KR20140105390A - 소결은 피복막의 제작 방법 및 소성 장치 및 반도체 장치 - Google Patents

소결은 피복막의 제작 방법 및 소성 장치 및 반도체 장치 Download PDF

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KR20140105390A
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다이 시노자키
무네오 하라다
요시노부 미타노
미치카즈 나카무라
이타루 이이다
신지로 와타나베
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 밀착성 및 열전도성이 우수한 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작하는 것.
(해결 수단) 이 소성 장치(30)는, 나노 은 입자를 포함하고 있는 잉크의 도포막 KM이 일면에 형성되어 있는 반도체 기판(12)을 워크 피스 W(KM/12)로서 출납하고, 예컨대 격벽 또는 정류판(31) 및 스테이지(33)가 마련되어 있는 소성실 내에 한 번에 복수의 워크 피스 W를 수용할 수 있는 챔버(32)와, 챔버(32)에 공기를 도입하면서 챔버(32)로부터 가스를 배출하는 환기부(34)와, 챔버(32) 내의 분위기를 소정의 소성 온도로 조정하는 온도 조정 기구(36)와, 챔버(32) 내의 습도를 30%~50% RH(30℃)의 범위 내의 설정치로 조정하는 습도 조정 기구(38)를 갖고 있다.

Description

소결은 피복막의 제작 방법 및 소성 장치 및 반도체 장치{METHOD FOR FORMING SINTERED SILVER COATING FILM, BAKING APPARATUS, AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 히트 스프레더용 소결은(sintered silver) 피복막을 제작하는 방법, 및 소결은 피복막의 제작에 사용 가능한 소성 장치, 및 소결은 피복막을 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 발열량이 큰 집적 회로(특히 CPU)나 파워 트랜지스터를 탑재하는 반도체 칩은, 공랭식 또는 수랭식의 히트 싱크를 장착한다. 또한, 발열량이 큰 반도체 칩을 탑재하는 반도체 중계 기판(예컨대 실리콘 인터포저)도, 동일한 히트 싱크를 장착한다.
이와 같은 발열량이 큰 반도체 기판과 히트 싱크의 사이의 밀착성 및 열전도성을 높여서 효율적인 방열을 행하기 위해, 반도체 기판의 방열면에 히트 스프레더라고 불리는 부재(통상은 금속 플레이트 또는 금속막)를 접합하여, 이 히트 스프레더에 히트 싱크를 직접 또는 접합층을 사이에 두고 접속하는 구성이 채용되고 있다. 히트 스프레더의 소재로는, 구리, 구리 합금, 알루미늄이 많이 이용되고 있다. 반도체 기판과 히트 스프레더의 접합에는, 금속 페이스트, 열전도성 접착제, 땜납, 열전도성 그리스 등이 사용되고 있다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2006-210611호 공보
발열량이 큰 반도체 소자를 탑재하는 전자 기기의 동작을 양호하게 유지하기 위해서는, 반도체 소자가 발생시키는 열을 효율적으로 방열시켜, 허용 온도의 상한을 넘지 않도록 하는 것이 중요하다.
그렇지만, 금속 페이스트, 열전도성 접착제, 땜납 혹은 열전도성 그리스 등으로 이루어지는 접합층을 사이에 두고, 반도체 기판에 금속 플레이트의 히트 스프레더를 접합하는 종래의 히트 스프레더 구조는, 접합층에 보이드의 발생이나 스트레스, 피로 등에 기인하는 열전도성 열화의 요인이 있고, 냉각 기능의 성능 및 신뢰성이 충분하지 않다.
또한, 반도체 칩을 감싸는 반도체 패키지에도 히트 스프레더를 사이에 두고 히트 싱크를 장착하는 것이 자주 행해지고 있고, 이 경우에도 히트 스프레더 주위에서 상기와 동일한 것이 문제가 되고 있다.
한편, 금속 플레이트 대신에, 금속 증착막 또는 금속 스퍼터막을 히트 스프레더로 하여 반도체 기판 위에 형성하는 경우는, 고가의 진공 성막 장치를 필요로 한다.
그래서, 반도체 칩, 반도체 중계 기판, 반도체 패키지 등에 이용하는 히트 스프레더로서, 소재로 열전도율이 가장 높은 은을 사용하는 형태와, 땜납 등의 접합재를 사용하지 않고, 또한 성막 장치의 간편화를 도모하는 관점에서 도포법에 의한 소결 피복막을 기판 위에 제작하는 형태가 유리하다고 생각된다.
본 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 상기 착안점으로부터 이루어진 것이고, 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 밀착성 및 열전도성이 우수한 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작하는 방법, 및 이 방법에 사용 가능한 소성 장치, 및 소결은 피복막을 이용한 반도체 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서의 소결은 피복막의 제작 방법은, 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작하는 방법으로서, 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지의 일면에 나노 은 입자를 포함하는 잉크 또는 페이스트의 도포막을 형성하는 공정과, 상기 도포막을 환기형의 오븐에 의해 습도 30%~50% RH(30℃)의 분위기하에서 가열하여 소결시키는 공정을 갖는다.
본 발명의 소성 장치는, 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 형성되어 있는 나노 은 입자를 포함하는 잉크 또는 페이스트의 도포막을 소성하기 위한 소성 장치로서, 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지를 수용하는 챔버와, 상기 챔버에 외기를 도입하여 내부의 공기를 배출하는 환기부와, 상기 챔버 내에서 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지를 가열하는 온도를 소정의 소성 온도로 조정하는 온도 조정 기구와, 상기 챔버 내의 습도를 30%~50% RH(30℃)로 조정하는 습도 조정 기구를 갖는다.
본 발명의 반도체 장치는, 상기 소결은 피복막 제작 방법에 의해 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 형성된 소결은 피복막과, 상기 소결은 피복막에 접합된 방열부를 갖는다.
본 발명에 있어서의 소결은 피복막의 제작 방법 또는 소성 장치에 의하면, 상기와 같은 구성에 의해, 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 밀착성 및 열전도성이 우수한 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작할 수 있다.
본 발명에 있어서의 반도체 장치에 의하면, 상기와 같은 구성에 의해, 반도체 기판 또는 반도체 패키지에 의해 발생되는 열이, 밀착성 및 열전도성이 우수한 소결은 피복막을 거쳐서 방열부에 전달되어 방출되므로, 장치의 안정적 동작과 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 반도체 장치의 일 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 상기 실시형태에 있어서의 성막 공정을 나타내는 사시도이다.
도 3은 상기 성막 공정에 의해 반도체 기판 위에 소결은 피복막이 형성된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 상기 소성 공정에 사용 가능한 소성 장치의 일 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 상기 소성 공정에 사용 가능한 소성 장치의 다른 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 실시예의 소결 공정에 있어서의 온도 조건을 설명하는 도면이다.
도 7은 실시예에 있어서의 소결은 피복막의 밀착성 평가 시험(필 테스트)을 나타내는 사시도이다.
도 8은 실시예에 있어서 소결 공정의 습도를 파라미터로 했을 때의 각 샘플에 있어서의 소결은 피복막의 밀착성의 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예에 있어서 소결 공정의 습도를 파라미터로 했을 때의 각 샘플에 있어서의 소결은 피복막의 단면 및 표면 상태의 주사 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예에 있어서의 소결 공정의 습도와 소결은 피복막의 전기 저항률의 관계를 설명하는 도면이다.
