JP3676995B2 - バンプボンディング方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ方式の半導体集積回路チップ（以下、ＩＣチップと略称する）を構成するに際して、そのＩＣチップに凸型電極（以下、スタッドバンプまたは単にバンプと称する）を形成するためのバンプボンディング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器においては小型化および軽量化が求められており、それに伴って、電子回路の実装密度を高めることを目的として、半導体ウェハを個片に分割したベアチップタイプのＩＣチップを裏返してセラミック回路基板やガラスエポキシ回路基板などの回路基板上に直接実装するフリップチップ実装工法が多用されている。例えば、現在においてフリップチップ実装工法により生産されているものとしては、ＩＣチップと同寸法にパッケージするＣＳＰ（Chip Size Package ）工法や、複数のＩＣチップを回路基板上に実装するＭＣＭ（Multi Chip M0dule ）工法があり、これらによる生産が増加しつつある。
【０００３】
上記フリップチップ実装工法の一つであるＳＢＢ（Stud Bump Bonding ）工法では、ワイヤボンディング工法を応用して、ＩＣチップの電極パッド部上にバンプを形成し、このバンプと回路基板などの回路形成体上に形成された配線電極とをリード線を介さずに直接接合している。このＳＢＢ工法では、ＩＣ関連のワイヤボンディング技術を応用して、金または金めっきされた金属により形成した金ボールをＩＣチップの電極パッド部に超音波接合することにより、バンプを形成するバンプボンディング技術が知られている。
【０００４】
図５は従来の一般的なバンプボンディング装置の概略構成を示したものである。同図において、Ｘ−Ｙテーブル１上には支持ブラケット２が設置され、この支持ブラケット２には、ボンディングアーム３がこれの中間部が枢支軸３ａを介して揺動自在に支持されている。このボンディングアーム３の一端部には超音波ホーン４および超音波振動子７が装着され、他端近傍箇所には上下駆動手段８が配設され、他端部には超音波ホーン４および超音波振動子７の位置を検出する変位センサ１５が取り付けられている。超音波ホーン４の先端部に取り付けられボンディングツールであるキャピラリ１０にはバンプの形成材料である金線９が挿通されている。この超音波ホーン４の基端部には超音波振動子７が取り付けられている。金線９の先端近傍箇所には放電トーチ１１が配設されている。
【０００５】
さらに、上記バンプボンディング装置には、金線９を保持するクランパ１２、金線９を引き上げるエアテンショナ１３、超音波発振器１４、スパーク発生装置１７および高圧ケーブル１８などを備えている。ＩＣチップ１９は、ヒートステージ２０上に位置決め保持されるとともに、ヒーター２１によって加熱される。このＩＣチップ１９の位置は認識カメラ２２によって画像認識される。
【０００６】
つぎに、上記バンプボンディング装置によるバンプの形成工程について、図６を参照しながら説明する。先ず、ヒートステージ２０に保持されたＩＣチップ１９をヒーター２１により加熱するとともに、認識カメラ２２によりＩＣチップ１９の位置を画像認識して、その認識結果に基づきＸ−Ｙテーブル１の駆動制御することにより、キャピラリ１０が水平方向に移動されて、金線９の先端部をＩＣチップ１９の電極パッド２４の真上位置に位置決めする。その状態でスパーク発生装置１７を作動させて、キャピラリ１０から導出されている金線９の先端部と放電トーチ１１との間にスパークを発生させることにより、図６（ａ）に示すように、金線９の先端部に金ボール２３を形成する。
【０００７】
そののち、キャピラリ１０は、上下駆動手段８の駆動によりボンディングアーム３が作動されることによって下降される。このとき、上下駆動手段８に備えられた当たり検出機能は、キャピラリ１０と共に下動される金ボール２３がＩＣチップ１９の電極パッド２４に当接するのを監視する。そして、金ボール２３は、当たり検出機能が金ボール２３の電極パッド２４への当接を検出した時点で、キャピラリ１０を介し所定の圧力を加えられて電極パッド２４上に押し付けられる。これと同時に、超音波発振器１４が超音波振動子７を駆動させることにより、キャピラリ１０は超音波ホーン４を介して６４〜１１０ｋＨｚの周波数で超音波振動される。これにより、図６（ｂ）に示すように、金ボール２３は電極パッド２４に対し接合されて、金ボール２３によるバンプ２７が形成される。
【０００８】
上記バンプ２７の形成が完了したならば、図６（ｃ）に示すように、キャピラリ１０は所定量だけ上昇され、そののち、クランパ１２は金線９を保持して上昇することにより、バンプ２７と金線９との境界部が断裂され、ＩＣチップ１９の電極パッド２４上には凸状電極としてのバンプ２７が形成される。
【０００９】
上述のバンプ２７の形成に際して、ヒーター２１によって加熱されるヒートステージ２０の加熱温度は、ＩＣチップ１９の電極パッド２４上に形成するバンプ２７のサイズやＩＣチップ１９の種類に応じて適宜変更するように調整される。例えば、図６（ｃ）に示すバンプ２７のバンプ台座部２７ａの径が８０μｍである場合には２６０℃に、５０μｍ程度の場合は３００℃付近の温度に管理される。これは、バンプ台座部２７ａが小さい場合にはバンプ台座部２７ａと電極パッド２４との接合面積も微小化するので、超音波と荷重によるエネルギ−をバンプ台座部２７ａが大きい場合よりも大きくかけることができなくなることから、外部からのエネルギーをより多く必要とするためである。
【００１０】
また、耐熱温度が低いＳＡＷフィルタ（高周波カットフィルタ）やセンサなどの弱耐熱性ＩＣチップ１９では、上述のような温度まで上げることができないこともあり、その場合には加熱可能な温度まで熱供給を行うものとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年においては、ＩＣチップ１９の薄型化やダイスピック工程（半導体ウェハをダイシングしたのちにトレーに詰め変える工程）の削減に伴って、半導体ウェハをダイシングして個片に分割したＩＣチップ１９における電極パッド２４上にバンプ２７を形成するのが困難になってきたため、ダイシング工程前の半導体ウェハ状態での各ＩＣチップ１９の電極パッド２４上にバンプ２７を形成するプロセスに移行されつつあるが、このようなプロセスの移行に際して従来のバンプボンディング工法をそのまま用いる場合には以下のような問題が発生している。
【００１２】
先ず、１つ目の問題は、ＩＣチップ１９の薄型化により、このＩＣチップ１９を個片として取り扱うことが非常に困難になってきたことである。すなわち、薄い個片のＩＣチップ１９はヒートステージ２０上の所定位置に正確に位置決めするのが困難である。また、このＩＣチップ１９を搬送アームによって自動搬送する場合には、ＩＣチップ１９が薄型であることから、このＩＣチップ１９の破損や搬送ミスが発生して、その都度、バンプボンディング装置を停止させなければならず、稼働率の低下を招くことになる。
【００１３】
つぎに、２つ目の問題は、半導体ウェハ状態での各ＩＣチップ１９にバンプ２７を形成するときに、各ＩＣチップ１９への長時間加熱に起因する不具合が生じることである。半導体ウェハ状態の各ＩＣチップ１９にバンプ２７を形成する工法は、半導体ウェハを個片に分割したＩＣチップ１９を取り扱う場合に比較して、ＩＣチップ１９の搬送時のＩＣチップ１９に対する悪影響や搬送ミスなどが無くなるから、搬送や位置決めが困難である数１０μｍの厚さのＩＣチップ１９に対してもバンプボンディングが可能となる利点を有する。その反面、従来のバンプボンディング工法では、ヒーター２１により半導体ウェハの全体を加熱することから、バンプ２７の形成が終了したＩＣチップ１９に対しても加熱が継続されることになるので、金からなるバンプ２７とアルミニウからなる電極パッド２４との間において金属拡散が進行し、バンプ２７と電極パッド２４との接合境界面においてクラックやボイドが発生して、接合不良を起こしてしまう新たな問題が生じている。
【００１４】
