KR100456381B1 - 초음파본딩방법및초음파본딩장치 - Google Patents

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료이치 가지와라
도시유키 다카하시
가즈야 다카하시
마사히로 고이즈미
히로시 와타나베
유키하루 아키야마
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

반도체장치상의 금속전극단자에 접속와이어를 초음파 본딩하는 초음파 본딩 방법 및 초음파 본딩장치에 관한 것으로서, 반도체기판상에 마련된 금속전극단자에 접속와이어를 초음파 본딩시에 본딩툴선단의 진동진폭을 금속전극단자의 막두께 이하로 하고, 또한 그 진동주파수를 70KHz 이상으로 한다. 이러한 것에 의해 금속전극단자 하부에 있어서의 크랙 등의 물리적 손상을 방지할 수 있다.

Description

초음파 본딩방법 및 초음파 본딩장치
본 발명은 반도체장치상의 금속전극단자에 접속와이어를 초음파 본딩하는 초음파 본딩방법 및 초음파 본딩장치에 관한 것이다.
초LSI 등의 반도체장치에 있어서는 반도체장치의 기판의 소요개소에 마련된 여러개의 금속전극단자에 각각 접속와이어를 본딩에 의해서 회로접속할 필요가 있다. 이 본딩에는 통상 초음파 본딩장치를 사용한 초음파 본딩방법이 이용되고 있다. 이러한 초음파 본딩방법은 반도체장치의 기판의 금속전극단자에 접속와이어를 본딩할 때에 주로 60KHz의 진동주파수의 초음파 또는 120kHz의 진동주파수의 초음파를 부가하면서 볼본딩 또는 웨지본딩을 실행하는 방법이다.
종래, 초음파 본딩장치에 의해서 60KHz의 진동주파수의 초음파를 부가하면서 접속와이어를 금속전극단자에 볼본딩하는 것이 가장 범용적이다. 이와 같은 초음파 본딩을 실행할 때에는 초음파 본딩장치로서 본딩롤선단의 진동진폭이 최대5㎛ 이상의 것이 사용된다. 그리고, 이 초음파 본딩장치를 사용할 때에는 바람직하게는 접속와이어로서 선직경 25㎛∼38㎛의 금(Au)와이어를 사용해서 접속부(워크)를 온도 200℃ 이상으로 예비가열한 상태하에서 초음파 본딩이 실행된다. 이때, 고강도의 초음파 본딩을 실행하기 위해 본딩툴선단의 진동진폭은 2㎛∼3㎛ 정도로 되도록 선택된다.
또, 주지의 초음파 본딩방법에 있어서의 다른 본딩수단은 초음파 본딩장치에 의해서 120KHz의 진동주파수의 초음파를 부가하면서 접속와이어를 금속전극단자에 웨지본딩하는 수단이다. 이러한 초음파 본딩을 실행할 때에는 본딩툴선단의 진동진폭이 최대4㎛정도의 것이 사용된다. 그리고, 이 초음파 본딩장치를 사용할 때에는 상술한 범용적인 본딩수단과 마찬가지로 고강도의 초음파 본딩을 실행하기 위해 본딩툴선단의 진동진폭은 2㎛∼3㎛정도가 되도록 선택된다.
그런데, 주지의 초음파 본딩방법에 있어서의 초음파 본딩의 원리는 고체상태에 있는 2개의 접합재, 즉 접속와이어를 구성하는 금속재료, 예를 들면 금(Au)와이어와 금속전극단자를 구성하는 금속재료, 예를 들면 알루미늄(Al)전극단자를 접촉시킨 후, 금(Au)와이어와 알루미늄(Al)전극단자로 이루어지는 2개의 금속재료 사이를 압압하면서 마찰진동을 부가한다. 이것에 의해 이들 2개의 금속재료의 표면접합부분에 부착되어 있는 접합저해물질이나 산화피막 등을 제거하면서 이들 금속재료를 원자간격레벨로 되도록 밀착시키는 것에 의해 이들의 금속재료 사이에 금속결합을 발생시켜 필요한 본딩이 실행된다.
일반적으로, 초LSI 등의 반도체장치에 마련되는 금속전극단자, 즉 알루미늄(Al) 전극단자는 실리콘(Si)제의 반도체기판상에 수백Å∼천수백Å의 두께의 이산화실리콘(SiO2)절연막을 마련하고, 이 이산화실리콘(SiO2)절연막상에 수천Å∼수㎛의 두께의 알루미늄(Al)합금막을 마련한 구조의 것이다. 그리고, 이와 같은 알루미늄(Al)전극단자에 있어서는 알루미늄(Al)합금의 종류에 따라서 알루미늄(Al)합금막중에 실리콘(Si)가 석출된다. 이 실리콘(Si)의 석출에 의해 알루미늄(Al)전극 단자에 실리콘(Si)의 덩어리(노들)이 형성된다.
이 알루미늄(Al)전극단자에 접속와이어인 금(Au)와이어를 볼본딩에 의해서 초음파 본딩하는 경우에는 초음파 본딩장치에 의해 금(Au)와이어의 끝부에 형성한 볼부를 알루미늄(Al) 전극단자에 밀어 붙이고, 알루미늄(Al) 전극단자의 표면에 이 볼부에서 강하게 압압하면서 마찰진동시켜 초음파 본딩을 실행하고 있다. 그리고, 이 초음파 본딩시에는 볼부가 압압되는 알루미늄(Al)합금막의 내부나 알루미늄(Al)합금막과 이산화실리콘(SiO2)절연막의 경계부분 등에 높은 전단응력이나 내부왜곡이 부가된다. 이들의 전단응력이나 내부왜곡의 크기가 각각 일정한 한계값을 초과하게 되면, 이산화실리콘(SiO2)절연막중에 마이크로 크랙이 발생하거나 극단적인 경우에는 실리콘(Si)제 반도체기판중에 크랙이 발생한다.
