(57)【要約】【課題】シリコンチップの裏面からの放熱性を向上させて、シリコンチップを含む半導体装置からの放熱性を向上させ、半導体装置を安定に冷却し、安定動作させることを可能にすること。【解決手段】シリコンウェハーの裏面にバインダー固形分１００質量部及び熱吸収性顔料１０〜１５０質量部から構成された高放熱塗装を塗布し、又はシリコンウェハーの裏面に高放熱塗装を施した金属板を接着した、シリコンウェハー。シリコンウェハーに集積回路を形成した後ダイシング前の工程で高放熱塗装又は高放熱塗装金属板を接着することが好ましい。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェハーの裏面にバインダー固形分１００質量部及び熱吸収性顔料１０〜１５０質量部から構成される高放熱塗装を塗布し、実装後の放熱特性を高めたことを特徴とするシリコンウェハー。
【請求項２】
シリコンウェハーの裏面にバインダー固形分１００質量部及び熱吸収性顔料１０〜１５０質量部から構成される高放熱塗装を施した金属板を接着したことを特徴とするシリコンウェハー。
【請求項３】
高放熱塗料がバインダー固形分１００質量部に対して及び熱吸収性顔料として粒径０．１μｍ未満のカーボンを１〜２０質量部と粒径０．１μｍ以上３０μｍ以下のカーボンを１〜１４０質量部含み、且つ粒径０．１μｍ未満のカーボンと粒径０．１μｍ以上５０μｍ未満のカーボンとの合計が１０〜１５０質量部である請求項１又は２記載のシリコンウェハー。
【請求項４】
前記高放熱塗装が、バインダー固形分１００質量部に対して導電性顔料１〜１５０重量部をさらに含む請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンウェハー。
【請求項５】
シリコンウェハーに集積回路を形成した後、ダイシング前の工程でシリコンウェハーの裏面に高放熱塗装を施し又はシリコンウェハーの裏面に高放熱塗装を施した金属板を接着することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコンウェハーの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコンウェハーを用いて製造されたシリコンチップを実装した半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコンウェハーを用いてシリコンチップを実装した半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高放熱性シリコンウェハー及びそれから製造された半導体装置に係り、より詳しくはシリコンウェハーの裏面に高級熱塗料を塗布または高吸熱塗料を塗布した金属板をウェハー裏面に接着することにより、電子素子の放熱効率を高めたシリコンウェハー及びそれから製造された半導体装置とそれらの製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体装置は、シリコンウェハーに電子回路を素描して積層回路を形成してから、チップにダイシングして製造された後、基板に直接にあるいはカプセル化して実装されている。電子回路を描画されたシリコンチップが発熱して一定温度以上に昇温すると誤動作を起こしたり、暴走を起こして、所期の回路特性が発揮できないことが起きるので、シリコンチップあるいはＩＣパッケージなどの実装部品は放熱性が考慮され、特にシリコンチップの裏側は放熱に利用されている。特に、ＣＰＵなどではＩＣの裏側にＣＰＵクーラー、放熱フィン等を貼り付けて冷却を行っている。
【０００３】
また、昨今ではシリコンチップデバイスを基板に直接実装するベアチイプ実装、フリップチップ実装等の盛んに行われており、シリコンチップ自身、即ちシリコンウェハー自身からの高い放熱特性が求められている。
