(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだリフロー処理を被処理物に行うためのリフロー炉であって、
密閉可能な縦型のプロセスチューブと、
前記被処理物を搭載し、前記プロセスチューブの内部空間を昇降する昇降手段と、
上下方向に位置をずらした第１及び第２のヒータ部を有し、前記プロセスチューブの外側に配置された筒状の加熱手段と、
前記プロセスチューブの外側に配置された筒状の冷却手段とを備え、
前記内部空間が、前記第１のヒータ部により前記被処理物を所望の本加熱温度条件で加熱するための本加熱ゾーンと、前記第２のヒータ部により前記被処理物を所望の予備加熱温度条件で加熱するための予備加熱ゾーンと、前記冷却手段により前記被処理物を所望の冷却温度条件で冷却するための冷却ゾーンとに分けられ、さらに
前記予備加熱ゾーン、前記本加熱ゾーン、及び前記冷却ゾーンの順番に、前記被処理物を搭載した前記昇降手段を昇降させるとともに、所望の処理時間条件にしたがって、その昇降手段を前記予備加熱ゾーン、前記本加熱ゾーン、及び前記冷却ゾーンの各ゾーンで停止させる制御手段とを備え、
前記筒状の冷却手段を、前記筒状の加熱手段の第１及び第２のヒータ部の下方に設けたことを特徴とするリフロー炉。
【請求項２】
前記第１のヒータ部、前記第２のヒータ部、及び前記冷却手段を、この順番で前記プロセスチューブの上方側から下方側に順次配置していることを特徴とする請求項１記載のリフロー炉。
【請求項３】
はんだリフロー処理を被処理物に行うためのリフロー炉の処理方法であって、
密閉可能な縦型のプロセスチューブの内部空間を予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、及び冷却ゾーンに分け、
前記予備加熱ゾーンに被処理物を配置して、その被処理物を筒状の加熱手段に含まれたヒータ部を用いて、所望の予備加熱温度条件及び処理時間条件で予備加熱し、
前記内部空間内で前記予備加熱ゾーンから前記本加熱ゾーンに前記被処理物を昇降して、その被処理物を前記筒状の加熱手段に含まれ、かつ前記ヒータ部とは上下方向に位置をずらされた別のヒータ部を用いて、所望の本加熱温度条件及び処理時間条件で本加熱し、
前記内部空間内で前記本加熱ゾーンから前記冷却ゾーンに前記被処理物を昇降して、その被処理物を前記筒状の加熱手段の下方に設けられた筒状の冷却手段を用いて、所望の冷却温度条件及び処理時間条件で冷却する、
ことを特徴とするリフロー炉の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハやプリント回路基板等に対してはんだリフロー処理を行うためのリフロー炉及びその処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、はんだリフロー処理は、一般的にバッチで処理するメリットが少なく連続送りのコンベア炉やタクト送りのウォーキングビーム炉等の連続炉を用いて行われていた。具体的には、例えば半導体ウェハ上へのはんだバンプ形成では、はんだボール搭載方式、はんだ印刷（スクリーン印刷）方式、又ははんだメッキ方式等により、半導体ウェハの所定位置にはんだ母材としてのバンプを形成した後、そのバンプを形成した半導体ウェハ（被処理物）を前記の連続炉内で水平方向に設けられた予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、及び冷却ゾーンの順に通過させることで上記バンプをリフローして、はんだバンプを形成していた。
【０００３】
しかし近年、鉛フリーはんだやフラックスレスはんだなどの普及やウェハレベルのＣＳＰ（Chip Size Package）の開発・実用化などに伴って、はんだリフロー処理をバッチ処理することが要望されてきている。
ところで、はんだリフロー処理では、周知のように、熱歪みや熱変形あるいはクラックの発生を防止したり、必要な濡れ性を確保したりするために、被処理物が所望の温度プロファイルで処理されるように当該被処理物に応じて処理条件を調整する必要がある。具体的には、例えば図３に曲線３０で示す温度プロファイルのように、予備加熱温度Ｔ１に設定された予備加熱ゾーン内で予備加熱時間Ｐ１の間、被処理物を予備加熱した後、本加熱温度Ｔ２に設定された本加熱ゾーン内で本加熱時間Ｐ２の間、被処理物を本加熱する必要がある。また、上記本加熱ゾーンでは、同図にΔｔで示す温度範囲内で被処理物の温度を早く均一にする必要がある。