そこで、従来では、上述の問題を解決するために、ヒーター２１による加熱を局所的に行う方法が検討されたが、この場合には、ヒーター２１の残留熱によって均一な温度管理が困難であり、温度制御も複雑化してしまう。そのため、従来では、ヒーター２１の加熱温度を金属拡散が進行しない程度まで低下させてバンプボンディングを行っている。ところが、このような工法では、高温状態での接合時の品質と同等の接合品質を得ることができない。
【００１５】
さらに、３つ目の問題は、上述したダイスピック工程を削減することを目的として、半導体ウェハの下面に樹脂製のシートが接着されるが、この場合、ヒーター２１の加熱温度はシートの耐熱温度以下に設定する必要があるため、更なる熱エネルギーの低下を招くことである。このような熱エネルギーの低下は、バンプ２７の形成後の金線９の破断に失敗することが多くなるという新たな問題を招来している。
【００１６】
この問題の発生について詳述すると、上述したスパークによる金ボール２３の形成時には金ボール２３となった領域と金線９の領域との境界において再結晶領域が形成される。この再結晶領域は、外観上において、金線９と何ら変わらないが、再結晶効果により、通常の金線９よりも脆くなっている。そのため、クランパ１２による金線９の引きちぎり工程では、上記再結晶領域で金線９が破断される。このとき、再結晶領域の破断強度は温度に依存し、高温であればある程、破断強度が低下する。したがって、上述のように熱エネルギーが低下した場合には、ボンディング中のバンプ２７と金線９に伝わる温度も低下するため、金線９の引きちぎり工程において、再結晶領域以外の箇所で金線９が破断されることがある。このような状態が生じた場合には、これを検出したバンプボンディング装置がエラーであると判別して作動停止してしまう。
【００１７】
一方、上述のような接合強度の低下および金線９の破断失敗による装置のエラー停止に対する対策としては、半導体ウェハに対しこれの上面から加熱する方法も検討されている。ところが、このときの加熱源として熱風などの流体を使用する場合には、熱伝達効率が低い上に、温度の均一化が難しい。さらに、上記加熱源となる流体は、バンプボンディング時や金ボール２３を形成するためのスパーク発生時における外乱となってしまい、適切な加熱方法とはならない。
【００１８】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、半導体ウェハの微小部位に対し局所的に加熱できるようにして、形成済みのバンプと電極パッド間での金属拡散の進行を効果的に抑制でき、バンプ形成後の金線の引きちぎり工程において失敗の発生を確実に防止することのできるバンプボンディング方法および装置を提供することを目的とするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のバンプボンディング方法は、バンプ形成材料におけるボンディングツールから導出された先端部にバンプとなるボンディングボールを形成する工程と、熱源を有しないボンディングステージ上に固定された半導体ウェハの電極部をレーザ光の照射によって加熱する工程と、加熱したのちの前記電極部に前記ボンディングボールを押し付けながら超音波振動を付与することにより、前記ボンディングボールを前記電極部に金属接合させてバンプを形成する工程とを有していることを特徴としている。
【００２０】
このバンプボンディング方法では、バンプボンディングすべき電極部に対しバンプボンディングに先立ってレーザ光を照射することにより、電極部を構成する金属に対して熱的アブレーションをもたらすため、高エネルギーのレーザ光を短時間で出力するように制御すれば、レーザ光の照射部分、つまりバンプボンディングすべき電極部とその極近傍周辺のみにおける表層面のみを加熱することができる。したがって、半導体ウェハにおけるバンプが形成済みの電極部とバンプ間では、従来方法のように余剰加熱による金属拡散の進行といった不具合が生じることがなく、金属拡散に起因する電極部とバンプとの接合界面におけるクラックやボイドの発生による接合不良も生じない。
【００２１】
上記発明において、ダイシング工程が終了した半導体ウェハを、これの下面にシートを貼り付けた状態でボンディングステージ上に固定し、前記半導体ウェハの電極部に対しレーザ光を上方から照射することができる。
【００２２】
これにより、下面に耐熱性の低いシートが貼着された半導体ウェハの電極部にバンプボンディングするに際して、電極部に対し下面から加熱できないので、電極部を上方からのレーザ光の照射により十分に加熱することができるから、電極部に対し所要の接合エネルギーを付与して高い接合強度を有する接合品質の優れたバンプを形成することができる。
【００２３】
また、上記発明における電極部に対するレーザ光の照射は、ボンディングボールの形成時または形成後からボンディングツールが半導体ウェハに向け移動して前記ボンディングボールが前記電極部に当接するまでの間に行うことが好ましい。これにより、電極部へのレーザ光の照射工程は、電極部にボンディングボールが押し付けられるまでの待ち時間を利用して実施できるので、ワイヤボンディングのタクトは従来方法に比較して長くならず、生産性の低下を招かない。
【００２４】
さらに、上記発明において、バンプを形成したのちにバンプ形成材料を上昇させて引きちぎる際に、形成済みのバンプと前記バンプ形成材料との境界部分にレーザ光を照射して加熱することができる。
【００２５】
これにより、バンプとバンプ形成材料との境界に形成される再結晶領域がレーザ光の照射により加熱されて温度上昇するので、その温度上昇した再結晶領域を確実に破断することができ、再結晶領域以外の箇所での破断によるエラー検出によって装置の稼働が停止されるのを確実に防止できる。
【００２６】
本発明のバンプボンディング装置は、半導体ウェハを位置決め状態で保持可能であって、加熱手段を内蔵していないボンディングステージと、ボンディングツールから導出したバンプ形成材料の先端部との間にスパークを発生させてボンディングボールを形成する放電トーチと、前記ボンディングツールが前記半導体ウェハに対し接離方向に移動可能に設けられているとともに、前記ボンディングボールを前記半導体ウェハの電極部に所定の加圧力で押し付けながら前記ボンディングツールに超音波振動を付与するボンディングヘッドと、前記電極部に対しレーザ射出部からレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えていることを特徴としている。
【００２７】
このバンプボンディング装置では、加熱手段を内蔵していないボンディングステージと、電極部に対しレーザ射出部からレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えているので、本発明のバンプボンディング方法を忠実に具現化して、その方法と同様の効果を確実に得ることができる。
【００２８】
上記発明におけるレーザ射出部は、ボンディングツールに対し放電トーチとは反対側に配置されて、電極部に向けて斜め上方からレーザ光を出射できる位置決め状態に固定されていることが好ましい。
【００２９】
この構成によれば、レーザ光は斜光になるが、レーザ光の集光密度を高めるとともにレーザ光の種類を限定することにより、レーザ光の高い出力強度を確保できる。これにより、レーザ射出部は最初に位置決め調整した位置に固定できるので、例えば、電極部に対し真上位置からレーザ光を照射するためにバンプボンディング毎にレーザ射出部を移動制御する場合のように、バンプボンディングのタクトが長くなって生産性が低下するといったことがなくなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明のバンプボンディング方法の一実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図である。同図において、半導体ウェハ２８上に形成されている多数のＩＣチップ１９は、チップ本体部２９の表面の所定箇所にそれぞれ形成された電極パッド２４と、回路形成部およびシリコン層３０と、チップ本体部２９の表面における電極パッド２４と回路形成部およびシリコン層３０を除く箇所を被覆するコーティング膜３１とを有している。
【００３１】
