JP2005229005A

JP2005229005A - 真空中での超音波接合方法及び装置

Info

Publication number: JP2005229005A
Application number: JP2004037669A
Authority: JP
Inventors: Masuaki Okada; 益明岡田
Original assignee: BONDOTEKKU KK
Current assignee: BONDOTEKKU KK
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】
従来、超音波接合は金からなる接合突起を大気中で接合する方式しか使用できなかった。また、表面活性化接合技術では、イオンビームなどを使用した再付着を防止する高真空プロセスが必要で、高価で複雑な装置となる。また、常温であるが故、３００ＭＰａという高荷重が必須となり、量産化への妨げとなっていた。また、金属以外には適用できないという課題があった。
【解決手段】
前記被接合物の接合表面を真空チャンバー内で両接合表面を高真空を不要とするプラズマによりエッチングし、ドライ洗浄した後、両被接合物を接触加圧し、超音波振動を印加し接合する方法及び悦号装置からなる。従来常温接合で必要であった荷重を半分以下に減らし、接合が難しかったＡｌ、Ｓｉ、酸化物の接合が可能となる。表面活性化とのコンビネーションにより特に縦振動構造とでき、大面積なウエハー接合にも適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被接合物同士を真空中で超音波接合する方法及び接合装置に関する。

従来、超音波接合は金からなる接合突起を大気中で接合する方式しか使用されていない。これは、金を使用することで酸化膜がなく、安定した接合表面を維持できるので大気中で接合ができる。本方式を応用した商品は半導体分野のワイヤーボンディングと最近ではフリップチップ分野に展開されている。

また、特許文献１においては、１０^−５Torr以下である高真空中でＡｒイオン銃により金属接合表面をスパッタエッチングし、表面の酸化膜や有機物層を除去し、金属同士を常温のもと直接接合する常温接合と呼ばれる技術が開示されている。通常１０^−８〜１０^−５Torrという高真空で、イオン銃という量産では使用しにくい研究レベルの装置ではある。

特開昭５４−１２４８５３

従来、超音波接合は金からなる接合突起を大気中で接合する方式しか使用されていない。これは、金を使用することで酸化膜がなく、安定した接合表面を維持できるので大気中で接合ができるからであり、金以外の接合は難しい。また、大気中で超音波振動により接合した場合は、接合界面にはミクロな気泡や残差が残り、隙間を生じるため５０％程度しか接合できない。

また、特許文献１においては、表面活性化接合技術では、気泡や残差は残らないが、イオン銃などを使用した再付着を防止する高真空プロセスが必要で、高価で複雑な装置となる。また、常温であるが故、３００ＭＰａという高荷重が必須となり、量産化への妨げとなっていた。また、金属以外には適用できないという課題があった。

そこで本発明は上記のごとき事情に鑑みてなされたものであって、金以外の接合材料においても超音波接合でき、接合面積を向上させる方法及び接合装置であり、かつ、低真空で使用できる簡易な接合装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明に係る接合方法及び接合装置双方の手段を一括して以降に説明する。上記課題を解決するために本発明に係る接合方法及び接合装置は、複数の被接合物を接合する方法であって、減圧下の真空チャンバー内で対向配置された被接合物同士を接触加圧し、超音波振動を印加して接合する方法からなる。また、複数の被接合物を接合する接合装置であって、真空チャンバーと、真空チャンバー内に超音波振動ヘッドとヘッド昇降軸とステージを備え、減圧下の真空チャンバー内でヘッドとステージに保持され、対向配置された被接合物同士を接触加圧し、超音波振動を印加して接合する接合装置からなる。従来、大気中で超音波振動により接合した場合は、接合界面には気泡が残り、隙間を生じるため５０％程度しか接合できない。しかし、真空中で接合することにより、気泡無く接合面積はアップする。結果として強度アップし、電気的抵抗値が低下できる。