도 11은 Wiedemann-Franz의 법칙에 근거하는 전기 저항률과 열전도율의 관계를 나타내는 그래프 도면이다.
도 12는 실시예에 있어서 소결은 피복막의 막 두께를 파라미터로 했을 때의 각 샘플에 있어서의 소결은 피복막의 밀착성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예에 있어서 소결 조건을 파라미터로 했을 때의 각 샘플에 있어서의 소결은 피복막의 밀착성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 실시예에 있어서 소결 조건을 파라미터로 했을 때의 각 샘플에 있어서의 소결은 피복막의 단면의 주사 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
도 15는 상기 소성 장치의 또 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 16은 도 15의 소성 장치에 있어서 습도 선도를 참조하여 소성 처리용 수분량을 일정하게 제어하는 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 상기 소성 장치의 또 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 18은 상기 소성 장치의 또 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 소결은 피복막 제작 방법에 있어서, 소결 공정에 있어서의 습도는, 35%~45% RH(30℃)인 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 가습 조건에 의해, 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에, 보다 밀착성 및 열전도성이 우수한 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작할 수 있다.
또한, 소결 공정에 있어서의 가열 온도는, 100℃ 이상인 것이 바람직하고, 이것에 의해 밀착성이 우수한 소결은 피복막을 제작할 수 있다.
또한, 소결 공정에 있어서의 가열 온도는, 100℃~250℃인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 예컨대 반도체 패키지에 250℃ 이하에서 열변형, 열열화를 발생시키지 않는 수지 재료가 사용되고 있는 경우에, 밀착성과 열전도성이 우수한 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작할 수 있다.
바람직한 일 형태에 있어서, 잉크 또는 페이스트는, 알킬아민계의 보호 분자에 의해 덮인 피복 은 초미립자를 포함하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 잉크 또는 페이스트의 도포막의 저온 소성에 의해, 밀착성과 열전도성이 우수한 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작할 수 있다.
본 발명의 소성 장치에 있어서의 바람직한 일 형태로서, 환기부는, 챔버의 벽의 다른 부분에 마련된 외기 도입용 제 1 포트 및 배기용 제 2 포트와, 챔버 내에서 제 1 포트로부터 제 2 포트로 공기를 이동시키기 위한 팬을 갖는다. 이와 같은 구성에 의해, 환기 효율을 높여서 소성 시간의 단축화를 도모함과 아울러, 챔버 내의 분위기의 온도 및 습도를 균일화하여 소결 처리의 균일성 및 재현성을 향상시키고, 나아가서는 소결은 피복막의 물성(밀착성 및 열전도성)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 온도 조정 기구는, 바람직한 일 형태로서, 챔버에 도입되기 전 또는 도입된 후의 공기를 가열하기 위한 히터를 갖고, 더 바람직하게는, 챔버 내의 분위기의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부와, 이 온도 측정부에서 얻어지는 온도 측정치가 온도 설정치와 일치하도록, 히터의 방열량을 제어하는 온도 제어부를 갖는다. 이와 같은 구성에 의해, 소성 온도의 정밀도를 높여서, 소결 처리의 균일성 및 재현성을 향상시키고, 나아가서는 소결은 피복막의 물성(밀착성 및 열전도성)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 습도 조정 기구는, 바람직한 일 형태로서, 건조한 공기를 생성하는 건조 공기 발생부와, 이 건조 공기 발생부로부터의 공기를 챔버 내에 도입되기 전에 가습하는 가습기와, 챔버 내의 습도를 측정하는 습도 측정부와, 습도 측정부에서 얻어지는 습도 측정치가 습도 설정치와 일치하도록, 건조 공기 발생부 및 가습기의 적어도 한쪽의 출력을 제어하는 습도 제어부를 갖는다. 이러한 구성에 의해, 챔버 내의 분위기의 습도를 정확하게 관리하여, 소결 처리의 균일성 및 재현성을 향상시키고, 나아가서는 소결은 피복막의 물리적인 특성(특히 밀착성 및 열전도성)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 다른 바람직한 일 형태로서, 습도 조정 기구는, 건조한 공기를 생성하는 건조 공기 발생부와, 이 건조 공기 발생부로부터의 공기를 챔버 내에 도입하기 전에 가습하는 가습기와, 이 가습기에 의해 가습된 공기의 수분량을 측정하는 수분량 측정부와, 습도 측정부에서 얻어지는 수분량 측정치가 수분량 설정치와 일치하도록, 건조 공기 발생부 및 가습기의 적어도 한쪽의 출력을 제어하는 습도 제어부를 갖는다. 이러한 구성에 의해서도, 소결 공정에 있어서의 분위기의 습도를 정확하게 관리하여, 소결 처리의 균일성 및 재현성을 향상시키고, 나아가서는 소결은 피복막의 물리적인 특성(밀착성 및 열전도성)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 또 다른 바람직한 일 형태로서, 상기 습도 조정 기구는, 건조한 공기를 생성하는 건조 공기 발생부와, 상기 건조 공기 발생부로부터의 건조 공기로 물을 기화하여 혼합기(混合氣; mixture)를 생성하는 기화기와, 상기 건조 공기 발생부에서 상기 기화기에 보내지는 건조 공기의 유량을 제어하기 위한 제 1 유량 제어 밸브와, 물을 수용하는 용기에서 상기 기화기에 보내지는 물의 유량을 제어하기 위한 제 2 유량 제어 밸브와, 상기 기화기에서 생성된 상기 혼합기의 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서와, 상기 온습도 센서에서 얻어지는 온도 측정치 및 습도 측정치에 근거하여, 상기 혼합기에 있어서의 물과 공기의 중량비가 설정치가 되도록, 상기 제 1 및 제 2 유량 제어 밸브를 통해서 상기 기화기에 공급되는 건조 공기 및 물의 유량의 적어도 한쪽을 제어하는 습도 제어부를 갖는다. 이러한 구성에 의해서도, 소결 공정에 있어서의 분위기의 습도를 정확하게 관리하여, 소결 처리의 균일성 및 재현성을 향상시키고, 나아가서는 소결은 피복막의 물리적인 특성(밀착성 및 열전도성)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 바람직한 일 형태에 있어서, 습도 조정 기구는, 가습기에 의해 가습된 공기를 챔버까지 운반하기 위한 에어 덕트를 갖는다. 이와 같은 구성에 의해, 챔버 내의 분위기의 습도를 보다 정확하고 효율적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 있어서의 반도체 기판은, 예컨대, 반도체 칩, 반도체 웨이퍼, 반도체 중계 기판(예컨대 실리콘 인터포저)이다. 반도체 기판의 재질은, 전형적으로는 실리콘이다. 실리콘 기판의 베어(bare) 상태로 노출되고 있는 면에, 본 발명에 있어서의 소결은 피복막을 적절히 제작할 수 있다. 또한, 반도체 기판의 표면이, 실리콘을 포함하는 무기막, 예컨대 산화실리콘(SiO2)층, 질화실리콘(SiN)층 등으로 덮여 있더라도 좋고, 그와 같은 무기막의 위에 본 발명에 있어서의 소결은 피복막을 적절히 제작할 수 있다. 또한, 반도체 기판의 표면에, 구리(Cu)층, 금(Au)층 등의 금속층이 형성되어 있더라도 좋다.