上記半導体ウェハ２８は、バンプボンディングに際して、吸着ステージ３３上に吸着保持されるが、この吸着ステージ３３は、従来装置におけるヒートステージ２０とは異なり、ヒーターなどの熱源を備えていない。図１（ａ）は、所定の電極パッド２４へのバンプ２７の形成が終了したのちに、半導体ウェハ２８から離間して上昇したキャピラリ１０から導出されている金線９の先端部が放電トーチ１１によるスパーク放電により溶融して金ボール２３が形成された状態を示す。
【００３２】
つぎに、図５に示したと同様のＸ−Ｙテーブルによって後述するボンディングヘッドが移動されることにより、先端に金ボール２３が形成された金線９を保持するキャピラリ１０は、同図（ｂ）に示すように、つぎにバンプ２７を形成すべき電極パッド２４の真上に位置決め停止される。この位置決め状態において、同図（ｃ）に示すように、つぎにバンプ２７を形成すべき電極パッド２４には、バンプボンディングに先立って、レーザ射出部３２からレーザ光Ｌを照射されることによって加熱される。このレーザ光Ｌは、（ｃ）に明示するように、所要の電極パッド２４のみを照射できるようにレーザ射出部３２から射出される。これにより、電極パッド２４に隣接するコーティング膜３１が耐熱性の無いもの、あるいは電極パッド２４の隣接箇所にコーティング膜３１が存在しない場合であっても、何ら支障が生じない。
【００３３】
レーザ光Ｌの照射によって電極パッド２４が所定の温度まで十分に加熱されると、続いて、同図（ｄ）に示すように、ボンディングヘッドの作動によってキャピラリ１０が下降されることにより、金ボール２３が電極パッド２４に当接されたのちに所定の圧力で押し付けられるとともに、キャピラリ１０に超音波振動が付与される。これにより、金ボール２３は、押し潰されて塑性変形しながら超音波振動エネルギを受けることにより温度上昇して、電極パッド２４の素材であるアルミニウムと融合し、金とアルミニウムの合金からなるバンプ台座部２７ａとなって電極パッド２４上に強固に固着される。
【００３４】
上記バンプ台座部２７ａと電極パッド２４との金属接合が終了したならば、最後に、同図（ｅ）に示すように、レーザ射出部３２から再びレーザ光Ｌが射出されて、形成後のバンプ台座部２７ａと金線９との境界部分がレーザ光Ｌの照射により加熱された状態で金線９がクランパによって引きちぎられ、バンプ台座部２７ａ上にバンプ頭頂部２７ｂを有するスタッドバンプ２７が形成される。
【００３５】
上記バンプボンディング方法では、バンプボンディングすべき電極パッド２４に対しバンプボンディングに先立ってレーザ光Ｌを照射することにより、電極パッド２４を構成する金属（一般にアルミニウム）に対して熱的アブレーションをもたらすため、レーザ射出部３２から高エネルギーのレーザ光Ｌを短時間で出力するように制御すれば、レーザ光Ｌの照射部分、つまりバンプボンディングすべき電極パッド２４とその極近傍周辺のみにおける表層面のみを加熱することができる。したがって、半導体ウェハ２８におけるバンプ２７が形成済みの電極パッド２４とバンプ２７間では、従来方法のように余剰加熱による金属拡散の進行といった不具合が生じることがなく、金属拡散に起因する電極パッド２４とバンプ２７との接合界面におけるクラックやボイドの発生による接合不良も生じることがない。
【００３６】
また、レーザ光Ｌの照射は、上述のように短時間行えば足りるから、キャピラリ１０の下降の開始時から金ボール２３が電極パッド２４に押し付けられるまでの間の時間に行うことができる。それにより、電極パッド２４へのレーザ光Ｌの照射工程は、電極パッド２４に金ボール２３が押し付けられるまでの待ち時間の間を利用して実施できるので、ワイヤボンディングのタクトは従来方法に比較して長くならず、生産性の低下を招かない。
【００３７】
また、上記バンプボンディング方法では、形成済みのバンプ台座部２７ａにレーザ光Ｌを照射しながらクランプによる金線９の引きちぎり工程を実施するので、バンプ２７と金線９との境界に形成される再結晶領域がレーザ光Ｌの照射により加熱されて温度上昇するので、その温度上昇した再結晶領域を確実に破断することができ、再結晶領域以外の箇所での破断によるエラー検出によって装置の稼働が停止されるのを確実に防止できる。
【００３８】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明のバンプボンディング方法の他の実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図である。この実施の形態では、ダイスピック工程の削減を目的として、半導体ウェハ２８をこれの下面に樹脂製のシート３７を接着した状態で吸着ステージ３３に吸着保持させる手段を用いる点においてのみ上述の一実施の形態と相違するだけであり、バンプ２７を形成する工程は一実施の形態のバンプボンディング方法の工程を示す図１と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００３９】
下面にシート３７を接着した半導体ウェハ２８に対しても一実施の形態と同様にバンプボンディング前の電極パッド２４にレーザ光Ｌを上方から照射できるとともに、金線９の引きちぎり工程において形成済みのバンプ台座部２７ａにレーザ光Ｌを照射することができる。これは、レーザ光Ｌの照射によって電極パッド２４の表層面のみを加熱するだけであって、耐熱性の低いシート３７に対しレーザ光Ｌの照射による熱伝導が殆ど生じないからである。また、半導体ウェハ２８は、熱源を備えていない吸着ステージ３３上に吸着固定されるので、半導体ウェハ２８の下面に貼着されたシート３７が下方から加熱されることもない。したがって、この実施の形態では、下面に耐熱性の低いシート３７が接着された半導体ウェハ２８のＩＣチップ１９にバンプボンディングするに際して、ＩＣチップ１９の電極パッド２４に対し下面から加熱できないが、電極パッド２４に対して上方からのレーザ光Ｌの照射により十分に加熱することができるから、一実施の形態と同様に電極パッド２４に対し所要の接合エネルギーを付与して高い接合強度を有する接合品質の優れたバンプを形成することができる。
【００４０】
なお、レーザ光Ｌの射出強度が強過ぎる場合には、レーザ光Ｌが照射される電極パッド２４からＩＣチップ１９全体に熱が広がりながら蓄熱されていき、レーザ光Ｌを繰り返し照射した場合に、電極パッド２４の周辺箇所にも或る程度の温度上昇が生じるおそれがある。そのため、この実施の形態のように樹脂製のシート３７を半導体ウェハ２８の下面に接着した場合や弱耐熱性のＩＣチップ１９にバンプボンディングする場合には、レーザ光Ｌの出力強度を調整する必要がある。
【００４１】
図３は、本発明のバンプボンディング方法を具現化できるバンプボンディング装置の概略構成を示す正面図である。同図において、図５と同一若しくは同等のものには同一の符号を付して、重複する説明を省略する。このバンプボンディング装置が図５の装置と相違する点は、図５のヒートステージ２０に代えて、ヒータ２１のような熱源を備えない吸着ステージ３３を設け、さらに、レーザ発振器３４とレーザ射出部３２を設けた構成のみである。したがって、上記バンプボンディング装置によるバンプボンディング工程は、基本的な動作が図５と同様であり、吸着ステージ３３、レーザ発振器３４およびレーザ射出部３２を備えていることにより、図１および図２に示したバンプボンディング方法を忠実に具現化できる。
【００４２】
上記レーザ射出部３２は、所定の位置決め状態でボンディングヘッド３８のケースにホルダ３９で固定されている。すなわち、レーザ射出部３２は、キャピラリ１０に対し放電トーチ１１とは反対側に配置され、且つ半導体ウェハ２８におけるキャピラリ１０の真下位置に向け光軸を合わせてレーザ光Ｌを斜め方向から半導体ウェハ２８に照射できるよう位置決めされている。このとき、レーザ光Ｌは斜光になるが、レーザＬの集光密度を高めるとともにレーザ光Ｌの種類を限定することにより、レーザＬの高い出力強度を確保できる。このレーザ射出部３２は、最初に位置決め調整した位置に固定されると、その後において駆動されない。これは、レーザ光Ｌの光軸部に駆動部を持たせると、連続運転中に軸ぶれを起こす可能性があるからである。
【００４３】
