JP6569107B2 - 接合方法、接合装置及び接合物を含む構造体 - Google Patents
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Description
特に近年では、異種材料を接合するため、デバイスの熱損傷や実装時の熱応力を低減させることができる比較的低温での接合技術が求められている。
下記実施形態において、「ウエハ(以下、基板とも称する)」とは、板状の半導体を含むが、これに限定されず、半導体以外にも、ガラス、セラミックス、金属、プラスチック等の材料、又はこれらの複合材料により形成されていてもよく、円形、長方形等の種々の形状に形成される。
本実施形態に係る接合方法は、金属領域を含む接合部を有する接合物同士の接合方法であって、少なくとも一方の金属領域を水素ラジカル雰囲気に暴露する終端化処理ステップと、終端化処理された金属領域を他方の接合物の金属領域に接触させる取付けステップと、を備えることを特徴とする。
これらの材料は、酸素や水が存在する環境、例えば大気暴露等で酸化し易いという特性があり、本実施形態に係る接合方法は、このような酸化し易い材料で接合部の金属領域を形成した場合に特に有効である。例えば、一方の接合部を上記の材料により形成された金属領域を含むようにして、他方の接合部の金属領域をAu等の酸化し難い材料で形成した場合には、Auで形成された金属領域については、終端化処理等を施す必要はない。このような異種材料同士の接合であっても、本実施形態の接合方法が好ましく適用される。
終端化処理ステップでは、接合物の接合部の金属領域の表面について、水素ラジカル雰囲気に暴露することにより、終端化処理を行う。この終端化処理によって、金属領域表面の金属原子には水素原子が結合した状態となる。このような状態の金属領域の表面は、疎水性を備えることとなり、大気中に存在する酸素や水分子などに由来する酸化が金属領域の内部まで進行することを抑制する機能を備えると考えられる。換言すれば、この水素終端作用により、金属領域に酸化抑制機能が備わる。
この終端化処理は、例えば図4に示すような装置を用いて行われる。このような装置では、反応ガスとして水素を供給し、例えばマイクロウェーブなどによる高周波により水素をプラズマ化し、メタルプレートと穴を通過する時にイオンをトラップし、水素ラジカルのみがダウンフローで対象物に降り注ぐ。
また、この装置は加熱機能を備えていてもよく、水素終端の前に酸化膜を除去するための、還元雰囲気での加熱による還元処理を行うことも可能である。
また、終端化処理ステップの後、大気暴露されてハンドリングされたものは、酸化が抑制され薄い膜しかできていないため、運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで容易に除去できる。これに対して、終端化処理されていない通常の大気中で着いた酸化膜は強固な結晶構造で、かつ厚膜となっており、運動エネルギーを有する粒子を衝突させるにしても容易ではなく、強すぎると表面を荒らしてしまうことがある。この表面活性化処理から 取付けステップの間は酸化雰囲気に暴露することなく、真空中や、窒素や不活性ガスなど非酸化雰囲気に保つ必要がある。また、取付け時に加熱しても良いし、固相に限らず加熱によりハンダを溶融させても良い。終端膜を除去することでより接合がしやすくなる。
取付けステップでは、終端化処理された一方の接合物の金属領域を、他方の接合物の金属領域に接触させる。
これにより、金属領域に存在する水素終端された界面は薄いが、加圧することで界面の微小な凹凸をつぶし、接触面積を増加させて接合強度を向上させることができる。
加熱時に加圧を伴うことで、金属領域の接合界面の微小な凹凸をつぶし、接触面積を増加させて接合強度をより向上させることができる。
一方、接合部の平坦度が低いもの(例えば表面粗さが数十〜数百nmのもの)の場合は、加圧(数十M〜数百MPa)により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱(例えば150℃)により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合部積を大きくすることができる。
従来のハンダを利用した接合方法では、ハンダを溶融させて接合させていた。しかし本実施形態の接合方法においては、接合部の金属領域を溶融させる必要はなく、固相状態での接合が可能となる。金属領域を固相状態としたままで接合できることにより、低温で接合できるという利点があり、熱膨張による歪みが低減されることや電極の位置合わせアライメント精度の向上などといった有利な効果が得られる。また、ハンダは溶融すると微小な力でつぶれてしまうため、チップや基板の加熱によって生じる反り力に耐えられないことがあるが、固相状態での接合ではこのような問題が解消される。
閉じた環状の金属領域MR3は、チップの基板への接合が完了すると、その内部の金属領域MRに係る接合界面を外部雰囲気に対して封止する。すなわち、外部雰囲気は金属領域MRに係る接合界面に到達することができない。よって、接合工程が完了した後に樹脂等を用いて接合箇所を封止することを必要とせずに、大気の侵入に起因する酸化、チップと基板間への不純物の混入等による接合界面の電気的又は機械的特性の悪化を防ぐことができる。
また基板の接合部は、シリコン(Si)、酸化ケイ素(SiO2)等の非金属材料を用いて形成されてもよい。この場合は、チップの金属領域は、基板と接合して、チップと基板との間の接合強度を高めることができる。
実施形態2に係る接合方法は、基本的な構成は上記実施形態1と同様である。
チップ側接合部及び基板の接合部(以下、接合部とも称する)に、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで表面活性化処理を行う。
