(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に設けた第１電極の基板載置部上に樹脂表面を有する基板を載置し、前記第１電極とこの第１電極に対向して配置された第２電極との間でプラズマを発生させて前記基板の樹脂表面の表面改質を行う基板の表面改質方法であって、前記第１電極に高周波電圧を印加することにより第１電極と第２電極の間にプラズマを発生させるとともに、プラズマ発生時に前記第１電極に生じるセルフバイアス電圧を打ち消す電圧をこの第１電極に印加し、前記処理対象の基板の樹脂表面に存在する複数種類の有機結合を、有機結合の種類に固有の結合エネルギーに応じて選択的に除去することを特徴とする基板の表面改質方法。
【請求項２】
有機基板の樹脂表面のカルボニル基よりも結合エネルギーが小さい有機結合を除去することを特徴とする請求項１記載の基板の表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂表面を有する基板の表面改質を目的とする基板の表面改質方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子が実装される基板では、半導体素子のフリップチップ工法による実装や半導体素子実装後のワイヤボンディングや樹脂封止に先立って基板の表面をプラズマ処理することが行われる。このプラズマ処理は、ワイヤボンディングのボンディング点の表面を清浄化することによりボンディング性を改善する目的や、基板の表面を改質して封止樹脂との密着性を向上させる目的で行われるものである。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行う装置として、真空密に設けられた処理室の内部に１対の電極を対向させて配置した平行平板電極型のプラズマ処理装置が知られている。このプラズマ処理装置では、対向して配置された２つの電極のうち、高周波電源部に接続された非接地側の電極上に処理対象の基板を載置し、プラズマ発生時のセルフバイアス電圧をできるだけ大きくできるようにして、プラズマによって発生したイオンが基板に衝突する際の加速エネルギーを強くするようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の平行平板電極型のプラズマ処理装置を用いて樹脂基板を対象として表面改質を行う場合には、以下のような不具合が生じる。プラズマ処理では、プラズマ放電によって発生したイオンや電子などの荷電粒子が基板の表面に衝突することによるスパッタリング効果によって、樹脂表面の物質を除去する。このとき荷電粒子の加速エネルギーが強すぎるとスパッタリング効果が過剰になり、樹脂表面が損傷を受けて封止樹脂との密着性をかえって低下させ本来の処理目的に反することとなる。
【０００５】
このため、従来よりプラズマ処理におけるスパッタリング効果を抑制するため、高周波電源出力を下げてイオンや電子のエネルギーを低下させる方法が用いられていた。しかしながら、安定してプラズマ処理を行うための適正条件には種々の要因が関連しているため、高周波電源出力を制御するのみでは、スパッタリング効果を所望の強さに安定して制御することは困難であった。
【０００６】
また平行平板電極を構成する２つの電極の接地側を変更し、接地側の電極上に処理対象の基板を載置することにより、基板に対するスパッタリング効果自体を抑制することは可能である。ところがこの方法を採用すると、基板に対向した非接地側の電極に対して強いスパッタリング効果が作用し、対向した電極の表面からスパッタリングによって除去された物質が基板の表面に付着する逆スパッタリングが発生し、基板の表面を汚染するという問題が発生する。
【０００７】
このように、平行平板電極型のプラズマ処理を用いて表面改質を目的として行われるプラズマ処理には、イオンの加速エネルギーを処理目的に応じて適正に制御することが困難であるという問題点があった。
【０００８】
そこで本発明は、イオンの加速エネルギーを処理目的に応じて適正に制御することができる基板の表面改質方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の表面改質方法は、処理室内に設けた第１電極の基板載置部上に樹脂表面を有する基板を載置し、前記第１電極とこの第１電極に対向して配置された第２電極との間でプラズマを発生させて前記基板の樹脂表面の表面改質を行う基板の表面改質方法であって、前記第１電極に高周波電圧を印加することにより第１電極と第２電極の間にプラズマを発生させるとともに、プラズマ発生時に前記第１電極に生じるセルフバイアス電圧を打ち消す電圧をこの第１電極に印加し、前記処理対象の基板の樹脂表面に存在する複数種類の有機結合を、有機結合の種類に固有の結合エネルギーに応じて選択的に除去する。