また、真空チャンバー内にエネルギー波による洗浄手段を備え、前記被接合物の接合表面を減圧下の真空チャンバー内で両接合表面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波によりエッチングし、ドライ洗浄した後、両被接合物を接触加圧し、超音波振動を印加し接合する方法及び接合装置からなる。接合前にエネルギー波により被接合物の接合表面をエッチングし、表面の酸化膜や有機物などの付着物を除去することで接合表面の原子は活性化される。真空中でその状態を維持して超音波振動により接合させれば、付着物が無く、かつ、表面が活性化されているので従来、超音波や表面活性化方法で接合できなかったものが接合可能となる。例えば、超音波では、大気中では従来金しか接合できなかった。また、表面活性化方法では接合時に接触したところしか接合できないため、固い金属は実質１００％の接合が難しく、金や銅のような柔らかい金属しか実質接合できなかった。また、Ａｌのような洗浄しても真空チャンバーといえどもすぐ酸化してしまうものは接合できなかった。しかし、本発明においては、ＡｌやＳｉ、セラミック、ＳＩＯ２、ガラス、酸化物などの接合が可能となる。また、従来の表面活性化接合に比べ接合荷重も半分以下である１００〜１５０ＭＰａ程度と実用可能なレベルへと低下できる。また、従来実質接合が難しかったＮｉなど固い金属においても接合が可能となる。データを表１に示す。金の金属突起を接合する場合、表１に示すように常温では３００Ｍpa程度の高加圧力で押しつぶさないと接合できないことになる。このバンプが半導体回路面上にある場合は、一般的に２００Ｍpa以上では回路によってはダメージを与えてしまう。表１の条件としては、半導体チップに金属突起となる５０μｍ角で高さ２０μｍ、バンプの高さばらつきが１μｍの金バンプを使用した半導体チップを金薄膜基板上へ超音波接合した場合と常温接合した場合のデータである。常温接合の場合は、８０ｇ/bumpで始めて接合可能となったが、超音波を印加した場合においては４０ｇ/bump以上の荷重で接合が可能であった。よってバンプつぶれ代として１μｍ以上のバンプを押しつぶすことが必要であることが分かる。２０μｍ高さのバンプを金メッキで作る場合において、高さばらつきを１μｍに抑えるのが限界であるため、この程度のバンプを押しつぶすことが必要である。荷重によるバンプつぶれ高さの超音波印加有り無し比較（μｍ）

また、前記エネルギー波による洗浄工程と超音波振動による接合工程が同一チャンバーで行う方法及び接合装置からなる。同一チャンバー内で行うことにより洗浄後、直ちに接合できるため、再付着や活性化が衰える前に接合することができる。

また、前記エネルギー波を照射しながら接触させる方法及び接合装置からなる。エネルギー波を照射しながら接合すれば接触直前まで表面は洗浄、活性化された状態であるのでより接合されやすい。特に活性化はダグニーボンドが消滅するまでに接合する必要があり、材料によっては短い時間で消滅してしまうものもある。例えばダイヤモンドは特に短いため、本方式により接合できる可能性を秘める。また、前記超音波振動ヘッドがプラズマ電極となり、被接合物を保持しながらプラズマ洗浄を行う請求項６に記載の接合装置からなる。ホーン部分をプラズマ電極とし、被接合物は例えばメカニカルにチャッキング保持した状態でプラズマ洗浄を行い、両被接合物を重ね合わせて超音波振動を印加して接合することが可能である。

また、前記エネルギー波がプラズマである方法及び接合装置からなる。また、従来の常温接合では少しでも再付着があると接合できなくなるのに比べ、超音波振動を併用するため、常温接合のように１０^−８〜１０^−５Torr程度の高真空である必要が無く、簡易な１０^−２Torr程度の低真空でも可能なため、量産性に適さないイオンビームや原子ビームでなく簡易なプラズマが使用できる。簡易な装置で可能となるため、設備のコストダウンと簡易化が可能となり、量産に適する。

