JP6008095B2 - Chip surface treatment method, bonding method, and surface treatment apparatus - Google Patents
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Description
本願発明は、ウエハ上にチップを実装するためのチップの表面処理方法、及びチップオンウエハ(COW,Chip−On−Wafer)接合方法及びその表面処理装置に関する。 The present invention relates to a chip surface treatment method for mounting a chip on a wafer, a chip-on-wafer (COW, Chip-On-Wafer) bonding method, and a surface treatment apparatus therefor.
エレクトロニクスの分野では、デバイス実装の更なる高密度化が求められている。そこで、既にパッケージされた半導体集積回路(チップ)をフリップチップ実装技法によりウエハ(基板)上に接合する技術が注目を集めている。チップは、バンプ(突起)状の又は平坦な金属領域を有しており、この金属領域を介して、チップとウエハとの間、あるいはチップが3次元的に積層される場合には積層された複数のチップ間の電気的接続を確立することができる。また、チップは、機械的強度を上げるためにウエハ又は他のチップと接合するための部位を有してもよく、この部位は金属領域として構成されることもある。そして、チップとウエハとの間又は積層された複数のチップの間で、上記金属領域を介して電気的接続を確立し機械的強度を上げることで、チップとウエハとの間又は積層された複数のチップ間の電気信号授受の高速化と、電子デバイス実装の高密度化を実現することができる。 In the field of electronics, higher density of device mounting is required. Therefore, a technique for bonding a semiconductor integrated circuit (chip) that has already been packaged onto a wafer (substrate) by a flip chip mounting technique has attracted attention. The chip has a bump-shaped or flat metal region, and the chip is stacked between the chip and the wafer or when the chip is three-dimensionally stacked through the metal region. Electrical connections between multiple chips can be established. Further, the chip may have a part for bonding with a wafer or another chip in order to increase mechanical strength, and this part may be configured as a metal region. Then, by establishing electrical connection between the chip and the wafer or between a plurality of stacked chips via the metal region and increasing the mechanical strength, the plurality of chips or the wafers stacked or stacked. It is possible to increase the speed of electrical signal exchange between chips and to increase the density of electronic device mounting.
接合に用いられるチップの金属領域の表面には、金属領域が形成後、接合工程までに大気中の酸素に曝されることにより、比較的厚い酸化膜が形成されている場合が多い。この酸化膜は、接合前に除去が不十分だと最終的に形成された接合界面の導電性や機械的強度を低下させる原因となる。そのため従来、400℃、150MPa以上の高温、高圧下で拡散接合されていた。また表面活性化処理された状態でも150〜300MPaという高圧接合が必要であった(特許文献1)。さらに、基板の寸法が増大する傾向に従うと、同様の加熱条件でより大きな力を掛けることができる大型の接合システムが必要となる。接合時において高圧を加えることにより、チップや基板を変形させることがあり、接合装置の加圧機構をも大掛かりな構成にしなければならない。 In many cases, a relatively thick oxide film is formed on the surface of a metal region of a chip used for bonding by exposure to oxygen in the atmosphere before the bonding step after the metal region is formed. If the oxide film is not sufficiently removed before bonding, it causes a decrease in conductivity and mechanical strength of the finally formed bonding interface. For this reason, conventionally, diffusion bonding has been performed at a high temperature of 400 ° C. and 150 MPa or higher under a high pressure. In addition, high-pressure bonding of 150 to 300 MPa was necessary even in the surface activated state (Patent Document 1). Furthermore, following the trend of increasing substrate dimensions, there is a need for large bonding systems that can apply more force under similar heating conditions. When a high pressure is applied at the time of bonding, the chip or the substrate may be deformed, and the pressure mechanism of the bonding apparatus must also have a large structure.
また、従来、金属領域の酸化を抑制するために、金属領域の形成直後に気化性の防錆剤(VCI、Volatile Corrosion Inhibitor)を塗布することも行われてきた。しかし、この防錆剤を気化により除去した後に露出した金属領域の新生表面は、大気中の酸素と接触することで再び酸化されてしまう。また、従来、酸化膜を消滅させるために、金属領域の表面に対して還元処理を行うことで酸化膜を除去することが行われてきた。しかし、酸化膜の除去により露出した金属領域の新生表面は、大気中の酸素と接触することで再び酸化してしまう。 Conventionally, in order to suppress oxidation of the metal region, a vaporizable rust inhibitor (VCI, Volatile Corrosion Inhibitor) has been applied immediately after the formation of the metal region. However, the new surface of the metal region exposed after removing this rust inhibitor by vaporization is oxidized again by contact with oxygen in the atmosphere. Conventionally, in order to eliminate the oxide film, the oxide film has been removed by performing a reduction treatment on the surface of the metal region. However, the new surface of the metal region exposed by the removal of the oxide film is oxidized again by contact with oxygen in the atmosphere.
露出した金属領域の接合するためには、高温、高圧下で金属領域の表面に形成された酸化膜を金属中に拡散させることで接合するか、例えば接合するまで酸素がほぼ除去された真空などの雰囲気中に金属領域を保持するなどの接合機構が必要である。こうした接合機構は大掛かりになり簡易な接合装置で行うことができず、金属領域の新生表面の露出から接合までは所定の時間が掛かるために、金属領域の表面の酸化を効率的に回避できないという課題があった。さらには、チップオンウエハにおいては、一般に、ウエハ上に実装する最初のチップの接合と最後のチップの接合との間には、数十分から数時間の時間が掛かるので、金属領域の新生表面の酸化の度合いもチップにより異なり、最後のチップほど酸化の度合いが進むという課題があった。また、高温、高圧下での接合においては、薄いウエハや熱膨張の異なる異種材料間での接合には不向きであり、かつ熱膨張により位置合わせ精度が劣化する課題があった。 In order to join the exposed metal region, it is joined by diffusing an oxide film formed on the surface of the metal region into the metal under high temperature and high pressure, or a vacuum in which oxygen is substantially removed until joining, for example. A joining mechanism such as holding the metal region in the atmosphere is required. Such a joining mechanism becomes large and cannot be performed with a simple joining apparatus, and since it takes a predetermined time from the exposure of the new surface of the metal region to the joining, it cannot efficiently avoid the oxidation of the surface of the metal region. There was a problem. Furthermore, in chip-on-wafers, it generally takes several tens of minutes to several hours between the bonding of the first chip to be mounted on the wafer and the bonding of the last chip. The degree of oxidation differs depending on the chip, and there is a problem that the degree of oxidation proceeds toward the last chip. In addition, bonding at high temperature and high pressure is not suitable for bonding between thin wafers or different materials having different thermal expansion, and there is a problem that alignment accuracy deteriorates due to thermal expansion.
そこで、本願発明は、表面処理においてチップの金属領域の新生表面の酸化を極力回避しつつ、接合界面に酸化物などの望ましくない残存物を残さないようして、表面処理の前後で大気などの酸化雰囲気中でチップやウエハの搬送や処理を可能にして、効率よくかつ安定して複数のチップをウエハなどの基板に接合する技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention avoids oxidation of the nascent surface of the metal region of the chip as much as possible in the surface treatment, while leaving no undesired residue such as oxide at the bonding interface, and so on before and after the surface treatment. It is an object of the present invention to provide a technique for allowing chips and wafers to be transported and processed in an oxidizing atmosphere and bonding a plurality of chips to a substrate such as a wafer efficiently and stably.
本願において、「チップ」とは、半導体部品を含む成型加工半導体の板状部品、パッケージされた半導体集積回路(IC)などの電子部品等を示す広い概念の用語として与えられる。「チップ」には、一般に「ダイ」と呼ばれる部品や、基板よりも寸法が小さくて、複数個を当該基板に接合できるほどの大きさを有する部品又は小型の基板も含まれる。また、電子部品以外に、光部品、光電子部品、機械部品も含まれる。また、ウエハからダイシングされ粘着シート上に配置されたものも含む。 In the present application, the “chip” is given as a broad concept term indicating a molded semiconductor plate-like component including a semiconductor component, an electronic component such as a packaged semiconductor integrated circuit (IC), and the like. The “chip” includes a component generally called a “die”, a component having a size smaller than that of the substrate, and a size that allows a plurality of components to be bonded to the substrate, or a small substrate. In addition to electronic components, optical components, optoelectronic components, and mechanical components are also included. Moreover, the thing diced from the wafer and arrange | positioned on the adhesive sheet is also included.
本願において、「チップ」は、基板に接合される接合面を有し、当該接合面には、金属領域が形成されている。この金属領域は、チップ側接合面に対して突起して形成されてもよく、また実質上平坦に形成されてもよい。基板側の接合面には、接合時に対向するチップ側接合面の金属領域に対応する金属領域が形成されている。チップ側接合面の金属領域と基板側の金属領域とが接合されることにより、チップと基板との間で電気的接続が確立され、所定の機械的強度が得られる。 In the present application, the “chip” has a bonding surface bonded to a substrate, and a metal region is formed on the bonding surface. The metal region may be formed so as to protrude from the chip side bonding surface, or may be formed substantially flat. A metal region corresponding to the metal region of the chip-side bonding surface that is opposed at the time of bonding is formed on the bonding surface on the substrate side. By joining the metal region on the chip side bonding surface and the metal region on the substrate side, electrical connection is established between the chip and the substrate, and a predetermined mechanical strength is obtained.
本願発明において、ウエハ(以下、基板と称する。)は、板状の半導体を含むが、これに限定されず、半導体以外にも、ガラス、セラミックス、金属、プラスチックなどの材料、又はこれらの複合材料により形成されていてもよく、円形、長方形等の種々の形状に形成される。また、基板には既に1又は複数の層のチップが接合されることで形成されたチップと基板とを含む構造体も含まれる。 In the present invention, a wafer (hereinafter referred to as a substrate) includes a plate-shaped semiconductor, but is not limited thereto, and other than the semiconductor, a material such as glass, ceramics, metal, plastic, or a composite material thereof. It may be formed by various shapes such as a circle and a rectangle. Further, the substrate includes a structure including a chip and a substrate formed by bonding chips of one or more layers.
上記の技術的課題を解決するために、本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有するチップを基板に接合するための、金属領域の表面処理方法は、金属領域の表面に気化性材料が塗布されたチップを準備するステップと、気化性材料を気化させて金属領域の表面を露出させるステップと、金属領域の表面を露出させるステップの後、非酸化雰囲気中で、金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、表面処理方法が行われるまでは気化性材料により酸化から保護されている金属領域から、気化性材料を除去して非酸化雰囲気中で新生表面を露出させ、この新生表面に対して表面活性化処理と親水化処理とが行われることで、清浄でかつ酸化速度が十分に遅く、すなわち大気などの雰囲気中でも安定な接合面を形成することができる。その結果、真空などを要さない簡易な接合装置を用いて、表面処理後の時間に依存しない安定した仮接合を行うことができる。さらに、水等の接合面に付着され仮接合に寄与した物質は、本接合の際に消滅するので、最終製品において、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。したがって、多数のチップに亘り均一に、高性能な接合界面を高い生産効率で形成しつつ、多数のチップを基板上に実装することができるという効果を奏する。 In order to solve the above technical problem, according to the present invention, a metal region surface treatment method for bonding a chip having a chip-side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate is a metal region. In a non-oxidizing atmosphere, after preparing a chip having a vaporizable material coated on the surface thereof, evaporating the vaporizable material to expose the surface of the metal region, and exposing the surface of the metal region And a step of performing a surface activation treatment by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the metal region and a step of applying a hydrophilic treatment by adhering water. . According to the present invention, until the surface treatment method is performed, the vaporizable material is removed from the metal region protected from oxidation by the vaporizable material to expose the new surface in a non-oxidizing atmosphere. On the other hand, by performing the surface activation treatment and the hydrophilization treatment, it is possible to form a clean joint surface that is clean and has a sufficiently low oxidation rate, that is, even in an atmosphere such as air. As a result, it is possible to perform stable temporary bonding that does not depend on the time after the surface treatment using a simple bonding apparatus that does not require a vacuum or the like. In addition, substances that have adhered to the bonding surface such as water and contributed to the temporary bonding disappear during the main bonding, so a clean bonding interface is formed between the chip and the substrate in the final product, and good conductivity is achieved. And a structure including a chip and a substrate having high mechanical strength can be manufactured. Therefore, there is an effect that a large number of chips can be mounted on a substrate while forming a high-performance bonding interface uniformly over a large number of chips with high production efficiency.
本願発明によれば、金属領域の表面を露出させるステップの後に連続して金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うようにしたものである。これにより、露出した新生表面の酸化をより効率よく回避して、より清浄でかつ酸化速度が十分に遅く、すなわち大気などの雰囲気中でも安定な接合面を形成することができる。 According to the present invention, after the step of exposing the surface of the metal region, the surface activation treatment is performed by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the metal region. . As a result, oxidation of the exposed new surface can be avoided more efficiently, and a clean and stable oxidation surface can be formed, that is, a stable bonding surface can be formed even in an atmosphere such as air.
本願発明によれば、非酸化雰囲気が、真空又は不活性ガスを含む雰囲気であるようにしたものである。これにより、非酸化雰囲気を真空引きすることで、除去した気化性材料の金属領域の表面への再付着を防止し、清浄な接合面を形成することができる。また、非酸化雰囲気に不活性ガスを使用することで、真空システムなどが不要となり、簡易に表面処理装置を構成することができる。 According to the present invention, the non-oxidizing atmosphere is an atmosphere containing a vacuum or an inert gas. Thus, by vacuuming the non-oxidizing atmosphere, it is possible to prevent re-deposition of the removed vaporizable material on the surface of the metal region and to form a clean bonding surface. In addition, by using an inert gas in the non-oxidizing atmosphere, a vacuum system or the like is not required, and a surface treatment apparatus can be configured easily.
本願発明によれば、金属領域が、銅又はハンダ材料により形成されているようにしたものである。これにより、本願発明に係る表面処理方法を、広範囲の電子デバイスにおけるチップの基板上への接合方法に適用することができる。 According to the present invention, the metal region is formed of copper or a solder material. Thereby, the surface treatment method according to the present invention can be applied to a bonding method of chips on a substrate in a wide range of electronic devices.
本願発明によれば、気化性材料が、ベンゾトリアゾール、トリルトリアゾール、ジシクロヘキシルアンモニウムナイトライ、ジシクロヘキシルアンモニウムサリシレート、モノエタノールアミンベンゾエート、ジシクロヘキシルアンモニウムベンゾエート、ジイソプロピルアンモニウムベンゾエート、ジイソプロピルアンモニウムナイトライト、シクロヘキシルアミンカーバメイト、ニトロナフタレンアンモニウムナイトライト、シクロヘキシルアミンベンゾエート、ジシクロヘキシルアンモニウムシクロヘキサンカルボキシレート、シクロヘキシルアミンシクロヘキサンカルボキシレート、ジシクロヘキシルアンモニウムアクリレート、及びシクロヘキシルアミンアクリレートからなる群から選ばれる気化性防錆剤、又は直鎖アルカンチオールを含むようにしたものである。これらの材料は、入手が比較的容易であり、金属領域を酸化から保護しかつ容易に除去されうるので、表面処理プロセスの簡易化及びコスト低減が可能になる。 According to the present invention, the vaporizable material is benzotriazole, tolyltriazole, dicyclohexylammonium nitrite, dicyclohexylammonium salicylate, monoethanolamine benzoate, dicyclohexylammonium benzoate, diisopropylammonium benzoate, diisopropylammonium nitrite, cyclohexylamine carbamate, nitronaphthalene. A vaporizable rust inhibitor selected from the group consisting of ammonium nitrite, cyclohexylamine benzoate, dicyclohexylammonium cyclohexanecarboxylate, cyclohexylamine cyclohexanecarboxylate, dicyclohexylammonium acrylate, and cyclohexylamine acrylate, or a linear alkanethio It is obtained to include the Le. These materials are relatively easy to obtain and can protect the metal regions from oxidation and can be easily removed, thus simplifying the surface treatment process and reducing costs.
本願発明によれば、気化性材料を気化することが、気化性材料に対して、熱、光、又は酸素プラズマを照射することで行われるようにしたものである。これにより、気化性材料を効率よく除去することができる。 According to the present invention, the vaporizable material is vaporized by irradiating the vaporizable material with heat, light, or oxygen plasma. Thereby, the vaporizable material can be efficiently removed.
本願発明に係る、一つ又は複数のチップ側金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、一つ又は複数の基板側金属領域を有する基板側接合面を有する基板に接合するための方法は、チップ側金属領域の表面に気化性材料が塗布されたチップを準備するステップと、チップ側金属領域の表面を露出させるステップと、気化性材料を気化させてチップ側金属領域の表面を露出させるステップの後に、非酸化雰囲気中で、チップ側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、非酸化雰囲気中で、基板側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、親水化処理が行われたチップ側金属領域が親水化処理が行われた基板側金属領域に接触するように、複数のチップを一つずつ対応する基板の基板側接合面に取り付けて、複数のチップと基板とを含む構造体を形成するステップと、複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、清浄な接合界面を、複数のチップに亘り均一に形成することができる。 According to the present invention, a plurality of chips having a chip-side bonding surface having one or more chip-side metal regions are bonded to a substrate having a substrate-side bonding surface having one or more substrate-side metal regions. The method includes a step of preparing a chip in which a vaporizable material is applied to a surface of a chip-side metal region, a step of exposing the surface of the chip-side metal region, and vaporizing the vaporizable material to form a surface of the chip-side metal region. After the exposing step, surface activation treatment is performed by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the chip-side metal region in a non-oxidizing atmosphere, and hydrophilic treatment is performed by attaching water. And performing surface activation treatment by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the substrate-side metal region in a non-oxidizing atmosphere. And a step of performing hydrophilic treatment by adhering water, and a plurality of chips are arranged so that the chip-side metal region subjected to the hydrophilic treatment is in contact with the substrate-side metal region subjected to the hydrophilic treatment. Attaching to the substrate-side bonding surfaces of the corresponding substrates one by one, forming a structure including a plurality of chips and a substrate, and heating a structure including the plurality of chips and the substrate. It is a thing. According to the present invention, a clean bonding interface can be formed uniformly over a plurality of chips.