이산화실리콘(SiO2) 절연막이나 실리콘(Si)제 반도체기판중에 크랙이 발생할 때, 알루미늄(Al)합금막중에 실리콘(Si)의 덩어리(노들)가 형성되어 있다고 하면, 금(Au)제 볼에 의해 알루미늄(Al) 전극단자를 압압했을 때의 전단응력은 실리콘(Si)의 덩어리(노들)의 주변부에 집중한다. 이 때문에 마찰진동을 실행할 때의 압압력이 비교적 작아도 또는 낮은 하중조건이었다고 해도 이산화실리콘(SiO2)절연막중에 간단히 미소한 크랙이 발생하게 된다. 그 밖에도 이산화실리콘(SiO2) 절연막의 두께가 소정의 두께보다 얇았던 경우나 이산화실리콘(SiO2) 절연막의 아래에 이종재료층이 형성된 다층구조로 되어 있는 경우 등에 있어서는 상술한 경우와 마찬가지로 마찰진동을 실행할 때의 압압력이 작아도 또는 낮은 하중조건이었다 해도 이산화실리콘(SiO2) 절연막중에 간단히 미소한 크랙이 발생하게 된다. 또, 이산화실리콘(SiO2) 절연막 등에 미소한 크랙이 발생한 경우에는 이 미소한 크랙이 볼본딩의 박리를 일으키는 큰 크랙의 발생을 유기하는 경우가 있다. 또, 반도체 장치의 기판의 구성재료가 갈륨 비소(GaAs)나 인 인듐(InP) 등의 비교적 무른 재료로 구성되는 경우에는 초음파 본딩시에 있어서 마찰진동을 실행할 때의 압압력을 작게 해도 반도체기판까지 도달하는 큰 크랙을 발생시키는 경우가 있다.
이와 같이 주지의 초음파 본딩방법에 있어서는 반도체장치의 기판상에 마련된 이산화실리콘(SiO2) 절연막 등에 크랙이 발생하는 경우가 있어 반도체장치에서 필요로 되는 모든 특성이 손상되어 반도체장치의 신뢰성이 결여되거나 제조마진이 저하한다.
본 발명의 목적은 반도체기판상에 마련된 금속전극단자에 접속와이어를 초음파 본딩하는 경우, 금속전극단자의 하부에 발생하는 물리적 손상을 저감하는 것이다.
본 발명에 있어서는 반도체기판상에 마련된 금속전극단자에 접속와이어를 초음파본딩할 때에 본딩장치의 본딩툴선단의 진동진폭을 금속전극단자의 막두께 이하로 되도록 하고 또한 진동주파수를 70KHz 이상으로 되도록 한다.
또, 본 발명에 있어서는 초음파 본딩장치의 초음파 진동자를 압전소자로 하고, 이 압전소자로의 입력전력E가 0.001(W)≤E≤1.0(W)의 범위에 있을 때 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A(㎛)가 A≤4E · e(16/3)승이고, 입력전력E가 1.0(W)≤E≤10.0(W)의 범위에 있을 때 상기 진동진폭A(㎛)가 A≤4(㎛)이다. 바람직하게는 본딩툴선단의 진동진폭을 본딩시의 접합하중이 10N 이내일 때, 무부하시의 진동 진폭A(㎛)의 1/2이상으로 한다. 또, 초음파 진동자가 발생하는 기계적진동의 주파수를 100KHz 이상으로 하고 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A(㎛)와 진동주파수f(KHz)가 logA≤-0.31xlogf2+1.414라는 관계가 만족되도록 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면 본딩툴선단의 진동진폭을 금속전극단자의 막두께 이하의 작은 진폭이 되도록 하고, 또 그 진동주파수를 주지의 진동주파수60KHz보다 높은 70KHz 이상이 되도록 하고 있으므로, 금속 전극단자나 그 하측의 절연막 및 반도체기판 등에 있어서 큰 전단응력이나 압력왜곡을 부가하는 일이 적어져 마이크로크랙 또는 크랙 등의 미소한 물리적손상의 발생이 대폭으로 저감된다. 이 때문에, 초음파 본딩한 후의 반도체장치의 각종 특성의 열화를 방지할 수 있다. 또, 본딩툴선단의 진동진폭을 금속전극단자의 막두께의 1/2 이하로 되도록 하면, 마이크로크랙 또는 크랙 등의 미소한 물리적 손상을 거의 완전히 없앨 수 있다.
또한, 초음파 본딩을 실행할 때에 본딩장치의 본딩툴선단의 진동진폭만을 저감시키면 금속전극단자와 금속와이어의 접합을 실행하는데 필요한 마찰에너지가 부족하여 볼본딩시에 필요로 되는 볼부의 전단강도0.3N 이하로 된다. 그러나, 본 발명에 있어서는 진동주파수를 주지의 주파수보다 높게 되도록 하고 있으므로, 초음파 본딩시에 있어서의 투입에너지의 부족이 보충되어 상술한 바와 같이 양호한 상태에서 초음파 본딩을 실행할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면 초음파 진동자인 압전소자의 입력전력E가 0.001≤E≤1.0(W)의 범위내에 있을 때 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 A≤4E · e(16/3)승(㎛)로 되고, 입력전력E가 1.0≤E≤10.0(W)의 범위내에 있을 때 상기 진동진폭A가 A≤4(㎛)로 되는 것에 의해 금속 전극단자나 그 하측의 절연막 및 반도체기판 등에 있어서 큰 전단응력이나 압력왜곡이 부가되는 일이 없어져 마이크로크랙 또는 크랙 등의 미소한 물리적손상의 발생이 대폭으로 저감된다. 따라서, 초음파 본딩을 실행한 후의 반도체장치의 각종의 특성의 열화를 방지할 수 있다.
이 경우에 있어서, 또 본딩시의 접합하중이 10N 이내일 때의 본딩툴선단의 진동진폭을 무부하시의 진동진폭A(㎛)의 1/2이상으로 선택하거나 또는 초음파 진동자가 발생하는 기계적 진동을 100KHz 이상의 초음파주파수로 하고, 본딩툴선단의 진동을 무부하시의 진동진폭A(㎛)와 진동주파수f(KHz) 사이에서 logA≥-0.31xlogf2+1.414의 관계가 만족되도록 하면, 상술한 작용이 보다 조성되어 마이크로크랙 또는 크랙등의 미소한 물리적손상이 대폭으로 저감되어 초음파 본딩한 후의 반도체장치에 있어서의 각종의 특성의 열화를 대폭으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 초음파 본딩방법이 실시되는 경우에 있어서의 초음파 본딩부분의 주요부구성을 도시한 단면도이다.
도 1에 있어서, (1)은 실리콘(Si)기판(반도체기판), (2)는 이산화실리콘(SiO2) 절연막, (3)은 알루미늄-실리콘-동(Al-Si-Cu) 합금 금속 전극단자(이하, 이것을 합금전극단자라 한다), (4)는 보호용 비활성화막, (5)는 금(Au)제 접속와이어, (5a)는 와이어부, (5b)는 볼부, (6)은 초음파 본딩장치(도시하지 않음)의 캐필러리툴(본딩툴), (6a)는 와이어 지지구멍이다.
