(57)【要約】【課題】基板上にバンプを形成する方法において、フラックス塗布に高精度な装置及び治具を必要とせず、バンプ欠陥の発生を抑制するバンプ形成方法を提供する。【解決手段】フラックスが塗布されたＵＢＭ上に導電性ボールを搭載した基板を、加熱して導電性ボールを溶融して後、冷却固化させてバンプを形成するバンプ形成方法であって、当該加熱を、当該フラックス中に含まれる溶媒の少なくとも一部を蒸発除去する温度、ＵＢＭ及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う予熱温度、導電性ボールを溶融しＵＢＭと導電性ボールを金属接合せしめるリフロー温度の少なくとも３温度領域で順次行うことを特徴とするバンプ形成方法である。【選択図】  図３
2005044980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が形成された基板の前記電極上にフラックスが塗布され、さらにその上に導電性ボールを搭載してから、前記基板を加熱して前記導電性ボールを溶融した後、冷却固化させてバンプを形成するバンプ形成方法であって、前記加熱を、前記フラックス中に含まれる溶媒の少なくとも一部を蒸発除去する温度、電極及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う予熱温度、及び、導電性ボールを溶融し電極と導電性ボールを接合せしめるリフロー温度の少なくとも３温度領域で順次行うことを特徴とするバンプ形成方法。
【請求項２】
前記フラックス中の溶媒の少なくとも一部を蒸発除去する温度が、蒸発除去を行う溶媒の沸点以下の温度であることを特徴とする請求項１に記載のバンプ形成方法。
【請求項３】
前記蒸発除去を行う溶媒の沸点が、電極及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う予熱温度未満であることを特徴とする請求項２に記載のバンプ形成方法。
【請求項４】
前記電極及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う予熱温度が、前記リフロー温度未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバンプ形成方法。
【請求項５】
電極上に塗布されたフラックスの厚みと搭載する導電性ボールの直径の比が、２≦「導電性ボールの直径／フラックスの厚み」≦５０の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバンプ形成方法。
【請求項６】
前記導電性ボールが金属ボールであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のバンプ形成方法。
【請求項７】
前記金属がハンダであることを特徴とする請求項６に記載のバンプ形成方法。
【請求項８】
前記基板がシリコンウエハであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のバンプ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バンプ形成方法に関し、特に、ハンダボール等の導電性ボールを用いて、シリコンウエハ等の基板に形成されたバンプ形成位置上にバンプを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体チップの電気的接続に、ハンダボール等の導電性ボールからなる微小金属球を使用したバンプ形成技術が用いられている。この場合、一般的には、基板のバンプ形成位置となる電極上に、電気的接続の信頼性を確保するため、バンプ下地金属（ｕｎｄｅｒ  ｂｕｍｐ  ｍｅｔａｌ、以下、ＵＢＭと称する。）を形成し、フラックスを各ＵＢＭ上に塗布し、さらに導電性ボールを各ＵＢＭ上に一括搭載した後、導電性ボールをリフローして溶融させ、冷却固化させてバンプを形成する。基板としてシリコンウエハを用いた場合は、その後、シリコンウエハを個々のチップに切断するダイシング工程を経て、バンプが形成された半導体チップが完成する。なお、電極に直接バンプを形成する場合は、ＵＢＭと電極は同義となる。
【０００３】
