JP5944530B2 - 接合方法およびそれに用いられる接合装置 - Google Patents

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本発明は、被処理物に対して接合処理を行う接合方法およびそれに用いられる接合装置に係り、特に、金属または金属酸化物の微粒子を焼結させて被処理物に対して接合処理を行う技術に関する。
半導体の最大許容ジャンクション温度（使用状態の半導体への加熱における最大温度）の高温化や、鉛などの特定有害物質の使用制限規格 (RoHS: Restriction of Hazardous Substances)の対応により、鉛を用いたハンダ接合技術の使用に制限がかかってきている。また、鉛フリーハンダも開発されているが、接合用途として使用すると割れが生じるという問題が発生している。そこで、ハンダの代替技術として導電性ペーストによる接合技術が進められている。ハンダは数十ミクロンサイズの金，銀または銅の微粒子からなり、導電性ペーストは、ナノサイズ〜ミクロンサイズの金，銀，銅またはその酸化物の微粒子からなり、加熱・加圧による接合技術開発が進められている。
なお、加熱・加圧による接合処理は、「固相拡散接合」とも呼ばれており、母材（ここでは導電性ペースト）を密着させて加圧することにより接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する。固相拡散接合は、拡散接合を行う接合面間が固相状態で接合される。
ここで、スイッチング技術などのように、大電流を使用し高耐圧なパワー半導体（パワーエレクトロニクスで用いられる半導体）の技術発展により、半導体チップの大面積化が要求される。大面積化された半導体チップを接合する際の加圧接合の場合は、均一加圧が要求され、あまり荷重をかけたり、一部の箇所のみ加圧が局所的に異なると、ダメージ（損傷）を受ける。また、大電流用途として注目されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）チップを接合する際にはＳｉＣが脆いことにより、あまり荷重をかけることができない。このように、パワー半導体用のチップ、特にＳｉＣチップを接合する際には加圧接合でのダメージが問題視され、無加圧接合の要求が高まっている。
そこで、銀または酸化銀の微粒子からなる導電性ペーストを介在させた被処理物に対して加熱処理を行い、銀または酸化銀の微粒子を焼結させて、無加圧接合で被処理物に対して接合処理を行う技術などがある（例えば、特許文献１、２参照）。銀や酸化銀を用いることにより、無加圧接合で被処理物に対して接合処理を行うことが可能で、被処理物がシリコン（Ｓｉ）や上述のＳｉＣなどの半導体であってもダメージを防止することができる。また、接合能力（接着能力）が高いという効果をも奏する。
ところで、金属の微粒子を焼結させる技術として、加熱処理と真空処理とを組み合わせた複合加熱や、加熱処理とプラズマ処理とを組み合わせた複合加熱が本出願人から提案されている（例えば、特許文献３参照）。これらの複合加熱では、加熱時間を低減させて低温にして、熱変形や熱による損傷を防止しつつ、効率良く低温で微粒子を焼結させることができる。
特開２０１０−２５７８８０号公報 特開２０１１−１７５８７１号公報 特開２０１２−１４２５５１号公報
しかしながら、上述した無加圧接合で被処理物に対して接合処理を行う場合には、次のような問題がある。すなわち、導電性ペーストとして銀や酸化銀を採用したとしても、加熱処理直後（初期状態）では接合能力が高いにもかかわらず、温度サイクル試験（信頼性試験）後に接合能力が低くなることが判明した。
また、導電性ペーストとして銀や酸化銀を採用したとしても、銀などを含んだ導電性ペーストの使用により、ハンダの使用と比較すると温度も高温化している。したがって、銅（Ｃｕ）等の酸化しやすい金属からなるフレーム材料（例えばリードフレーム）を使用して被処理物に接合する際には、フレーム材料の酸化を防止するために還元雰囲気もしくは無酸素雰囲気で焼成する必要がある。その場合には、導電性ペースト自体が、還元雰囲気もしくは無酸素雰囲気により焼成し難く、接合することができない等の問題が発生する。
さらに、接合することができたとしても、すぐに大気にさらすと酸化するので、無酸素雰囲気で長時間かけて冷却する必要がある。このように、処理の短時間化なども望まれている。また、上述したように温度も高温化しているので、熱によって被処理物が損傷を受ける。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被処理物の温度上昇を抑えつつ高い温度サイクル耐性を有した接合層を形成することができる接合方法およびそれに用いられる接合装置を提供することを目的とする。
発明者らは、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。
すなわち、導電性ペーストには、金や銀や銅やその酸化物の微粒子を溶かすための溶剤や、金や銀や銅やその酸化物の微粒子を分散させるための分散剤が含まれている。金や銀や銅やその酸化物の微粒子を焼結させるために加熱を行うと有機成分（溶剤および分散剤）が気化して、導電性ペーストに空隙が生じて、無加圧接合程度の圧力では残る空隙が大きく疎な接合層が形成されるので接合能力が低いことが判明した。そこで、上述の特許文献３に着目して、加熱処理と真空処理とを組み合わせた複合加熱の場合には、緻密な接合層を形成することができ、無加圧接合でも接合能力が高くなるという発想に至った。
一方で、金属の結合状態に着目してみれば、加熱によって金や銀や銅やその酸化物の微粒子が焼結したとしても、金属同士の結合が弱く接合能力が低いことが判明した。そこで、同じく上述の特許文献３に着目して、加熱処理とプラズマ処理とを組み合わせた複合加熱の場合には、プラズマ処理により効果的に有機成分を抜くことで金属同士の結合を緻密にして金属化を図ることができ、無加圧接合でも接合能力が高くなるという発想に至った。
