(57)【要約】【課題】金属どうしの良好な接合状態を得ることのできるプラズマ照射による金属接合前処理を提供する。【解決手段】金属からなる２つの接合対象物９１ａ，９１ｂどうしを接合する際の前処理として、第１処理ガスをプラズマ化して少なくとも一方の接合対象物に接触させる第１プラズマ照射工程を実行する。第１処理ガスは、酸素を実質的に含まないガスを用い、好ましくは窒素ガスを用いる。次いで、第２処理ガスをプラズマ化して前記第１プラズマ照射工程を経た接合対象物に接触させる第２プラズマ照射工程を実行する。第２処理ガスは、酸素を含むガスであり、好ましくは窒素と酸素の混合ガスである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる２つの接合対象物どうしを接合するのに先立ち行なう前処理方法であって、
酸素を実質的に含まない第１処理ガスをプラズマ化して少なくとも一方の接合対象物に接触させる第１プラズマ照射工程と、
酸素を含む第２処理ガスをプラズマ化して前記第１プラズマ照射工程を経た接合対象物に接触させる第２プラズマ照射工程と、
を実行することを特徴とする金属の接合前処理方法。
【請求項２】
前記第１処理ガスが、窒素ガス（Ｎ２）であり、前記第２処理ガスが、窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の接合前処理方法。
【請求項３】
前記第２処理ガスにおける窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の体積流量比が、Ｎ２：Ｏ２＝９：１〜９９：１であることを特徴とする請求項２に記載の接合前処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば電子デバイスの製造分野等において金属からなる２つの接合対象物どうしを接合する際、接合工程に先立って行なう前処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＩＣチップを回路基板に実装する場合、チップにバンプ等を設け、これを回路基板上の電極に接合する。接合対象物のバンプや電極は、金、その他の金属にて構成されている。一般に、これら金属系接合対象物の表面には酸化膜や汚れ等があるため、接合工程に先立ち、洗浄等の前処理が行なわれる。前処理の手段としては、プラズマ照射等が採用されている。プラズマ照射に用いる処理ガスは、例えばアルゴン（特許文献１参照）であり、照射は１回で終了している。
【特許文献１】特開２００４−１１９７０１号公報
【特許文献２】特開２００６−０１３４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、プラズマ照射による金属接合前処理において、金属どうしの良好な接合状態を得ることのできる前処理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】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明は、金属からなる２つの接合対象物どうしを接合するのに先立ち行なう前処理方法であって、
酸素を実質的に含まない第１処理ガスをプラズマ化（活性化、ラジカル化、イオン化を含む。以下、同じ。）して少なくとも一方の接合対象物に接触させる第１プラズマ照射工程と、
酸素を含む第２処理ガスをプラズマ化して前記第１プラズマ照射工程を経た接合対象物に接触させる第２プラズマ照射工程と、
を実行することを特徴とする。
上記のプラズマ照射による金属接合前処理の後、接合対象物どうしを接合すれば、これら接合対象物どうしの良好な接合状態を得ることができる。
酸素を実質的に含まないとは、酸素が接合対象物の表面での反応に影響を及ぼし得る含有量未満であることをいう。具体的には、前記第１処理ガスにおける酸素の含有量は、３ｖｏｌ％未満であることが好ましく、ほとんど０％であることがより好ましい。