【００１４】
請求項２記載の基板の表面改質方法は、請求項１記載の基板の表面改質方法であって、有機基板の樹脂表面のカルボニル基よりも結合エネルギーが小さい有機結合を除去する。
【００１５】
本発明によれば、プラズマ発生時に平行平板電極を構成する第１電極と第２電極との間に生じるセルフバイアス電圧をうち消す電圧を第１電極に印加してセルフバイアス電圧を制御することにより、プラズマによって発生するイオンの加速エネルギーを制御することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の断面図、図２は本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の部分断面図、図３は本発明の一実施の形態のプラズマ処理による基板の表面改質の説明図、図４は本発明の一実施の形態のプラズマ処理における電極間電圧を示すグラフである。
【００１７】
まず図１を参照してプラズマ処理装置について説明する。図１において、平板状のベース部材１の上方には、蓋部材２が図示しない開閉機構によって昇降自在に配設されている。ベース部材１には開口部１ａが設けられており、開口部１ａには下方から電極部３（第１電極）が絶縁部材４を介して装着されている。電極部３はアルミナなどの誘電体で形成された誘電体層３ａで上面を覆われており、誘電体層３ａ上には、プラズマ処理対象の基板７が載置される。誘電体層３ａは、基板７を載置する基板載置部となっている。基板７はポリイミドなどをコーティングした樹脂表面層７ａ（図３参照）を有しており、半導体素子を実装した後の樹脂封止工程における封止樹脂と基板７の樹脂表面との密着性を向上させる表面改質を目的としてプラズマ処理が行われる。
【００１８】
蓋部材２の下端部がベース部材１に設けられた絶縁部材４に当接した状態では、ベース部材１、電極部３および蓋部材２で閉囲された密閉空間は、基板載置部に載置された基板７のプラズマ処理を行う処理室６を形成する。この状態では、蓋部材２の天井面は電極部３と平行に対向した位置にあり、電極部３と蓋部材２とは平行平板電極を構成する。
【００１９】
ベース部材１には、処理室６内に開孔する開孔部１ｂ，１ｃが設けられている。開孔部１ｂには真空排気部１０が接続されており、真空排気部１０を駆動することにより、処理室６内が真空排気される。開孔部１ｃにはバルブ１１を介してガス供給部１２が接続されており、バルブ１１を開放するとガス供給部１２から処理室６内にアルゴンガスや酸素ガスなどのプラズマ発生用ガスが供給される。ここでは、プラズマ発生用ガスとして酸素ガスを用いた例を示す。
【００２０】
電極部３は、整合回路１３を介して高周波電源部１４に電気的に接続されている。高周波電源部１４を駆動することにより、電極部３には高周波電圧が印加され、これにより、処理室６内の電極部３と蓋部材２の天井部との間には、プラズマ放電が発生する。処理室６を構成する蓋部材２の天井部の壁面は、電極部３の基板載置部に対向する第２電極となっている。整合回路１３は、処理室２内でプラズマを発生させるプラズマ放電回路と高周波電源部１４のインピーダンスを整合させる。
【００２１】
また電極部３には、高周波フィルタ１７を介して直流電源部１８が接続されている。高周波電源部１４を駆動して処理室６内にプラズマを発生させることにより、誘電体層３ａ上に載置された基板７と接地部８を接続する直流印加回路が処理室６内のプラズマを介して形成され、これにより、電極部３、高周波フィルタ１７、直流電源部１８、プラズマ、基板７を順次結ぶ閉じた回路が形成される。
【００２２】
この状態で直流電源部１８を駆動すると、電極部３には直流電圧が印加される。この直流電圧の印加により、後述するように電極部３と蓋部材２との間でプラズマが発生したときに電極部３に生じるセルフバイアス電圧を打ち消す電圧が電極部３に印加される。このとき、高周波フィルタ１７は、高周波電源部１４の高周波電圧が直流電源部１８に直接印加されることを防止して、直流電源部１８を保護する。また電極部３を覆う誘電体層３ａは、プラズマから過度の電流が直流電源部１８に流れるのを防止している。
【００２３】