また、少なくとも一方の前記被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を＋−両電界に切り替わる交番電源からなるプラズマで減圧下でドライ洗浄した後、洗浄された接合表面同士を常温接合する方法及び接合装置からなる。少なくとも一方の被接合物が半導体である場合などでは、＋イオンや−電子が半導体の回路面に衝突すると、回路、特にゲート酸化膜などにチャージアップダメージを与えることになる。これを回避するために＋イオンと−電子を交互に衝突させることにより電荷がチャージする前に中和させてしまうことができる。そうすることによりチャージアップダメージを回避することが可能となる。また、前記交番電源が１：５より均等に切り替わる方法及び接合装置からなる。交互に切り替わる比率としては１：５より均等であればチャージアップダメージを軽減できる。また、１：２より均等であればより好ましい。また、前記交番電源においてＶｄｃが−値であり、＋領域が２０％〜４０％である方法及び接合装置からなる。また、Ａｒや酸素プラズマなどは＋イオンとなるため、加速して洗浄面に衝突させエッチングするためには、被接合物を保持する電極は−電界である必要がある。そのため、Ｖｄｃ値は−であることが好ましい。また、前記Ｖｄｃ値を調整できる交番電源からなるプラズマである方法及び接合装置からなる。＋−を均等にしすぎると＋イオンが衝突する機会が減るため洗浄能力が減少する。また、−電子によるチャージアップダメージが発生する。そのため、アプリケーション毎に最適なＶｄｃ値を調整できるようにすることにより、チャージアップダメージを起こさず最適な洗浄能力を発揮することができ、効果がある。また、前記交番電源がＲＦプラズマである方法及び接合装置からなる。交番電源として交流からなるＲＦプラズマを使用することで交互に電界を＋−切り替えることが容易にできる。また、前記Ｖｄｃ値の調整で容易に＋と−の割合を調整可能である。また、前記交番電源がパルス波からなるプラズマである方法及び接合装置からなる。交番電源としてパルス波を用いることができる。パルス波であれば急峻な立ち上がりと立ち下げが可能であり、洗浄能力もアップする。また、前記パルス波が＋領域時間と−領域時間を調整可能な交番電源からなるプラズマである方法及び接合装置からなる。また、Ｖｄｃ値の調整だけでなく、パルス幅や間隔を調整することで＋−の割合や衝突時間を管理できるので交流であるＲＦよりより細かく設定が可能となり、最適な値を探し出しやすい。図４にＲＦプラズマ電源図を図５にパルス波プラズマ電源図を示す。

また、前記超音波振動ヘッドが縦振動タイプであり、振動子がホーンの上部に位置する構造である方法及び接合装置からなる。従来ダメージを軽減するために横振動を使用していたが、接合均一性や位置ずれの問題から縦振動が有効であることが分かる。しかし、縦振動では、ダメージが起こるため、いかにダメージを軽減して縦振動で接合するかがポイントとなる。その解決策として、振幅を１μｍ以下とすることにある。そうすることにより被接合物の弾性変形で衝撃を吸収することができる。例えば２０μｍ高さの金バンプのついた半導体チップであればバンプの弾性変形で１μｍの振幅を吸収することができる。また、振動伝達ホーンの先端に弾性材を取り付けることにより、縦振動による衝撃を吸収することができる。縦振動の衝撃が問題となるのは、振動伝達ホーンとチップの間に隙間ができながら衝撃的にチップを上から金槌で叩くような動作となってしまうからである。そのため、隙間が開かないように弾性材やバンプで吸収してやればダメージは軽減できる。接合においては、接合界面には応力変化は伝わるので界面での粒子のつぶれや移動により新生面があらわれ接合は進むので問題は無い。これらの縦振動を使用した超音波接合装置におけるヘッド構造としては、図１に示す５０％以上縦振動を含む効率的な、振動子、振動伝達ホーン、被接合物が縦に配列された状態で接合する方法からなる。特に表面活性化した後の超音波接合であれば横振動によるすべりで接合界面の酸化膜などを破る必要は無いので、縦振動を与えて接合界面の応力を増加させてやれば、接合加重を落として接合させることが可能である。また、縦振動ヘッド構造とすることで、ホーンをセラミック材にして静電チャックを盛り込むことも可能となり、上部を振動子に密着させることができるので下部のみにプラズマを集中して発生でき、好ましい構造となる。また、横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動においては大面積な面接合、例えばウエハー接合にも適用できる。また、横振動では接合面周辺に応力集中するが縦振動では均一な応力が発生し、大面積において均一な接合が可能となり適する。

