JP3770552B2 - 接合方法 - Google Patents
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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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
接合部を有する被接合物同士を接合する方法として、特許文献１には、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。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】
しかし、この接合法において常温またはそれに近い低温での接合を行うには、上記のようなエネルギー波によるエッチングにより表面活性化された接合面同士を接合するに際し、被接合物間に高い位置決め精度が求められるのは勿論のこと、極めて高精度の平行度の調整が要求され、接合面同士が密接に面接触した状態で接合される必要がある。平行度が微小に合っていないと、確実な接合が困難になる。また、平行度を一旦精密に合わせたとしても、被接合物毎のばらつきにより、平行度が微妙に狂う場合があり、量産する場合に目標とする接合状態を維持することが困難になるおそれがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２７９１４２９号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、エネルギー波により接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、容易にかつ確実に接合を行えるようにし、しかも量産においても目標とする接合状態に維持し続けることができるようにした接合方法を提供することにある。
【０００６】
【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、各金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、接合前に、接合されるべき各被接合物を保持する保持手段の少なくとも一方の姿勢を、被接合物の接合中心の位置を固定して制御し、該姿勢制御により、少なくとも一方の被接合物の一つずつあるいは一群毎に、接合されるべき両被接合物間の平行度を初期値に調整してその調整状態に一旦ロックし、両被接合物の接合面同士を接触させてロックを解除し、ロック解除状態にて接合面同士が密着するように少なくとも一方の被接合物の保持手段を倣わせて両被接合物間の平行度を調整した後、両被接合物を離間させて各金属接合部の接合面をローカルチャンバ内でエネルギー波により洗浄し、しかる後に金属接合部同士を接合することを特徴とする方法からなる。上記において、「一群毎」とは、上記少なくとも一方の被接合物の種類毎あるいは、ある量を単位とした生産ロット毎等のことを意味する。
【００１１】
この接合方法においては、各接合毎に、両被接合物間の平行度を前記初期値に戻してから次の接合に移ることが好ましい。また、前記両被接合物間の平行度の初期値の設定は、被接合物自身により、または、基準ジグを用いて、または、被接合物の保持手段を用いて行うことができる。
【００１２】
上述したような各種形態の接合方法においては、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、各金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄した後、接合面が洗浄された被接合物を接合部に搬送し、少なくとも接合すべき両被接合物間の平行度を調整した後、大気中で金属接合部同士を接合するようにすることができる。
【００１４】
前記金属接合部の接合面のエネルギー波による洗浄は、大気圧下で行うことも可能であるが、減圧下で行うことがより好ましい。エネルギー波としては、プラズマを用いることができる。とくに、エネルギー波としてＡｒプラズマを用いることができる。
【００１５】
本発明における接合は、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】
上記エネルギー波による洗浄では、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波照射により、金属接合部同士を大気中で接合するに必要な表面性状を得ることが可能になる。
【００１７】
上記金属接合部同士の接合時には、金属接合部間の隙間のばらつきを最大４μｍ以下にすることが好ましい。隙間のばらつきが４μｍ以下（レンジで４μｍ以下）であれば、適切な接合荷重、たとえば３００ＭＰａ程度の接合荷重で、金属接合部同士の接合のために必要な隙間のばらつき以下に抑えることが可能となる。また、金属接合部同士の接合時に、被接合物間の平行度を４μｍ以内（レンジで４μｍ以内）に調整することが好ましい。このような平行度調整により、上記の隙間のばらつきを小さく抑えることが可能になるとともに、金属接合部同士がより密接に面接触できるようになり、一層容易に接合できるようになる。
【００１８】
また、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１００以下とされていることが好ましい。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。
【００１９】
また、金属接合部同士の接合は、大気中で行うことが可能であり、また、減圧中、さらには不活性ガス中で行うことも可能である。
【００２０】
上記のような本発明に係る接合方法においては、減圧下または大気圧下で被接合物の金属接合部の接合面にエネルギー波が照射され、表面がエッチングにより洗浄され活性化された後金属接合部同士を接合するに際し、接合前に、接合されるべき両被接合物間の平行度が、少なくとも一方の被接合物の一つずつあるいは一群毎に測定され、測定結果に基づいて平行度が調整される。したがって、各接合毎に、両被接合物間の平行度が高精度で調整されることになり、両接合面が密接に面接触される状態で接合が行われることになる。その結果、表面が活性化された接合面同士の常温またはそれに近い低温での良好な接合が可能になる。また、被接合物毎、あるいは一群の被接合物毎のばらつきが存在する場合にあっても、高精度の平行度調整が行われることになり、量産体制の中でも、目標とする良好な接合状態を継続させることが可能となる。
【００２１】
【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方法を実施するための接合装置１の概略全体構成を示しており、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、エネルギー波による洗浄手段としてのプラズマ照射手段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、真空ポンプ６により減圧され所定の真空度にされたチャンバ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（洗浄工程）。さらに、本実施態様では、ポンプ１０によりチャンバ７内にＡｒガスを供給できるようになっており、Ａｒガス雰囲下でプラズマ照射でき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）に搬送されて、接合装置部１１で金属接合部２、３同士が、たとえば大気中で接合される。