【０００４】
ところが、上記のような連続炉を用いた場合、例えば処理条件が異なるはんだリフロー処理を続けて行うときに、処理条件の設定に時間を要して、当該はんだリフロー処理を効率よく行うことができないことがあった。また、例えばＮ2ガス雰囲気下で処理を行う場合や、還元ガスとしてのＨ2ガスを供給して前記の鉛フリーはんだやフラックスレスはんだを処理する場合に、連続炉は密閉構造ではないため供給されたガスが外部にリークし、ガスの供給量を抑えることが難しく、また上記Ｈ2ガス等の爆発性ガスの安全対策を行う必要を生じて処理を容易に行えなかった。
【０００５】
尚、一つの加熱炉内で被処理物を予備加熱した後、その加熱炉内の加熱温度を上げることにより、被処理物を移動することなく連続的に本加熱することが考えられる。しかしながら、このように予備加熱と本加熱とを続けて行う場合、図３に示した予備加熱温度Ｔ１と本加熱温度Ｔ２との温度差は一般に６０℃以上であるので、予備加熱時間Ｐ１から本加熱時間Ｐ２までの間に、当該加熱炉内の温度を本加熱温度Ｔ２とすることができずに、そのはんだ溶融温度付近の温度プロファイルを所望のものとすることが難しいという別の問題点を生じることがあった。
【０００６】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、はんだリフロー処理を効率よく行うことができるとともに、所望の温度プロファイルを高精度に実現することができるリフロー炉及びその処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のリフロー炉は、はんだリフロー処理を被処理物に行うためのリフロー炉であって、
密閉可能な縦型のプロセスチューブと、
前記被処理物を搭載し、前記プロセスチューブの内部空間を昇降する昇降手段と、
上下方向に位置をずらした第１及び第２のヒータ部を有し、前記プロセスチューブの外側に配置された筒状の加熱手段と、
前記プロセスチューブの外側に配置された筒状の冷却手段とを備え、
前記内部空間が、前記第１のヒータ部により前記被処理物を所望の本加熱温度条件で加熱するための本加熱ゾーンと、前記第２のヒータ部により前記被処理物を所望の予備加熱温度条件で加熱するための予備加熱ゾーンと、前記冷却手段により前記被処理物を所望の冷却温度条件で冷却するための冷却ゾーンとに分けられ、さらに
前記予備加熱ゾーン、前記本加熱ゾーン、及び前記冷却ゾーンの順番に、前記被処理物を搭載した前記昇降手段を昇降させるとともに、所望の処理時間条件にしたがって、その昇降手段を前記予備加熱ゾーン、前記本加熱ゾーン、及び前記冷却ゾーンの各ゾーンで停止させる制御手段とを備え、
前記筒状の冷却手段を、前記筒状の加熱手段の第１及び第２のヒータ部の下方に設けたことを特徴とするものである（請求項１）。
【０００８】
上記のように構成されたリフロー炉では、被処理物を搭載した昇降手段が予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、及び冷却ゾーンの順に昇降するとともに、所望の処理時間条件にしたがって、各ゾーンで停止可能である。これにより、密閉されたプロセスチューブ内で所望の処理温度条件及び処理時間条件にしたがった一連のはんだリフロー処理を被処理物に行うことができるので、たとえＮ2ガスやＨ2ガスを供給してはんだリフロー処理を行う場合でも、当該はんだリフロー処理を効率よく行うことができるとともに、所望の温度プロファイルを高精度に実現することができる。また、筒状の加熱手段に含まれた第１及び第２のヒータ部の下方に筒状の冷却手段を設けているので、冷却ゾーンに本加熱ゾーン及び予備加熱ゾーンの熱が伝わるのを防止することができる。
【０００９】
