(57)【要約】      （修正有）【課題】高純度銅細線の断面組織を二重構造とすることによって、機械的強度を増し、短時間にオン・オフを多数回繰り返す高温パワー半導体に最適な、特にサブミリ径の高純度銅ワイヤを提供する。【解決手段】高純度銅細線の断面組織における上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にある、純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅からなる半導体装置を接続するための連続伸線された高純度銅細線である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅からなる線径０．０１ｍｍ以上１ｍｍ未満の連続伸線された高純度銅細線において、当該銅細線の断面組織における上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にあることを特徴とする半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項２】
銀１〜２５質量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅からなる線径０．０１ｍｍ以上１ｍｍ未満の連続伸線された高純度銅細線において、前記上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０％以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にあることを特徴とする半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項３】
酸化膜の厚さが１〜６ｎｍである請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項４】
銀、鉄、ニッケル、スズ、シリコン、リンおよびイオウの総量が３０質量ｐｐｍ未満である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項５】
銀、鉄、ニッケル、スズ、シリコン、リンおよびイオウの総量が１０質量ｐｐｍ未満である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項６】
鉄、ニッケル、スズ、シリコン、リンおよびイオウの総量が１質量ｐｐｍ未満である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項７】
上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の１０〜２０％である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項８】
上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の９０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にある請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項９】
線径が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである高純度銅細線である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項１０】
線径が０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍである高純度銅細線である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項１１】
線径が０．０１ｍｍ〜０．０８ｍｍである高純度銅細線である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いる高純度銅細線に関するもので、特に、線径がサブミクロンオーダーの、純度９９．９９９９質量％の銅（Ｃｕ）およびそれに微量の銀（Ａｇ）を添加した銅基合金の、組織を強化した高純度銅細線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）、あるいは、炭化シリコン（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体素子に搭載されたボンディングパッドは、主にアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム−１質量％シリコン合金等のアルミニウム基合金、銅、ニッケル（Ｎｉ）、銀、白金（Ｐｔ）などの基板が使用される。この基板には、金（Ａｕ）や銀等の貴金属の湿式めっきやマグネトロンスパッタ、蒸着等の乾式めっき、およびニッケルめっきがされて使用されることがある。これらをまとめて、特に断らなければ、本発明では「アルミパッド」と称する。この半導体素子のアルミパッドとリードフレーム等をボールボンディングまたは超音波ボンディング、あるいは両者の併用ボンディングするのに、高純度銅細線が使用される。
【０００３】
高純度銅細線は、線径が０．１ｍｍ〜０．９ｍｍの丸細線が一般的に使用され、線径が０．０１ｍｍ〜０．０２５ｍｍの極細線も用いられることがあり、また、これらの細線を押しつぶした平角状細線（テープ）も半導体装置に使用されることがある。場合によっては、これらの極細線や細線に薄い銀を被覆したワイヤも使用される。
純度９９．９９９５質量％〜純度９９．９９９９４質量％の銅および微量（０．０００６質量％以下）の銀を含む銅合金（以下、微量の銀を含む銅合金と略記する）からなる高純度銅細線もこれらの用途に使用され、その場合には、伸線ひずみを取り除く目的で５００℃以下の最終熱処理をすることが一般的であった（後述の特許文献１および特許文献２参照）。これは、連続伸線された高純度銅細線の断面組織が緻密であることを利用するためであり、５００℃以下の温度であれば、高純度銅細線がほとんど熱影響を受けないからである（図１参照）。
【０００４】
図１には、強伸線加工された伸線加工組織中の結晶粒が熱影響を受け、隣接する結晶粒とくっついて回復組織から再結晶組織になり、結晶粒の一部が再結晶を開始している様子がみられる。なお、図１〜図５は、細線のほぼ全断面を示すものである。