본 발명에 있어서의 반도체 패키지는, 예컨대, 세라믹 패키지 또는 수지 패키지이다. 세라믹 패키지는, 알루미나, 질화알루미늄, 멀라이트 등의 세라믹스 재료로 이루어지는 틀 및 상부의 덮개에 의해 구성되고, 내부에 반도체 소자 또는 반도체 기판(반도체 칩)을 배치하여 봉지하고 있다. 수지 패키지는, 반도체 칩이 안에 배치되는 수지 케이스와 이것을 덮는 수지 커버를 갖고, 내부에 반도체 칩을 밀봉하여 감싼다. 수지 패키지의 재료가 되는 수지로서, 전기 절연성이 양호하고 열전도율이 높은 필러, 예컨대 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 실리카(산화규소) 등의 필러를 충전한 수지가 적절히 이용된다. 반도체 패키지의 소결은 피복막이 형성되는 표면에는, 산화실리콘(SiO2)층, 질화실리콘(SiN)층 등의 실리콘을 포함하는 무기층이 형성되어 있더라도 좋고, 혹은 구리(Cu)층, 금(Au)층의 금속층이 형성되어 있더라도 좋다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다.
[실시형태에 있어서의 반도체 장치]
도 1에, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 반도체 장치의 구성예를 나타낸다. 도시한 반도체 장치(10)에 있어서, 반도체 기판(12)은, 집적 회로 혹은 배선류(도시하지 않음)가 내장된 베어 반도체 칩 또는 반도체 중계 기판이다. 이 반도체 기판(12)의 한쪽의 면(방열면)(12a) 위에는, 후술하는 본 발명의 소결은 피복막 제작 방법 및 소성 장치를 이용하여, 히트 스프레더용 소결은 피복막(14)이 제작된다. 그리고, 이 히트 스프레더용 소결은 피복막(14)의 위에, 접착층(16)을 사이에 두고, 예컨대 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 방열핀(18)이 결합된다. 접착층(16)에는, 예컨대, 금속 페이스트, 열전도성 접착제, 땜납 또는 열전도성 그리스가 이용된다. 방열부의 다른 구성예로서, 접착층(16)을 생략하는 구성, 다시 말해 소결은 피복막(14)의 위에 방열핀(18)을 직접 탑재하는 구성도 가능하다.
이 반도체 장치(10)에 있어서는, 반도체 기판(12)의 방열면(12a)에 대한 소결은 피복막(14)의 밀착성 및 열전도성이 매우 우수하기 때문에, 반도체 기판(12)이 발생시키는 열이 소결은 피복막(14)을 거쳐서 효율적으로 방출된다. 이 때문에, 반도체 기판(12)에 탑재되어 있는 집적 회로가 허용 온도의 범위 내에서 안정적으로 동작할 수 있도록 되어 있다.
본 실시형태의 소결은 피복막 제작 방법 또는 소성 장치의 적용을 받는 워크 피스로서의 반도체 기판(12)은, 상기와 같은 제품 형태의 반도체 칩 또는 반도체 중계 기판이더라도 좋지만, 반도체 디바이스가 완성되기 전의 반도체 웨이퍼이더라도 좋다.
[실시형태에 있어서의 소결은 피복막 제작 방법 및 소성 장치]
본 실시형태의 소결은 피복막 제작 방법은, 다음의 제 1 공정, 다시 말해 도포 공정 (1) 및 제 2 공정, 다시 말해 소결 공정 (2)를 포함한다.
(1) 우선, 반도체 기판(12)의 방열면(12a)에 나노 은 입자(알킬아민계의 보호 분자에 의해 덮인 피복 은 초미립자)를 포함하는 잉크 또는 페이스트의 도포막을 형성한다.
(2) 다음으로, 상기 도포막을 환기형 오븐에 의해 습도 30% RH 이상, 50% RH 이하(30℃)의 분위기 아래에서 가열하여 소결시킨다.
도 2에, 스핀코트법에 의한 도포 공정 (1)을 나타낸다. 도시와 같이, 방열면(12a)을 위로 향하게 한 반도체 기판(12)을 회전 원판(20) 위에 탑재하여 고정하고, 회전 원판(20)과 일체적으로 반도체 기판(12)을 스핀 회전시키면서, 적하 장치(22)의 적하구로부터 잉크 K를 반도체 기판(12)의 중심부에 적하한다. 그렇게 하면, 스핀 회전의 원심력에 의해 잉크 K의 액적이 중심부로부터 주변부로 확산되고, 도 3에 나타내는 바와 같이 반도체 기판(12) 위에 막 두께가 균일한 도포막 KM이 형성된다. 여기서, 잉크 K는, 나노 은 입자(알킬아민계의 보호 분자에 의해 덮인 피복 은 초미립자)를 포함하고 있다. 따라서, 반도체 기판(12) 위에 형성되는 도포막 KM도, 동일한 나노 은 입자(알킬아민계의 보호 분자에 의해 덮인 피복 은 초미립자)를 포함하고 있다.
도 4에, 상기 소결 공정 (2)에 사용 가능한 본 실시형태에 있어서의 소성 장치의 일 구성예를 나타낸다. 이 소성 장치(30)는, 실내의 공기를 외기와 교체하면서 소성 처리를 행하는 환기형 오븐으로서 구성되어 있다. 보다 상세하게는, 이 소성 장치(30)는, 상기 도포 공정 (1)에 의해 나노 은 입자를 포함하고 있는 잉크 도포막 KM이 일면에 형성되어 있는 반도체 기판(12)을 워크 피스 W(KM/12)로서 출납하고, 예컨대 격벽 또는 정류판(31) 및 스테이지(33)가 마련되어 있는 소성실 내에 한 번에 복수의 워크 피스 W를 수용할 수 있는 챔버(32)를 갖고 있다. 또한, 이 소성 장치(30)는, 챔버(32)에 외기를 도입하면서 챔버(32)로부터 가스를 배출하는 환기부(34)와, 챔버(32) 내의 분위기를 소정의 소성 온도로 조정하는 온도 조정 기구(36)와, 챔버(32) 내의 습도를 30%~50% RH(30℃)의 범위 내의 설정치로 조정하는 습도 조정 기구(38)를 갖고 있다. 또, 이 실시형태에 있어서, 외기란, 챔버(32)에 아직 도입되어 있지 않은 바깥의 공기이다.
환기부(34)는, 챔버(32)의 벽의 다른 부분, 예컨대 저벽 및 측벽에 각각 마련되는 공기 도입 포트(40) 및 배기 포트(42)와, 챔버(32) 내에서 공기 도입 포트(40)로부터 배기 포트(42)로 공기를 교반하면서 이동시키기 위한 팬(44)을 갖는다. 이 팬(44)은, 제어부(46)의 제어의 아래에서 모터(48)에 의해 구동된다. 공기 도입 포트(40)는, 후술하는 바와 같이 수분량이 조절된 가습 공기를 챔버(32) 내에 도입하도록 되어 있다. 배기 포트(42)는, 챔버(32) 내의 가스가 배출되는 출구이고, 배기관(43)을 거쳐서 대기에 개방되거나, 혹은 공장 배기 덕트(도시하지 않음)에 접속된다.