本願発明によれば、金属領域の表面を露出させるステップの後に連続して金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うようにしたものである。これにより、露出した新生表面の酸化をより効率よく回避して、より清浄でかつ酸化速度が十分に遅く、すなわち大気などの雰囲気中でも安定な接合面を形成することができる。 According to the present invention, after the step of exposing the surface of the metal region, the surface activation treatment is performed by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the metal region. . As a result, oxidation of the exposed new surface can be avoided more efficiently, and a clean and stable oxidation surface can be formed, that is, a stable bonding surface can be formed even in an atmosphere such as air.
本願発明によれば、複数のチップの基板の基板側接合面への取付けが大気中で行われるようにしたものである。これにより、仮接合をするための装置を簡易な構成とすることができる。 According to the present invention, attachment of a plurality of chips to the substrate-side bonding surface is performed in the atmosphere. Thereby, the apparatus for temporary joining can be made into a simple structure.
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有するチップを基板に接合するための、金属領域の表面処理方法は、金属領域の表面に酸化物が形成されたチップを準備するステップと、金属領域の表面に形成された酸化物を還元することで除去し、金属領域の表面を露出させるステップと、金属領域の表面を露出させるステップの後に連続して、非酸化雰囲気中で、金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、表面処理方法が行われるまでは酸化物で覆われている金属領域から、酸化物を除去して非酸化雰囲気中で新生表面を露出させ、露出した新生表面の酸化を回避しつつ、この新生表面に対して表面活性化処理と親水化処理とが行われることで、清浄でかつ酸化速度が十分に遅く、すなわち大気などの雰囲気中でも安定な接合面を形成することができる。その結果、真空などを要さない簡易な接合装置を用いて、表面処理後の時間に依存しない安定した仮接合を行うことができる。さらに、水等の接合面に付着され仮接合に寄与した物質は、本接合の際に消滅するので、最終製品において、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。したがって、多数のチップに亘り均一に、高性能な接合界面を高い生産効率で形成しつつ、多数のチップを基板上に実装することができるという効果を奏する。 According to the present invention, a surface treatment method for a metal region for bonding a chip having a chip-side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate includes a chip having an oxide formed on the surface of the metal region. Continuously after the step of preparing, removing the oxide formed on the surface of the metal region by reducing, exposing the surface of the metal region, and exposing the surface of the metal region, a non-oxidizing atmosphere A surface activation treatment by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the metal region, and a step of hydrophilization treatment by adhering water. It is. According to the present invention, until the surface treatment method is performed, the oxide is removed from the metal region to expose the new surface in a non-oxidizing atmosphere, and the exposed new surface is not oxidized. However, the surface activation treatment and the hydrophilization treatment are performed on the new surface, so that a clean and stable oxidation surface can be formed even in an atmosphere such as the atmosphere. . As a result, it is possible to perform stable temporary bonding that does not depend on the time after the surface treatment using a simple bonding apparatus that does not require a vacuum or the like. In addition, substances that have adhered to the bonding surface such as water and contributed to the temporary bonding disappear during the main bonding, so a clean bonding interface is formed between the chip and the substrate in the final product, and good conductivity is achieved. And a structure including a chip and a substrate having high mechanical strength can be manufactured. Therefore, there is an effect that a large number of chips can be mounted on a substrate while forming a high-performance bonding interface uniformly over a large number of chips with high production efficiency.
本願発明によれば、金属領域の表面を露出させるステップの後に連続して金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うようにしたものである。これにより、露出した新生表面の酸化をより効率よく回避して、より清浄でかつ酸化速度が十分に遅く、すなわち大気などの雰囲気中でも安定な接合面を形成することができる。 According to the present invention, after the step of exposing the surface of the metal region, the surface activation treatment is performed by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the metal region. . As a result, oxidation of the exposed new surface can be avoided more efficiently, and a clean and stable oxidation surface can be formed, that is, a stable bonding surface can be formed even in an atmosphere such as air.
本願発明によれば、金属領域の表面に形成された酸化物を還元することが、金属領域の表面を加熱して、当該加熱した金属領域の表面に対して有機酸ガスを照射することで行われるようにしたものである。これにより、酸化物を還元し、形成された有機酸塩を分解して除去して、効率的に、金属領域の新生表面を露出させることができる。 According to the present invention, reducing the oxide formed on the surface of the metal region is performed by heating the surface of the metal region and irradiating the surface of the heated metal region with an organic acid gas. It is intended to be. Thereby, the oxide can be reduced, and the formed organic acid salt can be decomposed and removed to efficiently expose the nascent surface of the metal region.
本願発明によれば、金属領域の表面に形成された酸化物を還元することが、当該金属領域の表面に、有機酸ガスと水素又は水素ラジカルを含むガスとを含む混合ガスを照射することで行われるようにしたものである。これにより、比較低温で、酸化物を除去して金属領域の新生表面を露出させることができる。 According to the present invention, reducing the oxide formed on the surface of the metal region can be achieved by irradiating the surface of the metal region with a mixed gas containing an organic acid gas and a gas containing hydrogen or hydrogen radicals. It is what was done. Thereby, the oxide can be removed and the new surface of the metal region can be exposed at a comparatively low temperature.
本願発明によれば、有機酸ガスが、ギ酸ガスであるようにしたものである。これにより、特にギ酸を用いることで、より効率よく、酸化物を除去して金属領域の新生表面を露出させることができる。 According to the present invention, the organic acid gas is formic acid gas. Thereby, especially by using formic acid, it is possible to more efficiently remove the oxide and expose the new surface of the metal region.
本願発明によれば、金属領域の表面を露出させるステップの前に、金属領域の表面を研磨するステップを更に備えるようにしたものである。これにより、研磨により金属領域の表面の酸化物の大部分又はすべてを取り除くことができる。したがって、薄くなった酸化物を、還元剤の照射によりより効率よく還元され除去することができる。 According to the present invention, the step of polishing the surface of the metal region is further provided before the step of exposing the surface of the metal region. Thereby, most or all of the oxide on the surface of the metal region can be removed by polishing. Therefore, the thinned oxide can be reduced and removed more efficiently by irradiation with the reducing agent.
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、一つ又は複数の金属領域を有する基板側接合面を有する基板に接合するための方法は、チップ側金属領域の表面に酸化物が形成された複数のチップを準備するステップと、チップ側金属領域の表面に形成された酸化物を還元することで除去し、チップ側金属領域の表面を露出させるステップと、チップ側金属領域の表面を露出させるステップの後に、非酸化雰囲気中で、チップ側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、非酸化雰囲気中で、基板側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、親水化処理が行われたチップ側金属領域が親水化処理が行われた基板側金属領域に接触するように、複数のチップを一つずつを対応する基板の基板側接合面に取り付けて、複数のチップと基板とを含む構造体を形成するステップと、複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、清浄な接合界面を、複数のチップに亘り均一に形成することができるという効果を奏する。 According to the present invention, a method for bonding a plurality of chips having a chip-side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate having a substrate-side bonding surface having one or a plurality of metal regions is a chip. Preparing a plurality of chips in which oxide is formed on the surface of the side metal region, and removing the oxide formed on the surface of the chip side metal region by reducing to expose the surface of the chip side metal region After the step and the step of exposing the surface of the chip side metal region, in a non-oxidizing atmosphere, a surface activation treatment is performed by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the chip side metal region, And a step of hydrophilizing by adhering water, and in a non-oxidizing atmosphere, particles having a predetermined kinetic energy collide with the surface of the substrate-side metal region. The surface activation treatment is performed and the hydrophilic treatment is performed by attaching water, and the chip-side metal region subjected to the hydrophilic treatment contacts the substrate-side metal region subjected to the hydrophilic treatment. Attaching a plurality of chips one by one to a substrate-side bonding surface of a corresponding substrate to form a structure including the plurality of chips and the substrate, and a structure including the plurality of chips and the substrate. And a step of heating. According to the present invention, there is an effect that a clean bonding interface can be formed uniformly over a plurality of chips.
本願発明によれば、金属領域の表面を露出させるステップの後に連続して金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うようにしたものである。これにより、露出した新生表面の酸化をより効率よく回避して、より清浄でかつ酸化速度が十分に遅く、すなわち大気などの雰囲気中でも安定な接合面を形成することができる。 According to the present invention, after the step of exposing the surface of the metal region, the surface activation treatment is performed by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the metal region. . As a result, oxidation of the exposed new surface can be avoided more efficiently, and a clean and stable oxidation surface can be formed, that is, a stable bonding surface can be formed even in an atmosphere such as air.
本願発明によれば、複数のチップの基板の基板側接合面への取付けが大気中で行われるようにしたものである。これにより、仮接合をするための装置を簡易な構成とすることができる。 According to the present invention, attachment of a plurality of chips to the substrate-side bonding surface is performed in the atmosphere. Thereby, the apparatus for temporary joining can be made into a simple structure.
本願発明によれば、金属領域の表面を露出させるステップの前に、金属領域の表面を研磨するステップを更に備えるようにしたものである。これにより、研磨により金属領域の表面の酸化物の大部分又はすべてを取り除くことができる。したがって、薄くなった酸化物を、還元剤の照射によりより効率よく還元され除去することができる。 According to the present invention, the step of polishing the surface of the metal region is further provided before the step of exposing the surface of the metal region. Thereby, most or all of the oxide on the surface of the metal region can be removed by polishing. Therefore, the thinned oxide can be reduced and removed more efficiently by irradiation with the reducing agent.
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを基板に接合するための、金属領域の表面処理装置は、チップを内部に載置することができる真空容器と、チップを加熱する加熱手段と、真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する雰囲気制御手段と、チップの金属領域に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる表面活性化手段と、チップの金属領域に対して水を付着させる親水化処理手段と、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、気化性材料が塗布され酸化から保護されている金属領域を有するチップを準備することで、この金属領域を酸化させずに、当該気化性材料を除去しかつ、安定で清浄な親水化された金属領域の表面を準備することができる。その結果、最終製品において、清浄な接合界面を複数のチップに亘り均一に効率よく形成することができるという効果を奏する。 The surface treatment apparatus for a metal region for bonding a plurality of chips having a chip-side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate according to the present invention is a vacuum capable of placing the chip therein. Surface activity for colliding particles having a predetermined kinetic energy against the metal region of the chip, heating means for heating the chip, atmosphere control means for controlling the atmosphere in the vacuum vessel to be a non-oxidizing atmosphere And a hydrophilization treatment means for adhering water to the metal region of the chip. According to the present invention, by preparing a chip having a metal region coated with a vaporizable material and protected from oxidation, the vaporizable material is removed without oxidizing the metal region, and stable and clean. It is possible to prepare a surface of a hydrophilized metal region. As a result, in the final product, a clean bonding interface can be formed uniformly and efficiently over a plurality of chips.
本願発明によれば、真空容器は、第1真空容器と第2真空容器とを有し、第1真空容器は、加熱手段を有し、第1真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第1雰囲気制御手段と連結されて構成され、第2真空容器は、表面活性化処理手段と親水化処理手段とを有し、第2真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第2雰囲気制御手段と連結され、第1真空容器と第2真空容器との間で非酸化雰囲気を破ることなくチップを搬送できるように構成されたものである。これにより、表面活性化処理及び親水化処理を行う際に、金属領域の表面への気化した材料の付着を抑制することができる。 According to the present invention, the vacuum container has a first vacuum container and a second vacuum container, and the first vacuum container has a heating means so that the atmosphere in the first vacuum container becomes a non-oxidizing atmosphere. The second vacuum vessel has surface activation treatment means and hydrophilic treatment means so that the atmosphere in the second vacuum vessel becomes a non-oxidizing atmosphere. It is connected to the second atmosphere control means that controls the chip, so that the chip can be transferred between the first vacuum container and the second vacuum container without breaking the non-oxidizing atmosphere. Thereby, when performing a surface activation process and a hydrophilization process, adhesion of the vaporized material to the surface of a metal area | region can be suppressed.
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを基板に接合するための、金属領域の表面処理装置は、チップを内部に載置することができる真空容器と、チップの金属領域の酸化物を還元する還元剤をチップの金属領域に向けて照射する還元剤照射手段と、真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する雰囲気制御手段と、チップの金属領域に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる表面活性化手段と、チップの金属領域に対して水を付着させる親水化処理手段と、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、気化性材料が塗布され酸化から保護されている金属領域を有するチップを準備することで、この金属領域を酸化させずに、当該気化性材料を除去しかつ、安定で清浄な親水化された金属領域の表面を準備することができる。その結果、最終製品において、清浄な接合界面を複数のチップに亘り均一に効率よく形成することができるという効果を奏する。 The surface treatment apparatus for a metal region for bonding a plurality of chips having a chip-side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate according to the present invention is a vacuum capable of placing the chip therein. A container, reducing agent irradiation means for irradiating a reducing agent for reducing oxides in the metal region of the chip toward the metal region of the chip, and atmosphere control means for controlling the atmosphere in the vacuum container to be a non-oxidizing atmosphere The surface activating means for causing particles having a predetermined kinetic energy to collide with the metal region of the chip, and the hydrophilic treatment means for attaching water to the metal region of the chip are provided. According to the present invention, by preparing a chip having a metal region coated with a vaporizable material and protected from oxidation, the vaporizable material is removed without oxidizing the metal region, and stable and clean. It is possible to prepare a surface of a hydrophilized metal region. As a result, in the final product, a clean bonding interface can be formed uniformly and efficiently over a plurality of chips.
本願発明によれば、真空容器が、第1真空容器と第2真空容器とを有し、第1真空容器は、還元剤照射手段を有し、第1真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第1雰囲気制御手段と連結されて構成され、第2真空容器が、表面活性化処理手段と親水化処理手段とを有し、第2真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第2雰囲気制御手段と連結され、第1真空容器と第2真空容器との間で非酸化雰囲気を破ることなくチップを搬送できるように構成されたものである。これにより、表面活性化処理及び親水化処理を行う際に、金属領域の表面への気化した材料の付着を抑制することができる。 According to the present invention, the vacuum container has a first vacuum container and a second vacuum container, the first vacuum container has a reducing agent irradiation means, and the atmosphere in the first vacuum container is a non-oxidizing atmosphere. The second vacuum vessel has a surface activation treatment means and a hydrophilic treatment means, and the atmosphere in the second vacuum vessel is a non-oxidizing atmosphere. It is connected to the second atmosphere control means for controlling so that the chip can be transported between the first vacuum container and the second vacuum container without breaking the non-oxidizing atmosphere. Thereby, when performing a surface activation process and a hydrophilization process, adhesion of the vaporized material to the surface of a metal area | region can be suppressed.
本願発明によれば、還元剤照射手段が、有機酸ガスを照射する有機酸ガス源を有し、チップを加熱する加熱手段を更に有するようにしたものである。これにより、金属領域表面の酸化物を効率よく還元して除去することができる。 According to the present invention, the reducing agent irradiation means has an organic acid gas source for irradiating the organic acid gas, and further has a heating means for heating the chip. Thereby, the oxide on the surface of the metal region can be efficiently reduced and removed.
本願発明によれば、還元剤照射手段が、有機酸ガスを照射する有機酸ガス源を有し、当該有機酸ガス源は、有機酸ガスを分解する、加熱可能な触媒を有するようにしたものである。これにより、金属領域の表面の酸化物を、比較的低温で効率よく還元して除去することができる。 According to the present invention, the reducing agent irradiation means has an organic acid gas source that irradiates an organic acid gas, and the organic acid gas source has a heatable catalyst that decomposes the organic acid gas. It is. Thereby, the oxide on the surface of the metal region can be efficiently reduced and removed at a relatively low temperature.
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有するチップを接合するための、金属領域の表面処理方法は、金属領域の表面に酸化物が形成されたチップを準備するステップと、金属領域の表面に形成された酸化物を研磨することで除去し、金属領域の表面を露出させるステップと、非酸化雰囲気中で、金属領域の表面に対して、金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、研磨により金属領域の表面の酸化物の厚さを薄くすることができるので、残った酸化物を表面活性化処理により十分に除去することができるので、還元剤の照射は不要となり、より効率的に表面処理を行うことができる。 A surface treatment method for a metal region for bonding a chip having a chip-side bonding surface having one or a plurality of metal regions according to the present invention provides a chip in which an oxide is formed on the surface of a metal region. Removing the oxide formed on the surface of the metal region by polishing to expose the surface of the metal region; and in a non-oxidizing atmosphere, the surface of the metal region is And a step of performing a surface activation treatment by causing particles having a predetermined kinetic energy to collide with each other and a step of applying a hydrophilic treatment by adhering water. According to the present invention, since the thickness of the oxide on the surface of the metal region can be reduced by polishing, the remaining oxide can be sufficiently removed by the surface activation treatment. It becomes unnecessary and surface treatment can be performed more efficiently.