【００２２】
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含む。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含む。また、チップと基板は位置を入れ替えてもかまわない。
【００２３】
接合装置部１１では、たとえば、所定の待機部１２に、上記洗浄された被接合物４、５が搬送された後載置される。被接合物４は、反転機構１３のヘッド部１４に、洗浄面に触れないように、吸着等により保持され、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、金属接合部２が下方に向けられた形態で吸着等によって保持される。被接合物５は、待機部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。
【００２４】
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、所定の接合荷重を印加、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。
【００２５】
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（Ｘθ、Ｙθ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。
【００２６】
さて、本発明においては、エネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する前に、接合されるべき両被接合物間の平行度が、少なくとも一方の被接合物の一つずつあるいは一群毎に測定され、その測定結果に基づいて平行度が調整され、しかる後に両被接合物の金属接合部同士が接合される。この平行度調整には、以下に述べる３つの代表的な形態を採用できる。
【００２７】
第１の形態として、両被接合物間に、両被接合物間の平行度を測定するセンサヘッドを挿入する方法を採用でき、センサヘッドには、各被接合物に照射光（たとえば、レーザー光）を投光し、該被接合物からの反射光を受光するプリズムまたはミラーを用いることができる。
【００２８】
この第１の形態における測定原理は、たとえば図２に示すように、あるセンサ３１から投光した照射光（たとえば、レーザー光）３２を被測定物３３の測定対象面に当て、そこからの反射光をセンサ３１で受光し、受投光の位置ずれ量と受投光面から測定対象面までの距離Ｌ（この距離Ｌは自動測定される）とから、測定対象面の傾きθを測定するものである。
【００２９】
上記のような測定原理を利用し、被接合物間の平行度がたとえば次のように測定される。図３、図４に示すように、ボンディングツール１６側に保持された被接合物４（たとえば、チップ）と、ボンディングステージ１７側に保持された被接合物５（たとえば、基板）との間に、センサヘッドとしてのプリズムまたはミラー４１を挿入し、カメラ４２を固定した状態で、プリズムまたはミラー４１の支持具４３を相対移動させてプリズムまたはミラー４１の位置、姿勢を調整する。この支持具４３は、カメラ４２に対し相対移動できるようにカメラ４２の先端側に取り付けてもよく、カメラ４２とは別に設けてもよい。
【００３０】
たとえば、まず図５に示すように、下側の被接合物５の傾き（θ1 ）を測定する。プリズムまたはミラー４１の上下方向位置を調整し、カメラ４２側から投光された照射光（たとえば、レーザー光）４４を、プリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後被接合物５に当て、被接合物５からの反射光をプリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後カメラ４２で受光し、受投光の位置ずれ量と受投光面から測定対象面までの距離から、被接合物５の測定対象面の傾きθ1 を求める。
【００３１】
次に、図６に示すように、上側の被接合物４の傾き（θ2 ）を測定する。プリズムまたはミラー４１の位置を下げ、上記同様に、カメラ４２側から投光された照射光４４を、プリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後被接合物４に当て、被接合物４からの反射光をプリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後カメラ４２で受光し、受投光の位置ずれ量と受投光面から測定対象面までの距離から、被接合物４の測定対象面の傾きθ2 を求める。
【００３２】
次に、図７に示すように、上記状態にて、先に求められた被接合物５の傾きθ1 に合致するように、上記被接合物４の傾きθ2 を自動調整する。このときには、ボンディングツール１６側の自動制御により、被接合物４の傾きθ2 を調整すればよい。このようにして、両被接合物４、５間の平行度が自動的に調整される。なお、この例では、先に被接合物５側の傾きθ1 を求め、それに合致するように被接合物４側の傾きθ2 を調整するようにしたが、逆でもよい。すなわち、先に被接合物４側の傾きθ2 を求め、それに合致するように被接合物５側の傾きθ1 を、ボンディングステージ１７側で調整するようにしてもよい。また、この第１の形態では、上記の如く各被接合物４、５の測定対象面に直接照射光を当て、両者間の平行度測定を行うことができるが、各被接合物４、５の代わりにボンディングツール１６、ボンディングステージ１７に基準ジグを装着し、両基準ジグ間の平行度を測定し、その測定結果に基づいて各被接合物４、５を保持するボンディングツール１６、ボンディングステージ１７間の平行度を調整しておくことも可能である。
【００３３】
平行度測定、調整の第２の形態として、各被接合物上に付された複数の認識マークをオートフォーカスにて撮影することにより認識手段から各認識マークまでの距離を測定し、該測定結果から両被接合物間の平行度を求める方法を採用することができる。
【００３４】
この第２の形態における測定原理は、たとえば図８に示すように、焦点距離が一定の光学系を備えた認識手段としてのカメラ５１をＺ軸（図の上下方向軸）方向に移動させ、測定対象面上の認識マークをオートフォーカスにて撮影し、焦点が合った位置（フォーカスする位置）を測定して、カメラ５１と測定対象面との距離Ｌ1 を求める。この距離Ｌ1 は、基準座標系（たとえば、カメラ５１のＺ軸）における位置として求められ、この測定を、測定対象面の複数点（位置の異なる複数の認識マーク）について行って測定対象面の傾きを求める。焦点合致の判定については、たとえば図９に示すように、認識マークをオートフォーカスにて撮影する際に得られる画像濃度（またはコントラスト）に関し、各測定点５２を結んで得られる２次曲線５３の頂点５４（または極値）を求めることによって判定することができる。
