JP2007158082A - 半導体素子用ボンディングワイヤおよびその製造方法 - Google Patents

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film forming
organic
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Hidekazu Hirota
英一 廣田
Keiichi Osawa
慶一 大澤
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

【課題】 スプールからの巻きほぐれ性および繰り出し性を良好に維持しつつ、残留物ないしは塗布物である有機物の経路汚染によるループ異常の発生を防止し、近年ますます狭ピッチ化が進んでいるデバイスにおいても、ボンディングワイヤ同士の短絡などが発生することのない、半導体素子用ボンディングワイヤおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ボンディングワイヤに吸着する有機被膜形成材料を選択し、かつ、該ボンディングワイヤに吸着しなかった有機被膜形成材料のみを除去する洗浄液を選択し、該有機被膜形成材料をボンディングワイヤの表面全体に吸着させて被膜を形成する吸着工程と、前記ボンディングワイヤに吸着せずに、該表面に付着している有機被膜形成材料のみを洗浄により除去する洗浄工程とからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子上のチップ電極と、外部リードとを接続するために使用される半導体素子用ボンディングワイヤおよびその製造方法に関し、特に、線径が１０μｍ〜１００μｍ程度の金、銅、アルミニウム、パラジウムまたは白金などを主成分とする半導体素子用ボンディングワイヤおよびその製造方法に関する。
ボンディングワイヤの加工は、伸線加工工程、熱処理（アニール）工程、巻取工程からなる。加工中は、摩擦力を低減させたり、傷などの欠陥の発生を防ぐことを目的として、各工程で、界面活性剤や、天然油脂または鉱物油などの希釈液を処理液として、必要に応じて使用している。
使用された処理液は、最終製品の表面にも残留しているが、残留している処理液の存在により、ボンディングワイヤ同士のくっつきが防止され、良好な繰り出し性が保たれる。また、ボンディング作業中においても、スムーズなボンディングワイヤの供給が行われる。
あるいは、ボンディング作業中におけるスムーズなボンディングワイヤの供給を図るために、ボンディングワイヤの表面上に、意図的に界面活性剤を塗布する方法もある。
しかし、残留している処理液や塗布物が多量に存在していると、ボンディング作業中に、ボンダーのクランパーやキャピラリーに転写する量が短時間で増大し、ワイヤ経路が狭まって、ボンディングワイヤの流動性を阻害し、ループ高さ異常やループ曲がりなどのループ異常を発生しやすくさせるという問題が生じる。かかる局所的な異常な膜厚の有機物の存在は、近年ますます狭ピッチ化が進んでいるデバイスにおいて、ボンディングワイヤ同士の短絡などの原因となっている。
一方、その対策として、従来では、処理液の残留量や塗布物の塗布量を規制することにより対処していたが、そのためにボンディングワイヤ表面上の有機被膜の形成が不十分となると、ボンディングワイヤ同士のくっつき防止、良好な繰り出し性という効果が十分に得られなくなる。
さらに、摩擦力の低減や、欠陥の発生防止の観点から選定された処理液や塗布物の有機材料は、従来の単純な塗布や乾燥という手法では、ボンディングワイヤの表面で凝集してしまうという問題がある。
たとえば、特開昭５９−１６７０４４号公報には、ボンディングワイヤの表面上に、平均膜厚で５ｎｍ〜０．５μｍで界面活性剤を塗布する方法が記載されている。しかし、このように薄い膜厚で塗布する場合、均一に塗布できないとボンディングワイヤの表面に、塗布物が存在しない箇所が発生してしまう。さらに、単に塗布するのみでは、平均膜厚は薄くとも局所的に塗布物が多量に存在してしまう可能性もある。
また、特開平６−１５１４９７号公報には、ボンディングワイヤの表面を洗浄して、ボンディングワイヤ表面の有機炭素量を低減させる方法が記載されているが、かかる場合においても、同様の問題が生じうる。たとえ、局所的な膜厚過剰部分を解消できても、表面上に薄く塗布された部分において、有機被膜が除去されてしまう箇所が生じてしまう可能性が高い。