また、前記接合時に１８０℃以内に加熱する方法及び接合装置からなる。接合時に加熱を併用することで接合マージンがアップする。また、従来常温では接合できなかったものも接合可能となる。特に活性化時間の短いものは再付着も早く、加熱併用することで接合界面での粒界拡散がし易くなり接合し易くなる。ホーン側においてもノーダルポイントにヒータを設けたり外部加熱手段をホーンへ熱伝導させることで加熱併用が可能である。従来の低温接合は鉛錫ハンダが１８３℃であるのでそれ以下の温度で接合できることは有効である。また、１５０℃以下、１００℃以下での接合も可能で好ましい。また、室温であればさらに良い。特に金であれば低温で接合し易く好ましい。

また、前記超音波振動を印加して接合する接合過程において加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる方法からなる。また、接合面積の増大に比例して、加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増大させる方法が好ましい。今、接合の課程をミクロに考えると、接合面には小さな凹凸や複数の接合部での高さの違いから接合が進む課程で接合面積は順次大きくなっていくと考えられる。よって接合課程において接合面積に比例した加圧力と超音波振動エネルギーを加えることが必要となる。これが、接合初期において、接合面積以上の超音波振動エネルギーが加えられると接合部や基材に余分なエネルギーが加えられることによる破壊やダメージが発生する。また、超音波振動の伝達を考えた時、共振器から第１の被接合物、第２の被接合物、ステージと順次振動が伝達されていくが、一定の振動が与えられた状況で加圧力を増加させると各伝達界面における摩擦力が増すため、振動は下層へ移っていくことは容易に理解できる。そのため初期から大きな加圧力を加えると第１、第２の被接合物間で接合のための目的のすべりが生じず第２の被接合物の基材が柔らかいと超音波振動エネルギーを吸収してしまい、接合ができなくなる。このようなことから、接合課程において、加圧力及び／又は超音波エネルギーを増大させて接合することが有効であり、これらを制御する方法としては上昇するカーブで増大させることが有効である。また、接合面積の増大に比例させて増大させてやることが好ましい。補足すると、初期に低い加圧力で超音波振動を与えるとある面積の接合が始まる。そうすると第１の被接合物は第２の被接合物と一定の力で結合されるため第１、第２の被接合物間での振幅が小さくなり、共振器と第１の被接合物間ですべりが大きくなる。そこで加圧力を増加すると共振器と第１の被接合物間の摩擦力増加にともないすべりが押さえられ、第１の被接合物に超音波振動エネルギーが伝達されより接合面積が大きくなっていく。また、その時々の最適な超音波振動エネルギーを加圧力制御により接合箇所に集中して印加するので、余分なダメージを与えず良好な接合が行える。接合面積が増加すると第１、第２の被接合物間の結合力が増し、振幅が小さくなることを利用し、接合面積の増大は次の方法で読み取ることができる。第１、第２の被接合物の振幅を検出する振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１、第２の被接合物間の振幅を測定することにより読み取る方法からなる。また、実際の接合界面の振幅でなくとも不安定要素がなければ、次の順で推定することができる。被接合物の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を第１の被接合物の振幅を測定することにより読み取る方法からなる。また、共振器の振幅検出手段を有し、前記接合面積の増大を共振器の振幅を測定することにより読み取る方法からなる。また、振動子の振幅は振動子のピエゾ素子にかかる出力電流に対する戻り電流値から推測することができるので、前記接合面積の増大を振動子の出力電流に対する戻り電流値により読み取る方法からなる。実際に接合される界面での振幅を常に接合に最適な値とする方法として、第１、第２の被接合物の振幅を検出する複数の振幅検出手段を有し、第１、第２の被接合物間の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する方法からなる。また、被接合物の振幅検出手段を有し、第１の被接合物の振幅が任意の一定値となるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを制御する方法からなる。これは前述のように接合面積が増加すると振幅が小さくなるため、第１、第２の被接合物間での振幅が一定になるように加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを増加してやれば常に接合界面において一定の振幅が得られるため、良好な接合が進む。また、第２の被接合物はステージに保持されている状況に変化が無いとすれば、第１の被接合物の振幅を読み取るだけでも同様な結果が得られる。但し、共振器や振動子の振幅は共振器と第１の被接合物間でのすべりに影響されるため、一定とはならないので採用は好ましくない。ダメージ無く、かつ、接合が全て良好に完了し、かつ超音波エネルギーを印加しすぎによるダメージを無くすためには、前期加圧力及び／又は超音波振動エネルギーがある目的値に達した時に超音波振動を停止する方法からなる。目的とされる接合面積を接合するために必要な加圧力と超音波振動エネルギーはあらかじめ決められているので、その目的値に達した時に超音波振動を停止すればいい。従来、上下駆動制御部と荷重制御機構部に分けられ、加圧力はエアシリンダによるエア圧力によりコントロールされているため、応答性が遅く、エアシリンダのシュウドウ抵抗から上下動速度はエアシリンダのスピードに制限されてしまい、高速で動作ができなかったが、接合機構が接合作業の上下駆動機構に上下駆動モータと加圧力検出手段を持ち、加圧力制御が上下駆動モータのトルクで制御する方式である方法からなる。本方式を採用することにより、応答性の早い加圧動作と高速上下動作が可能になる。

