(57)【要約】【課題】  半導体デバイスのリード線などを加工する工具であって、工具の帯電を防止して、加工時における半導体デバイスの静電気による損傷を抑制できるダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具を提供する。【解決手段】  本発明のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具は、基材表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具である。基材は、超硬合金またはサーメットである。ダイヤモンド膜は硼素と水素を含有する導電性ダイヤモンド膜である。その導電性ダイヤモンド膜の平均表面粗さがRaで0.2μm以下であり、導電性ダイヤモンド膜の表面におけるダイヤモンド結晶粒子の平均粒径が1.5μｍ以下である。最外層の電気抵抗は、1000Ω・cm以下であることが望ましい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具であって、
前記基材が超硬合金またはサーメットであり、
前記ダイヤモンド膜は硼素と水素を含有する導電性ダイヤモンド膜であり、
前記導電性ダイヤモンド膜の平均表面粗さがRaで0.2μm以下であり、
前記導電性ダイヤモンド膜の表面におけるダイヤモンド結晶粒子の平均粒径が1.5μｍ以下であることを特徴とするダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具。
【請求項２】
前記導電性ダイヤモンド膜の表面の電気抵抗が1000Ω・cm以下であることを特徴とする請求項1記載のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具。
【請求項３】
前記導電性ダイヤモンド膜の硼素の含有量は、1.0×1018〜5.0×1022atoms/cm3（硼素原子の単位体積当たりの個数）であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具。
【請求項４】
前記導電性ダイヤモンド膜は厚さ方向にほぼ同じ量の水素を含有していて、その水素の含有量は8.0×1020〜3.0×1022atoms/cm3（水素原子の単位体積当たりの個数）であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具。
【請求項５】
前記導電性ダイヤモンド膜の断面組織は、微細ダイヤモンドがダイヤモンド膜の成長方向に細長く配列し、かつその短径が0.001μm以上0.1μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具。
【請求項６】
前記導電性ダイヤモンド膜の断面組織における微細ダイヤモンドのアスペクト比が2以上20以下であることを特徴とする請求項5に記載のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具。
【請求項７】
前記導電性ダイヤモンド膜が気相合成されたままのダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の製造など耐溶着性や高い加工精度が要求される分野において使用されるダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータや制御装置などの各種電子機器に組み込まれる半導体デバイスは、モールド工程、トリミング工程、フォーミング工程を経て製造される。モールド工程とはチップを外部から保護する樹脂封止の工程であり、トリミング工程とはモールディングされたリードフレームからパッケージを個別に取り出す工程である。また、フォーミング工程とはパッケージのリード線などを切断、成型する工程である。
【０００３】
これらの工程で使用されるダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具は、耐溶着性・耐剥離性などが高いことが必要である。それはダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具の加工対象がモールド樹脂やリード線であることに起因する。モールド樹脂はダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具に溶着し易いだけでなく、モールド樹脂に含まれるシリカやマイカは工具を激しく摩耗させる。シリカやマイカはモールド樹脂の熱伝導性を高く、熱膨張係数を低くするために添加されている。