このように、従来の方法により、処理液を残留させたり、処理液を塗布して、乾燥、洗浄を行うという方法では、ボンディングワイヤ表面に薄く均一な有機被膜を形成することは困難であり、残留物や塗布物が局所的に異常な膜厚で存在したり、有機被膜が形成されない場所が生じたりという問題があった。
特開昭５９−１６７０４４号公報
特開平６−１５１４９７号公報
本発明は、スプールからの巻きほぐれ性および繰り出し性を良好に維持しつつ、残留物ないしは塗布物である有機物の経路汚染によるループ異常の発生を防止し、近年ますます狭ピッチ化が進んでいるデバイスにおいても、ボンディングワイヤ同士の短絡などが発生することのない、半導体素子用ボンディングワイヤおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法の一態様では、ボンディングワイヤに吸着する有機被膜形成材料を選択し、かつ、該ボンディングワイヤに吸着しなかった有機被膜形成材料のみを除去する洗浄液を選択し、該有機被膜形成材料をボンディングワイヤの表面全体に吸着させて被膜を形成する吸着工程と、前記ボンディングワイヤに吸着せずに、該表面に付着している有機被膜形成材料のみを洗浄により除去する洗浄工程とからなる。
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法の異なる態様では、有機被膜形成材料をボンディングワイヤの表面全体に吸着させて被膜を形成する吸着工程と、該表面に付着した有機被膜形成材料のうち、被膜を形成しなかった有機被膜形成材料を、洗浄により除去する洗浄工程とを有し、前記吸着工程の完了は、該表面の反射光強度比の上昇が停止したことにより決定し、有機被膜形成材料は、上昇した反射光強度比が前記洗浄工程において元の値に戻らないことにより選択する。
さらに、前記反射光強度比は、表面プラズモン共鳴分光法により測定することが望ましい。
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤは、前記のいずれかの製造方法により製造される。
さらに、表面全体に、有機被膜形成材料が吸着することにより、膜厚１ｎｍ〜１０ｎｍの被膜が均一に形成されていることが望ましい。
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤにより、ボンディングワイヤ表面に有機被膜が薄くかつ均一に形成され、有機物の経路汚染によるループ異常の発生、狭ピッチ化されたデバイスにおける、ボンディングワイヤ同士の短絡などの発生を防止しつつ、スムーズなボンディング作業を図れる。
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法は、吸着工程と洗浄工程とを有する。
本発明では、まず、使用する有機被膜形成材料を、被膜されるボンディングワイヤの表面への吸着状態を評価して選定する点にある。
具体的には、候補の有機被膜形成材料について、それぞれ、ボンディングワイヤのような金属の表面への吸着状態を評価する。評価方法としては、ラマン分光法、表面Ｘ線回折法、真空紫外光電子分光法、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）分光法などをあげることができる。いずれかの方法により、使用すべき有機被膜形成材料を短時間で選定することが可能となる。特に、液体材料について貴金属の表面への吸着状態を評価する方法としては、ＳＰＲ分光法が望ましい。
発明者の試験によれば、例えば、ボンディングワイヤ材料である金については、チオール、有機シリコン、脂肪酸、カルボン酸、アミン、リン酸、スルホン酸、ホスホン酸、界面活性剤といった有機材料が好適であることがわかった。なお、吸着とは、一般には、物質の表面に原子、分子、微粒子などが付着することもしくは付着した状態を示し、比較的弱い結合による物理吸着と強い結合による化学吸着があるが、本明細書では洗浄によっても除去されない強い結合による化学吸着を意味する。
ボンディングワイヤの表面に吸着させる有機材料を選定しても、従来のように、単にこれらの有機材料を塗布するだけでは、ボンディングワイヤの表面に、金属表面に吸着していない有機材料が存在してしまう。また、余分に付着した有機材料を低減させるため、従来の方法では、有機材料を含む溶液の濃度を薄くして対処していた。これに対して、本発明では、ボンディングワイヤの表面全体に、選択された有機材料が吸着することを完了させる点に特徴を有する。すなわち、使用する有機被膜形成材料の濃度は、ボンディングワイヤへの吸着に最適な濃度であればよく、残留しないように濃度を低下させる必要はない。さらに、高速で移動するボンディングワイヤに十分な吸着を促すためには、溶液の濃度を高くすることが望まれる。