本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、一つ又は複数の金属領域を有する基板側接合面を有する基板に接合するための方法は、チップ側金属領域の表面に酸化物が形成された複数のチップを準備するステップと、チップ側金属領域の表面に形成された酸化物を研磨することで除去し、チップ側金属領域の表面を露出させるステップと、非酸化雰囲気中で、チップ側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、非酸化雰囲気中で、基板側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行い、かつ水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、親水化処理が行われたチップ側金属領域が親水化処理が行われた基板側金属領域に接触するように、複数のチップを一つずつ対応する基板の基板側接合面に取り付けて、複数のチップと基板とを含む構造体を形成するステップと、複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するステップと、を備えるようにしたものである。本願発明によれば、研磨により金属領域の表面の酸化物の厚さを薄くすることができるので、残った酸化物を表面活性化処理により十分に除去することができるので、還元剤の照射は不要となり、より効率的にチップを基板に接合することができる。 According to the present invention, a method for bonding a plurality of chips having a chip-side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate having a substrate-side bonding surface having one or a plurality of metal regions is a chip. Preparing a plurality of chips in which an oxide is formed on the surface of the side metal region; and removing the oxide formed on the surface of the chip side metal region by polishing to expose the surface of the chip side metal region A step of performing a surface activation treatment by colliding particles having a predetermined kinetic energy against the surface of the chip-side metal region in a non-oxidizing atmosphere, and a step of performing a hydrophilic treatment by adhering water. In a non-oxidizing atmosphere, surface activation treatment is performed by causing particles having a predetermined kinetic energy to collide with the surface of the substrate-side metal region, and water is attached. The step of performing the hydrophilization treatment, and the plurality of chips one by one on the corresponding substrate so that the chip-side metal region subjected to the hydrophilization treatment contacts the substrate-side metal region subjected to the hydrophilization treatment. It is attached to a board | substrate side joining surface, The step which forms the structure containing a some chip | tip and a board | substrate, and the step which heats the structure containing a some chip | tip and a board | substrate are provided. According to the present invention, since the thickness of the oxide on the surface of the metal region can be reduced by polishing, the remaining oxide can be sufficiently removed by the surface activation treatment. It becomes unnecessary, and the chip can be bonded to the substrate more efficiently.
本願発明によれば、複数のチップの基板の基板側接合面への取付けが大気中で行われるようにしたものである。これにより、仮接合をするための装置を簡易な構成とすることができる。 According to the present invention, attachment of a plurality of chips to the substrate-side bonding surface is performed in the atmosphere. Thereby, the apparatus for temporary joining can be made into a simple structure.
本願発明によれば、表面処理方法が行われるまでは酸化から保護されている金属領域から、非酸化雰囲気中で新生表面を露出させ、露出した新生表面の酸化を回避しつつ、この新生表面に対して表面活性化処理と親水化処理とが行われることで、清浄でかつ酸化速度が十分に遅く、すなわち大気などの雰囲気中でも安定な接合面を形成することができる。これにより、本願発明に係る表面処理の前後においてチップを大気中に保持することが可能となるので、その結果、真空などを要さない簡易な接合装置を用いて、表面処理後の時間に依存しない安定した仮接合を行うことができる。さらに、水等の接合面に付着され仮接合に寄与した物質は、本接合の際に消滅するので、最終製品において、チップと基板との間に清浄な接合界面を形成し、良好な導電性と高い機械的強度を有するチップと基板とを含む構造体を製造することができる。したがって、多数のチップに亘り均一に、高性能な接合界面を高い生産効率で形成しつつ、多数のチップを基板上に実装することができるという効果を奏する。 According to the present invention, a new surface is exposed in a non-oxidizing atmosphere from a metal region that is protected from oxidation until the surface treatment method is performed, and the exposed new surface is prevented from being oxidized while being exposed to the new surface. On the other hand, by performing the surface activation treatment and the hydrophilization treatment, it is possible to form a clean joint surface that is clean and has a sufficiently low oxidation rate, that is, even in an atmosphere such as air. This makes it possible to hold the chip in the atmosphere before and after the surface treatment according to the present invention, and as a result, using a simple bonding device that does not require a vacuum or the like, depends on the time after the surface treatment. Stable temporary joining can be performed. In addition, substances that have adhered to the bonding surface such as water and contributed to the temporary bonding disappear during the main bonding, so a clean bonding interface is formed between the chip and the substrate in the final product, and good conductivity is achieved. And a structure including a chip and a substrate having high mechanical strength can be manufactured. Therefore, there is an effect that a large number of chips can be mounted on a substrate while forming a high-performance bonding interface uniformly over a large number of chips with high production efficiency.
以下、添付の図面を参照して本願発明に係る実施形態を説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
<1.第1の実施形態>
<1.1 接合方法>
本願発明の第1の実施形態を、図1から図3を参照して説明する。図1は、本願発明の第1の実施形態に係る、チップを基板へ接合するためのチップ側接合面の金属領域の表面処理方法を示すフローチャートである。図2は、本願発明の第1の実施形態に係る、表面処理方法の処理過程を模式的に示す断面図である。図3は、本願発明の第1の実施形態に係る表面処理を行うための表面処理システムの概略構成を示す正面図である。
<1. First Embodiment>
<1.1 Joining method>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a flowchart showing a surface treatment method for a metal region of a chip-side bonding surface for bonding a chip to a substrate according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the treatment process of the surface treatment method according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a front view showing a schematic configuration of the surface treatment system for performing the surface treatment according to the first embodiment of the present invention.
工程S1では、チップ側接合面に形成されたチップ側金属領域2の表面に気化性材料3が塗布されたチップ1を準備する(図2(a))。工程S2では、非酸化雰囲気4の中で、気化性材料3を気化させることで、チップ側接合面の金属領域の表面を露出させる(図2(b))。工程S3では、工程S2から連続して、非酸化雰囲気4の中で、露出したチップ側接合面の金属領域の表面5に対して、所定の運動エネルギーを有する粒子6を衝突させることで表面活性化処理を行い(図2(c))、表面活性化処理が行われた金属領域の表面5に水7を付着させることで親水化処理を行う(図2(d))。
In step S1, the
工程S1で準備するチップの金属領域の表面に塗布される気化性材料は、熱や光の照射などにより与えられた熱エネルギーにより、又は酸素プラズマの照射により除去することができる材料であることが好ましい。 The vaporizable material applied to the surface of the metal region of the chip prepared in step S1 may be a material that can be removed by heat energy given by heat or light irradiation or by oxygen plasma irradiation. preferable.
気化性材料として、気化性防錆剤(VCI)を使用し、金属領域上に数十ナノメートル(nm)から数マイクロメートル(μm)程度の厚さとなるように塗布することが好ましい。接合の態様に応じて、適切な気化性防錆剤を採用することが好ましい。一般に、気化性防錆剤は、金属の酸化に対する保護剤として、数十日亘って防錆効果を示すように塗布されることができる。したがって、金属領域に気化性防錆剤が塗布されたチップは、大気中で長期間に亘り安定した状態で保管されうる。さらに、本願発明に係る表面処理によれば、この気化性防錆剤は十分に除去され、表面活性化処理と親水化処理を行うことにより、大気中で比較的安定でかつ清浄な金属領域の表面を形成することができる。 It is preferable to use a vaporizable rust preventive agent (VCI) as the vaporizable material and apply it on the metal region so as to have a thickness of about several tens of nanometers (nm) to several micrometers (μm). It is preferable to employ an appropriate vaporizable rust preventive agent depending on the bonding mode. In general, the vaporizable rust inhibitor can be applied as a protective agent against metal oxidation so as to exhibit a rust prevention effect over several tens of days. Therefore, the chip | tip with which the vaporizable rust preventive agent was apply | coated to the metal area | region can be stored in the stable state over a long period in air | atmosphere. Furthermore, according to the surface treatment according to the present invention, the vaporizable rust inhibitor is sufficiently removed, and by performing the surface activation treatment and the hydrophilic treatment, a relatively stable and clean metal region in the atmosphere is obtained. A surface can be formed.
気化性防錆材として、ベンゾトリアゾール(BTA:benzotriazole)、トリルトリアゾール(TTA:tolyltriazole (methyl benzotriazole))、ジシクロヘキシルアンモニウムナイトライト(ダイカン、DICHAN:dicyclohexyl ammonium nitrite)、ジシクロヘキシルアンモニウムサリシレート(DICHA・SA:dicyclohexyl ammonium salicylate)、モノエタノールアミンベンゾエート(MEA・BA:monoethanolamine benzoate)、ジシクロヘキシルアンモニウムベンゾエート(DICHA・BA:dicyclohexyl ammonium benzoate)、ジイソプロピルアンモニウムベンゾエート(DIPA・BA:diisopropyl ammonium benzoate)、ジイソプロピルアンモニウムナイトライト(ダイパン DIPAN:diisopropyl ammonium nitrite)、シクロヘキシルアミンカーバメイト(CHC:cyclohexylamine carbamate)、ニトロナフタレンアンモニウムナイトライト(ナイタン NITAN:nitro naphthalene ammonium nitrite)、シクロヘキシルアミンベンゾエート(CHA・BA:cyclohexylamine benzoate)、ジシクロヘキシルアンモニウムシクロヘキサンカルボキシレート(DICHA・CHC:dicyclohexyl ammonium cyclohexanecarboxylate)、シクロヘキシルアミンシクロヘキサンカルボキシレート(CHA・CHC:cyclohexylamine cyclohexane carboxylate)、ジシクロヘキシルアンモニウムアクリレート(DICHA・AA:dicyclohexyl ammonium acrylate)、シクロヘキシルアミンアクリレート(CHA・AA :cyclohexylamine acrylate)の群から選ばれることが好ましい。これらの気化性防錆材は、金属、特に銅(Cu)やハンダ材料のように酸化しやすい金属を、大気との接触による酸化から保護するために効果的である。 As a vaporizable rust preventive, benzotriazole (BTA: benzotriazole), tolyltriazole (TTA: methyl benzotriazole), dicyclohexylammonium dilite (CHI): dicyclohexyl ammonium dilite ammonium salicylate), monoethanolamine benzoate (MEA · BA: monoethanolamine benzoate), dicyclohexylammonium benzoate (DICHA · BA: dicycyclohexyl ammonium benzoate), diisopropyl Pyrammonium benzoate (DIPA / BA: diisopropammonium benzoate), diisopropylammonium nitrite (CHC): cyclohexanamine nitrite (CHC: cyclohexylamine nitrite) Cyclohexylamine benzoate (CHA · BA), dicyclohexylammonium cyclohexanecarboxylate (DICHA · CHC: dicyclohexyl am) cyclohexylamine cyclohexane carboxylate (CHA.CHC) is selected from cyclohexylamine cyclohexylate (CHA.CHC: cyclohexylamine acrylate). Dicyclohexylammonium acrylate (DICHA.AA: dicylcyclohexylamine). preferable. These vaporizable rust preventives are effective for protecting metals, particularly metals that are easily oxidized, such as copper (Cu) and solder materials, from oxidation due to contact with the atmosphere.
また、気化性材料として、アルカンチオールを使用してもよい。有機溶媒中にアルカンチオールを含む溶液に、金属領域を有するチップを数分から数十時間に亘り浸漬させることで、アルカンチオールからなる自己組織化分子(SAM、Self−Assembly−Molecule)膜を金属領域の表面に形成することができる。また、気体状のアルカンチオールを蒸着させることで、そのアルカンチオールの自己組織化分子(SAM)膜を金属領域の表面に形成させてもよい。これらの手法により、官能基であるチオール基(SH)が金属表面と化学結合を形成するとともに、隣接するアルキル鎖間に作用するファンデルワールス力により、配向性の高い単分子層の膜を金属表面に高い密度で形成させることができる。SAM膜を形成させることで、銅などの金属表面が酸素を含む大気などの雰囲気に暴露されたときの、表面酸化の速度を抑制することができる。 Moreover, you may use alkanethiol as a vaporizable material. By immersing a chip having a metal region in a solution containing an alkanethiol in an organic solvent for several minutes to several tens of hours, a self-assembled molecular (SAM) film made of alkanethiol (SAM, Self-Assembly-Molecular) film is formed. Can be formed on the surface. Further, by vapor-depositing gaseous alkanethiol, a self-assembled molecule (SAM) film of the alkanethiol may be formed on the surface of the metal region. By these methods, the thiol group (SH), which is a functional group, forms a chemical bond with the metal surface, and the van der Waals force acting between adjacent alkyl chains forms a highly oriented monolayer film. It can be formed at a high density on the surface. By forming the SAM film, the rate of surface oxidation when a metal surface such as copper is exposed to an atmosphere such as air containing oxygen can be suppressed.
アルカンチオールは、1又は複数の分岐鎖を有していてもよいが、CH3(CH2)n−1SHで表される直鎖状のアルカンチオールであることが好ましい。ここで、nは1から25であることが好ましく、さらには、nは5から15であることが好ましい。特に銅の金属領域に対しては、ヘキサンチオール(n=6)を用いることが好ましい。 The alkanethiol may have one or a plurality of branched chains, but is preferably a linear alkanethiol represented by CH 3 (CH 2 ) n-1 SH. Here, n is preferably 1 to 25, and n is preferably 5 to 15. In particular, hexanethiol (n = 6) is preferably used for a copper metal region.
アルカンチオールは、1又は複数の置換基を有していてもよい。置換基として、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、カルボキシル基、アミノ基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、エステル基、ニトリル基、アミド基、メルカプト基、ハロゲン基、フェロセニル基、ヒドロキノン基、ピリジル基、パラヒドロキシフェニル基などが挙げられる。しかし、置換基はこれに限定されず、上記気化材料が自己組織化分子(SAM)膜としての機能を有し、金属領域の酸化の速度を抑制するものであればよい。 The alkanethiol may have one or more substituents. Substituents include alkenyl, alkynyl, aryl, carboxyl, amino, hydroxyl, alkoxy, ester, nitrile, amide, mercapto, halogen, ferrocenyl, hydroquinone, pyridyl, para Examples thereof include a hydroxyphenyl group. However, the substituent is not limited to this, and any material may be used as long as the vaporizing material has a function as a self-assembled molecule (SAM) film and suppresses the oxidation rate of the metal region.
有機溶媒は、エタノールが好ましいが、これに限定されない。例えば、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ベンゼンなどの芳香族炭化水素類などを用いることができる。金属領域を構成する金属の種類や反応温度などに応じて溶媒を適宜選択することが好ましい。 The organic solvent is preferably ethanol, but is not limited thereto. For example, alcohols such as methanol and ethanol, aromatic hydrocarbons such as benzene, and the like can be used. It is preferable to select a solvent as appropriate according to the type of metal constituting the metal region, the reaction temperature, and the like.
<気化性材料の除去>
工程S2では、非酸化雰囲気4の中で、気化性材料を気化させることで、チップ側接合面の金属領域の表面を露出させる。
<Removal of vaporizable material>
In step S2, the surface of the metal region of the chip-side bonding surface is exposed by vaporizing the vaporizable material in the
本願において非酸化雰囲気とは、露出させた金属領域の表面を酸化しない雰囲気、又は露出させた金属領域の表面の酸化を抑制する雰囲気を意味する。もし、気化性材料を気化させる最中あるいは後に、酸化雰囲気に接することで、露出した金属領域の表面上に酸化物が形成されると、接合が完了した後にも、この酸化物が接合界面に残留する場合がある。残留した酸化物は、形成された接合界面における導電性や機械的強度などの特性を低下させる。すなわち、上記非酸化雰囲気は、最終的に形成された接合界面において十分な導電性及び機械的強度が得られる程度に、気化性材料の気化後に露出した金属領域の酸化を抑制する雰囲気であることを意味する。 In the present application, the non-oxidizing atmosphere means an atmosphere that does not oxidize the surface of the exposed metal region, or an atmosphere that suppresses oxidation of the surface of the exposed metal region. If an oxide is formed on the surface of the exposed metal region by contact with an oxidizing atmosphere during or after vaporizing the vaporizable material, the oxide will remain at the bonding interface even after the bonding is completed. May remain. The remaining oxide deteriorates properties such as conductivity and mechanical strength at the formed bonding interface. That is, the non-oxidizing atmosphere is an atmosphere that suppresses oxidation of the metal region exposed after vaporization of the vaporizable material to such an extent that sufficient conductivity and mechanical strength can be obtained at the finally formed bonding interface. Means.
非酸化雰囲気は、工程S1の開始から工程S2における表面活性化処理が開始されるまでの時間における、非酸化雰囲気に含まれる酸素や水などの水酸化基を含むガスを含むガスへの暴露量が、1L(ラングミュア)又は1Torr×s程度あるいはそれ以下であるように形成されることが好ましい。 The non-oxidizing atmosphere is the amount of exposure to a gas containing a gas containing a hydroxyl group such as oxygen or water contained in the non-oxidizing atmosphere in the time from the start of step S1 to the start of the surface activation process in step S2. However, it is preferably formed so as to be about 1 L (Langmuir), 1 Torr × s or less.