他方、連続伸線された高純度銅細線を還元性雰囲気下で５００℃以上の温度にすると、一般的に伸線加工組織が回復組織から再結晶組織になり、やがて粒成長が起こるとされている。
ところが、純度９９．９９９５質量％〜純度９９．９９９９４質量％の銅および微量の銀を含む銅合金からなる高純度銅細線の場合は、このような内部組織の変化が非常に早く、結晶粒の一部が粗大化し（図２参照）、それがワイヤ全体に広がって焼きなましの状態になる（図３参照）。図２では、中央部の結晶粒の大きさはワイヤ直径の約４０％程度となり、その内部にはサブグレインがみられる。図３では、大きな結晶粒の大きさは、ワイヤ直径の５０％を超える。
【０００５】
５００℃未満の最終熱処理がされた高純度銅細線の超音波ボンディング方法は、高純度銅細線の上に超硬ツールを押しつけ、その荷重および超硬ツールからの超音波振動のエネルギーにより高純度銅細線とアルミパッドとを接合するものである。超音波振動印加の効果は、高純度銅細線の変形を助長するための接合面積の拡大と、高純度銅細線に形成された５〜１０ナノメートル（ｎｍ）程度の表面酸化膜を破壊・除去することにより、アルミニウム等の金属原子を下面に露出させ、対向するアルミニウムやニッケル等のボンディングパッドと銅との界面に塑性流動を発生させ、互いに密着する新生面を漸増させながら、両者を原子間結合させることにある。
【０００６】
他方、５００℃以上の最終熱処理がされた高純度銅細線のボールボンディング方法は、窒素ガス等の不活性ガスまたは５％水素を混入した窒素ガス等の還元性ガスを高純度銅細線に噴きつけながら、高純度銅細線に高電圧を印加して溶融ボールを形成し、超硬ツールによって溶融ボールをアルミパッドに押し付けて高純度銅細線とアルミパッドとを接合するものである。
【０００７】
しかしながら、純度９９．９９９５質量％〜純度９９．９９９９４質量％の銅およびそれに微量の銀（Ａｇ）を添加した銅合金からなる銅細線中にも、高純度銅粉末の原料に由来して数質量ｐｐｍないし数十質量ｐｐｍの酸素を含むことがある。また、連続鋳造して高純度銅の素線を製造した段階、この素線を大気中で中間熱処理をした段階、この素線を連続伸線して高純度銅細線を製造した段階または高純度銅細線を大気中で放置しておいた段階のそれぞれで、高純度銅細線の表面に５〜１０ｎｍの銅の酸化物層（亜酸化銅層の上の酸化銅層の二層の酸化物層）が形成してしまう。
【０００８】
このため、還元性ガスを高純度銅細線に噴きつけながらボールボンディングしても、高純度銅細線の内部や粒界に存在する酸素が表面の酸化物層に次々に送り込まれる結果、表面の銅の酸化物層を除去することは困難で、特に線径が０．０１ｍｍ〜０．０８ｍｍのボールボンディング用高純度銅極細線をフリー・エアー・ボール（ＦＡＢ）で作成しても、溶融ボールが硬くなる結果、シリコンチップにクラックが入ることがしばしばであった。また、０．０６ｍｍ〜１．０ｍｍのステッチボンディング用高純度銅細線とアルミパッドとでうまくファーストボンドの接合ができたとしても、高温で放置した場合には高純度銅細線の銅とアルミパッドのアルミニウムとの接合界面からアルミニウムの酸化物が成長し、やがて酸化物層を形成して接合界面から高純度銅細線が剥離するという現象が生じていた。
この現象は、荷重の調整が困難な０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍの細いワイヤほどコントロールが困難であった。
【０００９】
一方、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのサブミリ径の高純度銅細線の場合には、伸線加工直後の結晶組織ないし伸線加工直後の５００℃程度の熱処理組織（図１参照）では、緻密な再結晶組織のままであるため銅パッドに超音波溶接しても、線径が大きくなればなるほど印加荷重が大きくなるので、チップ割れの回避が困難である。しかも、銅基板やニッケル基板へのボンディングは可能であるが、ワイヤ形状が大きくなる分だけ接合性が悪く、実用に至っていなかった。
他方、伸線加工直後に８００℃程度で数百ミリ秒以下の熱処理した組織（図４参照）をもつ高純度銅線（０．０１ｍｍ〜０．０８ｍｍのボールボンディング用高純度銅極細線や０．０６ｍｍ〜１．０ｍｍのステッチボンディング用高純度銅細線やサブミリ径の高純度銅細線）に還元性ガスを噴きつけながら超音波ボンディングすると、これらの銅線は溶融ボールをつくらないので、ファーストボンドでシリコンチップにクラックが入ることはないが、やわらかすぎるためファーストボンドの接合強度が十分でなく、熱サイクル試験を繰り返すと接合強度が低下するという現象が生じていた。
この現象は結晶粒径が大きくほぼ均一の音響機器用銅線（後述の特許文献３）でも同様であった。
【００１０】
そのためパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属層を高純度銅細線の表面に薄く形成して高純度銅細線の表面の酸化物層の形成を防ぐのが一般的であった（後述の特許文献１）。しかし、薄い貴金属層には、クラックやピンホール等が内在し、高温化の最終熱処理では、被覆層からの大気中の酸素の進入を止めることができないと考えられており、被覆ワイヤでも無垢ワイヤと同様の問題が生じていた。
【００１１】
他方、高純度銅細線は、１００〜２００℃の耐温度を必要とする半導体、特にエアコン、太陽光発電システム、ハイブリッド車や電気自動車などの高温でオン・オフを多数回繰り返すパワー半導体の利用が考えられており、その応用範囲は拡大している。このようなパワー半導体素子の動作条件は通常の半導体素子よりも高温使用で過酷になる。例えば、車載用に使用されるパワー半導体では、高純度銅細線は最大で通常１００〜１５０℃の接合部温度の繰り返しに耐える必要がある。このような高温環境下においては、酸化の問題があるためこれまで無垢の高純度銅細線は実用化されていなかった。これは、高純度銅細線を高温に保持すると、たとえ伸線加工直後の結晶組織（図１参照）をもつ高純度銅細線であっても、高純度銅細線中の伸線加工組織が回復組織から再結晶組織になり、やがて粒成長が起こり、ワイヤの一部がなまり始め（図３参照）、最終的にはワイヤ全体がやわらかくなってしまう（図４参照）からである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−０６４０３３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５３５３９号公報