【００３５】
この第２の形態に係る平行度測定には、各被接合物４、５上に認識マークを付し、それを撮影することもできるし、ボンディングツール１６、ボンディングステージ１７に基準ジグを装着し、両基準ジグ上に付された認識マークを撮影して両基準ジグ間の平行度を測定することもできる。
【００３６】
基準ジグを使用する場合について具体的に例示するに、基準ジグとしては、たとえば図１０に示すように、オートフォーカスに適した認識マーク５５を付した（たとえば、４箇所に付した）基準ジグ５６を用いることができる。このような基準ジグを、ボンディングツール１６側、ボンディングステージ１７側にそれぞれ装着する。そして、図１１に示すように、ボンディングステージ１７側に装着した基準ジグ５６ａに対し、カメラ５１のＺ軸移動制御系を用いて少なくとも３点の測定箇所にて高さを測定し、図１２に示すように、ボンディングツール１６側に装着した基準ジグ５６ｂに対し、カメラ５１またはボンディングツール１６のＺ軸移動制御系を用いて少なくとも３点の測定箇所にて高さを測定する。そして、図１３に示すように、上記測定データから、両基準ジグ５６ａ、５６ｂ間の３箇所における距離Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 を求め、これら３箇所における距離Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 が一定値になるように、または一定の誤差範囲内に納まるように、ボンディングツール１６側の平行度を自動調整し、両基準ジグ５６ａ、５６ｂ間の平行度を調整する。ここまでの動作で、基本的に両基準ジグ５６ａ、５６ｂ間の平行度を所定精度内に納めることが可能である。
【００３７】
さらに、調整精度を高めるために、図１４に示すように、被接合物５のフォーカス高さにカメラ５１を合わせ、ボンディングツール１６のＺ軸移動制御系を用いて、被接合物４側のフォーカス高さのずれを測定し、ボンディングツール１６側の平行度を再測定する。ずれが存在する場合には、図１３の動作に戻り、ボンディングツール１６側の平行度を自動調整する。図１３、図１４に示した動作を繰り返すことにより、極めて高精度な平行度調整を行うことが可能となる。
【００３８】
本発明においては、平行度調整の第３の形態を採用している。この平行度調整の第３の形態として、接合されるべき各被接合物を保持する保持手段の少なくとも一方の姿勢を、被接合物の接合中心の位置を固定して制御し、該姿勢制御により、接合されるべき両被接合物間の平行度を初期値に調整してその調整状態に一旦ロックし、両被接合物の接合面同士を接触させてロックを解除し、ロック解除状態にて接合面同士が密着するように少なくとも一方の被接合物の保持手段を倣わせ、しかる後に接合物同士を接合する方法を採用することができる。
【００３９】
この第３の形態における平行度調整は、たとえば図１５、図１６に示すように行われる。平行度調整機構は、たとえば図１５に示すように、ボンディングステージ６１側に設けられ、球面軸受部６２（たとえば、球面エアベアリングからなる軸受部）を備え、保持した被接合物５の接合中心６３の位置を固定した状態にて球面軸受部６２に沿って回動可能な被接合物５の保持部材６４と、該保持部材６４をロックするロック機構６５と、保持部材６４に取り付けられて、あるいは係合されて保持部材６４の姿勢を調整可能なアクチュエータを含む調整機構（図示略）とを有しており、この調整を介して、被接合物５と、ボンディングツール６６側に保持された被接合物４との平行度を調整することができるようになっている。
【００４０】
このような平行度調整機構を用いて、第３の形態における平行度調整は、たとえば、図１５に示すように、たとえば前述の第１の形態や第２の形態に準じた方法により、被接合物４、５間の平行度が測定され、測定結果に基づいて、上記アクチュエータを含む調整機構の制御により被接合物４、５間の平行度が初期値に合わされ、この状態でロック機構６５により一旦ロックされる。この平行度が初期値に合わされた状態では、前述の第１の形態や第２の形態に準じた方法により、被接合物４、５間の平行度は高精度に調整された状態となっているが、本第３の形態における平行度調整では、さらに高精度の平行度調整を目指すことができる。図１５では、さらに平行度の調整代があることを誇張して示してある。
【００４１】
すなわち、上記状態から、ボンディングツール６６（またはボンディングヘッド）を降下させて両被接合物４、５の接合面同士を接触させる。このとき、図１６に示すように、両接合面間の平行度が微妙に合っていないと、片当たり等の状態となるが、接合面同士を接触させた後、あるいは接触させると同時に、図１６に示すようにロック機構６５によるロックを解除する。このとき、押圧力は付与され続けているので、接合面同士は互いに密着するように接触し、それに伴ってロックが解除されている保持部材６４が球面軸受部６２に倣わされて回動する。これら一連の動作により、両被接合物４、５の接合面同士は密接に接触され、両面間の平行度はほぼ完全に零状態に調整される。この状態で、接合に必要な加圧や加熱を行えばよい。
【００４２】
上記倣い動作を、上記の如く一旦初期値に戻した後に行わせることにより、被接合物毎に、あるいは一群の被接合物毎に、一連の高精度の平行度調整動作をより効率よく行わせることが可能になる。また、被接合物毎のばらつきがあっても、容易に高精度の平行度調整を行うことができるようになる。
【００４３】
なお、上記例では平行度調整動作をボンディングステージ６１側で行わせるようにしたが、ボンディングツール６６側で行ってもよい。また、上記例では初期値の設定を被接合物自身を用いて行うようにしたが、基準ジグを用いて、あるいは、被接合物の保持手段を用いて行うこともできる。
【００４４】
さらに、上記のような倣い動作を行わせる形態では、倣い動作後に両被接合物のエネルギー波による洗浄を行い、その後続いて接合動作に移行させることも可能である。たとえば、図１６に示したような被接合物同士の当接による倣い動作を行わせた後、平行度が合った状態にてロック機構６５によりロックし、その状態で、図１７に示すように両被接合物４、５間を離間させ、離間させた状態で両被接合物４、５を洗浄することが可能である。洗浄は、たとえば両被接合物４、５の保持手段をプラズマ電極としても機能できるように構成し、両電極間にプラズマを発生させて両被接合物４、５を洗浄することが可能である。上記倣い動作後に洗浄することになるので、倣い動作における両被接合物の当接時には、両被接合物が接合されてしまうおそれはない。また、洗浄時には両被接合物４、５間の平行度はほぼ完全に零状態に調整されており、洗浄後にはその高精度平行度調整状態のまま接合工程に移行できるので、接合時（実装時）にも望ましい平行度調整状態で接合が行われることになる。
【００４５】
上記倣い動作後に両被接合物の洗浄においては、本発明では、例えば図１７に示すように、両被接合物周りを局部的に外部に対してシールするローカルチャンバ６７を用いる。このローカルチャンバ６７には、外部に対して局部的にシールできる構造であればいかなる構造も採用でき、たとえば図１７に示すようにチャンバ壁６８が下方に向けて伸長、退避できる構造、あるいは下方に向けて伸縮できる構造等を採用することができる。