ところで、すべての導電性ボールが、リフローによって正しい形状のバンプを形成するとは限らない。例えば、図１（ａ）に示すように、導電性ボールが、リフローによって、基板Ｗにおける一部のバンプ形成位置Ｗ１上のＵＢＭと溶融結合しない（バンプ欠落）ことがある。また、図１（ｂ）に示すように、リフロー中に移動した導電性ボールが隣接するボールと合体し、大型（異形）のバンプが形成される、あるいは、図１（ｃ）に示すように、隣接する導電性ボールが合体して、隣接する電極間に架橋（ブリッジ）を形成する場合がある（以後、バンプ欠落、異形バンプ、ブリッジ等の欠陥をバンプ欠陥と称する）。バンプ欠落は、リフローの際に、導電性ボール又はＵＢＭ金属の一方又は双方の酸化膜が十分除去されなかったために生ずる現象であり、その原因はさまざまだが、フラックス量の不足による場合が多い。また、異形、ブリッジの発生は、導電性ボールがリフロー中に所定ＵＢＭ上から移動することによって生ずるが、導電性ボールの移動の原因は、主にリフロー中にフラックスが流動することによる。
【０００４】
これらのバンプ形成に有害な現象を回避するため、フラックスの塗布量及び塗布位置を調節することが行われている。つまり、ＵＢＭ上のみにフラックスを塗布し、その量を制御するのである。これまで多くの場合、スクリーン印刷又はピン転写によって、ＵＢＭ上にフラックスが塗布されている（例えば、非特許文献１等を参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｅ．  Ｈａｓｈｉｎｏ，  Ｋ．  Ｓｈｉｍｏｋａｗａ，  Ｙ．  Ｙａｍａｍｏｔｏ  ａｎｄ  Ｋ．  Ｔａｔｓｕｍｉ：  Ｍｉｃｒｏ−ｂａｌｌ  ｗａｆｅｒ  ｂｕｍｐｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，  Ｐｒｏｃ．  ５１ｓｔ
ＥＣＴＣ，  ｐｐ９５７−９６４，  ２００１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方で、半導体の高密度化に伴い、電極間距離は狭小化する傾向にある。これに対応するため、フラックス塗布に用いられるスクリーン印刷のマスク及びピン転写用のピン転写板は、高精度な加工が要求されるようになった。マスクは、開口位置、開口径、マスク厚の精度を確保することが必要であり、ピン転写板は、ピンの配列位置、ピン径、ピン高さの精度の要求が厳しい。さらに、フラックスを塗布するためのスクリーン印刷装置、ピン転写装置も、基板とマスク又はピン転写板との位置合わせに高い精度が要求されることから、高性能な装置が必要となっている。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み、基板上にバンプを形成する方法において、フラックス塗布に高精度な装置及び治具を必要とせず、バンプ欠陥の発生を抑制するバンプ形成方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るバンプ形成方法は、電極が形成された基板の前記電極上にフラックスが塗布され、さらにその上に導電性ボールを搭載してから、前記基板を加熱して前記導電性ボールを溶融した後、冷却固化させてバンプを形成するバンプ形成方法であって、前記加熱を、前記フラックス中に含まれる溶媒の少なくとも一部を蒸発除去する温度（以下、溶媒除去温度と称する）、電極及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う予熱温度（以下、予熱温度と称する）、及び、導電性ボールを溶融し電極と導電性ボールを接合せしめるリフロー温度（以下、リフロー温度と称する）の少なくとも３温度領域で順次行うことを特徴とする。
ここで、前記溶媒除去温度が、溶媒除去を行う溶媒の沸点以下の温度であることが好ましい。
また、前記溶媒除去を行う溶媒の沸点が、電極及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う予熱温度未満であることが好ましい。
また、前記電極及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う予熱温度が、前記リフロー温度未満であることが好ましい。
また、前記電極上に塗布されたフラックスの厚みと搭載する導電性ボールの直径の比が、２≦「導電性ボールの直径／フラックスの厚み」≦５０の範囲にあることが好ましい。
また、前記導電性ボールが金属ボールであり、該金属がハンダであることが好ましい。
また、前記基板がシリコンウエハであることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、従来例と実質的に同一又は対応する部材には同一符号を用いて、本発明による基板上へのバンプ形成方法の好適な実施の形態について説明する。
