(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む下地層と、前記下地層上に設けられたＡｕを含む表層とを有する電極の前記表層の表面に対し、フェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザから出射されたパルス光を照射することにより、前記表層の表面に析出したＮｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む析出物を除去するための前記表層の表面のクリーニングを行うことを特徴とする、電極のクリーニング方法。
【請求項２】
前記パルス光の時間幅は１００ピコ秒以下であることを特徴とする、請求項１に記載の電極のクリーニング方法。
【請求項３】
前記パルス光の波長は、ＹＡＧレーザの第二高調波に相当する波長であることを特徴とする、請求項１に記載の電極のクリーニング方法。
【請求項４】
Ｎｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む下地層と、前記下地層上に設けられたＡｕを含む表層とを有する電極が設けられたパッケージ内の前記電極とは別の領域に第１の半導体集積回路素子を表面実装する第１実装工程と、
前記パッケージ内の前記電極に対し、フェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザから出射されたパルス光を照射することにより、前記表層の表面に析出したＮｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む析出物を除去するための前記表層の表面のクリーニングを行うクリーニング工程と、
前記電極と第２の半導体集積回路素子とをワイヤボンディングにより電気的に接続する第２実装工程と、
を含むことを特徴とする、集積回路装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１実装工程の後、前記クリーニング工程の前に、フラックスを水により洗浄する工程及び／又は加熱工程を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の集積回路装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極のクリーニング方法および集積回路装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ワイヤボンディング装置に関する技術が開示されている。この文献に記載されたワイヤボンディング装置では、半導体ベアチップの電極に付着するカーボンや埃等の汚れを除去する為に、レーザ光照射部が、半導体ベアチップの電極表面にレーザ光を照射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３４６２３６号公報
【特許文献２】特開２０１０−４４０３０号公報
【特許文献３】特許第３８００８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体集積回路素子をパッケージ内に実装する方法として、ワイヤボンディングが広く用いられている。ワイヤボンディングは、金属線（ワイヤ）の一端部を治具により把持した状態で、金属電極の表面に該一端部を押し付け、圧着することによって行われる。その際、金属電極の表面が汚れているとワイヤの一端部と金属電極との接合強度が低下し、信頼性向上の妨げとなる。そこで、ワイヤボンディングを行う前に金属電極の表面のクリーニングが行われる。このようなクリーニングの方法としては、例えば、洗浄液として有機溶剤を使用する有機洗浄、電極をプラズマに曝すプラズマ洗浄などが挙げられる。有機洗浄では、電極を有機溶剤に浸しながら超音波が照射される場合もある。
【０００５】
しかしながら、これらの方法には次のような問題がある。有機洗浄（超音波洗浄）、及びプラズマ洗浄では、パッケージ全体が洗浄液或いはプラズマに曝されることとなる。従って、ワイヤボンディング以外の方法によりパッケージ内に実装された他の半導体集積回路素子が既に存在する場合、その半導体集積回路素子も洗浄液或いはプラズマに曝されることとなり、その半導体集積回路素子への影響が懸念される。
