專利名稱：接合方法以及接合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對基板進行接合的方法以及該方法中使用的裝置。
背景技術(shù)：
作為基板彼此的接合技術(shù)，有倒裝芯片(flipchip)連接。倒裝芯片連接是指，無 需從與一個基板相當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體芯片向其他基板(印刷基板、插入機構(gòu)等)引出引線，而將 半導(dǎo)體芯片經(jīng)由二維配置的被稱為凸塊(bump)的突起電極連接到其他基板的方式。艮口， 在倒裝芯片連接中，使半導(dǎo)體芯片與其他基板的表面上的突起電極彼此連接、或者使半 導(dǎo)體芯片以及其他基板的一個表面上的突起電極與另一方的表面上的引出電極連接。但是，當(dāng)前，在將突起電極接合到引出電極上時，主要使用焊劑。焊劑用于對 突起電極的表面以及內(nèi)部的氧化物進行還原 去除、或者防止突起電極表面的氧化，但 如果在將突起電極與引出電極接合之后焊劑殘留于基板上，則對半導(dǎo)體的可靠性等造成 影響。因此，需要洗凈并去除殘留于間隙中的焊劑殘渣，以便不使焊劑殘留于半導(dǎo)體芯 片與基板的間隙中。但是，將來，預(yù)測倒裝芯片連接中的半導(dǎo)體芯片與基板的間隙為50i!m以下， 而極其難以對殘留于間隙中的焊劑殘渣進行洗凈 去除。另外，一定不容易完全去除焊 劑殘渣。因此，近年來廣泛提出了不使用焊劑而將突起電極接合到引出電極上的技術(shù)。 例如，在專利文獻1中，公開了如下技術(shù)在使用以乙醇、有機酸為主成分的粘接劑將 突起電極暫時固定到引出電極上之后，使突起電極暴露于包含自由基氣體(氫自由基)的 氣氛中，對突起電極表面的氧化膜進行還原處理(去除)，并且進行熱處理而將突起電極 接合到引出電極上。另外，在專利文獻2中，公開了如下技術(shù)在實施了電極表面的氧化膜還原處 理之后，在大氣中對位，使其在氧濃度較低的氣氛中溶融。專利文獻1 日本特開2005-230830號公報專利文獻2:日本特開2007-266054號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，在專利文獻1以及2的技術(shù)中，必需在氧化膜還原處理之后進行熱處理而 將突起電極加熱至其溶融溫度以上。這樣的加熱不適合于半導(dǎo)體芯片。本發(fā)明是鑒于所述問題而完成的，其目的在于提供一種接合方法以及裝置，不 會使被接合物彼此的電氣的接觸性惡化，而容易地在低溫下接合。本發(fā)明的一個方式提供一種接合方法，其特征在于，具備針對在表面中分別 具有非接合物的第1以及第2基板的所述非接合物的表面，通過氫自由基進行氧化膜還原 處理的過程；以及對進行了所述氧化膜還原處理后的所述非接合物進行對位，之后對所 述第1以及第2基板施加載荷而接合所述非接合物彼此的過程。所述第1基板的被接合 物是所述第1基板的表面中設(shè)置的電極，所述第2基板的被接合物是第2基板的表面中設(shè)置的電極的表面中設(shè)置的突起電極，在所述氧化膜還原處理之后向大氣中取出所述第1 以及第2基板，在高溫下通過所述載荷進行接合。對位和加熱的順序可以是任意的。例 如，所述附加接合的載荷之前的電極的在大氣中放置的時間、溫度處于以下所示的范圍 內(nèi)，Log (t)<3(1000/T-2) (1)t:曝露時間(min)T:加熱溫度(K)。在如圖6所示，在以2個階段以上的加熱曲線進行加熱的情況下，曝露時間與加 熱溫度優(yōu)選滿足以下條件。Z (log (tn)/{3 (1000/Tn-2) }<1 (2)tn、Tn第n階段的時間、溫度所述第1以及第2基板的被接合物既可以是所述第1以及第2基板的表面中設(shè)置 的面狀體，也可以是所述第1以及第2基板的表面中設(shè)置的線狀體。