非酸化雰囲気は、工程S1においてチップ周りの雰囲気を真空ポンプなどにより真空にすることにより形成されることが好ましい。これにより、露出した金属領域の表面に気化した材料が付着する量を最小限に抑えることができる。この際の真空度は、1×10−5Pa以下であることが好ましい。また、真空ポンプなどによりチップ周りの雰囲気を真空引きすることで、気化した材料は気化後にチップ周りの雰囲気から排気されるので、金属領域の表面への気化した材料の付着量をさらに下げることができる。 The non-oxidizing atmosphere is preferably formed by evacuating the atmosphere around the chip with a vacuum pump or the like in step S1. As a result, the amount of vaporized material adhering to the surface of the exposed metal region can be minimized. The degree of vacuum at this time is preferably 1 × 10 −5 Pa or less. In addition, by evacuating the atmosphere around the chip with a vacuum pump or the like, the vaporized material is exhausted from the atmosphere around the chip after vaporization, which further reduces the amount of vaporized material attached to the surface of the metal region. it can.
また、非酸化雰囲気は、工程S1においてチップ周りの雰囲気に、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを導入することで形成されるようにしてもよい。これにより、気化材料の気化を非酸化雰囲気中で行うとともに、低真空又は大気圧下で気化を行いので、高真空の必要性がなくなり真空システムを簡易に構成することができる。 The non-oxidizing atmosphere may be formed by introducing an inert gas such as nitrogen or argon into the atmosphere around the chip in step S1. As a result, vaporization of the vaporized material is performed in a non-oxidizing atmosphere, and vaporization is performed under low vacuum or atmospheric pressure. Therefore, the need for high vacuum is eliminated and a vacuum system can be easily configured.
この際、導入した不活性ガスを導入流量と対応する量だけ、チップ周りの雰囲気から、排気することが好ましい。これにより、気化した材料が不活性ガスとともにチップ周り雰囲気から排気されるので、金属領域の表面への気化した材料の再付着量をさらに下げることができる。 At this time, it is preferable to exhaust the introduced inert gas from the atmosphere around the chip by an amount corresponding to the introduction flow rate. Thereby, since the vaporized material is exhausted from the atmosphere around the chip together with the inert gas, the reattachment amount of the vaporized material to the surface of the metal region can be further reduced.
気化性材料は、加熱することで気化し金属領域の表面から除去されうる。気化性材料には、摂氏30度(30℃)付近の比較的低い温度で気化を開始する材料がある。しかしながら、このような気化性材料においても、より高い温度に加熱することで、気化速度が高くなり、短時間で十分に気化性材料を気化させることができる。これにより、当該気化性材料の金属領域表面における残渣の量を少なくすることができる。気化性材料の加熱温度は、当該気化性材料の気化特性に応じて設定される。 The vaporizable material can be vaporized and removed from the surface of the metal region by heating. The vaporizable material includes a material that starts vaporization at a relatively low temperature around 30 degrees Celsius (30 ° C.). However, even in such a vaporizable material, the vaporization rate is increased by heating to a higher temperature, and the vaporizable material can be sufficiently vaporized in a short time. Thereby, the quantity of the residue in the metal area | region surface of the said vaporizable material can be decreased. The heating temperature of the vaporizable material is set according to the vaporization characteristics of the vaporizable material.
気化性材料の気化のために、気化性材料を摂氏150度(200℃)から摂氏300度(300℃)程度の温度で数分から数十分に亘り加熱することが好ましい。たとえば、気化性材料として気化性防錆剤であるBTAを使用する場合、摂氏150度以上に加熱するのが好ましい。特に摂氏250度で10分程度に亘り金属領域を加熱することで、十分にBTAを除去することができる。また、たとえば気化性材料として、ヘキサンチオールを使用する場合、摂氏150度以上に加熱するのが好ましい。特に摂氏200度以上で10分程度に亘り加熱することが好ましい。 In order to vaporize the vaporizable material, the vaporizable material is preferably heated at a temperature of about 150 degrees Celsius (200 ° C.) to about 300 degrees Celsius (300 ° C.) for several minutes to several tens of minutes. For example, when BTA which is a vaporizable rust preventive agent is used as the vaporizable material, it is preferable to heat to 150 degrees Celsius or higher. In particular, BTA can be sufficiently removed by heating the metal region for about 10 minutes at 250 degrees Celsius. For example, when hexanethiol is used as the vaporizable material, it is preferably heated to 150 degrees Celsius or higher. In particular, it is preferable to heat at about 200 degrees Celsius for about 10 minutes.
気化性材料の気化は、熱又は光を照射して気化性材料を加熱することで行うことができる。 The vaporizable material can be vaporized by heating the vaporizable material by irradiation with heat or light.
気化性材料へ熱を与える場合、たとえば、赤外線ランプにより赤外線を照射し、又は紫外線ランプにより紫外線を照射することにより行うことができる。 When heat is applied to the vaporizable material, it can be performed, for example, by irradiating infrared rays with an infrared lamp or irradiating ultraviolet rays with an ultraviolet lamp.
赤外線ランプは、ハロゲンランプなどを使用することで安価に構成することができる。また、ハロゲンランプは、赤外線(IR)、特に900nmから1600nmのいわゆる近赤外線領域の波長の光を発するので、水分子を含む材料を、効率よく熱することができる。 An infrared lamp can be configured at low cost by using a halogen lamp or the like. In addition, since the halogen lamp emits infrared light (IR), particularly light having a wavelength in the so-called near infrared region of 900 nm to 1600 nm, a material containing water molecules can be efficiently heated.
紫外線ランプは、典型的に400nm以下のいわゆる紫外線(UV)領域の波長の光を発するので、チップがシリコンなどの紫外線を吸収しやすい部材を有する場合は、効率よく熱することができる。またエキシマレーザを用いることで150nm程度の波長の極端紫外線(EUV)を照射してもよい。 Since the ultraviolet lamp typically emits light having a wavelength in a so-called ultraviolet (UV) region of 400 nm or less, if the chip has a member that easily absorbs ultraviolet rays such as silicon, it can be heated efficiently. Further, extreme ultraviolet (EUV) having a wavelength of about 150 nm may be irradiated by using an excimer laser.
高速熱処理(RTA、RTP)に対応した赤外線ランプや紫外線ランプを用いることで、短時間で気化性材料を気化させることが可能になり、チップへの加熱時間を短くすることで、チップの特性の変化と、気化工程中の露出した金属領域の汚染とを最小限に抑えることができる。 By using an infrared lamp or ultraviolet lamp compatible with rapid thermal processing (RTA, RTP), it becomes possible to vaporize the vaporizable material in a short time, and by shortening the heating time to the chip, the characteristics of the chip can be reduced. Changes and contamination of exposed metal areas during the vaporization process can be minimized.
また、チップ側接合面と反対側の面を加熱された部材を接触させることで、チップを加熱してもよい。たとえば、チップを支持する支持体にヒータを設け、このヒータによりチップを加熱してもよい。 Alternatively, the chip may be heated by bringing a heated member into contact with the surface opposite to the chip-side bonding surface. For example, a heater may be provided on a support that supports the chip, and the chip may be heated by this heater.
気化性材料は、化学的に除去されてもよい。たとえば、有機物を分解し除去する酸素プラズマを照射することで、有機物を主たる成分とする気化性材料を金属領域の表面から除去することができる。 The vaporizable material may be removed chemically. For example, by irradiating oxygen plasma that decomposes and removes the organic matter, the vaporizable material containing the organic matter as a main component can be removed from the surface of the metal region.
<表面活性化処理及び親水化処理>
工程S3では、工程S2から連続して、非酸化雰囲気4の中で、露出したチップ側接合面の金属領域の表面5に対して、表面活性化処理と親水化処理とを行う。
<Surface activation treatment and hydrophilic treatment>
In step S3, a surface activation treatment and a hydrophilization treatment are performed on the
工程S2により気化性材料が除去されて露出した金属領域の表面5を、非酸化雰囲気4中に保ったまま、連続して、工程S3で表面活性化処理及び親水化処理を行うことで、金属領域を形成する材料の新生表面上に水酸基が形成され、又はさらには水の層7を形成することができる。これらの水酸基の層や水の層7は、金属領域を形成する材料の酸素などの酸化性のあるガスとの接触を最低限に抑制し、したがって酸化の速度を十分に遅くすることができ、金属領域の接合面を長時間に亘り安定に保持することができる。
By continuously performing the surface activation treatment and the hydrophilization treatment in step S3 while keeping the
工程S2から工程S3を非酸化雰囲気中で連続して行うことで、酸化を抑える気化性材料が塗布された金属領域の表面を、清浄かつ安定な状態の表面にすることで、最終的に十分な導電性と機械的強度を有する接合界面を効率よく形成することが可能になる。 By continuously performing steps S2 to S3 in a non-oxidizing atmosphere, the surface of the metal region coated with the vaporizable material that suppresses oxidation is finally made sufficiently clean by making it a clean and stable surface. It is possible to efficiently form a bonding interface having excellent conductivity and mechanical strength.
<表面活性化処理>
工程S2において、チップ側接合面に、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで表面活性化処理を行う。
<Surface activation treatment>
In step S2, a surface activation process is performed by causing particles having a predetermined kinetic energy to collide with the chip-side bonding surface.
所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させて、接合面を形成する物質を物理的に弾き飛ばす現象(スパッタリング現象)を生じさせることで、表面層を除去することができる。 The surface layer can be removed by causing a phenomenon (sputtering phenomenon) in which particles having a predetermined kinetic energy collide to physically blow off the material forming the bonding surface.
気化性材料は、塗布により金属表面に物理的に付着するだけでなく、金属と反応して有機酸塩の皮膜を形成するものと考えられている。たとえば、ベンゾトリアゾール(BTA)を銅(Cu)又は銅合金の防錆剤として用いた場合には、ベンゾトリアゾール(BTA)が銅(Cu)と反応して、Cu2Oなどの酸化銅を形成しつつ、その上にベンゾトリアゾール銅塩の皮膜がポリマー状に形成されると考えられている。したがって、工程S2において、気化性材料は大部分が気化により除去されるが、上記の皮膜の一部は完全に除去されない場合がある。さらには、少量の気化性材料が金属領域の表面に残存、または一度気化した気化性材料の一部が金属領域の表面に再び付着する場合がある。また気化性材料が除去された金属領域の表面には汚染物質や酸化物が形成されている場合がある。したがって、工程S2の後に、表面活性化処理を行うことで、このような金属領域の表面に残存する酸化物や再付着した気化性材料などを更に除去して、接合すべき物質の新生表面を露出させることができる。 It is believed that the vaporizable material not only physically adheres to the metal surface by coating, but also reacts with the metal to form an organic acid salt film. For example, when benzotriazole (BTA) is used as a rust inhibitor for copper (Cu) or a copper alloy, benzotriazole (BTA) reacts with copper (Cu) to form copper oxide such as Cu 2 O. However, it is believed that a film of benzotriazole copper salt is formed in a polymer form thereon. Therefore, in step S2, the vaporizable material is mostly removed by vaporization, but a part of the film may not be completely removed. Furthermore, a small amount of vaporizable material may remain on the surface of the metal region, or a part of the vaporizable material once vaporized may adhere to the surface of the metal region again. In some cases, contaminants and oxides are formed on the surface of the metal region from which the vaporizable material has been removed. Therefore, by performing a surface activation treatment after the step S2, the oxide remaining on the surface of the metal region, the re-deposited vaporizable material, and the like are further removed, and a new surface of the substance to be bonded is formed. Can be exposed.
表面活性化処理には、表面層を除去して接合すべき物質の新生表面を露出させるのみならず、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることで、露出された新生表面近傍の結晶構造を乱し、アモルファス化する作用もあると考えられている。アモルファス化した新生表面は、原子レベルの表面積が増え、より高い表面エネルギーを有するので、その後の親水化処理において結合される、単位表面積当たりの水酸基(OH基)の数が増加すると考えられる。これに対し、従来のウェット処理による表面の不純物の除去工程後に化学的に親水化処理する場合には、所定の運動エネルギーを有する粒子の衝突に起因する新生表面の物理的変化がないので、本願発明の接合方法に係る表面活性化処理に続く親水化処理は、この点で従来の親水化処理とは根本的に異なると考えられる。また、結晶構造が乱れ、アモルファス化した新生表面近傍の領域にある原子は、後述の本接合時の加熱処理の際に、比較的低い熱エネルギーで拡散しやすく、比較的低温での本接合プロセスを実現することができると考えられる。 In the surface activation treatment, not only the surface layer is removed to expose the nascent surface of the substance to be bonded, but also the crystal structure near the exposed nascent surface is collided with particles having a predetermined kinetic energy. It is thought that there is also an effect of disturbing and amorphizing. Since the amorphized new surface has a higher surface area at the atomic level and a higher surface energy, it is considered that the number of hydroxyl groups (OH groups) per unit surface area to be bonded in the subsequent hydrophilization treatment is increased. On the other hand, in the case of chemically hydrophilizing after the surface impurity removal step by conventional wet processing, there is no physical change of the nascent surface due to collision of particles having a predetermined kinetic energy. It is considered that the hydrophilization treatment following the surface activation treatment according to the bonding method of the invention is fundamentally different from the conventional hydrophilization treatment in this respect. In addition, atoms in the region near the nascent surface where the crystal structure is disordered and become amorphous easily diffuse with relatively low thermal energy during the heat treatment during the main bonding described later, and the main bonding process at a relatively low temperature. Can be realized.
表面活性化処理に用いる粒子として、例えば、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス又は不活性ガスを採用することができる。これらの希ガスは、衝突される接合面を形成する物質と化学反応を起こしにくいので、化合物を形成するなどして、接合面の化学的性質を大きく変化させることはない。また、比較的大きい質量を有しているので、効率的に、スパッタリング現象を生じさせることができ、新生表面の結晶構造を乱すことも可能になると考えられる。 As particles used for the surface activation treatment, for example, a rare gas or an inert gas such as neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), or xenon (Xe) can be employed. These rare gases are unlikely to cause a chemical reaction with a substance that forms a collision surface to be collided, so that a chemical property of the bonding surface is not greatly changed by forming a compound or the like. Further, since it has a relatively large mass, it is considered that a sputtering phenomenon can be efficiently generated and the crystal structure of the nascent surface can be disturbed.
表面活性化処理に用いる粒子として、酸素のイオン、原子、分子などを採用することもできる。酸素イオン等を用いて表面活性化処理を行うことで、表面層を除去した後に新生表面上を酸化物の薄膜で覆うことが可能になる。新生表面上の酸化物の薄膜は、その後の親水化処理における、水酸(OH)基の結合又は水の付着の効率を高めると考えられる。また、新生表面上に形成された酸化物の薄膜は、後述の本接合での加熱処理の際に、比較的容易に分解すると考えられる。 As particles used for the surface activation treatment, oxygen ions, atoms, molecules, and the like may be employed. By performing the surface activation treatment using oxygen ions or the like, it is possible to cover the new surface with an oxide thin film after removing the surface layer. The oxide thin film on the nascent surface is believed to enhance the efficiency of hydroxyl (OH) group bonding or water attachment in subsequent hydrophilization treatments. Further, it is considered that the oxide thin film formed on the nascent surface decomposes relatively easily during the heat treatment in the main bonding described later.
表面活性化される接合面に衝突させる粒子の運動エネルギーは、1eVから2keVであることが好ましい。上記の運動エネルギーにより、効率的に表面層におけるスパッタリング現象が生じると考えられる。除去すべき表面層の厚さ、材質などの性質、新生表面の材質などに応じて、上記運動エネルギーの範囲から所望の運動エネルギーの値を設定することもできる。 It is preferable that the kinetic energy of particles colliding with the surface to be surface activated is 1 eV to 2 keV. It is considered that the above kinetic energy efficiently causes a sputtering phenomenon in the surface layer. A desired value of kinetic energy can also be set from the above kinetic energy range according to the thickness of the surface layer to be removed, the properties such as the material, the material of the new surface, and the like.
表面活性化される接合面に衝突させる粒子には、粒子を接合面に向けて加速することで所定の運動エネルギーを与えることができる。 Predetermined kinetic energy can be applied to the particles that collide with the surface-activated joint surface by accelerating the particles toward the joint surface.
プラズマ発生装置を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることができる。複数のチップ又は基板などの接合面に対して、交番電圧を印加することで、接合面の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の電離した粒子の陽イオンを、上記電圧により接合面に向けて加速させることで、所定の運動エネルギーを与える。プラズマは数パスカル(Pa)程度の低真空度の雰囲気で発生させることができるので、真空システムを簡易化でき、かつ真空引きなどの工程を短縮化することができる。 Predetermined kinetic energy can be imparted to the particles using a plasma generator. By applying an alternating voltage to the bonding surfaces of a plurality of chips or substrates, a plasma containing particles is generated around the bonding surfaces, and the cations of the ionized particles in the plasma are bonded to the bonding surfaces by the voltage. A predetermined kinetic energy is given by accelerating toward. Since the plasma can be generated in an atmosphere with a low degree of vacuum of about several pascals (Pa), the vacuum system can be simplified and the steps such as evacuation can be shortened.
