塗布技術と公知のパターニング技術とを用いて、半導体ウエハ14における複数の半導体チップ10のそれぞれに、図5(a)に示す複数の金属パッド12を設ける。本実施形態では、複数の金属パッド12のそれぞれは、約0.5μmの厚さのアルミからなる。また、複数の金属パッド12のそれぞれは、半導体チップ10における集積回路に電気的に接続されている。なお、図5(a)においては、半導体チップ10の最下層に位置するベース基板5上に複数の金属パッド12が形成されている。
次に、金属パッド12と、半導体チップ10の表面と、を覆うように絶縁材料を塗布する。そして、金属パッド12のみが露出するように絶縁材料をパターニングして絶縁層13(図5(a))を得る。本実施形態では、得られる絶縁層13は、約1μmの厚さのSiO2膜である。もちろん、絶縁層13として、SiN膜、Si3N4膜、ポリイミド樹脂膜などが用いられてもよい。
(D2.UBM層の形成工程)
絶縁層13がパターニングされた後で、金属パッド12にUBM層を設ける工程を行う。この工程は、塗布工程と、加熱工程と、を含んでいる。本実施形態では、塗布工程と加熱工程とは、繰り返し行われる。
絶縁層13がパターニングされた後で、金属パッド12にUBM層を設ける工程を行う。この工程は、塗布工程と、加熱工程と、を含んでいる。本実施形態では、塗布工程と加熱工程とは、繰り返し行われる。
具体的にはまず、半導体チップ10の金属パッド12がヘッド114側を向くように、搬送装置3は半導体チップ10(半導体ウエハ14)を吐出装置1Aのステージ106上にセットする。そうすると、吐出装置1Aは、半導体チップ10に対するノズル118の相対位置を変化させる。そして、図5(b)に示すように、ノズル118が金属パッド12に対応する相対位置に達した場合に、吐出装置1Aはノズル118から液状の第1導電性材料21Aを吐出する。このようにして、吐出装置1Aは、金属パッド12上のみに第1導電性材料21Aを塗布、つまり付与する。
金属パッド12のすべてに第1導電性材料21Aが塗布された後で、第1導電性材料21Aを活性化する。この目的で、搬送装置3は半導体チップ10をオーブン2Aの内部に位置させる。そして、オーブン2Aが所定の時間だけ半導体チップ10を加熱すると、第1導電性材料21Aにおけるチタンのナノ粒子が融着または燒結する。チタンのナノ粒子が融着または燒結すると、図5(c)に示すように、金属パッド12を覆う第1金属層21が得られる。本実施形態で得られる第1金属層21(Ti層)の厚さは、約0.1μmである。
第1金属層21が得られた後で、第1金属層21がヘッド114側を向くように、搬送装置3は半導体チップ10を吐出装置1Bのステージ106上にセットする。そうすると、吐出装置1Bは、半導体チップ10に対するノズル118の相対位置を変化させる。そして、図6(a)に示すように、ノズル118が金属パッド12に対応する相対位置に達した場合に、吐出装置1Bはノズル118から液状の第2導電性材料22Aを吐出する。このようにして、吐出装置1Bは、第1金属層21上のみに第2導電性材料22Aを塗布、つまり付与する。
第1金属層21のすべてに第2導電性材料22Aが塗布された後で、第2導電性材料22Aを活性化する。この目的で、搬送装置3は半導体チップ10をオーブン2Bの内部に位置させる。そして、オーブン2Bが所定の時間だけ半導体チップ10を加熱すると、第2導電性材料22Aにおけるニッケルのナノ粒子が融着または燒結する。ニッケルのナノ粒子が融着または燒結すると、図6(b)に示すように、第1金属層21を覆う第2金属層22が得られる。本実施形態で得られる第2金属層22(Ni層)の厚さは、約6μmである。
第2金属層22が得られた後で、第2金属層22がヘッド114側を向くように、搬送装置3は半導体チップ10を吐出装置1Cのステージ106上にセットする。そうすると、吐出装置1Cは、半導体チップ10に対するノズル118の相対位置を変化させる。そして、図6(c)に示すように、ノズル118が金属パッド12に対応する相対位置に達した場合に、吐出装置1Cはノズル118から液状の第3導電性材料23Aを吐出する。このようにして、吐出装置1Cは、第2金属層22上のみに第3導電性材料23Aを塗布、つまり付与する。