【０００６】
上記の問題に対し、例えば特許文献１に記載されたようなレーザ照射による洗浄では、レーザ光を電極表面に局所的に照射できるので、他の半導体集積回路素子への影響を回避することが可能となる。しかし、レーザ光のクリーニング能力が弱いと、電極のクリーニングに長時間を要してしまい、製造工程の作業時間が長くなってしまう。また、単純にレーザ光のエネルギーを高くすると、レーザ光に起因する発熱によって他の半導体集積回路素子にダメージを与えるおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ照射による洗浄のクリーニング能力を高めることが可能な、電極のクリーニング方法および集積回路装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明による電極のクリーニング方法は、Ｎｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む下地層と、下地層上に設けられたＡｕを含む表層とを有する電極の表層の表面に対し、フェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザから出射されたパルス光を照射することにより、表層の表面に析出したＮｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む析出物を除去するための表層の表面のクリーニングを行うことを特徴とする。
【０００９】
電極の構造として、Ｎｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方（以下、Ｎｉ等という）を含む下地層と、下地層上に設けられたＡｕを含む表層とが存在する場合がある。その場合、例えば他の半導体集積回路素子の実装の際に付着した水溶性フラックスを水により洗浄すること、及び（又は）リフロー等の熱処理時における熱拡散に起因して、下地層のＮｉ等が表層の表面に析出することがある。Ｎｉ等の析出物は、ボンディングワイヤの端部と表層との接合の妨げとなるので、クリーニングにより除去されることが望まれる。
【００１０】
本発明者は、Ａｕを含む表層上に析出したＮｉ等を除去する方法として、フェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザから出射されたパルス光を照射することが極めて有効であることを実験により見出した。すなわち、このような極めて短時間のパルス光であれば、パルス光全体のエネルギーを抑えつつ、ピークエネルギーを高めることができる。従って、これらのレーザから出射されたパルス光を表層上に照射することにより、パルス光に起因する発熱を抑制しながら、Ｎｉ等の析出物に対するクリーニング能力を高めることができる。これにより、Ｎｉ等の析出物を短時間で除去できるので、電極のクリーニングに要する時間を短くし、製造工程の作業時間を短縮することができる。
【００１１】
上記のクリーニング方法は、パルス光の時間幅が１００ピコ秒以下であることを特徴としてもよい。本発明者の知見によれば、このような極めて短時間のパルス光を照射することによって、Ａｕを含む表層上に析出したＮｉ等をより効果的に除去することができる。
【００１２】
上記のクリーニング方法は、パルス光の波長が、ＹＡＧレーザの第二高調波に相当する波長であることを特徴としてもよい。本発明者の実験によれば、このような波長のパルス光を照射することによって、Ｎｉ等をより効果的に除去することができる。
【００１３】
また、本発明による集積回路装置の製造方法は、Ｎｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む下地層と、下地層上に設けられたＡｕを含む表層とを有する電極が設けられたパッケージ内の電極とは別の領域に第１の半導体集積回路素子を表面実装する第１実装工程と、パッケージ内の電極に対し、フェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザから出射されたパルス光を照射することにより、表層の表面に析出したＮｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む析出物を除去するための表層の表面のクリーニングを行うクリーニング工程と、電極と第２の半導体集積回路素子とをワイヤボンディングにより電気的に接続する第２実装工程と、を含むことを特徴とする。この製造方法によれば、上記のクリーニング方法を用いたクリーニング工程を含むことにより、Ｎｉ等の析出物に対するクリーニング能力を高めることができる。