【０００４】
リード線を加工する場合、リード線には半田メッキが施されており、半田による溶着が起こり易い。また、近年鉛フリー半田の使用が盛んになってきておリ、これらに含まれるパラジウムなどが工具を摩耗させる。このようなリード線を切断するために、基材に高硬度なダイヤモンド薄膜を被覆し、タイバーカットパンチとタイバーとの間に生じる摩擦力を小さくし、タイバーカットパンチの摩耗を防止することが特許文献1に記載されている。また、リード線の曲げ用ポンチの被覆膜として絶縁性のダイヤモンドを用いることが特許文献2に記載されている。この発明では、曲げ用ポンチの静電気対策として、ダイヤモンド被覆部と本体部を分割し、本体部を導電体で構成し、この二つを一体に構成することが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平4-56258号公報
【特許文献２】特開平7-211842号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、半導体デバイスは素子単体の縮小化や酸化膜の薄膜化により静電気放電による破壊電圧の低下が進行している。静電気から内部回路を守るため保護回路が製作されているが、これだけでは不十分であり、実装工程においても静電気対策が講じられている。
【０００７】
特許文献1などに記載されているダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具は、ダイヤモンド膜の耐溶着性、耐摩耗性を利用した工具である。ダイヤモンド膜は通常絶縁体であり、静電気を帯び、静電気が放電するときパッケージが破壊する可能性がある。このため、特許文献2などに記載されている対策が採られているが十分ではなく、製品を加工した際にパッケージ内の回路へ放電することによりチップなどを破壊する恐れがある。つまり、静電気を帯びたダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具が製品に接触することにより、静電気放電が生じ製品が破壊してしまう。
【０００８】
一方、パッケージなどは、微細化と、高集積化が同時に進んでいるので、これらの製造に使用される工具や部品は、特に寸法精度が厳しい。例えば±1μm以内の寸法精度が求められる。
【０００９】
このようなことから本発明は、静電気による静電気破壊が起こらず、かつ耐溶着性、耐剥離性に優れ、寸法精度の高いダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具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】
【００１０】
本発明は、ダイヤモンド膜の優れた性能を維持しながら、硼素を添加して導電性のダイヤモンド膜とすることにより、加工中のパッケージの静電気を除電しようとするものである。
【００１１】
本発明は、基材表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具であって、基材が超硬合金またはサーメットであり、ダイヤモンド膜は硼素と水素を含有する導電性ダイヤモンド膜であり、導電性ダイヤモンド膜の平均表面粗さがRaで0.2μm以下であり、導電性ダイヤモンド膜の表面における結晶粒子の平均粒径が1.5μｍ以下であるダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具を提供するものである。
【００１２】
本発明において、基材には、切削工具などに使用される硬度と強度を合わせ持つ超硬合金やサーメットを用いる。
【００１３】
また、ダイヤモンド膜に硼素を含有することで、この膜に導電性を持たせる。この導電性ダイヤモンド膜を基材上に成膜することで、この膜と基材とを電気的に接続し、工具に帯電した電荷を除電することができる。
【００１４】
また、ダイヤモンド膜表面の平均表面粗さをRaで0.2μm以下とすることにより、半田などの工具への溶着を防止でき、リード線の加工精度を高く保つことができる。なお、平均表面粗さはAFM(原子間力顕微鏡)で測定する。一般の触針式の表面粗さ計では、測定できないほど小さな平均表面粗さを持つからである。
【００１５】