以上の理由により、加熱処理・真空処理・プラズマ処理を複合した処理を接合に適用すれば接合能力が高くなることが考えられる。ただし、加熱処理・真空処理・プラズマ処理を複合した処理を接合に適用すると、その処理温度は３００℃を超えてしまう。よって、熱によって被処理物が損傷を受けるという問題を依然として解決することができない。特に、被処理物が半導体の場合には、一般的に半導体の接合工程で許容可能な温度３００℃以下において、無加圧接合による方法では緻密な接合層（緻密なネットワーク層）および良好な接合界面が実現できておらず、十分な接合強度および信頼性（すなわち、高い温度サイクル耐性を有した接合層）を実現することができていなかった。
そこで、プラズマ処理の前の加熱処理（以下、「予備加熱処理」と呼ぶ）を行うとともに、予備加熱処理の後でプラズマ処理を行うのに際して、以下のような知見を得た。すなわち、予備加熱処理では比較的に低温（６０℃〜１００℃）で行うことができる。よって、プラズマ処理での処理温度を抑えることが課題となる。しかし、通常のプラズマ処理を接合に適用すると上述したように処理温度は３００℃を超えてしまう。通常のプラズマ処理ではプラズマ照射を連続的に行っている。そこで、連続的なプラズマ照射を行わずに、プラズマ照射を断続的に行うことで処理温度を抑えるという知見を得た。
このような知見に基づく本発明は、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係る接合方法は、金属または金属酸化物の微粒子からなる、有機成分を有する導電ペーストを焼結させて被処理物に対して接合処理を行う接合方法であって、前記微粒子からなる前記導電ペーストを介在させた前記被処理物に対して予備加熱処理を行う予備加熱処理過程と、当該予備加熱処理過程の後で、減圧下で前記被処理物に対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行うプラズマ処理過程とを備えることで、前記微粒子からなる前記導電ペーストを焼結させて前記被処理物に対して接合処理を行うことを特徴とするものである。
本発明に係る接合方法によれば、先ず、予備加熱処理過程は、金属または金属酸化物の微粒子からなる、有機成分を有する導電ペーストを介在させた被処理物に対して予備加熱処理を行う。この予備加熱処理では、知見でも述べたように比較的に低温（６０℃〜１００℃）であって、微粒子を含む接着剤（すなわち導電性ペースト）に含まれる有機成分（溶剤や分散剤）を低温で徐々に抜く。この予備加熱処理によって、当該接着剤からなる接合層と被処理物との界面でのボイドがなくなる。この予備加熱処理過程の後で、プラズマ処理過程は、減圧下で被処理物に対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行う。すなわち、プラズマ照射ＯＮ・プラズマ照射ＯＦＦ（プラズマ照射の停止）のサイクルを複数回繰り返すことによって、プラズマ照射を断続的に行う。減圧下でプラズマ処理を行うので、接着剤に含まれる有機成分を取り除く。このプラズマ処理によって、当該接着剤からなる接合層内に存在する空隙が均一になり、結果的に緻密な接合層が形成される。上述した予備加熱処理およびプラズマ処理により接合層と被処理物との界面でのボイドがなくなるので接合能力が高くなる。さらに、予備加熱処理および断続的なプラズマ照射により、微粒子において適度な粒子の成長制御を行っているので、（１）緻密な接合層を形成することができ、粒子同士の接点が多くなり温度サイクル試験を行ってもクラック進行が抑制される、（２）微粒子による接合界面のダメージ（損傷）がない。その結果、緻密な接合層および良好な接合界面が可能で、高い温度サイクル耐性を有した接合層を形成することができる。また、プラズマ照射を断続的に行うので、プラズマ処理での処理温度を抑えることができる。その結果、被処理物の温度上昇を抑えつつ高い温度サイクル耐性を有した接合層を形成することができる。
なお、本明細書中では、「空隙」と「ボイド」とを互いに区別して定義しており、「空隙」とは接合層内に存在する粒子サイズ（ミクロサイズ）の空間を示し、「ボイド」とは接合層と被処理物との界面に主に生じるマクロサイズの空間を示す。
上述した本発明に係る接合方法において、上述したプラズマ処理過程の後で、被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理過程を備えるのが好ましい。この本加熱処理によって、接着剤に残留する分散剤を揮発させ、微粒子の固相拡散接合を進展させる。これにより無加圧でも緻密な接合層および良好な接合界面を実現することができる。
上述した本発明に係る接合方法において、上述したプラズマ処理過程の後で、被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理過程を備えるのが好ましい。この冷却処理によって、残留応力を軽減することができる。
上述した本発明に係る接合方法において、上述したプラズマ処理過程の後で、被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理過程と、当該本加熱処理過程の後で、被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理過程とを備えるのが好ましい。すなわち、上述した本加熱処理過程および冷却処理過程を両方備えて実行することにより、残留応力を軽減しつつ無加圧でも緻密な接合層および良好な接合界面を実現することができる。
また、本発明に係る接合装置は、金属または金属酸化物の微粒子からなる、有機成分を有する導電ペーストを焼結させて被処理物に対して接合処理を行う接合方法に用いられる接合装置であって、前記微粒子からなる前記導電ペーストを介在させた前記被処理物に対して予備加熱処理を行う予備加熱処理部と、当該予備加熱処理部における予備加熱処理の後で、減圧下で前記被処理物に対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行うプラズマ処理部とを備えることで、前記微粒子からなる前記導電ペーストを焼結させて前記被処理物に対して接合処理を行うことを特徴とするものである。
