JP3640925B2

JP3640925B2 - 半導体用回路線とその製造及び成形方法

Info

Publication number: JP3640925B2
Application number: JP2001531138A
Authority: JP
Inventors: パン・ホ・パク; スン・ヒュン・パク
Original assignee: シーエム・エレクトロン・カンパニー・リミテッド
Priority date: 1999-10-16
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: WO2001029889A1; CN1399795A; CN1175481C; AU6737300A; JP2003512722A; HK1053905A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は任意の大きさと長さで形成された銀棒とその銀棒の表面に接合された金層との接合界面が熔融合金層（すなわち、固溶体）状態でなされた半導体用回路線を製造する半導体回路線の製造及び成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に用いられている半導体用回路線は、銀のみで製造されたものが理想的であるがこれは熱伝導度と電気伝導度は良いが、耐久性と耐化学性及び耐酸化性が落ちて半導体用回路線としての使用が不適合なことはもちろん、使用寿命が短縮される問題点があった。
【０００３】
したがって、前記の問題点を解消するために近来には金のみで製造された半導体用回路線を製造して用いているが、これは金が高価であるので価格競争力が落ちるのみならず、金の固有特性上半導体回路線に要求される引張強度、電気抵抗率、及び熱伝導度などの改善に限界があって、前記銀のみで製造された半導体用回路線の短所である耐久性と耐化学性及び耐酸化性は補完できたが、相対的に熱伝導度と電気伝導度が落ちて最適の半導体用回路線として用いることには適切でない問題点があった。
【０００４】
また従来には銀線の表皮に金被膜を接合させる成形方法が大韓民国特許出願第１９９３−２１７９４号に提供されているが、この方法は金塊を圧延して厚さが約０．５ｍｍになって直径が３．５ｃｍになる薄板上に作って起泡が除去された銀棒を７００℃ないし８００℃に加熱してこれに前記製造された金箔板を巻いて、これを再び５００℃ないし６００℃に加熱して銀棒の表面と金箔板の内面が拡散接合で緊密に密着されるようにする方法があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の方法で製造された成形品は、アクセサリ用品の用途でのみ使用できる程度のものであって、その成形品の製造方法は銀棒の表面に金箔板を巻いた後加熱して金と銀の界面が相互拡散接合されるようにするものであるため、金の熔融温度である１０６３℃に近接するように加熱しなければならなくて、このような温度で加熱すると銀棒は熔融温度が９６０℃であるために前記銀棒の形状を変形させる問題点があった。
【０００６】
また銀線の表皮に金被膜を部分接合させる成形方法が提供されてアクセサリ用品の用途でのみ使用される大韓民国特許出願第１９９９−１７８３７号があるが、これは銀棒の選択された個所に固定溝を加工してこれに金箔を安着させた後、内部に突出ラインが形成された金型を挿入して拡散接合する方法であって、このような方法は銀棒の一部分に金被膜を形成させてアクセサリ製造技術としてのみ用いることができるのみであって半導体用回路線の製造技術としては適切でないものだった。