【０００５】
前記第１処理ガスは、窒素ガス（Ｎ２）であることが好ましい。前記第２処理ガスは、窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガスであることが好ましい。これにより、良好な接合状態を確実に得ることができる。
【０００６】
前記第２処理ガスにおける窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の体積流量比は、Ｎ２：Ｏ２＝９：１〜９９：１であることが好ましく、Ｎ２：Ｏ２＝２９：１程度がより好ましい。これにより、良好な接合状態を確実に得ることができる。
【０００７】
第１、第２プラズマ照射工程においては、一対の電極を用意し、これら電極間に電界を印加して放電を起こすことにより、プラズマを生成するのが好ましい。接合対象物は、一対の電極間の外部に配置し、電極間でプラズマ化した処理ガスを外部の接合対象物へ吹出すのが好ましい。電極及び接合対象物は、大気圧近傍の環境に配置し、電極間に大気圧近傍のグロー放電を生成し、プラズマ照射を大気圧近傍下で行なうのが好ましい。大気圧近傍とは、１．０１３×１０4〜５０．６６３×１０4Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、１．３３３×１０4〜１０．６６４×１０4Ｐａ（１００〜８００Ｔｏｒｒ）が好ましく、９．３３１×１０4〜１０．３９７×１０4Ｐａ（７００〜７８０Ｔｏｒｒ）がより好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、プラズマ照射による金属接合前処理において、金属どうしの良好な接合状態を得ることのできる前処理を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、金属接合前処理装置Ｍを模式的に示したものである。装置Ｍは、基材設置部１０と、この基材設置部１０の上方に配置されたプラズマ照射部２０とを備えている。基材設置部１０には、回路基板９１（第１接合対象基材）と、この回路基板９１に実装されるべきＩＣチップ９２（第２接合対象基材）とが設置されている。回路基板９１には、金などの金属からなる電極端子９１ａ（第１接合対象物）が設けられている。ＩＣチップ９２には、バンプ９２ａ（第２接合対象物）が設けられている。バンプ９２ａは、金などの金属にて構成されている。
図において、基板９１及びその電極端子９１ａ、並びにＩＣチップ９２及びそのバンプ９２ａの厚さは誇張されている。
金属接合前処理装置Ｍによる前処理の後、回路基板９１の電極端子９１ａと、ＩＣチップ９２のバンプ９２ａとが、互いに接合されるようになっている。
【００１０】
金属接合前処理装置Ｍのプラズマ照射部２０には、一対の電極２１，２２が互いに対向するように設けられている。これら電極２１，２２の少なくとも一方の対向面には固体誘電体層（図示せず）が設けられている。電極２１，２２どうしの間に大気圧の電極間空間２３が形成されている。一方の電極２１には電源３０が接続され、他方の電極２２は電気的に接地されている。電源３０は、高周波電圧やパルス電圧を電極２１に供給するようになっている。この電圧供給により電極２１，２２間に大気圧グロー放電が生成され、電極間空間２３が放電空間となるようになっている。
【００１１】
電極間空間２３の上端部には、処理ガス供給部４０が接続されている。処理ガス供給部４０は、窒素ガス源４１から延びる窒素供給ライン４２と、酸素ガス源４３から延びる酸素混入ライン４４とを有している。窒素供給ライン４２の下流端が、電極間空間２３に連なっている。窒素供給ライン４２の中途部には混合器４５が設けられている。この混合器４５に酸素混入ライン４４が接続されている。