반도체장치의 실리콘(Si)기판(1)은 상측에 이산화실리콘(SiO2) 절연막(2)가 마련된다. 이산화실리콘(SiO2) 절연막(2)는 상측에 합금전극단자(3) 및 보호용 비활성화막(4)가 각각 마련된다. 보호용 비활성화막(4)는 합금전극단자(3)의 전극노출부를 제외한 실리콘(Si)기판(1) 전체를 피복하도록 마련된다. 접속와이어(5)는 직경이 일정한 와이어부(5a)와 그 한쪽끝부에 마련되고 와이어부(5a)보다 직경이 큰 볼부(5b)로 이루어진다. 초음파 본딩장치의 캐필러리툴(6)은 중앙에 와이어 지지구멍(6a)를 갖고, 이 와이어 지지구멍(6a)에 접속와이어(5)의 와이어부(5a)가 삽입통과되고 볼부(5b)가 합금전극단자(3)측으로 되도록 지지된다.
본 실시예에 있어서 초음파 본딩을 실행하는 경우에는 우선 상온상태 또는 접합영역을 200℃의 온도로 가열한 상태에서 접속와이어(5)의 와이어부(5a)를 지지한 캐필러리툴(6)을 합금전극단자(3)상에 위치결정하고, 접속와이어(5)의 볼부(5b)를 합금전극단자(3)의 표면에 접촉시킨다. 다음에, 캐필러리툴(6)에 초음파진동을 부가해서 캐필러리툴(6)의 선단을 진동시키고, 이 초음파진동을 부가한 상태에서 캐필러리툴(6)의 선단을 합금전극단자(3)측으로 눌러 붙이고, 볼부(5b)에 의해 합금전극단자(3)의 표면에 하중을 부가한다. 이 때, 합금전극단자(3)은 초음파 진동하고 있는 볼부(5b)가 압압되는 것에 의해 합금전극단자(3)을 구성하는 알루미늄-실리콘-동(Al-Si-Cu)합금과 볼부(5b)를 구성하는 금(Au) 사이가 금속적으로 접합된다. 이것에 의해 필요한 볼본딩이 실행되어 접속와이어(5)가 합금전극단자(3)에 견고하게 초음파 본딩되는 것이다.
여기서, 본 실시예의 초음파 본딩방법에 사용되는 접속와이어(5)는 예를 들면, 와이어부(5a)의 직경이 30㎛이고, 볼부(5b)의 직경이 65㎛인 것이다. 또, 캐필러리툴(6)의 선단에 부가하는 초음파진동은 합금전극단자(3)의 막두께H가 0.8㎛이 였다고 하면, 예를 들면 그 진동주파수 및 진동출력전력을 각각 180kHz 및 0.1W로 해서 그 진동진폭이 막두께H보다 작은 0.3㎛로 되도록 선택한다.
본 실시예에 의한 초음파 본딩방법에 있어서, 캐필러리툴(6)의 선단에 부가하는 초음파진동의 진동주파수나 진동진폭을 상기와 같이 선택하는 기술적근거에 대해서 설명한다.
우선, 주지의 초음파 본딩장치에 있어서는 예를 들면 와이어부(5a)의 직경이 30㎛의 금(Au)제 접속와이어(5)를 본딩접합영역을 가열한 상태로 해서 합금전극단자(3)에 초음파 본딩하는 경우, 캐필러리툴(6)에 부가하는 초음파진동은 초음파진동수를 60kHz로 선택했을 때 무부하시의 진폭이 2㎛∼3㎛로 되도록 선택하고 있고, 또 초음파주파수를 120kHz로 선택했을 때 무부하시의 진폭이 1㎛∼2㎛ 이상으로 되도록 선택하고 있다.
주지의 초음파 본딩장치가 이와 같은 선택을 하고 있는 이유는 다음과 같다. 본딩시에 캐필러리툴(6)의 부하가 증대하는 것에 의해서 캐필러리툴(6)의 선단의 진동진폭이 감쇠하여 초음파 본딩시의 접속와이어(5)의 접합강도가 저하한다. 이와 같은 접합강도의 저하를 방지하기 위해 종래에는 초음파 본딩이 진행해서 캐필러리툴(6)의 부하가 증대했을 때, 캐필러리툴(6)의 선단의 진동진폭을 소정값으로 유지할 수 있도록 캐필러리툴(6)으로의 입력조건이 비교적 큰 값으로 되도록 선택하고 있다.
그런데, 캐필러리툴(6)으로의 입력조건을 비교적 큰 값으로 하면, 초음파본딩의 초기단계에 있어서는 캐필러리툴(6)의 부하가 작으므로, 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭이 너무 크게 된다. 그리고, 초음파 본딩접합영역에 이러한 큰 진동진폭이 부가되면, 본딩접합영역의 하측에 큰 힘이 부가되어 합금전극단자(3)이나 이산화실리콘(SiO2) 절연막(2) 및 실리콘(Si)기판(1)에 물리적손상을 주게 된다. 또, 합금전극단자(3)에 실리콘(Si)의 덩어리(노들)이 형성되어 있다고 하면, 이 실리콘(Si)의 덩어리(노들) 근방부분에 국소적인 큰 응력이 부가되어 상술한 바와 같이 물리적손상을 주는 것이 대폭으로 증대하게 된다.
도 2는 초음파 본딩에 있어서의 접합영역으로의 투입에너지(캐필러리툴(6)을 초음파진동시키는 초음파진동자로의 입력전력)와 캐필러리툴(6)선단의 진동진폭 및 초음파본딩시의 접합강도의 3자의 관계를 도시한 특성도이다.
도 2에 있어서, 종축은 ㎛로 나타낸 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭이고, 횡축은 접합영역으로의 투입에너지(진동자로의 입력전력)이다.
또, 특성곡선(a)는 접합상태의 양호/불량의 범위를 나타낸 경계선, 특성 곡선(b)는 합금전극단자(3)의 하측에 발생하는 물리적 손상 등의 허용범위를 나타내는 경계선, 특성곡선(c)는 초음파 본딩장치A의 진동특성을 나타낸 직선, 특성곡선(d)는 초음파 본딩장치 B의 진동특성을 나타낸 직선이다.