すなわち、前記の方法を含む従来の金と銀の接合方法は、金と銀が単純に接合されている程度の附着力のみを提供するだけであって半導体回路線のように微細線への加工に必要な接合力を保有できないものであるため、現在用いられている半導体ボンディングワイヤ用金線程度の微細線に加工できない問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記の問題点を解消するために発明したものであり、その目的は先端半導体用回路線を製造するにおいて製造工程が簡便であって容易であり、従来に金のみを用いて製造することによって生じる価格競争力の限界性と、銀のみを用いて製造することによって生じる耐久性及び耐化学性そして耐酸化性の脆弱による問題点を解消できることはもちろん、半導体分野で要求される熱と電気伝導度、電気抵抗率、そして引張強度を含む主要特性の向上及び耐久性と耐化学性、耐酸化性、極細線加工に必要な金と銀の接合力などを同時に満足させることができる。
【０００８】
本発明による半導体回路線製造方法は、所定の長さを有するように用意された銀棒を金型内の中心に垂直に立てて電気炉に投入した後、前記銀棒の表面が半熔融状態または予熱された状態になるように加熱した次に、前記銀棒の表面が半熔融状態になれば金溶湯を銀棒の外部を包むように金型に注入して放置して置けば前記金溶湯が半熔融状態である銀棒の表面所定深さに含浸（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅ）されて融合されるが、この過程が終了されると、その冷却物を焼きなまし炉に再び投入して焼きなました次に、前記焼きなましが完了されるとこれを金型から抽出して必要な直径に伸長する過程によって半導体用回路線を製造する。
【０００９】
そして、前記銀棒の表面を包む金の量は、体積比で銀１以上〜１０未満対金１以上〜１０未満にして半導体用回路線を製造するが、前記銀棒対金の量は体積比で銀２：金１、銀３：金１、銀４：金１、または銀５：金１として半導体用回路線を製造することが望ましい。
【００１０】
また、前記銀棒の表面が半熔融状態になるように加熱する条件は、加熱温度は７２０℃〜８２０℃であって加熱時間は２０分〜６時間であり、電気炉は真空状態にして、前記焼きなまし炉における焼きなまし条件は、焼きなまし温度は３００℃〜４５０℃であって焼きなまし時間は２時間〜３時間であり、前記半導体用回路線を作るための伸長直径は０．０１６ｍｍ〜０．０７０ｍｍである。
【００１１】
本発明によると、前記伸長直径は世界最小型寸法になる０．０１０ｍｍから０．０７ｍｍまでの範囲で加工が可能であるので、現在用いられている既存半導体用金線（ＧｏｌｄＢｏｎｄｉｎｇＷｉｒｅ）の臨界最小寸法である０．０１８ｍｍより小さな０．０１６ｍｍ直径を実用寸法として世界最初に商用化可能であり、漸次半導体チップが極小化される趨勢であるので今後それ以下の寸法も商用化することができる。
【００１２】
一方、本発明の半導体用回路線は、電線役割をする銀棒は内部中央に備わって、その銀棒の表面所定の深さに前記銀と金の固溶体状態としての熔融合金層が形成されており、その熔融合金層の外部面には耐久性及び耐化学性を有する金層が包むように形成されている。
【００１３】
そして、前記外部を包む金層の内部に備わった前記銀棒は片棒、角棒、丸棒、及び半丸棒中いずれか一つであることを特徴として、前記銀棒の表面は前記金層との熔融結合面積すなわち、前記熔融合金層の形成面積を最大で確保するために外周面を沿って少なくとも２個以上の突起が形成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明による半導体用回路線製造方法は、回路線の製造が簡便であって容易であり、従来に金のみを用いて製造することによって生じる製品の信頼性及び価格競争力の限界性と、銀のみを用いることによって生じる耐久性及び耐化学性そして耐酸化性の脆弱による問題点を解消できることはもちろん、これによって製造された回路線は、半導体分野で要求される電気抵抗率と引張強度においてはるかに優秀で、また熱と電気伝導度が良いし機械的性質である耐久性と耐化学性及び耐酸化性を同時に満足させることができ、また金と銀の接合界面が固溶体状態の熔融合金層で形成されて極細線加工に必要な接合力を保有しているので漸次半導体チップが極小化される趨勢に合わせて既存の半導体用ワイヤより極細線のマイクロワイヤを提供できる特有の効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