本発明に係る接合装置によれば、上述した本発明に係る接合方法を好適に実施することができる。
上述した本発明に係る接合方法と同様に、本発明に係る接合装置において、プラズマ処理部におけるプラズマ処理の後で、被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理部を備えるのが好ましい。本加熱処理過程を備えた接合方法を好適に実施することができる。
上述した本発明に係る接合方法と同様に、本発明に係る接合装置において、プラズマ処理部におけるプラズマ処理の後で、被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理部を備えるのが好ましい。冷却処理過程を備えた接合方法を好適に実施することができる。
上述した本発明に係る接合方法と同様に、本発明に係る接合装置において、プラズマ処理部におけるプラズマ処理の後で、被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理部と、当該本加熱処理部における本加熱処理の後で、被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理部とを備えるのが好ましい。本加熱処理過程および冷却処理過程を両方備えた接合方法を好適に実施することができる。
上述した本発明に係る接合装置において、上述した予備加熱処理部およびプラズマ処理部を同一のチャンバーで構成してもよい。同一のチャンバーで構成することで各々の処理部間を外部で移送させる必要がなくなり、各々の処理を精度良く行うことができる。
同様に、上述した本加熱処理部を備えた接合装置において、上述した予備加熱処理部，プラズマ処理部および本加熱処理部を同一のチャンバーで構成してもよい。同一のチャンバーで構成することで各々の処理部間を外部で移送させる必要がなくなり、各々の処理を精度良く行うことができる。
同様に、上述した冷却処理部を備えた接合装置において、上述した予備加熱処理部，プラズマ処理部および冷却処理部を同一のチャンバーで構成してもよい。また、同様に、上述した本加熱処理部および冷却処理部を備えた接合装置において、上述した予備加熱処理部，プラズマ処理部，本加熱処理部および冷却処理部を同一のチャンバーで構成してもよい。同一のチャンバーで構成することで各々の処理部間を外部で移送させる必要がなくなり、各々の処理を精度良く行うことができる。
特に、上述した冷却処理部を少なくとも備えて、かつ同一のチャンバーで構成した場合には、温度制御を行う媒体を循環させてチャンバーの温度を制御するサーキュレータ(circulator)を備えるのが好ましい。通常のヒータの場合には、昇温および定温の温度制御しか行うことができない。それに対してサーキュレータでは、媒体の温度をサーキュレータで制御することにより、昇温，定温および降温の制御が可能になる。よって、冷却処理部を少なくとも備えた場合には、サーキュレータによって降温に制御することにより、同一のチャンバーで、予備加熱処理やプラズマ処理のみならず冷却処理を行うことが可能になる。
本発明に係る接合方法によれば、予備加熱処理過程は、金属または金属酸化物の微粒子からなる、有機成分を有する導電ペーストを介在させた被処理物に対して予備加熱処理を行い、この予備加熱処理過程の後で、プラズマ処理過程は、被処理物に対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行うので、上述した予備加熱処理およびプラズマ処理により接合層と被処理物との界面でのボイドがなくなるので接合能力が高くなる。さらに、予備加熱処理および断続的なプラズマ照射により、緻密な接合層および良好な接合界面が可能である。また、プラズマ照射を断続的に行うので、プラズマ処理での処理温度を抑えることができる。その結果、被処理物の温度上昇を抑えつつ高い温度サイクル耐性を有した接合層を形成することができる。
また、本発明に係る接合装置によれば、上述した本発明に係る接合方法を好適に実施することができる。
実施例に係る接合装置の概略図であり、（ａ）は接合装置のチャンバーの断面図、（ｂ）は接合装置のステージの平面図である。 実施例に係る接合方法の一連の流れを示すフローチャートである。 （ａ）は比較のための大気圧下での加熱処理のみのサンプル断面の観察結果、（ｂ）は予備加熱処理，プラズマ処理，本加熱処理および冷却処理のサンプル断面の観察結果である。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、実施例に係る接合装置の概略図であり、図１（ａ）は接合装置のチャンバーの断面図であり、図１（ｂ）は接合装置のステージの平面図である。本実施例では、実装基板やリードフレームなどを含むフレームに、ダイシングされた半導体チップを接合して実装（マウント）するダイボンディングを例に採って説明する。したがって、本実施例では、接合の対象となる被処理物として、半導体チップおよびフレームを例に採って説明する。
本実施例では、接合装置は、図１（ａ）に示すように、チャンバー１を備えている。本実施例では、チャンバー１は、本発明における予備加熱処理部に相当し、プラズマ処理部にも相当し、本加熱処理部にも相当し、冷却処理部にも相当する。つまり、本実施例では、本発明における予備加熱処理部，プラズマ処理部，本加熱処理部および冷却処理部を同一のチャンバーで構成している。