온도 조정 기구(36)는, 공기 도입 포트(40)에서 챔버(32) 내에 도입된 공기를 가열하기 위한 히터(50)와, 챔버(32) 내의 분위기 온도를 측정하기 위한 온도 센서(52)와, 이 온도 센서(52)에서 얻어지는 온도 측정치가 온도 설정치와 일치하도록 히터(50)의 방열량을 제어하는 제어부(46)로 구성되어 있다. 히터(50)는, 열을 방사하여 주위의 공기를 가열하는 임의의 히터로 충분하고, 예컨대 전열 히터나 카본 파이버 히터 등을 사용할 수 있다.
습도 조정 기구(38)는, 챔버(32)의 바깥에서 건조된 공기를 생성하는 건조 공기 발생부(54)와, 이 건조 공기 발생부(54)로부터 송출된 건조 공기를 챔버(32)의 안에 도입되기 전에 혼합기(混合器)(56)를 거쳐서 가습하는 가습기(58)와, 혼합기(56)의 출구로부터 챔버(32)의 공기 도입 포트(40)까지의 기밀한 공기 유로를 형성하는 에어 덕트(60) 내에 마련되는 수분량 센서(62) 및 유량 센서(64)와, 상기 제어부(46)로 구성되어 있다. 수분량 센서(62) 및 유량 센서(64)는, 덕트(60) 내에 흐르는 가습된 공기의 수분량 및 유량을 각각 측정한다. 제어부(46)는, 수분량 센서(62) 및 유량 센서(64)로부터의 측정치 신호에 근거하여 챔버(32)에 도입되는 가습 공기의 단위 부피당 수분량(측정치)을 연산하고, 그 단위 부피당 수분량(측정치)이 설정치와 일치하도록, 건조 공기 발생부(54) 및 가습기(58)의 적어도 한쪽의 출력을 제어한다.
또, 수분량 센서(62)로서, 예컨대, 전기 저항식 수분계, 흡습성 물질의 전기적 변화를 사용하는 전자식 수분계, 적외선 흡수를 이용하는 적외선 (흡수) 수분계 등을 사용할 수 있다.
이 소성 장치(30)에 있어서는, 습도 조정 기구(38)에서 단위 부피당 수분량이 일정하게 조정된 가습 공기가, 에어 덕트(60)를 통하여, 공기 도입 포트(40)로부터 챔버(32)의 안에 도입된다. 챔버(32) 내에 도입된 가습 공기는, 소성실에 들어가기 전에 히터(50)에 의해 가열되고, 팬(44)의 추력에 의해, 공기 이외의 가스를 말려들게 하면서 소성실의 안을 배기 포트(42) 쪽을 향해서 빠져나가고, 배기 포트(42)로부터 챔버(32)의 바깥으로 나간다.
소성 처리 중에는, 제어부(46)의 제어의 아래에서 상기 구성의 환기부(34), 온도 조정 기구(36) 및 습도 조정 기구(38)가 각각의 기능 또는 작용을 행하는 것에 의해, 챔버(32)의 소성실 내의 분위기가 설정대로의 항온 또한 항습 상태로 관리된다. 즉, 상기 소결 공정 (2)를 위해, 소성 온도는, 100℃ 이상, 바람직하게는 100℃ 이상 250℃ 이하, 보다 바람직하게는 100℃ 이상 200℃ 이하로 제어된다. 또한, 습도는, 30%~50% RH(30℃)의 범위로 조정되고, 바람직하게는 35% RH~45% RH(30℃)의 범위로 제어된다.
도 5에, 본 실시형태에 있어서의 소성 장치의 일 변형예를 나타낸다. 도면 중에서, 도 4의 소성 장치와 동일한 구성 또는 기능을 갖는 부분에는, 동일한 부호를 부여하고 있다.
이 소성 장치(70)는, 공기 도입 포트(40)를 개방한 상태에서, 챔버(32)를 밀폐 공간의 공조실(72) 내에 배치한다. 공조실(72) 내에는, 건조 공기 발생부(54)에서 건조 공기가 에어 덕트(74)를 거쳐서 보내짐과 아울러, 공기 도입 포트(40)의 근처에 가습기(58)가 배치된다. 이것에 의해, 건조 공기 발생부(54)로부터의 건조 공기는, 주로 공기 도입 포트(40) 부근에서(챔버(32)의 바깥뿐만 아니라 안에서도) 가습되고, 챔버(32) 내에서 히터(50)에 의해 가열되도록 되어 있다. 이 소성 장치(70)의 습도 조정 기구(38)는, 챔버(32)의 안에 배치되는 습도 센서(76)를 갖고 있다. 제어부(46)는, 이 습도 센서(76)에서 얻어지는 습도 측정치가 설정치와 일치하도록, 건조 공기 발생부(54) 및 가습기(58)의 적어도 한쪽의 출력을 제어한다.
이 소성 장치(70)에 있어서도, 소성 처리 중에는, 제어부(46)의 제어의 아래에서 환기부(34), 온도 조정 기구(36) 및 습도 조정 기구(38)가 각각의 기능 또는 작용을 행하는 것에 의해, 챔버(32)의 소성실 내의 분위기가 설정대로의 항온 또한 항습 상태로 관리된다. 즉, 상기 소결 공정 (2)를 위해, 소성 온도는, 100℃ 이상, 바람직하게는 100℃ 이상 250℃ 이하, 보다 바람직하게는 100℃ 이상 200℃ 이하로 제어된다. 또한, 습도는, 30%~50% RH(30℃)의 범위로 조정되고, 바람직하게는 35% RH~45% RH(30℃)의 범위로 제어된다.
[실시예]
이하, 도 6~도 14를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특히, 실시예의 소결은 피복막 제작 방법에 있어서의 소성 조건(샘플의 종류, 소성시의 습도, 성막 두께, 소성 온도), 제작된 소결은 피복막의 밀착성의 평가, 및 제작된 소결은 피복막의 도전성의 평가의 상세에 대하여 설명한다.
우선, 실시예에서 사용한 피복 은 초미립자가 분산되는 분산액은, 일본 특허 공개 2010-265543호 공보의 실시예 10(단락 0084)에 기재된 제법을 이용하여 조제했다. 이와 관련하여, 일본 특허 공개 2010-265543호 공보의 단락 0084에 기재된 피복 은 초미립자의 분산액의 제법은, 「n-헥실아민 5.78g(57.1mmol)과 n-도데실아민 0.885g(4.77mmol), N,N-디메틸-1,3-디아미노프로판 3.89g(38.1mmol), 올레인산(도쿄카세이, >85.0%) 0.251g(0.889mmol)을 혼합하고, 이 혼합액에 옥살산은 7.60g(25.0mmol)을 가하여, 약 1시간 교반하면, 옥살산 이온ㆍ알킬아민ㆍ알킬디아민ㆍ은 착화합물이 생성되고, 점성이 있는 고체로 변화되었다. 이것을 100℃에서 10분 가열 교반하면, 이산화탄소의 발포를 수반하는 반응이 완결되고, 청색 광택을 나타내는 현탁액으로 변화되었다. 여기에 메탄올 10㎖를 가하여, 원심 분리에 의해 얻어진 침전물을 분리하고, 다시 한 번, 메탄올 10㎖를 가하여, 침전물을 교반하고, 원심 분리에 의해 얻어진 피복 은 초미립자의 침전물을 얻었다. 피복 은 초미립자의 침전물에 n-옥탄과 n-부탄올의 혼합 용매(부피비 4 : 1 v/v)를 가하여 교반함으로써, 50중량%의 피복 은 초미립자가 양호하게 분산되는 분산액을 얻는다.」이다.