前記のような技術的特徴を有する本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明すると次のどおりである。
【００１６】
本発明の実施例に対する説明に前もって半導体用回路線を製造するのに用いられる金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）の特性に対して説明すると次のどおりである。
【００１７】
前記金は、大気中や水中でも変わらなくて、強い酸化剤によっても変わらないので耐酸化性、耐化学性、及び耐久性などが優秀である。そして電気伝導度は銀の６７％程度であって、電気抵抗率は２．３５μΩ・ｃｍであり、熱伝導度は３．１５Ｗａｔｔｓ／ｃｍ℃である。
【００１８】
また前記金は、結晶構造がＦＣＣ（ＦａｃｅＣｅｎｔｅｒｅｄＣｕｂｉｃ）であって、格子定数は４．０７８６４オングストローム（２５℃）であり、原子半径は１．４４オングストロームである。
【００１９】
前記銀は、金よりは耐酸化性、耐化学性、及び耐久性などが相対的に弱いが電気と熱伝導度は金属中で最も大きくて、電気抵抗率は１．５９μΩ・ｃｍであり、結晶構造はＦＣＣであって、格子定数は４．０８６２オングストローム（２５℃）、原子半径は１．４４オングストロームである。
【００２０】
したがって、両金属はいかなる比率にも固溶体を作る全率固溶体をなす。そして伸び率も焼きなまし処理後には５０：５０に一致するために半導体用回路線に用いようと伸長する時には問題にならなくて非常に微細な回路線の伸長が可能である。
【００２１】
また前記銀は、電気伝導度が金属中で最も大きいために電線役割をして金は耐酸化性、耐化学性、耐久性などが良いために銀線を保護する役割をする。
【００２２】
続いて、以上のような特性を有する金と銀を利用した本発明の半導体用回路線の詳細な製造方法に対して説明する。
【００２３】
本発明はまず９９．９％以上の純度を有する銀を利用して銀棒を作るが、その銀棒の形状は図２で示したように表面の円周面を沿って多数個の突起１１を形成させて金との結合面積を最大で確保する。
【００２４】
但し、前記銀棒１０は、図２のように前記突起１１を有した形状に限らず矩形状の片棒や正４面、正６面、または正８面状の角棒、そして円形状の丸棒や半月形態の半丸棒等で形成させて用いても良い。
【００２５】
このように形成された前記銀棒１０は、図４に示したように金型４０の内側中央部に垂直で立てて固定させて前記銀棒１０の上端部は前記金型４０の上部に一部突出されるように固定させた次に、これを真空状態の電気炉（図示せず）に投入して７２０℃ないし８２０℃で２０分ないし３時間加熱すると前記金型４０内の前記銀棒１０は表面から内側に所定の深さほど半熔融状態になる。
【００２６】
ここで、前記銀棒１０を７２０℃ないし８２０℃に加熱する理由はそれ以上の温度になれば銀の熔融点が９６０℃であるために前記銀棒１０の形状が維持できない問題点が生じて、それ以下になれば前記銀棒１０の表面が半熔融状態にならない。したがって銀棒１０の加熱温度は７２０℃ないし８２０℃が望ましい。また前記加熱時間は２０分ないし３時間の範囲が望ましいが、前記金型４０及び前記銀棒１０の大きさによってその加熱時間の範囲を外れる場合がある。
【００２７】
このように前記銀棒１０の表面を半熔融状態にした後、純度９９．９％以上の金２０を熔融した金容湯をその銀棒１０が固定された金型４０内に速く瞬間注入して、真空状態または不活性ガス雰囲気状態の電気炉（図示せず）内に別途の加熱なしに放置して置けば、前記電気炉内で金と銀間の相互熱平衡が起きて液状の前記金２０粒子が半熔融状態の前記銀棒１０表面に浸透されて銀１０表面の粒子と融合されながら金と銀の固溶体状態である熔融合金層３０が形成され、これによって前記熔融合金層３０を媒介にして前記金２０と前記銀棒１０が堅固に結合されながら前記金層２０が前記銀棒１０の外周面を沿って一定な厚さを有するように包むようになる。