接合面から離間された位置に配置された、中性原子ビーム源、イオンビーム源などの粒子ビーム源を用いて、粒子に所定の運動エネルギーを与えることもできる。所定の運動エネルギーが付与された粒子は、粒子ビーム源から複数のチップ又は基板などの接合面に向けて放射される。 A particle beam source such as a neutral atom beam source or an ion beam source disposed at a position separated from the bonding surface can be used to give a predetermined kinetic energy to the particles. Particles to which a predetermined kinetic energy is applied are emitted from a particle beam source toward bonding surfaces such as a plurality of chips or substrates.
粒子ビーム源は、例えば1×10−5Pa(パスカル)以下などの、比較的高い真空中で作動するので、表面活性化処理後に、新生表面の不要な酸化や新生表面への不純物の付着などを防ぐことができる。さらに、粒子ビーム源は、比較的高い加速電圧を印加することができるので、高い運動エネルギーを粒子に付与することができる。したがって、効率良く表面層の除去及び新生表面のアモルファス化を行うことができると考えられる。 Since the particle beam source operates in a relatively high vacuum, such as 1 × 10 −5 Pa (pascal) or less, for example, unnecessary oxidation of the nascent surface or adhesion of impurities to the nascent surface after the surface activation treatment, etc. Can be prevented. Furthermore, since the particle beam source can apply a relatively high acceleration voltage, high kinetic energy can be imparted to the particles. Therefore, it is considered that the removal of the surface layer and the amorphization of the new surface can be performed efficiently.
中性原子ビーム源としては、高速原子ビーム源(FAB,Fast Atom Beam)を用いることができる。高速原子ビーム源(FAB)は、典型的には、ガスのプラズマを発生させ、このプラズマに電界をかけて、プラズマから電離した粒子の陽イオンを摘出し電子雲の中を通過させて中性化する構成を有している。この場合、例えば、希ガスとしてアルゴン(Ar)の場合、高速原子ビーム源(FAB)への供給電力を、1.5kV(キロボルト)、15mA(ミリアンペア)に設定してもよく、あるいは0.1から500W(ワット)の間の値に設定してもよい。たとえば、高速原子ビーム源(FAB)を100W(ワット)から200W(ワット)で稼動してアルゴン(Ar)の高速原子ビームを2分ほど照射すると、接合面の上記残存気化性材料、酸化物、汚染物等(表面層)は除去され、新生表面を露出させることができる。 As the neutral atom beam source, a fast atom beam source (FAB, Fast Atom Beam) can be used. Fast atom beam sources (FABs) typically generate a plasma of gas, apply an electric field to the plasma, extract the cations of particles ionized from the plasma, and pass them through an electron cloud. It has the composition which becomes. In this case, for example, when argon (Ar) is used as the rare gas, the power supplied to the fast atom beam source (FAB) may be set to 1.5 kV (kilovolt), 15 mA (milliampere), or 0.1 To a value between 500 W (watts). For example, when a fast atom beam source (FAB) is operated from 100 W (watt) to 200 W (watt) and irradiated with a fast atom beam of argon (Ar) for about 2 minutes, the residual vaporizable material, oxide, Contaminants and the like (surface layer) are removed, and the new surface can be exposed.
本願発明において、表面活性化に用いられる粒子は、中性原子又はイオンでもよく、さらには、ラジカル種でもよく、またさらには、これらが混合した粒子群でもよい。 In the present invention, the particles used for surface activation may be neutral atoms or ions, may be radical species, and may be a particle group in which these are mixed.
各プラズマ又はビーム源の稼動条件、又は粒子の運動エネルギーに応じて、表面層の除去速度は変化しえる。そこで、表面活性化処理に必要な処理時間を調節する必要がある。たとえば、オージェ電子分光法(AES,Auger Electron Spectroscopy)やX線光電子分光法(XPS,X−ray Photo Electron Spectroscopy)などの表面分析法を用いて、表面層に含まれる酸素や炭素の存在が確認できなくなる時間又はそれより長い時間を、表面活性化処理の処理時間として採用してもよい。 Depending on the operating conditions of each plasma or beam source, or the kinetic energy of the particles, the removal rate of the surface layer can vary. Therefore, it is necessary to adjust the treatment time required for the surface activation treatment. For example, the presence of oxygen and carbon contained in the surface layer is confirmed using surface analysis methods such as Auger Electron Spectroscopy (AES) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). You may employ | adopt the time which becomes impossible or longer than it as a processing time of a surface activation process.
表面活性化処理において接合面をアモルファス化するためには、粒子の照射時間を、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な時間より、長く設定してもよい。長くする時間は、10秒から15分、あるいは、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な時間の5%以上に設定してもよい。表面活性化処理において接合面をアモルファス化するための時間は、接合面を形成する材料の種類、性質、及び所定の運動エネルギーを有する粒子の照射条件によって適宜設定してもよい。 In order to make the bonding surface amorphous in the surface activation treatment, the particle irradiation time may be set longer than the time necessary for removing the surface layer and exposing the new surface. The lengthening time may be set to 10 to 15 minutes, or 5% or more of the time required for removing the surface layer and exposing the new surface. The time for making the bonding surface amorphous in the surface activation treatment may be appropriately set according to the type and nature of the material forming the bonding surface and the irradiation conditions of particles having a predetermined kinetic energy.
表面活性化処理において接合面をアモルファス化するためには、照射される粒子の運動エネルギーは、表面層を除去し新生表面を露出させるために必要な運動エネルギーより、10%以上高く設定されてもよい。表面活性化処理において接合面をアモルファス化するための粒子の運動エネルギーは、接合面を形成する材料の種類、性質、及び粒子の照射条件によって適宜設定してもよい。 In order to make the bonding surface amorphous in the surface activation treatment, the kinetic energy of the irradiated particles is set to be 10% or more higher than the kinetic energy necessary for removing the surface layer and exposing the new surface. Good. The kinetic energy of the particles for making the bonding surface amorphous in the surface activation treatment may be appropriately set depending on the type and property of the material forming the bonding surface and the irradiation conditions of the particles.
ここで、「アモルファス化した表面」又は「結晶構造が乱れた表面」とは、具体的に表面分析手法を用いた測定により存在が確認されたアモルファス層又は結晶構造が乱れた層を含むとともに、粒子の照射時間を比較的長く設定した場合、又は粒子の運動エネルギーを比較的高く設定した場合に想定される結晶表面の状態を表現する概念的な用語であって、具体的に表面分析手法を用いた測定によりアモルファス層又は結晶構造が乱れた表面の存在が確認されていない表面をも含むものである。また、「アモルファス化する」又は「結晶構造を乱す」とは、上記アモルファス化した表面又は結晶構造が乱された表面を形成するための動作を概念的に表現したものである。 Here, the “amorphized surface” or “surface with disordered crystal structure” specifically includes an amorphous layer whose presence has been confirmed by measurement using a surface analysis technique or a layer with a disordered crystal structure, This is a conceptual term that expresses the state of the crystal surface assumed when the particle irradiation time is set to be relatively long or the particle kinetic energy is set to be relatively high. It includes a surface in which the presence of an amorphous layer or a surface having a disordered crystal structure is not confirmed by the measurement used. Also, “amorphize” or “disturb the crystal structure” conceptually represents the operation for forming the amorphized surface or the surface in which the crystal structure is disturbed.
<親水化処理>
工程S2において、親水化処理は、好ましくは、上記表面活性化処理の後に続けて、非酸化雰囲気中で行われる。しかし、表面活性化処理が完了する前に、親水化処理を開始してもよい。また、表面活性化処理と親水化処理を同時に行ってもよい。表面活性化処理が、親水化処理の完了後に行われなければ、表面活性化処理と親水化処理との時間上の前後関係は、所望の条件により調節することができる。
<Hydrophilic treatment>
In step S2, the hydrophilization treatment is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere following the surface activation treatment. However, the hydrophilic treatment may be started before the surface activation treatment is completed. Moreover, you may perform a surface activation process and a hydrophilization process simultaneously. If the surface activation treatment is not performed after completion of the hydrophilic treatment, the temporal relationship between the surface activation treatment and the hydrophilic treatment can be adjusted according to desired conditions.
接合面の親水化処理により、表面活性化処理が行われた金属領域の表面に水が付着することで、当該表面に水酸基(OH基)からなる層が形成されると考えられている。水の付着量を増やすことで、当該水酸基(OH基)の層上に水分子がさらに付着してもよい。 It is considered that a layer composed of a hydroxyl group (OH group) is formed on the surface of the metal region that has been subjected to the surface activation treatment by the hydrophilic treatment of the bonding surface, so that water adheres to the surface. By increasing the amount of water attached, water molecules may further adhere to the hydroxyl group (OH group) layer.
水酸化処理により、接合面に酸化物が形成されることもある。しかし、酸化物は、比較的薄い(例えば、数nm又は数原子層以下)ので、本接合の際の加熱処理において、金属材料内で吸収され、又は水として接合界面から外側へ逃げるなどして、消滅あるいは減少すると考えられる。したがって、この場合、チップと基板との間の接合界面を介した導電性には実用上の問題が生じることはほぼないと考えられる。 An oxide may be formed on the joint surface by the hydroxylation treatment. However, since the oxide is relatively thin (for example, several nanometers or several atomic layers or less), it is absorbed in the metal material or escapes from the joint interface to the outside as water in the heat treatment during the main joining. It is considered to disappear or decrease. Therefore, in this case, it is considered that there is almost no practical problem in the conductivity through the bonding interface between the chip and the substrate.
親水化処理は、表面活性化された接合面に水を供給することにより行われる。当該水の供給は、上記表面活性化された接合面の周りの雰囲気に、水(H2O)を導入することで行うことができる。水は、気体状で(ガス状で、又は水蒸気として)導入されても、液体状(霧状)で導入されてもよい。さらに、水の付着の他の態様として、ラジカルやイオン化されたOHなどを付着させてもよい。しかし、水の導入方法はこれらに限定されない。 The hydrophilization treatment is performed by supplying water to the surface-activated joint surface. The water can be supplied by introducing water (H 2 O) into the atmosphere around the surface activated bonding surface. Water may be introduced in a gaseous state (in a gaseous state or as water vapor) or in a liquid state (a mist state). Furthermore, as another aspect of the attachment of water, radicals, ionized OH, or the like may be attached. However, the method of introducing water is not limited to these.
表面活性化された接合面の周りの雰囲気の湿度を制御することで、親水化処理の工程を制御することができる。当該湿度は、相対湿度として計算しても、絶対湿度として計算してもよく、又は他の定義を採用してもよい。 By controlling the humidity of the atmosphere around the surface activated bonding surface, the hydrophilization process can be controlled. The humidity may be calculated as relative humidity, may be calculated as absolute humidity, or other definitions may be employed.
気体状の水は、たとえば液体の水の中に窒素(N2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、酸素(O2)などのキャリアガスを通過させること(バブリング)で、気体状の水がキャリアガスに混合されて、表面活性化された接合面を有するチップ又は基板が配置された空間又はチャンバ内に導入されることが好ましい。 For example, gaseous water is formed by passing a carrier gas such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He), oxygen (O 2 ), etc. into liquid water (bubbling). Water is preferably mixed with the carrier gas and introduced into a space or chamber in which a chip or substrate having a surface activated bonding surface is disposed.
水の導入は、チップ側接合面と基板の接合部との少なくとも一方又は両方の周りの雰囲気における相対湿度を10%から90%となるように制御することが好ましい。 The introduction of water is preferably controlled so that the relative humidity in the atmosphere around at least one or both of the chip-side bonding surface and the bonding portion of the substrate is 10% to 90%.
たとえば、窒素(N2)又は酸素(O2)をキャリアガスとして気体状の水を導入する場合、上記チャンバ内の全圧を9.0x104Pa(パスカル)、すなわち0.89atm(アトム)とし、チャンバ内での気体状の水の量を、容積絶対湿度で8.6g/m3(グラム/立方メートル)又は18.5g/m3(グラム/立方メートル)、23℃(摂氏23度)の相対湿度でそれぞれ43%又は91%となるように制御することができる。 For example, when gaseous water is introduced using nitrogen (N 2 ) or oxygen (O 2 ) as a carrier gas, the total pressure in the chamber is set to 9.0 × 10 4 Pa (Pascal), that is, 0.89 atm (Atom). The amount of gaseous water in the chamber is 8.6 g / m 3 (grams / cubic meter) or 18.5 g / m 3 (grams / cubic meter) relative to 23 ° C. (23 degrees Celsius) in absolute humidity. The humidity can be controlled to be 43% or 91%, respectively.
また、チャンバ内の酸素(O2)の雰囲気中濃度を10%としてもよい。 Further, the atmospheric concentration of oxygen (O 2 ) in the chamber may be 10%.
親水化処理は、表面活性化処理された接合面を大気に曝すことなく、当該接合面に水を供給することが好ましい。例えば、表面活性化処理を行うチャンバと親水化処理を行うチャンバとを同一とするように構成されていてもよい。また、表面活性化処理を行うチャンバと親水化処理を行うチャンバとは、複数のチップ又は基板がそれらの間を大気に曝されることなく搬送されるように連結されて構成されていてもよい。これらの構成を採用して、表面活性化処理された接合面を大気に曝さないことで、接合面の望ましくない酸化や、接合面への不純物などの付着などを防ぐとともに、親水化処理をより容易に制御することができ、効率よく表面活性化処理の後に親水化処理を続けて実行することができる。 In the hydrophilic treatment, it is preferable to supply water to the joint surface without exposing the joint surface subjected to the surface activation treatment to the atmosphere. For example, the chamber for performing the surface activation process and the chamber for performing the hydrophilization process may be configured to be the same. Further, the chamber for performing the surface activation treatment and the chamber for carrying out the hydrophilic treatment may be configured to be connected so that a plurality of chips or substrates are conveyed between them without being exposed to the atmosphere. . By adopting these configurations, the surface activation treated bonding surface is not exposed to the atmosphere, thereby preventing unwanted oxidation of the bonding surface, adhesion of impurities, etc. to the bonding surface, and more hydrophilic treatment. It can be easily controlled, and the hydrophilic treatment can be carried out efficiently after the surface activation treatment.
また、親水化処理を行うために、所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入してもよい。大気をチャンバ内に導入する際には、望ましくない不純物の接合面への付着を防ぐために、当該大気が所定のフィルタを通過するように構成することが好ましい。所定の湿度を有するチャンバ外の大気を導入して親水化処理を行うことで、接合面の親水化処理を行う装置構成を簡略化することができる。 Further, in order to perform the hydrophilic treatment, air outside the chamber having a predetermined humidity may be introduced. When air is introduced into the chamber, it is preferable that the air passes through a predetermined filter in order to prevent unwanted impurities from adhering to the bonding surface. By introducing the atmosphere outside the chamber having a predetermined humidity and performing the hydrophilic treatment, the configuration of the apparatus for performing the hydrophilic treatment on the joint surface can be simplified.
また、水(H2O)の分子やクラスターなどを加速して、接合面に向けて放射してもよい。水(H2O)の加速に、上記表面活性化処理に用いる粒子ビーム源などを使用してもよい。この場合、上記バブリングなどで生成したキャリアガスと水(H2O)との混合ガスを、上記粒子ビーム源に導入することにより、水の粒子ビームを発生させ、親水化処理すべき接合面に向けて照射することができる。
Alternatively, water (H 2 O) molecules or clusters may be accelerated and radiated toward the bonding surface. The acceleration of the water (
親水化処理により形成された水酸基(OH基)の層又水酸基の層上に形成された水の層には、大気中の存在する酸素との接触による金属領域の酸化を最低限に抑制する働きがあると考えられる。 The hydroxyl layer (OH group) layer formed by the hydrophilization treatment or the water layer formed on the hydroxyl layer serves to minimize oxidation of the metal region due to contact with oxygen present in the atmosphere. It is thought that there is.
これにより、親水化処理が完了した金属領域の表面は、非酸化雰囲気から取り出し、大気中に曝したとしても、酸化されにくく安定である。よって、親水化処理が完了した金属領域の表面を数時間から数十時間に亘り大気中に放置した後でも、仮接合及び本接合を経て、最終製品において良好な接合界面を得ることができる。 Thereby, even if the surface of the metal area | region which completed the hydrophilization process is taken out from a non-oxidizing atmosphere and exposed to air | atmosphere, it is hard to be oxidized and is stable. Therefore, even after the surface of the metal region that has been subjected to the hydrophilization treatment is left in the air for several hours to several tens of hours, a good bonding interface can be obtained in the final product through temporary bonding and main bonding.
親水化処理が完了した金属領域を有するチップは、チップ毎に1秒から5秒で後述の仮接合をすることができる。したがって、1つの基板上に5000個のチップを一つずつ仮接合する場合に、チップ毎の仮接合の所要時間を5秒とすると、(5秒/チップ)×(5000チップ)=25000秒=約7時間ですべてのチップの仮接合が完了する。言い換えれば、最初のチップの仮接合と最後のチップの仮接合との間には、約7時間の時間差がある。 A chip having a metal region that has been subjected to a hydrophilic treatment can be temporarily joined to each chip in 1 to 5 seconds. Accordingly, when 5000 chips are temporarily bonded to one substrate one by one, assuming that the time required for temporary bonding for each chip is 5 seconds, (5 seconds / chip) × (5000 chips) = 25000 seconds = Temporary bonding of all the chips is completed in about 7 hours. In other words, there is a time difference of about 7 hours between the temporary bonding of the first chip and the temporary bonding of the last chip.
