ボンディング装置及びボンディング方法
【課題】ボンディング装置１０において、電極とパッド及びワイヤ双方の表面洗浄を効果的に行う。
【解決手段】内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバ１２と、チャンバ１２に取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ１２内に置かれた基板４１と半導体チップ４２に照射してパッドと電極の表面処理を行う第１のプラズマトーチ２０と、チャンバ１２に取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ１２内に位置するキャピラリ１７先端のイニシャルボール１９又はワイヤ１８に照射してイニシャルボール１９又はワイヤ１８の表面処理を行う第２のプラズマトーチ３０と、表面処理されたパッドと電極とに表面処理されたイニシャルボール１９、ワイヤ１８をチャンバ１２内でボンディングするボンディング処理部１００を備える。
【解決手段】内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバ１２と、チャンバ１２に取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ１２内に置かれた基板４１と半導体チップ４２に照射してパッドと電極の表面処理を行う第１のプラズマトーチ２０と、チャンバ１２に取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ１２内に位置するキャピラリ１７先端のイニシャルボール１９又はワイヤ１８に照射してイニシャルボール１９又はワイヤ１８の表面処理を行う第２のプラズマトーチ３０と、表面処理されたパッドと電極とに表面処理されたイニシャルボール１９、ワイヤ１８をチャンバ１２内でボンディングするボンディング処理部１００を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボンディング装置の構造及びそのボンディング装置を用いるボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの電極部のパッドと回路基板の電極との間を金属細線のワイヤで接続するワイヤボンディング装置において、パッド又は電極にワイヤを超音波あるいは熱圧着によって接続する際には、パッド又は電極の表面状態がボンディング品質にとって重要となる。つまり、パッド或いは電極の金属層表面に汚染、水分或いは異物の付着があると、パッド或いは電極とワイヤとの間で良好な電気的接合を行うことができず、また機械的接合強度も弱くなってしまうという問題が発生する。そこで、ボンディング処理を行う前に、パッド或いは電極の汚染、水分或いは異物を除去する表面処理が行われることが多い。
【０００３】
従来、このような金属表面の汚染、或いは異物の除去を行う表面処理は、水分除去溶剤、有機物汚染除去溶剤をそれぞれ接合する金属表面に向かってスプレーした後、不活性ガス雰囲気で乾燥、除電するウェット洗浄が用いられていた。しかし、このようなウェット洗浄を行う装置は洗浄液の供給、排出、廃液処理が必要なため、装置全体が大型となってしまいワイヤボンディング装置に組み込みにくいという問題があった。
【０００４】
そこで、溶剤を用いず、ドライ状態で金属表面の洗浄を行う方法として、金属表面にプラズマを照射して洗浄を行う方法が提案されている。例えば、特許文献１には、半導体チップのパッド表面にアルゴンガスのプラズマを照射して金属表面を洗浄する方法が提案されている。また、特許文献１には、良好なボンディングを行うために、ワイヤをスパークによってボールに成形する際にスパーク電圧や電流を調整して結晶粒を大径化させ、ボールを軟らかくしてから半導体チップのパッドに押圧して接合する方法が提案されている。この方法はボールを軟らかくすることによって、パッドに押圧した際のボールの変形を大きくし、変形によってボール形成の際にボール表面に形成される酸化膜や付着物による殻を破り、金属の新生面を露出させ、その新生面を洗浄されたパッド表面に押圧することによって良好なボンディングを行おうとするものである。
【０００５】
また、特許文献２には、半導体チップをリードフレームあるいは基板にフリップチップ実装する際に、リードフレームあるいは基板の表面の電極にアルゴンガスのプラズマを照射して洗浄を行うと共に、半導体チップの電極上に形成されたスタッドバンプの表面にレーザーを照射し、スタッドバンプの結晶粒を大径化してスタッドバンプを軟らかくし、スタッドバンプを電極に押圧する方法が提案されている。この方法は、スタッドバンプがリードフレームあるいは基板の電極に押圧された際の変形を大きくし、この変形によってスタッドバンプ表面の酸化膜や付着物による殻を破り金属の新生面を露出させ、その新生面を洗浄されたパッド表面に押圧することによって良好なボンディングを行おうとするものである。
【０００６】