한편, 실시예에 있어서의 반도체 기판(12)으로서, 30㎜×30㎜의 반도체 칩을 5종류 준비했다. 즉, 실리콘 기판으로 이루어지는 베어 반도체 칩(Si 베어 칩)(12A)과, 일면에 산화실리콘(SiO2)막을 형성한 반도체 칩(SiO2/Si 칩)(12B)과, 일면에 질화실리콘(SiN)막을 형성한 반도체 칩(SiN/Si 칩)(12C)과, 일면에 Cu막을 형성한 반도체 칩(Cu/Si 칩)(12D)과, 일면에 Au막을 형성한 반도체 칩(Au/Si 칩)(12E)을 준비했다.
본 발명의 실시예에 있어서의 도포 공정 (1)에는 상술한 바와 같은 스핀코트법(도 2)을 이용했다. 즉, 피복 은 초미립자의 분산액을 이용하여 스핀코트법에 의한 도포막 KM을, Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩, Cu/Si 칩, Au/Si 칩의 각 일면(Si면, SiO2면, SiN면, Cu면, Au면) 위에 각각 형성했다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서의 소결 공정 (2)에는 도 5에 나타내는 구성의 소성 장치(70)를 사용했다. 그리고, 도포막 KM이 형성된 Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩, Cu/Si 칩, Au/Si 칩을 소성 장치(70)에 의해 동일한 조건으로 소성했다.
도 6에, 본 발명의 실시예에 있어서의 소성 처리의 온도 조건을 나타낸다. 도시와 같이, 100℃로부터 200℃까지 약 40min에 승온하고, 200℃를 60min 유지한 후, 약 80℃까지 약 80min에 강하시켜, 각 반도체 칩(12)을 소성 장치의 바깥으로 꺼낸다.
그리고, 각 반도체 칩(12) 위에 얻어진 소결은 피복막(80)의 밀착성(칩에 대한 피시험 소결은 피복막의 부착성)의 평가를, JIS-K5400에 준거한 바둑판 눈금 시험(크로스컷 필 시험)에 준하여 필 테스트(박리 시험)에 의해 행했다. 도 7에, 이 필 테스트의 내용 및 순서를 나타낸다.
우선, 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 커터 나이프(82)를 이용하여, 커터 나이프(82)의 칼끝이 소결은 피복막(80)을 관통하여 반도체 칩(12)에 도달하도록, 반도체 칩(12) 위의 소결은 피복막(80)에 칼집(84)을 낸다. 이 칼집(84)은, 직교하는 2방향으로 1㎜ 간격의 바둑판 눈금 형상으로 내어, 소결은 피복막(80)에 정사각형의 100구획(매스)으로 이루어지는 격자 패턴을 형성했다.
다음으로, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 반도체 칩(12) 위의 소결은 피복막(80)에 빈틈없이 밀착하도록, 점착 테이프(3M사의 스카치테이프 : 610-1PK, 테이프 강도 3.7N/㎝)(86)를 압착하여 붙였다. 다음으로, 도 7의 (c)에 나타내는 바와 같이, 반도체 칩(12) 위의 소결은 피복막(80)에 붙인 점착 테이프(86)를 그 단부를 잡고 일 방향으로 당겨서 떼어내고, 소결은 피복막(80) 중에서 떼어지지 않은 구획(매스)의 수 내지 비율을 눈으로 관찰하여 계수했다.
각 샘플에 있어서의 반도체 칩(12) 및 소결은 피복막(80) 사이의 밀착성을 평가하는 기준으로서, 반도체 칩(12)으로부터의 소결은 피복막(80)의 박리가 100구획(매스)의 모두에서 없는 경우를 100%로 하고, 100구획(매스) 중 조금이라도 박리가 보인 경우는, 박리되지 않은 구획(매스)의 비율(%)을 구했다.
또한, 실시예에 있어서는, 4탐침 시트 저항 측정기에 의해 측정된 표면 저항률과, 소결은 피복막의 막 두께로부터 구한 전기 저항률(부피 저항률)(resistivity)로부터, 후술하는 바와 같이 Wiedemann-Franz의 법칙에 근거하여 각 소결은 피복막(80)의 열전도율을 산출했다.
표 1 및 도 8에, 상기 Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩의 각 샘플에 있어서, 소성 처리시의 습도를 <20%, 40%, 50%의 3가지로 선택하여 얻어진 각 소결은 피복막의 밀착성의 평가 결과를 나타낸다.
Figure pat00001
표 1 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 도포막의 소성에 있어서의 소성 분위기의 습도를 40%로 한 경우에는, Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩의 어느 샘플에 있어서도, 상기 필 테스트에 있어서, 100구획(매스)의 모두에서 박리는 발생하지 않았다.
본 발명자가 본 실시예에 있어서의 도포막 KM을 소성할 때의 소성 분위기의 습도를 변화시켜 얻어진 결과의 개요는 다음과 같다.
(a) 10%로 한 경우, 밀착성은 완전히 불량했다.
(b) 20%로 한 경우, 10%로 한 경우보다 밀착성에 조금 개선이 보였다.
(c) 30%~40%로 한 경우, 밀착성은 가장 좋았다.
(d) 50%를 넘는 경우, 밀착성은 저하했다.
이와 같이, 도포막 KM의 소성에 있어서의 소성 분위기의 습도는, 30%~50%가 바람직하고, 40% 부근이 가장 바람직하고, 너무 낮더라도 너무 높더라도 소결은 피복막의 바람직한 밀착성은 얻어지지 않고, 소결은 피복막의 밀착성에 크게 영향을 미치는 것이 판명되었다.
도 9에, 상기 Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩의 각 샘플에 있어서, 소성 처리시의 분위기의 습도를 <20%, 40%, 50%의 3가지로 선택하여 얻어진 각 소결은 피복막의 단면 및 표면 상태의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 표 2에, 이 주사 전자 현미경 사진에서 얻어진 소결은 피복막의 막 두께 t(㎚) 및 전기 저항률(Ωㆍ㎝)을 나타낸다.
Figure pat00002
도 9 및 표 2로부터 분명한 바와 같이, 소성 분위기의 습도를 바꾸더라도, 소결은 피복막의 입경은 200㎚~600㎚이고, 표면 상태에 현저한 차이는 보이지 않았다. 또, 소성 온도를 더 높게, 예컨대 300℃ 이상으로 하면, 소결은 피복막의 표면 상태는 보다 균일해진다.
Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩의 어느 샘플에 있어서도, 소성 분위기의 습도가 40%인 경우, 칩 면에 형성된 소결은 피복막의 필 테스트에 있어서 100구획(매스)의 모두에서 박리는 발생하지 않았다.
도 9, 도 10 및 표 2에 나타내는 바와 같이, 소성 처리에 있어서의 분위기의 습도를 변화시키더라도, 소결은 피복막의 전기 저항률(Ωㆍ㎝)에 큰 변화는 보이지 않았다. 소성 분위기의 습도가 40%인 경우, 소결은 피복막의 전기 저항률(Ωㆍ㎝)은, 2.4μΩㆍ㎝~2.7μΩㆍ㎝였다.