본 발명자의 연구에 의하면 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭과 본딩접합 영역으로의 투입에너지 및 본딩접합강도의 관계를 구했을 때, 이론상 도2에 도시되는 바와 같은 관계인 것이 판명되었다. 즉, 초음파 본딩에 있어서, 필요한 본딩접합강도가 얻어지는 조건은 특성곡선(a)로 나타낸 바와 같이 본딩접합영역으로의 투입에너지가 크게 될 수록 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭은 작은 값으로 충분하다(특성곡선(a)의 상측영역). 또, 초음파 본딩에 의한 물리적 손상의 발생은 특성곡선(b)로 나타내는 바와 같이 캐필러리툴(6)선단의 진동진폭의 크기가 어느 값을 초과하면, 급격히 증대한다(특성곡선(b)의 상측부분). 또, 초음파진동의 진동주파수를 다르게 하고 있는 2개의 초음파 본딩장치A, B(진동주파수의 대소관계, A＜B)간에 있어서 주위조건이 일정한 경우에는 특성곡선c, d로 나타내는 바와 같이 초음파진동자로의 입력전력(본딩접합영역으로의 투입에너지)은 일정한 상관을 갖고 있다. 2개의 초음파 본딩장치A, B는 모두 초음파진동자로의 입력전력의 증대에 비례해서 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭도 평행하게 증대하게 된다. 이 경우, 2개의 초음파 본딩장치A, B의 특성곡선간에 있어서, 양호한 본딩접합강도가 얻어지는 조건영역(특성곡선a, b간의 조건영역)은 본딩장치의 특성곡선이 도 2의 우측에 있을수록 넓어지므로, 초음파진동수는 큰쪽이 바람직하다.
이상의 관점에 따라서 본 발명자는 초음파 본딩장치의 진동특성으로서는 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭이 주지의 초음파 본딩장치에 있어서의 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭의 수분의 1∼수십분의 1이하로 되도록 선택하고, 또한 초음파진동의 진동주파수가 주지의 초음파 본딩장치에 있어서의 진동주파수보다 높게 되도록 선택한다. 구체적으로는 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭이 합금전극단자(3)의 막두께H 이하로 되도록 선택되고, 또 진동주파수가70KHz 이상이 되도록 선택된다.
도 3은 초음파 본딩장치의 초음파진동자로의 입력전력과 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A의 관계에 따라 이미 기술한 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 및 이하에 기술하는 본 발명에 의한 초음파 본딩장치에 있어서 필요로 되는 조건영역을 구한 특성도이다.
도 3에 있어서, 횡축은 W로 나타낸 초음파진동자로의 입력전력E, 종축은 ㎛로 나타낸 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A이다. 도 중, 우측이 하강하는 평행사선으로 표시한 영역G는 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치에서 필요로 되는 조건영역, 좌측이 하강하는 평행사선으로 표시한 영역P는 기지의 초음파 본딩방법 또는 장치에 있어서의 조건영역이다.
도 3에 도시되는 바와 같이 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치에서 필요로 되는 조건영역G는 초음파진동자로의 입력전력E가 0.001∼10(W)의 범위일 때 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 0.01∼0.1(㎛)의 범위로 지정된 장방형의 제 1 영역, 초음파진동자로의 입력전력E가 0.01∼1.0(W)의 범위일 때 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 0.1∼4.0(㎛)까지 직선적으로 증가하는 범위로 지정된 직각삼각형의 제 2 영역 및 초음파진동자로의 입력전력E가 1.0∼10.0(W)의 범위일 때 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 0.1∼4.0(㎛)의 범위로 지정된 장방형의 제3 영역으로 이루어지고 있다. 조건영역G내에 있어서, 초음파진동자로의 입력전력E와 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A의 관계를 보면, 초음파진동자의 진동주파수가 70KHz일때에는 특성곡선A로 표시되고, 초음파진동자의 진동주파수가 130KHz일 때에는 특성곡선B로 표시되고, 초음파진동자의 진동주파수가 172KHz일 때에는 특성곡선C로 표시된다. 이들 3개의 특성곡선A∼C는 상기 입력전력E와 진동진폭A의 관계를 대수영역으로 나타낼 때, 모두 경사가 logE/logA가 대략 (1.6)/3, 즉 logE/logA=(1.6)/3의 직선으로 된다. 이 때문에 조건영역G 중의 직각삼각형의 제2 영역에 있어서의 직각에 대면하는 1변의 경사는 상기 경사와 마찬가지로 대략 logE/logA=(1.6)/3의 경사를 갖는 직선으로 된다.
주지의 초음파 본딩방법 또는 장치와 같이 초음파진동자의 진동주파수가 60KHz로 선택되어 있는 경우에는 본딩조건은 도 3에 도시한 타원형의 조건영역P로 이루어져 있다. 이 때, 초음파진동자로의 입력전력E와 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A의 관계는 특성곡선D로 표시된다. 이 특성곡선D는 본 발명의 조건영역G내의 3개의 특성곡선A∼C와 유사한 경사를 갖고 있는 것이지만, 주지의 조건영역P에 포함되는 초음파 본딩장치의 입력전력E의 범위는 본 발명의 조건영역G에 포함되는 초음파진동자로의 입력전력E의 범위에 비해 상당히 좁다.
또, 주지의 조건영역P에 포함되는 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A의 범위는 본 발명의 조건영역G에 포함되는 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A에 비해 상당히 좁게 되어 있을 뿐만 아니라 진동진폭A의 크기도 상당히 높은 레벨을 필요로 한다.
도 4는 초음파본딩을 실행할 때에 본딩툴에 부가하는 하중M과 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A의 관계를 도시한 특성도로서, 초음파진동자의 진동주파수를 파라미터로 해서 나타내고 있는 것이다.
도 4에 있어서, 횡축은 N으로 나타낸 본딩툴에 부가하는 하중M이고, 종축은 ㎛으로 나타낸 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A이다.
또, 특성곡선A∼C는 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치에 있어서의 특성, 특성곡선D는 주지의 초음파 본딩방법 또는 장치에 있어서의 특성이다.
도 4에 도시되는 바와 같이 초음파진동자의 진동주파수가 60KHz인 주지의 초음파 본딩방법 또는 장치는 본딩툴에 부가하는 하중M이 비교적 작은 동안 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A를 상당이 크게 할 필요가 있다(특성곡선D). 한편, 초음파진동자의 진동주파수가 70KHz, 130KHz, 172KHz인 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치는 모두 본딩툴에 부가하는 하중M이 비교적 작아도 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 작은 것으로 충분하다(특성곡선A∼C). 즉, 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치는 부하의 크기에 관계없이 진동진폭A의 감쇠가 매우 작게 되어 있다.
이어지는 도 5는 초음파 볼본딩을 실행할 때에 볼부(5b)의 전단강도0.3N이 얻어지는 초음파진동자의 진동주파수와 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A의 관계를 도시한 특성도이다.
도 5에 있어서, 횡축은 KHz로 나타낸 초음파진동자의 진동주파수, 종축은 ㎛로 나타낸 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A이다. 또한, 이 특성은 실리콘(Si)기판상에 마련된 막두께8000Å(0.8㎛)인 알루미늄-실리콘(Al-Si)합금전극단자(3)에 금(Au)제 접속와이어(5)를 볼본딩했을 때, 볼부(5b)의 전단강도0.3N이 얻어질 때의 것이다.