また、特許文献３には、マイクロアークによってキャピラリ先端に延出したワイヤをボールに成形し、ボールが溶融状態のままパッドにボンディングすることによって超音波を使わずに少ない荷重でワイヤをパッドにボンディングする方法、及び電極の金属表面にアルゴンのマイクロプラズマアークを照射して金属表面の洗浄を行った後、電極にワイヤをボンディングする方法が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３３２１５２号公報
【特許文献２】特開２００６−３３２１５１号公報
【特許文献３】特開２００１−６８５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１又は２に記載された従来技術は、ボール又はスタッドバンプを軟らかくし、ボール又はスタッドバンプが電極面に押し付けられる際に表面の酸化膜や付着物の殻が破れるようにして金属の新生面が電極面に接触できるようにすることにより良好なボンディングを行おうとする方法であり、表面の酸化膜の或いは付着物を除去するものではない。このため、特許文献１又は２に記載された従来技術では、ボール又はスタッドバンプ表面の酸化膜や付着物の殻はボンディングの際に金属表面とボール或いはスタッドバンプとの間に挟まれてしまい、良好な接合を行うことができない場合がある。
【０００９】
また、特許文献１から３に記載された従来技術では、半導体チップのパッド或いはリードフレーム又は基板の電極の表面についてはプラズマ照射によって洗浄が行えるものの、パッド或いは電極にボンディングされるボール又はワイヤの洗浄が行えず、ボール又はワイヤ表面の付着物によって良好な接合ができない場合がある。
【００１０】
本発明は、ボンディング対象及びイニシャルボール、ワイヤ双方の表面処理を効果的に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるボンディング装置は、ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング装置であって、内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバと、チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１のプラズマトーチと、チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２のプラズマトーチと、
表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング処理部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によるボンディング装置において、チャンバは架台に取り付けられ、ボンディング処理部は、ボンディング対象のボンディング面に沿った方向にボンディング対象を移動させるステージと、ボンディング対象に接離する方向にボンディングツールを移動させるボンディングヘッドとを含むこと、としても好適であるし、プラズマ化したガスは、希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化したものであること、としても好適であるし、プラズマ化した希ガスに水素を混入する混入ノズルを備えること、としても好適である。
【００１３】
本発明によるボンディング方法は、ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング方法であって、内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバに取付けられた第１のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１の表面処理工程と、チャンバに取付けられた第２のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２の表面処理工程と、表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング工程と、を備えることを特徴とする。また、本発明によるボンディング方法において、希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化すること、としても好適であるし、第１、第２の表面処理工程は、それぞれプラズマ化した希ガスに水素を混入して、ボンディング対象と、イニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方と、に照射すること、