また、レーザ射出部３２は、キャピラリ１０の側方からキャピラリ１０の真下位置の半導体ウェハ２８上に向けレーザ光Ｌを斜め方向から照射するよう位置決めされていることにより、最初の位置決め調整した位置に固定できる。仮に、レーザ射出部３２を半導体ウェハ２８に対し垂直方向からレーザ光Ｌを照射する配置とした場合には、或る電極バッド２４にバンプボンディングを行うに際して、キャピラリ１０を上方位置に退避させ、レーザ射出部３２を移動させて電極パッド２４の真上位置に位置決めした状態で電極パッド２４に対しレーザ光Ｌを照射したのちに、このレーザ射出部３２を電極パッド２４の真上位置から側方に退避させて、キャピラリ１０を下降させる手順で作動させることになる。そのため、レーザ光Ｌの照射は、上述したようなキャピラリ１０の下降の開始時から金ボール２３が電極パッド２４に押し付けられるまでの間に実施するといったことが実施できず、バンプボンディングのタクトが長くなって生産性が低下することになる。
【００４４】
つぎに、本発明者らが行った実施例について説明する。先ず、ダイシング済みの半導体ウェハ２８状態にあるＩＣチップ１９群の下面にシート３７を貼り付け、この半導体ウェハ２８状態のＩＣチップ１９群を吸着ステージ３３上に吸着固定し、電極パッド２４にレーザ光Ｌを一定時間照射したのち、バンプボンディングを行った。このとき、レーザ光Ｌ以外の熱源は使用していない。レーザ源としては半導体レーザを使用した。シート３７はエキスパンドシートを使用した。このシート３７の耐熱温度は８０°Ｃである。レーザ光Ｌの出力は、電圧が１．７Ｖで電流可変タイプのドロッパー電源を使用して、電流値を可変しながら調整した。このとき、レーザ光Ｌの出力を可変しながら、半導体ウェハ２８とシート３７に対するレーザ光Ｌの出力強度と温度との関係を予め測定した。測定の結果、半導体ウェハ２８の蓄熱温度が８０°Ｃを超える電流レベルを確定し、その電流レベル以下での実施を試みた。
【００４５】
バンプボンディングは、レーザ光Ｌの出力レベルを０Ａ（つまりレーザ光Ｌを照射しない）、２０Ａおよび２５Ａの３段階に分けて実施した。これにより形成したバンプ２７のサイズは、バンプ台座部２７ａの幅が８０μｍで、その高さが２０μｍである。図４は、そのときのバンプボンディングによって形成されたバンプ２７のシェア強度を測定したものである。シェア強度は、形成されたバンプ２７を電極パッド２４に対し垂直方向にピックで引っ張って、バンプ２７を電極パッド２４との接合界面から剪断破壊するのに必要な荷重の指数を示すものであって、バンプ２７の品質評価の代表的な一つである。すなわち、シェア強度の高さはバンプ２７と電極パッド２４との接合力の強さを示し、シェア強度が高い程、バンプ２７の接合品質が高いことになる。
【００４６】
図４において、Ａはレーザ光Ｌを照射しなかった場合、Ｂは電流値を２０Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合、Ｃは電流値を２５Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合のそれぞれのシェア強度の測定結果を示す。同図から明らかなように、レーザ光Ｌの出力強度が高くなるのに伴ってシェア強度も高くなることが判る。例えば、電流値を２５Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合には、レーザ光Ｌを照射しない場合と比較して、平均して約１６０％ものシェア強度の増大が見られた。なお、レーザ光Ｌを照射しないことは、常温状態でのバンプボンディングの実施にほかならず、このときには１１０ｋＨｚの超音波振動をキャピラリ１０に付与したにも拘わらず、バンプ２７の接合に時折失敗した。
【００４７】
また、図４のシェア強度の測定結果では、レーザ光Ｌを照射した場合、各バンプ２７間においてシェア強度に比較的大きなばらつきが生じている。これは、レーザ光Ｌの射出をマニュアル操作で行ったために、バンプボンディングまでの時間に多少のばらつきがあったためと考えられる。
【００４８】
つぎに、金線９の引きちぎり工程においてレーザ光Ｌを照射したときの破断状況について説明する。レーザ光Ｌを照射しない場合にはバンプ２７の形成数が数１０毎に金線９の破断エラーによる装置の停止が発生した。しかし、電流値を２０Ａまたは２５Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合には、バンプ２７の連続生産中に金線９の破断エラーが全く発生しなかった。この結果、レーザ光Ｌの照射により、形成後のバンプ２７からこれと金線９との境界に伝わった熱が再結晶領域の破断強度を効果的に低下させることが実証できた。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明のバンプボンディグ方法によれば、バンプボンディングすべき電極部に対しバンプボンディングに先立ってレーザ光を照射するようにしたので、電極部を構成する金属に対して熱的アブレーションをもたらすことができ、また、レーザ光を高エネルギーで短時間出力するように制御することが容易であるから、そのように制御すれば、レーザ光の照射部分、つまりバンプボンディングすべき電極部とその極近傍周辺のみにおける表層面のみを加熱することができる。したがって、半導体ウェハにおけるバンプが形成済みの電極部とバンプ間では、従来方法のように余剰加熱による金属拡散の進行といった不具合が生じることがなく、金属拡散に起因する電極部とバンプとの接合界面におけるクラックやボイドの発生による接合不良も生じない。
【００５０】
また、本発明のバンプボンディング装置によれば、加熱手段を内蔵していないボンディングステージと、電極部に対しレーザ射出部からレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えているので、本発明のバンプボンディング方法を忠実に具現化して、その方法と同様の効果を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明のバンプボンディング方法の一実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明のバンプボンディング方法の他の実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図。
【図３】本発明のバンプボンディング装置の概略構成を示す正面図。
【図４】同上の実施の形態で形成したバンプのシェア強度とステージ温度との関係を示す特性図。
【図５】従来のバンプボンディング装置の概略構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は同上のバンプボンディング装置によるバンプ形成過程を順に示した縦断面図。
【符号の説明】
９ 金線（バンプ形成材料）
１０ キャピラリ（ボンディングツール）
１１ 放電トーチ
１９ ＩＣチップ
２３ 金ボール（ボンディングボール）
２４ 電極パッド（電極部）
２７ バンプ
２８ 半導体ウェハ
３２ レーザ射出部
３３ 吸着ステージ（ボンディングステージ）
３４ レーザ発振器
３７ シート
３８ ボンディングヘッド
Ｌ レーザ光
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ方式の半導体集積回路チップ（以下、ＩＣチップと略称する）を構成するに際して、そのＩＣチップに凸型電極（以下、スタッドバンプまたは単にバンプと称する）を形成するためのバンプボンディング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器においては小型化および軽量化が求められており、それに伴って、電子回路の実装密度を高めることを目的として、半導体ウェハを個片に分割したベアチップタイプのＩＣチップを裏返してセラミック回路基板やガラスエポキシ回路基板などの回路基板上に直接実装するフリップチップ実装工法が多用されている。例えば、現在においてフリップチップ実装工法により生産されているものとしては、ＩＣチップと同寸法にパッケージするＣＳＰ（Chip Size Package ）工法や、複数のＩＣチップを回路基板上に実装するＭＣＭ（Multi Chip M0dule ）工法があり、これらによる生産が増加しつつある。