【００１０】
図２は、従来技術におけるバンプ形成方法の手順を示すフローチャートである。本発明の実施形態では、例えば、フリップチップボンディングに用いられるバンプの形成を対象としており、半導体パッケージの小型化、高密度実装化の観点から、近年では直径１５０μｍ以下の微小な導電性ボール（ハンダボール）が用いられている。
【００１１】
図２に示すように、シリコンウエハ等の基板を受け取ったならば（ステップＳ１０１）、検査を行い（ステップＳ１０２）、必要であれば洗浄した後（ステップＳ１０３）、ウエハ上の電極の内、バンプ形成するものの位置にスパッタ法、無電解メッキ法、電解メッキ法等によりＵＢＭを形成する（ステップＳ１０４）。
【００１２】
ＵＢＭの形成後、検査を行い（ステップＳ１０５）、各ＵＢＭ上にフラックスを塗付する（ステップＳ１０６）。
【００１３】
フラックスは、バンプ形成工程において、（ａ）導電性ボールの搭載工程（後出のステップＳ１０７）から導電性ボールがリフロー操作（後出のステップＳ１１０）によってバンプとなるまでの間、ＵＢＭ上に導電性ボールを固定する役割と、（ｂ）予熱操作においてＵＢＭ及び導電性ボール表面の酸化膜除去を行う役割を担う。
【００１４】
続いて、導電性ボールを各ＵＢＭ上に搭載する（ステップＳ１０７）。
【００１５】
次に、導電性ボールを各ＵＢＭ上に搭載した後、導電性ボールの欠落、余剰導電性ボール、導電性ボールの位置ずれ等、導電性ボールの搭載ミスの有無について検査を行う（ステップＳ１０８）。この検査方法として、例えば、カメラにより基板の上面を撮像し、得られた画像情報から導電性ボールの搭載ミスの有無を検査すればよい。
【００１６】
仮に、搭載ミスがあれば、欠落位置への導電性ボールの供給、余剰導電性ボールの除去、導電性ボール搭載位置の修正を行う（ステップＳ１０９）。
【００１７】
次に、搭載ミスがなければそのまま、導電性ボールをリフローして溶融させ、冷却固化させて、バンプを形成する（ステップＳ１１０）。
【００１８】
バンプ形成後、洗浄により残存フラックスを除去して（ステップＳ１１１）、不良バンプの有無について検査を行い（ステップＳ１１２）、一連の工程を終了する。
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る基板上へのバンプ形成方法について図３を参照して更に説明する。
【００２０】
フラックスは、通常、複数種の化学物質の混合物である。特に、塗布用フラックスは、塗布性向上のため、溶媒で希釈されている場合が多い。当該溶媒は予熱温度、リフロー温度での急激な加熱で発泡し、その結果、導電性ボールがリフロー中に所定の位置から移動する危険がある。つまり、フラックス中の溶媒は、塗布工程では必要だが、予熱操作、リフロー操作の際には有害な成分であることが多い。従って、予熱に先立ち溶媒除去温度にて、少なくとも溶媒の一部を除去することにより、予熱温度、リフロー温度での急激な溶媒の蒸発発泡を防ぐことができる。そこで、本発明の実施形態では、図２のリフロー工程（ステップＳ１１０）に替えて、図３中に示すように、溶媒除去操作（ステップＳ１１０−１）、予熱操作（ステップＳ１１０−２）、リフロー操作（ステップＳ１１０−３）を行うこととしている。なお、図３に示す工程は、リフロー工程を除き、図２に示す工程と同じである。
【００２１】
なお、本発明の実施形態では、基板として、例えば、３インチ（約７５ｍｍ）以上のサイズの各種半導体ウエハ、プリント基板等を対象としている。また、基板全体で使用する導電性ボールの総数は、数十万個になる。また、導電性ボールとして、金属ボールが用いられることが多く、特に、ハンダボールは融点が低く、各種ＵＢＭとの接合性が高いことから、好適である。
【００２２】
フラックスが塗布され、導電性ボールが搭載された基板を、溶媒除去温度に加熱することにより、フラックスと導電性ボールの濡れ性が改善され、導電性ボールの周りにフラックスのフィレットが形成される。当該フィレットは、予熱工程、リフロー工程での、導電性ボールの位置安定性に寄与する。さらに、導電性ボールが搭載された後のフラックスは、ボール搭載時に不安定な形状に変形されている場合がある。当該不安定形状のフラックスを溶媒除去温度に加熱すると、局所的な軟化流動が生じ、安定なフラックス形状に変形することが可能となる。フラックス形状が安定化することにより、予熱操作、リフロー操作時に、フラックスの流動、ひいては導電性ボールの移動を抑制することが可能となる。
【００２３】