【００４６】
図１７に示した洗浄工程後には、たとえば図１８に示すように、ボンディングツール６６（またはボンディングヘッド）を降下させて両被接合物４、５の平行度が調整された状態にて接合部同士を接合することができる。このとき、たとえばシリンダ機構６９等によりチャンバ壁６８が伸縮できるようにしておくと、ローカルチャンバ６７による、外部に対するシール構造を維持できるので、洗浄後の接合面を、接合にとって望ましい表面活性化状態に維持することが可能になる。この接合に際しては、図１６に示した状態と図１７に示した状態との間、または、図１７に示した状態と図１８に示した状態との間のいずれかに、両被接合物４、５間の位置合わせのためのアライメント工程を実施すればよい。
【００４７】
上記のような平行度調整により、従来にない高精度の調整が可能になり、常温での接合まで容易に行うことができるようになった。ちなみに、基準ジグを用いた場合で、１０ｍｍ角のジグ内での平行度が±０．３μｍ以下と、サブミクロン台の高精度調整まで可能となった。
【００４８】
上記のような高精度の平行度調整を含む本発明に係る接合方法における、接合に至るまでの一連の動作は、たとえば次のように実施される。図１を参照するに、まず、所定の真空度とされたチャンバ７内で、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、エネルギー波としてのプラズマで洗浄され、表面が活性化される。このプラズマ洗浄においては、後の大気中接合のために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照射強度、時間を設定することが好ましい。
【００４９】
上記プラズマ洗浄後に、接合面が洗浄されたチップ４および基板５は、一旦待機部１２に載置された後、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、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、平行度が前述の如く高精度に調整される。とくに平行度に関しては、良好な接合を達成するために、金属接合部間の隙間のばらつきを最大４μｍ以下とするように調整されることが好ましい。
【００５０】
そして、この状態から、ボンディングツール１６が降下され、チップ４と基板５の接合が行われる。高精度に平行度が自動調整された状態で接合され、大気中でも、かつ、常温あるいはそれに近い低温でも、確実にかつ容易に接合することが可能になる。大気中での接合が可能になることにより、接合部に関して大がかりなシール装置等が不要になり、工程、装置ともに簡素化され、コストダウンも可能となる。もちろん、減圧中や不活性ガス中における接合も可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る接合方法によれば、エネルギー波により接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、極めて高精度に平行度を自動調整した状態で接合できるので、容易にかつ確実に接合を行えるようになり、しかも量産においても目標とする接合状態に維持し続けることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る接合方法を実施するための接合装置の概略構成図である。
【図２】センサヘッドを用いた平行度調整の原理を説明するための概略構成図である。
【図３】センサヘッドを用いた平行度測定の例を示す平行度測定部の概略正面図である。
【図４】図３のプリズムまたはミラー部の概略側面図である。
【図５】図３の平行度測定における下部被接合物側の測定例を示す平行度測定部の概略正面図である。
【図６】図３の平行度測定における上部被接合物側の測定例を示す平行度測定部の概略正面図である。
【図７】図３の平行度測定に基づく上部被接合物側の平行度調整例を示す概略正面図である。
【図８】オートフォーカスによる平行度測定の原理を説明するための概略構成図である。
【図９】図８の平行度測定における撮影データ例を示す概略グラフである。
【図１０】オートフォーカスによる平行度測定に使用する基準ジグの例を示す概略斜視図である。
【図１１】オートフォーカスによる平行度測定における下部被接合物側の測定例を示す概略斜視図である。
【図１２】オートフォーカスによる平行度測定における上部被接合物側の測定例を示す概略正面図である。
【図１３】図１１および図１２の測定結果に基づいて平行度を調整する例を示す概略正面図である。
【図１４】平行度の再測定の例を示す概略正面図である。
【図１５】 本発明における倣い動作により平行度調整する場合の一例を示す概略構成図である。
【図１６】図１５の機構を用いて平行度調整する場合の動作例を示す概略構成図である。
【図１７】図１６に示した平行度調整後にローカルチャンバ内で洗浄を行う場合の一例を示す概略構成図である。
【図１８】図１７に示した洗浄後に接合を行う場合の一例を示す概略構成図である。
【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 真空ポンプ
７ チャンバ
８ エネルギー波照射手段としてのプラズマ照射手段
９ エネルギー波としてのプラズマ
１０ Ａｒ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
３１ センサ
３２ 照射光
３３ 被測定物
４１ センサヘッドとしてのプリズムまたはミラー
４２ カメラ
４３ プリズムまたはミラーの支持具
４４ 照射光
５１ カメラ
５２ 測定点
５３ ２次曲線
５４ ２次曲線の頂点
５５ 認識マーク
５６、５６ａ、５６ｂ 基準ジグ
６１ ボンディングステージ
６２ 球面軸受部
６３ 接合中心
６４ 保持部材
６５ ロック機構
６６ ボンディングヘッド
６７ ローカルチャンバ
６８ チャンバ壁
６９ シリンダ機構
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
接合部を有する被接合物同士を接合する方法として、特許文献１には、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。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】
しかし、この接合法において常温またはそれに近い低温での接合を行うには、上記のようなエネルギー波によるエッチングにより表面活性化された接合面同士を接合するに際し、被接合物間に高い位置決め精度が求められるのは勿論のこと、極めて高精度の平行度の調整が要求され、接合面同士が密接に面接触した状態で接合される必要がある。平行度が微小に合っていないと、確実な接合が困難になる。また、平行度を一旦精密に合わせたとしても、被接合物毎のばらつきにより、平行度が微妙に狂う場合があり、量産する場合に目標とする接合状態を維持することが困難になるおそれがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２７９１４２９号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、エネルギー波により接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、容易にかつ確実に接合を行えるようにし、しかも量産においても目標とする接合状態に維持し続けることができるようにした接合方法を提供することにある。