【特許文献１】
特開平９−１８６１６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、昨今の超高集積化、細線配線化によりデバイスの温度上昇が激しく、誤動作、動作温度の低下等の問題に対処することは益々必要になっており、シリコンチップ及びそれを含む半導体装置の放熱性を向上させることに対する需要は尽きない。
本発明は、従来技術のこのような現状に鑑み、シリコンチップの裏面からの放熱性を向上させて、シリコンチップを含む半導体装置からの放熱性を向上させ、半導体装置を安定に冷却し、安定動作させることを可能にするシリコンウェハー、及びそれを用いて製造された半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、高放熱性塗料をシリコンウェハー裏面に塗布し、又は高放熱性塗料を塗布した金属板をシリコンウェハー裏面に接着することにより、シリコンチップ裏面の吸熱放熱特性を向上させることで、シリコンデバイスの放熱効率を高め、安定動作するデバイを提供することが可能とされる。
【０００６】
即ち、本発明によれば下記が提供される。
（１）シリコンウェハーの裏面にバインダー固形分１００質量部及び熱吸収性顔料１０〜１５０質量部から構成される高放熱塗装を塗布し、実装後の放熱特性を高めたことを特徴とするシリコンウェハー。
（２）シリコンウェハーの裏面にバインダー固形分１００質量部及び熱吸収性顔料１０〜１５０質量部から構成される高放熱塗装を施した金属板を接着したことを特徴とするシリコンウェハー。
【０００７】
（３）高放熱塗料がバインダー固形分１００質量部に対して熱吸収性顔料として粒径０．１μｍ未満のカーボンを１〜２０質量部と粒径０．１μｍ以上３０μｍ以下のカーボンを１〜１４０質量部含み、且つ粒径０．１μｍ未満のカーボンと粒径０．１μｍ以上５０μｍ未満のカーボンとの合計が１０〜１５０質量部である上記（１）（２）記載のシリコンウェハー。
（４）前記高放熱塗装が、バインダー固形分１００質量部に対して導電性顔料１〜１５０重量部をさらに含む上記（１）〜（３）記載のシリコンウェハー。
【０００８】
（５）シリコンウェハーに集積回路を形成した後、ダイシング前の工程でシリコンウェハーの裏面に高放熱塗装を施し又はシリコンウェハーの裏面に高放熱塗装を施した金属板を接着することを特徴とする上記（１）〜（４）記載のシリコンウェハーの製造方法。
（６）上記（１）〜（５）記載のシリコンウェハーを用いて製造されたシリコンチップを実装した半導体装置。
（７）上記（１）〜（５）記載のシリコンウェハーを用いてシリコンチップを実装した半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者は、シリコンウェハーの裏面に高放熱塗料を塗布しておくことにより、半導体装置の実装後に、シリコンチップの放熱効率が高まり、半導体装置の冷却が安定し、誤動作や性能低下を抑制する効果を奏することを見出し、またシリコンチップの裏面に高放熱塗料を塗布するにはダイシングより前のウェハー段階で塗布することが簡便であることを認識し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明において、高放熱塗料とは８０℃で測定した波数６００〜３０００ｃｍ−１の領域における全放射率が０．７０以上、より好ましくは０．８０以上、さらには０．９０以上であるものをいう。
熱放射に関するキルヒホッフの法則によれば、一定温度では物体の吸収率と放射率は同じになる。従って、放射率が高いものは熱吸収性も高いので、熱線である赤外線領域の放射率の高い物質（高放熱塗料）はシリコンチップからの発熱をよく吸収しかつよく放熱することが可能であるので、放熱効率が高められ、シリコンチップあるいはそれを含む半導体装置の温度上昇が抑制される効果が奏されると考えられるものである。