【００１４】
上記の製造方法は、第１実装工程の後、クリーニング工程の前に、フラックスを水により洗浄する工程及び／又は加熱工程を更に含むことを特徴としてもよい。本発明者の知見によれば、第１実装工程後に残存したフラックスを水により洗浄する場合、その後に残存した水分による電池効果が生じ、Ａｕを含む表層上に下地層のＮｉ等が析出し易くなる。また、例えばリフローの際の熱処理といった加熱工程におけるＮｉの熱拡散によっても同様にＮｉ等の析出が生じる。そのような場合であっても、上記の製造方法によれば、Ｎｉ等の析出物を効果的に除去することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による電極のクリーニング方法および集積回路装置の製造方法によれば、レーザ照射による洗浄のクリーニング能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態による電極のクリーニング方法を概念的に説明する断面図である。
【図２】電極のクリーニング方法を実施するためのクリーニング装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】電極クリーニング方法を含む集積回路装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）第１実装工程を説明するための平面図である。（ｂ）第２実装工程を説明するための平面図である。
【図５】実施例及び比較例において用いられたクリーニング装置の照射条件を示す図表である。
【図６】電極表面のオージェ分析結果を示す図表である。
【図７】クリーニング前の電極表面と、実施例（ピコ秒レーザ、波長５１５ｎｍ）によるクリーニング後の電極表面とを拡大して示す画像である。
【図８】クリーニング前の電極表面と、実施例（ピコ秒レーザ、波長３４３ｎｍ）によるクリーニング後の電極表面とを拡大して示す画像である。
【図９】クリーニング前の電極表面と、比較例（ナノ秒レーザ、波長５３２ｎｍ）によるクリーニング後の電極表面とを拡大して示す画像である。
【図１０】実施例によるクリーニング方法を実施後、電極表面に接合されたボンディングワイヤの強度試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明による電極のクリーニング方法および集積回路装置の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態による電極のクリーニング方法を概念的に説明する断面図である。この方法は、Ｎｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方を含む下地層３１と、下地層３１上に設けられたＡｕを含む表層３２とを有する電極（ワイヤボンディングパッド）３０をクリーニングする方法である。この方法では、フェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザから出射されたパルス光Ｌを照射することにより、表層３２の表面３２ａのクリーニングを行う。パルス光Ｌの時間幅は例えば１００フェムト秒以上であり、より好適には５４０フェムト秒以上である。また、パルス光Ｌの時間幅は例えば１００ピコ秒以下であり、より好適には１０．９ピコ秒以下である。パルス光Ｌのピークパワーは例えば１ＭＷ以上であり、例えば４０ＭＷ以下である。パルス光Ｌのフルーエンス（単位面積あたりの照射エネルギー）は例えば１０ｍＪ／ｃｍ2以上であり、例えば３００ｍＪ／ｃｍ2以下である。パルス光Ｌの波長は、例えばＹＡＧレーザの第二高調波に相当する波長（一例では５１５ｎｍ）、第三高調波に相当する波長（一例では３４３ｎｍ）、或いは第四高調波に相当する波長（一例では２５８ｎｍ）である。
【００１９】