したがって、本願発明に係る表面処理方法によれば、1つの基板上に接合されるすべてのチップに対して親水化処理までの表面処理を1回のみ行うことで足りる。親水化処理を同時に行った複数のチップから、チップを一つずつ大気中で所定の基板上に仮接合することが可能になる。 Therefore, according to the surface treatment method according to the present invention, it is sufficient to perform the surface treatment up to the hydrophilic treatment only once for all the chips bonded on one substrate. From a plurality of chips subjected to hydrophilic treatment at the same time, the chips can be temporarily bonded onto a predetermined substrate in the air one by one.
親水化処理が完了した金属領域の表面は大気中でも安定であるので、親水化処理が完了した後は、大気などの酸化雰囲気でもチップについて後述の仮接合を行うことができる。これにより、仮接合を行う接合システムは、真空チャンバ内に配置する必要がないので、簡略に構成することができる。 Since the surface of the metal region for which the hydrophilic treatment has been completed is stable in the air, after the hydrophilic treatment has been completed, the temporary bonding described later can be performed on the chip even in an oxidizing atmosphere such as the air. Thereby, since the joining system which performs temporary joining does not need to be arrange | positioned in a vacuum chamber, it can be comprised simply.
<1.2 装置構成>
図3は、本願発明に係る表面処理方法を実施するための表面処理システム100の概略構成を示す図である。
<1.2 Device configuration>
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a
図3に示す第1真空容器101内には、複数のチップ1を支持する第1チップ支持体102と加熱手段として加熱ランプ103と、第1真空ポンプ104が設けられている。チップ支持体102は、複数のチップ1を支持できるように構成されることが好ましい。複数のチップ1から同時に気化性材料を除去することにより、表面処理の効率が向上する。加熱ランプ103は、所定の波長の光をチップに向けて照射するように構成されている。
In the
加熱ランプの種類、発する光の波長や強度、構造などの特性は、気化性材料の材質や厚さ、チップの材質や構造や、気化性材料除去チャンバ内の雰囲気などに応じて、選択又は設計される。 Characteristics such as the type of heating lamp, wavelength and intensity of emitted light, and structure are selected or designed according to the material and thickness of the vaporizable material, the material and structure of the chip, the atmosphere in the vaporizable material removal chamber, etc. Is done.
図3には、気化性材料を除去する手段として、所定の波長の光をチップに向けて照射する加熱ランプが記載されているが、これに限らない。例えば、第1チップ支持体102にヒータを埋め込み、このヒータが発する熱により第1チップ支持体を介してチップを加熱するように構成されてもよい。
FIG. 3 shows a heating lamp that irradiates light with a predetermined wavelength toward the chip as means for removing the vaporizable material, but is not limited thereto. For example, a heater may be embedded in the
第1真空容器101に接続された第1真空ポンプ104を作動させることで、第1真空容器101を真空引きとともに汚染物質や気化した材料をチャンバから除去することができる。これにより、第1真空容器101内の汚染物質や気化した材料が金属領域の表面に付着することを抑制することができる。
By operating the
また、第1真空容器101は、アルゴンや窒素などの不活性ガスが導入及び排気されるように構成されてもよい(図示せず)。不活性ガスを導入し排気させることで、低真空あるいは大気圧下で、第1真空容器101内の汚染物質や気化した材料を除去することができるので、真空システムを簡略化することができる。不活性ガスを導入することにより、加熱ランプからチップへの熱伝導を促進し、より均一にチップを加熱することができる。
The
第2真空容器106には、表面活性化処理手段としてプラズマ発生装置109とガス源112からガス量制御バルブ113を介して供給されたガスを第2真空容器106内へ導入するガス導入口114と、親水化処理手段として水蒸気を発生させる水蒸気源115と水蒸気源115から水蒸気制御バルブ116を介して供給された水蒸気を第2真空容器106内へ導入する水蒸気導入口117と、複数のチップ1を支持するともにプラズマ発生装置109の電極として機能する第2チップ支持体107と、第2真空ポンプ108とが設けられている。気化性材料が除去されたチップは、第1真空容器101と連結バルブ105で連結された第2真空容器106内に搬送され、第2チップ支持体107上に載置される。(搬送手段は図示せず。)第2真空容器106には第2真空ポンプ108が連結され、第2真空ポンプ108により第2真空容器106は真空引きされる。第1真空容器101から第2真空容器106へチップを搬送する際には、両真空容器において十分に真空引きされ非酸化雰囲気が維持された状態で、連結バルブ105を開けることが好ましい。
The
第1真空容器101内で気化した材料は、その大部分が第1真空ポンプ104により気化後に外部に排気されるが、それでも、少量の気化した材料が、第1真空容器101内の雰囲気中へ残存したり、第1真空容器101の内壁へ堆積し雰囲気中へ再度放出される場合がある。したがって、第2真空容器106と第1真空容器101から真空連結しつつ開閉可能に分離して構成することで、気化した材料を極力、第1真空容器101内に閉じ込め、第2真空容器106内の雰囲気に紛れ込まないようにすることができる。これにより、気化した材料による、表面活性化処理及び親水化処理中の金属領域表面の汚染を最低限に抑えることができる。
Most of the material vaporized in the
プラズマ発生装置109は、RF周波数で作動する交番電源110と、一方の電極として第2チップ支持体107と、載置されたチップを挟んで第2チップ支持体に対向し配置された他の電極111とを有して構成されている。プラズマ化されるガスが、ガス源112からガス量制御バルブ113を通って、上記一対の電極107、111の間に供給されるように、ガス導入口114から第2真空容器106内に導入される。
The
図3では、表面活性化処理手段として、プラズマ発生装置109が示されているが、これに限らない。たとえば、表面活性化手段として、中性原子ビーム源、イオンビーム源などの粒子ビーム源を用いてもよい。これららのビーム源が清浄かつ効率よく作動するために、第2真空ポンプ108は、第2真空容器106内の雰囲気を1×10―5Pa程度の圧力又はこれより低い圧力(高い真空度)に制御するように構成されることが好ましい。
In FIG. 3, the
第2真空容器106内の水の分圧又は湿度は、水蒸気源115での水蒸気の発生量、水蒸気制御バルブ116による水蒸気の導入量と、第2真空ポンプ108による排気量とを制御することで調整されることができる。
The partial pressure or humidity of water in the
水蒸気源115は、たとえば、液体状の水を蓄える水槽と、不活性ガスなどのキャリアガスを送り出すキャリアガス源とを有して構成され、キャリアガスを液体状の水を通るようにバブリングさせることでキャリアガスと水蒸気との混合ガスを発生させるように構成されることができる。あるいはまた、水蒸気源115は、熱により水を蒸発させることで形成された水蒸気をキャリアガスと混合させるように構成されてもよい。水蒸気源115は、これらに限定されず、様々な態様に構成されることができる。
The
図3では、本願発明に係る表面処理方法を実施するための表面処理システムは、2つの真空容器101及び106で構成されているが、これに限られない。1つの真空容器内部に、気化材料を加熱する手段、真空ポンプ、表面活性化処理手段、及び親水化処理手段を配置して、当該1つの真空容器内部で気化性材料の除去、表面活性化処理、及び親水化処理が行われるように構成されてもよい。
In FIG. 3, the surface treatment system for carrying out the surface treatment method according to the present invention is composed of two
次に、図4及び図5を参照して、仮接合及び本接合について説明する。 Next, with reference to FIG.4 and FIG.5, temporary joining and this joining are demonstrated.
<2. 仮接合>
工程S1からS3を経てチップ側接合面が表面活性化処理され親水化処理されたチップが、工程S4で、それぞれチップ1の金属領域の表面5が基板8の接合部9に接触するように、接合部上に取り付けられる。
<2. Temporary joining>
In step S4, the surface of the chip-side bonding surface that has been subjected to the surface activation treatment and the hydrophilization treatment through the steps S1 to S3 is such that the
基板の対応する接合部に対するチップの位置決めは、例えば、チップ側に複数の位置調節用マークを設け、基板の対応する接合部側に、対応する複数の位置調節用マークを設け、両方の位置調節用マークを互いに合わせることで行っても良い。両方の位置調節用マーク間のずれは、チップと基板とを透過する光を、チップ又は基板側から接合面に垂直方向に入射し、その反対側に設けたカメラにより撮像された、当該透過光による位置調節用マークの画像を観察することにより測定するように構成してもよい。これにより、例えば、±1μmの位置決め精度を得ることができる。さらに、位置決めが十分でなかった場合には、仮接合直後にチップを基板から一度離し、再度位置決めしてから仮接合を行うことを、所定の位置決め精度が得られるまで繰り返すこともできる。これにより、±0.2μmの位置決め精度を得ることができる。 For positioning of the chip with respect to the corresponding joint portion of the substrate, for example, a plurality of position adjustment marks are provided on the chip side, and a plurality of corresponding position adjustment marks are provided on the corresponding joint portion side of the substrate. This may be done by aligning the marks for use. The misalignment between both position adjustment marks is that the transmitted light that is transmitted through the chip and the substrate is incident on the bonding surface in the vertical direction from the chip or the substrate side and is imaged by the camera provided on the opposite side. You may comprise so that it may measure by observing the image of the position adjustment mark by. Thereby, for example, a positioning accuracy of ± 1 μm can be obtained. Furthermore, when the positioning is not sufficient, the chip is once separated from the substrate immediately after the temporary bonding, and the temporary bonding can be repeated after the positioning is performed again until a predetermined positioning accuracy is obtained. Thereby, positioning accuracy of ± 0.2 μm can be obtained.
チップ1の金属領域の表面5が接合される、基板8の接合部9は、金属で形成され、工程S4に先立ち表面活性化処理され親水化処理されることが好ましい。これにより、親水化処理されたチップの金属領域と基板の接合部とを十分な強度で仮接合することができる。さらには、チップの金属領域と基板の接合部とに清浄な表面を形成することで、最終製品において、不純物の含有量が低く、導電性及び接合強度が高い接合界面を形成することができる。
It is preferable that the
親水化処理が施されたチップ側接合面と基板の接合部とには、水酸(OH)基が形成され又は水10が付着しているため、取付け時(仮接合時)の接触により、水酸基又は水分子間に働く水素結合などの引力により仮接合される(図5(a))。
Hydroxyl (OH) groups are formed or
上記のチップの基板への取付けにより、チップ側接合面と基板の接合部とは、少なくとも、接合すべきチップのすべてが基板に取り付けられてから加熱処理が行われるまでの過程において、チップと基板とが仮接合することで構成される構造体が搬送される際や位置変換される際に、チップが基板から剥がれ落ちたり、チップが基板上の所定の取付け位置からずれたりすることがない十分な接合力で固定される。 By attaching the chip to the substrate, the chip-side bonding surface and the bonded portion of the substrate are at least in the process from when all of the chips to be bonded are mounted to the substrate until heat treatment is performed. When the structure that is formed by temporary bonding is transported or the position is changed, the chip does not peel off from the substrate or the chip does not deviate from the predetermined mounting position on the substrate. It is fixed with a strong bonding force.
接合すべき複数のチップをすべて基板に仮接合する間、当該複数のチップと基板の周りの雰囲気の湿度を所定の値に保つようにしてもよい。 While all of the plurality of chips to be bonded are temporarily bonded to the substrate, the humidity of the atmosphere around the plurality of chips and the substrate may be maintained at a predetermined value.
チップの金属領域が、銅(Cu)、金スズ(Au−Sn)合金や銀スズ(Ag−Sn)合金などのハンダ材料などの金属で、20μm(マイクロメータ)四方、高さ3μm(マイクロメータ)から10μm(マイクロメータ)のパッド状に形成されている場合は、パッドに対し0.5MPa(メガパスカル)から400MPa(メガパスカル)の圧力を、チップと基板とが互いに近接する方向に加えてもよい。 The metal region of the chip is a metal such as a solder material such as copper (Cu), gold tin (Au—Sn) alloy, silver tin (Ag—Sn) alloy, 20 μm (micrometer) square, 3 μm in height (micrometer) ) To 10 μm (micrometer) pad shape, a pressure of 0.5 MPa (megapascal) to 400 MPa (megapascal) is applied to the pad in the direction in which the chip and the substrate are close to each other. Also good.
上記パッドに対して加える圧力は、高すぎると塑性変形により金属領域同士が接触して短絡の原因となり、低すぎると所定の導電性又は接合強度を得ることができない場合がある。したがって、上記パッドに対して加える圧力は、金属領域の材料の機械的特性、形状、その後の本接合での加熱処理の条件などに応じて、調節される。 If the pressure applied to the pad is too high, the metal regions come into contact with each other due to plastic deformation, causing a short circuit. If the pressure is too low, the predetermined conductivity or bonding strength may not be obtained. Therefore, the pressure applied to the pad is adjusted according to the mechanical characteristics and shape of the material in the metal region, the conditions of the heat treatment in the subsequent main bonding, and the like.
上述の仮接合で得られた複数のチップと基板とを含む構造体を複数個まとめて加熱処理を行うことができる。これにより、本願発明は、本接合されたチップと基板とを含む構造体を、高い生産効率で製造できるという効果を奏する。さらに、チップと基板とが比較的強い水素結合で結合しているので、チップ実装システム内部で又は外部へ搬送されても、チップが基板からすべり落ち、又は剥がれ落ちる危険性は小さい。また、仮接合で得られた複数のチップと基板とを含む構造体は、比較的安定であるので、加熱処理まで数時間から数日までの間、大気中で保存することも可能である。したがって、任意のタイミングで、チップと基板とを含む構造体に加熱処理を行うことができる。 A plurality of structures including a plurality of chips and substrates obtained by the above temporary bonding can be subjected to heat treatment. Thereby, this invention has an effect that the structure containing the chip | tip and board | substrate which were this joined can be manufactured with high production efficiency. Further, since the chip and the substrate are bonded by a relatively strong hydrogen bond, even if the chip is transported inside or outside the chip mounting system, the risk that the chip slides or peels off from the substrate is small. In addition, since a structure including a plurality of chips and a substrate obtained by temporary bonding is relatively stable, it can be stored in the air for several hours to several days until heat treatment. Therefore, the heat treatment can be performed on the structure including the chip and the substrate at an arbitrary timing.
仮接合されるチップは、仮接合の前に供給されたチップに対して所定の検査を行い、良好と判断されたチップのみを選別するように構成されてもよい。これにより、検査により良好と判断されたチップのみを実装することにより、生産される最終製品の歩留まりを高めることができる。 The chips to be temporarily bonded may be configured to perform a predetermined inspection on the chips supplied before the temporary bonding and to select only the chips determined to be good. Thus, by mounting only chips that are determined to be good by inspection, the yield of the final product to be produced can be increased.
仮接合を行う装置は、図5に示す表面処理装置に連結して構成されてもよく、また図5に示す表面処理装置と別個な装置として構成されてもよい。(図示せず。) The apparatus that performs temporary bonding may be configured to be connected to the surface treatment apparatus illustrated in FIG. 5, or may be configured as a separate apparatus from the surface treatment apparatus illustrated in FIG. 5. (Not shown)
<3. 本接合>
工程S5では、工程S4で得られた複数のチップ1と基板8との構造体に加熱処理を行うことにより、チップと基板との間の所定の導電性(抵抗率)又は接合強度(機械的強度)を得ることができる(図5(b))。
<3. Main joining>
In step S5, predetermined electrical conductivity (resistivity) or bonding strength (mechanical) between the chip and the substrate is obtained by performing heat treatment on the structure of the plurality of
加熱処理中の最高温度は、100℃(摂氏100度)以上、チップ側金属領域5と基板側金属領域9とを形成する材料の融点未満の温度に設定することが好ましい。
The maximum temperature during the heat treatment is preferably set to a temperature of 100 ° C. (100 ° C.) or higher and lower than the melting point of the material forming the chip-
加熱処理中の最高温度を100℃(摂氏100度)以上に設定することで、接合界面11に含まれている水酸(OH)基又は水の多くが、接合界面外部に抜け出していくと考えられる。このとき、水が仮接合の界面から抜け出していく過程で、それまでは接触していなかった接合面同士が接触するようになり、実質的な接合界面が広がり、接合面積が大きくなると考えられる。また、本発明による表面活性化処理後に親水化処理された接合面を接合することで、従来の単純な親水化処理を用いた接合に要した400℃を超える温度での加熱は不要となり、150℃から250℃程度の温度の加熱で十分な接合強度を得ることができる。
By setting the maximum temperature during the heat treatment to 100 ° C. (100 degrees Celsius) or higher, it is considered that most of the hydroxyl (OH) groups or water contained in the
接合界面に含まれている水酸(OH)基又は水が接合界面まわりの材料中へ拡散しても、接合界面近傍の部位の電気的特性又は機械的特性が顕著に低下することはないと考えられる。 Even if the hydroxyl (OH) group or water contained in the bonding interface diffuses into the material around the bonding interface, the electrical or mechanical properties of the portion in the vicinity of the bonding interface are not significantly reduced. Conceivable.