도 5에 도시되는 바와 같이 초음파진동자의 진동주파수가 60KHz인 주지의 초음파본딩방법 또는 장치는 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 약 2.0㎛인 것에 반해 초음파진동자의 진동주파수가 70KHz, 130KHzM, 172KHz인 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치는 모두 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 합금전극단자(3)의 막두께0.8㎛ 이하의 값이다. 즉, 본 발명의 초음파 본딩방법 또는 장치는 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A가 합금전극단자(3)의 막두께0.8㎛보다 작아도 본딩접합에 필요한 접합강도가 얻어진다. 본 발명자의 검토에 의하면 초음파진동자의 진동주파수가 70KHz, 130KHz, 172KHz인 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치에 의해 초음파 본딩을 실행한 후에 합금전극단자(3)을 부식제거하고, SEM을 사용해서 합금전극단자(3)의 하측에 있는 이산화실리콘(SiO2) 절연막(2)에 있어서의 물리적손상을 관찰해도 물리적손상은 발견되지 않는다. 즉, 본 발명에 의한 초음파 본딩방법 또는 장치는 합금전극단자(3)의 하측층의 물리적손상을 방지한다.
이상과 같이 본 실시예에 의한 초음파 본딩방법에 의하면 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭A를 합금전극단자(금속전극단자)(3)의 막두께H보다 작게 하고, 초음파진동자의 진동주파수를 70KHz 이상으로 하면, 볼부(5b)의 전단강도0.3N 이상의 충분한 강도의 본딩접합이 얻어진다.
또, 이 본딩접합시에 합금전극단자(금속전극단자)(3)의 하측에 있어서의 물리적손상이 방지된다.
계속해서, 도 6은 본 발명에 의한 초음파 본딩장치의 제1 실시예로서 초음파 본딩장치의 기본적 구성부분을 도시한 개요도이다.
도 6에 있어서, (7)은 진동주파수180KHz인 초음파진동을 발생하는 랑제방형 압전소자(진동자), (8)은 티탄(Ti)제 혼, (9)는 회전지그, (9a)는 축심, (10)은 귀환제어회로, (11)은 지지암, (12)는 자성체, (13)은 전자석, (14)는 압력센서, (15)는 랙, (16)은 밸런스추, (17)은 슬라이드지그, (18)은 초음파 발생구동회로이다. 또한, 도 1에 도시된 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 붙이고 있다.
회전지그(9)는 축심(9a)에 대해서 회전운동 가능한 것으로서, 한쪽의 측면에 혼(8)이 부착되고, 다른쪽의 측면에 랑제방형 압전소자(7)이 부착된다. 혼(8)은 가늘고 긴 형상의 것으로 한쪽끝에 캐필러리툴(본딩툴)(6)이 부착되고, 다른쪽끝이 회전지그(9)의 부착부로 되어 있다.
지지암(11)은 L자형상의 것으로, 랙(15)에 의해서 유지되고, 한쪽끝부에 회전지그(9)의 축심(9a)가 결합되고, 다른쪽끝부에 밸런스추(16)이 부착되어 있다. 회전지그(9)에는 초음파진동자(7)의 상측부분에 배치되도록 자성체(12)가 부착되고, 지지암(11)에는 자성체(12)에 대향하도록 전자석(13)과 압력센서(14)가 중첩되어 부착된다. 귀환제어회로(10)은 입력이 압력센서(14)에, 출력이 전자석(13)에 각각 접속되고, 초음파 발생구동회로(18)은 랑제방형 압전소자(7)에 접속된다.
이 초음파 본딩장치에서 초음파 본딩을 실행하는 경우에는 우선, 본딩접합영역의 상온상태 또는 200℃ 이하로 가열한 상태로 하고, 캐필러리툴(6)의 와이어 지지구멍(6a)(도시하지 않음)에 접속와이어(5)(마찬가지로 도시하지 않음)을 삽입지지시킨다. 200℃정도로 가열하면, 금속간의 접합반응이 촉진되므로, 본딩강도가 향상한다. 또한, 온도조건은 금속재료 등에 따라서 적절히 선택된다. 다음에, 접속와이어(5)를 본딩하는 합금전극단자(3)(마찬가지로 도시하지 않음)의 상부까지 캐필러리툴(6)을 이동시켜서 위치결정을 실행한 후, 캐필러리툴(6)을 약간 하강시켜서 접속와이어(5)의 볼부(5b)(마찬가지로 도시하지 않음)를 합금전극단자(3)상에 접촉시킨다. 이 캐필러리툴(6)의 조작시에 초음파 발생구동회로(18)이 구동전력을 랑제방형 압전소자(7)에 공급하고, 랑제방형 압전소자(7)에서 진동주파수180KHz의 초음파진동을 발생시킨다.
이 때, 발생된 초음파진동은 회전지그(9)에서 혼(8)을 거쳐서 캐필러리툴(6)으로 전달되고, 또 합금전극단자(3)에 접촉하고 있는 볼부(5b)로 전달되고, 볼부(5b)가 합금전극단자(3)상에 접촉한 상태에서 진동한다.
다음에, 귀환제어회로(10)이 전자석(13)에 전류를 공급하고, 그 때 발생한 전자력에 의해서 자성체(12)를 전자기 흡인한다. 자성체(12)가 전자석(13)방향으로 흡인되면, 회전지그(9)가 축심(9a)를 중심으로 해서 시계방향으로 약간 회전운동하고, 혼(8)과 함께 캐필러리툴(6)이 시계방향(합금전극단자방향)으로 이동해서 캐필러리툴(6)을 거쳐서 볼부(5b)가 합금전극단자(3)에 하중을 부가한 상태, 즉 캐필러리툴(6)에 하중이 부가되는 상태로 된다. 이와 같이 초음파진동이 부가되고, 또한 하중이 부가된 볼부(5b)가 합금전극단자(3)에 강하게 접촉되는 것에 의해 볼부(5b)와 합금전극단자(3) 사이에 금속적 결합이 발생하여 합금전극단자(3)에 접속와이어(5)가 본딩된다.
한편, 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중은 지지암(11)에 부착된 압력센서(14)에 의해서 검출되고, 이 때 검출된 하중신호가 귀환제어회로(10)에 공급된다. 귀환제어회로(10)은 입력된 하중신호의 값과 내부에 설정되어 있는 설정값이 일치하고 있는지 아닌지를 판정하고, 이들의 값 사이에 편차가 발생하고 있으면, 그 편차를 없애는 값의 전류를 전자석(13)에 공급하여 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중이 소정값으로 되도록 조정하고 있다.