溶媒の蒸発除去量は、リフロー時の泡発生の観点からは１００％除去が好ましいが、溶媒を完全に除去すると、粘着性、接着性が失われるフラックスも存在することから、フラックスの性状に依存する。好ましくは５重量％から９５重量％の溶媒を除去する。
【００２４】
溶媒除去操作は、導電性ボールが搭載された基板をホットプレート、加熱炉等で加熱すれば良く、連続リフロー炉内にて、予熱操作、リフロー操作の前段階として連続して行っても良い。
【００２５】
フラックス中の溶媒除去、ＵＢＭ及び導電性ボール表面の酸化膜除去、リフローを、それぞれの作用に適した温度で行うことによって、正しい形状のバンプを高収率で得ることが可能となる。なお、フラックスの種類としては、ロジン系、水溶性等、いずれのものも塗布が可能であれば用いることができ、塗布の方法には制限がない。また、搭載する導電性ボールの種類、搭載方法は特に制限がない。
【００２６】
溶媒除去温度は、高いほど短時間で溶媒の除去が可能となるが、一般的に高粘度のフラックス中で急激に溶媒が蒸発すれば、発泡することは明白である。発泡を防止するには、溶媒の沸点より低い温度、かつ溶媒の蒸気圧が十分高まる温度での加熱が必要で、その温度は、フラックス中に含まれる溶媒の種類、及び、フラックスの粘度等の特性で決まる。通常は、溶媒の沸点より１０℃程度低い温度を選択する。例えば、溶媒がイソプロピルアルコール（沸点８２℃）であれば、７０℃程度で加熱することが好ましい。
【００２７】
ＵＢＭ及び導電性ボールの酸化膜除去に関するフラックスの能力は、温度の上昇と共に向上する。よって、予熱温度は高いほど好ましいが、導電性ボールが溶融し、ＵＢＭと金属接合を生じるためには、導電性ボール及びＵＢＭの表面の金属酸化膜が除去され、金属同士が接触する必要がある。従って、導電性ボール及びＵＢＭ表面の金属酸化膜を除去するための予熱は、リフロー前に行う必要があり、予熱はリフロー温度より低い温度で行われる。
【００２８】
例えば、導電性ボールの一種である６３％スズ−３７％鉛の共晶ハンダでは、予熱温度は通常１５０℃前後である。この温度領域では、フラックスは軟化し、導電性ボールを固定する能力は低下する。仮に、この温度領域で溶媒が蒸発除去されると、発生する泡によって導電性ボールが移動する危険性が大きい。従って、溶媒除去温度は予熱温度未満とする。溶媒除去温度と予熱温度の差は、大きいほど好ましいが、実質的には溶媒除去温度は予熱温度より８０℃程度低く設定することが好ましい。
【００２９】
本発明では、塗布したフラックスの厚みと搭載する導電性ボールの直径の比は、２≦「導電性ボールの直径／フラックスの厚み」≦５０の範囲であることが好ましい。「導電性ボールの直径／フラックスの厚み」＜２では、搭載された導電性ボールはその半分の高さ以上までフラックスに埋没することとなる。この状態では、溶媒が蒸発除去する際に発泡する可能性があり、発泡によって導電性ボールが移動する危険性が極めて高い。一方、フラックスは、導電性ボールをＵＢＭ上の所定の位置に固定する役割も担っており、導電性ボールを固定するため、粘着性、接着性を持たねばならない。５０＜「導電性ボールの直径／フラックス厚み」の場合は、フラックスの厚みが導電性ボール径に比べて著しく薄いため、導電性ボールを固定する能力が不足することから好ましくない。なお、フラックス厚みは、フラックスが塗布されたＵＢＭ上のフラックス厚みの平均値とする。また、基板上に塗布されたフラックスの厚みは、例えば、触針法（針をフラックスの上方から近づけ、針がフラックスに接触する高さと針が基板に接触する高さを測定し、その差からフラックスの厚みを測る方法）によって容易に測定できる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、比較例と比較しながら説明する。
（実施例１）
直径：８インチ（約２００ｍｍ）、ウエハ上の電極数：１００，０００個、電極直径：１００μｍの基板を受け入れた。当該基板の電極上に、スパッタ法によって銅のＵＢＭを形成した。ＵＢＭ付き基板に印刷位置精度が±５０μｍである印刷機と、ＵＢＭ位置に対応した位置に孔の開いた印刷マスクを用いて、フラックス（ロジン：７０重量％、イソプロピルアルコール：３０重量％）を塗布した。顕微鏡による観察の結果、基板上のＵＢＭ位置と、塗布されたドット状のフラックス位置のずれは４０μｍ、フラックスの厚みは１０μｍとなった。次いで、フラックスが塗布された基板上のＵＢＭ位置に、直径１００μｍの６３％スズ−３７％鉛の共晶ハンダボールを１００，０００個搭載した。次に、基板をホットプレート上に大気中で乗せ、７０℃にて１０分間加熱した。加熱によってフラックス中のイソプロピルアルコールは、５０重量％蒸発除去された。引き続き基板を１５０℃にて予熱、２３０℃にてリフローし、共晶ハンダボールを溶融してバンプとした。リフロー後の基板を洗浄した後、バンプの検査を行ったところ、１００，０００万個のバンプ中、バンプ欠落：１箇所、異形バンプ：０箇所、ブリッジ：０箇所と、正しい形状のハンダバンプを高収率で得ることができた。