【０００３】
上記フリップチップ実装工法の一つであるＳＢＢ（Stud Bump Bonding ）工法では、ワイヤボンディング工法を応用して、ＩＣチップの電極パッド部上にバンプを形成し、このバンプと回路基板などの回路形成体上に形成された配線電極とをリード線を介さずに直接接合している。このＳＢＢ工法では、ＩＣ関連のワイヤボンディング技術を応用して、金または金めっきされた金属により形成した金ボールをＩＣチップの電極パッド部に超音波接合することにより、バンプを形成するバンプボンディング技術が知られている。
【０００４】
図５は従来の一般的なバンプボンディング装置の概略構成を示したものである。同図において、Ｘ−Ｙテーブル１上には支持ブラケット２が設置され、この支持ブラケット２には、ボンディングアーム３がこれの中間部が枢支軸３ａを介して揺動自在に支持されている。このボンディングアーム３の一端部には超音波ホーン４および超音波振動子７が装着され、他端近傍箇所には上下駆動手段８が配設され、他端部には超音波ホーン４および超音波振動子７の位置を検出する変位センサ１５が取り付けられている。超音波ホーン４の先端部に取り付けられボンディングツールであるキャピラリ１０にはバンプの形成材料である金線９が挿通されている。この超音波ホーン４の基端部には超音波振動子７が取り付けられている。金線９の先端近傍箇所には放電トーチ１１が配設されている。
【０００５】
さらに、上記バンプボンディング装置には、金線９を保持するクランパ１２、金線９を引き上げるエアテンショナ１３、超音波発振器１４、スパーク発生装置１７および高圧ケーブル１８などを備えている。ＩＣチップ１９は、ヒートステージ２０上に位置決め保持されるとともに、ヒーター２１によって加熱される。このＩＣチップ１９の位置は認識カメラ２２によって画像認識される。
【０００６】
つぎに、上記バンプボンディング装置によるバンプの形成工程について、図６を参照しながら説明する。先ず、ヒートステージ２０に保持されたＩＣチップ１９をヒーター２１により加熱するとともに、認識カメラ２２によりＩＣチップ１９の位置を画像認識して、その認識結果に基づきＸ−Ｙテーブル１の駆動制御することにより、キャピラリ１０が水平方向に移動されて、金線９の先端部をＩＣチップ１９の電極パッド２４の真上位置に位置決めする。その状態でスパーク発生装置１７を作動させて、キャピラリ１０から導出されている金線９の先端部と放電トーチ１１との間にスパークを発生させることにより、図６（ａ）に示すように、金線９の先端部に金ボール２３を形成する。
【０００７】
そののち、キャピラリ１０は、上下駆動手段８の駆動によりボンディングアーム３が作動されることによって下降される。このとき、上下駆動手段８に備えられた当たり検出機能は、キャピラリ１０と共に下動される金ボール２３がＩＣチップ１９の電極パッド２４に当接するのを監視する。そして、金ボール２３は、当たり検出機能が金ボール２３の電極パッド２４への当接を検出した時点で、キャピラリ１０を介し所定の圧力を加えられて電極パッド２４上に押し付けられる。これと同時に、超音波発振器１４が超音波振動子７を駆動させることにより、キャピラリ１０は超音波ホーン４を介して６４〜１１０ｋＨｚの周波数で超音波振動される。これにより、図６（ｂ）に示すように、金ボール２３は電極パッド２４に対し接合されて、金ボール２３によるバンプ２７が形成される。
【０００８】
上記バンプ２７の形成が完了したならば、図６（ｃ）に示すように、キャピラリ１０は所定量だけ上昇され、そののち、クランパ１２は金線９を保持して上昇することにより、バンプ２７と金線９との境界部が断裂され、ＩＣチップ１９の電極パッド２４上には凸状電極としてのバンプ２７が形成される。
【０００９】
上述のバンプ２７の形成に際して、ヒーター２１によって加熱されるヒートステージ２０の加熱温度は、ＩＣチップ１９の電極パッド２４上に形成するバンプ２７のサイズやＩＣチップ１９の種類に応じて適宜変更するように調整される。例えば、図６（ｃ）に示すバンプ２７のバンプ台座部２７ａの径が８０μｍである場合には２６０℃に、５０μｍ程度の場合は３００℃付近の温度に管理される。これは、バンプ台座部２７ａが小さい場合にはバンプ台座部２７ａと電極パッド２４との接合面積も微小化するので、超音波と荷重によるエネルギ−をバンプ台座部２７ａが大きい場合よりも大きくかけることができなくなることから、外部からのエネルギーをより多く必要とするためである。
【００１０】
また、耐熱温度が低いＳＡＷフィルタ（高周波カットフィルタ）やセンサなどの弱耐熱性ＩＣチップ１９では、上述のような温度まで上げることができないこともあり、その場合には加熱可能な温度まで熱供給を行うものとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年においては、ＩＣチップ１９の薄型化やダイスピック工程（半導体ウェハをダイシングしたのちにトレーに詰め変える工程）の削減に伴って、半導体ウェハをダイシングして個片に分割したＩＣチップ１９における電極パッド２４上にバンプ２７を形成するのが困難になってきたため、ダイシング工程前の半導体ウェハ状態での各ＩＣチップ１９の電極パッド２４上にバンプ２７を形成するプロセスに移行されつつあるが、このようなプロセスの移行に際して従来のバンプボンディング工法をそのまま用いる場合には以下のような問題が発生している。
【００１２】
先ず、１つ目の問題は、ＩＣチップ１９の薄型化により、このＩＣチップ１９を個片として取り扱うことが非常に困難になってきたことである。すなわち、薄い個片のＩＣチップ１９はヒートステージ２０上の所定位置に正確に位置決めするのが困難である。また、このＩＣチップ１９を搬送アームによって自動搬送する場合には、ＩＣチップ１９が薄型であることから、このＩＣチップ１９の破損や搬送ミスが発生して、その都度、バンプボンディング装置を停止させなければならず、稼働率の低下を招くことになる。
【００１３】
つぎに、２つ目の問題は、半導体ウェハ状態での各ＩＣチップ１９にバンプ２７を形成するときに、各ＩＣチップ１９への長時間加熱に起因する不具合が生じることである。半導体ウェハ状態の各ＩＣチップ１９にバンプ２７を形成する工法は、半導体ウェハを個片に分割したＩＣチップ１９を取り扱う場合に比較して、ＩＣチップ１９の搬送時のＩＣチップ１９に対する悪影響や搬送ミスなどが無くなるから、搬送や位置決めが困難である数１０μｍの厚さのＩＣチップ１９に対してもバンプボンディングが可能となる利点を有する。その反面、従来のバンプボンディング工法では、ヒーター２１により半導体ウェハの全体を加熱することから、バンプ２７の形成が終了したＩＣチップ１９に対しても加熱が継続されることになるので、金からなるバンプ２７とアルミニウからなる電極パッド２４との間において金属拡散が進行し、バンプ２７と電極パッド２４との接合境界面においてクラックやボイドが発生して、接合不良を起こしてしまう新たな問題が生じている。
【００１４】
そこで、従来では、上述の問題を解決するために、ヒーター２１による加熱を局所的に行う方法が検討されたが、この場合には、ヒーター２１の残留熱によって均一な温度管理が困難であり、温度制御も複雑化してしまう。そのため、従来では、ヒーター２１の加熱温度を金属拡散が進行しない程度まで低下させてバンプボンディングを行っている。ところが、このような工法では、高温状態での接合時の品質と同等の接合品質を得ることができない。
【００１５】
さらに、３つ目の問題は、上述したダイスピック工程を削減することを目的として、半導体ウェハの下面に樹脂製のシートが接着されるが、この場合、ヒーター２１の加熱温度はシートの耐熱温度以下に設定する必要があるため、更なる熱エネルギーの低下を招くことである。このような熱エネルギーの低下は、バンプ２７の形成後の金線９の破断に失敗することが多くなるという新たな問題を招来している。
【００１６】