次に図２を参照して、プラズマ発生用ガスによってプラズマを発生させたときの処理室６の状態について説明する。図２に示すように、電極部３と蓋部材２の天井部との間に高周波電圧を印加してプラズマ放電を発生させることにより、処理室６には酸素ガスのプラズマ（破線２０参照）が発生し、酸素イオンＯ+ 、電子ｅ- などの荷電粒子が発生する。酸素イオンＯ+ 、電子ｅ- はそれぞれ正電荷、負電荷を有する荷電粒子である。なおプラズマ発生用ガスとしてここでは酸素を用いる例を示しているが、アルゴンガスなどプラズマ放電によって荷電粒子が発生するものであれば他の種類のガスであっても良い。
【００２４】
このようなプラズマが発生した状態で、電極部３の誘電体層３ａ上に処理対象の基板７を載置すると、基板７の樹脂表面層７ａには、上述の酸素イオンＯ+ と電子ｅ- などの荷電粒子による物理作用、すなわちこれらの荷電粒子が樹脂表面層７ａに衝突することによるスパッタリング効果が作用する。これにより、樹脂表面層７ａが部分的に除去される。
【００２５】
ここで基板７の樹脂表面層７ａおよび表面改質について図３を参照して説明する。樹脂表面層７ａを構成するポリイミドなどの樹脂は各種の有機結合によって構成されており、樹脂表面層７ａには図３（ａ）に示すように、炭素結合基（Ｃ−Ｃ）やカルボニル基（Ｃ＝Ｏ）など、酸素、炭素、水素を含む原子が固有の形態で結合した有機結合が存在する。有機結合はそれぞれ固有の結合エネルギーを有しており、この結合エネルギー値より大きなエネルギーが外部から与えられることによって、これらの有機結合は分解する。
【００２６】
基板７の表面改質を目的としたプラズマ処理においては、樹脂表面層７ａに存在する複数種類の有機結合のうち、特定種類の有機結合基のみを残して、他の結合基を選択的に除去することが望ましい。ここでは図３（ｂ）に示すように、カルボニル基（Ｃ＝Ｏ）を残して、その他の炭素結合基（Ｃ−Ｃ）など結合エネルギーが相対的に小さい結合基を除去するようにしている。カルボニル基の結合エネルギーは、８０４（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、炭素結合基（Ｃ−Ｃ）の結合エネルギーは３４８（ｋＪ／ｍｏｌ）である。このように特定種類の有機結合基のみを選択的に残す表面改質により、樹脂封止工程において、カルボニル基と封止樹脂とが結合して封止樹脂の密着性を向上させることができる。
【００２７】
このような有機結合の選択的除去を可能とするため、本実施の形態に示すプラズマ処理においては、以下に説明するようにセルフバイアス電圧を制御することにより、プラズマによって発生する荷電粒子のエネルギーを制御するようにしている。これにより、樹脂表面に存在する有機結合に対して特定エネルギー域の荷電粒子を衝突させ、このエネルギーよりも結合エネルギーが小さい種類の有機結合のみを選択的に分解して除去するようにしている。
【００２８】
図４を参照して、上述のセルフバイアス電圧について説明する。図４（ａ）は、高周波電源部１４が発生する高周波電圧の印加パターンを示しており、規則正しいステップ状波形の交番電圧が印加されるようになっている。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す波形の交番電圧を電極部３に印加した場合の電極間電圧Ｖ（図２に示す電極部３と対向電極としての蓋部材２との間に実際に生じる電位差）を示している。
【００２９】
すなわち、交番電圧が電極間に印加されることにより、基板７が載置された電極部３の帯電状態は、正、負を交互に繰り返す。そして電極部３が正電荷によって帯電しているときには、処理室６内に発生した荷電粒子のうちの負電荷である電子ｅ- が基板７に向かって移動し、基板７の表面に到達して負電荷を基板７に与える。これに対し、電極部３が負電荷によって帯電したときには、処理室６内に発生した荷電粒子のうちの正電荷である酸素イオンＯ+ が基板７に向かって移動し、基板７の表面に到達して正電荷を基板７に与える。
【００３０】
このとき、電子ｅ- は酸素イオンＯ+ と比較して質量が格段に小さいことから、電子ｅ- は基板７の表面に速やかに到達し、単位時間内に基板７に到達する電子ｅ- の数は多い。従って単位時間に多くの負電荷が基板７に与えられ、この結果交番電圧印加中において電極間電圧Ｖは低下する（図４（ｂ）に示すＡ参照）。これに対し、電極部３が負に帯電して酸素イオンＯ+ が基板７に対して移動する際には、酸素イオンＯ+ の質量が大きいことから移動速度が遅く、単位時間内に基板７に到達する酸素イオンＯ+ の数は少ない。従って、単位時間に基板７に与えられる正電荷はわずかであり、交番電圧印加中における電極間電圧Ｖ（負電圧）の低下は小さい（図４（ｂ）に示すＢ参照）。