その他に、接合装置は、導電性ペーストＰを介在させた半導体チップＣおよびフレームＦを載置するステージ２を備えており、チャンバー１の外部に温度制御を行う媒体を循環させてチャンバー１の温度を制御するサーキュレータ(circulator)３を備えている。フレームＦにおいて実装基板にメッキや配線等が施されており、半導体チップＣにはバックメタルあるいは電極が設けられているが、これらについては図示を省略する。半導体チップCについては、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体を使用する。実装基板については、放熱のための金属基板、配線間ではガラスエポキシ基板、セラミック基板などの絶縁基板を使用する。導電性ペーストＰについては、金属または金属酸化物の微粒子からなるペーストを使用する。半導体チップＣおよびフレームＦは、本発明における被処理物に相当する。
図１（ｂ）に示すように、ステージ２の内部に金属配管４が設けられており、金属配管４の上流および下流をサーキュレータ３（図１（ａ）を参照）に接続することで媒体を循環させる。本実施例では、媒体としてオイルを用いており、オイル循環式の温度制御方式でサーキュレータ３から金属配管４にオイルを流すことでオイルを循環させる。そのオイルの温度をサーキュレータ３で制御することにより、ステージ２，さらにはチャンバー１の温度を制御することが可能になる。また、媒体がオイルの場合には、昇温，定温および降温の制御が可能になり、本実施例のプロセス（予備加熱処理，プラズマ処理部，本加熱処理部および冷却処理部）に最適な温度制御性を有する。
後述する理由から明らかなように、銀以外の導電性ペーストＰを用いて接合する場合であっても、接合能力が高い状態で無加圧接合を行うことができる。よって、金属の選択性が広まり、金や銀などの貴金属以外の金属も使用することができる。特に、銅や錫や亜鉛やアルミニウムなどの卑金属もしくはそれらの合金などを使用することができる。
プラズマ処理の他に還元を行う場合には、導電性ペーストＰについては、金属の微粒子からなるペーストを使用してもよいし、金属酸化物の微粒子からなるペーストを還元効果により使用してもよい。
また、基材（ここではフレームＦ）やチップ（ここでは半導体チップＰ）の材料・温度特性に応じて金属を選択することが可能であるので、金属部への選択的な処理により基材やチップへの温度によるダメージを低減させることができるという効果をも奏する。さらには、例えば金属による温度上昇率の違いからアルミニウムパッド（アルミパッド）が設けられたチップについても、アルミニウムの温度を上昇させずに接続部の金属を選択的に温度上昇させることも可能である。なお、半導体チップについてＳｉＣのような脆い物質を使用したとしても、無加圧接合の場合にはダメージを受けることはない。
また、導電性ペーストＰについては、上述したように、金や銀などの貴金属を使用してもよいし、銅や錫や亜鉛やアルミニウムなどの卑金属もしくはそれらの合金を使用してもよい。また、導電性ペーストＰは、ナノサイズ〜ミクロンサイズの金属または金属酸化物の微粒子でも対応可能である。また、導電性ペーストＰとしてナノサイズ以外の粒子を使用することで低コスト化を図ることが可能である。また、微粒子の形状については球状などに限定されない。
この他に、接合装置は、図１（ａ）に示すように、マイクロ波を伝送するための導波管５と、マイクロ波を放射するスロットアンテナ６と、マイクロ波の伝搬によりプラズマＰＭを生成する石英管７と、プラズマＰＭのためのガスや、加熱や冷却のための空気や窒素（Ｎ２）などの気体（図１（ａ）では「Ｇａｓ」で表記）を供給する供給管８と、ガスを排気する排気管９と、排気管９を介してチャンバー１の内部を減圧にして真空にする真空ポンプ１０とを備えている。スロットアンテナ６および石英管７を介してマイクロ波によりプラズマＰＭを励起する。
図１（ａ）では供給管８を２つ図示しているが、単数であってもよいし、３つ以上であってもよい。本実施例ではプラズマＰＭのためのガス（プロセスガス）については、水素（Ｈ２）を用いる。また、後述する予備加熱処理や本加熱処理や冷却処理で用いられる気体については、空気を用いる。本実施例では、これらの予備加熱処理や本加熱処理や冷却処理では常圧下で行われるので、空気を用いることで大気圧となる。なお、本加熱処理や冷却処理では空気雰囲気でもよいが、酸化が懸念される材料を被処理物（半導体チップＣやフレームＦ）や導電性ペーストＰに用いる場合には、窒素雰囲気にすることなどで酸化を防止することができる。
供給管８を通してチャンバー１内に水素からなるプロセスガスを供給して、当該プロセスガスにマイクロ波のエネルギーを付加することにより、プラズマＰＭをチャンバー１内で発生させる。そして、ステージ２に載置された半導体チップＣおよびフレームＦに対してプラズマ処理を行う。プロセスガスにマイクロ波のエネルギーを付加する以外にも、電力を電極（図示省略）に印加して、プラズマ放電によりプラズマＰＭをチャンバー１内で発生させてもよい。
続いて、本実施例に係る接合方法について、図２を参照して説明する。図２は、実施例に係る接合方法の一連の流れを示すフローチャートである。図２では、大気圧下で熱を均一に分布させるために、先ずステップＳ１を行うものとして説明する。
（ステップＳ１）大気圧下での加熱
大気圧になっていない場合には、先ず、供給管８を通してチャンバー１内に空気を常圧に達するまで供給する。既に、大気圧の状態になっている場合には、空気を供給する必要はない。大気圧の状態でサーキュレータ３から金属配管４にオイルを流すことで、大気圧下で低温に加熱する。ステージ２の温度は６０℃〜１００℃である。大気圧下で加熱することにより、大気圧下で熱を均一に分布させる。
（ステップＳ２）半導体チップおよびフレームの載置
大気圧の状態でステージ２の温度を６０℃〜１００℃の低温に保ち続けた状態で、導電性ペーストＰを介在させた半導体チップＣおよびフレームＦをステージ２に載置する。
（ステップＳ３）予備加熱処理