この問題の発生について詳述すると、上述したスパークによる金ボール２３の形成時には金ボール２３となった領域と金線９の領域との境界において再結晶領域が形成される。この再結晶領域は、外観上において、金線９と何ら変わらないが、再結晶効果により、通常の金線９よりも脆くなっている。そのため、クランパ１２による金線９の引きちぎり工程では、上記再結晶領域で金線９が破断される。このとき、再結晶領域の破断強度は温度に依存し、高温であればある程、破断強度が低下する。したがって、上述のように熱エネルギーが低下した場合には、ボンディング中のバンプ２７と金線９に伝わる温度も低下するため、金線９の引きちぎり工程において、再結晶領域以外の箇所で金線９が破断されることがある。このような状態が生じた場合には、これを検出したバンプボンディング装置がエラーであると判別して作動停止してしまう。
【００１７】
一方、上述のような接合強度の低下および金線９の破断失敗による装置のエラー停止に対する対策としては、半導体ウェハに対しこれの上面から加熱する方法も検討されている。ところが、このときの加熱源として熱風などの流体を使用する場合には、熱伝達効率が低い上に、温度の均一化が難しい。さらに、上記加熱源となる流体は、バンプボンディング時や金ボール２３を形成するためのスパーク発生時における外乱となってしまい、適切な加熱方法とはならない。
【００１８】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、半導体ウェハの微小部位に対し局所的に加熱できるようにして、形成済みのバンプと電極パッド間での金属拡散の進行を効果的に抑制でき、バンプ形成後の金線の引きちぎり工程において失敗の発生を確実に防止することのできるバンプボンディング方法および装置を提供することを目的とするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のバンプボンディング方法は、バンプ形成材料におけるボンディングツールから導出された先端部にバンプとなるボンディングボールを形成する工程と、熱源を有しないボンディングステージ上に固定された半導体ウェハの電極部をレーザ光の照射によって加熱する工程と、加熱したのちの前記電極部に前記ボンディングボールを押し付けながら超音波振動を付与することにより、前記ボンディングボールを前記電極部に金属接合させてバンプを形成する工程とを有していることを特徴としている。
【００２０】
このバンプボンディング方法では、バンプボンディングすべき電極部に対しバンプボンディングに先立ってレーザ光を照射することにより、電極部を構成する金属に対して熱的アブレーションをもたらすため、高エネルギーのレーザ光を短時間で出力するように制御すれば、レーザ光の照射部分、つまりバンプボンディングすべき電極部とその極近傍周辺のみにおける表層面のみを加熱することができる。したがって、半導体ウェハにおけるバンプが形成済みの電極部とバンプ間では、従来方法のように余剰加熱による金属拡散の進行といった不具合が生じることがなく、金属拡散に起因する電極部とバンプとの接合界面におけるクラックやボイドの発生による接合不良も生じない。
【００２１】
上記発明において、ダイシング工程が終了した半導体ウェハを、これの下面にシートを貼り付けた状態でボンディングステージ上に固定し、前記半導体ウェハの電極部に対しレーザ光を上方から照射することができる。
【００２２】
これにより、下面に耐熱性の低いシートが貼着された半導体ウェハの電極部にバンプボンディングするに際して、電極部に対し下面から加熱できないので、電極部を上方からのレーザ光の照射により十分に加熱することができるから、電極部に対し所要の接合エネルギーを付与して高い接合強度を有する接合品質の優れたバンプを形成することができる。
【００２３】
また、上記発明における電極部に対するレーザ光の照射は、ボンディングボールの形成時または形成後からボンディングツールが半導体ウェハに向け移動して前記ボンディングボールが前記電極部に当接するまでの間に行うことが好ましい。これにより、電極部へのレーザ光の照射工程は、電極部にボンディングボールが押し付けられるまでの待ち時間を利用して実施できるので、ワイヤボンディングのタクトは従来方法に比較して長くならず、生産性の低下を招かない。
【００２４】
さらに、上記発明において、バンプを形成したのちにバンプ形成材料を上昇させて引きちぎる際に、形成済みのバンプと前記バンプ形成材料との境界部分にレーザ光を照射して加熱することができる。
【００２５】
これにより、バンプとバンプ形成材料との境界に形成される再結晶領域がレーザ光の照射により加熱されて温度上昇するので、その温度上昇した再結晶領域を確実に破断することができ、再結晶領域以外の箇所での破断によるエラー検出によって装置の稼働が停止されるのを確実に防止できる。
【００２６】
本発明のバンプボンディング装置は、半導体ウェハを位置決め状態で保持可能であって、加熱手段を内蔵していないボンディングステージと、ボンディングツールから導出したバンプ形成材料の先端部との間にスパークを発生させてボンディングボールを形成する放電トーチと、前記ボンディングツールが前記半導体ウェハに対し接離方向に移動可能に設けられているとともに、前記ボンディングボールを前記半導体ウェハの電極部に所定の加圧力で押し付けながら前記ボンディングツールに超音波振動を付与するボンディングヘッドと、前記電極部に対しレーザ射出部からレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えていることを特徴としている。
【００２７】
このバンプボンディング装置では、加熱手段を内蔵していないボンディングステージと、電極部に対しレーザ射出部からレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えているので、本発明のバンプボンディング方法を忠実に具現化して、その方法と同様の効果を確実に得ることができる。
【００２８】
上記発明におけるレーザ射出部は、ボンディングツールに対し放電トーチとは反対側に配置されて、電極部に向けて斜め上方からレーザ光を出射できる位置決め状態に固定されていることが好ましい。
【００２９】
この構成によれば、レーザ光は斜光になるが、レーザ光の集光密度を高めるとともにレーザ光の種類を限定することにより、レーザ光の高い出力強度を確保できる。これにより、レーザ射出部は最初に位置決め調整した位置に固定できるので、例えば、電極部に対し真上位置からレーザ光を照射するためにバンプボンディング毎にレーザ射出部を移動制御する場合のように、バンプボンディングのタクトが長くなって生産性が低下するといったことがなくなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明のバンプボンディング方法の一実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図である。同図において、半導体ウェハ２８上に形成されている多数のＩＣチップ１９は、チップ本体部２９の表面の所定箇所にそれぞれ形成された電極パッド２４と、回路形成部およびシリコン層３０と、チップ本体部２９の表面における電極パッド２４と回路形成部およびシリコン層３０を除く箇所を被覆するコーティング膜３１とを有している。
【００３１】
上記半導体ウェハ２８は、バンプボンディングに際して、吸着ステージ３３上に吸着保持されるが、この吸着ステージ３３は、従来装置におけるヒートステージ２０とは異なり、ヒーターなどの熱源を備えていない。図１（ａ）は、所定の電極パッド２４へのバンプ２７の形成が終了したのちに、半導体ウェハ２８から離間して上昇したキャピラリ１０から導出されている金線９の先端部が放電トーチ１１によるスパーク放電により溶融して金ボール２３が形成された状態を示す。
【００３２】
つぎに、図５に示したと同様のＸ−Ｙテーブルによって後述するボンディングヘッドが移動されることにより、先端に金ボール２３が形成された金線９を保持するキャピラリ１０は、同図（ｂ）に示すように、つぎにバンプ２７を形成すべき電極パッド２４の真上に位置決め停止される。この位置決め状態において、同図（ｃ）に示すように、つぎにバンプ２７を形成すべき電極パッド２４には、バンプボンディングに先立って、レーザ射出部３２からレーザ光Ｌを照射されることによって加熱される。このレーザ光Ｌは、（ｃ）に明示するように、所要の電極パッド２４のみを照射できるようにレーザ射出部３２から射出される。これにより、電極パッド２４に隣接するコーティング膜３１が耐熱性の無いもの、あるいは電極パッド２４の隣接箇所にコーティング膜３１が存在しない場合であっても、何ら支障が生じない。