소결은 피복막의 열전도율 λ(W/(mㆍK))는, 소결은 피복막의 전기 저항률 ρ(Ωㆍ㎝)로부터 추정할 수 있다.
즉, 벌크 은의 전기 저항률 ρ(μΩㆍ㎝), 열전도율 λ(W/mㆍK)를 각각, =1.47, 430으로 하고, Wiedemann-Franz의 법칙(λ∝σ=1/ρ)을 이용하면, 도 11에 나타내는 바와 같이, 실시예에 있어서의 소결은 피복막에 있어서는, 그 전기 저항률 ρ(μΩㆍ㎝)가 2.5~2.7이라고 하면, 그 열전도율 λ(W/mㆍK)는 234~253(추정치)이다.
도 9, 도 10 및 표 2에 나타내는 실시예의 소결은 피복막의 열전도율 λ(W/mㆍK)=234~253은, 시판하는 은 페이스트의 열전도율 약 10, 시판하는 땜납의 열전도율 약 50과 비교하면 매우 큰 값이고, 이 소결은 피복막의 열전도성은 매우 양호한 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 열저항이 작고 방열 효과가 큰 히트 스프레더로서 사용할 수 있다.
도 12 및 표 3에, 본 발명의 실시예에 있어서, 소결은 피복막의 막 두께 조건과 소결은 피복막의 밀착성 평가 결과를 설명하는 도면이고, Si 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩의 각 샘플에 있어서 소결은 피복막의 막 두께를 0.6㎛, 1.5㎛, 4.0㎛의 3가지로 선택하여 얻어진 필 테스트의 결과를 나타낸다.
Figure pat00003
도 12 및 표 3에 나타내는 바와 같이, 두께 1.5㎛의 소결은 피복막을 형성한 SiN/Si 칩에서는, 필 테스트의 결과, 100구획(매스) 중 10구획에서 박리가 발생하지 않아 10%이고, 두께 1.5㎛의 소결은 피복막을 형성한 Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, 및 두께 0.6㎛의 소결은 피복막을 형성한 Si 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩에서는, 필 테스트의 결과, 100구획(매스)의 모두에서 박리의 발생은 없어, 박리되지 않은 구획의 비율은 100%였다.
또, 두께 4.0㎛의 소결은 피복막을 형성한 Si 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩에서는, 스핀코트막의 소성시에 크랙이 발생하여 정상 상태의 소결은 피복막을 형성할 수 없었으므로, 필 테스트는 미평가이다.
도 13 및 도 14에, 본 발명의 실시예에 있어서, Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, SiN/Si 칩, Cu/Si 칩, Au/Si 칩의 각 샘플에 있어서 소성 조건을 「소성 없음」, 「100℃, 30min」, 「200℃, 60min」의 3가지로 선택하여 얻어진 필 테스트의 결과 및 소결은 피복막의 단면의 주사 전자 현미경 사진을 각각 나타낸다. 표 4는, 도 13에 대응하고 있다.
도 13 및 표 4에 나타내는 바와 같이, 도포막 KM을 소성하지 않은 경우의 Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, Cu/Si 칩, 및, 도포막 KM을 100℃, 30min에 소성한 경우의 Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, Cu/Si 칩에서는, 필 테스트의 결과, 100구획(매스) 중 모든 구획에서 박리가 발생하여, 박리되지 않은 구획의 비율은 0%였다.
한편, 도포막 KM을 소성하지 않은 경우의 Au/Si 칩, 도포막 KM을 100℃, 30min에 소성한 경우의 Au/Si 칩, 및 도포막 KM을 200℃, 60min에 소성한 경우의 Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, Cu/Si 칩, Au/Si 칩에서는, 필 테스트의 결과, 100구획(매스)의 모두에서 박리의 발생은 없어, 박리되지 않은 구획의 비율은 100%였다.
이와 같이, 도포막 KM을 200℃, 60min에 소성하는 것에 의해, Si 베어 칩, SiO2/Si 칩, Cu/Si 칩, Au/Si 칩의 어느 것에 있어서도 양호한 칩 밀착성을 확보할 수 있었다.
Figure pat00004
[소성 장치에 관한 다른 실시예]
도 15에, 상기 실시형태에 있어서의 소결 공정 (2)에 사용 가능한 소성 장치의 또 다른 구성예를 나타낸다.
도 15에 나타내는 소성 장치(100)는, 상술한 도 4 및 도 5의 소성 장치와 동일하게, 실내의 공기를 외기와 교체하면서 소성 처리를 행하는 환기형 오븐으로서 구성되어 있다. 즉, 이 소성 장치(100)는, 상기 도포 공정 (1)에 의해 나노 은 입자를 포함하고 있는 잉크 도포막 KM이 일면에 형성되어 있는 1개 또는 복수의 반도체 기판(12)을 워크 피스 W(KM/12)로서 출납 가능하게 수용할 수 있는 챔버(102)와, 이 챔버(102)에 외기를 도입하면서 챔버(102)로부터 가스를 배출하는 환기부(104)와, 챔버(102) 내의 분위기를 소정의 소성 온도로 조정하는 온도 조정 기구(106)와, 챔버(102) 내의 습도를 30%~50% RH(30℃)의 범위 내의 설정치로 조정하는 습도 조정 기구(108)를 갖고 있다.
단, 이 소성 장치(100)에 있어서의 환기부(104), 온도 조정 기구(106) 및 습도 조정 기구(108)는, 각각 도 4의 소성 장치에 있어서의 환기부(34), 온도 조정 기구(36) 및 습도 조정 기구(38)와는 다른 독자의 구성 내지 기능을 갖고 있다.
보다 상세하게는, 환기부(104)는, 챔버(102) 내에 도입된 공기(후술하는 바와 같이 온도 및 습도가 일정하게 조정되어 있는 가습 공기)를 실내에서 균일하게 확산시키기 위한 가스 확산판(또는 정류판)(110)을 갖고 있다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 이 가스 확산판(110)은, 챔버(102) 내에서 도시하지 않는 기판 지지부에 의해 소정 위치에 수평으로 배치되는 워크 피스 W(KM/12)의 옆에, 다시 말해 챔버(102)의 일 측벽에 마련된 공기 도입 포트(112)와 워크 피스 W(KM/12)의 사이에, 판면을 수직으로 하여 배치된다. 여기서, 공기 도입 포트(112)와 가스 확산판(110)의 사이의 공간(113)은, 챔버(102) 내에 도입된 공기를 일시적으로 체류시키는 가스 버퍼실을 형성한다.
가스 확산판(110)에는 일정한 밀도로 다수의 가스 분출 구멍(110a)이 형성되어 있고, 이들의 가스 분출 구멍(110a)에서 가습 공기가 수평 방향으로 정류되어 균일한 유속으로 분출되도록 되어 있다. 그리고, 가스 분출 구멍(110a)에서 분출된 공기는, 워크 피스 W(KM/12)의 주위를 수평 방향으로 통과하여, 공기 도입 포트(112)와 마주보는 반대측의 챔버 측벽에 마련되어 있는 배기 포트(114)측으로 흐르고, 배기 포트(114)에서 배기관(116)을 거쳐서 챔버(102)의 바깥으로 배출된다. 또, 챔버(102) 내에서 상기와 같은 가습 공기의 흐름을 형성하기 위해, 챔버(102)의 안 또는 공기 도입 포트(112) 또는 배기 포트(114)의 근처에 팬(도시하지 않음)을 마련할 수 있다.