としても好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ボンディング対象及びイニシャルボール、ワイヤ双方の表面処理を効果的に行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態のボンディング装置１０は、架台１１と、架台１１の上に取り付けられたボンディングステージ１３と、ボンディング対象である表面に半導体チップ４２が取り付けられた基板４１を図中のＸ方向に向けて搬送する搬送路１４と、ボンディングツールであるキャピラリ１７と、キャピラリ１７が取り付けられたボンディングアーム１６と、架台１１に固定され、ボンディングアーム１６を駆動するボンディングヘッド１５と、架台１１に取り付けられ、ボンディングステージ１３と搬送路１４とを囲むチャンバ１２と、チャンバ１２に取り付けられた第１のプラズマトーチ２０と、２つの第２のプラズマトーチ３０と、各プラズマトーチ２０，３０とにプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給部６０と、各プラズマトーチ２０，３０にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電力供給部７０と、ボンディングヘッド１５とプラズマ用ガス供給部６０と高周波電力供給部７０と搬送路１４とボンディングステージ１３が接続され、各要素を一体として制御する制御部８０と、図２に示すように、搬送路１４に半導体チップ４２が表面に取り付けられた基板４１を供給する供給スタック５３と、ボンディングステージ１３でボンディング処理の終了した基板４１をストックする製品スタック５４とを備えている。
【００１６】
ボンディングステージ１３は、ボンディングを行うボンディング面の表面に基板４１を固定する真空吸着孔を備え、図示しない真空装置によって真空吸着孔を真空とすることによってボンディング面に基板４１を吸着固定する。また、図１に示すようにボンディングステージ１３は、ＸＹ方向駆動機構によって基板４１のボンディング面に沿って図中のＸＹ方向に移動するよう構成されている。搬送路１４は、搬送方向の両側で基板４１を支持し、図２に示す供給スタック５３から製品スタック５４に向かって図中のＸ方向に基板４１を搬送すると共に、図１に示すように、搬送路１４の途中にある洗浄位置２７に基板４１を停止させ、また洗浄位置２７からボンディングステージ１３に基板４１を移動させ、或いはボンディングステージ１３から製品スタック５４に基板４１を搬送する。
【００１７】
ボンディングヘッド１５は、内部にボンディングアーム１６を揺動駆動して、ボンディングアーム１６の先端をボンディングステージ１３に吸着固定された基板４１の接離方向であるＺ方向に駆動するＺ方向モータが設けられている。ボンディングアーム１６のボンディングステージ１３に向かう先端にはボンディングツールであるキャピラリ１７が取り付けられている。キャピラリ１７の先端側は先端に向かって細くなるテーパ形状で、根元側は円筒形状であり、円筒部分でボンディングアーム１６に取り付けられている。キャピラリ１７は、その中心に貫通孔を有し、貫通孔には金製の細線であるワイヤ１８が挿通されている。キャピラリ１７の先端から延出したワイヤ１８の先端にはスパーク等によってイニシャルボール１９が形成される。ボンディングヘッド１５とボンディングアーム１６とキャピラリ１７とボンディングステージ１３とは基板４１と基板４１に取り付けられた半導体チップ４２との間をワイヤ１８で接続するボンディング処理部１００を構成する。
【００１８】
図１及び図２に示すようにチャンバ１２は、架台１１に取り付けられ、ボンディングステージ１３と搬送路１４とを囲む段差の有る箱形形状で、供給スタック５３からチャンバ１２内部の搬送路１４に供給される基板４１が入る側の側板には入口スロット５１が設けられ、チャンバ１２の搬送路１４からボンディング処理の終了した製品を製品スタック５４に排出する側の側板には出口スロット５２が設けられている。また、チャンバ１２のボンディングステージ１３を囲む側の上面板１２ａは、ボンディングステージ１３とボンディングアーム１６との間に設けられ、上面板１２ａにはボンディングアーム１６に取り付けられたキャピラリ１７が貫通するキャピラリ用孔５５が設けられている。ボンディングステージ１３よりも搬送路１４の搬送方向上流側にある洗浄位置２７を覆う上面板１２ｂは上面板１２ａと段差を持って配置されている。
【００１９】
図１及び図２に示すように、チャンバ１２の洗浄位置２７側の上面板１２ｂにはプラズマ化したガスを洗浄位置２７に停止している基板４１に照射する第１のプラズマトーチ２０が洗浄位置２７に停止した基板４１に対して略垂直となるように取り付けられている。第１のプラズマトーチ２０は、チャンバ１２内にあって、プラズマ化したガスが噴出する開口を有する先端部２１と、プラズマガス発生用の高周波電力が供給される外部電極２２と、プラズマ用ガスが導入されるガス導入管２３とを備え、ガス導入管２３は上面板１２ｂを貫通してチャンバ１２外部に突出し、ガス導入管２３に接続されたガス配管２４によってプラズマ用ガス供給部６０に接続され、外部電極２２は上面板１２ｂを貫通する電線２５によって高周波電力供給部７０に接続されている。