【特許文献３】特許第４８１５８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、高純度銅細線をアルミパッドへファーストボンドした場合に高純度銅細線の銅とアルミパッドのアルミニウムとの接合強度が不安定になること、およびファーストボンド後に半導体素子を特に高温で放置した場合、銅とアルミパッドのアルミニウムとの接合界面からアルミニウムの酸化物が成長して高純度銅細線がアルミパッドから剥離することがないなどを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明者らは高純度銅細線を不活性雰囲気下で高温度にすると、まず高純度銅細線の表面および内部の酸素が気相中に吐き出されるという固・気相過程と、この固・気相過程が生じたあとで、高純度銅細線中の伸線加工組織が回復組織から再結晶組織になり、やがて粒成長が起こるという固相過程とのあいだに時間差があることに着目した。すなわち、高純度銅細線に一定の張力をかけながら高温にすると、上記固・気相過程で高純度銅細線から酸素を追い出すのを加速する。そして、粒成長が起こる前のわずかな時間、すなわち高温の高純度銅細線が水冷却等で急冷するまでの数百ミリ秒以下のわずかな時間内に高純度銅細線の粒成長をストップさせ、かつ、高純度銅細線に一定の張力をかけながらの熱収縮によって高純度銅細線の直径の１／２０以下で定義される表皮層の再結晶組織近傍にピットやボイド等の結晶欠陥を無数に発生させて高純度銅細線の硬さを増強させる。
【００１５】
しかも、急冷時に、高純度銅細線表面の結晶欠陥には不活性ガス等の気体が巻き込まれるので、結果的に高純度銅細線表面の結晶粒界に不活性ガス等のふたがされるので、表面の結晶粒界からの以後の酸素の侵入が防がれる。高純度銅細線中の再結晶組織から粒成長する前に内部組織を固定しておけば、高温でオン・オフを多数回繰り返していても、表皮層の無数の結晶欠陥が徐々に緩和されていくだけで、使用期間中に高純度銅細線のクラックが進行したり、高純度銅細線自体がへたったりすることはない。
【００１６】
本発明の半導体装置を接続するための高純度銅細線は、純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅からなる線径０．０１ｍｍ以上１ｍｍ未満の連続伸線された高純度銅細線において、当該銅細線の断面組織における上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にあることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の半導体装置を接続するための高純度銅細線は、銀１〜２５質量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅からなる線径０．０１ｍｍ以上１ｍｍ未満の連続伸線された高純度銅細線において、当該銅細線の断面組織における上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０％以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にあることを特徴とする。
【００１８】
高純度銅細線の純度は、純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の銅の範囲が必要である。高純度銅細線の機械的強度は、主にワイヤの内部組織が支配し、従として数ｎｍの銅酸化物（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）層が影響する。
被加工材を加熱すると、緻密な伸線加工組織が回復組織から再結晶組織を経由して粒成長が起こる一連の結晶粒組織の熱変化に対応して銅マトリックス中の酸素が結晶粒界をつたって表層の銅酸化物（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）層から外部へ移動し、表層の銅酸化物（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）層が薄くなる。銀以外の不純物元素の量は３０質量ｐｐｍ未満である。高純度銅中の不純物としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル、スズ（Ｓｎ）、シリコン、リン（Ｐ）およびイオウ（Ｓ）が主なものである。これらの不純物元素の量は３０質量ｐｐｍ以上になると、不純物元素のピン止め効果によって、結晶組織が異なり、高純度銅細線の結晶組織を加熱・冷却によって制御することができなくなるからである。
【００１９】
これらの不純物元素は、銅マトリックスでの分離が困難であることから、銅マトリックスとの親和性があり、銅マトリックス中で酸化物を形成しても、銅酸化物によって形成された一連の結晶粒組織の熱変化をほとんど阻害しない。このため加熱の熱エネルギー量に応じて高純度銅細線の結晶粒組織を変化させることが可能になる。高純度銅細線の純度は、９９．９９７質量％が必要である。インバータ制御など、パワー半導体を高速でオン・オフを繰り返すと、ワイヤ内部に熱疲労によるクラックが入るが、９９．９９７質量％以上あれば、再結晶温度が低いので、加工ひずみが再結晶により除去され、ワイヤ中にサブグレインが形成されにくくなるからである。よって、高純度銅細線の純度は、９９．９９７質量％以上が必要であり、９９．９９９質量％以上のほうが好ましく、９９．９９９９質量％以上のほうがより好ましい。
しかし、９９．９９９９４質量％を超えると、純度が高すぎることによって室温で再結晶が始まってしまい、接合時のつぶれ幅のばらつきが大きくなってしまう。しかも、線径が０．０１ｍｍ〜０．０８ｍｍであるボールボンディング用極細線の場合には、ワイヤ自体の剛性がなくなってしまう。
よって、高純度銅細線の純度は、９９．９９７質量％〜９９．９９９９４質量％の銅の範囲が必要となる。
また、高純度銅細線は熱伝導度が良いので、高純度銅細線の結晶組織を適切に管理するにはサブミリ径が好適である。０．１ｍｍ未満の径になると、線自体が弱くなるため、接合後はワイヤ全体を樹脂モールドしたり、接続距離を短くしたりするなどの工夫が必要となる。
【００２０】