第2金属層22のすべてに第3導電性材料23Aが塗布された後で、第3導電性材料23Aを活性化する。この目的で、搬送装置3は半導体チップ10をオーブン2Cの内部に位置させる。そして、オーブン2Cが所定の時間だけ半導体チップ10を加熱すると、第3導電性材料23Aにおける金のナノ粒子が融着または燒結する。金のナノ粒子が融着または燒結すると、図7(a)に示すように、第2金属層22を覆う第3金属層23が得られる。本実施形態で得られる第3金属層23(Au層)の厚さは、約10μmである。
以上のような塗布工程と加熱工程との繰り返しによって、図7(b)に示すように、複数の金属パッド12のそれぞれの上に、UBM層25が形成される。ここで、UBM層25は、第1金属層21(チタン層)と、第2金属層22(ニッケル層)と、第3金属層23(金層)と、からなる。
このように本実施形態によれば、吐出装置1A、1B、1Cが、目的の部分にだけに選択的に導電性材料21A、22A、23Aをそれぞれ塗布する。このため、UBM層25を製造する際の導電性材料の余分な消費を抑えることができる。
さて、第1金属層21がチタンからなるので、後述するはんだ層をリフローする際に、第1金属層21は拡散バリア層として機能する。さらに、第1金属層21がチタンからなるので、アルミからなる金属パッド12に対する密着性がよい。アルミとの密着性がよい金属として、チタンの他に、クロム(Cr)、チタン/タングステン(Ti/W)、Niがあるので、第1金属層21がクロム、チタン/タングステン、またはニッケルからなってもよい。ここで、クロム、チタン/タングステン、またはニッケルからなる第1金属層21を得るためには、チタンの微粒子に代えて、対応する金属の微粒子を含んだ液状の導電性材料を吐出すればよい。なお、第1金属層21の厚さは、0.01μmから1μmの範囲内にあればよい。
第2金属層22がニッケルからなるので、後述するはんだバンプに対するはんだ付け性がよい。はんだ付け性がよい金属は、ニッケルの他に銅がある。このため、第2金属層22が銅からなってもよい。ここで、銅からなる第2金属層22を得るためには、ニッケルの微粒子に代えて、銅の微粒子を含む液状の導電性材料を吐出すればい。なお、第2金属層の厚さは、1μmから10μmの範囲内にあればよい。
第3金属層(Au層)23は下地の第1金属層21、第2金属層22、第3金属層23の酸化を防止する働きをする。また、金からなる第3金属層23は、はんだの塗れ性を向上させる機能も有する。そして、第3金属層23が金からなるので、はんだ付けに代えて、Au−Sn接合や、ワイヤボンディング技術などのAu−Au接合や、異方性導電フィルム(ACF)による接合や、異方性導電ペースト(ACP)による接合や、非導電性フィルム(NCF)による接合や、または非導電性ペースト(NCP)による接合、などを適用した接続にも対応できる。
さらに、第3金属層23が金からなっていれば、第3金属層を約20μmにまで厚くできるので、UBM層の高さの設計においてより自由度が生まれる。この結果、UBM層が設けられた回路素子を配線基板に実装する際の自由度が増す。なお、本実施形態の第3金属層23は、はんだ層がリフローされてはんだバンプが形成される際に消滅する。第3金属層23が消滅する理由は、第3金属層23におけるAu原子がリフローの際に拡散するからである。
なお、本実施形態では、第1金属層21、第2金属層22、第3金属層23のように積層された複数の層をまとめて「金属スタック層」とも表記する。
(D3.はんだバンプの形成工程)
金属パッド12上にUBM層25が設けられた後で、UBM層25上にはんだバンプを設ける工程を行う。
金属パッド12上にUBM層25が設けられた後で、UBM層25上にはんだバンプを設ける工程を行う。
まず、絶縁層13と、UBM層25と、を覆うレジスト層26(図8(a))が得られるように、スピンコート法を用いてネガ型のフォトレジストを塗布する。具体的には、半導体チップ10のUBM層25側の全面がレジスト層26で覆われるようにフォトレジストを塗布する。本実施形態で得られるレジスト層26の厚さは、10μmから30μm程度である。