【００２０】
図１及び図２に示すように、チャンバ１２のボンディングステージ１３側の上面板１２ａには、キャピラリ用孔５５の両側に対向するように２つの第２のプラズマトーチ３０が設けられている。各第２のプラズマトーチ３０はチャンバ１２の内部にボンディングステージ１３のボンディング面に略平行で、プラズマ化したガスが噴出する先端部３１はキャピラリ１７先端に成形されたイニシャルボール１９に向かうように取り付けられている。また、第２のプラズマトーチ３０は、プラズマガス発生用の高周波電力が供給される外部電極３２と、プラズマ用ガスが導入されるガス導入管３３とを備えている。ガス導入管３３はチャンバ１２の内部で屈曲し上面板１２ａを貫通してチャンバ１２の外部に突出し、ガス導入管３３に接続されたガス配管３４によってプラズマ用ガス供給部６０に接続され、外部電極３２は上面板１２ｂを貫通する電線３５によって高周波電力供給部７０に接続されている。
【００２１】
チャンバ１２には図示しない不活性ガス供給装置が接続され、チャンバ１２内に不活性ガスを供給している。不活性ガスとしては、窒素などが用いられる。チャンバ１２内に供給された不活性ガスは入口スロット５１、出口スロット５２或いはキャピラリ用孔５５から流出し、これらの開口部から外気がチャンバ１２内に浸入することを防止し、チャンバ１２の内部を不活性ガス雰囲気に保持する。また、入口、出口スロット５１，５２に蓋を取り付けて不活性ガスの流出を抑制するよう構成しても良い。
【００２２】
図３に示すように、第１のプラズマトーチ２０は、絶縁体からなる円筒形状で先端の開口からプラズマ化したガスを噴出する先端部２１と、先端部２１の外部に設けられた円筒形状の外部電極２２と、先端部２１に接続され、導電性材料で構成された円筒形状のガス導入管２３と、ガス導入管２３の内部に設けられ、一端がガス導入管２３の内面に接触し、他端が先端部２１の内部に延びる内部電極２８とを備えている。ガス導入管２３は電気的に接地されている。プラズマ用ガス供給部６０は、プラズマの源となるガスを供給する機能を有し、具体的には、還元処理用ガスを希ガスに混合するための混合ボックス６１と、希ガス源としてのアルゴンガスが充填されたアルゴンガスボンベ６２と還元処理用の水素ガスが充填された水素ガスボンベ６３と各ガスボンベ６２，６３と混合ボックス６１とを接続する接続配管６４，６５とプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給管６６とを備えている。プラズマ用ガス供給管６６はガス配管２４によってガス導入管２３に接続されている。本実施形態では、希ガスとしてアルゴンガスを用いることとして説明するが、窒素ガスなどを用いてもよい。
【００２３】
図３に示すように、高周波電力供給部７０は、第１のプラズマトーチ２０の外部電極２２にプラズマの発生を維持するための高周波電力を供給するもので、整合回路７１と高周波電源７２とを備えている。整合回路７１は外部電極２２に高周波電力を供給する際の電力反射を抑制するための回路で、例えばＬＣＲ共振回路などが用いられる。高周波電源７２は例えば１００Ｍｚから５００ＭＨｚ等の周波数の電源を用いることができる。供給する電力の大きさは、プラズマ用ガス供給部６０から供給されるプラズマ用ガスの種類、流量、プラズマの安定性を考慮して決定される。高周波電源７２の制御は制御部８０によって行われる。高周波電源７２と整合回路７１は高周波電力接続線７３によって接続され、高周波電力は整合回路７１から高周波電力出力線７４を通って電線２５に出力される。
【００２４】
図３に示すように、第１のプラズマトーチ２０は、内部電極２８、接地されたガス導入管２３と外部電極２２との間に高周波電力を通電することによってガス導入管２３から導入されたガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスを先端部２１の開口から基板４１と基板の上に取り付けられている半導体チップ４２に向かって照射する。図３中のクロスハッチングした領域はプラズマ化したガスの噴流２６を示す。図３に示すように、先端部２１から噴出したプラズマ化したガスの噴流２６は、基板４１と半導体チップ４２に向かって広がるように噴出し、半導体チップ４２の表面に形成されているパッド４３と基板４１の上に形成されている電極４４のボンディングする領域をカバーしている。このため、基板４１を洗浄位置２７に停止させ、第１のプラズマトーチ２０によってプラズマ化したガスを照射すると、半導体チップ４２の各パッド４３と基板４１の各電極４４とを同時に表面処理することができる。本実施形態では、第１のプラズマトーチ２０は１本で各パッド４３と電極４４をカバーすることとして説明したが、第１のプラズマトーチ２０を複数本設けるようにしても良いし、第１のプラズマトーチ２０からプラズマ化したガスを基板４１、半導体チップ４２に向けて照射した状態で基板４１を移動させて各パッド４３，電極４４の表面処理を行うように構成してもよい。