【００３１】
このような電圧変化が交番印加の度に反復されることにより、電極間電圧Ｖは次第に負側へ移動し、定常状態においては負側にある電圧値（セルフバイアス電圧Ｖｄｃ）だけバイアスされた形となる。そしてこのセルフバイアス電圧Ｖｄｃが大きくなるに従って酸素イオンＯ+ が基板７に対して衝突する際のエネルギーが増大し、酸素イオンＯ+ によるスパッタリング効果が増大する。
【００３２】
一般に、プラズマ放電を発生させるために必要な高周波電圧を印加すると、少なくとも百数十ボルトのセルフバイアス電圧が発生する。そして効率よく安定したプラズマ処理条件を実現するために適正な高周波電力を設定すると、セルフバイアス電圧はさらに大きくなり、数百ボルトにも達する。このため、酸素イオンにはこの高セルフバイアス電圧によって過大なエネルギーが付与され、スパッタリング効果が過剰となっていた。そして表面改質を目的としたプラズマ処理において、有用なカルボニル基を含めて樹脂表面が除去され、本来の処理目的に反することとなっていた。
【００３３】
そこで本実施の形態においては、上記スパッタリング効果を所望の適正範囲に設定することを目的として、セルフバイアス電圧を制御するため、電極部３にプラズマによって発生するセルフバイアス電圧Ｖｄｃをうち消す方向に直流電圧を印加する。すなわち、電極部３に正電圧Ｖ１を印加することにより、図４（ｃ）に示すように、セルフバイアスによって生じた負電圧が低下してＶｄｃよりも低い（Ｖｄｃ）となり、荷電粒子を加速させる電位差が減少する。ここで電極部３に印加される電圧値を調整することにより、荷電粒子に与えられるエネルギー値を所定範囲に設定することができる。
【００３４】
そしてこの電圧値の調整により、上述の固有の結合エネルギー値を有するカルボニル基のみを残留させ、この結合エネルギー値よりも小さい結合エネルギー値を有する有機結合を全て除去することが可能となる。
【００３５】
これにより、従来の平行平板電極型のプラズマ処理装置を用いて樹脂基板を対象として表面改質を行う場合に生じる不具合、すなわち、過剰なスパッタリング効果によって樹脂表面が損傷を受けて封止樹脂との密着性を低下させるという不具合を防止することができる。ここで、本実施の形態では、スパッタリング効果を抑制するために高周波電源出力の調整と併せてセルフバイアス電圧をうち消す方向に直流電圧を印加するようにしているため、安定したプラズマの発生とスパッタリング効果の強さの調整とを合わせて制御することが可能となっている。
【００３６】
また平行平板電極を構成する２つの電極の接地側を変更することなくスパッタリング効果を制御するようにしていることから、基板に対向した非接地側の電極に対して強いスパッタリング効果が作用することがない。したがって対向した電極の表面からスパッタリングによって除去された物質が基板の表面に付着することによる表面汚染が発生しない。
【００３７】
なお本実施の形態のプラズマ処理装置で主としてスパッタリング効果を目的とした処理（この場合、基板の材質は樹脂以外も含む）を行う場合は、直流電圧の印加を低下またはゼロとすればよく、表面改質以外の用途にも使用できる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマ発生時に平行平板電極を構成する第１電極と第２電極との間に生じるセルフバイアス電圧をうち消す電圧を第１電極に印加して、セルフバイアス電圧を制御することにより、プラズマによって発生するイオンの加速エネルギーを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の断面図
【図２】本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の部分断面図
【図３】本発明の一実施の形態のプラズマ処理による基板の表面改質の説明図
【図４】本発明の一実施の形態のプラズマ処理における電極間電圧を示すグラフ
【符号の説明】
２  蓋部材
３  電極部
６  処理室
７  基板
７ａ  樹脂表面層
８  接地部
１０  真空排気部
１２  ガス供給部
１３  整合回路
１４  高周波電源部
１５  制御部
１７  高周波フィルタ
１８  直流電源部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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