また、上記のようなリフロー炉（請求項１）において、前記第１のヒータ部、前記第２のヒータ部、及び前記冷却手段を、この順番で前記プロセスチューブの上方側から下方側に順次配置してもよい（請求項２）。これにより、処理温度条件の高い順番に対応して当該プロセスチューブの内部空間を上方から前記本加熱ゾーン、前記予備加熱ゾーン、及び前記冷却ゾーンに分けることができる。したがって、処理温度条件が高いゾーンの熱が低いゾーンに伝わるのを防止することができる。また、前記プロセスチューブ下部からガスを導入することにより、フラックスから発生する副生成物の付着を軽減できる。
【００１０】
また、この発明のリフロー炉の処理方法は、はんだリフロー処理を被処理物に行うためのリフロー炉の処理方法であって、
密閉可能な縦型のプロセスチューブの内部空間を予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、及び冷却ゾーンに分け、
前記予備加熱ゾーンに被処理物を配置して、その被処理物を筒状の加熱手段に含まれたヒータ部を用いて、所望の予備加熱温度条件及び処理時間条件で予備加熱し、
前記内部空間内で前記予備加熱ゾーンから前記本加熱ゾーンに前記被処理物を昇降して、その被処理物を前記筒状の加熱手段に含まれ、かつ前記ヒータ部とは上下方向に位置をずらされた別のヒータ部を用いて、所望の本加熱温度条件及び処理時間条件で本加熱し、
前記内部空間内で前記本加熱ゾーンから前記冷却ゾーンに前記被処理物を昇降して、その被処理物を前記筒状の加熱手段の下方に設けられた筒状の冷却手段を用いて、所望の冷却温度条件及び処理時間条件で冷却することを特徴とするものである（請求項３）。
【００１１】
上記のように構成されたリフロー炉の処理方法では、被処理物は前記の予備加熱ゾーンにおいて所望の予備加熱温度条件及び処理時間条件で予備加熱され、本加熱ゾーンにおいて所望の本加熱温度条件及び処理時間条件で本加熱され、冷却ゾーンにおいて所望の冷却温度条件及び処理時間条件で冷却される。このように、被処理物に対して、密閉されたプロセスチューブ内で所望の処理温度条件及び処理時間条件にしたがった一連のはんだリフロー処理を行うことができるので、たとえＮ2ガスやＨ2ガスを供給してはんだリフロー処理を行う場合でも、当該はんだリフロー処理を効率よく行うことができるとともに、所望の温度プロファイルを高精度に実現することができる。また、筒状の加熱手段に含まれた二つのヒータ部の下方に筒状の冷却手段を設けているので、冷却ゾーンに本加熱ゾーン及び予備加熱ゾーンの熱が伝わるのを防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のリフロー炉及びその処理方法を示す好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるリフロー炉の要部構成を示す説明図であって、被処理物を予備加熱ゾーンに配置した状態の図である。図において、本実施形態のリフロー炉では、立設されたプロセスチューブ４を取り囲むように、筒状の加熱手段としての第１のヒータ１及び第２のヒータ２と筒状の冷却手段としてのウォータジャケット３とが、この順番でプロセスチューブ４の上方からゾーン間仕切り５ａ，５ｂを介在して配置されている。
【００１３】
上記第１及び第２のヒータ１，２は、上下方向に互いに位置をずらして配置されている。また、これらの各第１及び第２のヒータ１，２は、例えば円筒状の容器内周面に金属線を設けたものであり、その金属線で生じる抵抗熱をプロセスチューブ４の対向する内部空間に輻射する。これにより、プロセスチューブ４の内部空間では、第１及び第２のヒータ１，２と対向する部分が被処理物としての半導体ウェハ８を所望の本加熱温度条件で加熱するための本加熱ゾーンＡ及び半導体ウェハ８を所望の予備加熱温度条件で加熱するための予備加熱ゾーンＢにそれぞれ構成される。
ウォータジャケット３は、円筒状の容器に冷却水を循環するための流路を備えたものであり、プロセスチューブ４の対向する部分を冷却してその内部空間に半導体ウェハ８を所望の冷却温度条件で冷却するための冷却ゾーンＣを構成する。
【００１４】
前記のプロセスチューブ４は、縦型の炉体を構成するものであり、下端には半導体ウェハ８を搬入出するための開口部が設けられている。はんだリフロー処理を行う時は、この開口部は炉口扉用エレベータ機構１０の可動部１０ａに連結された炉口扉９によって気密に密閉される。尚、上記炉口扉９及び可動部１０ａは、既知のモータ等を含んだ駆動部１０ｂにより上下方向に駆動されて、プロセスチューブ４を開閉する。
