(57)【要約】【課題】半導体素子を基板等に実装する際に使用されるボンディングステージやボンディングツールにおいて、半導体素子及び基板に高密度に電極が配された設計に対しても高精度に接合可能なステージ及びツールを提供する。【解決手段】半導体素子に接するステージ上面は高熱伝導率物質から構成され、面内温度分布が良好である。また、ステージ表面はエポキシ樹脂などの材料に対して濡れ性の低い材料を使用するため、使用中に樹脂材料が付着しにくく、付着した樹脂の除去も容易である。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部のステージ面が窒化クロムで被覆されていることを特徴とする、樹脂接合用ボンディングステージ。
【請求項２】
本体部のステージ面の表面粗さが０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂接合用ボンディングステージ。
【請求項３】
本体部が、ＣＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、ＣＶＤダイヤ、ＳｉＣ焼結体、ＡｌＮ焼結体、窒化ケイ素焼結体、超硬合金の群から選ばれた何れか一つ以上で構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の樹脂接合用ボンディングステージ。
【請求項４】
本体部のツール面が窒化クロムで被覆されていることを特徴とする、樹脂接合用ボンディングツール。
【請求項５】
本体部のツール面の表面粗さが０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の樹脂接合用ボンディングツール。
【請求項６】
本体部が、ＣＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、ＣＶＤダイヤ、ＳｉＣ焼結体、ＡｌＮ焼結体、窒化ケイ素焼結体、超硬合金の群から選ばれた何れか一つ以上で構成されることを特徴とする、請求項４または５に記載の樹脂接合用ボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造工程において半導体素子を基板の電極に接合させる際に用いるボンディングステージ及びボンディングツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　ｇｌａｓｓ）基板またはＣＯＦ（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　ｆｉｌｍ）、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのフィルムキャリアに設けられた電極端子やリードフレームに半導体素子を実装する際に、従来は接合材の融点以上に加熱したボンディングツールのみで半導体素子を加熱・押圧していた。
【０００３】
タクトタイムの短縮と実装の信頼性を向上させるために、ボンディングツールによる上側からの加熱に加え、基板や半導体素子を下側から支持するステージも加熱し、上下面から加熱する手法がとられるようになってきた。同方法では、ステージの加熱温度は接合材の融点より低く、ボンディングツールの温度よりも２００〜３００℃低いものとなっていた。しかしながら、半導体素子の多端子化とコスト競争の激化が進み、更なるタクトタイムの短縮と、接合の信頼性を向上させるために、樹脂による接合が採用され始めた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｆｉｌｍ）、ＡＣＰ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｐａｓｔｅ），　ＮＣＰ（Ｎｏｎ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｐａｓｔｅ）といった樹脂材料を介しての接合については、接合温度は低いがボンディングステージやボンディングツールに樹脂が付着するため、定期的にステージ・ツール表面をクリーニングする必要があった。これらの樹脂は付着後も実装を続ける為、加熱により凝着し、ステージやツールのボンディング面を損なうことなくこれを除去するには有機溶剤に長時間浸さねばならず、取り扱いが煩雑であった。
【０００５】
従って本発明の課題は、樹脂材料を用いて接合する場合、樹脂が表面に付着しにくく、付着した樹脂を除去し易いボンディングステージ及びボンディングツールを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による樹脂接合用ボンディングステージは、本体部のステージ面がの表面が、窒化クロムで被覆されていることを特徴とする。その膜の表面粗さは、０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。更に前記の本体部が、ＣＢＮ（立方晶窒化硼素）焼結体、ダイヤモンド焼結体、ＣＶＤ（気相合成）ダイヤモンド、ＳｉＣ（炭化珪素）焼結体、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）焼結体、窒化ケイ素焼結体、超硬合金からなる群から選ばれた一つ又は二つ以上で構成されていることが好ましい。同じ手段は、ボンディングツールにも採用できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