大気圧の状態でステージ２の温度を６０℃〜１００℃の低温に保ち続けた状態で、導電性ペーストＰを介在させた半導体チップＣおよびフレームＦをステージ２に載置すると、大気圧下で半導体チップＣおよびフレームＦに対して予備加熱処理を行う。この予備加熱処理を行うことで導電性ペーストＰに含まれる有機成分（溶剤や分散剤）を低温で徐々に抜く。この予備加熱処理によって、導電性ペーストＰからなる接合層と半導体チップＣおよびフレームＦとの界面でのボイドをなくす。このステップＳ３は、本発明における予備加熱処理過程に相当する。
（ステップＳ４）プラズマ処理
チャンバー１の内部を真空ポンプ１０により排気管９を用いて減圧した後に、ステージ２の温度を１００℃〜１５０℃に昇温して、供給管８を通してチャンバー１内に水素を供給する。そして、導波管５を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を伝送し、スロットアンテナ６および石英管７を介してマイクロ波により水素プラズマを励起し、半導体チップＣおよびフレームＦに水素プラズマを照射することによりプラズマ処理を行う。
上述したようにステージ２の温度は１００℃〜１５０℃であるが、プラズマ照射による温度上昇分だけ概ね３０℃〜７０℃が上乗せされる。温度上昇分だけ上乗せされたとしても、プラズマ処理での処理温度を２５０℃未満に抑えることができる。このプラズマ処理によって、導電性ペーストＰからなる接合層内に存在する空隙を均一にして緻密な接合層を形成する。プラズマ照射ＯＮ・プラズマ照射ＯＦＦ（プラズマ照射の停止）のサイクルを複数回繰り返すことによって、プラズマ照射を断続的に行う。プラズマ照射によって半導体チップＣおよびフレームＦの温度が上昇してしまうが、プラズマ照射を断続的に行うことで、半導体チップＣおよびフレームＦの温度上昇を抑えつつ、有機成分を取り除くために必要な時間分だけ、プラズマ照射を行うことが可能になる。
圧力は、プラズマ照射ＯＮ時には１０Ｐａ〜１００Ｐａの中真空、プラズマ照射ＯＦＦ時には６００Ｐａ〜２０，０００Ｐａの低真空とする。なお、真空容積が約０．０１２ｍ３の場合には、水素流量は２０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍである。プラズマ照射ＯＦＦ時において低真空にする理由は、プラズマ照射で半導体チップＣおよびフレームＦに蓄積された熱をステージ２に放熱するためである。なお、物体の接触（ここではステージ２の接触）による放熱では、中真空領域では熱伝導が悪いので、放熱性を上げるために低真空は６００Ｐａ以上が好ましい。ただし、あまり圧力を上げるとプラズマを再度照射するときの真空引きに時間を要してしまう。本明細書中では、低真空を６００Ｐａ〜２０，０００Ｐａとし、中真空を１Ｐａ〜１００Ｐａとする。
これにより、ステップＳ４における半導体チップＣおよびフレームＦのピーク温度を一定以下に抑えることが可能になる。例えば、５ｍｍ四方のチップを利用した場合には、プラズマ照射の回数は、５回以上である。ＯＮ／ＯＦＦのサイクルは、ＯＮ時間が５秒〜１５秒、ＯＦＦ時間が２０秒〜４０秒となる。もちろん、プラズマ照射の回数やＯＮ／ＯＦＦのサイクルは上記に限定されない。チップサイズや同時に処理する処理数（サンプル数）にもよるが、チップサイズや同時に処理するサンプル数が大きくなるほど、プラズマ照射の回数は多くなる傾向がある。このステップＳ４は、本発明におけるプラズマ処理過程に相当する。
（ステップＳ５）本加熱処理
チャンバー１の内部を真空ポンプ１０により排気管９を用いて水素を除去する。水素を除去した後に、供給管８を通してチャンバー１内に空気を常圧に達するまで供給して大気圧の状態にするとともに、ステージ２の温度を２００℃〜３００℃に昇温する。そして、大気圧下で半導体チップＣおよびフレームＦに対して本加熱処理を行う。この本加熱処理によって、接着剤に残留する分散剤を揮発させ、微粒子の固相拡散接合を進展させる。これにより無加圧でも緻密な接合層を実現することができる。このステップＳ５は、本発明における本加熱処理過程に相当する。
（ステップＳ６）冷却処理
大気圧の状態を保ったまま、半導体チップＣおよびフレームＦを徐々に冷却する。昇温と同様に、サーキュレータ３から金属配管４にオイルを流すことで、大気圧下で徐々に降温することにより冷却する。ステージ２をステップＳ５の２００℃〜３００℃から徐々に下げていって１５０℃以下にする。例えば冷却速度５℃／分で冷却すればよい。もちろん、冷却速度は上記に限定されない。材料に応じて適宜変えればよい。
ステップＳ５の固相拡散時に接合層に残留応力が発生する。ステップＳ５から急冷を行えば、残留応力がそのまま蓄積されるが、徐々に冷却することで残留応力を軽減することが可能になる。これにより温度サイクル（半導体外部からの温度）やパワーサイクル（半導体内部の温度）に対して信頼性が向上する。このステップＳ６は、本発明における冷却処理過程に相当する。
なお、上述したステップＳ５（本加熱処理）およびステップＳ６（冷却処理）では、空気を用いることにより空気雰囲気で行ったが、必ずしも空気である必要はない。例えば、酸化が懸念される材料を半導体チップやフレームＦや導電性ペーストＰに用いる場合には、窒素を用いることにより窒素雰囲気にすることなどで酸化を防止することができる。
なお、上述したステップＳ３（予備加熱処理）およびステップＳ４（プラズマ処理）は、有機成分（溶剤および分散剤）を除去することが目的であり、特にステップＳ４（プラズマ処理）により、溶剤の殆どおよび分散剤の一部を除去する。これにより、上述したステップＳ５（本加熱処理）で溶剤の揮発に伴って発生する内圧がかからないので、無加圧でも緻密な接合層の焼結を行うことができる。ステップＳ６（冷却処理）はステップＳ５（本加熱処理）で蓄積される接合層の残留応力を低減するために行われる。これにより、信頼性（温度サイクルおよびパワーサイクル）を向上することができる。