【００３３】
レーザ光Ｌの照射によって電極パッド２４が所定の温度まで十分に加熱されると、続いて、同図（ｄ）に示すように、ボンディングヘッドの作動によってキャピラリ１０が下降されることにより、金ボール２３が電極パッド２４に当接されたのちに所定の圧力で押し付けられるとともに、キャピラリ１０に超音波振動が付与される。これにより、金ボール２３は、押し潰されて塑性変形しながら超音波振動エネルギを受けることにより温度上昇して、電極パッド２４の素材であるアルミニウムと融合し、金とアルミニウムの合金からなるバンプ台座部２７ａとなって電極パッド２４上に強固に固着される。
【００３４】
上記バンプ台座部２７ａと電極パッド２４との金属接合が終了したならば、最後に、同図（ｅ）に示すように、レーザ射出部３２から再びレーザ光Ｌが射出されて、形成後のバンプ台座部２７ａと金線９との境界部分がレーザ光Ｌの照射により加熱された状態で金線９がクランパによって引きちぎられ、バンプ台座部２７ａ上にバンプ頭頂部２７ｂを有するスタッドバンプ２７が形成される。
【００３５】
上記バンプボンディング方法では、バンプボンディングすべき電極パッド２４に対しバンプボンディングに先立ってレーザ光Ｌを照射することにより、電極パッド２４を構成する金属（一般にアルミニウム）に対して熱的アブレーションをもたらすため、レーザ射出部３２から高エネルギーのレーザ光Ｌを短時間で出力するように制御すれば、レーザ光Ｌの照射部分、つまりバンプボンディングすべき電極パッド２４とその極近傍周辺のみにおける表層面のみを加熱することができる。したがって、半導体ウェハ２８におけるバンプ２７が形成済みの電極パッド２４とバンプ２７間では、従来方法のように余剰加熱による金属拡散の進行といった不具合が生じることがなく、金属拡散に起因する電極パッド２４とバンプ２７との接合界面におけるクラックやボイドの発生による接合不良も生じることがない。
【００３６】
また、レーザ光Ｌの照射は、上述のように短時間行えば足りるから、キャピラリ１０の下降の開始時から金ボール２３が電極パッド２４に押し付けられるまでの間の時間に行うことができる。それにより、電極パッド２４へのレーザ光Ｌの照射工程は、電極パッド２４に金ボール２３が押し付けられるまでの待ち時間の間を利用して実施できるので、ワイヤボンディングのタクトは従来方法に比較して長くならず、生産性の低下を招かない。
【００３７】
また、上記バンプボンディング方法では、形成済みのバンプ台座部２７ａにレーザ光Ｌを照射しながらクランプによる金線９の引きちぎり工程を実施するので、バンプ２７と金線９との境界に形成される再結晶領域がレーザ光Ｌの照射により加熱されて温度上昇するので、その温度上昇した再結晶領域を確実に破断することができ、再結晶領域以外の箇所での破断によるエラー検出によって装置の稼働が停止されるのを確実に防止できる。
【００３８】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明のバンプボンディング方法の他の実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図である。この実施の形態では、ダイスピック工程の削減を目的として、半導体ウェハ２８をこれの下面に樹脂製のシート３７を接着した状態で吸着ステージ３３に吸着保持させる手段を用いる点においてのみ上述の一実施の形態と相違するだけであり、バンプ２７を形成する工程は一実施の形態のバンプボンディング方法の工程を示す図１と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００３９】
下面にシート３７を接着した半導体ウェハ２８に対しても一実施の形態と同様にバンプボンディング前の電極パッド２４にレーザ光Ｌを上方から照射できるとともに、金線９の引きちぎり工程において形成済みのバンプ台座部２７ａにレーザ光Ｌを照射することができる。これは、レーザ光Ｌの照射によって電極パッド２４の表層面のみを加熱するだけであって、耐熱性の低いシート３７に対しレーザ光Ｌの照射による熱伝導が殆ど生じないからである。また、半導体ウェハ２８は、熱源を備えていない吸着ステージ３３上に吸着固定されるので、半導体ウェハ２８の下面に貼着されたシート３７が下方から加熱されることもない。したがって、この実施の形態では、下面に耐熱性の低いシート３７が接着された半導体ウェハ２８のＩＣチップ１９にバンプボンディングするに際して、ＩＣチップ１９の電極パッド２４に対し下面から加熱できないが、電極パッド２４に対して上方からのレーザ光Ｌの照射により十分に加熱することができるから、一実施の形態と同様に電極パッド２４に対し所要の接合エネルギーを付与して高い接合強度を有する接合品質の優れたバンプを形成することができる。
【００４０】
なお、レーザ光Ｌの射出強度が強過ぎる場合には、レーザ光Ｌが照射される電極パッド２４からＩＣチップ１９全体に熱が広がりながら蓄熱されていき、レーザ光Ｌを繰り返し照射した場合に、電極パッド２４の周辺箇所にも或る程度の温度上昇が生じるおそれがある。そのため、この実施の形態のように樹脂製のシート３７を半導体ウェハ２８の下面に接着した場合や弱耐熱性のＩＣチップ１９にバンプボンディングする場合には、レーザ光Ｌの出力強度を調整する必要がある。
【００４１】
図３は、本発明のバンプボンディング方法を具現化できるバンプボンディング装置の概略構成を示す正面図である。同図において、図５と同一若しくは同等のものには同一の符号を付して、重複する説明を省略する。このバンプボンディング装置が図５の装置と相違する点は、図５のヒートステージ２０に代えて、ヒータ２１のような熱源を備えない吸着ステージ３３を設け、さらに、レーザ発振器３４とレーザ射出部３２を設けた構成のみである。したがって、上記バンプボンディング装置によるバンプボンディング工程は、基本的な動作が図５と同様であり、吸着ステージ３３、レーザ発振器３４およびレーザ射出部３２を備えていることにより、図１および図２に示したバンプボンディング方法を忠実に具現化できる。
【００４２】
上記レーザ射出部３２は、所定の位置決め状態でボンディングヘッド３８のケースにホルダ３９で固定されている。すなわち、レーザ射出部３２は、キャピラリ１０に対し放電トーチ１１とは反対側に配置され、且つ半導体ウェハ２８におけるキャピラリ１０の真下位置に向け光軸を合わせてレーザ光Ｌを斜め方向から半導体ウェハ２８に照射できるよう位置決めされている。このとき、レーザ光Ｌは斜光になるが、レーザＬの集光密度を高めるとともにレーザ光Ｌの種類を限定することにより、レーザＬの高い出力強度を確保できる。このレーザ射出部３２は、最初に位置決め調整した位置に固定されると、その後において駆動されない。これは、レーザ光Ｌの光軸部に駆動部を持たせると、連続運転中に軸ぶれを起こす可能性があるからである。
【００４３】
また、レーザ射出部３２は、キャピラリ１０の側方からキャピラリ１０の真下位置の半導体ウェハ２８上に向けレーザ光Ｌを斜め方向から照射するよう位置決めされていることにより、最初の位置決め調整した位置に固定できる。仮に、レーザ射出部３２を半導体ウェハ２８に対し垂直方向からレーザ光Ｌを照射する配置とした場合には、或る電極バッド２４にバンプボンディングを行うに際して、キャピラリ１０を上方位置に退避させ、レーザ射出部３２を移動させて電極パッド２４の真上位置に位置決めした状態で電極パッド２４に対しレーザ光Ｌを照射したのちに、このレーザ射出部３２を電極パッド２４の真上位置から側方に退避させて、キャピラリ１０を下降させる手順で作動させることになる。そのため、レーザ光Ｌの照射は、上述したようなキャピラリ１０の下降の開始時から金ボール２３が電極パッド２４に押し付けられるまでの間に実施するといったことが実施できず、バンプボンディングのタクトが長くなって生産性が低下することになる。
【００４４】