さらに、ダイヤモンド膜表面の結晶粒子の平均粒径を1.5μm以下とすることが必要である。この範囲の規定とすることで、高い耐溶着性を得ることができる。この粒子径は走査型電子顕微鏡で測定される。
【００１６】
導電性ダイヤモンド膜の表面の電気抵抗が1000Ω・cm以下であることが望ましい。半導体製造時に発生する静電気を効率よく除電するためには、上記の範囲の導電性膜であることが望ましい。この電気抵抗は、例えばダイヤモンド膜が被覆された工具を用意し、その膜表面の2点間で測定すればよい。
【００１７】
導電性ダイヤモンド膜の硼素の含有量は、1.0×1018〜5.0×1022atoms/cm3（硼素原子の単位体積当たりの個数）であることが望ましい。この値は、静電気を充分に除電するための導電性を与えるために好ましい硼素の含有量である。この範囲にあると、製造時に微量硼素の制御が容易であり、またダイヤモンド膜の高い密着力を得ることができる。なお、本発明ではSIMS（（Secondary  Ion  Mass  Spectroscopy）2次イオン質量分析法）分析により、試料の厚さの方向に硼素や後で述べる水素の含有量を測定する。硼素含有量のさらに好ましい範囲は、5.0×1019〜1.5×1021atoms/cm3（硼素原子の単位体積当たりの個数）である。
【００１８】
導電性ダイヤモンド膜が含有する水素の量は、8.0×1020〜3.0×1022atoms/cm3（水素原子の単位体積当たりの個数）であることが望ましい。さらに好ましい範囲は、1.0×1021〜3.0×1022atoms/cm3である。ダイヤモンド膜中の水素の含有量は、基材とダイヤモンド膜の密着性と密接に関係する。水素の含有量が増えると、ダイヤモンド膜の熱膨張係数が大きくなり、基材との熱膨張係数差を小さくすることができる。その結果、基材と膜との耐剥離性を高めることができる。上記範囲の水素を含有することで、微細な組織を維持した結晶性の低いダイヤモンド膜とすることができ、その熱膨張係数を大きくして基材との耐剥離性を高めることができる。
【００１９】
また、この導電性ダイヤモンド膜は厚さ方向にほぼ同じ量の水素を含有していることが望ましい。導電性ダイヤモンド膜中の水素含有量をほぼ均一にすることで、残留応力が偏在することを抑制でき、基材との密着性が高いダイヤモンド膜とすることができる。
【００２０】
導電性ダイヤモンド膜の断面組織は、微細なダイヤモンドがダイヤモンド膜の成長方向に細長く配列し、かつその短径が0.001μm以上0.1μm以下であることが望ましい。断面が微細組織になっていることでダイヤモンド膜自体の強度が向上し、加工による亀裂の発生・進展を防ぐことができる。また、このような組織とすることで、ダイヤモンドの結晶成長が押さえられ、表面粗さの小さいダイヤモンド膜を形成できる。その結果、研磨しなくても高精度な工具表面を得ることができる。しかも、上記微細組織に高い水素含有量を持たすことにより、膜の熱膨張係数を極限まで大きくすることができ、膜の密着性という観点からは最も望ましい状態となる。
【００２１】
導電性ダイヤモンド膜の断面組織における微細ダイヤモンドのアスペクト比が2以上20以下であることが望ましい。こうすることによりダイヤモンド膜の強度が向上し、表面粗さが小さくなる。
【００２２】
導電性ダイヤモンド膜が気相合成されたままのダイヤモンド膜であることが望ましい。合成されたままのダイヤモンド膜の表面粗さが小さく、ダイヤモンド膜被覆工具の寸法精度が高いので、研磨することなくそのまま使用できる。ダイヤモンド膜の厚さを調整する方法は、成膜の途中で膜厚を測定し、追加する膜厚を定め、その後の成長時間を定めることができる。そのとき、ダイヤモンド膜の形成を中止した厚さのところに境界層ができるが、実質的には１つの膜ということができる。
【００２３】
このとき、基材の表面粗さが導電性ダイヤモンド膜の表面粗さに影響を与えるので、目的に応じた基材を使用することが望ましい。表面粗さの小さな工具を得るには、研磨された基材をまた、表面粗さの比較的大きなものは研削したままの基材を用いるなどの方法が考えられる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具は、薄い導電性のダイヤモンド膜で被覆されている。したがって、工具は帯電することがなく、また、仮に半導体デバイスのパッケージが帯電したとしても工具に接触することでパッケージの静電気は除電され、パッケージの放電破壊を防止できる。また、導電性ダイヤモンド膜は、平均表面粗さや、そのダイヤモンド結晶粒径を特定することで、耐溶着性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