プラズマ発生装置は、例えば、100Wで稼動して、アルゴン(Ar)のプラズマを発生させて、このプラズマを接合部に600秒ほど照射させるように使用されてもよい。
イオンビーム源は、例えば110V、3Aで稼動して、アルゴン(Ar)を加速させ600秒ほど接合部に照射せるように使用されてもよい。
金属領域の表面から1〜100nmの深さの金属領域がアモルファス化された、金属領域の表面は、結晶構造が不均一となり、異種材料間の接合に、より好ましいといえる。
上記の実施形態1及び2で説明したように、水素ラジカル雰囲気での終端化処理を行うか、あるいは表面活性化処理された表面に対して水素ラジカル雰囲気での終端化処理を行うことにより、接合部(金属領域)の表面を水素で効率的に終端化処理することができる。これにより、接合部表面の酸化抑制機能が備わり、当接合部を大気中に晒した場合であっても、その後接合処理を行うことが可能となる。特に、表面活性化処理をFAB法として、水素ラジカルで終端化処理した場合、接合部の接合性が向上し、耐酸化性もより良好なものとなる。
親水化処理は、上記終端化処理の後に行われる。接合部の親水化処理により、接合部に水酸基(OH基)が結合されると考えられている。さらには、水酸基(OH基)が結合された接合部上に水分子が付着してもよい。
この水ガスは、フッ素や窒素などを含んでいてもよい。
チップと基板とを仮接合する場合、チップ側接合部の金属領域が親水か処理されたチップが、チップの金属領域が基板の接合部の金属領域に接触するように基板の対応する接合部上に取り付けられる。
本接合では、仮接合で得られたチップと基板との構造体に加熱処理等を行うことにより、チップと基板との間の所定の導電性(抵抗率)又は接合強度(機械的強度)を得ることができる。例えば、加熱処理中の最高温度は、100℃(摂氏100度)以上、チップと基板との接合外面を形成する材料の融点未満の温度に設定することが好ましい。
前記終端化処理ステップの前に酸化膜を除去しておく処理として還元処理を行うことで酸化膜が存在する金属表面におても酸化膜なく水素終端できるので有効である。
ギ酸ガスは、触媒反応により水素ラジカルとギ酸基とに分解され、これらを含む反応ガスが、その還元作用により、金属酸化物を効率よく分解して酸素を除去すると考えられている。
ギ酸により還元される金属微粒子を効率よく形成するためには、Cu2Oの表層にあるCuO膜を除去することが効果的である。Pt触媒により発生した水素ラジカルが、ギ酸基による還元反応に先立ち、このCuO膜を除去することにより、ギ酸による効率的な金属微粒子の形成が可能となる。
上記の親水化処理に加え、さらに以下の水付着処理を施してもよい。
上記の親水化処理が完了したチップを基板の対応する接合部に取り付ける前に、チップ側接合部に水(H2O)を付着させてもよい。
水付着処理は、チップ側接合部の少なくとも金属領域に水を吹き付けることで行ってもよい。吹き付けられる水は、気体状(ガス状又は水蒸気等)でも液体状(霧状又は水滴状等)でもよく、水の形態はこれらに限定されない。水をチップ側接合部に吹き付けることで、チップ側接合上に効率よくかつ均一に水を付着することができる。
図5の例では、バンプ51とパッド52とを接合する例を示しているが、本実施形態に係る接合方法は、バンプとバンプとの接合についても好ましく用いることができる。
当該接合装置は、上記の実施形態に係る接合方法に好ましく用いられる。
以下に、本発明に係る実施例を示す。当実施例では、金属材料を水素ラジカル雰囲気に暴露したものと(実験例(a))、高速原子ビーム処理したものと(実験例(b))について、XPS(X線光電子分光)による酸化状態の観測を行った。
[実験例(a)]
水素プラズマリフロー装置を用いて、試料に水素ラジカル照射を、150℃、1分の条件で行った。
[実験例(b)]
クリプトン高速原子ビーム処理装置を用いて、常温、15分の条件で試料表面の処理を行った。
上記実験例a及びbの試料について、XPS装置(日本電子製JPS−9200T)による表面分析を行った。図6は、表面処理後に大気暴露した金属領域のXPS分析結果である。AがSn酸化物を示すピークであり、BがSnを示すピークである。
[考察]
図6を見ると、水素ラジカルによる終端化処理を行った実験例(a)では、大気暴露時間125時間という長い場合でも、高速原子ビーム処理をした実験例(b)と比較して、Sn酸化物を示すピークAが小さいことがわかる。
これは、酸化膜を除去した後に水素終端された接合界面では、大気暴露などにより水分子が界面に接触するような状況になっても界面は守られて酸化が進まないためであると考えられる。図6が示しているのは、単純に真空中で高速原子ビーム(FAB)によるAr衝撃によって酸化膜を除去した実験(b)と、還元処理後に水素終端した実験例(a)とを大気暴露後の時間とともに比較した場合、高速原子ビーム処理したものは時間とともに酸化物が増大していくが、水素終端されたものは酸化物の増大が抑えられているということである。
図7に示すように、酸化された界面は接合後の強度が低いのに比べ、水素終端により酸化抑制したものは接合強度が大きく接合に有効であることがわかる。
界面の酸化物と水酸基(OH基)の増加を比較してみたところ、水素終端されていないものは水酸基は増加せず、酸化物のみ増加しているが、水素終端されたものは酸化物の増大は抑えられ水酸基が界面に付着していることがわかる。これは、大気暴露により水分子が界面に付着するが、水素終端されていない界面は水分子の付着により水分子が分解してどんどん酸化が進み酸化物が増大している。しかし、水素終端されたものは水分子が付着しても水素終端により界面が守られているため酸化が進まなく、水分子が界面に維持されていると考えられる。