【０００６】
【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、各金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、接合前に、接合されるべき各被接合物を保持する保持手段の少なくとも一方の姿勢を、被接合物の接合中心の位置を固定して制御し、該姿勢制御により、少なくとも一方の被接合物の一つずつあるいは一群毎に、接合されるべき両被接合物間の平行度を初期値に調整してその調整状態に一旦ロックし、両被接合物の接合面同士を接触させてロックを解除し、ロック解除状態にて接合面同士が密着するように少なくとも一方の被接合物の保持手段を倣わせて両被接合物間の平行度を調整した後、両被接合物を離間させて各金属接合部の接合面をローカルチャンバ内でエネルギー波により洗浄し、しかる後に金属接合部同士を接合することを特徴とする方法からなる。上記において、「一群毎」とは、上記少なくとも一方の被接合物の種類毎あるいは、ある量を単位とした生産ロット毎等のことを意味する。
【００１１】
この接合方法においては、各接合毎に、両被接合物間の平行度を前記初期値に戻してから次の接合に移ることが好ましい。また、前記両被接合物間の平行度の初期値の設定は、被接合物自身により、または、基準ジグを用いて、または、被接合物の保持手段を用いて行うことができる。
【００１２】
上述したような各種形態の接合方法においては、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、各金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄した後、接合面が洗浄された被接合物を接合部に搬送し、少なくとも接合すべき両被接合物間の平行度を調整した後、大気中で金属接合部同士を接合するようにすることができる。
【００１４】
前記金属接合部の接合面のエネルギー波による洗浄は、大気圧下で行うことも可能であるが、減圧下で行うことがより好ましい。エネルギー波としては、プラズマを用いることができる。とくに、エネルギー波としてＡｒプラズマを用いることができる。
【００１５】
本発明における接合は、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】
上記エネルギー波による洗浄では、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波照射により、金属接合部同士を大気中で接合するに必要な表面性状を得ることが可能になる。
【００１７】
上記金属接合部同士の接合時には、金属接合部間の隙間のばらつきを最大４μｍ以下にすることが好ましい。隙間のばらつきが４μｍ以下（レンジで４μｍ以下）であれば、適切な接合荷重、たとえば３００ＭＰａ程度の接合荷重で、金属接合部同士の接合のために必要な隙間のばらつき以下に抑えることが可能となる。また、金属接合部同士の接合時に、被接合物間の平行度を４μｍ以内（レンジで４μｍ以内）に調整することが好ましい。このような平行度調整により、上記の隙間のばらつきを小さく抑えることが可能になるとともに、金属接合部同士がより密接に面接触できるようになり、一層容易に接合できるようになる。
【００１８】
また、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１００以下とされていることが好ましい。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。
【００１９】
また、金属接合部同士の接合は、大気中で行うことが可能であり、また、減圧中、さらには不活性ガス中で行うことも可能である。
【００２０】
上記のような本発明に係る接合方法においては、減圧下または大気圧下で被接合物の金属接合部の接合面にエネルギー波が照射され、表面がエッチングにより洗浄され活性化された後金属接合部同士を接合するに際し、接合前に、接合されるべき両被接合物間の平行度が、少なくとも一方の被接合物の一つずつあるいは一群毎に測定され、測定結果に基づいて平行度が調整される。したがって、各接合毎に、両被接合物間の平行度が高精度で調整されることになり、両接合面が密接に面接触される状態で接合が行われることになる。その結果、表面が活性化された接合面同士の常温またはそれに近い低温での良好な接合が可能になる。また、被接合物毎、あるいは一群の被接合物毎のばらつきが存在する場合にあっても、高精度の平行度調整が行われることになり、量産体制の中でも、目標とする良好な接合状態を継続させることが可能となる。
【００２１】
【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方法を実施するための接合装置１の概略全体構成を示しており、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、エネルギー波による洗浄手段としてのプラズマ照射手段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、真空ポンプ６により減圧され所定の真空度にされたチャンバ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（洗浄工程）。さらに、本実施態様では、ポンプ１０によりチャンバ７内にＡｒガスを供給できるようになっており、Ａｒガス雰囲下でプラズマ照射でき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）に搬送されて、接合装置部１１で金属接合部２、３同士が、たとえば大気中で接合される。
【００２２】
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含む。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含む。また、チップと基板は位置を入れ替えてもかまわない。
【００２３】
接合装置部１１では、たとえば、所定の待機部１２に、上記洗浄された被接合物４、５が搬送された後載置される。被接合物４は、反転機構１３のヘッド部１４に、洗浄面に触れないように、吸着等により保持され、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、金属接合部２が下方に向けられた形態で吸着等によって保持される。被接合物５は、待機部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。