また、本願の発明によれば、加熱処理中の最高温度を、チップ側金属領域5と基板側金属領域9とを形成する材料の融点未満に設定しても、十分な電気的特性及び機械的特性を得ることができる。従来の接合方法では、金属領域の表面に強固な酸化膜があると当該表面の近傍での原子の拡散が起こりにくかったが、本願発明は表面活性化処理に続いて親水化処理を行うことで、酸化膜がほぼない状態で金属領域の表面同士が接触しているので、本接合時に接合界面近傍での固相拡散が促進されると考えられる。その結果、それまでは接触していなかった接合面間の隙間を埋めることで、実質的な接合界面が広がり、接合面積が大きくなると考えられる。
Further, according to the invention of the present application, even if the maximum temperature during the heat treatment is set below the melting point of the material forming the chip-
また、加熱処理中の最高温度を、チップ側金属領域5と基板側金属領域9とを形成する材料の融点未満に設定して、固相拡散により本接合を行うことで、本接合における位置ずれをほぼなくすことができる。これにより、最終製品において、基板の接合部上の所定の位置に対するチップの位置決め精度を高くすることができ、例えば±1μm以下に抑えることが可能になる。
Further, the maximum temperature during the heat treatment is set to be lower than the melting point of the material forming the chip-
加熱処理中の最高温度を、チップ側金属領域5と基板側金属領域9とを形成する材料の融点以上に設定して本接合を行うと、仮接合で取り付けられた基板上の位置から、チップがずれることがあり得る。この位置ずれは、数μmになる場合がある。チップを本接合する際に位置ずれが生じると、ある金属領域が隣接する金属領域と接触するなどして、ショートの原因となる。また、接合面積が小さくなり、接合界面で生じる段差などにより、接合界面の接合強度が低下する場合がある。
When the maximum temperature during the heat treatment is set to be equal to or higher than the melting point of the material forming the chip-
上述のように、一例として、基板の対応する接合部に対するチップの位置決めは、チップ側と基板側とに設けられた位置調節用マークを、チップと基板とを透過する光を用いて、互いに合わせることで行われる。したがって、位置調節用マークを用いるなどしてチップを基板上の所定の位置に対して位置決めした上で仮接合を行い、さらに本接合において加熱温度をチップと基板との接合面を形成する材料の融点未満に設定することで、最終製品において、基板の接合部上の所定の位置に対するチップの位置決め精度を極めて高くすることができる。これにより、ショートなどの欠陥の発生を抑制するとともに、チップを積層基板上に積層して接合する場合でも、基板上における複数層に亘るチップの上下方向の位置決め精度を高く保つことができる。 As described above, as an example, the positioning of the chip with respect to the corresponding joint portion of the substrate is performed by aligning the position adjustment marks provided on the chip side and the substrate side with light transmitted through the chip and the substrate. Is done. Accordingly, the chip is positioned with respect to a predetermined position on the substrate by using a position adjustment mark or the like, and then temporary bonding is performed. Further, in the main bonding, the heating temperature is changed to a material for forming the bonding surface between the chip and the substrate. By setting the temperature below the melting point, the positioning accuracy of the chip with respect to a predetermined position on the bonding portion of the substrate can be extremely increased in the final product. Thereby, while suppressing generation | occurrence | production of defects, such as a short circuit, when stacking | stacking and joining a chip | tip on a laminated substrate, the positioning precision of the vertical direction of the chip over several layers on a board | substrate can be kept high.
たとえば、チップの金属領域と基板の接合部とが銅(Cu)で形成されている場合には、仮接合後のチップと基板との構造体を150℃(摂氏150度)で600秒間、加熱することで、高い導電率と接合強度とを有するチップと基板との構造体が得られる。 For example, when the metal region of the chip and the bonding portion of the substrate are formed of copper (Cu), the structure of the chip and the substrate after the temporary bonding is heated at 150 ° C. (150 degrees Celsius) for 600 seconds. Thus, a structure of a chip and a substrate having high conductivity and bonding strength can be obtained.
チップ側接合面と基板の接合部との金属領域が銅(Cu)で形成されている場合には、0.14MPa(メガパスカル)程度の圧力を接合界面に垂直な方向に加えることで十分な導電性及び機械的強度が得られる。 When the metal region between the chip-side bonding surface and the bonding portion of the substrate is formed of copper (Cu), it is sufficient to apply a pressure of about 0.14 MPa (megapascal) in the direction perpendicular to the bonding interface. Conductivity and mechanical strength are obtained.
従来、銅(Cu)と銅(Cu)とを直接接合するために、350℃(摂氏350度)程度での高温で、基板毎に数トンもの力を10分ほど保持することが必要だったが、本願発明において金属領域を形成する材料として銅を採用することで、低温、低圧、かつ高速に、所望の導電性及び機械的強度を有するチップと基板との構造体を製造することができる。 Conventionally, in order to directly bond copper (Cu) and copper (Cu), it has been necessary to maintain a force of several tons per substrate for about 10 minutes at a high temperature of about 350 ° C. (350 degrees Celsius). However, by adopting copper as a material for forming the metal region in the present invention, it is possible to manufacture a chip-substrate structure having desired conductivity and mechanical strength at low temperature, low pressure, and high speed. .
チップの各金属領域が、ニッケル(Ni)、金(Au)、スズ(Sn)、スズ―銀の合金、その他のハンダ材料などの金属で、20μm(マイクロメータ)四方、高さ3μm(マイクロメータ)から10μm(マイクロメータ)のパッド状に形成されている場合は、各パッドに対し0.5MPa(メガパスカル)から400MPa(メガパスカル)の圧力を加熱処理中に加えてもよい。 Each metal region of the chip is made of nickel (Ni), gold (Au), tin (Sn), tin-silver alloy, other solder materials, etc., 20 μm (micrometer) square, 3 μm high (micrometer) ) To 10 μm (micrometer) in the form of a pad, a pressure of 0.5 MPa (megapascal) to 400 MPa (megapascal) may be applied to each pad during the heat treatment.
加熱処理中の構造体周りの雰囲気は、大気でもよいが、金属領域の酸化を抑制するためには窒素又は希ガス雰囲気であることが好ましい。さらに、加熱処理中の構造体周りの雰囲気の湿度を調節又は抑制してもよい。 The atmosphere around the structure during the heat treatment may be air, but is preferably a nitrogen or rare gas atmosphere in order to suppress oxidation of the metal region. Further, the humidity of the atmosphere around the structure during the heat treatment may be adjusted or suppressed.
本願発明に係る仮接合と本接合とを有する接合方法を採用することで、COW実装の生産効率が従来の接合方法と比較して著しく向上する。例えば、チップ毎に対応する基板上の接合部に仮接合及び本接合をすることを繰り返し行い、所定の数のチップを基板上に実装する場合と比較することにより、本願発明の効果をよりよく理解することができる。 By adopting a bonding method having temporary bonding and main bonding according to the present invention, the production efficiency of COW mounting is remarkably improved as compared with the conventional bonding method. For example, by repeatedly performing temporary bonding and main bonding to the bonding portion on the substrate corresponding to each chip, and comparing with a case where a predetermined number of chips are mounted on the substrate, the effect of the present invention can be improved. I can understand.
1つの基板上に5000個のチップを接合する場合で比較する。
従来のようにチップ毎に仮接合と本接合とを繰り返す場合には、チップあたり60秒ほど掛かるといわれている。したがって、例えば、1つの基板上に5000個のチップを本接合するためには、(60秒/チップ)×(5000チップ)=300000秒=約83時間掛かる。チップ毎の仮接合及び本接合を10秒で行うとしても、1つの基板上に5000個のチップを本接合するためには、(10秒/チップ)×(5000チップ)=50000秒=約14時間掛かる。
The comparison is made when 5000 chips are bonded on one substrate.
It is said that it takes about 60 seconds per chip when temporary bonding and main bonding are repeated for each chip as in the past. Therefore, for example, it takes (60 seconds / chip) × (5000 chips) = 300000 seconds = about 83 hours to fully bond 5000 chips on one substrate. Even if temporary bonding and main bonding for each chip are performed in 10 seconds, in order to perform main bonding of 5000 chips on one substrate, (10 seconds / chip) × (5000 chips) = 50000 seconds = about 14 It takes time.
本願発明に係る接合方法によれば、チップ毎に1秒から5秒で仮接合をすることができる。したがって、1つの基板上に5000個のチップをチップ毎に1秒で仮接合する場合には、(1秒/チップ)×(5000チップ)=5000秒=約1.4時間で仮接合が完了する。よって、本接合を比較的低温で数時間行ったとしても、従来の方法と比較して著しく生産時間が短縮されることが理解できる。また、1つの基板上に5000個のチップをチップ毎に5秒で仮接合する場合には、(5秒/チップ)×(25000チップ)=5000秒=7時間で仮接合が完了する。したがって、上記の従来の接合方法を用いて仮接合及び本接合を行う場合の所要時間である14時間と比較しても、7時間未満で本接合を行えば、生産時間が短縮されることが理解される。本接合の所要時間は、加熱の温度に依存するものの、7時間未満とすることは可能である。 According to the bonding method according to the present invention, temporary bonding can be performed in 1 to 5 seconds for each chip. Therefore, when 5000 chips are temporarily bonded on one substrate in 1 second per chip, (1 second / chip) × (5000 chips) = 5000 seconds = about 1.4 hours, the temporary bonding is completed. To do. Therefore, it can be understood that even if the main bonding is performed at a relatively low temperature for several hours, the production time is remarkably reduced as compared with the conventional method. Further, when 5000 chips are temporarily bonded on one substrate in 5 seconds per chip, the temporary bonding is completed in (5 seconds / chip) × (25000 chips) = 5000 seconds = 7 hours. Therefore, even if the main joining is performed in less than 7 hours, the production time can be shortened compared to 14 hours, which is the time required for performing temporary joining and main joining using the conventional joining method described above. Understood. Although the time required for the main bonding depends on the heating temperature, it can be less than 7 hours.
<4. 第2の実施形態>
本願発明の第2の実施形態を、図6及び図7を参照して説明する。図6は、本願発明の第2の実施形態に係る、チップを基板へ接合するためのチップの接合面の表面処理方法を示すフローチャートである。図7は、第2の実施形態に係るチップの表面処理方法を用いたチップの接合方法を示すフローチャートである。
<4. Second Embodiment>
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a flowchart showing a surface treatment method of a chip joint surface for joining a chip to a substrate according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a flowchart showing a chip bonding method using the chip surface treatment method according to the second embodiment.
工程S6では、チップ側接合面に形成された金属領域の表面に酸化物が形成されたチップを準備する。工程S7では、非酸化雰囲気中で酸化物を還元して除去し金属領域の表面を露出させる。工程S7に続く工程S3は、図1の工程3と同様である。すなわち、工程S7から連続して、非酸化雰囲気の中で、露出したチップ側接合面の金属領域の表面に対して、表面活性化処理と親水化処理とを行う。 In step S6, a chip in which an oxide is formed on the surface of the metal region formed on the chip-side bonding surface is prepared. In step S7, the oxide is reduced and removed in a non-oxidizing atmosphere to expose the surface of the metal region. Step S3 subsequent to step S7 is the same as step 3 in FIG. That is, the surface activation treatment and the hydrophilic treatment are performed on the surface of the exposed metal region of the chip-side bonding surface in a non-oxidizing atmosphere continuously from step S7.
図7においては、図6で示した工程S6、S7及びS3に続き、親水化処理が完了したチップを一つずつ基板上に仮接合する工程S4及び仮接合が完了した複数のチップと基板とを含む構造体を加熱することで本接合する工程S5を示している。ここで、工程S4及び工程S5は、図4で示した工程S4及び工程S5と同様である。 In FIG. 7, following the steps S6, S7 and S3 shown in FIG. 6, the step S4 of temporarily bonding the chips having been subjected to the hydrophilic treatment to the substrate one by one, and the plurality of chips and the substrate having been temporarily bonded, The process S5 which carries out the main joining by heating the structure containing this is shown. Here, step S4 and step S5 are the same as step S4 and step S5 shown in FIG.
金属領域の表面には酸化物が厚く形成されている場合がある。このような場合に、酸化物を表面活性化処理で除去すると、長時間の表面活性化処理が必要となり効率的に除去できない問題がある。この問題を解決するために、本実施形態においては、表面活性化処理を行う前に、金属領域の表面に還元剤を照射することで、上記酸化物を還元する。酸化物を還元することで、還元により生じた物質の除去を、効率よく金属領域の新生表面を露出させることができる。 An oxide may be formed thick on the surface of the metal region. In such a case, if the oxide is removed by the surface activation treatment, there is a problem that the surface activation treatment for a long time is required and cannot be removed efficiently. In order to solve this problem, in the present embodiment, before the surface activation treatment, the oxide is reduced by irradiating the surface of the metal region with a reducing agent. By reducing the oxide, it is possible to efficiently expose the nascent surface of the metal region by removing the substance generated by the reduction.
還元剤として水素プラズマを用いることが好ましい。たとえば、金属領域が銅(Cu)で形成されている場合、上述のプラズマ発生装置を用い、水素90%、アルゴン又は窒素の不活性ガス10%で構成されるガスを導入し、100Wで発生させた水素プラズマに、金属領域を120秒程度曝すことで、金属領域の表面に掲載された銅酸化物を還元することができる。 It is preferable to use hydrogen plasma as the reducing agent. For example, when the metal region is formed of copper (Cu), the above plasma generator is used to introduce a gas composed of 90% hydrogen, 10% inert gas of argon or nitrogen, and generate at 100W. By exposing the metal region to the hydrogen plasma for about 120 seconds, the copper oxide placed on the surface of the metal region can be reduced.
還元剤として有機酸ガスを用いることもできる。有機酸ガスを金属酸化物の表面に吹き付けると、金属の有機酸塩が形成される。この有機酸塩を熱分解することにより、酸化されていた金属表面を還元して、酸化物を除去することができる。たとえば、金属領域が銅(Cu)で形成されている場合、金属領域の表面に形成された銅酸化物を加熱しつつギ酸ガスを金属領域表面に吹き付けることで、銅酸化物の還元除去を行うことができる。 An organic acid gas can also be used as the reducing agent. When an organic acid gas is sprayed onto the surface of the metal oxide, a metal organic acid salt is formed. By thermally decomposing this organic acid salt, the oxidized metal surface can be reduced and the oxide can be removed. For example, when the metal region is formed of copper (Cu), the copper oxide formed on the surface of the metal region is heated and sprayed with formic acid gas on the surface of the metal region, thereby reducing and removing the copper oxide. be able to.
この際に、ギ酸が銅と反応して形成される銅のギ酸塩は、摂氏250度から摂氏300度あるいはこれより高い温度で分解される。したがって、工程S7においては、金属領域を摂氏250度から摂氏300度あるいはこれより高い温度に保持することが好ましい。 At this time, the copper formate formed by the reaction of formic acid with copper is decomposed at a temperature of 250 degrees Celsius to 300 degrees Celsius or higher. Therefore, in step S7, the metal region is preferably maintained at a temperature of 250 degrees Celsius to 300 degrees Celsius or higher.
また、ギ酸などの有機酸を金属領域の表面に照射する前に、触媒による有機酸ガスの少なくとも一部を分解し、これにより銅酸化物層の還元に効果的な水素又は水素ラジカルを発生させて、有機酸ガスと水素又は水素ラジカルとを含む混合ガスを金属領域の表面に照射するようにすることができる。 In addition, before irradiating the surface of the metal region with an organic acid such as formic acid, at least part of the organic acid gas by the catalyst is decomposed, thereby generating hydrogen or hydrogen radicals effective for reducing the copper oxide layer. Thus, the surface of the metal region can be irradiated with a mixed gas containing an organic acid gas and hydrogen or hydrogen radicals.
ギ酸を分解するための触媒として、加熱した白金(Pt)を用いることが望ましい。 It is desirable to use heated platinum (Pt) as a catalyst for decomposing formic acid.
これにより、工程S7における金属領域の温度を摂氏200度以下に保持することができる。また、水素又は水素ラジカルがなければ、金属領域の表面に残留したであろう未分解の有機酸塩の量を低減することができ、接合部の信頼性を上げることができる。 Thereby, the temperature of the metal area | region in process S7 can be hold | maintained at 200 degrees C or less. Further, in the absence of hydrogen or hydrogen radicals, the amount of undecomposed organic acid salt that would remain on the surface of the metal region can be reduced, and the reliability of the joint can be increased.
さらにまた、通常、有機酸をガス状にして金属表面に吹き付ける際にはキャリアガスとして窒素ガスが使われる。そのため、有機酸が分解した際に、遊離炭素が発生し、それが接合を阻害する原因となる。したがって、キャリアガスとして不活性なアルゴンガスを利用することで、過剰な還元作用が押さえられ、遊離炭素の残留が抑制される。 Furthermore, nitrogen gas is usually used as a carrier gas when an organic acid is vaporized and sprayed onto the metal surface. Therefore, when the organic acid is decomposed, free carbon is generated, which causes the bonding to be inhibited. Therefore, by using an inert argon gas as a carrier gas, an excessive reduction action is suppressed, and residual free carbon is suppressed.