前記した状況なので、ボンディングステージの加熱温度をボンディングツールとほぼ同等まで上げて実装することが必須となりつつある。このステージは実装装置に内蔵された金属製のヒータホルダーの上面に組み付けて使用し、ステージ自身は加熱機構を有さない。
【０００８】
本発明によるボンディングステージの１例を図１に示す。本発明によるボンディングステージは、本体部１のステージ面が窒化クロム（ＣｒＮ）膜２で被覆されている。基体部３は、本体部１と接合部４を介して接合されている。ＳｉＣ焼結体、ＡｌＮ焼結体、窒化ケイ素焼結体、超硬合金などは加工費が安く、任意の形状を容易に作ることが出来るので、図１の本体部と基体部が一体とするのが望ましい。
【０００９】
図２は、ボンディングツールとボンディングステージを用いて半導体を実装する概念図である。基板１８とリード２０、レジスト１９をクランパー１７で挟み、ＩＣチップ１２の上に移送し、ボンディングツール１３とボンディングステージ１１で加熱圧着する。図１に示すボンディングステージは、図２のヒーターブロック１４に取り付けられている。
【００１０】
図２において、基板１８、リード２０、レジスト１９、ＩＣチップの上下が全く逆になった場合もある。この場合は、ボンディングツールも同じ課題が生じる。したがって以下、ボンディングステージを中心に説明を加えるが、ボンディングツールにおいても同様である。
【００１１】
半導体製造ラインにおいては、導電性樹脂シートやペーストを介した接合が広まりつつある。樹脂材料による接合は金属に比べ、接合温度が低いという利点があるが、樹脂がステージやボンディングツールに付着するという欠点がある。樹脂材料の多くはエポキシ樹脂を主成分としており、エポキシ樹脂が付着しにくいまたは取れやすい材質が求められている。エポキシ樹脂がボンディングツールやボンディングステージに付着すると、一般的にはそれらを取り外して有機溶剤に長時間浸した上で除去せねばならずコスト高につながっている。
【００１２】
本発明者らは鋭意研究の末、窒化クロムの表面はエポキシ樹脂を付着させにくい上、熱硬化後も非常に除去しやすいことをつきとめた。エポキシ樹脂との濡れ性の低い材料として、ＴｉＮ、ＣｒＮ，ＴｉＡｌＮ，ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の４種類の膜が考えられる。予備試験として、ＣＢＮ焼結体の表面に２μｍの上記の膜を被覆してテストした結果、ＣｒＮの膜が最も接合力が小さかった。
【００１３】
本発明によるボンディングステージでは、上記本体部のステージ面に被覆された窒化クロム膜の硬度が１８００ｋｇ／ｍｍ２以上であることが好ましい。これは、付着樹脂を除去する際に、一般的に使用されている、砥石やブラシでのクリーニング時にツール面を傷つけないためであり、ステージ面に被覆された窒化物セラミクス膜の硬度が１８００ｋｇ／ｍｍ２以上であれば、これらの処理によりツール面に擦過痕が残ることはない。
【００１４】
窒化クロム膜の硬度は、クロムと窒素の原子比によって定まる。１対１の場合は、上記の硬度より硬くなるが、一般的な被覆法を用いた場合には、窒素の比率が１以下になることが多いので、その比率を調整して、被覆膜の硬度が１８００ｋｇ／ｍｍ２とすることにより長寿命が期待できる。
【００１５】
また、本発明によるボンディングステージでは、上記本体部のステージ面に被覆された窒化クロム膜の表面粗さが０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。表面粗さが０．２μｍを超えると、樹脂が付着しやすくなる。０．０５μｍ未満の表面粗さに仕上げることは技術的に可能である。しかし、研磨に非常に時間がかかり製造コストを上昇させる一方、樹脂に対する付着性と除去の容易さに対する効果は変わらなくなる。
【００１６】
前記の本体部１被覆面は、温度が均一であることが要求されるので、熱伝導率の高い材料が望ましい。従って本体部１は、ＣＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、ＣＶＤダイヤモンド、窒化珪素焼結体、窒化アルミニウム焼結体、超硬合金などの材料が考えられる。
【００１７】
この中で、気相合成ダイヤモンドは、たとえば炭化珪素や窒化珪素の上に被覆されたものが用いられる。また、ＣＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体は、大きなものを作ることができないので炭化珪素か超硬合金からなる基体部３に接合して使用される。