【００２４】
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、所定の接合荷重を印加、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。
【００２５】
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（Ｘθ、Ｙθ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。
【００２６】
さて、本発明においては、エネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する前に、接合されるべき両被接合物間の平行度が、少なくとも一方の被接合物の一つずつあるいは一群毎に測定され、その測定結果に基づいて平行度が調整され、しかる後に両被接合物の金属接合部同士が接合される。この平行度調整には、以下に述べる３つの代表的な形態を採用できる。
【００２７】
第１の形態として、両被接合物間に、両被接合物間の平行度を測定するセンサヘッドを挿入する方法を採用でき、センサヘッドには、各被接合物に照射光（たとえば、レーザー光）を投光し、該被接合物からの反射光を受光するプリズムまたはミラーを用いることができる。
【００２８】
この第１の形態における測定原理は、たとえば図２に示すように、あるセンサ３１から投光した照射光（たとえば、レーザー光）３２を被測定物３３の測定対象面に当て、そこからの反射光をセンサ３１で受光し、受投光の位置ずれ量と受投光面から測定対象面までの距離Ｌ（この距離Ｌは自動測定される）とから、測定対象面の傾きθを測定するものである。
【００２９】
上記のような測定原理を利用し、被接合物間の平行度がたとえば次のように測定される。図３、図４に示すように、ボンディングツール１６側に保持された被接合物４（たとえば、チップ）と、ボンディングステージ１７側に保持された被接合物５（たとえば、基板）との間に、センサヘッドとしてのプリズムまたはミラー４１を挿入し、カメラ４２を固定した状態で、プリズムまたはミラー４１の支持具４３を相対移動させてプリズムまたはミラー４１の位置、姿勢を調整する。この支持具４３は、カメラ４２に対し相対移動できるようにカメラ４２の先端側に取り付けてもよく、カメラ４２とは別に設けてもよい。
【００３０】
たとえば、まず図５に示すように、下側の被接合物５の傾き（θ1 ）を測定する。プリズムまたはミラー４１の上下方向位置を調整し、カメラ４２側から投光された照射光（たとえば、レーザー光）４４を、プリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後被接合物５に当て、被接合物５からの反射光をプリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後カメラ４２で受光し、受投光の位置ずれ量と受投光面から測定対象面までの距離から、被接合物５の測定対象面の傾きθ1 を求める。
【００３１】
次に、図６に示すように、上側の被接合物４の傾き（θ2 ）を測定する。プリズムまたはミラー４１の位置を下げ、上記同様に、カメラ４２側から投光された照射光４４を、プリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後被接合物４に当て、被接合物４からの反射光をプリズムまたはミラー４１で反射させて方向変換した後カメラ４２で受光し、受投光の位置ずれ量と受投光面から測定対象面までの距離から、被接合物４の測定対象面の傾きθ2 を求める。
【００３２】
次に、図７に示すように、上記状態にて、先に求められた被接合物５の傾きθ1 に合致するように、上記被接合物４の傾きθ2 を自動調整する。このときには、ボンディングツール１６側の自動制御により、被接合物４の傾きθ2 を調整すればよい。このようにして、両被接合物４、５間の平行度が自動的に調整される。なお、この例では、先に被接合物５側の傾きθ1 を求め、それに合致するように被接合物４側の傾きθ2 を調整するようにしたが、逆でもよい。すなわち、先に被接合物４側の傾きθ2 を求め、それに合致するように被接合物５側の傾きθ1 を、ボンディングステージ１７側で調整するようにしてもよい。また、この第１の形態では、上記の如く各被接合物４、５の測定対象面に直接照射光を当て、両者間の平行度測定を行うことができるが、各被接合物４、５の代わりにボンディングツール１６、ボンディングステージ１７に基準ジグを装着し、両基準ジグ間の平行度を測定し、その測定結果に基づいて各被接合物４、５を保持するボンディングツール１６、ボンディングステージ１７間の平行度を調整しておくことも可能である。
【００３３】
平行度測定、調整の第２の形態として、各被接合物上に付された複数の認識マークをオートフォーカスにて撮影することにより認識手段から各認識マークまでの距離を測定し、該測定結果から両被接合物間の平行度を求める方法を採用することができる。
【００３４】
この第２の形態における測定原理は、たとえば図８に示すように、焦点距離が一定の光学系を備えた認識手段としてのカメラ５１をＺ軸（図の上下方向軸）方向に移動させ、測定対象面上の認識マークをオートフォーカスにて撮影し、焦点が合った位置（フォーカスする位置）を測定して、カメラ５１と測定対象面との距離Ｌ1 を求める。この距離Ｌ1 は、基準座標系（たとえば、カメラ５１のＺ軸）における位置として求められ、この測定を、測定対象面の複数点（位置の異なる複数の認識マーク）について行って測定対象面の傾きを求める。焦点合致の判定については、たとえば図９に示すように、認識マークをオートフォーカスにて撮影する際に得られる画像濃度（またはコントラスト）に関し、各測定点５２を結んで得られる２次曲線５３の頂点５４（または極値）を求めることによって判定することができる。
【００３５】
この第２の形態に係る平行度測定には、各被接合物４、５上に認識マークを付し、それを撮影することもできるし、ボンディングツール１６、ボンディングステージ１７に基準ジグを装着し、両基準ジグ上に付された認識マークを撮影して両基準ジグ間の平行度を測定することもできる。
【００３６】
基準ジグを使用する場合について具体的に例示するに、基準ジグとしては、たとえば図１０に示すように、オートフォーカスに適した認識マーク５５を付した（たとえば、４箇所に付した）基準ジグ５６を用いることができる。このような基準ジグを、ボンディングツール１６側、ボンディングステージ１７側にそれぞれ装着する。そして、図１１に示すように、ボンディングステージ１７側に装着した基準ジグ５６ａに対し、カメラ５１のＺ軸移動制御系を用いて少なくとも３点の測定箇所にて高さを測定し、図１２に示すように、ボンディングツール１６側に装着した基準ジグ５６ｂに対し、カメラ５１またはボンディングツール１６のＺ軸移動制御系を用いて少なくとも３点の測定箇所にて高さを測定する。そして、図１３に示すように、上記測定データから、両基準ジグ５６ａ、５６ｂ間の３箇所における距離Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 を求め、これら３箇所における距離Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 が一定値になるように、または一定の誤差範囲内に納まるように、ボンディングツール１６側の平行度を自動調整し、両基準ジグ５６ａ、５６ｂ間の平行度を調整する。ここまでの動作で、基本的に両基準ジグ５６ａ、５６ｂ間の平行度を所定精度内に納めることが可能である。