また、プロセスチューブ４の上端にはガス排気口４ａが設けられ、その下端側外周部にはガス導入口４ｂが設けられている。これらのガス排気口４ａ及びガス導入口４ｂには図示しない管路が気密に接続されており、Ｎ2ガスやＨ2ガスなどのガスが必要に応じて給排気される。
【００１５】
また、上記プロセスチューブ４の内部空間には、半導体ウェハ８を搭載したボート７が、制御手段としての制御部１１により制御される昇降機構６によって昇降可能に配置されている。詳細には、昇降機構６は、ボート７に連結され、炉口扉９及び可動部１０ａを気密に貫通したロッド６ａと、既知のモータ等を含んで構成され、制御部１１の指示にしたがって前記ボート７を上下方向に昇降するための昇降部６ｃと、ロッド６ａと昇降部６ｃとの間に連結されたリンク部６ｂとを備えている。また、ボート７は、複数の各半導体ウェハ８を載置するための支持棚（図示せず）を備えたものであり、その上下部分には断熱部材７ａ，７ｂが設けられている。尚、各半導体ウェハ８上には、例えばバンプが所定位置に形成されている。
これらの昇降機構６及びボート７が、被処理物を搭載し、プロセスチューブ４の内部空間を上下方向に昇降する昇降手段を構成している。また、上記ボート７はカセットとも呼ばれる搬送部材であり、他の半導体装置と共用して使用される。
【００１６】
上記のように構成されたリフロー炉では、図１に示すように、まず昇降機構６が制御部１１からの指示にしたがってボート７を予備加熱ゾーンＢに配置して、その予備加熱ゾーンＢ内で第２のヒータ２からの輻射熱により半導体ウェハ８を所望の予備加熱温度で予備加熱する。
次に、所望の処理時間が経過すると、昇降機構６は制御部１１からの指示にしたがってボート７を内部空間内で上方に移動して、図２（ａ）に示すように、半導体ウェハ８を予備加熱ゾーンＢから本加熱ゾーンＡに移動する。これにより、半導体ウェハ８は、第１のヒータ１からの輻射熱により所望の本加熱温度条件で直ちに加熱される。
続いて、所望の処理時間が経過すると、昇降機構６は制御部１１からの指示にしたがってボート７を内部空間内で下方に移動して、図２（ｂ）に示すように、半導体ウェハ８を本加熱ゾーンＡから冷却ゾーンＣに移動する。これにより、半導体ウェハ８は、ウォータジャケット３により所望の冷却温度条件で直ちに冷却される。その結果、半導体ウェハ８上のバンプがリフローされて、はんだバンプが形成される。
【００１７】
上記のように構成されたリフロー炉及びその処理方法では、昇降機構６が半導体ウェハ８を搭載したボート７を予備加熱ゾーンＢ、本加熱ゾーンＡ、及び冷却ゾーンＣの順に移動するとともに、所望の処理時間条件にしたがって、各ゾーンで停止するので、プロセスチューブ４内で所望の処理温度条件及び処理時間条件にしたがって、半導体ウェハ８を予備加熱し、本加熱し、冷却する一連のはんだリフロー処理を行うことができ、所望の温度プロファイルを高精度に実現することができる。また、処理条件が異なるはんだリフロー処理を続けて行う場合でも、第１及び第２の各ヒータ１，２と、ウォータジャケット３と、各ゾーンでのボート７の停止時間とを処理条件に応じて調整することにより、各ゾーンでの処理条件の設定を迅速に行うことができる。さらに、前記の各ゾーンでの処理において、必要によりボート７を回転してもよい。
【００１８】
さらに、前記の一連のはんだリフロー処理を密閉されたプロセスチューブ４内で行うので、たとえＮ2ガスやＨ2ガスを供給して処理を行う場合でも、それらの供給ガスが外部にリークすることがなく、よって上記Ｈ2ガス等の爆発性ガスを安全に使用することができる。その結果、ガス供給量を低減することができるとともに、鉛フリーはんだやフラックスレスはんだ等に容易に対応してはんだリフロー処理を効率よく行うことができる。また、第１及び第２のヒータ１，２が密閉されたプロセスチューブ４の内部空間を加熱しているので、それらのヒータ１，２での消費電力を低減することができる。