不純物元素（ただし、後述する銀元素を除く。）の量が３０質量ｐｐｍ以上になると、これらの不純物元素は銅マトリックス中の酸素と結びついて銅マトリックス中で酸化物を形成する。この酸化物粒子は、強加工された緻密な結晶粒の粒界に析出しやすく、高純度銅自体の結晶粒組織の熱変化よりも耐性があるので、高純度銅細線の結晶組織を支配してしまう。このため緻密な内部組織（図１参照）から焼きなまされた内部組織（図３参照）へさせようと加熱していくと、ある温度以上で一気に変質してしまい、高純度銅細線の結晶粒組織を連続的に変化させることができない。
【００２１】
銀元素は、銅と完全に固溶して銅マトリックスに存在し、銀は銅結晶粒の粒界に析出しない。他方、銀は、銅とイオン化傾向が近く化学的性質も似ているものの、銅よりもイオン化傾向が貴であり、銅よりも酸素と反応しない性質がある。銀バルクは、酸化せず、銀マトリックス中に酸素を取り込み、酸素を透過する。このため、１〜２５質量ｐｐｍの銀を純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅に含有させておいても、上記の銅マトリックスと酸素との相互作用に悪影響を与えない。しかし、銀の含有量が２５質量ｐｐｍを超えると、相対的に銅の純度が下がり、加熱の熱エネルギー量に応じて高純度銅細線の結晶粒組織を変化させることが困難になる。よって、銀の含有量を１〜２５質量ｐｐｍとした。
【００２２】
高純度銅細線の断面組織における最大結晶粒は、熱エネルギーによって図２のように一気に大きくなりうる。しかし、純度９９．９９７質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅であれば、熱エネルギーも等しくマトリックス中に分散され、大きな結晶粒がほぼ等しく成長する（図４参照）。このため、最大結晶粒がいくつも発生し、個々の大きな結晶粒の大きさは相対的に小さくなるので、大きな結晶粒の平均粒径が線径の５〜２５％であるとした。これによって内部の酸素が気相中に吐き出されるという固・気相過程を経た後、粒成長が起こる直前の固相過程に至るまでのわずかな熱エネルギー変化をコントロールできるようになる。
【００２３】
本発明においては、高純度銅細線の機械的強度を結晶粒組織でカバーするため最大結晶粒の平均粒径はできるだけ小さいことが好ましく、銅マトリックス内部の酸素が気相中に吐き出された直後の大きさとして大きな結晶粒の平均粒径が線径の５〜２５％であるとした。好ましくは大きな結晶粒の平均粒径が線径の５〜２０％である（図４参照）。
【００２４】
また、本発明において、高純度銅細線の断面組織における上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０％以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にあることが必要である。好ましくは、上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の１０〜２０％であり、また、好ましくは上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の９０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にある（図４参照）。本発明で大きな結晶粒がほぼ等しく成長するとともに、強ひずみの転位が粒界の壁方向に集積された小さな結晶粒が表皮層に存在すると、二重構造効果によって高純度銅細線の機械的強度が強化されるからである。
【００２５】
また、本発明において、酸化膜の厚さが１〜６ｎｍであることが好ましい。熱処理で銅マトリックス内部の酸素が気相中に吐き出されて酸化膜の厚さが薄くなるが、酸化膜の厚さが１ｎｍ未満と薄くなりすぎると、銅マトリックス内部の酸素が少なくなりすぎて明確な結晶粒界が存在しなくなり、高純度銅細線内部の機械的強度が弱くなるからである。逆に、酸化膜の厚さが６ｎｍ以上になると、銅マトリックス内部に酸素が豊富にあるためファーストボンドが良好に接合されても、使用時に銅マトリックス内部の酸素が接合界面に浸みだして酸化物層が拡がり、接合強度を弱くする。
【００２６】
なお、連続伸線された高純度銅細線には一定の張力がかけられたまま熱処理される。一定の張力は、基本的に連続伸線における最終ダイヤモンドダイスの出口から巻取りスプールの入口までのあいだにかかっているが、ダンサローラなどで他工程の振動が銅細線に伝わらないようにして、熱処理工程と冷却工程のあいだで特に一定に保たれ、熱処理温度と熱処理区間によって所定の熱エネルギーを高純度銅細線に付与することができる。
【００２７】
連続伸線加工上がりの銅細線は、引続き一定の張力をかけながら６００℃〜８００℃の温度で数百ミリ秒以下の短時間に急加熱することが好ましい。高純度銅細線の結晶組織を確実にコントロールするには、６５０℃〜７５０℃の温度範囲がより好ましい。高純度銅細線を非酸化性雰囲気下で高温度にすると、まず高純度銅細線の表面および内部の酸素が気相中に吐き出される。この熱処理温度が高いほど、一定の張力がかけられた高純度銅細線は大きく引き伸ばされて結晶粒界が前後左右に拡がり、酸素が気相中に吐き出される効果は大きくなるが、逆に粒成長までの時間差が短くなるので、水冷却等の急冷による高純度銅細線の結晶粒の数のコントロールが難しくなる。
なお、５００℃程度の温度で数百ミリ秒以下の熱処理温度では、還元雰囲気であっても高純度銅細線の表面にある数ｎｍの酸化銅層はあまり減少しない。
また、不純物元素の量が多すぎると、これらの不純物元素は銅マトリックス中の酸素と結びつきやすく酸化物を形成してしまうので、高純度銅細線の表面にある数ｎｍの酸化銅層は減少しにくくなり、接合時にチップ割れを起こしやすくなる。
【００２８】
この酸化銅層が減少する固・気相過程は、次のような機構によるものと考えられる。
すなわち、高温の高純度銅細線の最外層の酸化第二銅（ＣｕＯ）が不活性雰囲気下で原子層状に順番にはがされ不活性雰囲気中に飛ばされる。そうすると、高純度銅細線の最外層のすぐ下の酸化第一銅（Ｃｕ２Ｏ）の層が銅と酸化第二銅（ＣｕＯ）層となる。この還元銅は、最初は結晶粒界を経由した銅マトリックス中の酸素をもらって再び酸化第一銅（Ｃｕ２Ｏ）の層となる。しかし、銅マトリックス中の酸素は少量なので、結晶粒界から送り出される酸素はすぐになくなり、元の酸化第一銅（Ｃｕ２Ｏ）層の位置にあった還元銅は、銅マトリックスに吸収される。この結果、最外層の酸化第二銅層（ＣｕＯ）の厚さは緩やかに薄くなっていくが、すぐ下の酸化第一銅（Ｃｕ２Ｏ）の層はすぐに薄くなる。
還元雰囲気下で８００℃程度の高温熱処理をすると、６ｎｍ以上あった高純度銅細線の酸化銅層（第二銅層（ＣｕＯ）の層と酸化第一銅（Ｃｕ２Ｏ）の層との和）が１ｎｍ程度まで減少する。