本実施例に係る接合方法によれば、先ず、ステップＳ３の予備加熱処理は、金属または金属酸化物の微粒子からなる導電性ペーストＰを介在させた半導体チップＣおよびフレームＦに対して予備加熱処理を行う。この予備加熱処理では、知見や本実施例でも述べたように比較的に低温（６０℃〜１００℃）であって、微粒子を含む接着剤（導電性ペーストＰ）に含まれる有機成分（溶剤や分散剤）を低温で徐々に抜く。この予備加熱処理によって、当該接着剤からなる接合層と半導体チップＣおよびフレームＦとの界面でのボイドがなくなる。このステップＳ３の予備加熱処理の後で、ステップＳ４のプラズマ処理は、減圧下で半導体チップＣおよびフレームＦに対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行う。すなわち、プラズマ照射ＯＮ・プラズマ照射ＯＦＦ（プラズマ照射の停止）のサイクルを複数回繰り返すことによって、プラズマ照射を断続的に行う。減圧下でプラズマ処理を行うので、接着剤に含まれる有機成分を取り除く。このプラズマ処理によって、当該接着剤からなる接合層内に存在する空隙が均一になり、結果的に緻密な接合層が形成される。上述したステップＳ４の予備加熱処理およびステップＳ５のプラズマ処理により接合層と被処理物との界面でのボイドがなくなるので接合能力が高くなる。さらに、予備加熱処理および断続的なプラズマ照射により、微粒子において適度な粒子の成長制御を行っているので、（１）緻密な接合層を形成することができ、粒子同士の接点が多くなり温度サイクル試験を行ってもクラック進行が抑制される、（２）微粒子による接合界面のダメージ（損傷）がない。その結果、緻密な接合層および良好な接合界面が可能で、高い温度サイクル耐性を有した接合層を形成することができる。また、プラズマ照射を断続的に行うので、プラズマ処理での処理温度を抑えることができる。その結果、半導体チップＣおよびフレームＦの温度上昇を抑えつつ高い温度サイクル耐性を有した接合層を形成することができる。
本実施例のように、上述したステップＳ４のプラズマ処理の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して本加熱処理（ステップＳ５）を行うのが好ましい。この本加熱処理によって、接着剤に残留する分散剤を揮発させ、微粒子の固相拡散接合を進展させる。これにより無加圧でも緻密な接合層および良好な接合界面を実現することができる。
本実施例のように、上述したステップＳ４の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して冷却処理（ステップＳ６）を行うのが好ましい。この冷却処理によって、残留応力を軽減することができる。
また、本実施例では、上述したステップＳ４のプラズマ処理の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して本加熱処理（ステップＳ５）を行い、当該ステップＳ５の本加熱処理の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して冷却処理（ステップＳ６）を行うのが好ましい。すなわち、上述したステップＳ５の本加熱処理およびステップＳ６の冷却処理を両方実行することにより、残留応力を軽減しつつ無加圧でも緻密な接合層および良好な接合界面を実現することができる。
本実施例に係る接合装置は、金属または金属酸化物の微粒子からなる導電性ペーストＰを介在させた半導体チップＣおよびフレームＦに対して予備加熱処理を行う予備加熱処理部（本実施例ではチャンバー１）と、当該予備加熱処理部（チャンバー１）における予備加熱処理の後で、減圧下で半導体チップＣおよびフレームＦに対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行うプラズマ処理部（本実施例ではチャンバー１が兼用）とを備える。このようなチャンバー１を備えることで、微粒子を焼結させて半導体チップＣおよびフレームＦに対して接合処理を行っている。
本実施例に係る接合装置によれば、上述した本実施例に係る接合方法（ステップＳ３，Ｓ４）を好適に実施することができる。
本実施例に係る接合方法と同様に、本実施例に係る接合装置において、プラズマ処理部（本実施例ではチャンバー１）におけるプラズマ処理の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して本加熱処理を行う本加熱処理部（本実施例ではチャンバー１が兼用）を備えるのが好ましい。本加熱処理（ステップＳ５）を好適に実施することができる。
本実施例に係る接合方法と同様に、本実施例に係る接合装置において、プラズマ処理部（本実施例ではチャンバー１）におけるプラズマ処理の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して冷却処理を行う冷却処理部（本実施例ではチャンバー１が兼用）を備えるのが好ましい。冷却処理（ステップＳ６）を好適に実施することができる。
本実施例に係る接合方法と同様に、本実施例に係る接合装置において、プラズマ処理部（本実施例ではチャンバー１）におけるプラズマ処理の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して本加熱処理を行う本加熱処理部（本実施例ではチャンバー１が兼用）と、当該本加熱処理部（チャンバー１）における本加熱処理の後で、半導体チップＣおよびフレームＦに対して冷却処理を行う冷却処理部（本実施例ではチャンバー１が兼用）とを備えるのが好ましい。本加熱処理（ステップＳ５）および冷却処理（ステップＳ６）を好適に実施することができる。
本実施例に係る接合装置において、上述した予備加熱処理部，プラズマ処理部，本加熱処理部および冷却処理部を同一のチャンバー１で構成している。同一のチャンバー１で構成することで各々の処理部間を外部で移送させる必要がなくなり、各々の処理を精度良く行うことができる。