【００３７】
さらに、調整精度を高めるために、図１４に示すように、被接合物５のフォーカス高さにカメラ５１を合わせ、ボンディングツール１６のＺ軸移動制御系を用いて、被接合物４側のフォーカス高さのずれを測定し、ボンディングツール１６側の平行度を再測定する。ずれが存在する場合には、図１３の動作に戻り、ボンディングツール１６側の平行度を自動調整する。図１３、図１４に示した動作を繰り返すことにより、極めて高精度な平行度調整を行うことが可能となる。
【００３８】
本発明においては、平行度調整の第３の形態を採用している。この平行度調整の第３の形態として、接合されるべき各被接合物を保持する保持手段の少なくとも一方の姿勢を、被接合物の接合中心の位置を固定して制御し、該姿勢制御により、接合されるべき両被接合物間の平行度を初期値に調整してその調整状態に一旦ロックし、両被接合物の接合面同士を接触させてロックを解除し、ロック解除状態にて接合面同士が密着するように少なくとも一方の被接合物の保持手段を倣わせ、しかる後に接合物同士を接合する方法を採用することができる。
【００３９】
この第３の形態における平行度調整は、たとえば図１５、図１６に示すように行われる。平行度調整機構は、たとえば図１５に示すように、ボンディングステージ６１側に設けられ、球面軸受部６２（たとえば、球面エアベアリングからなる軸受部）を備え、保持した被接合物５の接合中心６３の位置を固定した状態にて球面軸受部６２に沿って回動可能な被接合物５の保持部材６４と、該保持部材６４をロックするロック機構６５と、保持部材６４に取り付けられて、あるいは係合されて保持部材６４の姿勢を調整可能なアクチュエータを含む調整機構（図示略）とを有しており、この調整を介して、被接合物５と、ボンディングツール６６側に保持された被接合物４との平行度を調整することができるようになっている。
【００４０】
このような平行度調整機構を用いて、第３の形態における平行度調整は、たとえば、図１５に示すように、たとえば前述の第１の形態や第２の形態に準じた方法により、被接合物４、５間の平行度が測定され、測定結果に基づいて、上記アクチュエータを含む調整機構の制御により被接合物４、５間の平行度が初期値に合わされ、この状態でロック機構６５により一旦ロックされる。この平行度が初期値に合わされた状態では、前述の第１の形態や第２の形態に準じた方法により、被接合物４、５間の平行度は高精度に調整された状態となっているが、本第３の形態における平行度調整では、さらに高精度の平行度調整を目指すことができる。図１５では、さらに平行度の調整代があることを誇張して示してある。
【００４１】
すなわち、上記状態から、ボンディングツール６６（またはボンディングヘッド）を降下させて両被接合物４、５の接合面同士を接触させる。このとき、図１６に示すように、両接合面間の平行度が微妙に合っていないと、片当たり等の状態となるが、接合面同士を接触させた後、あるいは接触させると同時に、図１６に示すようにロック機構６５によるロックを解除する。このとき、押圧力は付与され続けているので、接合面同士は互いに密着するように接触し、それに伴ってロックが解除されている保持部材６４が球面軸受部６２に倣わされて回動する。これら一連の動作により、両被接合物４、５の接合面同士は密接に接触され、両面間の平行度はほぼ完全に零状態に調整される。この状態で、接合に必要な加圧や加熱を行えばよい。
【００４２】
上記倣い動作を、上記の如く一旦初期値に戻した後に行わせることにより、被接合物毎に、あるいは一群の被接合物毎に、一連の高精度の平行度調整動作をより効率よく行わせることが可能になる。また、被接合物毎のばらつきがあっても、容易に高精度の平行度調整を行うことができるようになる。
【００４３】
なお、上記例では平行度調整動作をボンディングステージ６１側で行わせるようにしたが、ボンディングツール６６側で行ってもよい。また、上記例では初期値の設定を被接合物自身を用いて行うようにしたが、基準ジグを用いて、あるいは、被接合物の保持手段を用いて行うこともできる。
【００４４】
さらに、上記のような倣い動作を行わせる形態では、倣い動作後に両被接合物のエネルギー波による洗浄を行い、その後続いて接合動作に移行させることも可能である。たとえば、図１６に示したような被接合物同士の当接による倣い動作を行わせた後、平行度が合った状態にてロック機構６５によりロックし、その状態で、図１７に示すように両被接合物４、５間を離間させ、離間させた状態で両被接合物４、５を洗浄することが可能である。洗浄は、たとえば両被接合物４、５の保持手段をプラズマ電極としても機能できるように構成し、両電極間にプラズマを発生させて両被接合物４、５を洗浄することが可能である。上記倣い動作後に洗浄することになるので、倣い動作における両被接合物の当接時には、両被接合物が接合されてしまうおそれはない。また、洗浄時には両被接合物４、５間の平行度はほぼ完全に零状態に調整されており、洗浄後にはその高精度平行度調整状態のまま接合工程に移行できるので、接合時（実装時）にも望ましい平行度調整状態で接合が行われることになる。
【００４５】
上記倣い動作後に両被接合物の洗浄においては、本発明では、例えば図１７に示すように、両被接合物周りを局部的に外部に対してシールするローカルチャンバ６７を用いる。このローカルチャンバ６７には、外部に対して局部的にシールできる構造であればいかなる構造も採用でき、たとえば図１７に示すようにチャンバ壁６８が下方に向けて伸長、退避できる構造、あるいは下方に向けて伸縮できる構造等を採用することができる。
【００４６】
図１７に示した洗浄工程後には、たとえば図１８に示すように、ボンディングツール６６（またはボンディングヘッド）を降下させて両被接合物４、５の平行度が調整された状態にて接合部同士を接合することができる。このとき、たとえばシリンダ機構６９等によりチャンバ壁６８が伸縮できるようにしておくと、ローカルチャンバ６７による、外部に対するシール構造を維持できるので、洗浄後の接合面を、接合にとって望ましい表面活性化状態に維持することが可能になる。この接合に際しては、図１６に示した状態と図１７に示した状態との間、または、図１７に示した状態と図１８に示した状態との間のいずれかに、両被接合物４、５間の位置合わせのためのアライメント工程を実施すればよい。
【００４７】
上記のような平行度調整により、従来にない高精度の調整が可能になり、常温での接合まで容易に行うことができるようになった。ちなみに、基準ジグを用いた場合で、１０ｍｍ角のジグ内での平行度が±０．３μｍ以下と、サブミクロン台の高精度調整まで可能となった。
【００４８】