次に、UBM層25が露出するようにレジスト層26をパターニングする。具体的には、図8(b)に示すように、UBM層25に対応する部分に遮光部SHが設けられたフォトマスクMKを介して、レジスト層26に紫外線を照射する。そして、所定の溶液を用いて現像することで、UBM層25を露出する開口部を有するレジスト層26Aを得る。
そして、印刷法を用いて、UBM層25上にSu/Ag/Cu系のはんだを塗布する。この結果、図8(c)に示すように、UBM層25上にはんだ層27Aが形成される。その後、図8(d)に示すように、レジスト層26Aを剥離する。
さらにその後、図9(a)に示すように、はんだ層27Aをリフローすることで、UBM層25上にはんだバンプ27を形成する。なお、上述したように、はんだバンプ27が設けられた半導体チップ10を「回路素子」とも表記する。
ここで、はんだ層27Aをリフローする際に、Au原子がはんだバンプ27側または下地金属層側に拡散するので、第3金属層23は実質的に消滅する。また、第2金属層(Ni層)22は、はんだ層27Aに含まれるSu、Cuと反応することで、中間金属層22’となる。以下では、はんだ層27Aをリフローした後のUBM層25を、「UBM層25’」と表記する。図9(a)に示すように、本実施形態のUBM層25’は、第1金属層21と、中間金属層22’と、を含んでいる。
(D4.半導体チップの実装工程)
UBM層25’上にはんだバンプ27が設けられた後で、半導体チップ10を配線基板に実装する工程を行う。
UBM層25’上にはんだバンプ27が設けられた後で、半導体チップ10を配線基板に実装する工程を行う。
まず、半導体ウエハ14が所定の厚さになるまで、半導体ウエハ14の裏面を削る。そして、半導体ウエハ14をダイシングすることで、半導体ウエハ14から複数の半導体チップ10を分離する。そして、それぞれの半導体チップ10を、それぞれの配線基板28上に実装する。具体的には、図9(b)に示すように、はんだバンプ27のそれぞれが配線基板28上のそれぞれのランド29に対面するように、半導体チップ10を配線基板28に対して位置決めする。ここで、配線基板28上のランド29は、銅配線の一部である。
そして、はんだバンプ27を再び溶融させると、半導体チップ10の金属パッド12と、配線基板28のランド29とは、UBM層25’とはんだバンプ27とを介して、物理的かつ電気的に連結される。この結果、半導体チップ10は配線基板28に実装される。そして必要に応じて、半導体チップ10と配線基板28との間の間隙を、エポキシ樹脂などの封止樹脂で封止する。なお、本明細書では、半導体チップ10が実装された配線基板28を「回路基板」とも表記する。
半導体チップ10の一例は、図10および図11に示すような表示コントローラ33である。ここで、表示コントローラ33は、液晶パネル32を駆動する半導体素子である。表示コントローラ33は、本実施形態の製造方法によって製造される。
具体的には、表示コントローラ33の金属パッド上に、本実施形態の製造方法によってUBM層を設ける。そして、UBM層にはんだバンプが設けられた後で、表示コントローラ33をフレキシブル配線基板31に実装する。具体的には、はんだバンプと、フレキシブル配線基板31上の対応するランド35Aとが接するように、表示コントローラ33をフレキシブル配線基板31に位置決めしたうえで、はんだバンプを溶融させる。
さらに、表示コントローラ33が実装されたフレキシブル配線基板31を、液晶パネル32に実装する。具体的には、液晶パネル32上の電極(不図示)と、フレキシブル配線基板31上の配線35とを、異方性導電接着剤を介して接続する。そうすると、液晶表示装置34が得られる。このように、本実施形態の製造方法は、液晶表示装置34の製造に適用できる。