特に、本実施例のように上述した冷却処理部を少なくとも備えて、かつ同一のチャンバー１で構成した場合には、温度制御を行う媒体を循環させてチャンバーの温度を制御するサーキュレータ(circulator)３を備えるのが好ましい。通常のヒータの場合には、昇温および定温の温度制御しか行うことができない。それに対してサーキュレータ３では、媒体（本実施例ではオイル）の温度をサーキュレータ３で制御することにより、昇温，定温および降温の制御が可能になる。よって、冷却処理部を少なくとも備えた場合には、サーキュレータ３によって降温に制御することにより、同一のチャンバー１で、予備加熱処理やプラズマ処理のみならず冷却処理を行うことが可能になる。
［実験結果］
以下の条件で実験結果を行って観察を行った。ベース基板（実装基板）は、銀（Ａｇ）をメッキした銅板を使用し、サイズは２０ｍｍ四方×厚み０．８ｍｍである。チップは、チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），銀の順にメッキした銅片もしくはチタン，ニッケル，銀の順にメタライズしたＳｉＣを使用し、サイズは５ｍｍ四方である。接合材（ペースト）は、市販品の焼結銀ペースト（酸素燃焼タイプ，推奨焼成条件は２００℃で１時間）を使用した。塗布はディスペンサで行い、実装は荷重制御が可能な実装機を使用した。
プロセスは、予備加熱処理過程，プラズマ処理過程，本加熱処理過程および冷却処理過程の４段階で構成される。サンプル（ベース基板＋チップ）をステージ上に設置して次の手順で処理を進める。先ず、空気雰囲気の予備加熱処理過程で、ヒータ加熱によりペーストの溶媒成分（溶剤や分散剤などの有機成分）を低温で徐々に抜く。このときのステージの温度は実施例と同様に６０℃〜１００℃である。次に、プラズマ処理過程で、水素（Ｈ２）プラズマを照射してペーストに含有される有機成分（溶剤や分散剤）を取り除く。このときのステージの温度は実施例と同様に１００℃〜１５０℃である。空気雰囲気もしくは窒素雰囲気の本加熱処理過程で、ヒータ加熱の温度を上げて焼結性を上げる。このときのステージの温度は実施例と同様に２００℃〜３００℃である。最後に、本加熱処理過程終了後に、実施例と同様に冷却速度５℃／分でステージを徐々に下げてサンプルを冷却した。
上述したプロセス後のサンプル断面の観察を行った。図３（ａ）は大気圧下での加熱処理のみのサンプル断面の観察結果であり、図３（ｂ）は予備加熱処理，プラズマ処理，本加熱処理および冷却処理のサンプル断面の観察結果である（図３中の「Ｍ」はメタライズ層）。大気圧下での加熱処理のみを行った場合には、図３（ａ）のように粒子が成長し過ぎて、（３）疎な接合層となり、粒子同士の接点が少なくなり温度サイクル試験を行うとクラックが進行され易くなる、（４）メタライズ層（図３（ａ）では銀）が、過度に成長した粒子による浸食を受けて、接合界面（図３（ａ）では銀の下にあるニッケル）にダメージが出ていることが確認された。これに対して、空気雰囲気の予備加熱処理，プラズマ処理，本加熱処理および冷却処理を行った場合には、図３（ｂ）のように特に予備加熱処理および断続的なプラズマ照射により、微粒子において適度な粒子の成長制御を行っているので、（１）緻密な接合層を形成することができ、粒子同士の接点が多くなり温度サイクル試験を行ってもクラック進行が抑制される、（２）微粒子による接合界面（図３（ａ）ではメタライズ層の界面）のダメージ（損傷）がないことが確認された。予備加熱処理および断続的なプラズマ照射により、緻密な接合層および良好な接合界面を作り出すことができることが判った。
本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）上述した実施例では、被処理物として、ダイボンディングによる半導体チップおよびフレームを例に採って説明したが、ダイボンディング後のワイヤボンディングへの適用や、電極などが配線された配線基板に半導体チップを接合する電極接合への適用などに例示されるように、接合の対象となり得るものであれば、特に限定されない。
（２）上述した実施例では、接合の対象となる複数（実施例では２つ）の被処理物のうち、一方が例えば半導体チップで、他方が例えば金属基板や絶縁基板からなる実装基板などのように、いずれか１つが半導体であったが、両方とも半導体であってもよい。もちろん、接合の対象となり得るものであれば、半導体に限定されない。また、接合の数は２つに限定されず、３つ以上の複数であってもよい。
（３）上述した実施例では、図２に示すように、ステップＳ３（予備加熱処理），ステップＳ４（プラズマ処理），ステップＳ５（本加熱処理）およびステップＳ６（冷却処理）を行ったが、少なくともステップＳ３（予備加熱処理）およびステップＳ４（プラズマ処理）を行うならば、必ずしもステップＳ５（本加熱処理）およびステップＳ６（冷却処理）を行う必要はない。ただし、微粒子の固相拡散接合を進展させるには本加熱処理を行うのが好ましく、残留応力を軽減するには冷却処理を行うのが好ましい。よって、目的に応じて、ステップＳ３（予備加熱処理）およびステップＳ４（プラズマ処理）のみを行ってもよいし、ステップＳ３（予備加熱処理），ステップＳ４（プラズマ処理）およびステップＳ５（本加熱処理）を行ってもよいし、ステップＳ３（予備加熱処理），ステップＳ４（プラズマ処理）およびステップＳ６（冷却処理）を行ってもよいし、上述した実施例のようにステップＳ３（予備加熱処理），ステップＳ４（プラズマ処理），ステップＳ５（本加熱処理）およびステップＳ６（冷却処理）を行ってもよい。
（４）上述した実施例では、ステップＳ３（予備加熱処理）では、空気を用いることにより空気雰囲気で行ったが、空気に限定されない。ステップＳ５（本加熱処理）やステップＳ６（冷却処理）でも述べたように窒素を用いることにより窒素雰囲気で行ってもよい。
（５）上述した実施例では、プラズマのためのガス（プロセスガス）については、水素（Ｈ２）を用いたが、水素に限定されない。酸素や窒素の他に、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの希ガスを用いてもよい。