また、振幅検出手段を有し、前記超音波振動を印加して接合する接合過程において、振動物の振幅を測定し、目的値となるように超音波振動エネルギーを制御する方法及び接合装置からなる。実際に接合される第１、第２被接合物間の振幅をある任意な目的値とすることが大事であり、次に測定する振動物の好ましい順に記述する。まず、前記振動物が第１、第２の被接合物であり、第１、第２の被接合物間の振幅を測定し、目的値となるように超音波振動エネルギーを制御する方法からなる。また、第２の被接合物がステージに安定吸着保持されているとすると、第２の被接合物の振幅を測定しなくとも、測定する振動物として第１の被接合物の振幅を測定することにより達成できる。また、第１の被接合物と共振器間の摩擦が安定し、振動伝達が安定しているとすると、測定する振動物として共振器の振幅を測定することにより達成できる。また、過剰振動によるダメージの発生する不良品を無くすためには、測定された振幅がある任意の最大振幅値以上になった場合に超音波振動を停止する方法からなる。また、振動が小さ過ぎるための接合不良品を無くすためには、測定された振幅がある任意の最小振幅値以上にならない場合に超音波振動を停止する方法からなる。また、これら前記振幅検出手段を認識手段移動テーブル上に設けることにより、被接合物の品種による大きさの違いがあっても容易に測定場所へ移動することが可能であり、また、１つの検出手段で複数の場所の測定を行うこともできる。また、前記振幅検出手段がうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段を使用することにより、２桁安価な検出手段を採用でき、小型であるため、複雑な入り組んだ場所でも測定が可能となる。従来は、レーザードップラー測定器を使用し、数十ｋＨｚで振動しているものを実際にその分解能でその速度で振動物の動きをとらえていたため、非常に高価なものが必要であった。しかし、今回の目的は、振幅の目的値になっているかどうか、その差が分かれば良く、実際の振幅が何μｍで何Ｈｚであるかを知る必要は無い。そのため、高速応答性が無い従来のうず電流式または静電容量式または光照射式または音波式検出手段を使用し、高速で振動しているものの平均的な差が検出できれば目的は達成できる。本方式が特に適する場合は、被接合物が少なくとも一方の被接合物に金属突起を施し、少なくとも一方の被接合物が半導体チップである方法からなる。半導体の電極となる金属突起部の下層金属部は超音波振動によりマイクロクラックが入りダメージを帯びやすい。そのため、本方式は特に適する。上記のような本発明に係る接合方法及び装置においては、被接合物同士を超音波接合する接合課程において、振幅検出手段を有し、振動物の振幅を測定し、目的値となるように超音波振動エネルギーを制御するため、微妙な加圧力と接合課程のずれや、ゴミ、被接合物表面状態による摩擦係数のバラツキなどの外乱が加わっても安定した目的振幅を得ることができ、安定した超音波接合が達成できる。また、実際に接合される第１、第２被接合物間の振幅を振幅検出手段により測定してある任意な目的値とすることができるので、確実な接合状態を得ることができる。また、異常振動をキャッチすることにより不良品を作らないようにできる。また、振幅検出手段として安価でコンパクトなものが採用できる。