【００２５】
図４に示すように、第２のプラズマトーチ３０は、第１のプラズマトーチ２０と同様、絶縁体からなる円筒形状で先端の開口からプラズマ化したガスの噴流３６を噴出する先端部３１と、先端部３１の外部に設けられた円筒形状の外部電極３２と、先端部３１に接続され、導電性材料で構成された円筒形状のガス導入管３３と、ガス導入管３３の内部に設けられ、一端がガス導入管３３の内面に接触し、他端が先端部３１の内部に延びる内部電極３８とを備えている。ガス導入管３３は図３に示したプラズマ用ガス供給部６０に接続され、外部電極３２は高周波電力供給部７０に接続されている。また、ガス導入管３３は接地されている。２つの第２のプラズマトーチ３０は、内部電極３８、接地されたガス導入管３３と外部電極３２との間に高周波電力を通電することによってガス導入管３３に導入されたプラズマ用ガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスを先端部３１の開口からキャピラリ１７の先端に延出したイニシャルボール１９に向かって照射する。
【００２６】
以上のように構成されたボンディング装置１０によって基板４１表面の電極４４、半導体チップ４２表面のパッド４３、イニシャルボール１９、ワイヤ１８の表面処理工程とボンディング工程とについて説明する。
【００２７】
図２に示すように、供給スタック５３にストックされている基板４１は入口スロット５１から搬送路１４に供給される。基板４１には前の工程で半導体チップ４２が取り付けられている。制御部８０は搬送路１４によって基板４１を不活性ガス雰囲気に保持されたチャンバ１２の内部に導入し、第１のプラズマトーチ２０の取り付けられている洗浄位置２７まで移動させる。基板４１を洗浄位置２７まで移動させると、制御部８０は、第１の表面処理工程を行う。制御部８０は、第１のプラズマトーチ２０にプラズマ用ガス供給部６０からプラズマ用ガスを供給すると共に、外部電極２２に高周波電力供給部７０から高周波電力を供給し、第１のプラズマトーチ２０の内部でプラズマ用ガスをプラズマ化し、図３に示した様にプラズマ化したガスを基板４１の電極４４の表面と半導体チップ４２のパッド４３の表面とに向かって噴出させ、パッド４３と電極４４の表面処理を行う。この際、常時プラズマ化したガスを噴出させても良いし、基板又は半導体チップごとに噴出させるようにしてもよい。プラズマ化したガスはチャンバ１２内部の不活性ガス雰囲気の中でパッド４３と電極４４の表面に照射され、パッド４３と電極４４表面の汚染、水分或いは異物を除去し、清浄表面とする。また、プラズマ用ガスには還元ガスとしての水素が混合されているので、パッド４３と電極４４表面の酸化膜の除去も同時に行う。所定の時間だけ第１のプラズマトーチ２０からのプラズマ化したガスの照射を行うと、制御部８０は第１の表面処理工程を終了する。
【００２８】
制御部８０は、第１の表面処理工程を終了すると、搬送路１４によって基板４１をボンディングステージ１３の上に搬送し、ボンディングステージ１３の真空吸着孔を真空として基板４１をボンディングステージ１３のボンディング面に吸着固定する。制御部８０は、図示しないスパーク装置によってキャピラリ１７の先端から延出するワイヤ１８をイニシャルボール１９に成形する。そして、ボンディングヘッド１５内部のＺ方向モータを駆動して、形成したイニシャルボール１９の位置が不活性ガス雰囲気に保持されているチャンバ１２の内部であって、第２のプラズマトーチ３０から噴出したプラズマ化したガスが当たる位置に調整する。
【００２９】
図５に示すように、イニシャルボール１９の高さの調整が終了したら、制御部８０は、２つの第２のプラズマトーチ３０にプラズマ用ガス供給部６０からプラズマ用ガスを供給すると共に、外部電極３２に高周波電力供給部７０から高周波電力を供給し、第２のプラズマトーチ３０の内部でプラズマ用ガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスをイニシャルボール１９の側面に向かって噴出させ、イニシャルボール１９表面の表面処理を行う。プラズマ化したガスはチャンバ１２内部の不活性ガス雰囲気の中でイニシャルボール１９の表面に対向する２方向から照射され、イニシャルボール１９表面の汚染、水分或いは異物を除去し、清浄表面とする。また、プラズマ用ガスには還元ガスとしての水素が混合されているので、スパークによってイニシャルボール１９を成形した際に表面に成形された酸化膜の除去も同時に行う。所定の時間だけ第２のプラズマトーチ３０からのプラズマ化したガスの照射を行うと、制御部８０は第２の表面処理工程を終了する。
【００３０】
第１の表面処理工程、第２の表面処理工程とも不活性ガス雰囲気に保持されたチャンバ１２の内部で行われているため、プラズマ化したガスの照射によって表面処理したパッド４３，電極４４の表面やイニシャルボール１９の表面は清浄な状態を保っている。また、プラズマ化したガスを照射することによって金属表面が活性化され、接合しやすい状態となっている。