つぎに、本発明者らが行った実施例について説明する。先ず、ダイシング済みの半導体ウェハ２８状態にあるＩＣチップ１９群の下面にシート３７を貼り付け、この半導体ウェハ２８状態のＩＣチップ１９群を吸着ステージ３３上に吸着固定し、電極パッド２４にレーザ光Ｌを一定時間照射したのち、バンプボンディングを行った。このとき、レーザ光Ｌ以外の熱源は使用していない。レーザ源としては半導体レーザを使用した。シート３７はエキスパンドシートを使用した。このシート３７の耐熱温度は８０°Ｃである。レーザ光Ｌの出力は、電圧が１．７Ｖで電流可変タイプのドロッパー電源を使用して、電流値を可変しながら調整した。このとき、レーザ光Ｌの出力を可変しながら、半導体ウェハ２８とシート３７に対するレーザ光Ｌの出力強度と温度との関係を予め測定した。測定の結果、半導体ウェハ２８の蓄熱温度が８０°Ｃを超える電流レベルを確定し、その電流レベル以下での実施を試みた。
【００４５】
バンプボンディングは、レーザ光Ｌの出力レベルを０Ａ（つまりレーザ光Ｌを照射しない）、２０Ａおよび２５Ａの３段階に分けて実施した。これにより形成したバンプ２７のサイズは、バンプ台座部２７ａの幅が８０μｍで、その高さが２０μｍである。図４は、そのときのバンプボンディングによって形成されたバンプ２７のシェア強度を測定したものである。シェア強度は、形成されたバンプ２７を電極パッド２４に対し垂直方向にピックで引っ張って、バンプ２７を電極パッド２４との接合界面から剪断破壊するのに必要な荷重の指数を示すものであって、バンプ２７の品質評価の代表的な一つである。すなわち、シェア強度の高さはバンプ２７と電極パッド２４との接合力の強さを示し、シェア強度が高い程、バンプ２７の接合品質が高いことになる。
【００４６】
図４において、Ａはレーザ光Ｌを照射しなかった場合、Ｂは電流値を２０Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合、Ｃは電流値を２５Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合のそれぞれのシェア強度の測定結果を示す。同図から明らかなように、レーザ光Ｌの出力強度が高くなるのに伴ってシェア強度も高くなることが判る。例えば、電流値を２５Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合には、レーザ光Ｌを照射しない場合と比較して、平均して約１６０％ものシェア強度の増大が見られた。なお、レーザ光Ｌを照射しないことは、常温状態でのバンプボンディングの実施にほかならず、このときには１１０ｋＨｚの超音波振動をキャピラリ１０に付与したにも拘わらず、バンプ２７の接合に時折失敗した。
【００４７】
また、図４のシェア強度の測定結果では、レーザ光Ｌを照射した場合、各バンプ２７間においてシェア強度に比較的大きなばらつきが生じている。これは、レーザ光Ｌの射出をマニュアル操作で行ったために、バンプボンディングまでの時間に多少のばらつきがあったためと考えられる。
【００４８】
つぎに、金線９の引きちぎり工程においてレーザ光Ｌを照射したときの破断状況について説明する。レーザ光Ｌを照射しない場合にはバンプ２７の形成数が数１０毎に金線９の破断エラーによる装置の停止が発生した。しかし、電流値を２０Ａまたは２５Ａに設定したレーザ光Ｌを照射した場合には、バンプ２７の連続生産中に金線９の破断エラーが全く発生しなかった。この結果、レーザ光Ｌの照射により、形成後のバンプ２７からこれと金線９との境界に伝わった熱が再結晶領域の破断強度を効果的に低下させることが実証できた。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明のバンプボンディグ方法によれば、バンプボンディングすべき電極部に対しバンプボンディングに先立ってレーザ光を照射するようにしたので、電極部を構成する金属に対して熱的アブレーションをもたらすことができ、また、レーザ光を高エネルギーで短時間出力するように制御することが容易であるから、そのように制御すれば、レーザ光の照射部分、つまりバンプボンディングすべき電極部とその極近傍周辺のみにおける表層面のみを加熱することができる。したがって、半導体ウェハにおけるバンプが形成済みの電極部とバンプ間では、従来方法のように余剰加熱による金属拡散の進行といった不具合が生じることがなく、金属拡散に起因する電極部とバンプとの接合界面におけるクラックやボイドの発生による接合不良も生じない。
【００５０】
また、本発明のバンプボンディング装置によれば、加熱手段を内蔵していないボンディングステージと、電極部に対しレーザ射出部からレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えているので、本発明のバンプボンディング方法を忠実に具現化して、その方法と同様の効果を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明のバンプボンディング方法の一実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明のバンプボンディング方法の他の実施の形態に係るバンプ形成過程を工程順に示した縦断面図。
【図３】本発明のバンプボンディング装置の概略構成を示す正面図。
【図４】同上の実施の形態で形成したバンプのシェア強度とステージ温度との関係を示す特性図。
【図５】従来のバンプボンディング装置の概略構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は同上のバンプボンディング装置によるバンプ形成過程を順に示した縦断面図。
【符号の説明】
９ 金線（バンプ形成材料）
１０ キャピラリ（ボンディングツール）
１１ 放電トーチ
１９ ＩＣチップ
２３ 金ボール（ボンディングボール）
２４ 電極パッド（電極部）
２７ バンプ
２８ 半導体ウェハ
３２ レーザ射出部
３３ 吸着ステージ（ボンディングステージ）
３４ レーザ発振器
３７ シート
３８ ボンディングヘッド
Ｌ レーザ光
Claims (6)
- バンプ形成材料におけるボンディングツールから導出された先端部にバンプとなるボンディングボールを形成する工程と、
熱源を有しないボンディングステージ上に固定された半導体ウェハの電極部をレーザ光の照射によって加熱する工程と、
加熱したのちの前記電極部に前記ボンディングボールを押し付けながら超音波振動を付与することにより、前記ボンディングボールを前記電極部に金属接合させてバンプを形成する工程とを有していることを特徴とするバンプボンディング方法。 - ダイシング工程が終了した半導体ウェハを、これの下面にシートを貼り付けた状態でボンディングステージ上に固定し、前記半導体ウェハの電極部に対しレーザ光を上方から照射するようにした請求項１に記載のバンプボンディング方法。
- 電極部に対するレーザ光の照射は、ボンディングボールの形成時または形成後からボンディングツールが半導体ウェハに向け移動して前記ボンディングボールが前記電極部に当接するまでの間に行うようにした請求項１または２に記載のバンプボンディング方法。
- バンプを形成したのちにバンプ形成材料を上昇させて引きちぎる際に、形成済みのバンプと前記バンプ形成材料との境界部分にレーザ光を照射して加熱するようにした請求項１ないし３の何れかに記載のバンプボンディング方法。
- 半導体ウェハを位置決め状態で保持可能であって、加熱手段を内蔵していないボンディングステージと、
ボンディングツールから導出したバンプ形成材料の先端部との間にスパークを発生させてボンディングボールを形成する放電トーチと、
前記ボンディングツールが前記半導体ウェハに対し接離方向に移動可能に設けられているとともに、前記ボンディングボールを前記半導体ウェハの電極部に所定の加圧力で押し付けながら前記ボンディングツールに超音波振動を付与するボンディングヘッドと、
前記電極部に対しレーザ射出部からレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えていることを特徴とするバンプボンディング装置。 - レーザ射出部は、ボンディングツールに対し放電トーチとは反対側に配置されて、電極部に向けて斜め上方からレーザ光を出射できる位置決め状態に固定されている請求項５に記載のバンプボンディング装置。
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