온도 조정 기구(106)는, 공기 도입 포트(112)에 접속되어 있는 에어 덕트(118) 내에서 챔버(102)에 도입되기 전의 가습 공기(외기)를 예열하기 위한 프리 히터(120)와, 가스 버퍼실(113)에 도입된 가습 공기를 가스 확산판(110)에서 분출시키기 전에 소정 온도까지 가열하기 위한 메인 히터(122)를 갖고 있다. 프리 히터(120)는, 에어 덕트(118) 내에 마련되는 발열부(120a)와, 제어부(46)의 제어 아래에서 발열부(120a)에 발열용 전력을 공급하는 히터 전원(120b)을 갖고 있다. 메인 히터(122)는, 가스 버퍼실(113) 내에 마련되는 발열부(122a)와, 제어부(46)의 제어 아래에서 발열부(122a)에 발열용 전력을 공급하는 히터 전원(122b)을 갖고 있다.
에어 덕트(118) 내에는, 프리 히터(120)의 발열부(120a)의 하류측에 온습도 센서(124)가 마련되어 있다. 제어부(46)는, 이 온습도 센서(124)에서 얻어지는 온도 측정치가 설정 온도가 되도록 프리 히터(120)의 발열량을 제어할 수 있고 또한, 온습도 센서(124)에서 얻어지는 온도 측정치에 따라 메인 히터(122)의 발열량을 제어할 수도 있다. 이것에 의해, 챔버(102) 내에서 워크 피스 W(KM/12)의 주위 온도 또는 분위기 온도를 소망하는 처리 온도로 제어할 수 있다.
습도 조정 기구(108)는, 챔버(102)의 바깥에서 건조한 공기를 생성하는 건조 공기 발생부(126)와, 물을 수용하는 용기(128)와, 건조 공기 발생부(126)로부터의 건조 공기로 용기(128) 내의 물을 기화하여 혼합기(가습 공기)를 생성하는 기화기(130)와, 건조 공기 발생부(126)에서 기화기(130)에 보내지는 건조 공기의 유량을 제어하기 위한 유량 제어 밸브(132)와, 용기(128)에서 기화기(130)에 보내지는 물의 유량을 제어하기 위한 유량 제어 밸브(134)와, 기화기(130)에서 생성된 혼합기의 온도 및 습도를 측정하는 상기 온습도 센서(124)와, 습도 조정 기구(108) 내의 각 부를 제어하는 제어부(46)로 구성되어 있다.
기화기(130)는, 예컨대 벤투리관(Venturi tube)을 갖고, 흡입 공기가 그곳을 흐를 때에 발생하는 압력 강하에 의해 흡입 공기 유량과 흡입 물 유량을 조절하여 혼합기를 생성하도록 되어 있다. 제어부(46)는, 온습도 센서(124)에서 얻어지는 온도 측정치 및 습도 측정치에 근거하여, 혼합기에 있어서의 물과 공기의 중량비가 설정치가 되도록, 유량 제어 밸브(132, 134)를 통해서 기화기(130)에 공급되는 건조 공기의 유량 및 물의 유량의 적어도 한쪽을 제어하도록 되어 있다.
여기서, 온습도 센서(124)는, 온도 측정치를 건구온도로 출력하고, 습도 측정치를 상대습도로 출력한다. 제어부(46)는, 내부 메모리에 저장하고 있는 습도 선도(psychrometric chart)의 데이터를 참조하여, 건구온도 및 상대습도로 나타내는 측정치 및 설정치에 대하여 물/공기의 비중량 및 절대습도로 나타내는 제어량을 구하도록 되어 있다.
예컨대, 도 16에 나타내는 바와 같이, ASHRAE(American Society of Heating, Refrigenerating and Air-Conditioning engineers)에 의해 발행되어 있는 습도 선도를 참조하면, 건구온도 30℃ 및 상대습도 40%의 공기는, 1㎏의 건조 공기에 대하여 10.5g의 수분이 포함되어 있고(10.5gH2O/kgdryair), 비중량(specific weight)은 0.874[㎥/kgdryair]인 것을 알 수 있다. 다시 말해, 건구온도 30℃ 및 상대습도 40%의 가습 공기(혼합기)를 얻기 위해서는, 일정 시간에 0.874㎥의 건조 공기에 대하여 10.5g의 물을 흐르게 하면 되고, 그렇게 되도록 제어부(46)는 유량 제어 밸브(132, 134)를 제어한다.
그 경우, 이러한 조건을 만족하는 가습 공기(혼합기)를 챔버(102) 내에 도입하고, 챔버(102) 내에서는 200℃의 온도로 소결 공정 (2)를 행하면, 도 16에 나타내는 바와 같이, 상대습도는 0.115%로 내려간다. 그러나, 이와 같이 30℃로 도입한 가습 공기를 챔버(102) 내에서 200℃로 승온하더라도, 절대습도는 10.5gH2O/kgdryair를 유지하고 있다. 이와 같이, 챔버(102) 내에 도입된 가습 공기를 거기서 몇 도로 승온하는지에 관계없이, 가습 공기를 통해서 챔버(102) 내에 공급하는 소성 처리용 수분량을 습도 조정 기구(108)에 의해 일정하게 제어할 수 있다.
도 17 및 도 18에, 상술한 소성 장치(도 15)에 있어서, 챔버(102) 내에 핫 플레이트(140)를 마련하는 변형예를 나타낸다. 핫 플레이트(140)는, 워크 피스 W(KM/12)를 탑재하는 금속 플레이트 또는 탑재대(140a)와, 이 탑재대(140a)의 안에 매설되어 있는 발열체(140b)와, 제어부(46)의 제어의 아래에서 발열체(140b)에 발열용 전력을 공급하는 히터 전원(140c)을 갖고 있고, 전열 방식으로 워크 피스 W(KM/12)를 소정의 소성 온도로 가열하도록 하고 있다.
도 17에 나타내는 구성예는, 도 15의 구성예와 동일하게 사이드 플로형이고, 가스 확산판(110)을 워크 피스 W(KM/12)의 옆에 배치하고, 워크 피스 W(KM/12)의 도포막 형성면에 대하여 평행하게 가스 확산판(110)에서 가습 공기를 정류하여 분출하도록 하고 있다.
도 18의 구성예는, 다운 플로형이고, 가스 확산판(110)을 워크 피스 W(KM/12)의 바로 위에 배치하고, 워크 피스 W(KM/12)의 도포막 형성면(상면)에 대하여 수직으로 가스 확산판(110)에서 가습 공기를 정류하여 분출하도록 하고 있다.
[다른 실시형태 또는 변형예]
이상, 본 발명을 바람직한 실시형태, 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태, 실시예로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상에 근거하여 각종 변형이 가능하다.
예컨대, 상기 실시형태 및 실시예에서는, 본 발명의 소결은 피복막 제작 방법 및 소성 장치에 의해, 반도체 기판의 일면에 소결은 피복막을 제작하는 예에 대하여 설명했다. 그러나, 본 발명의 소결은 피복막 제작 방법 및 소성 장치에 의해, 반도체 패키지의 일면에도 소결은 피복막을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 도포 공정 (1)에는 스핀코트법을 유리하게 사용할 수 있지만, 인쇄법 등의 다른 도포법도 사용할 수 있다.