【００２８】
前記金型４０に金２０の溶湯を注入して放置して置く意味は炉内で徐冷させる意味であって、前記電気炉内部を真空状態または不活性ガス雰囲気状態に維持させる理由は銀はその特性上酸化に弱いためにそれを防止するためである。
【００２９】
前記のようにして前記熔融合金層３０を媒介にして前記金２０と前記銀棒１０が相互一体化されながら冷却が完了されると、これは再び焼きなまし炉（図示せず）に投入して３００℃ないし４５０℃で２時間ないし３時間程度焼きなまして徐冷をするが、その理由は結晶組織の調整または内部応力を除去して銀と金の伸び率を一致させて延性を増やすためである。
【００３０】
前記焼きなまし温度と焼きなまし時間を前記範囲以下にすると前記結晶組織の調整が不十分で、内部応力が除去できなくて銀と金の伸び率が不一致して延性が向上できない問題点が生じた。
【００３１】
以上の工程が完了されると、最終的に前記金型４０から前記最終製造物を引き出して前記金型４０の上部に突出された突出部５０を伸長機（図面図示せず）に噛ませて、直径が０．０１６ｍｍないし０．０７０ｍｍになるように伸長をしてスプール（Ｓｐｏｏｌ）に巻くことによって、半導体用回路線の製造を完了する。
【００３２】
図８は前記のように本発明によって製造された直径３０．２μｍの半導体用回路線の断面を数千倍拡大撮影した写真であって、前記銀棒１０の表面から所定深さで前記金２０が含浸されて融合されたものを示し、その含浸融合厚さが既存の熱圧着等で接合された接合拡散層の厚さよりはるかに大きいことが分かる。
【００３３】
また、図９は前記図８の一部を再びさらに拡大したものであって、前記金２０と前記銀棒１０間の界面に金と銀の固溶体としての前記熔融合金層３０が形成されていることが分かる。
【００３４】
一方、本発明の銀棒１０表面を包む金２０の量は必要によって調整することができるが、その調整範囲は銀１以上〜１０未満：金１以上〜１０未満にして、メモリ容量が大きかったり電気抵抗率を極小に要求される用途の所に用いようとする時には前記金の量が比較的少ないものを用いるようにする。
【００３５】
また、前記のメモリ容量や電気抵抗率の条件を勘案して銀２：金１、銀３：金１、銀４：金１、銀５：金１体積比でなされたもの中いずれか一つを選択して用いれば良くてそして非常に微量の金成分が必要な用途の所に用いようとする時には前記体積比より少量の金を用いたものを選択して用いるようにする。
【００３６】
前記銀と金の体積比による温度管理は下記の計算式によって適用管理される。
【００３７】
計算式
熱量Ｑ＝Ｃ（比熱）×ｍ（質量≒重量）×△ｔ（温度）
参照：（金の比熱Ｃ＝０．０３１２ｃａｌ／ｇｒ、銀の比熱Ｃ＝０．０５５６ｃａｌ／ｇｒ）
（金の比重：１９．３ｇｒ／ｃｍ³、銀の比重：１０．５ｇｒ／ｃｍ³）
共に計算便宜上金の体積を１００ｃｍ³とみる時
金の重量＝１００ｃｍ³×１９．３ｇｒ／ｃｍ³＝１９３０ｇｒ
銀の重量：金１：銀２の場合＝２００ｃｍ³×１０．５ｇｒ／ｃｍ³＝２１００ｇｒ
金１：銀３の場合＝３００ｃｍ³×１０．５ｇｒ／ｃｍ³＝３１５０ｇｒ
金１：銀４の場合＝４００ｃｍ³×１０．５ｇｒ／ｃｍ³＝４２００ｇｒ
金１：銀５の場合＝５００ｃｍ³×１０．５ｇｒ／ｃｍ³＝５２５０ｇｒ
【００３８】
ここで、重量と温度は反比例するが体積の変化がある銀棒１０と金型４０全体を銀棒１０の表面層が半熔融される温度である７２０℃ないし８２０℃範囲で金２０溶湯が金型４０に注入される前に電気炉の中で一定に予熱されるので、前記金２０溶湯が金型４０に入って図７に示したように熱平衡をなしながら銀棒１０と金２０の接触層が含浸される範囲はほとんど同一になるので銀の体積比による特別な温度管理は省略しても良い。
【００３９】