また、前記被接合物が複数の微少バンプを備えた半導体ウエハーまたはチップからなる方法及び接合装置からなる。また、前記方法で作られた被接合物が複数の微少バンプを備えた半導体ウエハーまたはチップからなる半導体装置からなる。被接合物が電極となるバンプを設けた半導体ウエハーやチップであると、接合部は多数の突起部分となるため、一気に全面積を接合する面接合に比べ、個々の突起バンプにおいて順次超音波接合を進めることができるので超音波接合に適する。

従来、大気中で超音波振動により接合した場合は、接合界面にはミクロな気泡が残り、隙間を生じるため５０％程度しか接合できない。しかし、真空中で接合することにより、気泡無く接合面積はアップする。結果として強度アップし、電気的抵抗値が低下できる。

また、本発明における真空中でプラズマ洗浄後、超音波接合する方法においては、従来界面に残る酸化膜により接合面積が低下している部分においても完全に接合できるため、より接合強度アップや抵抗値低下が可能となる。また、接合表面が大気中で酸化するものでもプラズマ洗浄後、真空維持した状態で超音波を印加することで接合することができる。これは従来低温では接合が難しかった、ＡｌやＳｉ、セラミック、ＳＩＯ２、ガラス、酸化物などの接合が可能となる。また、従来の表面活性化接合に比べ接合荷重を半分以下に押さえることが可能となり、従来実質接合が難しかった固い金属においても接合が可能となる。また、縦振動を利用することでウエハーのような大面積の接合も可能となる。

以下に本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施形態に係る真空中での超音波接合装置を示す。この実施形態では第１の被接合物である上ウエハーと第２の被接合物である下ウエハーを接合するための装置として例に上げる。

まず、装置構成について記述する。上ウエハーを保持するヘッド７と下ウエハーを保持するステージ８が真空チャンバー１１中に配置され、ヘッドはトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構２とＺ軸昇降機構２を回転させるθ軸機構と、ヘッド部をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。圧力検出手段４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。また、圧力検出手段４は被接合物同士の接触検出にも利用できる。ＸＹアライメントテーブル６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は真空チャンバー外部に設置するため、ベローズ５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ステージ８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置間の停止位置を高精度に維持することができる。また、移動手段としては、真空チャンバー内部に組み込んだかたちとしているが、移動手段を外部に配置し、パッキンされた連結棒で連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することが可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することでも対応できる。移動手段はいかなる移動手段であったも良い。ヘッド及びステージの被接合物保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、プラズマ電極ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備える。

ヘッド部は接合時に超音波振動を併用するため、ヘッド７はホーン保持部２４、ホーン２５、振動子２６から構成され、振動子による振動がホーンに伝達され、超音波振動をホーンが保持する被接合物へ伝達する。ホーン保持部はホーンや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。この時の伝達率はホーンと被接合物の摩擦係数と圧力で決まるため、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を接合する場合は、横振動タイプの超音波ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの超音波ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。
減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと酸素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や反応ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを真空チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。

アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がステージ待機位置の上方とヘッド下方に真空チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低ステージ、ヘッド側に１つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つずつ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。真空チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して真空チャンバー中の被接合物のアライメントマークを認識する。被接合物上には例えば各上ウエハー、下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。ステージ待機位置で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、接合位置へステージを移動させ、ヘッド側でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。待機位置の読みとり結果を接合位置で反映させるため、ステージの待機位置と接合位置の相対移動距離ベクトルは繰り返し同じ結果となるよう精度が必要である。そのため、ガイドには高精度な繰り返し精度を持つものを使用し、かつ、両サイドでの位置認識を高精度に読み取るリニアスケールを配置している。リニアスケールを移動手段にフィードバックすることで停止位置精度を高める方法と移動手段が簡易なシリンダのようなものやボルトナット機構のようなバックラッシュのあるものである場合は、リニアスケールを両停止位置で読み取り、行き過ぎや行き足りない分をヘッド側アライメント移動手段を移動させる時に考慮して補正することで容易に高精度を達成することができる。また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの接合精度を達成することができる。