また、特に加圧しなくとも接触させるだけで接合が進み、アニーリングにおいても無加圧でできる。
特に本発明に係る接合方法を用いた場合、従来の方法に比べて一旦水素終端された界面には酸化膜が伴わないため、酸化膜なくして接合を優位に進めることができるのが利点である。
MR 金属領域
NR 非金属領域
UT 接合部
Claims (24)
- 金属領域を含む接合部を有する接合物同士の接合方法であって、
少なくとも一方の金属領域を水素ラジカル雰囲気に暴露することにより、前記金属領域の表面の金属原子に水素原子が結合した状態にする終端化処理を行う終端化処理ステップと、
前記終端化処理された金属領域を他方の接合物の金属領域に接触させる取付けステップと、を備えた接合方法。 - 前記終端化処理ステップの前に、接合物の金属領域を、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理する表面活性化処理ステップをさらに備え、
前記終端化処理ステップにおいて、表面活性化処理された金属領域を水素ラジカル雰囲気に暴露する、請求項1に記載の接合方法。 - 前記表面活性化処理ステップが原子ビームまたはイオンビームの照射工程を含む請求項2に記載の接合方法。
- 前記表面活性化処理ステップによって、前記金属領域の表面から1〜100nmの深さの金属領域がアモルファス化され、前記金属領域の表面が水素終端される請求項2又は3に記載の接合方法。
- 前記終端化処理ステップの後、前記終端化処理された金属領域を大気に暴露する請求項1から4のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記粒子は、Ar,Xe、Ne,Krからなる群から選ばれる元素の中性原子、イオン若しくはラジカル又はこれらを混合したものである、請求項2から4のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記接合物に対して交番電圧を印加することで、前記接合物の接合部の周りに前記粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の前記粒子を前記電圧により前記接合物の接合部に向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与する、請求項6に記載の接合方法。
- 前記終端化処理される金属領域は、銅(Cu)、半田、アルミ(Al)及びこれらの合金からなる群から選ばれる材料により形成される、請求項1から7のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記取付けステップで、前記接合物同士を、互いに近接する方向に加圧するステップを含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記取付けステップで互いに接触した接合物を含む構造体を加熱する加熱ステップをさらに備える請求項1に記載の接合方法。
- 前記終端化処理ステップの前に、還元雰囲気中で加熱する還元処理ステップをさらに含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記加熱ステップは、前記接合物同士を、互いに近接する方向に加圧するステップを含む、請求項10に記載の接合方法。
- 前記終端化処理された金属領域を固相状態で接合する請求項1から12のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記終端化処理ステップの後、前記終端化処理された金属領域を水ガスに暴露するステップをさらに備える、請求項1から13のいずれか一項に記載の接合方法。
- 金属領域を含む接合部を有する接合物同士を接合する接合装置であって、
少なくとも一方の前記金属領域を水素ラジカル雰囲気に暴露して、前記金属領域の表面の金属原子に水素原子が結合した状態にする終端化処理を行う終端化処理手段と、
前記接合物の接合部同士を接触させる取付け手段と、を備えた接合装置。 - 接合物の金属領域を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を該金属領域に対して衝突させる表面活性化処理手段をさらに備えた請求項15に記載の接合装置。
- 前記表面活性化処理手段が原子ビームまたはイオンビームの照射手段を含む請求項16に記載の接合装置。
- 前記表面活性化処理手段は、前記接合物に対して交番電圧を印加することで、接合部の周りに前記粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の前記粒子を前記電圧により接合部に向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与する、プラズマ発生装置を含む請求項16又は17に記載の接合装置。
- 互いに接触した前記接合物を含む構造体を加熱するための加熱手段をさらに備えた請求項15に記載の接合装置。
- 前記取付け手段は、前記接合物同士を、互いに近接する方向に加圧する加圧手段をさらに含む請求項15に記載の接合装置。
- 請求項1から14のいずれか一項に記載の接合方法によって形成された構造体。
- 一方の接合物がチップであり、他方の接合物が基板である請求項21に記載の構造体。
- 接合物がチップである請求項21に記載の構造体。
- 前記終端化処理ステップの後に、接合物の金属領域を所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理する表面活性化処理ステップをさらに備え、金属領域を大気暴露することなく取付けステップへ移る請求項1に記載の接合方法。
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