专利名称：超声波接合用接合工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及在半导体制造技术中用倒装法将超声波能施加到半导体元件上而与基片的电极接合时使用的接合工具。
用该倒装法，作为在基片上安装半导体元件的方法之一，是实行通过超声波振动使电极端子的接合面互相摩擦而通过界面原子的扩散接合的方法。许多SAW(表面弹性波)元件和无线电用高频振荡元件都是通过施加超声波进行安装的。
在接合时将超声波施加到半导体元件上的接合工具和超声波喇叭，使用不锈钢或淬火钢、超硬合金等的金属材质。
历来所使用的金属制的工具，由于工具的前端面的硬度不充分，所以安装时，因破损的半导体元件及基片材料(Si等)的破片、和切断元件时附着的切屑等，在表面上形成缺陷，或者因与半导体元件的滑动产生的磨损等，工具面的形状精度受损而存在接合工具寿命短的问题。
另外，半导体元件的接合强度与施加的超声波强度密切相关，超声波强度越强，则接合强度越强，但超声波强度过大时，会出现元件因超声波振动而发生位置偏移的问题。作为其对策，提出如下抑制位置偏移的方法按照增大接合工具的工具面、将半导体元件包含在工具面内那样，在工具中央部设与半导体元件尺寸相同的凹部等(特开2000-164636)。现今，向基片上安装元件的密度提高，以狭窄的间隔安装多个元件的场合增加，但在这样的高密度安装基片中，为防止被安装的元件和接合工具对周边的干扰，希望除与元件接触的部分以外，尽量没有露出接合工具的部分。
根据本发明的接合工具，其特征在于，由传送超声波振动子发生的超声波的喇叭部和与喇叭部接合的工具前端部构成，上述喇叭部由FeCoNi合金、镍铁鉬导磁合金、超硬合金、金属陶瓷或不锈钢的任一种构成，上述工具前端部由从金刚石烧结体、立方晶氮化硼烧结体、或者包覆气相合成金刚石的金刚石烧结体、立方晶氮化硼烧结体、超硬合金、陶瓷烧结体或金属陶瓷中选择的至少1种以上的物质构成。本申请发明人研究适宜用于超声波接合用接合工具的工具部分的前端面的种种材料的结果发现，从接合性能、工具寿命、元件的搭载位置精度等观点出发，可以使用气相合成金刚石、金刚石烧结体、立方晶氮化硼(以下记为cBN)烧结体。另外发现，作为适宜用于喇叭部的材料，可以使用从FeCoNi合金、镍铁鉬导磁合金、超硬合金、金属陶瓷或不锈钢中选择的至少1种以上的物质。这些材质纵弹性模量高，可以高效率传播超声波，此外因热膨胀系数比较小，所以对于与上述工具前端部的接合及实际的使用温度，因与工具前端部的热膨胀不同所引起的变形小，作为接合工具的寿命的稳定性就优良。
另外，在本发明的接合工具中，可以使上述工具的前端部与上述喇叭部接合而构成。在本发明的接合工具中，对于前端部可以使用从气相合成金刚石、金刚石烧结体、立方晶氮化硼烧结体中选择的至少1种以上的物质，但这些物质价格高，使得具有这样大的立体形状的制造成本上升。另外，这些物质的硬度高，进行复杂的加工困难，因而通过将制成单纯形状的工具前端部与发生超声波的喇叭部相接合，可以较低地控制接合工具整体的制造成本。
在本发明的接合工具中优选构成工具前端部的物质的硬度在4000kg/mm2以上。一般物质的耐磨损性依存于其硬度，硬度越高，耐磨损性越高。本申请发明的接合工具的场合，引起磨损原因的物质大体上是构成元件的Si等的半导体物质和构成电极的金属物质。因而在工具前端部使用具有与这些物质同程度以下的硬度的物质的场合，因磨损，工具的寿命将变短。一般来说，为了能够使滑动接触的物质发挥充分的耐磨损性，滑动接触的对方材料必须有数倍程度的硬度，因而接合工具的场合优选4000kg/mm2以上。
另外，在该接合工具中，优选构成工具前端部的物质的熱传导率在200W/mK以上。在历来的安装一边达至5mm左右的半导体元件的超声波安装法中，仅施加超声波使元件与基片接合。但是，因半导体元件的大面积化，为了进行充分的接合必须再加热，采用由基片侧辅助加热并使超声波接合的辅助加热超声波安装法。此时的加热大多在150℃～300℃的范围内。进行这样接合的场合，希望工具前端面温度的波动度小。本发明的接合工具中，因工具前端部使用熱传导率200W/mK以上的物质，所以工具前端部可以保持小的温度波动度，从而适宜于接合工序。
对于上述喇叭部和工具前端部的接合，可以用金属接合进行两者的接合。具体地说，可以使用用活性钎料的直接接合，或具有金属中间层的钎焊等。
