JPWO2015114761A1 - 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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Abstract
本発明の接合方法では、ステップS3の予備加熱処理は、大気圧下で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を介在させた半導体チップおよびフレームに対して予備加熱処理を行う。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およびフレーム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およびフレーム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。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なくなる。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空隙やボイドがなくなるので接合能力が高くなる。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。
Description
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。このように固相拡散接合では加圧接合が必須となる。
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。
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、銀以外の導電性ペーストを用いて加熱した場合には、無加圧接合では接合能力(接着能力)が低いという問題が判明した。
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接合能力が高い処理を行う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空隙が残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、真空により空隙を少なくすることができ、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。
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空隙が残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、真空により空隙を少なくすることができ、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強め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が実現できておらず、十分な接合強度および信頼性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、常圧下で前記微粒子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。
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、常圧下で前記微粒子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、常圧下で金属または金属酸化物の微粒子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(例えば導電性ペースト)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なくなる。上述した予備加熱処理およびプラズマ処理により空隙やボイドがなくなるので接合能力が高くなる。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接合能力が高い処理を行うことができる。
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)のボイドを示し、「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ボイドを示す。
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、常圧下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、微粒子の固層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。
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、常圧下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、常圧下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、常圧下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、常圧下で前記微粒子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、常圧下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、常圧下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、常圧下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、常圧下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、常圧下で金属または金属酸化物の微粒子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、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ので、上述した予備加熱処理およびプラズマ処理により空隙やボイドがなくなるので接合能力が高くなる。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接合能力が高い処理を行うことができる。
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。
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。
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。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。
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。
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。
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。
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なくす。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、10回〜20回である。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、微粒子の固層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。
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、微粒子の固層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1℃/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。
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1℃/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、常圧下(本実施例では大気圧下)で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なくなる。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空隙やボイドがなくなるので接合能力が高くなる。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接合能力が高い処理を行うことができる。
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、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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(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、微粒子の固層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。
本実施例のように、上述したステップS4の後で、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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(ステップS5)を行い、当該ステップS5の本加熱処理の後で、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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を実現することができる。
本実施例に係る接合装置は、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)で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、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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、常圧下(本実施例では空気の場合には大気圧下)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、銀をメッキした銅片もしくは銀をメタライズした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。
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、銀をメッキした銅片もしくは銀をメタライズした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,プラズマ処理過程および本加熱処理過程の3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。最後に、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。なお、本加熱処理過程終了後にサンプルをチャンバーから取り出して急冷せずに自然冷却した。
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)は比較のためのプラズマ照射なしの本加熱処理のみのサンプル断面の観察結果であり、図3(b)はプラズマ照射ありの本加熱処理のサンプル断面の観察結果である(図3中の「Porosity」は空隙率)。プラズマ照射を行わない場合で空気雰囲気の本加熱処理を行った場合には、図3(a)のように空隙率が30%である。これに対して、プラズマ照射を行った場合で空気雰囲気の本加熱処理を行った場合には、図3(b)のように空隙率が0.16%にまで大幅に減少したことが確認された。これによりプラズマ照射を行うことで緻密な接合状態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、微粒子の固層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。
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
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)
- 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接合方法であって、
常圧下で前記微粒子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。 - 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、常圧下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。 - 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、常圧下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。 - 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、常圧下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、常圧下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。 - 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接合方法に用いられる接合装置であって、
常圧下で前記微粒子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。 - 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、常圧下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。 - 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、常圧下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。 - 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、常圧下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、常圧下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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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