【００１８】
これらの材料のうち、ダイヤモンドは化学的安定性が高いので、エポキシ樹脂などとの接着強度が低いと考えられた。しかしながら、両者の接合強度は高く、気相合成ダイヤモンドをそのまま使用できないことが分かった。
【００１９】
一方窒化クロムと本体部１との接合強度を調べた結果、超硬合金との接合強度が最も高く以下、窒化アルミニウム焼結体、窒化珪素焼結体、ＣＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、ＣＶＤダイヤモンドの順序になった。窒化クロムとの接合強度の低いＣＶＤダイヤモンドやダイヤモンド焼結体の場合、その間に窒化チタンを被覆すると接合強度を高める効果がある。
【００２０】
本体部に用いる材質は、熱伝導率、熱膨張係数、耐摩耗性等を考慮し、上記の組み合わせの中から選択することができる。ここで、耐摩耗性というのは、Ｓｉ半導体チップや金属接合材の付着を除去する砥石に対する対摩耗性のことである。
【００２１】
本発明によるボンディングステージでは、本体部のステージ面の平坦度が１μｍ以下であることが好ましい。近年の半導体素子の小型化・高密度端子化により、ボンディングツールの平坦度は低減され、実装温度で２μｍ以下、１μｍ以下という精度も要求されており、ステージの平坦度としては１μｍ以下の凸面であることが好ましい。
【００２２】
本発明によるさらに別の態様のボンディングステージでは、上記本体部の少なくとも１箇所に温度を計測するための温度計を挿入する穴を有することが好ましい。本発明によるボンディングステージは加熱機構を有さない。従来のステージは、ステージ固定機能を有する金属製のヒータブロック部分の温度を計測し、ヒータの出力を制御していた。このためヒータ制御温度と、ステージ上面の温度に乖離が生じていた。本発明品ではステージ内に温度計を挿入し温度制御を行うことができるので、実装温度の制御性に優れる。温度計の挿入位置は本体部の、よりステージ面に近いほうが好ましい。
【００２３】
【実施例１】
図１の本体部１と基体部３が一体になっているものと、接合されているボンディングステージを製作した。表１において、本体部と基体部が同じ材質でできている場合は、一体となっている。製作したボンディングステージの材質の組み合わせを表１に示した。
【００２４】
【表１】ボンディングステージの材質組合わせ
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【００２５】
以下製造工程を示す。厚さ３ｍｍのｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、表面にＣＶＤ法により多結晶ダイヤモンド膜を合成した厚さ３ｍｍのＳｉＣ焼結体（この実施例ではＣＶＤダイヤという）をボンディングステージ本体部材料として用意した。夫々を約２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形にＹＡＧレーザにより切断した。レーザ出力や発振周波数は被加工材質によって異なるが、出力３〜１００Ｗ、発振周波数は１〜１０ＫＨｚの範囲で調整した。
【００２６】
Ｍｏ、Ｗは、ワイヤ放電加工、ダイヤモンド砥石による平面研削加工及び、旋盤による機械加工で加工した。超硬合金やセラミックスはダイヤモンド砥石による研削加工により整形した。本体部と基体部の接合は、活性ロウ材を介した真空ロウ付けした。
【００２７】
本体部と基体部が一体になっているものと、接合したボンディングステージは、上下面を平面研削加工した後、熱電対により計測しながらヒータで過熱してステージ面を実装温度よりも５０〜１００℃低温に保ちながら、ダイヤモンド砥石によりステージ面を研磨した。
【００２８】
次にその表面に窒化クロム膜を以下に記載する方法により被覆した。図３は、この発明で用いた成膜装置の模式図であり、本装置はアークイオンプレーティング法を用いている。図３を参照すると、成膜装置２１は、チャンバー２２とボンディングステージ保持装置２３とアーク式蒸発源２５と、陰極２６と、可変電源としての直流電源２７及び２８と、ガスを供給するためのガス導入口２９とを備えている。
【００２９】
チャンバー２２は真空ポンプと連結されており、チャンバー２２内の圧力を変化させることが可能である。チャンバー内にボンディングステージ保持装置２３とガス導入口２９と陰極２６が設けられている。
【００３０】
ボンディングステージ保持装置２３，ボンディングステージ１１は、直流電源２８の負極と電気的に接続されている。直流電源８の正極はアースされている。
【００３１】
チャンバー２２の側壁には、アーク式蒸発源２５とそのアーク式蒸発源２５に接続された陰極２６が取り付けられている。図３では、ボンディングツール保持装置２３は固定されていて、左右両面から被覆される構造となっている。
【００３２】