本發(fā)明的另一方式提供一種接合裝置，其特征在于，具備針對在表面中分別 具有非接合物的第1以及第2基板的所述非接合物的表面，通過氫自由基進行氧化膜還原 處理的單元；對進行了所述氧化膜還原處理后的所述非接合物進行對位的單元；以及在 所述對位之后對所述第1以及第2基板施加載荷而接合所述非接合物彼此的單元。在接合被接合物的情況下，在通過加熱使被接合物溶融的情況下，需要加熱到 被接合物的溶融溫度以上的溫度，但如果這樣加熱到高溫，則被接合物的表面被氧化， 而無法接合。但是，如果通過利用本發(fā)明的接合方法以及裝置對被接合物的表面進行氫 自由基照射來去除表面的氧化膜，則該氧化被延遲，在不會被氧化且小于被接合物的溶 融溫度的溫度下也可以進行接合。


圖1是示出通過本發(fā)明的第1實施方式制造的半導(dǎo)體裝置1的圖。圖2是示出圖1的半導(dǎo)體裝置的制造方法的流程的流程圖。圖3是示出圖1的半導(dǎo)體裝置1的制造中使用的氧化膜去除裝置的圖。圖4是示出可通過本發(fā)明的第1實施方式制造的其他半導(dǎo)體裝置的圖。圖5是示出可通過本發(fā)明的第1實施方式制造的其他半導(dǎo)體裝置的圖。圖6是示出本發(fā)明的第1實施方式的變形例中的溫度與時間的關(guān)系的圖。圖7是示出通過本發(fā)明的第2實施方式制造的基板的圖。圖8是示出圖7的基板的制造中使用的接合裝置的圖。圖9是示出通過本發(fā)明的第3實施方式制造的基板的圖。圖10是示出圖7以及圖9的基板的制造中使用的其他接合裝置的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。圖1示出通過本發(fā)明的第1實施方式制造出的半導(dǎo)體裝置1。圖2示出圖1的半 導(dǎo)體裝置1的制造方法的流程。該半導(dǎo)體裝置1是將第1基板例如半導(dǎo)體芯片2粘合到第2基板例如中間基板3而得到的。半導(dǎo)體芯片2具有半導(dǎo)體元件4、外部引出電極5以及突起電極6。半導(dǎo)體元件 4在其內(nèi)部例如組裝有集成電路(未圖示)。外部引出電極5形成在半導(dǎo)體元件4的表面 中，例如與該集成電路的一端連接。突起電極6形成在外部引出電極5的表面。中間基板3是用于對例如半導(dǎo)體芯片2的外部引出電極5、與用于安裝半導(dǎo)體裝 置1的印刷基板(未圖示)的表面中設(shè)置的電極焊盤(未圖示)進行電連接的插入機構(gòu)， 具有絕緣基板7、貫通其內(nèi)部的通孔(未圖示)、以及與該通孔連接并且形成在中間基板 3的表面中的外部引出電極8。此處，外部引出電極5、8的至少表面例如由包含A1(鋁)、Ni(鎳)、Cu(銅)、 Au(金)、Pd(鈀)、Ag(銀)、In(銦)或者Sn(錫)的金屬構(gòu)成。突起電極6例如由 不含有雜質(zhì)的Sn(錫)、或者、含有Ag(銀)、Cu(銅)、Bi(鉍)、In(銦)、Ni(鎳)、 Au(金)、P(磷)以及Pb(鉛)中的至少一種雜質(zhì)的錫構(gòu)成，例如，通過鍍敷、印刷、滾 涂(ball)或者蒸鍍形成。以下，參照圖2 圖3，對本發(fā)明的實施方式的半導(dǎo)體裝置1的制造方法進行說 明。首先，對在實施半導(dǎo)體裝置1的制造方法時使用的氧化膜去除裝置10進行說 明。氧化膜去除裝置10是用于去除覆蓋了外部引出電極5、8、突起電極6的表面的 氧化膜的裝置。該氧化膜去除裝置10如圖3所示，具有由相互空間上分離的等離子體產(chǎn) 生室11A以及處理室11B構(gòu)成的腔11。在等離子體產(chǎn)生室11A中，經(jīng)由波導(dǎo)管13以及 微波導(dǎo)入窗12配置了產(chǎn)生微波W的微波產(chǎn)生裝置14，并且，經(jīng)由供給管15配置了產(chǎn)生 氫氣的氫氣源16。由此，等離子體產(chǎn)生室11A通過由微波產(chǎn)生裝置14產(chǎn)生的微波W對 從氫氣源16供給的氫氣進行離子體化，產(chǎn)生氫自由基(自由基氣體)。