【００３１】
（比較例１）
実施例１と同じシリコンウエハを受け入れ、同じ方法で銅のＵＢＭを形成した。シリコンウエハに印刷位置精度が±５０μｍである印刷機と、ＵＢＭ位置に対応した位置に孔の開いた印刷マスクを用いて、実施例１と同じフラックスを塗布した。顕微鏡による観察の結果、シリコンウエハ上のＵＢＭ位置と、塗布されたドット状のフラックス位置のずれは４０μｍ、フラックスの厚みは１０μｍとなった。次いで、フラックスが塗布されたシリコンウエハ上のＵＢＭ位置に、直径１００μｍの６３％スズ−３７％鉛の共晶ハンダボールを１００，０００個搭載した。次に、溶媒を蒸発除去することなく、シリコンウエハを１５０℃にて予熱、２３０℃にてリフローし、共晶ハンダボールを溶融してバンプとした。リフロー後のシリコンウエハを洗浄した後、バンプの検査を行ったところ、１００，０００万個のバンプ中、バンプ欠落：２００箇所、異形バンプ：６箇所、ブリッジ：１箇所となった。
【００３２】
（比較例２）
実施例と同じシリコンウエハを受け入れ、同じ方法で銅のＵＢＭを形成した。シリコンウエハに印刷位置精度が±１０μｍである印刷機と、ＵＢＭ位置に対応した位置に孔の開いた印刷マスクを用いて、実施例１と同じフラックスを塗布した。顕微鏡による観察の結果、シリコンウエハ上のＵＢＭ位置と、塗布されたドット状のフラックス位置のずれは１０μｍ、フラックスの厚みは１０μｍとなった。次いで、フラックスが塗布されたシリコンウエハ上のＵＢＭ位置に、直径１００μｍの６３％スズ−３７％鉛の共晶ハンダボールを１００，０００個搭載した。次に、溶媒を蒸発除去することなく、シリコンウエハを１５０℃にて予熱、２３０℃にてリフローし、共晶ハンダボールを溶融してバンプとした。リフロー後のシリコンウエハを洗浄した後、バンプの検査を行ったところ、１００，０００万個のバンプ中、バンプ欠落：５０箇所、異形バンプ：１箇所、ブリッジ：０箇所となった。
【００３３】
（比較例３）
実施例と同じシリコンウエハを受け入れ、同じ方法で銅のＵＢＭを形成した。シリコンウエハに印刷位置精度が±５０μｍである印刷機と、ＵＢＭ位置に対応した位置に孔の開いた印刷マスクを用いて、実施例１と同じフラックスを塗布した。なお、塗布の際に複数回印刷操作を行った。顕微鏡による観察の結果、シリコンウエハ上のＵＢＭ位置と、塗布されたドット状のフラックス位置のずれは４０μｍ、フラックスの厚みは６０μｍとなった。次いで、フラックスが塗布されたシリコンウエハ上のＵＢＭ位置に、直径１００μｍの６３％スズ−３７％鉛の共晶ハンダボールを１００，０００個搭載した。次に、溶媒を蒸発除去することなく、シリコンウエハを１５０℃にて予熱、２３０℃にてリフローし、共晶ハンダボールを溶融してバンプとした。リフロー後のシリコンウエハを洗浄した後、バンプの検査を行ったところ、１００，０００万個のバンプ中、バンプ欠落：５箇所、異形バンプ：５箇所、ブリッジ：３箇所となった。
【００３４】
実施例及び比較例の条件及び結果をまとめて表１に示す。
【００３５】
【表１】
2005044980.tif 000003
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、フラックス塗布に高精度な装置及び治具を用いなくても、バンプ形成においてバンプ欠陥の発生を抑制することができ、高生産性で、品質の優れたバンプが高歩留りで形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バンプ欠陥を説明するための図である。
【図２】従来技術におけるバンプ形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明のバンプ形成方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
ＵＢＭ：電極
Ｗ：基板
Ｗ１：バンプ形成位置
【図１】
2005044980.tif 000004
【図２】
2005044980.tif 000005
【図３】
2005044980.tif 000006