図２は、本実施形態による電極のクリーニング方法を実施するためのクリーニング装置の構成例を示すブロック図である。図２に示されるように、このクリーニング装置１Ａは、本体部３と、表示部（ディスプレイ）５と、入力部７とを備える。表示部５は、本体部３の内部でクリーニングされている電極表面の映像を表示する。入力部７は、各種の設定情報を操作者が本体部３に対して入力する際に用いられる。入力部７は、例えばキーボード等によって構成される。
【００２０】
本体部３は、パルス光ＬＢを生成するフェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザを構成する要素として、超短パルスレーザ１１、パルスピッカー１２、波長変換ユニット１３、及び出射シャッタ１４を有する。超短パルスレーザ１１は、例えば１０３０ｎｍといった波長の超短パルス光ＬＡを周期的に出力する。この超短パルス光ＬＡのパルス幅は、例えば１００フェムト秒〜１００ピコ秒である。超短パルスレーザ１１としては、例えばＬＤ直接励起型のＹｂ：ＹＡＧピコ秒パルスレーザである浜松ホトニクス社製ＭＯＩＬ−ｐｓ（第二高調波でのパルス幅０．５４〜１０．９ピコ秒、繰り返し周波数１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）が挙げられる。ＭＯＩＬ−ｐｓの励起源はレーザダイオード（波長９４０ｎｍ）である。
【００２１】
パルスピッカー１２は、超短パルスレーザ１１から周期的に出力される超短パルス光ＬＡから、一つのパルス光ＬＡ２を取り出す。パルスピッカー１２により取り出されたパルス光ＬＡ２は、波長変換ユニット１３によって波長変換され、パルス光ＬＢとなる。このとき、パルス光ＬＢの波長は、超短パルスレーザ１１の出力波長の高調波（第二高調波、第三高調波等）となる。超短パルスレーザ１１の出力波長が１０３０ｎｍである場合、波長変換ユニット１３は、５１５ｎｍ（第二高調波）若しくは３４３ｎｍ（第三高調波）のパルス光ＬＢを出力する。このパルス光ＬＢは、出射シャッタ１４を介して後段の光学部品へ出力される。また、パルスピッカー１２によって取り除かれたパルス光ＬＡ１は、パワーメータ２２に入力される。パワーメータ２２は、パルス光ＬＡ１の光強度を検出し、その検出結果に係る信号を制御部２４へ送る。
【００２２】
本体部３は、後段の光学部品として、ビームエキスパンダ１８、及びガルバノスキャナ１９を有する。ビームエキスパンダ１８は、パルス光ＬＢを精度良く平行化するとともに、パルス光ＬＢのビーム径を調整する。調整後のパルス光ＬＣは、ガルバノスキャナ１９に入力される。ガルバノスキャナ１９は、パルス光ＬＣを、図１に示されたパルス光Ｌとして載物台２０に向けて照射する。載物台２０上には、図１に示された電極３０を有するパッケージ等の対象物が配置される。ガルバノスキャナ１９は、電極３０の表面３２ａにおいてパルス光ＬＣの走査（スキャン）を行う。なお、載物台２０は移動・回転ステージ２１上に設けられており、移動・回転ステージ２１によって載物台２０の角度及び位置が可変となっている。これにより、ガルバノスキャナ１９と合わせてより広範囲にパルス光ＬＣを照射することができる。載物台２０上の対象物は、カメラ２３によって撮影される。その映像データは、カメラ２３から制御部２４へ送られる。
【００２３】
制御部２４は、入力部７から入力された設定情報、及びパワーメータ２２からの検出結果等に基づいて、レーザ制御部２５に指示を与える。レーザ制御部２５は、超短パルスレーザ１１から出力される超短パルス光ＬＡのピークパワー、パルス時間幅、繰り返し周期等を制御する。また、制御部２４は、パルスピッカー１２、出射シャッタ１４、及びガルバノスキャナ１９の動作を制御する。
【００２４】
なお、本体部３には排気系統Ａ１及び吸気系統Ａ２が更に設けられている。排気系統Ａ１は、載物台２０が設けられた空間の真空吸着を行う。吸気系統Ａ２は、該空間内にアシストガスを導入する。
【００２５】
図３は、本実施形態に係る電極クリーニング方法を含む集積回路装置の製造方法を示すフローチャートである。この製造方法は、第１実装工程Ｓ１１、洗浄工程Ｓ１２、クリーニング工程Ｓ１３、及び第２実装工程Ｓ１４を含んでいる。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１実装工程Ｓ１１及び第２実装工程Ｓ１４を説明するための平面図である。