さらに、本実施形態の製造方法は、液晶表示装置34の製造だけでなく、種々の電気光学装置の製造にも適用され得る。ここでいう「電気光学装置」とは、複屈折性の変化や、旋光性の変化や、光散乱性の変化などの光学的特性の変化(いわゆる電気光学効果)を利用する装置に限定されず、信号電圧の印加に応じて光を射出、透過、または反射する装置全般を意味する。
具体的には、電気光学装置は、液晶表示装置、エレクトロルミネッセンス表示装置、プラズマ表示装置、表面伝導型電子放出素子を用いたディスプレイ(SED:Surface−Conduction Electron−Emitter Display)、電界放出ディスプレイ(FED:Field Emission Display)などを含む用語である。
さらに、本実施形態の製造方法は、種々の電子機器の製造方法に適用され得る。例えば、図12に示す携帯電話機40の製造方法や、図13に示すパーソナルコンピュータ50の製造方法にも、本実施形態の製造方法が適用される。
(変形例1)
上記実施形態によれば、はんだ層27Aがリフローされる前のUBM層25は、3つの金属層からなる。しかしながら、下地の金属パッド12と、はんだバンプ27と、を互いに物理的かつ電気的に連結できるのであれば、UBM層25は、1つの金属層からなってもよいし、4つ以上の金属層からなってもよい。具体的には、UBM層25がニッケル層だけからなってもはんだ付け性を向上できるので、そのようなUBM層25を有する回路素子にはんだ付けによる実装技術を適用できる。
上記実施形態によれば、はんだ層27Aがリフローされる前のUBM層25は、3つの金属層からなる。しかしながら、下地の金属パッド12と、はんだバンプ27と、を互いに物理的かつ電気的に連結できるのであれば、UBM層25は、1つの金属層からなってもよいし、4つ以上の金属層からなってもよい。具体的には、UBM層25がニッケル層だけからなってもはんだ付け性を向上できるので、そのようなUBM層25を有する回路素子にはんだ付けによる実装技術を適用できる。
また本実施形態で説明した金属以外の金属を含む導電性材料が、UBM層を形成するために用いられてもよい。さらに、液状の導電性材料が、金属の微粒子に代えて、有機金属化合物を含んでいてもよい。ここでいう有機金属化合物は、加熱による分解によって金属が析出するような化合物である。
(変形例2)
上記実施形態によれば、3つの異なる吐出装置1A、1B、1Cが、それぞれ異なる導電性材料を吐出する。このような構成に代えて、1つの吐出装置(例えば吐出装置1A)が、上述の第1導電性材料21A、第2導電性材料22A、および第3導電性材料23Aを吐出してもよい。この場合、これら導電性材料21A、22A、23Aは、吐出装置1Aにおけるそれぞれ別々のノズル118から吐出されてもよいし、吐出装置1Aにおける1つのノズル118から吐出されてもよい。1つのノズル118からこれら4つの導電性材料21A、22A、23Aが吐出される場合には、導電性材料を切り換える際に、タンク101Aからノズル118までの経路を洗浄する工程を追加すればよい。
上記実施形態によれば、3つの異なる吐出装置1A、1B、1Cが、それぞれ異なる導電性材料を吐出する。このような構成に代えて、1つの吐出装置(例えば吐出装置1A)が、上述の第1導電性材料21A、第2導電性材料22A、および第3導電性材料23Aを吐出してもよい。この場合、これら導電性材料21A、22A、23Aは、吐出装置1Aにおけるそれぞれ別々のノズル118から吐出されてもよいし、吐出装置1Aにおける1つのノズル118から吐出されてもよい。1つのノズル118からこれら4つの導電性材料21A、22A、23Aが吐出される場合には、導電性材料を切り換える際に、タンク101Aからノズル118までの経路を洗浄する工程を追加すればよい。
ここで、1つのノズルからこれら3つの導電性材料21A、22A、23Aが吐出される場合には、本発明の「第1のノズル」と、「第2のノズル」と、「第3のノズル」とは、1つの同じノズル118に対応する。
(変形例3)