在本发明的接合工具的另一种方式中，其特征在于，在喇叭部使用FeCoNi合金、镍铁鉬导磁合金、超硬合金或金属陶瓷，在该喇叭部的前端面上包覆气相合成金刚石而构成。由于在喇叭部使用的这些材料纵弹性模量高，可以高效率传播超声波，所以施加到接合工具上的超声波能也就可以高效率地进行接合，此外因热膨胀系数比较小，所以因与被包覆在工具前端部的气相合成金刚石的热膨胀不同引起的变形也小，作为接合工具的寿命的稳定性就好。另外，在喇叭部直接用气相合成法包覆气相合成金刚石时，可以制造没有上述那样的接合部的接合工具。作为气相合成法，可以用熱丝法、微波等离子CVD(化学气相淀积)法、电弧喷射法、燃烧火焰法等金刚石气相合成方法。
优选包覆在上述喇叭部的前端面的气相合成金刚石的平均粒径为0.5μm以上。气相合成金刚石在其结晶粒径小时，因结晶的晶粒边界增加，可以预见熱传导率和硬度的降低。因而为了作为超声波接合工具的工具前端面而使用，其结晶粒径适宜在0.5微米以上。
同样，优选包覆在上述喇叭部的前端面上的气相合成金刚石的膜厚在1μm以上100μm以下。膜厚在1μm以下时，金刚石层的厚度不充分，接合工具的寿命不能够充分地长期化。另外，膜厚超过100μm时，用于包覆气相合成金刚石的成本变高，另一方面在100μm以上也并不能发挥寿命长期化的效果。
以与上述方式中钎焊在接合工具的前端部上的工具前端部同样的理由，优选包覆在上述喇叭部的前端面的气相合成金刚石的硬度为4000kg/mm2以上。在安装的半导体元件的材质的硬度高的场合，对于接合工具的前端部的材料也要求有更高的硬度。在气相合成金刚石中，通过选择气相合成的条件，可以合成更高高度的金刚石，因而在安装蓝宝石等高度的高的半导体元件的场合，更优选包覆在喇叭部的前端面的气相合成金刚石的硬度在6000kg/mm2以上。
另外，在本发明的接合工具中，优选工具前端面的表面光洁度的最大表面光洁度(Rt以每基准长度分割测定曲线，在各基准长度间求出的作为从平均线到最深的波谷的深度的值的最大值的最大波谷深度，与在各基准长度间求出从平均线到最高的波峰的高度的值的最大值的最大波峰高度之和)，在0.1μm以上10μm以下。工具前端面的表面光洁度Rt不足0.1μm时，接合时接合工具的工具面和被接合的元件或者电极之间容易发生位置偏移。另外，工具前端面的表面光洁度Rt超过10μm时，其结果是，因工具前端面，使被接合的元件或电极撞伤，制造上不佳。另外，接合工具的工具前端面的表面光洁度给予由接合工具向被接合的元件或电极的超声波能的传播效率以大的影响。为了有效地传播超声波能，工具面的表面光洁度Rt优选在0.2μm以上5μm以下，更优选在0.5μm以上3μm以下。
为了使被接合的元件或者电极在接合中不引起位置偏移，优选在接合工具前端面中，工具前端面的与半导体元件接触的部分的外缘部分比其内侧部分的表面光洁度更大而构成。另外，优选上述外缘部分与工具前端面的半导体元件接触的部分的面积在20％以上30％以下。表面光洁度大的部分可以更牢固地把持被接合的元件或电极，因而通过在工具前端面的周边部分设这样的表面光洁度大的部分，可以使接合时的元件或电极的位置偏移难以发生。
图2是实施例3中超声波接合工具的工具前端面的说明图。
图中1工具前端部，2超声波喇叭部，3超声波发生装置，4 XYZ轴驱动机构，5接合工具支持臂，6半导体元件，7基片，8含有加热机构的接合台，11粗糙面部分，12中央部分，13半导体元件吸附孔。
在真空炉内用活性钎料使上述工具前端部和喇叭部进行金属接合，制成超声波工具。作为工具前端部和喇叭部的材质的组合，按照表1所示制作。接合后，再用金属丝放电加工、用金刚石磨石的平面磨削加工将形状调整到必要的尺寸精度和角度精度。进行这些加工后，用放电加工及YAG(钇铝石榴石)激光加工制作为吸附半导体元件的贯穿孔。另外，工具的前端面的尺寸制成与安装的半导体元件相同的尺寸。另外，为进行比较，制作了工具前端部材料使用SiC陶瓷，和特意不用工具前端部，而将镍铁鉬导磁合金制的喇叭部延长至工具前端部的历来型的接合工具。制造的各种接合工具的方法示于表1。
使用以上述构成准备的超声波接合工具进行半导体元件的接合。