【００１１】
周波数６００ｃｍ−１未満、もしくは、３０００ｃｍ−１超の波数領域の放射線吸収は、温度低下効果が非常に小さいため、これらの波数領域の放射線を含めた放射率は不適である。また、波数６００〜３０００ｃｍ−１の領域における全放射率が０．７０未満の熱吸収性皮膜層を被覆した場合は、温度低下効果が小さいため、不適である。
【００１２】
熱吸収性顔料として、カーボン、炭、黒鉛など、一般的に公知のものを使用でき、市販のものを用いてもよい。上記熱吸収性顔料の中でもカーボンブラックは粒径が非常に小さくて、皮膜中に広く分散するので好適な顔料であり、特に、数平均分子量が１〜１００ｎｍのものが好適である。
【００１３】
カーボンなど熱吸収性物質を直接にシリコンウェハーの裏面に付着させると放熱性に関しては有効であるが、加工工程の途中で剥離など取り扱いの問題があるので、本発明ではバインダーを用いる。バインダーとして、樹脂やゾルゲル法によって形成される無機被膜や、ゾルゲル法によって形成される無機有機複合被膜など、一般に公知の皮膜用バインダーを使用することができる。樹脂を塗料のような形態で用いることは、取り扱い、皮膜形成方法の容易さなどから好適である。
【００１４】
樹脂としては、一般に公知のもの、例えば、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、塩化ビニル樹脂などを用いることができ、熱可塑タイプ、熱硬化タイプのいずれのタイプであってもよい。これらの樹脂は、必要に応じて数種のものを併用してもよい。
熱吸収性に優れた高放熱塗料は、バインダー固形分１００質量部に対し熱吸収性顔料１０〜１５０質量部から構成される。熱吸収性顔料１０質量部未満では所望の高放熱性が得られず、１５０質量部を超えると皮膜の物性が劣るものとなり、また密着性も低下するためシリコンウェハープロセスに耐えることができないなど、好適でない。
【００１５】
本発明のより好適な高放熱塗料としては、バインダー固形分１００質量部に対して粒径０．１μｍ未満のカーボンを１〜２０質量部と粒径０．１μｍ以上３０μｍ以下のカーボンを１〜１４０質量部含み、且つ粒径０．１μｍ未満のカーボンと粒径０．１μｍ以上５０μｍ未満のカーボンとの合計が１０〜１５０質量部である高放熱塗料がある。微粒系カーボンの粒径の下限は特に規定するものではないが、０．１μｍを超えるとカーボンとカーボンの間に隙間ができやすく、微粒子カーボンとしての役割を発揮しないため不適である。微粒系カーボンの添加量は１質量部未満であると、金属板の隠蔽効果に劣り熱吸収性が劣るため不適であり、２０質量部超では塗液の粘度が高くなったり、経時でゲル状になったりするため不適である。大粒径カーボンの粒径が０．１μｍ未満であると大粒径カーボンとしての役割を発揮せずに、微粒子カーボンと同じ挙動を示す、ため不適である。大粒径カーボンの粒径が５０μｍ超であると、これを含む塗液を塗布する際に塗布性が低下したり、塗布後の皮膜外観が悪くなったりするため不適である。大粒径カーボンの添加量は、１質量部未満であると熱吸収性が劣り、１４０質量部超では皮膜が脆くなり、皮膜の加工性に劣るため不適である。更に、微粒子カーボンと大粒径カーボンの合計添加量が１０質量部未満であると熱吸収性が劣り、１５０質量部超では皮膜が脆くなり皮膜の加工性や密着性に劣る、塗液が増粘して塗布作業性が劣るため不適である。
【００１６】
高放熱皮膜の膜厚は１〜１０００μｍであることが望ましい。皮膜が１μｍ未満であると、皮膜の熱吸収性が劣るため不適である。皮膜が１０００μｍ超であると、皮膜の熱吸収性が飽和して、経済的に意味をなさないため、好適でない。より好ましくは１０〜５００μｍである。