半導体製造用工具の一例として、リードフレーム曲げおよび切断加工用工具を例にあげて本発明工具を説明する。図1に曲げダイ8、カット・ベンド-パンチ9およびカットダイ10を使って、パッケージ5のハンダ7が被覆されたアウターリード6を加工する例を示す。曲げダイ基材2、カット・ベンド-パンチ基材3およびカットダイ基材4はそれぞれ超硬合金からなり、その表面にはダイヤモンド膜1が形成されている。このダイヤモンド膜1は、少なくともお互いに摺動する部分や加工に作用する部分に形成されている。
【００２６】
図1の半導体製造用工具は、曲げダイ8とカット・ベンド-パンチ9でアウターリードを押し曲げ、カットダイ10により切断する構成となっている。図1の曲げダイ８では、アウターリードが接する突起部11から切断摺動面までダイヤモンドが被覆されている。図1（A)は加工前の状態を表すもので、曲げダイ8の上にパッケージ5がセットされ、突起部11にはアウターリード6が載った状態となっている。曲げダイ8の上方にはカット・ベンド-パンチ9がセットされ、横にはカットダイ10がセットされている。
【００２７】
加工を行う際には、図1（B）に示すように、カット・ベンド-パンチ9が相対的に矢印の方向に移動し、パッケージ5のアウターリード6を曲げダイ8に押さえつけ、アウターリード6を曲げる。その後、図1（C）に示すように、カットダイ10が曲げダイ8の側面に沿って相対的に矢印の方向へ移動し、その角部でアウターリード6を切断する。このとき、カット・ベンド-パンチ9の右側側面はカットパンチの役割を果たしている。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２８】
パッケージのアウターリードを曲げ、且つ切断する図1に示す工具を製作した。まず、WC-8％Coの超硬合金が、曲げダイ8、カット・ベンド-パンチ9およびカットダイ10の基材として準備された。パッケージのアウターリード加工には高い寸法精度が要求されるので、これらの超硬合金のダイヤモンドを被覆する面はすべて高精度に研磨してある。
【００２９】
これらの基材すなわちダイ基材2、カット・ベンド-パンチ基材3およびカットダイ基材4を1つの組として製作し、各基材に浸炭処理を行った。浸炭処理の条件は、上記の各基材を熱フィラメントCVD装置にセットして、1.5体積％メタン−水素ガス雰囲気で、圧力15.0kPa、処理温度950℃で2時間であった。
【００３０】
得られた基材を、8％の硝酸液に浸漬し超硬合金中の結合相を除去した後よく洗浄、乾燥した。次に、基材に超微粒ダイヤモンドを塗布した。4〜6nmの粒径を有する多結晶ダイヤモンド粉末0.02ｇをイソプロピルアルコール100ccに分散させた。この液の中に基材を浸漬し、10分間超音波をかけた。基材に付着した超微粒ダイヤモンドはダイヤモンド成膜時の核生成の起点となる。
【００３１】
次に、3μmの厚さの導電性ダイヤモンド膜を表1に示す条件で作製した。導電性ダイヤモンド膜の成膜はいずれも膜厚が2.5μmに達すると予想される時点で停止して実際の膜厚を測定し、不足分を追加して成膜した。ダイヤモンド膜の断面を研磨してエッチングすると、成長を一時停止した痕跡が残っていた。
【００３２】
表1は導電性ダイヤモンド膜の製造条件を、また表2は導電性ダイヤモンド膜の特性をそれぞれ示す。試料番号は表1および2で共通とした。表1の項目について説明する。CH4濃度は、キャリアである水素に対するメタンの量を体積％で示す。F温度はフィラメントの温度を示している。
【００３３】
次にB流量について説明する。ダイヤモンド膜を導電性にするために、硼素を添加する。ダイヤモンド膜へ硼素を添加する方法は、通常気体であるジボランやトリメチルボロンを直接反応系に供給する方法が用いられる。その他に、ホウ酸を含有した有機溶媒やホウ酸トリエチル、ホウ酸トリメチルにアルゴンガスまたは水素ガスをバブリングして反応系に供給するする方法が用いられる。今回はホウ酸トリメチルをアルゴンガスでバブリングする方法を用いたが、上記いずれの方法でも同様の結果を得ることができる。B流量は、そのときのArガスの標準状態の流量である。
【００３４】
【表１】
2005211976.tif 000002
【００３５】