窒素供給ライン４２単独で第１処理ガス供給部が構成されている。窒素供給ライン４２と酸素混入ライン４４と混合器４５により第２処理ガス供給部が構成されている。
【００１２】
電極間空間２３の下端部（下流端）に吹出し口２４が設けられている。
プラズマ照射部２０又は基材設置部１０の一方には、移動機構（図示省略）が接続されている。この移動機構によりプラズマ照射部２０と基材設置部１０の相対位置を調節することにより、吹出し口２４を回路基板９１の電極端子９１ａと対向させたり、ＩＣチップ９２のバンプ９２ａと対向させたりできるようになっている。
【００１３】
図２に示すように、電極間空間２３の下流端からチューブ２５を延設し、このチューブ２５の先端部を吹出し口２４としてもよい。チューブ２５の材質としてはオレフィン樹脂やガラス等を用いるとよい。チューブ２５の長さは、例えば５０〜５００ｍｍ程度である。
【００１４】
回路基板９１にＩＣチップ９２を実装するのに先立ち、上記構成の金属接合前処理装置Ｍを用いて回路基板９１の電極端子９１ａとＩＣチップ９２のバンプ９２ａに、それぞれ次のような前処理を施す。
第１プラズマ照射工程
はじめに、回路基板９１に対する前処理について説明する。
プラズマ照射部２０の吹出し口２４を回路基板９１の上方に配置する。そして、窒素供給ライン４２の窒素（Ｎ２）を第１処理ガスとして電極間空間２３へ導入する。酸素混入ライン４４は閉じ、第１処理ガス（Ｎ２）に酸素が含まれないようにする。第１処理ガス（Ｎ２）の流量は、１０〜５０Ｌ／ｍｉｎ程度が好ましく、３０Ｌ／ｍｉｎ程度がより好ましい。併行して、電源３０から電極２１への電圧供給を行なう。供給電圧はＶｐｐ＝７〜１５ｋＶ程度が好ましく、周波数は１０〜１００ｋＨｚ程度が好ましい。これにより、電極２１，２２間に大気圧グロー放電が生成され、窒素からなる第１処理ガスがプラズマ化され、窒素プラズマが得られる。この窒素プラズマを吹出し口２４から吹き出し、回路基板９１の電極端子９１ａに照射する。吹出し口２４と回路基板９１との間の距離（ワーキングディスタンス）は、３〜１０ｍｍ程度が好ましい。照射時間は、１〜５秒程度が好ましい。
【００１５】
第２プラズマ照射工程
第１プラズマ照射工程の終了後、好ましくは１〜６０秒以内に第２プラズマ照射工程を実行する。第２プラズマ照射工程では、窒素供給ライン４２の窒素（Ｎ２）に酸素混入ライン４４からの酸素（Ｏ２）を混合器４５で混合し、窒素と酸素の混合ガスからなる第２処理ガスを生成する。第２処理ガスにおける窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の体積流量比は、Ｎ２：Ｏ２＝９：１〜９９：１であることが好ましく、Ｎ２：Ｏ２＝２９：１程度がより好ましい。第２処理ガスの総流量（窒素と酸素の和）は、１０〜５０Ｌ／ｍｉｎが好ましく、３０Ｌ／ｍｉｎ程度がより好ましい。この第２処理ガスを電極間空間２３へ導入する。第２処理ガスの電極間空間２３への導入と併行して、電源３０から電極２１への電圧供給により電極２１，２２間に大気圧放電を生成し、第２処理ガスをプラズマ化する。このプラズマガスを電極間空間２３から吹き出し、回路基板９１の電極端子９１ａに照射する。照射時間は、１〜５秒程度が好ましい。
【００１６】
上記回路基板９１の前処理と同様にして、ＩＣチップ９２の前処理を行なう。すなわち、プラズマ照射部２０の吹出し口２４をＩＣチップ９２の上方に配置し、このＩＣチップ９２のバンプ９２ａに対し、上記と同様に第１プラズマ照射工程を実行し、次いで第２プラズマ照射工程を実行する。
【００１７】
処理の順番は、回路基板９１とＩＣチップ９２の各々に対し第１プラズマ照射工程、第２プラズマ照射工程の順であればよく、回路基板９１の第１プラズマ照射工程及び第２プラズマ照射工程を終えた後、ＩＣチップ９２の第１プラズマ照射工程及び第２プラズマ照射工程を行なうことにしてもよく、ＩＣチップ９２の第１プラズマ照射工程及び第２プラズマ照射工程を終えた後、回路基板９１の第１プラズマ照射工程及び第２プラズマ照射工程を行なうことにしてもよい。第１プラズマ照射工程を、回路基板９１、ＩＣチップ９２の順、又はＩＣチップ９２、回路基板９１の順に行ない、その後、第２プラズマ照射工程を、回路基板９１、ＩＣチップ９２の順、又はＩＣチップ９２、回路基板９１の順に行なうことにしてもよい。