【００２９】
連続伸線加工上がりの当該銅細線を引続き６００℃以上の温度に急加熱して数百ミリ秒以下の温度で保持する非酸化性雰囲気下の熱処理工程によって当該銅細線は、図１に示すような伸線上がりの結晶組織から、図４に示すような再結晶の結晶組織に変化し始める。本発明の熱処理雰囲気は非酸化性雰囲気、すなわち不活性雰囲気および還元性雰囲気である。高純度銅細線中の再結晶組織は、非酸化雰囲気中で形成されているので、銅マトリックス中の結晶粒界には余分の酸素が存在しない。なお、高温になればなるほど周囲への熱損失が大きくなるため、細線の温度を直接測定することは困難であるが、目視で高純度銅細線の色は、暗赤熱色〜桜赤色の範囲にあり、６００℃〜８００℃の範囲にあると思われる。
なお、熱処理温度は高くなりすぎると、ある温度以上で急激に伸びが増し、高純度銅細線が断線してしまうので、おのずと上限が定まる。加熱方法としては、電気炉による加熱、通電加熱、光照射による加熱、水蒸気加熱などがある。
【００３０】
高温の高純度銅細線を一定の張力をかけながら室温まで急冷することによって、高純度銅細線の再結晶の結晶組織は変化しないものの、急冷時の熱収縮によって銅マトリックス中の再結晶組織の近傍にピットやボイド、クラック等の結晶欠陥が無数に発生して凍結される。このため高純度銅細線内部の結晶粒界の組織（図４参照）は、完全に焼きなまされ結晶粒が粗大化したもの（図３参照）よりも強固になり、この強固な結晶粒界の結晶欠陥によって高純度銅細線に所定の伸びと所定の破断強度、すなわち高純度銅細線に機械的強度がもたらされる。また、高純度銅細線の表面にも、水と接触したり、水の一部が水蒸気となって気相で接触したりして、ピットやボイド等の多くの結晶欠陥が発生して凍結され、高純度銅細線表面の機械的強度が強化される。
【００３１】
このような発生・凍結現象は、本発明の高純度銅細線に薄い貴金属被覆を施した場合も同様であり、パラジウム（Ｐｄ）は高温で水素を吸蔵するので効果的である。さらに、通電加熱を利用すれば、高純度銅細線を内部から加熱したまま水中へ埋没させることができるので、結晶粒界壁に多くの転位等のひずみを発生することができ、結晶粒界を明瞭にして高純度銅細線内部の機械的強度を強化することができる。また、高純度銅細線の表面の酸化膜と内部の銅マトリックス金属の熱膨張・収縮差により６ｎｍ未満、好ましくは４ｎｍ以下の表面酸化膜がボンディング時に破壊されやすい状態になる結果、チップ割れの現象、接合強度の向上およびそのバラツキが低減される。
また、高純度銅細線中の再結晶組織は、非酸化雰囲気中で形成されているので、銅マトリックス中の結晶粒界には外部から余分の酸素が入ってこないので、ファーストボンド前の高純度銅細線の表面が銅マトリックス内部から酸化することはない。また、半導体装置として使用中に銅マトリックス内部から酸素が追加されることもない。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の半導体装置を接続するための高純度銅細線によれば、銅マトリックス内部の数個の最大結晶粒と小さな結晶粒が混在した結晶組織（図４参照）および急冷による銅表皮層中の結晶欠陥等のひずみを小さな結晶粒の粒壁で制御する高純度銅細線の二重構造によって、高純度銅細線の機械的強度を確保することができる。また、本発明の銅マトリックス内部には余分の酸素が存在せず欠乏気味なので、ファーストボンド後に高純度銅細線を短時間のオン・オフを繰り返しながら、結果的に高温環境に放置したと同じ状況下になっても、半導体装置のアルミニウムパッドで接合した、その接合界面から高純度銅細線がはがれることもない。また、銅細線自体は高純度なので、硬質バリアメタルをアルミニウムパッド下へ配置することで、従来困難であったサブミクロンオーダーの高純度銅細線であっても、アルミニウムパッドへ接合することもでき、再結晶温度が低いので熱サイクル疲労が生じることもない。
【００３３】
他方、セカンドボンドとなる銅基板やニッケル基板への超音波接合は、１〜６ｎｍ未満の極薄の銅酸化物層があるので当然に良好になる。さらに、熱処理手段として通電加熱を利用すれば、銅表皮層中のボイド等の結晶欠陥を増やすことができ、高純度銅細線の温度と時間の管理がより容易になるので、二重構造組織を確実にコントロールすることができる。さらに、炭化シリコンや窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体チップ(パッド材質は、主にアルミニウム、銅、ニッケルや金へ接合することができる。
【００３４】
本発明の半導体装置を接続するための高純度銅細線は、上記高純度銅細線の線径が０．１ｍｍ〜０．６ｍｍであることがもっとも好ましい。熱処理条件は、７００℃〜８５０℃に急加熱され、かつ、上記熱処理工程の開始から上記冷却工程の開始までの時間が０．０５秒間〜１．３秒間の短時間、より好ましくは０．１秒間〜１．０秒間で処理されることをより好適とする。熱処理温度が低ければ、熱処理時間は長くなり、コントロールしやすくなる反面、熱処理炉が長くなる。炉長としては０．５〜２．０ｍが一般的である。また、熱処理時間は、銅の純度が高くなればなるほど短くなる。銅の純度が高くなれば、再結晶温度が低くなるが、熱によるワイヤの温度上昇の速度と再結晶組織から粒成長組織へワイヤ組織の移行速度とは、比例関係にないので、時間の管理は非常に重要となる。熱処理時間は、縦型熱処理炉を長くしても高純度銅細線の熱処理炉の通過速度を遅くしてもよい。
【００３５】
また、上記非酸化性雰囲気が水素ガスを含む還元性雰囲気であることを好適とする。高純度銅細線の酸化物層の除去および銅マトリックス中の酸素の除去の観点からは、水素雰囲気がもっとも好ましいが、経済性や安全性の観点から３〜５％水素を混入した窒素雰囲気が好ましい。なお、高純度銅細線をパラジウム（Ｐｄ）の貴金属被覆をしておいた場合は、パラジウムが水素原子を吸蔵するので水素雰囲気が好ましい。９９．９９質量％以上の銀、好ましくは９９．９９９質量％以上の銀の貴金属被覆をしておいた場合は、熱処理によって銀が銅マトリックス中へ拡散する。
【００３６】