이 경우, 제1 실시예의 초음파 본딩장치의 진동조건은 도 3에 도시된 조건영역G에 있다. 즉, 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력이 0.001∼10(W)의 범위일 때 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭이 0.01∼0.1(㎛)의 범위에 있고, 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력이 0.001∼1.0(W)의 범위일 때 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭이 0.1∼4.0(㎛)까지 직선적으로 증가하고, 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력이 1.0∼10.0(W)의 범위일 때 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭이 0.1∼4.0(㎛)의 범위에 있도록 각각 조정된다.
이와 같이 제1 실시예에 의하면 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력의 범위를 주지의 초음파 본딩장치에서 사용되고 있는 상기 입력전력의 범위보다 대폭으로 확장시키도록 하고, 또 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭을 주지의 초음파 본딩장치에서 사용되고 있는 상기 무부하시의 진동진폭보다 상당히 작게 되도록 하고 있다. 이 때문에, 본딩접합시 전반에 있어서 합금전극단자(3)의 하측부분에 부가되는 물리적손상을 없앰과 동시에 본딩접합시 후반에 있어서 소정의 크기의 진동을 부가하는 것에 의해 고강도의 본딩접합을 실행할 수 있다.
따라서, 반도체기판의 금속전극단자로의 와이어본딩을 낮은 물리적손상, 또한 고강도로 실행하는 것이 가능하게 되는 결과, 반도체장치제조시에 후공정에 의한 반도체장치의 제조효율이 증대하고, 반도체장치의 생산코스트를 저감할 수 있다.
다음에, 도 7은 본 발명에 의한 초음파 본딩장치의 제2 실시예로서, 초음파 본딩장치의 기본적 구성부분을 도시한 개요도이다.
도 7에 있어서, (19)는 진동전달부재, (20)은 플랜지, (21)은 유지부재, (22)는 120KHz의 제 1 발진구동회로, (23)은 60KHz의 제2 발진구동회로, (24)는 스위치회로이다. 또한, 도 6에 도시된 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 붙이고 있다.
진동전달부재(19)는 가로가 긴 구성재로서, 측면에 부착된 플랜지(20)을 거쳐서 유지부재(21)에 고정유지된다. 진동전달부재(19)는 한쪽끝에 혼(8)의 한쪽끝이, 다른쪽끝에 랑제방형 압전소자(진동자)(7)이 각각 부착된다. 혼(8)은 진동전달부재(19)의 반대측에 캐필러리툴(6)이 부착된다. 스위치회로(24)의 입력은 제1 발진구동회로(22) 및 제 2 발진구동회로(23)에 접속되고, 스위치회로(24)의 출력은 랑제방형 압전소자(7)에 접속된다.
상기 구성에 있어서 초음파 본딩시에 합금전극단자(3)의 하측부분에 물리적손상을 주는 정도가 비교적 큰 초음파 본딩의 경우에는 스위치회로(24)를 제 1 발진구동회로(22)측으로 전환하고, 제 1 발진구동회로(22)에서 공급되는 구동전력에 의해서 랑제방형 압전소자(7)을 구동하고, 랑제방형 압전소자(7)에서 진동주파수120KHz의 초음파진동을 발생시킨다. 이 초음파진동은 진동전달부재(19) 및 혼(8)을 거쳐서 캐필러리툴(6)으로 전달되고, 다음에, 캐필러리툴(6)에 지지된 접속와이어(5)의 볼부(5a)(도시하지 않음)로 전달된다. 이 때, 접속와이어(5)의 볼부(5b)는 초음파진동과 하중이 부가된 상태로 되고, 상술한 바와 같이 접속와이어(5)가 합금전극단자(3) 등에 초음파본딩된다. 이 경우, 랑제방형 압전소자(7)로 의 입력전력은 예를 들면 0.1W이고, 캐필러리툴(6)선단의 무부하시의 진동진폭은 예를 들면 0.2㎛가 되도록 조정된다.
한편, 초음파 본딩시에 합금전극단자(3)의 하측부분에 물리적 손상을 주는 정도가 작은 초음파 본딩의 경우에는 스위치회로(24)를 제2 발진구동회로(23)측으로 전환하고, 제2 발진구동회로(23)에서 공급되는 구동전력에 의해서 랑제방형 압전소자(7)을 구동하고, 랑제방형 압전소자(7)에서 진동주파수60KHz의 초음파진동을 발생시킨다. 이 초음파진동은 앞의 경우와 마찬가지로 진동전달부재(19) 및 혼(8)을 거쳐서 캐필러리툴(6)에 전달되고, 계속해서 캐필러리툴(6)에 지지된 접속와이어(5)의 볼부(5b)에 전달된다. 이 때도 접속와이어(5)와 볼부(5b)는 초음파진동과 하중이 부가된 상태로 되고, 상술한 바와 같이 접속와이어(5)가 합금전극단자(3) 등에 초음파 본딩된다. 이 경우에는 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력은 예를 들면 0.1W로서 앞의 경우와 동일한 것에 반해 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭은 예를 들면 2.5㎛의 큰 진폭으로 되도록 조정된다.
여기서, 도 8은 제2 실시예에 있어서의 동작시의 1예를 도시한 특성도로서, (a)는 랑제방형 압전소자(7)이 발생하는 진동주파수, (b)는 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력, (c)는 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중의 각 변화상태를 도시한 것이다. 또한, 이 동작특성은 예를 들면, 실리콘(Si)기판(1)상에 형성한 막두께가 6000Å(0.6㎛)의 알루미늄-실리콘-동(Al-Si-Cu) 합금전극단자(3)에 직경이 30㎛인 금(Au)제 접속와이어(5)를 볼본딩할 때의 특성으로서, 본딩접합영역의 온도를 200℃로 했을 때의 특성을 도시한 것이다.
도 8에 도시한 바와 같이 본딩의 초기단계인 제 1차 본딩시에는 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중M1을 0.1N으로 설정하고, 스위치회로(24)를 제2 발진구동회로(23)측으로 전환하고, 랑제방형 압전소자(7)를 0.05mW 이하의 저입력전력E1로 구동하고, 진동주파수60KHz의 비교적 큰 진폭인 초음파진동을 발생시켜서 초음파 본딩을 실행한다. 다음에, 본딩의 후기단계인 제2차 본딩시에는 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중M2가 상기 하중M1보다 큰 0.3N으로 설정하고, 스위치회로(24)를 제1 발진구동회로(22)측으로 전환하고, 랑제방형 압전소자(7)을 약간 큰 입력전력E2로 구동하고, 랑제방형 압전소자(7)에서 진동주파수120KHz의 작은 진폭인 초음파진동을 발생시켜서 초음파 본딩을 실행한다.