吸着工程では、ボンディングワイヤの表面全体に、有機被膜形成材料を吸着させて、その被膜を形成する。具体的には、ボンディングワイヤを有機被膜形成材料を含む溶液に浸漬させることにより吸着膜を得る。その他にも、有機被膜形成材料をボンディングワイヤ全面にまんべんなく塗布することが可能であれば、液滴状での吹き付け、ミスト状の塗布スペース通過などの手法を用いてもよい。吸着工程の完了は、事前の評価により吸着完了時間を計測しておくことにより決定されるが、事前の評価手法としては、ＳＰＲ分光法で測定される反射光強度比の上昇が停止したことにより決定されることが望ましい。
洗浄工程では、洗浄液を用いて、表面に付着した有機被膜形成材料のうち、被膜を形成しなかった有機被膜形成材料のみを、洗浄により除去する。これにより、薄く均一な有機被膜を得ることができる。
洗浄工程は、吸着工程で有機被膜形成材料がボンディングワイヤの表面全体に吸着された後、行うことが重要である。また、使用する洗浄液は、ボンディングワイヤの表面への有機被膜形成材料の吸着を破壊しないように、選択する。洗浄液は、選択された有機材料によって適宜選択されるが、一般的には、純水やエタノールを用いることにより簡易に処理できることが望ましい。
［使用する有機被膜形成材料の評価］
金板に対して、有機被膜形成材料としてチオール、カルボン酸、アミン、および界面活性剤について、吸着工程および洗浄工程の処理を行った。評価方法としては、ＳＰＲ分光法を行い、図１に示したようなグラフを得た。吸着が完了すると、吸着完了ポイント（１）のように、反射光強度の上昇は停止する。金表面に吸着する材料の場合、金表面に非被覆箇所が存在している場合は吸着を継続するため、吸着が完了したことにより、金表面が被覆材料により覆われたことが分かる。
投入材料が金表面に強固に吸着しない場合は、金表面への吸着や離脱を不規則に繰り返す。その結果、得られるグラフは反射強度の挙動は安定せず、凸凹した曲線となり、区別することができる。その後、洗浄工程を行った時、吸着強度が弱い箇所があると、洗浄ポイント（２）のように、ある程度、反射光強度比は低下する場合があるが、強固な吸着膜が存在しているため、元の値までには戻らない。しかし、洗浄工程を行った時、有機被膜が金表面に強固に吸着していないと、反射光強度は元の値まで戻ることになる。洗浄により反射強度が低下した場合も、洗浄による低下が洗浄直後のみであり、以後反射強度が変化しないのであれば、金表面に吸着した箇所の離脱は無く、有機被膜同士の軽微な吸着箇所のみの除去と考えられる。
前記有機被膜形成材料は、図１に示した洗浄ポイント（２）のように、反射光強度比が元の値までには戻らず、いずれも金板に対して吸着していることが確認された。
（実施例１）
線径２５μｍの金（純度９９．９９％）のボンディングワイヤを使用し、アニール工程後に、有機被膜形成材料として濃度４０ｐｐｍの界面活性剤を使用し、６０分、吸着工程を行った。この時間で吸着が完了することは、ＳＰＲ分光法による測定を行い、事前に確認を行った。
次に、洗浄液として、純水を用いて、３０分、洗浄工程を行い、スプールに２０００ｍずつ巻き取った。
得られたボンディングワイヤについて、以下のように評価した。
洗浄工程後の有機被膜形成材料の残留量は、ＦＴ−ＩＲ分析を行い、計算上膜厚が１〜１０ｎｍになる場合を適量と判断し、膜厚が１０ｎｍ以上になるの場合を多いと判断し、膜厚が１ｎｍ未満の場合を少ないと判断した。
巻きほぐれ性は、図２に断面図を示したような装置を用いて、スプール（３）から自重でボンディングワイヤ（４）が滑らかに落下するかどうかを、センサ（５）により検知して評価した。金線の解れ性が悪い場合、金線がセンサに接触するが、そのセンサに接触した衝撃により解れ性が改善される場合、そのセンサー接触回数が１０回／１ｋｍ以下の場合は良好と判断し、センサーへの接触回数が１０回／１ｋｍ以上の場合、又はセンサに接触した程度の衝撃では解れ性が改善されない場合を不良と判断した。
クランパー汚れは、２０００ｍボンディングした時のボンダーのクランパーに汚れがどの程度、発生するかを評価した。明瞭に汚れが観察されない場合を少ないと判断し、明瞭に汚れが観察される場合を多いと判断した。
それぞれの評価結果を、表１に示す。
なお、得られたボンディングワイヤについて、ＴＥＭ装置を使用して、その表面状態を観察したところ、ボンディングワイヤの表面に、膜厚２ｎｍ〜３ｎｍの均一な被膜を形成していた。
（実施例２）