图1示出安装时的模式图。按以下工序实施接合用接合工具真空吸附半导体元件的里面，运送到配置在接合台上的基片的上方。使半导体元件的电极端子(凸出)和基片电极端子的位置对合，降下工具，在电极端子彼此接触处施加超声波，将半导体元件的全部电极端子一批安装在基片端子上。此时的超声波输出为20W，频率为60KHz，施加约1秒钟。在该条件下1-1～1-5、1-8及1-9的接合工具安装5×5mm的Si片，1-6、1-7的接合工具分别安装1×1mm的GaAs片，确认半导体元件的各凸出的安装状态及接合工具的损伤状况，进行直至最多200000个的安装。另外，尺寸大的5×5mm的片的安装不仅施加超声波，而且用内藏在接合台内的加热器一边从内加热到约200℃一边安装。
用本发明接合工具的1-1～1-7，进行达至接合工具的工业期待寿命的100000个的2倍的200000个元件的安装时，几乎看不到工具表面的劣化破损，在半导体元件的安装中，也得到良好的接合状态。与此相反，用1-8，安装20000个时，工具面的表面光洁度就变粗糙，外周部的电极的接合状态变差。这是由于在工具面的外周部，与元件的滑动产生的磨损扩展，工具面的平面度变差，超声波就不能均一地传达到元件的全部凸出上的缘故。在工具前端部直接使用喇叭部的镍铁鉬导磁合金的1-8，在安装5000个时，工具前端磨损扩展，外周部的电极的接合就不能进行。
用1-1安装的半导体元件中，没有所谓电极连接的问题，但可以看到发生位置偏移。这是由于1-1的工具面的表面光洁度小，在安装中接合工具和元件间发生位置偏移的缘故。另外，安装200000个后测定工具前端面的平整部，1-1的中央部变形成约5μm的凸状。1-2～1-7未见平整度的变化。其原因可以认为是由于不锈钢和烧结金刚石的热膨胀系数的差别造成的热变形的影响。另外，在安装15000个左右的途中，用红外线辐射温度计测定接合工具前端面的波动度，结果，在1-2的工具前端面上，相对于接合台的设定温度200℃显示150℃±20℃的温度波动度，周边部的温度特别低。在用除此以外的1-1及1-3～1-7的工具时，工具前端面的温度的波动度相对于同样的接合台的设定温度200℃在150℃±5℃以内。观察安装后的半导体元件的表面，结果，使用1-3工具进行安装中，在元件表面可以发现微小的擦过缺陷，但使用1-1～1-2及1-4～1-7工具进行安装中，看不到这样的缺陷。
熱丝CVD(化学气相淀积)法的合成条件是，使气体原料的流量H2为10～100sccm，CH4为1～5sccm，使丝的温度为1500～2200℃，基片的温度为500～900℃，压力为10～500Torr，根据必要的膜厚改变合成时间而合成。包覆金刚石膜后，金刚石的膜厚较厚，金刚石面的平面度和表面光洁度不能满足必要的精度，因而要通过用金刚石磨石的磨削·研磨加工成必要的形状。另外，为比较，用不锈钢制作喇叭部，在该工具前端面上用气相合成法包覆金刚石膜，以与上述相同的工序制作接合工具。
用上述工序制作的接合工具以与实施例1的1-1～1-5同样的方法分别制作200000个半导体元件。元件的尺寸为5×5mm，工具前端面的尺寸也与其相一致。进行包覆的金刚石膜的粒径、厚度、表面光洁度及硬度归纳于表2。另外，金刚石膜的熱传导率及硬度是用在相同的条件下对照粒径而合成约100μm厚的试验样品进行测定的。
用本发明接合工具的2-1～2-7，即使安装200000个后，工具面也不劣化，得到良好的安装结果。用2-8因在喇叭部使用热膨胀率大的不锈钢，因而合成后多结晶的金刚石剥离，以至于不能安装。用2-1安装200000个后，在接合工具的前端面的一部分上就有露出喇叭部的镍铁鉬导磁合金的部分。可以认为是由于包覆金刚石的膜厚较薄的缘故，但对安装无大碍。在使用2-2工具进行安装中，不能得到半导体元件全部凸出都能良好地连接的状态。这是由于与1-1同样，工具前端面的表面光洁度小，因而接合工具和半导体元件发生微小的位置偏移的缘故。用2-3安装200000个后，在工具前端面的特别是周边部，可以观察到因轻度磨损造成的变形。
对于任一个接合工具，通过适当选择接合条件就可以接合，但用3-1，在超声波输出40W以上时，既便一部分半导体元件的凸出和基片的电极进行接合，也会发生元件和工具的位置偏移，电接合所得之物，其元件从所定的位置稍微偏移而被接合。用3-2和3-3，能够得到良好的连接。用3-4和3-5，超声波输出大时，在元件与工具面接触的部分的一部分上有残留的削过痕。用表面光洁度没有变粗的部分的3-6，即使在比3-1小的超声波能的条件下，也发生元件的位置偏移。该结果表明，粗糙面比率在20～30％的范围可以适合于最宽的接合条件。