（６）上述した実施例では、上述した予備加熱処理部，プラズマ処理部，本加熱処理部および冷却処理部を同一のチャンバーで構成したが、必ずしも各々の処理部を同一のチャンバーで構成する必要はない。例えば、予備加熱処理部およびプラズマ処理部のみを同一のチャンバーで構成してもよいし、予備加熱処理部，プラズマ処理部および本加熱処理部を同一のチャンバーで構成してもよいし、予備加熱処理部，プラズマ処理部および冷却処理部を同一のチャンバーで構成してもよい。ただし、各々の処理を精度良く行うには上述した実施例のように各々の処理部を同一のチャンバーで構成するのが好ましい。
（７）上述した実施例では、温度制御を行う媒体を循環させてチャンバーの温度を制御するサーキュレータを備えたが、冷却処理のような降温の制御を行わない場合には、予備加熱処理やプラズマ処理や本加熱処理において通常のヒータを用いてもよい。また、ヒータについては、ステージ内に設けられた電気ヒータの他にも、被処理物の近傍に設けられた電気ヒータや、電気ヒータ以外のＳｉＣからなるマイクロ波加熱ヒータや、ランプヒータなどに例示されるように、通常において昇温の制御に用いられるものであれば、特に限定されない。
（８）上述した実施例では、サーキュレータの媒体としてオイルを用いており、オイル循環式の温度制御方式を採用したが、媒体はオイルなどの液体に限定されない。例えば、気体であってもよい。
（９）上述した実施例では、予備加熱処理や本加熱処理や冷却処理を、常圧下（実施例では空気の場合には大気圧下）で行ったが、プラズマ処理と同様に減圧下で行ってもよいし、逆に常圧よりも高い陽圧下で行ってもよい。
１ … チャンバー
３ … サーキュレータ(circulator)
Ｃ … 半導体チップ
Ｆ … フレーム
Ｐ … 導電性ペースト
ＰＭ … プラズマ

Claims (13)

  1. 金属または金属酸化物の微粒子からなる、有機成分を有する導電ペーストを焼結させて被処理物に対して接合処理を行う接合方法であって、
    前記微粒子からなる前記導電ペーストを介在させた前記被処理物に対して予備加熱処理を行う予備加熱処理過程と、
    当該予備加熱処理過程の後で、減圧下で前記被処理物に対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行うプラズマ処理過程と
    を備えることで、前記微粒子からなる前記導電ペーストを焼結させて前記被処理物に対して接合処理を行うことを特徴とする接合方法。
  2. 請求項１に記載の接合方法において、
    前記プラズマ処理過程の後で、前記被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理過程を備えることを特徴とする接合方法。
  3. 請求項１に記載の接合方法において、
    前記プラズマ処理過程の後で、前記被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理過程を備えることを特徴とする接合方法。
  4. 請求項１に記載の接合方法において、
    前記プラズマ処理過程の後で、前記被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理過程と、
    当該本加熱処理過程の後で、前記被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理過程と
    を備えることを特徴とする接合方法。
  5. 金属または金属酸化物の微粒子からなる、有機成分を有する導電ペーストを焼結させて被処理物に対して接合処理を行う接合方法に用いられる接合装置であって、
    前記微粒子からなる前記導電ペーストを介在させた前記被処理物に対して予備加熱処理を行う予備加熱処理部と、
    当該予備加熱処理部における予備加熱処理の後で、減圧下で前記被処理物に対してプラズマ照射を断続的に行ってプラズマ処理を行うプラズマ処理部と
    を備えることで、前記微粒子からなる前記導電ペーストを焼結させて前記被処理物に対して接合処理を行うことを特徴とする接合装置。
  6. 請求項５に記載の接合装置において、
    前記プラズマ処理部におけるプラズマ処理の後で、前記被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理部を備えることを特徴とする接合装置。
  7. 請求項５に記載の接合装置において、
    前記プラズマ処理部におけるプラズマ処理の後で、前記被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理部を備えることを特徴とする接合装置。
  8. 請求項５に記載の接合装置において、
    前記プラズマ処理部におけるプラズマ処理の後で、前記被処理物に対して本加熱処理を行う本加熱処理部と、
    当該本加熱処理部における本加熱処理の後で、前記被処理物に対して冷却処理を行う冷却処理部と
    を備えることを特徴とする接合装置。
  9. 請求項５に記載の接合装置において、
    前記予備加熱処理部および前記プラズマ処理部を同一のチャンバーで構成することを特徴とする接合装置。
  10. 請求項６に記載の接合装置において、
    前記予備加熱処理部，前記プラズマ処理部および前記本加熱処理部を同一のチャンバーで構成することを特徴とする接合装置。
  11. 請求項７に記載の接合装置において、
    前記予備加熱処理部，前記プラズマ処理部および前記冷却処理部を同一のチャンバーで構成することを特徴とする接合装置。
  12. 請求項８に記載の接合装置において、
    前記予備加熱処理部，前記プラズマ処理部，前記本加熱処理部および前記冷却処理部を同一のチャンバーで構成することを特徴とする接合装置。
  13. 請求項１１または請求項１２に記載の接合装置において、
    温度制御を行う媒体を循環させて前記チャンバーの温度を制御するサーキュレータを備えることを特徴とする接合装置。
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