本発明において冷却工程を水冷却工程にしたのは、高速度の高温度の銅細線を室温まで確実に冷却するためである。ここで、「室温」とは、銅マトリックス中の再結晶の粒界組織を粒成長組織まで進行させないための温度をいうが、高純度銅細線の再結晶温度は低いので、できるだけ低いほど好ましい。高純度銅細線の熱伝導率は高いので、高純度銅細線が水中に入れれば直ちに冷却される。電解還元水等の水素イオン含有水やアンモニア水やアルコール水等を用いることもできる。なお、ベンゾトリアゾール等の有機溶媒は、ボンディング時に残留炭素を残すため、できるだけ微量にして添加することが望ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の実施例を説明する。
｛実施例１｝
純度９９．９９９９２質量％で直径２ｍｍの銅からなる銅素線の酸化膜は、表面側から０．５ｎｍの二酸化銅と３ｎｍの一酸化銅であった。この銅素線を連続伸線して直径０．２ｍｍの銅細線（図１参照）を作成した。図１の断面写真から明らかなとおり、５００℃の低温熱処理後であっても、銅マトリックス中には依然微細な伸線加工組織がみられる。
【００３８】
この銅細線を５％水素＋９５％窒素のフォーミングガス雰囲気の縦型熱処理炉（７００℃表示で炉長５０ｃｍ）に線速１００ｍ／分で流し、２０℃の純水で冷却した。水冷後にスプールに巻き取られた高純度銅細線の酸化膜は薄くなっており、酸化膜は、表面側から０．１ｎｍの二酸化銅と３ｎｍの一酸化銅であった。この高純度銅細線の伸びは２８％であり、破断強度は約２２．６ｋＰａ（２３ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。この銅細線の再結晶組織の断面組織を図４に示す。図４の断面写真から明らかなとおり、銅マトリックス内部では、微細な伸線加工組織が消えて再結晶組織にすべて置き換わっている。また、図４の断面写真の銅細線の外側約１／１０直径の表層部では、均一微細な結晶粒が支配している。図４の断面写真では、銅マトリックスの中央付近にほぼ均一な大きな結晶粒が３個あり、それよりやや小さな結晶粒が銅マトリックス内に１０個弱あり、その結晶粒の間を細かな結晶粒が埋めていることがわかる。図４の高純度銅細線の大きな結晶粒の平均粒径は、線径の６．７％である。
【００３９】
図４に示す高純度銅細線を超音波ボンディングした。これを実施例１とする。
超音波ボンディングの条件は、以下のとおりである。
高純度銅細線の線径は０．４８ｍｍ、ループ長は１０ｍｍで、ループ高さは３ｍｍとした。この高純度銅細線をH&K社製の太線用ワイヤーボンダーＢＪ９３５型全自動ボンダを用いて、高純度銅細線をチップを模した基板（５０ｍｍ角×０．６ｍｍ厚のアルミナ基板に１０μｍの銅をマグネトロンスパッタしたもの）上に窒素ガスを噴きつけながら超音波ボンディングを実施した。ボンディング条件は、１２０ｋＨｚの周波数で、荷重および超音条件については、任意に調整をおこない、全サンプル１００個（ｎ＝４０）について同条件で、ファーストボンドおよびセカンドボンドの超音波ボンディングを実施した。超硬ツールおよびボンディングガイドは、ワイヤサイズに合致したＨ＆Ｋ社製の付属のものを使用した。そして、ファーストボンドつぶれ幅（線径×１．３倍狙い）のばらつき度合いを初期接合性として評価し、下記表１の結果を得た。
【００４０】
次に、これら接合された実施例１の高純度銅細線について、信頼性試験をおこなった。信頼性試験は、250℃で96時間放置後に２００℃を３分間と−６0℃を３分間の両方を組合せて１サイクルとし、これを１万サイクル行った。その後、ファーストボンドのシェア強度を測定し、下記表１の結果を得た。
ここで、シェア試験における信頼性（比強度）とは、信頼性試験後のシェア強度をボンディング直後(初期)のシェア強度で除した数値である。即ち、比強度が大きいほど高信頼性であると判断できる。
これらの結果から明らかなように、図４に示す二重構造の高純度銅細線は、伸線上がりの銅細線と同様の潰れ幅を有し、高純度銅細線自体に剛性があり、せん断強度も安定していることがわかる。また、シェア試験後の剥離面においても、接合界面での酸化物の凝集による酸化物剥がれは観察されなかった。
【００４１】
｛実施例２｝
銀２０質量ｐｐｍ、鉄２質量ｐｐｍおよび残部純度９９．９９９７質量％で直径５ｍｍの５Ｎの銅からなる銅素線の酸化膜は、実施例１と同様に、表面側から０．５ｎｍの二酸化銅と４ｎｍの一酸化銅であった。この銅素線を連続伸線して直径０．５ｍｍの銅細線を作成した。この銅細線の断面組織は、図４とほぼ同様であった。
【００４２】
この銅細線を窒素ガス雰囲気の赤熱状態（８００℃前後）の縦型熱処理炉（炉長１００ｃｍ）に線速５０ｍ／分で流し、３０℃の純水で冷却した。水冷後にスプールに巻き取られた高純度銅細線の酸化膜は薄くなっており、酸化膜は、実施例１と同じように、二酸化銅の層と一酸化銅の層が合計で３ｎｍの厚さであった。この高純度銅細線の伸びは３０％であり、破断強度は約２１．６ｋＰａ（２２ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。この銅細線の断面組織は図４と同様であり、大部分が再結晶組織であり、一部に粒成長の開始がみられた。実施例２の高純度銅細線の大きな結晶粒の平均粒径は、線径の６．３％である。
この高純度銅細線を実施例１と同様に超音波ボンディングし、実施例１と同様の評価をおこなった。その結果を下記表１に示す。
【００４３】
｛実施例３｝
銀５質量ｐｐｍ、鉄５質量ｐｐｍ、ニッケル２質量ｐｐｍ、シリコン５質量ｐｐｍ、リン１０質量ｐｐｍおよび残部純度９９．９９９７質量％の銅で直径５ｍｍの銅素線の酸化膜は、表面側から０．５ｎｍの二酸化銅と５ｎｍの一酸化銅であった。この銅素線を連続伸線して直径０．５ｍｍの銅細線を作成した。この銅細線の断面組織は、図４とほぼ同様であった。
【００４４】
この銅細線を窒素ガス雰囲気の赤熱状態（８００℃前後）の縦型熱処理炉（炉長１００ｃｍ）に線速５０ｍ／分で流し、３０℃の純水で冷却した。水冷後にスプールに巻き取られた高純度銅細線の酸化膜は薄くなっており、酸化膜は、二酸化銅の層と一酸化銅の層が合計で４ｎｍの厚さであった。実施例３の高純度銅細線の大きな結晶粒の平均粒径は、線径の７．１％である。
この高純度銅細線を実施例１と同様に超音波ボンディングし、実施例１と同様の評価をおこなった。その結果を下記表１に示す。
【００４５】
これらの結果から明らかなように、図４に示すような高純度銅細線は、伸線上がりの銅細線と同様の潰れ幅を有し、高純度銅細線自体に剛性があり、せん断強度も安定していることがわかる。また、高純度銅細線を酸溶解して接合界面を調べたところ、シェア試験後の剥離面においても、接合界面での酸化物の凝集による酸化物剥がれは観察されなかった。
【比較例】
【００４６】
以下、本発明の比較例を説明する。