このようにして得られた導電性ダイヤモンド膜の表面粗さ、ダイヤモンド膜表面の平均粒径、硼素(表2において「B含有量」と記した。)の含有量、水素(表2において「H含有量]と記した。）の含有量および電気抵抗を調べ、表2に示した。
【００３６】
【表２】
2005211976.tif 000003
【００３７】
表の表面粗さは、平均表面粗さRaの値であり、AFM(原子間力顕微鏡)で測定した。また、平均粒径は、SEM（走査型電子顕微鏡）で測定した。電気抵抗は、ダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具の表面の2点間を測定した。
【００３８】
硼素と水素の含有量は、SIMS（（Secondary  Ion  Mass  Spectroscopy）2次イオン質量分析法）分析により測定された。表2に記載された値は、導電性ダイヤモンド膜の表面部の値である。導電性ダイヤモンド膜の水素の含有量は、深さ方向にほぼ同じ含有量であった。
【００３９】
表2から明らかなように、試料番号1のダイヤモンド膜は、剥離していて比較例である。試料番号2は平均表面粗さが0.2μmを越え、平均粒径が1.5μmを越えていて比較例である。また、硼素や水素の含有量はいろいろな製造条件に依存するが、それぞれの元素の供給量の目安であるB流量や水素流量の増減に関係している。
【００４０】
実施例1で作製した試料番号5の導電性ダイヤモンド膜に相当する断面をSEMで観察し、図2を得た。ダイヤモンド膜を基材と共に切断し、その表面を研磨した後、水素プラズマ中でエッチングして観察したものである。微細ダイヤモンドがダイヤモンドの成長方向に細長く配列し、その短径が大部分0.1〜0.01μm程度であることがわかる。また、アスペクト比が2〜20の範囲に大部分のものが含まれることも判る。
【実施例２】
【００４１】
これらの被覆されたままのパンチ・ダイを用い、鉛フリーハンダが被覆されたリードフレームの曲げおよび切断加工を図1に示す工程で行った。最大加工数は、100万回とした。評価項目は、10万回、50万回および100万回において、ダイヤモンド膜上へハンダが付着しているかどうか、膜の剥離があるかどうかで評価し表3に示した。なお、試料は実施例1で作成したものを用い、表3の試料番号は表1および2と同じ番号である。
【００４２】
耐溶着性は、溶着の大きさがうっすらと平らに10μm以下程度の大きさに溶着している場合が一重丸であり、それを越えると歩留まりが悪くなるので×とした。耐剥離性は、剥離の大きさと数で評価したが、5μm以下程度の大きさの剥離がある場合を一重丸、それを越えると歩留まりが悪くなるので×とした。良好な半導体製造用工具は、100万回の使用に十分に耐えることができた。その結果を表3に示す。
【００４３】
【表３】
2005211976.tif 000004
【００４４】
試料番号1は、剥離しているので使用できない。試料番号2は、製造時の基材の温度が980℃と高く、表面粗さが大きくなり耐溶着性に劣った。試料番号3〜7は、耐溶着性、耐剥離製も良好な結果を得ることができた。試料番号8以降の試料においても、50万回以上使用することができ、十分実用できる範囲であった。試料番号8のものは、導電性が若干劣るので条件によってはLSIなどが放電破壊する可能性がある。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明工具は、帯電を防止できるため、半導体デバイスなど、静電気による絶縁破壊を回避する必要のある製品の加工分野に有効利用することが期待される。特に密着力が高いので、カットダイやカットパンチへ利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のダイヤモンド膜被覆半導体製造用工具を用いて、リードフレームを曲げ加工、切断加工している状態を示す模式図であり、図1（Ａ）は工具構成部材の配置を示し、図1（Ｂ）は曲げ加工している状態を、図1（Ｃ）は切断加工している状態を示す。
【図２】本発明で得られた導電性ダイヤモンド膜の断面顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４７】
1  ダイヤモンド膜
2  ダイ基材
3  カット・ベンド-パンチ基材
4  カットダイ基材
5  パッケージ
6  アウターリード
7  ハンダ
8  曲げダイ
9  カット・ベンド-パンチ
10  カットダイ
11  突起部
【図１】
2005211976.tif 000005
【図２】
2005211976.tif 000006