また本発明の銀棒１０は、外部を包む金２０の内部中央に位置しなければならなくて、金２０は銀棒１０の外部を包むように用意してこそ半導体用回路線としての目的を達成できる。
【００４０】
以上のように製造された本発明の半導体用回路線の優秀性を立証するために、本発明によって製造された半導体用回路線の引張荷重（ＢｒｅａｋｉｎｇＬｏｄｅ）及び電気抵抗率に対する試験結果を説明すると次のどおりである。
【００４１】
まず、下記[表１]は大韓民国産業資源部技術標準院に依頼して本発明による半導体回路線の引張荷重を示すものであって、本発明によって製造された直径３０．２μｍ、３３．１μｍ、３７．５μｍ及び４９．５μｍの各試料に対する引張荷重が各々２８、３８、４２及び８０にあらわれた。
【００４２】
【表１】

下記[表２]及び[表３]は本技術分野で現在まで半導体用ゴルドワイヤで世界的に広く用いられているヘラウスオリエンタルゴルドワイヤ（ＨｅｒａｅｕｓＯｒｉｅｎｔａｌＧｏｌｄＷｉｒｅ）の特性及び田中ボンディングワイヤ（ＴａｎａｋａＢｏｎｄｉｎｇＷｉｒｅ）の特性を各々示したものであって、前記[表１]の本発明と比較してほとんど同一直径で引張荷重が相互約２倍以上差が出ることが分かる。
【００４３】
【表２】

【００４４】
【表３】

【００４５】
本発明は前記[表１]、[表２]及び[表３]を相互比較して分かるように、半導体用回路線として最も重要な特性中の一つである引張荷重が既存製品より２倍以上優秀な長所を持っており、既存のゴルドワイヤを利用した半導体チップのパッケージング（ｐａｃｋａｇｉｎｇ）時ワイヤボンディング過程及び／またはモールディング物などの圧力等によるゴルドワイヤの破損率が約２０％程度であることを勘案する時前記のような本発明の引張強度の向上は非常に画期的に収率を向上させることができるようになる。
【００４６】
また、図１０は大韓民国産業資源部技術標準院に依頼して本発明による半導体回路線の電気抵抗率を温度に対して試験した結果を示したグラフであって、本発明の回路線の電気抵抗率が平均１．９２０μΩ・ｃｍで最大１．９３０μΩ・ｃｍを越えないことが分かる。図８の試験時本発明による半導体回路線としての試料は幅が０．３ｍｍであって厚さが２３５．５μｍである試料を用いており極間距離は６８ｍｍ、測定環境としてランプレート（ＲａｍｐＲａｔｅ）は６Ｋ／ｍｉｎであって電流は１ｍＡとした。
【００４７】
これと比較して現在まで製造されて用いられる既存のゴルドワイヤ（ＧｏｌｄＷｉｒｅ）として前記田中ゴルドワイヤの電気抵抗率は知られたように２．３１〜３．０２μΩ・ｃｍであって、その他の各種既存ゴルドワイヤも金の特性上前記田中ゴルドワイヤの電気抵抗率と大同小異であるので、前記本発明の回路線の電気抵抗率が既存の純粹ワイヤよりはるかに優秀なことが分かる。
【００４８】
また、図１１は本発明による半導体回路線の金と銀の熔融合金層の結合範囲と従来技術による金と銀の拡散接合範囲の差を示したグラフ図であって、同図面から分かるように、本発明によって形成された金と銀の界面結合範囲すなわち、熔融合金層の形成厚さＴ１は従来技術による金と銀の界面結合範囲すなわち、拡散接合厚さＴ２に比べて相対的に非常に厚く形成されて金と銀の結合力が既存に比べて相対的に非常に強くなることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の半導体用回路線を製造する工程を示した流れ図
【図２】図２は本発明の銀棒抜粋斜視図
【図３】図３は本発明の金型抜粋斜視図
【図４】図４は本発明の銀棒が金型内に固定された状態の斜視図
【図５】図５は本発明の銀棒が金型内に固定された状態で金溶湯が注入された状態の平面図
【図６】図６は本発明の銀棒が金型内に固定された状態で金溶湯が注入されて含浸された状態の断面構成図
【図７】図７は金と銀の温度平衡状態を示したグラフ
【図８】図８は本発明の半導体用回路線の断面を数千倍拡大撮影した写真
【図９】図９は図８の一部を再び拡大した写真