在等離子體產(chǎn)生室11A中，并在比等離子體產(chǎn)生領(lǐng)域P靠近處理室11B的一側(cè) 設(shè)置了罩17。罩17例如由金屬絲網(wǎng)構(gòu)成，盡可能捕捉等離子體中存在的不需要的帶電 粒子，并且將在等離子體產(chǎn)生室11A內(nèi)產(chǎn)生的等離子體中包含的氣體導(dǎo)入到處理室11B 內(nèi)。由此，等離子體產(chǎn)生室11A將包含氫自由基的氣體經(jīng)由罩17導(dǎo)入到處理室11B中。在處理室11B中，設(shè)置用于載置處理對象物(半導(dǎo)體芯片2、中間基板3)的支 撐臺18。支撐臺18在支撐半導(dǎo)體芯片2、中間基板3的部分中，具有加熱器19以及冷 卻器20，可以通過規(guī)定的步驟對半導(dǎo)體芯片2、中間基板3進行加熱 冷卻。在處理室 11B中，還在底面經(jīng)由排氣口 21設(shè)置了真空泵22，并在底面中設(shè)置了壓力計23。真空 泵22用于將腔11內(nèi)的氣體排氣到外部而對腔11內(nèi)的壓力進行減壓。壓力計23用于測 量腔11內(nèi)的壓力。在處理室11B中，經(jīng)由供給管24還設(shè)置有氮氣源25。另外，氮氣 源25也可以設(shè)置在等離子體產(chǎn)生室11A側(cè)。壓力計23的測量值傳達到控制部26，控制 部26根據(jù)該測量值對氫氣源15、真空泵22、氮氣源25進行控制。由此，可以使處理對 象物暴露于包含氫自由基的氣體中。(氧化膜的去除)使用所述結(jié)構(gòu)的氧化膜去除裝置10，來去除覆蓋了外部引出電極5、8、突起電 極6的表面的氧化膜。
具體而言，首先，打開腔11，在支撐臺18上載置半導(dǎo)體芯片2、中間基板3，在 其上載置外部引出電極5、8、突起電極6(步驟S1)。另外，在圖3中，例示了在支撐臺 18上載置了半導(dǎo)體芯片2的情況。接下來，在關(guān)閉了腔11之后，使真空泵22動作，而 對腔11內(nèi)的氣體進行排氣、減壓(步驟S2)。接下來，使微波產(chǎn)生裝置14動作，而產(chǎn)生微波W，并且使氫氣源16動作，而 產(chǎn)生氫氣。由此，通過微波W對氫氣進行等離子體化，而產(chǎn)生氫自由基(自由基氣體) (步驟S3)。其結(jié)果，由等離子體產(chǎn)生室11A產(chǎn)生的氫自由基隨著氣體流而通過罩17， 并且經(jīng)由噴嘴18而被導(dǎo)入到處理室11B中。載置于支撐臺18中的半導(dǎo)體芯片2以及中間基板3的外部引出電極5、8、突起 電極6被暴露于包含從噴嘴18供給的氫自由基的氣體中。由此，覆蓋了外部引出電極 5、8、突起電極6的表面的氧化膜與氫自由基進行化學(xué)反應(yīng)而氣化，而從表面被去除(步 驟 S4)。(對位、接合)接下來，在將半導(dǎo)體芯片2以及中間基板3取出到大氣中之后(步驟S5)，通過 倒裝接合機進行兩者的接合(步驟S6)。此時，對于加壓前的應(yīng)接合的面被暴露的環(huán)境， 將溫度、時間設(shè)為以下的條件。Log (t)<3(1000/T-2) (1)t 曝露時間(min)T 加熱溫度(K)如果將焊錫加熱到高溫，則表面被氧化，而無法接合。但是，如果針對表面通 過氧化膜還原處理、特別是氫自由基照射來去除表面的氧化膜，則該氧化被延遲，在式 (1)所示那樣的溫度、時間的范圍中，不會氧化而可以接合。另外，在對焊錫進行固相 接合的情況下，如果在表面中沒有氧化膜，若在100 200°C時，可以通過附加IMPa 6MPa的載荷來接合。對于溫度，在100°C以下，相互的擴散不充分，在200°C以上，過 于軟化。對于載荷，為了使接合部表面的凹凸變得平坦，需要IMPa，在6Mpa以上時突 起過于崩潰。如果在接合時附加超聲波，則接合強度進一步上升。另外，簡單敘述得到式(1)的過程。對于Sn-3.5% Ag的成分的焊錫球(球徑 760 um),通過氫自由基處理，進行表面氧化膜還原，在完全去除了氧化膜之后，在大 氣中通過熱板放置一定的加熱溫度(T)、時間(t)而冷卻，通過俄歇分析測定表面氧化膜 的厚度。