【００１８】
接合工程
回路基板９１とＩＣチップ９２の前処理（第１プラズマ照射工程及び第２プラズマ照射工程）が終了した後、回路基板９１またはＩＣチップ９２を加熱する。加熱温度は、１００〜２００℃程度が好ましい。この加熱された回路基板９１の電極端子９１ａにＩＣチップ９２のバンプ９２ａを押し当てる。押し当て荷重は、２００〜１０００ｇｆ程度が好ましく、押し当て時間は、２〜５秒程度が好ましい。
これにより、ＩＣチップ９２のバンプ９２ａを回路基板９１の電極端子９１ａにしっかり接合させることができ、良好な金属接合状態を得ることができる。
【００１９】
この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をなすことができる。
例えば、回路基板９１用の前処理装置Ｍと、ＩＣチップ９２用の前処理装置Ｍを別々に用意し、別々に前処理することにしてもよい。
回路基板９１とＩＣチップ９２のうち一方についてのみ前処理を行ない、他方については前処理を行なわないことにしてもよい。その場合、前処理を行なう側は、回路基板９１であるのが好ましい。
接合対象は、回路基板９１の電極端子９１ａとＩＣチップ９２のバンプ９２ａに限られず、種々の金属間接合に適用可能である。
第１プラズマ処理工程における第１処理ガスは、窒素の純ガスに限られず、酸素を実質的に含まない他のガス種（例えばアルゴン等）を用いてもよい。第２プラズマ処理工程における第２処理ガスは、窒素と酸素の混合ガスに限られず、窒素以外のガス（例えばアルゴン等）と酸素の混合ガスを用いてもよい。接合対象物の金属成分に応じてガス種を選択してもよい。
【実施例１】
【００２０】
実施例を説明する。本発明がこの実施例に限定されないことは言うまでもない。
図２のチューブ付き装置Ｍを用いた。チューブ２５の材質はガラスであり、長さは３００ｍｍである。回路基板９１の表側面は、全面を金にて構成し、この表側面の金を一方の接合対象物９１ａとした。ＩＣチップ９２には金からなる４つのバンプ９２ａを形成し、これをもう一方の接合対象物とした。
第１プラズマ照射工程
これら回路基板９１とＩＣチップ９２の両方に対し、以下に列記する互いに同一の処理条件で第１プラズマ照射工程を実行した。
第１処理ガス：純窒素（Ｎ２）  ３０Ｌ／ｍｉｎ
プラズマ照射時間：５秒
供給電圧：Ｖｐｐ＝１６．６ｋＶ
供給電流：２．８Ａ
周波数：  ８０ｋＨｚ
ワーキングディスタンス：  ２ｍｍ
処理温度：３０℃
【００２１】
第２プラズマ照射工程
上記第１プラズマ照射工程の終了後、回路基板９１とＩＣチップ９２の両方に対しそれぞれ第２プラズマ照射工程を実行した。処理条件は、以下の通り処理ガス成分を除き、第１プラズマ照射工程と同一とした。
第２処理ガス：窒素（Ｎ２）  ２９Ｌ／ｍｉｎ
酸素（Ｏ２）    １Ｌ／ｍｉｎ
プラズマ照射時間：５秒
供給電圧：Ｖｐｐ＝１６．６ｋＶ
供給電流：２．８Ａ
周波数：  ８０ｋＨｚ
ワーキングディスタンス：  ２ｍｍ
処理温度：３０℃
【００２２】
接合工程
上記の前処理（第１プラズマ照射工程及び第２プラズマ照射工程）の終了後、回路基板９１を１５０℃まで加温し、この回路基板９１の表面にＩＣチップ９２のバンプ９２ａを押し当てた。第２プラズマ照射工程の終了時から押し当て開始時までの時間間隔は、１分であった。押し当て荷重は、１５０ｇｆとし、荷重印加時間は１０秒とした。これによりＩＣチップ９２のバンプ９２ａが回路基板９１の表面の金９１ａに接合された。
【００２３】