｛比較例１｝
実施例１と同様の銅細線を暗赤熱状態（５００℃超）から急冷した以外は、実施例１と同様にした。水冷後にスプールに巻き取られた高純度銅細線の酸化膜は、熱処理前と変化はなく、表面側から０．５ｎｍの二酸化銅と４ｎｍの一酸化銅であった。この高純度銅細線の伸びは６％で、破断強度は約３１．４ｋＰａ（３２ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。この銅細線の断面）組織は、熱処理前と変化はなく、図１のような再結晶組織がみられなかった。この高純度銅細線の大きな結晶粒の平均粒径は、線径の０．２％である。
【００４７】
この高純度銅細線を、実施例１と同様に超音波ボンディングし、実施例１と同様の評価をおこなった。その結果を表１に示す。これらの結果から明らかなように、比較例１の高純度銅細線は、潰れ幅は良好なもののシェア試験における信頼性（比強度）が弱く、高温接合強度は不安であった。また、接合強度が弱い高純度銅細線の接合界面の剥離面においては、酸化物の凝集による酸化物剥がれが観察された。
【００４８】
｛比較例２｝
銀２５質量ｐｐｍ、鉄１０質量ｐｐｍ、ニッケル６質量ｐｐｍ、シリコン８質量ｐｐｍ、リン１５質量ｐｐｍおよび残部純度９９．９９９７質量％の銅で直径５ｍｍの銅細線を桜赤熱状態（８５０℃超）から急冷した以外は、実施例２と同様にした。水冷後にスプールに巻き取られた高純度銅細線の酸化膜は、二酸化銅と一酸化銅の合計の膜厚が表面側から２ｎｍの厚さであった。この高純度銅細線の伸びは１５％であり、破断強度は約１７．７ｋＰａ（１８ｋｇｆ／ｍｍ２）であった。この銅細線の断面組織を図３に示す。図３の断面写真から明らかなとおり、銅マトリックスはすべての結晶粒が粒成長していた。この高純度銅細線の結晶粒の平均粒径は、線径の２５％である。
この高純度銅細線の評価結果を下表に示す。これらの結果から明らかなように、比較例１の高純度銅細線は、潰れ幅のばらつきが大きく不安定であった。また、シェア試験における信頼性も低く、高温接合強度は不安定であった。
【００４９】
【表１】
2013138125.tif 000003
【００５０】
上記の表から明らかなように、つぶれ幅のばらつき（Ｒ）は比較例２のみが悪く他は良好なことがわかる。また、信頼性（比強度）は、比較例１と２が悪く、実施例はいずれも良好であり、銅の純度が高いほど、本発明の二重構造の効果が発揮されていることがわかる。
なお、実施例および比較例では線径が０．４８ｍｍのワイヤを用いたが、これをさらに伸線していくと二重構造の判読は困難になるが、線径が０．０６ｍｍ（６０μｍ）のワイヤをステッチ接合しても、線径が０．０２５ｍｍ（２５μｍ）のワイヤをボールボンディング接合（ＦＡＢ接合）しても試験結果は同様の傾向であった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
図１は、高純度銅細線の連続伸線後５００℃で数百ミリ秒の熱処理をした断面組織写真、図２は熱処理をわずかにしすぎたときの断面組織写真、図３は熱処理を大幅にしすぎたときの断面組織写真、および図４と図５は、それぞれ最適な熱処理後の実施例１と実施例２の断面組織写真である。
【図１】
2013138125.tif 000004
【図２】
2013138125.tif 000005
【図３】
2013138125.tif 000006
【図４】
2013138125.tif 000007
【図５】
2013138125.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月10日(2012.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
【図１】図１は、高純度銅細線の連続伸線後５００℃で数百ミリ秒の熱処理をした時の断面組織写真である。
【図２】図２は、熱処理をわずかにし過ぎた時の断面組織写真である。
【図３】図３は、熱処理を大幅にし過ぎた時の断面組織写真である。
【図４】図４は、最適な熱処理後の実施例１の断面組織写真である。
【図５】図５は、最適な熱処理後の実施例２の断面組織写真である。
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月11日(2012.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度９９．９９９質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅からなる線径０．０１ｍｍ以上１ｍｍ未満の連続伸線された高純度銅細線において、当該銅細線の断面組織における上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にあることを特徴とする半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項２】
酸化膜の厚さが１〜６ｎｍである請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項３】
銀、鉄、ニッケル、スズ、シリコン、リンおよびイオウの総量が１０質量ｐｐｍ未満である請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項４】
鉄、ニッケル、スズ、シリコン、リンおよびイオウの総量が１質量ｐｐｍ未満である請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項５】
上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の１０〜２０％である請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項６】
上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の９０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にある請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項７】
線径が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである高純度銅細線である請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項８】