次に動作フローを図２を参照しながら解説する。まず、１に示すように、真空チャンバーの前扉を開いた状態で上ウエハーと下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、カセットから自動でローディングしても良い。次に２に示すように、前扉を閉め、真空チャンバー内を減圧する。不純物を取り除くために１０^−３Torr以下に減圧することが好ましい。続いて３、４に示すように、プラズマ反応ガスである例えばＡｒを供給し、例えば１０^−２Torr程度の一定の真空度でプラズマ電極にプラズマ電源を印加し、プラズマを発生させる。発生されたプラズマイオンは電源側に保持されたウエハーの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物層などの付着物がエッチングされることにより表面活性化される。同時に両ウエハーを洗浄することも可能であるが、１つのマッチングボックスを切り替えることで交互に洗浄することもできる。また、洗浄後または洗浄中に反応ガスやエッチング物を取り除くために１０^−３Torr以下に減圧することが好ましい。接合表面に打ち込まれたＡｒを取り除くには１００〜２００℃程度に加熱を併用することもできる。続いて５に示すようにステージ待機位置でヘッド側、ステージ側の各々の認識手段で真空中で上下ウエハー上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。続いて６に示すように、ステージは接合位置へスライド移動する。この時の認識された待機位置とスライド移動した接合位置の相対移動はリニアスケールを用いて高精度に行われる。ナノレベルの高精度が要求される場合は７に示す工程を追加する。粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。続いて８に示すように、ヘッドを下降させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態で超音波振動を印加し、接合界面での応力が増加することにより低荷重で接合が進む。加圧力は接合面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。また、残留応力を除去したり接合強度をアップするために超音波接合後、加熱する場合は、常温で接触させた後、昇温させることで精度をキープさせた状態で加熱することもできる。続いて９に示すように、ヘッド側保持手段を解放し、ヘッドを上昇させる。続いて１０に示すように、ステージを待機位置に戻し、真空チャンバー内を大気解放する。続いて１１に示すように、前扉を開けて接合された上下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。

前記実施例では被接合物としてウエハーを上げたが、チップと基板であっても良い。ウエハーのような大きな接合面積である場合は、超音波振動ヘッド構造も縦振動タイプが良いが、チップのような接合面積の小さなものであれば図３に示すような横振動タイプのものがチップへの機械的ダメージも少ないので好ましい場合がある。被接合物はウエハーやチップ、基板に限らずいかなる形態のものでも良い。

超音波振動ヘッドをヘッドとは別にステージ待機位置とヘッド位置の中間に配置し、アライメントして上部被接合物と下部被接合物をヘッドで装着した後、ステージを移動させ、超音波振動ヘッドにより上部より加圧、超音波振動を印加して接合しても良い。そうすることでホーンで被接合物を保持する手段やプラズマ電極機能が不要となり、ホーンの設計が容易になる。

被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。

実施例ではヘッド側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、ステージ側がスライド軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸、スライド軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。

ステージをスライドさせた状態でプラズマ洗浄する場合は、ヘッドとステージの電極形状、周囲の形状が似かよっているため電界環境は似かよっている。そのため、プラズマ電源を自動調整するマッチングボックスは個別のものを使用しなくとも、一つのもので電極を切り替え、順次ヘッド側、ステージ側と洗浄することができる。そうすることでコンパクト、コストダウンを達成できる。

超音波振動と呼ぶが振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。

真空超音波接合装置構成図動作フロー図縦振動タイプヘッド構造図ＲＦプラズマ電源図パルス波プラズマ電源図

符号の説明

１トルク制御式昇降駆動モータ
２Ｚ軸昇降機構
３ θ軸回転機構
４圧力検出手段
５ベローズ
６ＸＹアライメントテーブル
７ヘッド
８ステージ（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
９下ウエハー
１０上ウエハー
１１真空チャンバー
１２ヘッド側ウエハー認識カメラ
１３ステージ側ウエハー認識カメラ
１４ガラス窓
１５排気管
１６排気弁
１７真空ポンプ
１８吸気管
１９吸気弁
２０吸入ガス切り替え弁
２１Ａｒ
２２Ｏ２
２３大気
２４ホーン保持部
２５ホーン（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
２６振動子
２７上アライメントマーク
２８下アライメントマーク
２９スライド移動手段