本発明の高放熱塗料は、シリコンウェハーの裏面に塗布するが、限定するわけではないが、集積回路形成後でウェハーダイシング工程前等のウェハーの表面を汚染することのない工程で行うことが望ましい。また、集積回路形成工程では高温熱処理が行われることが多いので、高放熱塗料に樹脂製バインダーを用いる場合には集積回路形成工程前に塗装すると不適であることが多い。
【００１７】
ウェハーの裏面に高放熱塗料を塗布したシリコンウェハーから半導体装置を製造する工程は従来と同様であることができ、特に限定されない。
本発明によれば、シリコンウェハーの裏面に直接に高放熱塗装を施すのではなく、シリコンウェハーの裏面にバインダー固形分１００質量部及び熱吸収性顔料１０〜１５０質量部から構成される高放熱塗装を施した金属板を接着することにより、シリコンウェハーの放熱効果がより向上することを見出した。
【００１８】
金属板としては、鋼板、又は銅板、さらにはアルミ板に高放熱塗装を施した金属板を用いることが望ましい。
また接着する金属板の表面は、放熱効率を高める為、波型、凹凸等を施すことにより、更なる効率が得られる。
【００１９】
高放熱塗料を塗布した金属板は、限定するわけではないが、集積回路形成後でウェハーダイシング工程前等のウェハーの表面を汚染することのない工程で接着することが望ましい。また、集積回路形成工程では高温熱処理が行われることが多いので、高放熱塗料に樹脂製バインダーを用いる場合には集積回路形成工程前に塗装すると不適であることが多い。
本発明のシリコンウェハーを実装することにより、放熱特性を高めることができ素子の動作を安定することが可能となる。更に加えて、ウェハー裏面に金属板を接着したことにより、α線、宇宙線との高エネルギー粒子により誤動作も抑制でき、高い信頼性を有するＩＣチップ素子に活用できるシリコンウェハーを提供できる。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
以下、実験に用いた吸熱皮膜塗料の作成方法について詳細を説明する。
市販の常温乾燥型の溶剤系クリヤー塗料中に、次に示すカーボンを添加し、撹拌することで熱吸収性皮膜塗料を得た。作成した塗料の明細を表１に示す。なお、表中のカーボン添加量は、樹脂固形分１００質量部に対する添加顔料の質量部を表す。
【００２１】
［微粒子カーボン］
粒径２８ｎｍの東海カーボン社製「トナーカーボン＃７３５０Ｆ」を使用。
［大粒径カーボンＡ］
最大粒径５μｍの協同組合ラテスト製「備長炭パウダー」を使用。
［大粒径カーボンＢ］
試薬として市販されている黒鉛を粉砕し、ふるい分け分級機にて平均粒径を４０μｍとしたものを使用。
［大粒径カーボンＣ］
試薬として市販されている黒鉛を乳鉢にて擦り潰し、フルイにて大きな粒径のものを取り除き、平均粒径を６０μｍとしたものを使用。
【００２２】
以下、実験に用いた熱吸収性塗装板の作成方法について詳細に説明する。
シリコンウェハー上に、表１に示した熱吸収性皮膜塗料を塗装し、常温にて約２４時間乾燥した。作成した表面塗装板の詳細を表２に示す。
【００２３】
以下、作成した表面処理シリコンウェハーの評価試験について詳細を説明する。
１）表面塗装シリコンウェハーの放射率測定
日本分光社製のフーリエ変換赤外分光光度計「ＶＡＬＯＲ−ＩＩＩ  」を用いて、表面塗装カバー材料の温度を８０℃にしたときの波数６００〜３０００ｃｍ−１の領域における赤外発光スペクトルを測定し、これを標準黒体の発光スペクトルと比較することで、表面塗装シリコンウェハーの全放射率を測定した。なお、標準黒体は鉄板にタコスジャパン社販売（オキツモ社製造）の「ＴＨＩ−１Ｂ黒体スプレー」を３０±２μｍの膜厚でスプレー塗装したものを用いた。
【００２４】
２）表面塗装シリコンウェハーの放熱性測定試験
表面塗装シリコンウェハーの塗装されていない表面側に半導体プロセスで電子回路を素描し、その電子回路に電流を一定時間流して、シリコンウェハーの温度をデジタル温度計で測定した。更に、塗装しないシリコンウェハーについても、同様の測定を行い、測定値を比較して、以下の基準で評価した。