【００２６】
第１実装工程Ｓ１１では、図４（ａ）に示されるように、電極３０が設けられたパッケージ３５内の電極３０とは別の領域３６において、第１の半導体集積回路素子３７の表面実装を行う。パッケージ３５は、例えばセラミックパッケージである。第１の半導体集積回路素子３７は、例えばＡＳＩＣ（application specific integrated circuit、特定用途向け集積回路）である。第１の半導体集積回路素子３７は、例えばフリップチップ実装（flip chip bonding；ＦＣＢ）により実装される。また、この工程Ｓ１１は加熱工程（具体的には、リフローの際の熱処理）を含む。
【００２７】
次に、洗浄工程Ｓ１２では、先の表面実装の際に用いられたはんだ材に含まれる水溶性フラックスを、水により洗浄する。続いて、クリーニング工程Ｓ１３では、パッケージ３５内の電極３０に対し、前述したパルス光ＬＣ（図２を参照）を照射することにより、電極３０の表層３２の表面３２ａ（図１を参照）のクリーニングを行う。続いて、第２実装工程Ｓ１４では、図４（ｂ）に示されるように、電極３０と第２の半導体集積回路素子３８とを、ボンディングワイヤ３９を用いて電気的に接続する。その後、他の電気素子の実装やパッケージ３５の封止等を行って、集積回路装置が完成する。
【００２８】
以上に説明した、本実施形態による電極のクリーニング方法及び集積回路装置の製造方法によって得られる効果について説明する。電極３０の構造として、Ｎｉ及びＮｉ合金の少なくとも一方（以下、Ｎｉ等）を含む下地層３１と、下地層３１上に設けられたＡｕを含む表層３２とが存在する場合、例えば他の半導体集積回路素子３７の実装の際に付着した水溶性フラックスを水により洗浄する工程Ｓ１２、及び（又は）リフロー等の熱処理時における熱拡散に起因して、下地層３１のＮｉ等が表層３２の表面３２ａに析出することがある。具体的には、洗浄工程Ｓ１２後に残存した水分によって電池効果が生じ、Ａｕを含む表層３２上に下地層のＮｉ等が析出し易くなる。また、第１実装工程Ｓ１１におけるリフローの際の熱処理といった加熱工程におけるＮｉの熱拡散によっても同様にＮｉ等の析出が生じる。Ｎｉ等の析出物は、ボンディングワイヤ３９の端部と表層３２との接合の妨げとなるので、クリーニングにより除去されることが望まれる。
【００２９】
後述する実施例に示されるように、本発明者は、Ａｕを含む表層３２上に析出したＮｉ等を除去する方法として、フェムト秒レーザ若しくはピコ秒レーザから出射されたパルス光Ｌを照射することが極めて有効であることを見出した。すなわち、このような極めて短時間のパルス光Ｌは、パルス幅が短い故に高いピークパワーを持つ。言い換えれば、パルス光Ｌ全体のエネルギーを抑えつつ、ピークエネルギーを高めることができる。そして、その高いピークパワーにより加工閾値を大きく超えたエネルギーで電極をクリーニングすることができる。従って、これらのレーザから出射されたパルス光Ｌを表層３２に照射することにより、パルス光Ｌに起因する発熱を抑制して他の半導体集積回路素子３７へのダメージを抑えながら、Ｎｉ等の析出物に対するクリーニング能力を高めることができる。これにより、Ｎｉ等の析出物を短時間で除去できるので、電極３０のクリーニングに要する時間を短くし、製造工程の作業時間を短縮することができる。
【００３０】
また、本実施形態のように、パルス光Ｌの時間幅は１００ピコ秒以下であってもよい。本発明者の知見によれば、このような極めて短時間のパルス光Ｌを照射することによって、Ａｕを含む表層３２上に析出したＮｉ等をより効果的に除去することができる。
【００３１】
また、後述する実施例に示されるように、パルス光Ｌの波長は、ＹＡＧレーザの第二高調波に相当する波長（例えば５１５ｎｍ）であることが好ましい。このような波長のパルス光Ｌを照射することによって、Ｎｉ等をより効果的に除去することができる。
【００３２】
（実施例）
ここで、上記実施形態に係る電極のクリーニング方法の一実施例及び比較例について説明する。図５は、本実施例及び比較例において用いられたクリーニング装置の照射条件（波長、繰り返し周波数、照射パワー若しくはエネルギー、スキャン速度、走査ライン間隔、及びビーム径）を示す図表である。同図に示されるように、本実施例では３つの照射条件（Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、及びＮｏ．３）で電極のクリーニングを行った。なお、上記実施例に係る照射条件Ｎｏ．１のパルス時間幅は０．８ピコ秒、照射条件Ｎｏ．２のパルス時間幅は０．８ピコ秒であった。また、比較例に係る照射条件Ｎｏ．３のパルス時間幅は１ナノ秒であった。