第2の実施形態に係る表面処理を行う表面処理装置は、例えば、ほぼ図3に示す表面処理装置の加熱ランプ103の位置に還元剤をチップに向けて照射する還元剤照射手段(図示せず)を設けるように構成されてもよい。
The surface treatment apparatus that performs the surface treatment according to the second embodiment includes, for example, a reducing agent irradiation unit (not shown) that irradiates the chip with a reducing agent substantially at the position of the
さらにまた、金属領域の表面に還元剤を照射して酸化物を還元する工程の前に、金属領域の表面を研磨してもよい。これにより、金属領域の表面には酸化物が厚く形成されている場合であっても、研磨により当該酸化物の大部分又はすべてを取り除くことができる。したがって、残った酸化物は、比較的薄いので、還元剤の照射によりより効率よく還元され除去されうる。 Furthermore, the surface of the metal region may be polished before the step of reducing the oxide by irradiating the surface of the metal region with a reducing agent. Thereby, even when the oxide is formed thick on the surface of the metal region, most or all of the oxide can be removed by polishing. Therefore, since the remaining oxide is relatively thin, it can be reduced and removed more efficiently by irradiation with a reducing agent.
研磨により金属領域の表面の酸化物の厚さを薄くすることができるので、この酸化物は表面活性化処理により十分に除去されうる場合もある。この場合は、還元剤の照射は不要となりより効率的に表面処理を行うことができる。したがって、酸化物を除去するための所定の研磨を行った後に、チップを真空容器内に搬入し、金属領域の表面に対して表面活性化処理と親水化処理とを行うことで、その後に仮接合と本接合とを経て、最終的に形成された接合界面において十分な導電性及び機械的強度を得ることができる。 Since the thickness of the oxide on the surface of the metal region can be reduced by polishing, this oxide may be sufficiently removed by the surface activation treatment. In this case, irradiation with a reducing agent is unnecessary and surface treatment can be performed more efficiently. Therefore, after performing predetermined polishing for removing oxides, the chip is carried into a vacuum vessel, and surface activation treatment and hydrophilic treatment are performed on the surface of the metal region. Through the bonding and the main bonding, sufficient conductivity and mechanical strength can be obtained at the finally formed bonding interface.
たとえば、研磨は、半導体装置製造工程で使用される化学機械研磨(CMP)方法により行われてもよい。化学機械研磨(CMP)の条件は、金属領域を形成する金属、金属領域以外の領域を形成する材料や、両者の接合面での配置に応じて、スラリーの化学成分や研磨粒子の機械的性質、研磨パッドの性質、基板と研磨パッドの相対運動や加圧条件などの研磨装置の動作条件により決定することができる。 For example, the polishing may be performed by a chemical mechanical polishing (CMP) method used in a semiconductor device manufacturing process. The conditions of chemical mechanical polishing (CMP) include the chemical components of the slurry and the mechanical properties of the abrasive particles, depending on the metal that forms the metal region, the material that forms the region other than the metal region, and the arrangement at the joint surface of both. It can be determined by the operating conditions of the polishing apparatus, such as the properties of the polishing pad, the relative movement of the substrate and the polishing pad, and the pressing conditions.
例えば、金属領域が主成分として銅(Cu)により形成されている場合には、コロイダルシリカを主たる砥粒として含有するスラリーを使用することができる。 For example, when the metal region is formed of copper (Cu) as a main component, a slurry containing colloidal silica as main abrasive grains can be used.
スラリーが含む研磨粒子の成分として、二酸化ケイ素(シリカ)を挙げたが、これに限られない。金属領域を形成する金属の性質、研磨装置の動作条件などに応じて、例えば、酸化セリウム(セリア)、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化ジルコニウム(ジルコニア)、二酸化チタン(チタニア)、酸化錫を採用してもよい。 Although silicon dioxide (silica) was mentioned as a component of the abrasive particles contained in the slurry, it is not limited thereto. For example, cerium oxide (ceria), aluminum oxide (alumina), zirconium oxide (zirconia), titanium dioxide (titania), tin oxide are used depending on the nature of the metal forming the metal region and the operating conditions of the polishing apparatus. May be.
スラリーは、好ましくはコロイド安定なコロイド分散体として、CMP組成物中に懸濁されることが望ましい。「コロイド」とは、液体中の研磨粒子の懸濁液を意味する。「コロイド安定性」は、選択された期間中、最小限の沈殿しか伴わずにその懸濁状態を維持することを意味する。 The slurry is preferably suspended in the CMP composition as a colloidal stable colloidal dispersion. “Colloid” means a suspension of abrasive particles in a liquid. “Colloidal stability” means maintaining its suspension with minimal precipitation for a selected period of time.
また、スラリーは、界面活性剤や過酸化水素などの酸化剤を含んでいることが好ましい。これらの、濃度や比率は調節されうる。 Moreover, it is preferable that the slurry contains an oxidizing agent such as a surfactant or hydrogen peroxide. These concentrations and ratios can be adjusted.
また、研磨を行う手法はCMPに限られない。たとえば、本願発明における研磨は、研削やラッピングも含むものである。金属表面を研削することにより、金属領域の表面近傍の結晶構造が乱される。CMPでは結晶構造が乱れる表面層の厚さを極めて小さく抑えることができるのに対し、研削により結晶構造が乱れた表面層の厚さが比較的大きくなり、例えば数十ナノメートルから数十ミクロンメータになる場合もある。この結晶構造が乱れた金属領域の表面はより高い表面エネルギーを有すると考えられる。したがって、研磨として研削を採用することで、後述のように親水化処理をより効率的に行い、かつ比較的低温での本接合プロセスを実現することができると考えられる。 Further, the method of polishing is not limited to CMP. For example, the polishing in the present invention includes grinding and lapping. By grinding the metal surface, the crystal structure near the surface of the metal region is disturbed. In CMP, the thickness of the surface layer whose crystal structure is disturbed can be kept extremely small, whereas the thickness of the surface layer whose crystal structure is disturbed by grinding becomes relatively large, for example, several tens to several tens of micrometers. Sometimes it becomes. The surface of the metal region where the crystal structure is disturbed is considered to have a higher surface energy. Therefore, by adopting grinding as polishing, it is considered that the hydrophilic treatment can be performed more efficiently as described later, and the main joining process at a relatively low temperature can be realized.
以上、本願発明の幾つかの実施形態及び実施例について説明したが、これらの実施形態及び実施例は、本願発明を例示的に説明するものである。特許請求の範囲は、本願発明の技術的思想から逸脱することのない範囲で、実施の形態に対する多数の変形形態を包括するものである。したがって、本明細書に開示された実施形態及び実施例は、例示のために示されたものであり、本願発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。 As mentioned above, although several embodiment and the Example of this invention were described, these embodiment and an Example demonstrate this invention exemplarily. The scope of the claims encompasses many modifications to the embodiments without departing from the technical idea of the present invention. Accordingly, the embodiments and examples disclosed herein are presented for purposes of illustration and should not be considered as limiting the scope of the present invention.
1 チップ
2 チップ側金属領域
3 気化性材料
4 非酸化雰囲気
5 チップ側接合面の金属領域
6 所定の運動エネルギーを有する粒子
7 水の層
8 基板
9 基板の接合部
10 水
100 表面処理システム
101 第1真空容器
102 第1チップ支持体
103 加熱ランプ
104 第1真空ポンプ
105 連結バルブ
106 第2真空容器
107 第2チップ支持体
108 第2真空ポンプ
109 プラズマ発生装置
110 交番電源
111 電極
112 ガス源
113 ガス量制御バルブ
114 ガス導入口
115 水蒸気源
116 水蒸気制御バルブ
117 水蒸気導入口
1
5
Claims (18)
チップ側金属領域の表面に気化性材料が塗布されたチップを準備するステップと、
非酸化雰囲気中で、気化性材料を気化させてチップ側金属領域の表面を露出させるステップと、
前記チップ側金属領域の表面を露出させるステップの後に、非酸化雰囲気中で、チップ側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、
非酸化雰囲気中で、基板側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、
親水化処理が行われたチップ側金属領域が親水化処理が行われた基板側金属領域に接触するように、一つ又は複数のチップを一つずつ対応する基板の基板側接合面に取り付けて、一つ又は複数のチップと基板とを含む構造体を形成するステップと、
前記一つ又は複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するステップと、
を備えた、一つ又は複数のチップを基板に接合する方法。 A method for bonding one or more chips having a chip side bonding surface having one or more chip side metal regions to a substrate having a substrate side bonding surface having one or more substrate side metal regions. There,
Preparing a chip in which a vaporizable material is applied to the surface of the chip-side metal region;
Vaporizing the vaporizable material in a non-oxidizing atmosphere to expose the surface of the chip-side metal region;
After the step of exposing the surface of said chip-side metal regions, in a non-oxidizing atmosphere, and row Cormorant step surface activation treatment by colliding particles with a predetermined kinetic energy to the surface of the chip-side metal regions ,
Performing a hydrophilic treatment by adhering water;
In a non-oxidizing atmosphere, and row Cormorant step surface activation treatment by colliding particles with a predetermined kinetic energy to the surface of the substrate side metal region,
Performing a hydrophilic treatment by adhering water;
Attach one or more chips one by one to the substrate-side bonding surface of the corresponding substrate so that the chip-side metal region that has undergone hydrophilic treatment contacts the substrate-side metal region that has undergone hydrophilic treatment. Forming a structure including one or more chips and a substrate;
Heating the structure including the one or more chips and a substrate;
A method of bonding one or more chips to a substrate.
チップ側金属領域の表面に酸化物が形成された複数のチップを準備するステップと、
非酸化雰囲気中で、チップ側金属領域の表面に形成された酸化物を還元することで除去し、チップ側金属領域の表面を露出させるステップと、
前記チップ側金属領域の表面を露出させるステップの後に、非酸化雰囲気中で、チップ側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、
非酸化雰囲気中で、基板側金属領域の表面に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、
親水化処理が行われたチップ側金属領域が親水化処理が行われた基板側金属領域に接触するように、一つ又は複数のチップを一つずつ対応する基板の基板側接合面に取り付けて、一つ又は複数のチップと基板とを含む構造体を形成するステップと、
前記一つ又は複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するステップと、
を備えた、一つ又は複数のチップを基板に接合する方法。 A method for bonding one or more chips having a chip-side bonding surface having one or more metal regions to a substrate having a substrate-side bonding surface having one or more metal regions,
Preparing a plurality of chips in which an oxide is formed on the surface of the chip-side metal region;
Removing the oxide formed on the surface of the chip-side metal region by reducing in a non-oxidizing atmosphere, and exposing the surface of the chip-side metal region;
After the step of exposing the surface of said chip-side metal regions, in a non-oxidizing atmosphere, and row Cormorant step surface activation treatment by colliding particles with a predetermined kinetic energy to the surface of the chip-side metal regions ,
Performing a hydrophilic treatment by adhering water;
In a non-oxidizing atmosphere, and row Cormorant step surface activation treatment by colliding particles with a predetermined kinetic energy to the surface of the substrate side metal region,
Performing a hydrophilic treatment by adhering water;
Attach one or more chips one by one to the substrate-side bonding surface of the corresponding substrate so that the chip-side metal region that has undergone hydrophilic treatment contacts the substrate-side metal region that has undergone hydrophilic treatment. Forming a structure including one or more chips and a substrate;
Heating the structure including the one or more chips and a substrate;
A method of bonding one or more chips to a substrate.
チップを内部に載置することができる真空容器と、
チップを加熱する加熱手段と、
真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する雰囲気制御手段と、
チップの金属領域に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる表面活性化処理手段と、
チップの金属領域に対して水を付着させる親水化処理手段と、
を備え、
前記真空容器は、第1真空容器と第2真空容器とを有し、
第1真空容器は、前記加熱手段を有し、第1真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第1雰囲気制御手段と連結されて構成され、
第2真空容器は、前記表面活性化処理手段と前記親水化処理手段とを有し、第2真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第2雰囲気制御手段と連結され、前記第1真空容器と前記第2真空容器との間で前記非酸化雰囲気を破ることなくチップを搬送できるように構成された、表面処理装置。 A metal region surface treatment apparatus for bonding a plurality of chips having a chip side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate,
A vacuum container in which the chip can be placed;
Heating means for heating the chip;
Atmosphere control means for controlling the atmosphere in the vacuum vessel to be a non-oxidizing atmosphere;
Surface activation treatment means for colliding particles having a predetermined kinetic energy against the metal region of the chip;
Hydrophilic treatment means for attaching water to the metal region of the chip;
With
The vacuum vessel has a first vacuum vessel and a second vacuum vessel,
The first vacuum vessel has the heating means, and is configured to be connected to first atmosphere control means for controlling the atmosphere in the first vacuum vessel to be a non-oxidizing atmosphere,
The second vacuum container has the surface activation processing means and the hydrophilic treatment means, and is connected to second atmosphere control means for controlling the atmosphere in the second vacuum container to be a non-oxidizing atmosphere, A surface treatment apparatus configured to transfer a chip between the first vacuum container and the second vacuum container without breaking the non-oxidizing atmosphere .
チップを内部に載置することができる真空容器と、
チップの金属領域の酸化物を還元する還元剤をチップの金属領域に向けて照射する還元剤照射手段と、
真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する雰囲気制御手段と、
チップの金属領域に対して所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させる表面活性化処理手段と、
チップの金属領域に対して水を付着させる親水化処理手段と、
を備え、
前記真空容器は、第1真空容器と第2真空容器とを有し、
第1真空容器は、前記還元剤照射手段を有し、第1真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第1雰囲気制御手段と連結されて構成され、
第2真空容器は、前記表面活性化処理手段と前記親水化処理手段とを有し、第2真空容器内の雰囲気を非酸化雰囲気となるように制御する第2雰囲気制御手段と連結され、前記第1真空容器と前記第2真空容器との間で前記非酸化雰囲気を破ることなくチップを搬送できるように構成された、表面処理装置。 A metal region surface treatment apparatus for bonding a plurality of chips having a chip side bonding surface having one or a plurality of metal regions to a substrate,
A vacuum container in which the chip can be placed;
Reducing agent irradiation means for irradiating the metal region of the chip with a reducing agent that reduces the oxide in the metal region of the chip;
Atmosphere control means for controlling the atmosphere in the vacuum vessel to be a non-oxidizing atmosphere;
Surface activation treatment means for colliding particles having a predetermined kinetic energy against the metal region of the chip;
Hydrophilic treatment means for attaching water to the metal region of the chip;
With
The vacuum vessel has a first vacuum vessel and a second vacuum vessel,
The first vacuum vessel has the reducing agent irradiation means, and is connected to first atmosphere control means for controlling the atmosphere in the first vacuum container to be a non-oxidizing atmosphere,
The second vacuum container has the surface activation processing means and the hydrophilic treatment means, and is connected to second atmosphere control means for controlling the atmosphere in the second vacuum container to be a non-oxidizing atmosphere, A surface treatment apparatus configured to transfer a chip between the first vacuum container and the second vacuum container without breaking the non-oxidizing atmosphere .
チップ側金属領域の表面に酸化物が形成された複数のチップを準備するステップと、
チップ側金属領域の表面に形成された酸化物を研磨することで除去し、チップ側金属領域の表面を露出させるステップと、
非酸化雰囲気中で、チップ側金属領域の表面に対して粒子ビーム源を用いて所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、
非酸化雰囲気中で、基板側金属領域の表面に対して粒子ビーム源を用いて所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップと、
水を付着させることにより親水化処理を行うステップと、
親水化処理が行われたチップ側金属領域が親水化処理が行われた基板側金属領域に接触するように、一つ又は複数のチップを一つずつ対応する基板の基板側接合面に取り付けて、一つ又は複数のチップと基板とを含む構造体を形成するステップと、
前記一つ又は複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するステップと、を備え、
チップ側金属領域の表面に対して粒子ビーム源を用いて所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップ、及び、基板側金属領域の表面に対して粒子ビーム源を用いて所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させることにより表面活性化処理を行うステップにより、チップ側金属領域の表面、及び、基板側金属領域の表面をアモルファス化させる、一つ又は複数のチップを基板に接合する方法。 A method for bonding one or more chips having a chip-side bonding surface having one or more metal regions to a substrate having a substrate-side bonding surface having one or more metal regions,
Preparing a plurality of chips in which an oxide is formed on the surface of the chip-side metal region;
Removing the oxide formed on the surface of the chip side metal region by polishing to expose the surface of the chip side metal region;
In a non-oxidizing atmosphere, and row Cormorant step surface activation treatment by colliding particles with a predetermined kinetic energy by using a particle beam source to the surface of the chip side metal region,
Performing a hydrophilic treatment by adhering water;
In a non-oxidizing atmosphere, and row Cormorant step surface activation treatment by colliding particles with a predetermined kinetic energy by using a particle beam source to the surface of the substrate side metal region,
Performing a hydrophilic treatment by adhering water;
Attach one or more chips one by one to the substrate-side bonding surface of the corresponding substrate so that the chip-side metal region that has undergone hydrophilic treatment contacts the substrate-side metal region that has undergone hydrophilic treatment. Forming a structure including one or more chips and a substrate;
Heating the structure including the one or more chips and a substrate,
Performing a surface activation process by causing particles having a predetermined kinetic energy to collide with the surface of the chip side metal region using a particle beam source; and a particle beam source for the surface of the substrate side metal region One or a plurality of chips that amorphize the surface of the chip-side metal region and the surface of the substrate-side metal region by performing a surface activation process by colliding particles having a predetermined kinetic energy using A method of bonding to a substrate.
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