Claims

複数の被接合物を接合する方法であって、減圧下の真空チャンバー内で対向配置された被接合物同士を接触加圧し、超音波振動を印加して接合する方法。
前記被接合物の接合表面を減圧下の真空チャンバー内で両接合表面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波によりエッチングし、ドライ洗浄した後、両被接合物を接触加圧し、超音波振動を印加し接合する請求項１に記載の方法。
前記エネルギー波による洗浄工程と超音波振動による接合工程を同一チャンバーで行う請求項１または２のいずれかに記載の方法。
前記エネルギー波を照射しながら接触させる請求項３に記載の方法。
前記エネルギー波がプラズマである請求項２〜４のいずれかに記載の方法。
少なくとも前記一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を＋−両電界に切り替わるＲＦプラズマ電源またはパルス波によるプラズマ電源からなるプラズマで洗浄する請求項５に記載の方法。
前記ＲＦプラズマのＶｄｃが調整可能である、または、前記パルス波の幅が調整可能である請求項６に記載の方法。
前記接合時に１８０℃以内に加熱する請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
前記超音波振動が縦振動である請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
前記被接合物が複数の微少バンプを備えた半導体ウエハーまたはチップからなる請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
前記超音波振動を印加して接合する接合過程において加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
振幅検出手段を有し、前記超音波振動を印加して接合する接合過程において、振動物の振幅を測定し、目的値となるように超音波振動エネルギーを制御する請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
前記請求項１〜１２の方法で作られた被接合物が複数の微少バンプを備えた半導体ウエハーまたはチップからなる半導体装置。
複数の被接合物を接合する接合装置であって、真空チャンバーと、真空チャンバー内に超音波振動ヘッドとヘッド昇降軸とステージを備え、減圧下の真空チャンバー内でヘッドとステージに保持され、対向配置された被接合物同士を接触加圧し、超音波振動を印加して接合する接合装置。
真空チャンバー内にエネルギー波による洗浄手段を備え、前記被接合物の接合表面を減圧下の真空チャンバー内で両接合表面を原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波によりエッチングし、ドライ洗浄した後、両被接合物を接触加圧し、超音波振動を印加し接合する請求項１４に記載の接合装置。
前記エネルギー波による洗浄工程と超音波振動による接合工程が同一チャンバーで行う請求項１４または１５のいずれかに記載の接合装置。
前記エネルギー波を照射しながら接触させる請求項１６に記載の接合装置。
前記エネルギー波がプラズマである請求項１５〜１７のいずれかに記載の接合装置。
少なくとも前記一方の被接合物が半導体であり、各被接合物の接合面を＋−両電界に切り替わるＲＦプラズマ電源またはパルス波によるプラズマ電源からなるプラズマで洗浄する請求項１８に記載の方法。
前記ＲＦプラズマのＶｄｃが調整可能である、または、前記パルス波の幅が調整可能である請求項１９に記載の方法。
前記超音波振動ヘッドがプラズマ電極となり、被接合物を保持しながらプラズマ洗浄を行う請求項１８〜２０のいずれかに記載の接合装置。
前記超音波振動ヘッドが縦振動タイプであり、振動子がホーンの上部に位置する構造である請求項１４〜２１のいずれかに記載の接合装置。
前記接合時に１８０℃以内に加熱する請求項１４〜２２のいずれかに記載の接合装置。
前記超音波振動を印加して接合する接合過程において加圧力及び／又は超音波振動エネルギーを上昇するカーブで増大させる請求項１４〜２３のいずれかに記載の接合装置。
振幅検出手段を有し、前記超音波振動を印加して接合する接合過程において、振動物の振幅を測定し、目的値となるように超音波振動エネルギーを制御する請求項１４〜２４のいずれかに記載の接合装置。
前記被接合物が複数の微少バンプを備えた半導体ウエハーまたはチップからなる請求項１４〜２５のいずれかに記載の接合装置。