其結(jié)果，在一定溫度下，直到某時間，氧化膜厚度不增加，而從由溫度決定的 一定的時間起急劇增加。將該溫度(T)與開始增加的時間(t)的關(guān)系作為公式的結(jié)果， 可以得到式(1)。進而，通過實驗可知，在2個階段以上的加熱的情況下，由式(2)所示 那樣的各階段中的氧化膜形成開始時間的累計值決定。另外，通過實施氧化膜還原處理，如果是所述氧化膜急劇增加的加熱時間前， 則幾乎不存在氧化膜，即使在大氣中進行了加熱，也可以接合。如果沒有實施氧化膜還 原處理，則氧化膜在遠比該加熱條件低的溫度下，短時間地生長。在表1中，列出了多列作為突起電極6的材料可以考慮到的材料(Sn、Ag、Cu、 Bi、In、Ni、Au、P以及Pb)的組合(材料A1 A33)。此處，表1內(nèi)的值是含有率 (%)0另外，Sn的欄中的“剩余”是指，在將整體設(shè)為100時，從100減去含有元素的比例而得到的值。另外，材料Bl、B2是由于含有Zn(鋅)而在氧化膜中含有ZnO的 比例較多、且與SnO的情況相比難以化學(xué)地去除氧化膜的材料，由于作為本實施方式的 突起電極6的材料是不恰當(dāng)?shù)牟牧?，所以作為比較例而列舉出。
[表 1]
權(quán)利要求
1.一種接合方法，其特征在于，具備針對在表面中分別具有非接合物的第1以及第2基板的所述非接合物的表面，通過氫 自由基進行氧化膜還原處理的過程；以及對進行了所述氧化膜還原處理后的所述非接合物進行對位，之后對所述第1以及第2 基板施加載荷而接合所述非接合物彼此的過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于，所述第1基板的被接合物是所述第1基板的表面中設(shè)置的電極， 所述第2基板的被接合物是第2基板的表面中設(shè)置的電極的表面中設(shè)置的突起電極， 在所述氧化膜還原處理之后向大氣中取出所述第1以及第2基板，在高溫下通過所述 載荷進行接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的接合方法，其特征在于，所述附加接合的載荷之前的電極的在大氣中放置的時間、溫度處于以下所示的范圍內(nèi)，Log (t)≤3(1000/T-2) (1) t 曝露時間(min)T 加熱溫度(K)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于，所述第1以及第2基板的被接合物是所述第1以及第2基板的表面中設(shè)置的面狀體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合方法，其特征在于，所述第1以及第2基板的被接合物是所述第1以及第2基板的表面中設(shè)置的線狀體。
6.—種接合裝置，其特征在于，具備針對在表面中分別具有非接合物的第1以及第2基板的所述非接合物的表面，通過氫 自由基進行氧化膜還原處理的單元；對進行了所述氧化膜還原處理后的所述非接合物進行對位的單元；以及 在所述對位之后對所述第1以及第2基板施加載荷而接合所述非接合物彼此的單元。
全文摘要
不會使被接合物彼此的電氣的接觸性惡化，而容易地在低溫下接合。對在外部引出電極(5)的表面上具有突起電極(6)的半導(dǎo)體芯片(2)以及中間基板(3)的突起電極(8)的表面，通過氫自由基進行氧化膜還原處理，之后，對半導(dǎo)體芯片(2)以及中間基板(3)的外部引出電極(8)以及突起電極(6)進行對位，并且之后，施加載荷而接合。
文檔編號B23K31/02GK102017819SQ20098011584
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月2日
發(fā)明者大野恭秀, 竹內(nèi)達也, 萩原泰三, 谷口慶輔 申請人:大野恭秀, 神港精機株式會社