【図１０】図１０は本発明による半導体回路線の電気抵抗率を温度に対して試験した結果を示したグラフ
【図１１】図１１は本発明による半導体回路線の金と銀の熔融合金層の結合範囲と従来技術による金と銀の拡散接合範囲の差を示したグラフ図である
【符号の説明】
１０銀
２０金
３０熔融結合層
４０金型

Claims

所定長さ及び直径の銀棒を金型内の中心に位置させる第１段階と；
前記銀棒の表面が半熔融状態になるように予熱する第２段階と；
所定量の金溶湯を前記銀棒の表面を包むように前記金型内に注入する第３段階と；
前記金溶湯が前記銀棒の表面から所定深さ含浸されて融合されて金と銀の熔融結合層が形成されるように前記注入された金溶湯を徐々に冷やす第４段階；及び
前記第４段階の結果物を焼きなました後前記金型から抽出して必要な直径に伸長する第５段階からなることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項１において、前記銀棒とその銀棒の表面を包む前記金の量は、体積比で銀１以上〜１０未満対金１以上〜１０未満であることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項２において、前記銀棒とその銀棒の表面を包む前記金の量は、体積比で銀２対金１であることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項２において、前記銀棒とその銀棒の表面を包む前記金の量は、体積比で銀３対金１であることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項２において、前記銀棒とその銀棒の表面を包む前記金の量は、体積比で銀４対金１であることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項２において、前記銀棒とその銀棒の表面を包む前記金の量は、体積比で銀５対金１であることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項１において、前記第２段階の前記予熱条件は、加熱温度は７２０℃ないし８２０℃であって、加熱時間は２０分ないし６時間であり、予熱環境は真空状態または不活性ガス雰囲気状態であることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項１において、前記第５段階の前記焼きなまし条件は、焼きなまし温度は３００℃ないし４５０℃であって、焼きなまし時間は２時間ないし３時間であることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
請求項１において、前記第５段階の前記伸長直径は、０．０１０ｍｍないし０．０７０ｍｍであることを特徴とする半導体用回路線製造方法。
所定直径の銀棒と；
前記銀棒を包んでいる金層；及び
前記銀棒と前記金層の境界面で、前記金層が前記銀棒の外面から所定深さ含浸されて融合形成された固溶体としての熔融合金層を含んで構成されたことを特徴とする半導体用回路線。
請求項１０において、前記銀棒は、片棒、角棒、丸棒、または半丸棒中いずれか一つであることを特徴とする半導体用回路線。
請求項１０または１１において、前記銀棒はその銀棒の外周面を沿って複数個の突起部が形成されたことを特徴とする半導体用回路線。
請求項１０において、前記半導体用回路線の直径は、０．０１０ｍｍないし０．０７０ｍｍであることを特徴とする半導体用回路線。
所定の長さと直径を有する銀棒を金型内に具備させて、その金型に金を熔融させた溶湯を注入して前記金と前記銀棒間の界面が相互融合されて固溶体である熔融合金層で形成されながら冷却されたことを特徴とする半導体用回路線成形方法。
請求項１４において、前記銀棒の表面に前記熔融合金層を媒介にして前記金からなった層が包むように結合されることを特徴とする半導体用回路線成形方法。