上記実施形態のUBM層25の構成によれば、第1金属層はチタン(Ti)層であり、第2金属層はニッケル(Ni)層であり、第3金属層は金(Au)層である。このような構成に代えて、UBM層は次のような3つの金属層からなってもよい。例えば、UBM層において、第1金属層がチタン層(Ti)層であり、第2金属層がチタン(Ti)と銅(Cu)との混合層であり、第3金属層が銅(Cu)層であってもよい。また、UBM層において、第1金属層がクロム(Cr)層であり、第2金属層が銅(Cu)層であり、第3金属層が金(Au)層であってもよい。
上記実施形態のUBM層25の構成によれば、第1金属層はチタン(Ti)層であり、第2金属層はニッケル(Ni)層であり、第3金属層は金(Au)層である。このような構成に代えて、UBM層は次のような3つの金属層からなってもよい。例えば、UBM層において、第1金属層がチタン層(Ti)層であり、第2金属層がチタン(Ti)と銅(Cu)との混合層であり、第3金属層が銅(Cu)層であってもよい。また、UBM層において、第1金属層がクロム(Cr)層であり、第2金属層が銅(Cu)層であり、第3金属層が金(Au)層であってもよい。
以上のような構成のUBM層であっても、対応する金属の微粒子を含むそれぞれの液状の導電性材料を準備すれば、上記実施形態で説明した製造方法で製造できる。
(変形例5)
上記実施形態によれば、オーブンによる加熱によって第1導電性材料21A、第2導電性材料22A、第3導電性材料23Aを最終的に活性化させる。ただし、加熱することに代えて、紫外域・可視光域の波長の光や、マイクロウェーヴなどの電磁波を照射することで、これら導電性材料を活性化してもよい。また、このような活性化に代えて、導電性材料を単に乾燥させてもよい。付与された導電性材料を放置するだけでも導電層が生じるからである。ただし、導電性材料を単に乾燥させる場合よりも、何らかの活性化を行う場合の方が、導電層の生成時間が短い。このため、導電性材料を活性化することがより好ましい。
上記実施形態によれば、オーブンによる加熱によって第1導電性材料21A、第2導電性材料22A、第3導電性材料23Aを最終的に活性化させる。ただし、加熱することに代えて、紫外域・可視光域の波長の光や、マイクロウェーヴなどの電磁波を照射することで、これら導電性材料を活性化してもよい。また、このような活性化に代えて、導電性材料を単に乾燥させてもよい。付与された導電性材料を放置するだけでも導電層が生じるからである。ただし、導電性材料を単に乾燥させる場合よりも、何らかの活性化を行う場合の方が、導電層の生成時間が短い。このため、導電性材料を活性化することがより好ましい。
(変形例6)
上記実施形態によれば、半導体素子の金属パッドにUBM層が設けられる。しかしながら、上記実施形態のUBM層の形成方法は、半導体素子の金属パッドだけでなく、半導体パッケージの基板に設けられたリード端子にUBM層を設ける場合に適用されてもよい。ここで、このような半導体パッケージが本発明の「電子素子」に対応し、リード端子が本発明の「導電端子」に対応する。また、半導体パッケージの一例はボール・グリット・アレイ(BGA)パッケージである。さらにまた、半導体パッケージの基板の一例は、上述の配線基板や回路基板である。このような半導体パッケージの製造において上記実施形態のUBM層の形成方法が用いられれば、基板に設けられたリード端子を構成する材質として、銅以外の金属を用いることが可能となる。
上記実施形態によれば、半導体素子の金属パッドにUBM層が設けられる。しかしながら、上記実施形態のUBM層の形成方法は、半導体素子の金属パッドだけでなく、半導体パッケージの基板に設けられたリード端子にUBM層を設ける場合に適用されてもよい。ここで、このような半導体パッケージが本発明の「電子素子」に対応し、リード端子が本発明の「導電端子」に対応する。また、半導体パッケージの一例はボール・グリット・アレイ(BGA)パッケージである。さらにまた、半導体パッケージの基板の一例は、上述の配線基板や回路基板である。このような半導体パッケージの製造において上記実施形態のUBM層の形成方法が用いられれば、基板に設けられたリード端子を構成する材質として、銅以外の金属を用いることが可能となる。