尚、発明者等の実験によれば、本構造のリフロー炉を使用することにより、前述の連続炉を用いた場合に比べて、ガス供給量を１／８〜１／１０に削減することが確認された。
【００１９】
また、本実施形態のリフロー炉では、プロセスチューブ４の内部空間が処理温度条件の高い順番に対応して上方から本加熱ゾーンＡ、予備加熱ゾーンＢ、及び冷却ゾーンＣに分けられている。それゆえ、処理温度条件が高いゾーンから低いゾーン、特に冷却ゾーンＣに本加熱ゾーンＡ及び予備加熱ゾーンＢの熱が伝わるのを防止することができる。
【００２０】
尚、上記の説明では、はんだバンプを半導体ウェハ８に形成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばはんだ母材とこれによりはんだ付けされる電子部品とを所定位置に配置したプリント回路基板を被処理物としてはんだリフロー処理する場合にも適用することができる。また、上記説明以外に、プロセスチューブ４の内部空間を上方から順に予備加熱ゾーンＢ、本加熱ゾーンＡ、及び冷却ゾーンＣに分けてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１のリフロー炉によれば、密閉可能なプロセスチューブの内部空間を予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、及び冷却ゾーンに分けて、被処理物を搭載した移動手段を前記の順番でそれら３つの各ゾーンに移動させるとともに、所望の処理時間条件で各ゾーン内で停止させている。これにより、密閉されたプロセスチューブ内で所望の処理温度条件及び処理時間条件にしたがった一連のはんだリフロー処理を被処理物に行うことができるので、たとえＮ2ガスやＨ2ガスを供給してはんだリフロー処理を行う場合でも、当該はんだリフロー処理を効率よく行うことができるとともに、所望の温度プロファイルを高精度に実現することができる。また、本加熱ゾーン及び予備加熱ゾーンの熱が冷却ゾーンに伝わるのを防止しつつ、当該冷却ゾーンでの被処理物に対する冷却処理を行うことができる。
【００２２】
また、請求項２のリフロー炉によれば、上記プロセスチューブの内部空間が処理温度条件の高い順番に対応して上方から本加熱ゾーン、予備加熱ゾーン、及び冷却ゾーンに分けられているので、処理温度条件が高いゾーンの熱が低いゾーンに伝わるのを防ぐことができる。
【００２３】
請求項３のリフロー炉の処理方法によれば、被処理物に対して、所望の温度条件及び処理時間条件にしたがった一連のはんだリフロー処理を、密閉されたプロセスチューブ内の予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、及び冷却ゾーンで順次行うことができるので、たとえＮ2ガスやＨ2ガスを供給してはんだリフロー処理を行う場合でも、当該はんだリフロー処理を効率よく行うことができるとともに、所望の温度プロファイルを高精度に実現することができる。また、本加熱ゾーン及び予備加熱ゾーンの熱が冷却ゾーンに伝わるのを防止しつつ、当該冷却ゾーンでの被処理物に対する冷却処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるリフロー炉の要部構成を示す説明図であって、被処理物を予備加熱ゾーンに配置した状態の図である。
【図２】（ａ）は図１に示したリフロー炉において被処理物を本加熱ゾーンに配置した状態の説明図であり、（ｂ）は上記リフロー炉において被処理物を冷却ゾーンに配置した状態の説明図である。
【図３】はんだリフロー処理での温度プロファイルの具体例を示すグラフである。
【符号の説明】
１    第１のヒータ（加熱手段）
２    第２のヒータ（加熱手段）
３    ウォータジャケット（冷却手段）
４    プロセスチューブ
６    昇降機構（昇降手段）
７    ボート（昇降手段）
８    半導体ウェハ（被処理物）
９    炉口扉
１０  炉口扉用エレベータ機構
１１  制御部（制御手段）
Ａ    本加熱ゾーン
Ｂ    予備加熱ゾーン
Ｃ    冷却ゾーン
【図１】
0003732085.tif 000002
【図２】
0003732085.tif 000003
【図３】
0003732085.tif 000004