본 실시예에 의하면, 제1차 본딩시, 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중M1을 작은 상태로 하고, 또한 접합영역에 진동주파수60KHz의 큰 진폭인 초음파를 인가하는 것에 의해서 합금전극단자(3)의 표면에 형성되어 있는 산화피막을 볼부(5b)에 의해서 파괴할 수 있다. 또, 제2차 본딩시, 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중M2를 M1보다 약간 큰 상태로 하고, 또한 진동주파수120KHz의 작은 진폭인 초음파를 인가하는 것에 의해서 합금전극단자(3)의 하측부분에 물리적손상을 주는 일 없이 초음파 본딩을 실행할 수 있다.
이와 같이 제2 실시예에 의하면 제2차 본딩시에 산화피막이 제거된 상태에서 소정의 본딩을 실행하고 있으므로, 합금전극단자(3)과 볼부(5b)사이의 금속밀착이 견고하게 되어 신뢰성이 높은 고강도의 본딩을 실행하는 것이 가능하게 된다.
그런데, 상기 제1 및 제2 실시예의 초음파 본딩장치에 있어서, 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력E 및 캐필러리툴(6)선단의 진동진폭A의 값은 제 1 및 제2 실시예에서 예를 들은 값뿐만 아니라 도 3에 도시되어 있는 조건영역G의 범위내에 들어가도록 선택할 수 있다. 즉, 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력E가 0.001∼10(W)의 범위일 때 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭A가 0.01∼0.1(㎛)의 범위로, 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력E가 0.001∼1.0(W)의 범위일 때 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭A가 0.1∼4.0(㎛)까지 직선증가하는 범위로, 랑제방형 압전소자(7)로의 입력전력E가 1.0∼10.0(W)의 범위일 때 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭A가 0.1∼4.0(㎛)의 범위로 되도록 선택할 수 있다. 캐필러리툴(6) 선단의 진동진폭A는 본딩시의 캐필러리툴(6)에 부가되는 하중이 10N 이내일 때, 캐필러리툴(6) 선단의 무부하시의 진동진폭A의 1/2 이상으로 되도록 선택하는 것이 바람직하다. 또, 랑제방형 압전소자(7)에서 발생되는 초음파진동의 진동주파수가 100KHz 이상이고 또한 캐필러리툴(6)선단의 진동은 무부하시의 진동진폭A와 진동주파수f(KHz) 사이에 있어서, logA≥-0.31xlogf2+1.414의 관계를 만족하고 있는 것이 바람직하다.
또, 도 9는 합금전극단자, 예를 들면 알루미늄-실리콘(Al-Si) 합금전극단자 중에 실리콘(Si)의 덩어리(노들)가 존재하는 경우에 있어서의 초음파진동의 감쇠상태를 도시한 설명도로서, 본딩접합영역의 단면구조를 도시한 것이다.
도 9에 있어서, (3')는 알루미늄-실리콘(Al-Si) 합금전극단자, (25)는 실리콘(Si)의 덩어리(노들)이다. 또한, 도 1에 도시된 구성요소와 동일구성요소에 대해서는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 9에 도시되는 바와 같이 금(Au)제 볼부(5b)의 정상부근에 공급된 초음파진동은 약간 감쇠하면서 볼부(5b)내를 전달하고 볼부(5b)와 합금전극단자(3')의 접합영역에 도달한다. 여기서, 초음파진동은 볼부(5b)에서 합금전극단자(3')내에 전달되고 주로 실리콘(Si)의 덩어리(노들)(25)내 또는 그 근방을 통과하고 감쇠하면서 합금전극단자(3')내를 전달하고 합금전극단자(3')와 이산화실리콘(SiO2) 절연막(2)의 접합영역에 도달한다. 그 후, 초음파진동은 합금전극단자(3')에서 절연막(2)내로 전달되고 약간 감쇠하면서 절연막(2)내를 전달하고 절연막(2)와 실리콘(Si)기판(1)의 접합영역에 도달한다. 또, 이하 마찬가지로 해서 초음파진동은 기판(1)내를 전달한다.
본 발명에 의한 초음파 본딩방법법 및 초음파 본딩장치의 각 실시예에 있어서는 캐필러리툴(6)에서 초음파진동이 볼부(5b)로 전달되었을 때, 초음파진동은 우선, 볼부(5b)내에서 감쇠하고, 계속해서 볼부(5b)와 합금전극단자(3')의 접합영역에서 감쇠한다. 이 경우, 볼부(5b)의 정상부에 있어서의 초음파 진동진폭(초기의 진동진폭)과 합금 전극단자(3')내에 있어서의 초음파 진동진폭을 비교하면, 볼부(5b)내 및 볼부(5b)와 합금전극단자(3')의 접합영역의 각 감쇠에 의해서 합금전극단자(3')내의 초음파 진동진폭은 초기의 진동진폭에 비해 상당히 감쇠하고 있다. 실제로 합금전극단자(3')내의 초음파 진동진폭은 합금전극단자(3')의 막두께의 수분의 1 이하로 되어 있다.
이와 같이 상기 각 실시예에 의하면 합금전극단자(3')(3)내에 실리콘(Si)의 덩어리(노들)(25)가 존재하고 있던 경우에 초음파 본딩시에 실리콘(Si)의 덩어리(노들)(25)의 주변부분에 응력이 집중하고, 그 응력이 높아졌다 해도 최대의 응력은 주지의 초음파 본딩방법 및 초음파 본딩장치에 발생하는 응력에 비해 충분히 낮아진다. 따라서, 합금전극단자(3')(3)의 하측부분에 있는 이산화실리콘(SiO2) 절연막(2) 등에 크랙 또는 마이크로크랙을 발생시키는 비율을 대폭 저하시킬 수 있어 합금전극단자(3')(3)의 하측부분의 손상의 발생을 감소시키는 것이 가능하게 된다.
이상 상세하게 기술한 바와 같이 본딩툴선단의 진동진폭을 금속전극단자의 막두께 이하의 작은 진폭으로 되도록 선택하고 또 그 진동주파수를 주지의 진동주파수60KHz보다 높은 70KHz 이상으로 선택하고 있으므로, 금속전극단자나 그 하측의 절연막 및 반도체기판 등에 있어서 큰 전단응력이나 압력왜곡을 부가하는 일이 없어져 마이크로크랙 또는 크랙 등의 미소한 물리적손상을 발생시키는 것이 대폭 저감된다. 따라서, 초음파 본딩한 후의 반도체장치의 각종의 특성의 열화나 제품불량의 발생을 방지하고, 반도체장치의 신뢰성을 장기에 걸쳐 유지시킬 수 있다.