1…製造装置、1A、1B、1C…吐出装置、2A、2B、2C…オーブン、3…搬送装置、5…ベース基板、10…半導体チップ、12…金属パッド、13…絶縁層、14…半導体ウエハ、21A…第1導電性材料、21…第1金属層、22A…第2導電性材料、22…第2金属層、23A…第3導電性材料、23…第3金属層、25…UBM層、26A、26…レジスト層、27A…はんだ層、27…はんだバンプ、28…配線基板、29…ランド、31…フレキシブル配線基板、32…液晶パネル、33…表示コントローラ、34…液晶表示装置、40…携帯電話機、50…パーソナルコンピュータ、SH…遮光部、MK…フォトマスク。
Claims (10)
- ステージと、
前記ステージに対面するノズルを有するヘッドと、
を備えた吐出装置を用いた回路素子の製造方法であって、
半導体素子の金属パッドが前記ヘッド側を向くように、前記半導体素子を前記ステージ上にセットするステップAと、
前記半導体素子に対する前記ヘッドの相対位置を変化させるステップBと、
前記ノズルが前記金属パッドに対応する位置に達した場合に、前記金属パッドに導電性材料が付与されるように前記ノズルから液状の前記導電性材料を吐出するステップCと、
前記金属パッド上にUBM層が得られるように、前記付与された導電性材料を活性化または乾燥するステップDと、
を含んだ回路素子の製造方法。 - 請求項1記載の回路素子の製造方法であって、
前記ステップCは、前記金属パッド上に第1導電性材料が付与されるように、第1のノズルから液状の前記第1導電性材料を吐出するステップを含んでおり、
前記ステップDは、前記金属パッド上に第1金属層が得られるように、前記付与された第1導電性材料を活性化または乾燥するステップを含んでいる、
回路素子の製造方法。 - 請求項2記載の回路素子の製造方法であって、
前記ステップCは、前記第1金属層上に第2導電性材料が付与されるように、第2のノズルから液状の前記第2導電性材料を吐出するステップをさらに含んでおり、
前記ステップDは、前記第1金属層上に第2金属層が得られるように、前記付与された第2導電性材料を活性化または乾燥するステップをさらに含んでいる、
回路素子の製造方法。 - 請求項3記載の回路素子の製造方法であって、
前記ステップCは、前記第2金属層上に第3導電性材料が付与されるように、第3のノズルから液状の前記第3導電性材料を吐出するステップをさらに含んでいて、
前記ステップDは、前記第2金属層上に第3金属層が得られるように、前記付与された第3導電性材料を活性化または乾燥するステップをさらに含んでいる、
回路素子の製造方法。 - 請求項4記載の回路素子の製造方法であって、
前記第1導電性材料はチタンの微粒子を含んでいて、
前記第2導電性材料はニッケルの微粒子を含んでいて、
前記第3導電性材料は金の微粒子を含んでいる、
回路素子の製造方法。 - 請求項1から5のいずれか一つ記載の回路素子の製造方法であって、
前記UBM層上にはんだバンプを形成するステップEと、
前記はんだバンプをリフローするステップFと、
をさらに含んだ回路素子の製造方法。 - 請求項1から6のいずれか一つ記載の回路素子の製造方法で製造された回路基板。
- 請求項1から6のいずれか一つ記載の回路素子の製造方法で製造された電子機器。
- 請求項1から6のいずれか一つ記載の回路素子の製造方法で製造された電気光学装置。
- ステージと、
前記ステージに対面するノズルを有するヘッドと、
を備えた吐出装置を用いた電子素子の製造方法であって、
基板の導電端子が前記ヘッド側を向くように、前記基板を前記ステージ上にセットするステップAと、
前記基板に対する前記ヘッドの相対位置を変化させるステップBと、
前記ノズルが前記導電端子に対応する位置に達した場合に、前記導電端子に導電性材料が付与されるように前記ノズルから液状の前記導電性材料を吐出するステップCと、
前記導電端子上にUBM層が得られるように、前記付与された導電性材料を活性化または乾燥するステップDと、
を含んだ電子素子の製造方法。
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