［｛（未処理板の測定値）−（評価する表面処理板での測定値）｝≧４℃］のとき：○
［４℃＞｛（未処理板の測定値）−（評価する表面処理板での測定値）｝≧２℃］のとき：△
［２℃＞｛（未処理板の測定値）−（評価する表面処理板での測定値）｝］のとき：×
【００２５】
３）塗膜の耐衝撃性試験
ＪＩＳ  Ｋ  ５４００  ８．３．２のデュポン式耐衝撃性試験を実施した。なお、試験実施時の打ち型のサイズは１／２インチ（１２．７ｍｍ）、重りの質量は５００ｇ、重りの高さは２０ｃｍとした。そして、試験後のサンプル表面を目視にて観察し、以下の基準で評価した。
塗膜の割れや剥離が確認できない場合：○
塗膜の割れや剥離が確認できる場合：×
【００２６】
４）吸熱塗料の経時の状態観察
シリコンウェハーに塗装した各吸熱性皮膜塗料を常温で１ヶ月放置した後、塗液の状態を目視で観察し、次のように評価した。
塗液を作成した時の状態と比べて変化無し：○
塗液を作成した時の状態と比べて粘度が増加している：△
塗液がゲル状になっている、又は、固まっている：×
【００２７】
５）吸熱性皮膜の外観
シリコンウェハー上に被覆した皮膜の外観を目視にて観察し、次のように評価した。
平滑な表面である：○
添加顔料が皮膜厚より僅かに大きいため、皮膜表面に僅かな凹凸がある：△
添加顔料が皮膜厚より非常に大きいため、皮膜表面に激しい凹凸がある：×
６）塗膜密着性試験
表面処理シリコンウエハーの高放熱性皮膜層に、１ｍｍ角の碁盤目状の切れ目をカッターナイフで入れた後に、テープ剥離試験を行った。
碁盤目状の切れ目の入れ方、テープ剥離方法についてはＪＩＳ−Ｋ５４００．８．５に準じて実施した。また、テープ剥離後の評価は、ＪＩＳ−Ｋ５４００．８．５記載の評価の例の図に従って行い、評点１０点の時に〇、８点以上１０点未満の時に△、８点未満の時に×と評価した。
【００２８】
以下、作成した表面塗装板の評価結果について詳細を説明する。
表２に示したように、本発明の表面塗装板は、樹脂固形分１００質量部に対して、粒径０．１μｍ未満のカーボンを１〜２０質量部と粒径０．１μｍ以上３０μｍ以下のカーボンを１〜１４０質量部を含み、かつ、粒径０．１μｍ未満のカーボンと粒径０．１μｍ以上５０μｍ未満のカーボンとの合計が１０〜１５０質量部である熱吸収性皮膜層を乾燥膜厚で１μｍ以上被覆することで、熱吸収性の高い表面塗装板を得ることができた。
【００２９】
【表１】
2004158707.tif 000002
【００３０】
【表２】
2004158707.tif 000003
【００３１】
（実施例２）
（１）シリコンウェハー裏面に実施例１で調整した高放熱塗料（塗料２）を乾燥膜厚１００μｍに施したシリコンウェハーと、（２）シリコンウェハー裏面に高放熱塗装を施ししていないシリコンウェハーを用意し、其々の下部に１０ｗの平面発熱体を設置し、１０時間後表面温度を熱伝対で測定した。
シリコンウェハー表面温度の測定結果は、（１）７５℃、（２）８０℃であった。高放熱塗装を施したシリコンウェハーは、放熱特性が良い為、温度上昇が抑制できた。
【００３２】
（実施例３）
（１）シリコンウェハー裏面に実施例１で調整した高放熱塗料（塗料２）を乾燥膜厚１００μｍに施した金属板を接着したシリコンウェハーと、（２）シリコンウェハー裏面に高放熱塗装を施した金属板を接着していないシリコンウェハーを用意し、其々の下部に１０ｗの平面発熱体を設置し、１０ｈ後の表面温度を熱伝対で測定した。
シリコンウェハー表面温度の測定結果は、（１）６５℃、（２）８０℃であった。高放熱塗装を施した金属板を接着したシリコンウェハーは、放熱特性が良い為、温度上昇が抑制できた。
更に、放熱効率を高める為、金属板表面を波型、凹凸等の形状に付加することにより、より放射効率が高まり、更なる効率が得られた。