10 : 반도체 장치 12 : 반도체 기판
14 : 소결은 피복막(히트 스프레더) 16 : 접착층
18 : 방열핀 20 : 회전 원판
22 : 적하 장치 30, 70 : 소성 장치
32 : 챔버 34 : 환기부
36 : 온도 조정 기구 38 : 습도 조정 기구
46 : 제어부 52 : 온도 센서
62 : 수분량 센서 76 : 습도 센서
100 : 소성 장치 102 : 챔버
104 : 환기부 106 : 온도 조정 기구
108 : 습도 조정 기구 124 : 온습도 센서
130 : 기화기

Claims (22)

  1. 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 히트 스프레더용 소결은 피복막을 제작하는 방법으로서,
    상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지의 일면에 나노 은 입자를 포함하는 잉크 또는 페이스트의 도포막을 형성하는 공정과,
    상기 도포막을 환기형 오븐에 의해 습도 30%~50% RH(30℃)의 분위기하에서 가열하여 소결시키는 공정
    을 갖는 소결은 피복막 제작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소결 공정에 있어서의 습도는, 35%~45% RH(30℃)인 소결은 피복막 제작 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소결 공정에 있어서의 가열 온도는, 100℃ 이상인 소결은 피복막 제작 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소결 공정에 있어서의 가열 온도는, 100℃~250℃인 소결은 피복막 제작 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고, 상기 실리콘 기판의 상기 소결은 피복막이 형성되는 면은 베어(bare) 상태로 노출되어 있는 소결은 피복막 제작 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 소결은 피복막이 형성되는 면은, 실리콘을 포함하는 무기막으로 덮여 있는 소결은 피복막 제작 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잉크 또는 페이스트는, 알킬아민계의 보호 분자에 의해 덮인 피복 은 초미립자를 포함하는 소결은 피복막 제작 방법.
  8. 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 형성되어 있는 나노 은 입자를 포함하는 잉크 또는 페이스트의 도포막을 소성하기 위한 소성 장치로서,
    상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지를 수용하는 챔버와,
    상기 챔버에 외기를 도입하여 내부의 공기를 배출하는 환기부와,
    상기 챔버 내에서 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지를 가열하는 온도를 소정의 소성 온도로 조정하는 온도 조정 기구와,
    상기 챔버 내의 습도를 30%~50% RH(30℃)로 조정하는 습도 조정 기구
    를 갖는 소성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 환기부는,
    상기 챔버의 벽의 상이한 부분에 마련된 외기 도입용 제 1 포트 및 배기용 제 2 포트와,
    상기 챔버 내에서 상기 제 1 포트로부터 상기 제 2 포트로 공기를 이동시키기 위한 팬
    을 갖는 소성 장치.

  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 환기부는, 상기 챔버 내에 도입된 공기를 실내에서 균일하게 확산시키기 위한 가스 확산판을 갖는 소성 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버의 안에서, 상기 가스 확산판은, 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지의 옆에 배치되고, 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지의 상기 도포막이 형성되어 있는 면에 대하여 평행하게, 공기를 정류하여 분출하는 소성 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버의 안에서, 상기 가스 확산판은, 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지의 위에 배치되고, 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지의 상기 도포막이 형성되어 있는 면에 대하여 수직으로, 공기를 정류하여 분출하는 소성 장치.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 조정 기구는, 상기 챔버에 도입되기 전의 외기를 예열하기 위한 제 1 히터를 갖는 소성 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 온도 조정 기구는,
    상기 챔버에 도입되기 전의 외기의 온도를 측정하기 위한 제 1 온도 측정부와,
    상기 제 1 온도 측정부에서 얻어지는 온도 측정치가 제 1 온도 설정치와 일치하도록, 상기 제 1 히터의 방열량을 제어하는 제 1 온도 제어부
    를 갖는 소성 장치.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 조정 기구는, 상기 챔버 내에서 공기를 가열하기 위한 제 2 히터를 갖는 소성 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 온도 조정 기구는,
    상기 챔버 내의 분위기의 온도를 측정하기 위한 제 2 온도 측정부와,
    상기 제 2 온도 측정부에서 얻어지는 온도 측정치가 제 2 온도 설정치와 일치하도록, 상기 제 2 히터의 방열량을 제어하는 제 2 온도 제어부
    를 갖는 소성 장치.
  17. 제 8 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 내에서 상기 반도체 기판 또는 반도체 패키지를 탑재하여 가열하는 핫 플레이트를 갖는 소성 장치.
  18. 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습도 조정 기구는,
    건조한 공기를 생성하는 건조 공기 발생부와,
    상기 건조 공기 발생부로부터의 공기를 상기 챔버 내에 도입되기 전에 가습하는 가습기와,
    상기 챔버 내의 습도를 측정하는 습도 측정부와,
    상기 습도 측정부에서 얻어지는 습도 측정치가 습도 설정치와 일치하도록, 상기 건조 공기 발생부 및 상기 가습기의 적어도 한쪽의 출력을 제어하는 습도 제어부
    를 갖는 소성 장치.
  19. 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습도 조정 기구는,
    건조한 공기를 생성하는 건조 공기 발생부와,
    상기 건조 공기 발생부로부터의 공기를 상기 챔버 내에 도입되기 전에 가습하는 가습기와,
    상기 가습기에 의해 가습된 공기의 수분량을 측정하는 수분량 측정부와,
    상기 습도 측정부에서 얻어지는 수분량 측정치가 수분량 설정치와 일치하도록 상기 건조 공기 발생부 및 상기 가습기의 적어도 한쪽의 출력을 제어하는 습도 제어부
    를 갖는 소성 장치.
  20. 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습도 조정 기구는,
    건조한 공기를 생성하는 건조 공기 발생부와,
    상기 건조 공기 발생부로부터의 건조 공기로 물을 기화하여 혼합기(混合氣)를 생성하는 기화기와,
    상기 건조 공기 발생부에서 상기 기화기에 보내지는 건조 공기의 유량을 제어하기 위한 제 1 유량 제어 밸브와,
    물을 수용하는 용기에서 상기 기화기에 보내지는 물의 유량을 제어하기 위한 제 2 유량 제어 밸브와,
    상기 기화기에서 생성된 상기 혼합기의 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서와,
    상기 온습도 센서에서 얻어지는 온도 측정치 및 습도 측정치에 근거하여, 상기 혼합기에 있어서의 물과 공기의 중량비가 설정치가 되도록, 상기 제 1 및 제 2 유량 제어 밸브를 통해서 상기 기화기에 공급되는 건조 공기 및 물의 유량의 적어도 한쪽을 제어하는 습도 제어부
    를 갖는 소성 장치.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습도 조정 기구는, 상기 가습기에 의해 가습된 공기를 상기 챔버까지 운반하기 위한 에어 덕트를 갖는 소성 장치.
  22. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 소결은 피복막 제작 방법에 의해 반도체 기판 또는 반도체 패키지 위에 형성된 소결은 피복막과,
    상기 소결은 피복막에 접합된 방열부
    를 갖는 반도체 장치.
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