上記のような高精度の平行度調整を含む本発明に係る接合方法における、接合に至るまでの一連の動作は、たとえば次のように実施される。図１を参照するに、まず、所定の真空度とされたチャンバ７内で、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、エネルギー波としてのプラズマで洗浄され、表面が活性化される。このプラズマ洗浄においては、後の大気中接合のために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照射強度、時間を設定することが好ましい。
【００４９】
上記プラズマ洗浄後に、接合面が洗浄されたチップ４および基板５は、一旦待機部１２に載置された後、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、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、平行度が前述の如く高精度に調整される。とくに平行度に関しては、良好な接合を達成するために、金属接合部間の隙間のばらつきを最大４μｍ以下とするように調整されることが好ましい。
【００５０】
そして、この状態から、ボンディングツール１６が降下され、チップ４と基板５の接合が行われる。高精度に平行度が自動調整された状態で接合され、大気中でも、かつ、常温あるいはそれに近い低温でも、確実にかつ容易に接合することが可能になる。大気中での接合が可能になることにより、接合部に関して大がかりなシール装置等が不要になり、工程、装置ともに簡素化され、コストダウンも可能となる。もちろん、減圧中や不活性ガス中における接合も可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る接合方法によれば、エネルギー波により接合面を洗浄した被接合物同士を接合するに際し、極めて高精度に平行度を自動調整した状態で接合できるので、容易にかつ確実に接合を行えるようになり、しかも量産においても目標とする接合状態に維持し続けることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る接合方法を実施するための接合装置の概略構成図である。
【図２】センサヘッドを用いた平行度調整の原理を説明するための概略構成図である。
【図３】センサヘッドを用いた平行度測定の例を示す平行度測定部の概略正面図である。
【図４】図３のプリズムまたはミラー部の概略側面図である。
【図５】図３の平行度測定における下部被接合物側の測定例を示す平行度測定部の概略正面図である。
【図６】図３の平行度測定における上部被接合物側の測定例を示す平行度測定部の概略正面図である。
【図７】図３の平行度測定に基づく上部被接合物側の平行度調整例を示す概略正面図である。
【図８】オートフォーカスによる平行度測定の原理を説明するための概略構成図である。
【図９】図８の平行度測定における撮影データ例を示す概略グラフである。
【図１０】オートフォーカスによる平行度測定に使用する基準ジグの例を示す概略斜視図である。
【図１１】オートフォーカスによる平行度測定における下部被接合物側の測定例を示す概略斜視図である。
【図１２】オートフォーカスによる平行度測定における上部被接合物側の測定例を示す概略正面図である。
【図１３】図１１および図１２の測定結果に基づいて平行度を調整する例を示す概略正面図である。
【図１４】平行度の再測定の例を示す概略正面図である。
【図１５】 本発明における倣い動作により平行度調整する場合の一例を示す概略構成図である。
【図１６】図１５の機構を用いて平行度調整する場合の動作例を示す概略構成図である。
【図１７】図１６に示した平行度調整後にローカルチャンバ内で洗浄を行う場合の一例を示す概略構成図である。
【図１８】図１７に示した洗浄後に接合を行う場合の一例を示す概略構成図である。
【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 真空ポンプ
７ チャンバ
８ エネルギー波照射手段としてのプラズマ照射手段
９ エネルギー波としてのプラズマ
１０ Ａｒ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
３１ センサ
３２ 照射光
３３ 被測定物
４１ センサヘッドとしてのプリズムまたはミラー
４２ カメラ
４３ プリズムまたはミラーの支持具
４４ 照射光
５１ カメラ
５２ 測定点
５３ ２次曲線
５４ ２次曲線の頂点
５５ 認識マーク
５６、５６ａ、５６ｂ 基準ジグ
６１ ボンディングステージ
６２ 球面軸受部
６３ 接合中心
６４ 保持部材
６５ ロック機構
６６ ボンディングヘッド
６７ ローカルチャンバ
６８ チャンバ壁
６９ シリンダ機構
Claims (12)
- 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、各金属接合部の接合面をエネルギー波により洗浄した後金属接合部同士を接合する方法であって、接合前に、接合されるべき各被接合物を保持する保持手段の少なくとも一方の姿勢を、被接合物の接合中心の位置を固定して制御し、該姿勢制御により、少なくとも一方の被接合物の一つずつあるいは一群毎に、接合されるべき両被接合物間の平行度を初期値に調整してその調整状態に一旦ロックし、両被接合物の接合面同士を接触させてロックを解除し、ロック解除状態にて接合面同士が密着するように少なくとも一方の被接合物の保持手段を倣わせて両被接合物間の平行度を調整した後、両被接合物を離間させて各金属接合部の接合面をローカルチャンバ内でエネルギー波により洗浄し、しかる後に金属接合部同士を接合することを特徴とする接合方法。
- 各接合毎に、両被接合物間の平行度を前記初期値に戻してから次の接合に移る、請求項１の接合方法。
- 前記両被接合物間の平行度の初期値の設定を、被接合物自身により、または、基準ジグを用いて、または、被接合物の保持手段を用いて行う、請求項１または２の接合方法。
- 前記金属接合部の接合面のエネルギー波による洗浄を減圧下で行う、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
- 前記エネルギー波としてプラズマを用いる、請求項１〜４のいずれかに記載の接合方法。
- 前記エネルギー波としてＡｒプラズマを用いる、請求項５の接合方法。
- 接合面が金、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１〜６のいずれかに記載の接合方法。
- 前記エネルギー波による洗浄により、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。
- 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１００以下にする、請求項１〜８のいずれかに記載の接合方法。
- 金属接合部同士を大気中で接合する、請求項１〜９のいずれかに記載の接合方法。
- 金属接合部同士を減圧中で接合する、請求項１〜９のいずれかに記載の接合方法。
- 金属接合部同士を不活性ガス中で接合する、請求項１〜９のいずれかに記載の接合方法。
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