有機被膜形成材料の濃度を表１に示したようにしたこと以外は、実施例１と同様に、ボンディングワイヤに有機被膜形成材料を被膜させた。その結果、ボンディングワイヤ表面全体に対して有機被膜形成材料が吸着していた。さらに、実施例１と同様に、評価した。評価結果を、表１に示す。
なお、該ボンディングワイヤの表面を実施例１と同様に観察したところ、ボンディングワイヤの表面全体に、膜厚２ｎｍ〜３ｎｍの均一な被膜を形成していた。
（比較例１）
有機被膜形成材料の濃度を表１に示したように薄くしたことと、吸着が完了する前に、洗浄工程を行うように、有機皮膜形成材料を塗布後直ぐに洗浄工程を実施したこと以外は、実施例１と同様に、ボンディングワイヤに有機被膜形成材料を被膜させた。その結果、得られたボンディングワイヤ表面を実施例１と同様に観察したところ、膜厚０ｎｍ〜２ｎｍの被膜となっており、ボンディングワイヤ表面に有機被膜形成材料が吸着せずに、有機被膜が形成されていない箇所も多数存在した。さらに、実施例１と同様に、評価した。評価結果を、表１に示す。
（比較例２）
洗浄工程を行わなかった以外は、実施例１と同様に、ボンディングワイヤに有機被膜形成材料を被膜させた。その結果、ボンディングワイヤ表面全体に対して有機被膜形成材料が吸着していた。さらに、実施例１と同様に、評価した。評価結果を、表１に示す。
（比較例３）
有機被膜形成材料の濃度を表１に示したように薄くしたことと、洗浄工程を行わなかったこと以外は、実施例１と同様に、ボンディングワイヤに有機被膜形成材料を被膜した。その結果、得られたボンディングワイヤ表面を実施例１と同様に観察したところ、膜厚０ｎｍ〜５ｎｍの被膜が形成されていたが、ボンディングワイヤ表面に有機被膜形成材料が吸着せずに、有機被膜が形成されていない箇所、および、有機被膜形成材料の膜厚が他の箇所に比べ異常に厚い（４ｎｍ〜５ｎｍ）箇所が、それぞれ多数存在した。さらに、実施例１と同様に、評価した。評価結果を、表１に示す。
Figure 2007158082
以上のように、本発明の製造方法により、ボンディングワイヤ表面の全体に薄く均一に有機被膜が形成され、良好な表面状態で、巻きほぐれ性が良好で、かつ、クランパー汚れの少ないボンディングワイヤが得られた。なお、実際の操業においては、吸着時間が制限されるため、有機溶液における有機被膜形成材料の濃度は、４０ｐｐｍ以上とすることが好ましい。
さらに、有機被膜形成材料として前述のチオール、カルボン酸、およびアミンについても、前記実施例および比較例と同様の確認をしたところ、同様の結果を得ることができた。
ＳＰＲ分光法による評価結果を示すグラフである。 巻きほぐれ性の評価方法を行うための装置を示す断面図である。
符号の説明
１ 吸着完了ポイント
２ 洗浄ポイント
３ スプール
４ ボンディングワイヤ
５ センサー

Claims (5)

  1. ボンディングワイヤに吸着する有機被膜形成材料を選択し、かつ、該ボンディングワイヤに吸着しなかった有機被膜形成材料のみを除去する洗浄液を選択し、該有機被膜形成材料をボンディングワイヤの表面全体に吸着させて被膜を形成する吸着工程と、前記ボンディングワイヤに吸着せずに、該表面に付着している有機被膜形成材料のみを洗浄により除去する洗浄工程とからなる半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
  2. 有機被膜形成材料をボンディングワイヤの表面全体に吸着させて被膜を形成する吸着工程と、該表面に付着した有機被膜形成材料のうち、被膜を形成しなかった有機被膜形成材料を、洗浄により除去する洗浄工程とを有し、前記吸着工程の完了は、該表面の反射光強度比の上昇が停止したことにより決定し、有機被膜形成材料は、上昇した反射光強度比が前記洗浄工程において元の値に戻らないことにより選択することを特徴とする半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
  3. 前記反射光強度比は、表面プラズモン共鳴分光法により測定することを特徴とする請求項２に記載の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載の製造方法により製造されることを特徴とする半導体素子用ボンディングワイヤ。
  5. 表面全体に、有機被膜形成材料が吸着することにより、膜厚１ｎｍ〜１０ｎｍの被膜が均一に形成されている半導体素子用ボンディングワイヤ。
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