이 경우, 본딩툴 선단의 진동진폭을 금속전극단자의 막두께의 1/2 이하로 되도록 하면, 마이크로크랙 또는 크랙 등의 미소한 물리적손상을 거의 완전히 없앨 수 있다는 효과가 있다.
또, 본 발명에 의하면 본딩툴 선단의 무부하시의 진동진폭A가 초음파 진동자로의 입력전력E가 0.001≤E≤1.0(W)의 범위내일 때 A≤4E · e(16/3)승(㎛)이고, 입력전력E가 1.0≤E≤10.0(W)의 범위내일 때 A≤4(㎛)이므로, 금속전극단자나 그 하측의 절연막 및 반도체기판 등에 있어서 큰 전단응력이나 압력왜곡이 부가되는 일 없이 마이크로크랙 또는 크랙 등의 미소한 물리적손상을 발생시키는 것이 대폭 저감된다. 따라서, 초음파 본딩한 후의 반도체장치의 각종의 특성열화나 제품불량의 발생을 방지하여 반도체장치의 신뢰성을 장기에 걸쳐 유지시킬 수 있다.
이 경우, 본딩시의 접합하중이 10N이내일 때, 본딩툴선단의 진동진폭을 무부하시의 진동진폭의 1/2 이상으로 선택하거나 또는 초음파진동자가 발생하는 초음파진동의 초음파주파수를 100kHz 이상으로 하고, 본딩툴선단의 진동을 무부하시의 진동진폭A와 진동주파수f사이에 logA≥-0.31xlogf2+1.414의 관계를 갖게 하도록 하면 마이크로크랙 또는 크랙 등의 미소한 물리적손상이 더욱 크게 저감되어 초음파 본딩한 후의 반도체장치에 있어서의 각종의 특성열화를 대폭 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 초음파 본딩방법이 실시되는 경우에 있어서의 초음파 본딩부분의 주요부구성을 도시한 단면도,
도 2는 초음파 본딩의 접합영역으로의 투입에너지(초음파 진동자로의 입력전력) 및 캐필러리툴 선단의 진동진폭과 초음파 본딩시의 접합강도의 관계를 도시한 특성도,
도 3은 본딩장치의 초음파 진동자로의 입력전력과 본딩둘선단의 무부하시의 진동진폭의 관계에 있어서 본 발명에 의한 초음파 본딩장치에서 필요로 되는 조건영역을 도시한 특성도,
도 4는 본딩툴에 부가되는 하중과 본딩툴선단의 무부하시의 진동진폭의 관계를 도시한 특성도,
도 5는 초음파 볼본딩을 실행 할 때 에 전단강도0 3뉴톤(N)이 일 여 지 는 초음파 진동자의 진동주파수와 본딩룰선단의 무부하시의 진동진폭A의관계 를 도시 한 특성 도,
도 6은 본 발명에 의한 초음파 본명장치의 제1 실시예의 기본적 구성부분을 도시한 개요도,
도 7은 본 발명에 의한 초음파 본딩장치의 제2 실시예의 기본적 구성 부분을 도시한 개요도,
도 8은 제2 실시예에 있어서의 동작시의 1예를 도시한 특성도,
도 9는 합금전극단자중에 실리콘(Si)의 덩어리(노들)가 존재하는 경우에 있어서의 초음파진동의 감쇠상태를 도시한 설명도.

Claims (8)

  1. 본딩툴에 0.4뉴톤이하의 하중을 인가하는 것에 의해, 금속 접속와이어를 반도체기판상에 마련된 금속전극단자에 상기 본딩툴을 사용하여 눌러붙이는 스텝과;
    상기 본딩툴의 선단의 진동진폭을 상기 금속전극단자의 두께 이하로 하고, 또한 진동주파수를 70kHz이상, 172kHz이하로 해서 상기 본딩툴을 진동시키는 스탭을 포함하는 초음파 본딩방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본딩툴은 압전소자를 갖는 초음파 진동자에 접속되고,
    상기 본딩툴의 선단의 진동은 상기 압전소자로의 입력전력E가 0.001(W)≤E≤1.0(W)의 범위에 있을 때 무부하시의 진동진폭A(㎛)가 A≤4E1.6/3이고, 상기 압전소자로의 입력전력E가 1.0(W)≤E≤10.0(W)와 범위에 있을 때 무부하시의 진동진폭A(㎛)가 A≤4(㎛)인 초음파 본딩방법.
  3. 제2항에 있어서,
    본딩을 실행할 때의 접합하중이 10뉴톤 이내일 때, 상기 본딩툴의 진동진폭은 무부하시의 진동진폭A(㎛)의 1/2 이상의 값인 초음파 본딩방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 진동자가 발생하는 기계적 진동은 무부하시의 진동진폭A(㎛)와 진동주파수f(kHz) 사이에서 logA≤-0.31xlogf2+1.414의 관계를 갖는 초음파 본딩방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진동 주파수f(kHz)는 100kHz 이상, 172kHz 이하인 초음파 본딩방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속전극단자는 알루미늄을 포함하는 초음파 본딩방법.
  7. 금속접속와이어를 기판상에 마련된 금속전극단자에 본딩툴을 사용하여 눌러붙이는 스텝과;
    상기 본딩툴의 선단을 제1 진동진폭 및 제1 진동주파수로 진동시키는 스텝과;
    상기 본딩툴의 선단을 제2 진동진폭 및 제2 진동주파수로 진동시키는 스텝을 포함하고,
    상기 제2 진동진폭은 상기 제1 진동진폭보다 작고 또한 상기 금속전극단자의 두께 이하이며,
    상기 제2 진동주파수는 상기 제1 진동주파수보다 높고 또한 70kHz이상, 172kHz이하인 초음파 본딩방법.
  8. 제1항에 있어서,
    절연체가 마련되고,
    내부에 크랙을 형성하여 상기 반도체기판 또는 상기 절연체를 손상시키는 일없이 초음파본딩이 실행되도록, 상기 금속 접속와이어를 눌러붙이는 스텝은 본딩툴에 0.4뉴톤이하의 하중을 인가하는 것에 의해, 상기 금속 접속와이어를 상기 절연체를 거쳐서 상기 반도체기판상에 마련된 금속전극단자에 상기 본딩툴을 사용하여 눌러붙이는 초음파 본딩방법.
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