本发明的超声波接合工具，通过在接触半导体元件的工具前端部使用具有高硬度的熱传导率良好的材质，可以同时实现接合工具的长寿命化和接合性能的高度化。另外，通过适当调整工具前端面的表面光洁度，可以谋求超声波能有效地传播和防止元件的位置偏移。
权利要求
1.一种超声波接合用接合工具，是为将超声波施加到配置电极图形的基片及半导体元件上，用倒装法安装半导体元件的接合工具，其特征在于，由传送超声波振动子发生的超声波的喇叭部和与喇叭部接合的工具前端部构成，上述喇叭部由FeCoNi合金、镍铁鉬导磁合金、超硬合金、金属陶瓷或不锈钢的任一种构成，上述工具前端部由从金刚石烧结体、立方晶氮化硼烧结体、或者包覆气相合成金刚石的金刚石烧结体、立方晶氮化硼烧结体、超硬合金、陶瓷烧结体或金属陶瓷中选择的至少1种以上的物质构成。
2.根据权利要求1所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，构成上述工具前端部的物质的硬度在4000kg/mm2以上。
3.根据权利要求1所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，构成上述工具前端部的物质的熱传导率在200W/mK以上。
4.根据权利要求1所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，上述喇叭部和工具前端部的接合是金属接合。
5.根据权利要求1所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，工具前端面的表面光洁度的最大表面光洁度在0.1μm以上10μm以下。
6.根据权利要求1所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，在工具前端面中，工具前端面的与半导体元件接触的部分的外缘部分的表面光洁度比其内侧部分的表面光洁度大。
7.一种超声波接合用接合工具，其特征在于，在用于通过将超声波负荷到配置电极图形的基片及半导体元件上而以倒装法安装半导体元件的接合工具中，传送用超声波振动子发生的超声波的喇叭部由FeCoNi合金、镍铁鉬导磁合金、超硬合金或金属陶瓷的任一种构成，该喇叭部的前端面包覆气相合成金刚石。
8.根据权利要求7所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，包覆在上述喇叭部的前端面上的气相合成金刚石的平均粒径为0.5μm以上。
9.根据权利要求7所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，包覆在上述喇叭部的前端面上的气相合成金刚石的膜厚在1μm以上100μm以下。
10.根据权利要求7所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，包覆在上述喇叭部的前端面上的气相合成金刚石的硬度为4000kg/mm2以上。
11.根据权利要求7所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，包覆在上述喇叭部的前端面的气相合成金刚石的熱传导率在200W/mK以上。
12.根据权利要求7所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，工具前端面的表面光洁度的最大表面光洁度在0.1μm以上10μm以下。
13.根据权利要求7所述的超声波接合用接合工具，其特征在于，在工具前端面中，工具前端面的与半导体元件接触的部分的外缘部分的表面光洁度比其内侧部分的表面光洁度大。
全文摘要
本发明提供一种在将半导体元件安装在基片上的工序中，主要使用超声波能、以倒装法使半导体元件的电极与基片电极高效稳定地接合的超声波接合用接合工具。在与半导体元件接触的工具前端部使用具有高硬度的熱传导率良好的材质，因而可以同时实现长寿命化和接合性能的高度化。另外，通过适当调整工具前端部的表面的表面光洁度，可以谋求超声波能有效地传播和防止元件的位置。
文档编号H01L21/449GK1477686SQ0314919
公开日2004年2月25日 申请日期2003年6月20日 优先权日2002年8月23日
发明者山本佳津子, 藤冈昭文, 中井哲男, 石桥惠二, 关裕一郎, 二, 文, 男, 郎 申请人:住友电气工业株式会社