【００３３】
図６は、電極表面のオージェ分析結果を示す図表である。なお、検出深さは１ｎｍであった。また、電極の下地層は無電解Ｎｉメッキ層（厚さ１．２７〜８．８９μｍ）、表層は無電解Ａｕメッキ層（厚さ０．５０μｍ）であった。また、図６の最下段（ＲＥＦ）は、第１実装工程Ｓ１１の前のオージェ分析結果を示す。図６に示されるように、クリーニングを行っていない未照射の２つのサンプルでは、電極表面においてＡｕが全く検出されず、Ｎｉ、Ｏ、及びＣｌが多く検出されている。これは、析出したＮｉ系酸化物やフラックス残渣などが原因と考えられる。これに対し、ピコ秒レーザからのパルス光が照射されたＮｏ．１及びＮｏ．２の各２つのサンプルでは、これらの元素の検出量が大幅に減っており、Ａｕの検出量が増えている。特に、Ｎｉが全く検出されていない。また、Ｎｏ．１のサンプルでは、上記実施形態のクリーニングによって第１実装工程Ｓ１１の前（ＲＥＦ）と同等の表面状態となっている。このことから、上記実施形態のクリーニング方法は、電極表面のクリーニング（特に、Ｎｉ等の除去）に極めて有効であることがわかる。なお、ナノ秒レーザからのパルス光が照射された比較例に係るＮｏ．３の２つのサンプルでは、或る程度のクリーニング効果が得られたものの、Ｎｉ、Ｏ、及びＣｌの減少量はＮｏ．１及びＮｏ．２と比較して少なく、またＮｉが少量ながら検出されている。従って、Ｎｏ．１及びＮｏ．２の照射条件によれば、Ｎｏ．３と比較して、極めて高いクリーニング効果を得ることができる。
【００３４】
図７は、クリーニング前の電極表面Ｅ１と、本実施例（Ｎｏ．１）によるクリーニング方法を実施した後の電極表面Ｅ２とを拡大して示す画像である。また、図８は、クリーニング前の電極表面Ｅ３と、本実施例（Ｎｏ．２）によるクリーニング方法を実施した後の電極表面Ｅ４とを拡大して示す画像である。図７及び図８を参照すると、電極表面Ｅ２，Ｅ４では、電極表面Ｅ１，Ｅ３と比較してクリーニングが十分に行われていることがわかる。これに対し、図９は、クリーニング前の電極表面Ｅ５と、比較例（Ｎｏ．３）によるクリーニング方法を実施した後の電極表面Ｅ６とを拡大して示す画像である。図９を参照すると、電極表面Ｅ６では、電極表面Ｅ５と比較してクリーニングが不十分であることがわかる。
【００３５】
図１０は、本実施例によるクリーニング方法を実施後、電極表面に接合されたボンディングワイヤの強度試験（プル試験及びシェア試験）の結果を示すグラフである。図１０には、パルス光のピークパワーを９９．０ｍＷから６９４．２ｍＷまで変化させたとき、及び未照射のときのプル強度及びシェア強度が示されている。なお、各プル強度及び各シェア強度において、左側のグラフは平均値であり、右側のグラフは最小値である。また、図中の破線Ｆ１はプル強度の合格値であり、破線Ｆ２はシェア強度の合格値である。図１０を参照すると、概ねパルス光のピークパワーが増すほど、プル強度及びシェア強度が向上していることがわかる。
【符号の説明】
【００３６】
１Ａ…クリーニング装置、３…本体部、５…表示部、７…入力部、１１…超短パルスレーザ、１２…パルスピッカー、１３…波長変換ユニット、１４…出射シャッタ、１８…ビームエキスパンダ、１９…ガルバノスキャナ、２０…載物台、２１…移動・回転ステージ、２２…パワーメータ、２３…カメラ、２４…制御部、２５…レーザ制御部、３０…電極、３１…下地層、３２…表層、３２ａ…表面、３５…パッケージ、３７…第１の半導体集積回路素子、３８…第２の半導体集積回路素子、３９…ボンディングワイヤ、Ａ１…排気系統、Ａ２…吸気系統、Ｌ，ＬＡ，ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＢ，ＬＣ…パルス光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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