その後、破壊試験により接合強度を測定した。破壊試験では、バンプ９２ａに１０００ｇｆ／ｍｍ２の剪断力を加え、バンプ９２ａが回路基板９１から剥離されるか否かを検査した。
その結果、４個のバンプ９２ａのうち３個が回路基板９１から剥離されず、接合を維持した。これにより、良好な接合状態が得られることが確認された。
【００２４】
[比較例１]
比較例１として、窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガスのプラズマを照射する第２プラズマ照射工程を先に行ない、その後、窒素（Ｎ２）のみのプラズマを照射する第１プラズマ照射を行なった。この比較例１の第２プラズマ照射工程では、供給電圧をＶｐｐ＝１７．０ｋＶとし、供給電流を２．９Ａとした点を除き、処理条件を実施例１の第２プラズマ照射工程と同一にした。また、第１プラズマ照射工程の処理条件は、供給電圧をＶｐｐ＝１７．０ｋＶとした点を除き、実施例１の第１プラズマ照射工程と同一とした。
そして、実施例１と同一の操作で接合工程を実行し、さらに、実施例１と同一の操作で破壊試験を行なったところ、ＩＣチップ９２の４個のバンプ９２ａがすべて回路基板９１から剥離した。
この結果、第１プラズマ照射工程と第２プラズマ照射工程の順番を逆にすると、所望の接合状態を得られないことが確認された。
【００２５】
[比較例２]
比較例２として、窒素（Ｎ２）のみを用いた第１プラズマ照射工程だけを行ない、第２プラズマ照射工程を省略した。この比較例２の第１プラズマ照射工程では、供給電圧をＶｐｐ＝１６．８ｋＶとし、供給電流を２．９Ａとし、プラズマ照射時間を３０秒とした点を除き、処理条件を実施例１の第１プラズマ照射工程と同一にした。
そして、実施例１と同一の操作で接合工程を実行し、さらに、実施例１と同一の操作で破壊試験を行なったところ、ＩＣチップ９２の４個のバンプ９２ａがすべて回路基板９１から剥離した。
この結果、前処理が第１プラズマ照射工程だけでは、プラズマ照射時間を長くしても所望の接合状態を得られないことが確認された。
【００２６】
[比較例３]
比較例３として、前処理において第１プラズマ照射工程を省略し、窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いた第２プラズマ照射工程のみを実行した。この比較例２の第２プラズマ照射工程では、供給電圧をＶｐｐ＝１６．８ｋＶとし、プラズマ照射時間を１０秒とした点を除き、処理条件を実施例１の第２プラズマ照射工程と同一にした。
そして、実施例１と同一の操作で接合工程を実行し、さらに、実施例１と同一の操作で破壊試験を行なったところ、ＩＣチップ９２の４個のバンプ９２ａがすべて回路基板９１から剥離した。
この結果、前処理が第２プラズマ照射工程だけでは、プラズマ照射時間を長くしても所望の接合状態を得られないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、例えば電子デバイスの製造分野における回路基板にＩＣチップを実装する工程等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る金属接合前処理装置を模式的に示す正面図である。
【図２】上記金属接合前処理装置の変形例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００２９】
Ｍ      金属接合前処理装置
２０    プラズマ照射部
４０    処理ガス供給部
４１    窒素ガス源
４２    窒素供給ライン
４３    酸素ガス源
４４    酸素混入ライン
４５    混合器
９１    回路基板（第１接合対象基材）
９１ａ  電極端子（第１接合対象物）
９２    ＩＣチップ（第２接合対象基材）
９２ａ  バンプ（第２接合対象物）
【図１】
2008034683.tif 000003
【図２】
2008034683.tif 000004