アーク式蒸発源２５及び陰極２６は、直流電源２７の負極と電気的に接続されている。直流電源２７の正極はアースされかつチャンバー２２と電気的に接続されている。
【００３３】
アーク式蒸発源２５及び陰極２６とチャンバー２２との間のアーク放電によって、陰極２６を部分的に溶解させて、陰極物質を矢印２４に示す方向に蒸発させるものである。陰極２６とチャンバー２２との間には電圧が印加される。本発明において、陰極２６はＣｒにより構成される。ガスを供給するガス導入口２９には、矢印３０で示す方向から様々なガスが導入される。このガスの例として、アルゴン，窒素，水素ガスなどがある。
【００３４】
まず、図３に示すような装置を用いて、真空ポンプによりチャンバー２２内を減圧し、ヒーター（図示せず）によりボンディングステージ１１を温度４５０℃に加熱して、チャンバー２内の圧力が１．５×１０−５Ｐａとなるまで真空引きを行った。次に、ガス導入口２９からアルゴンガスを導入してチヤンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、直流電源２８の電圧を徐々に上げながら、マイナス１０００Ｖとし、ボンディングステージ１１の表面クリーニングを２０分間行った。その後、アルゴンガスを排気した。
【００３５】
試料番号２、３は、本体部がダイヤ焼結体とＣＶＤダイヤモンドであり、窒化クロムの接合強度が低い。接合強度を高めるために、試料番号２、３のみ窒化チタンからなる中間層を被覆した。チャンバー２２内の圧力が０．５〜１０．０Ｐａになるようにガス導入口２９から窒素ガスを導入した。直流電源２７から５０〜２００Ａのアーク電流を供給し、Ｔｉを陰極２６とし、そこから金属イオンを発生させた。直流電源２８のバイアス電圧を−５０〜−３００Ｖとし、ボンディングステージ１１の表面にＴｉＮを形成し、所定の厚み（１０ｎｍ）に達するまでこの状態を維持した。その後、直流電源２７及び２８を切り、窒素ガスを排気した。
【００３６】
ＴｉＮを中間層とするＣＶＤダイヤモンド及びその他の材料からなるボンディングステージ用材料をチャンバー２２の中へいれ、その圧力が５Ｐａとなるように、ガス導入口２９から窒素ガスを導入した。引き続き、直流電源２７に１００Ａのアーク電流を供給しＣｒイオンを発生させ、ボンディングツール１１の最表面に約０．５μｍのＣｒＮ膜を形成した。成膜後、表面をホーニングブラシにより５分程度研磨して、ステージ面の面粗さを０．１μｍとした。
【００３７】
ステージ先端面の温度分布は実装設備に取り付ける前に、ステージ表面に黒体塗料を塗布した後、サーモビュワーにより計測した。このときのステージ中央部の温度とヒータ制御温度の差をヒータ温度と表面温度との乖離量として記録した。
【００３８】
製造したステージを用いて半導体素子を基板に実装した。接合材はＡＣＦを用い、図４の方法で、ステージ上に半導体素子が接し、基板裏面からボンディングツールが押圧し熱圧着させる接合を行った。ステージ温度は２２０℃に、ボンディングツールの温度は２００℃にいずれも熱電対により温度計測しながら加熱ヒータで加熱した。半導体素子を１００個実装後、ＡＣＦ樹脂のステージへの付着を調べた。いずれの試料にも、エポキシ樹脂の付着がほとんど見られなかった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によるボンディングステージでは、本体部に高熱伝導率を有する部材を用いるため、ツール面の温度分布が良好である。また、ステージ面やツール面に窒化クロムを用いることにより、樹脂などの付着が少なく、樹脂が付着した場合にも容易に除去することができる。
【００４０】
このボンディングステージ及びボンディングツールを使用することにより、半導体製造装置のボンディング歩留まりの向上とタクトタイムの短縮が可能になり、さらにメンテナンスの頻度、時間を低減することによりライン全体の生産性を向上することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるボンディングステージの例
【図２】ボンディングステージとボンディングツールを用いて、半導体を実装している状態を示す概念図
【図３】実施例１で用いた被覆装置の構成図
【図４】実施例１で実施したボンディングの構成図
【符号の説明】
１　本体部
２　ＣｒＮ被覆膜
３　基体部
４　接合部
１１　ボンディングステージ
１２　ＩＣチップ
１３　ボンディングツール
１４　ヒーターブロック
１５　ヒーター
１６　ヒーター制御用熱電対
１７　クランパー
１８　基板
１９　レジスト
２０　リード
２１　成膜装置
２２　チャンバー
２３　ボンディングステージ保持装置
２４　蒸発方向
２５　アーク式蒸発源
２６　陰極
２７　直流電源
２８　直流電源
２９　ガス導入口
３０　矢印
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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