線径が０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍである高純度銅細線である請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【請求項９】
線径が０．０１ｍｍ〜０．０８ｍｍである高純度銅細線である請求項１に記載の半導体装置接続用高純度銅細線。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
一方、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのサブミリ径の高純度銅細線の場合には、伸線加工直後の結晶組織ないし伸線加工直後の５００℃程度の熱処理組織（図１参照）では、緻密な再結晶組織のままであるため銅パッドに超音波溶接しても、線径が大きくなればなるほど印加荷重が大きくなるので、チップ割れの回避が困難である。しかも、銅基板やニッケル基板へのボンディングは可能であるが、ワイヤ形状が大きくなる分だけ接合性が悪く、実用に至っていなかった。
他方、伸線加工直後に８００℃程度で数百ミリ秒以下の熱処理した組織（図３参照）をもつ高純度銅線（０．０１ｍｍ〜０．０８ｍｍのボールボンディング用高純度銅極細線や０．０６ｍｍ〜１．０ｍｍのステッチボンディング用高純度銅細線やサブミリ径の高純度銅細線）に還元性ガスを噴きつけながら超音波ボンディングすると、これらの銅線は溶融ボールをつくらないので、ファーストボンドでシリコンチップにクラックが入ることはないが、やわらかすぎるためファーストボンドの接合強度が十分でなく、熱サイクル試験を繰り返すと接合強度が低下するという現象が生じていた。
この現象は結晶粒径が大きくほぼ均一の音響機器用銅線（後述の特許文献３）でも同様であった。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
他方、高純度銅細線は、１００〜２００℃の耐温度を必要とする半導体、特にエアコン、太陽光発電システム、ハイブリッド車や電気自動車などの高温でオン・オフを多数回繰り返すパワー半導体の利用が考えられており、その応用範囲は拡大している。このようなパワー半導体素子の動作条件は通常の半導体素子よりも高温使用で過酷になる。例えば、車載用に使用されるパワー半導体では、高純度銅細線は最大で通常１００〜１５０℃の接合部温度の繰り返しに耐える必要がある。このような高温環境下においては、酸化の問題があるためこれまで無垢の高純度銅細線は実用化されていなかった。これは、高純度銅細線を高温に保持すると、たとえ伸線加工直後の結晶組織（図１参照）をもつ高純度銅細線であっても、高純度銅細線中の伸線加工組織が回復組織から再結晶組織になり、やがて粒成長が起こり、ワイヤの一部がなまり始め、最終的にはワイヤ全体がやわらかくなってしまう（図３参照）からである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の半導体装置を接続するための高純度銅細線は、純度９９．９９９質量％〜純度９９．９９９９４質量％の酸化膜を有する銅からなる線径０．０１ｍｍ以上１ｍｍ未満の連続伸線された高純度銅細線において、当該銅細線の断面組織における上位１０個の結晶粒面積が全断面組織の５〜２５％で、その結晶粒面積の８０%以上が直径の１／２０以下で定義される表皮層の内側にあることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
高純度銅細線の純度は、純度９９．９９９質量％〜純度９９．９９９９４質量％の銅の範囲が必要である。高純度銅細線の機械的強度は、主にワイヤの内部組織が支配し、従として数ｎｍの銅酸化物（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）層が影響する。
被加工材を加熱すると、緻密な伸線加工組織が回復組織から再結晶組織を経由して粒成長が起こる一連の結晶粒組織の熱変化に対応して銅マトリックス中の酸素が結晶粒界をつたって表層の銅酸化物（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）層から外部へ移動し、表層の銅酸化物（ＣｕＯ／Ｃｕ２Ｏ）層が薄くなる。銀以外の不純物元素の量は３０質量ｐｐｍ未満である。高純度銅中の不純物としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル、スズ（Ｓｎ）、シリコン、リン（Ｐ）およびイオウ（Ｓ）が主なものである。これらの不純物元素の量は３０質量ｐｐｍ以上になると、不純物元素のピン止め効果によって、結晶組織が異なり、高純度銅細線の結晶組織を加熱・冷却によって制御することができなくなるからである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
これらの不純物元素は、銅マトリックスでの分離が困難であることから、銅マトリックスとの親和性があり、銅マトリックス中で酸化物を形成しても、銅酸化物によって形成された一連の結晶粒組織の熱変化をほとんど阻害しない。このため加熱の熱エネルギー量に応じて高純度銅細線の結晶粒組織を変化させることが可能になる。高純度銅細線の純度は、９９．９９７質量％が必要である。インバータ制御など、パワー半導体を高速でオン・オフを繰り返すと、ワイヤ内部に熱疲労によるクラックが入るが、９９．９９７質量％以上あれば、再結晶温度が低いので、加工ひずみが再結晶により除去され、ワイヤ中にサブグレインが形成されにくくなるからである。よって、高純度銅細線の純度は、９９．９９７質量％以上が必要であり、９９．９９９質量％以上のほうが好ましく、９９．９９９９質量％以上のほうがより好ましい。
しかし、９９．９９９９４質量％を超えると、純度が高すぎることによって室温で再結晶が始まってしまい、接合時のつぶれ幅のばらつきが大きくなってしまう。しかも、線径が０．０１ｍｍ〜０．０８ｍｍであるボールボンディング用極細線の場合には、ワイヤ自体の剛性がなくなってしまう。
よって、高純度銅細線の純度は、９９．９９９質量％〜９９．９９９９４質量％の銅の範囲が必要となる。
また、高純度銅細線は熱伝導度が良いので、高純度銅細線の結晶組織を適切に管理するにはサブミリ径が好適である。０．１ｍｍ未満の径になると、線自体が弱くなるため、接合後はワイヤ全体を樹脂モールドしたり、接続距離を短くしたりするなどの工夫が必要となる。