【００３１】
図６に示すように、制御部８０は、第２の表面処理工程を終了すると、ボンディング工程を開始する。表面に半導体チップ４２の取り付けられた基板４１をボンディング面に吸着しているボンディングステージ１３は、制御部８０の指令によって、１次ボンディングしようとするパッド４３の上にキャピラリ１７の中心が来るようにＸＹ方向に移動する。そして、パッド４３の位置がキャピラリ１７の中心位置になったら、制御部８０はボンディングステージ１３のＸＹ方向の移動を停止し、ボンディングヘッド１５のＺ方向モータを駆動してボンディングアーム１６を下動させ、キャピラリ１７をボンディングステージ１３に向けて降下させる。そして、キャピラリ１７の先端のイニシャルボール１９をパッド４３に押し付ける。イニシャルボール１９はパッド４３に押し付けられると変形して圧着ボール１９ａとなってワイヤ１８とパッド４３の接合が行われる。この接合は、不活性ガスの雰囲気を保持しているチャンバ１２の中で行われ、パッド４３とイニシャルボール１９の各表面が清浄で活性のある状態で行われるので、超音波加振或いはパッド４３の加熱を用いなくとも良好なボンディングを行うことができる。このボンディング工程中、第２のプラズマトーチ３０からのプラズマ化したガスの照射は継続して行ってもよいし、ボンディング工程中は停止していてもよい。
【００３２】
図７に示す様に、パッド４３へのイニシャルボール１９のボンディングが終了したら、制御部８０は、ボンディングヘッド１５のＺ方向モータを駆動してキャピラリ１７の先端からワイヤ１８を繰り出しながらキャピラリ先端のワイヤ１８に第２のプラズマトーチ３０から噴出するプラズマ化したガスが当たる高さまで上昇させる。そして、制御部８０は、第２のプラズマトーチ３０からのプラズマ化したガスの照射を行い、繰り出されたワイヤ１８の表面処理を行う。
【００３３】
図８に示す様に、キャピラリ１７が所定の高さまで上昇したらキャピラリ１７の先端からワイヤ１８を繰り出しながらボンディングステージ１３をＸＹ方向に移動させて２次ボンディングしようとする電極４４の上にキャピラリ１７の中心が来るようにワイヤ１８をルーピングする。ルーピングの際、キャピラリ１７の先端に繰り出されたワイヤ１８は第２のプラズマトーチ３０から噴出するプラズマ化したガスの中を通った状態となるので、繰り出されたワイヤ１８の表面は連続的に洗浄、表面処理される。
【００３４】
図９に示すように、キャピラリ１７の中心が２次ボンディングしようとする電極４４の上に来ると、制御部８０は、ボンディングステージ１３の移動を停止し、ボンディングヘッド１５のＺ方向モータを駆動してボンディングアーム１６を下動させ、キャピラリ１７をボンディングステージ１３に向けて降下させてキャピラリ１７の先端に繰り出したワイヤ１８を電極４４に押し付けてワイヤ１８と電極４４を接合する。この接合は、不活性ガス雰囲気を保持しているチャンバ１２の中で行われ、電極４４とワイヤ１８双方の各表面が清浄で活性のある状態で行われるので、超音波加振或いは電極４４の加熱を用いなくとも良好なボンディングを行うことができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態のボンディング装置１０は、不活性ガス雰囲気のチャンバ１２の中で第１のプラズマトーチ２０によってパッド４３と電極４４との表面処理を行った後、チャンバ１２の中でボンディングステージ１３に移動し、チャンバ１２の中でイニシャルボール１９の表面処理を行った後、チャンバ１２の中で表面処理されたパッド４３に表面処理されたイニシャルボール１９を押し付けて接合するので、パッド４３、イニシャルボール１９双方の表面を清浄で活性のある状態でボンディングすることができ、良好な接合を行うことができるという効果を奏する。また、清浄で活性のある表面同士の接合となるので、超音波加振や加熱を行わなくとも良好な接合をすることができることから、超音波振動や加熱によって半導体チップ４２の受けるダメージを抑制することができるという効果を奏する。
【００３６】
本実施形態のボンディング装置１０は、イニシャルボール１９を接合したパッド４３からワイヤ１８を第２のプラズマトーチ３０によって表面処理しながら２次ボンディングする電極４４の上にルーピングして、表面処理されたワイヤ１８を表面処理された電極４４に押し付けて接合するので、ワイヤ１８の電極４４への接合の際も、電極４４の表面処理された面にワイヤ１８の表面処理された面を接合するので、電極４４、ワイヤ１８双方の表面が清浄で活性のある状態でボンディングすることができ、良好な接合を行うことができるという効果を奏する。また、清浄で活性のある表面同士の接合となるので、超音波加振や加熱を行わなくとも良好な接合をすることができ、簡便にボンディングを行うことができるという効果を奏する。
【００３７】
また、本実施形態のボンディング装置１０では、プラズマ用ガスに還元ガスである水素ガスを混合しているので、プラズマ化したガスを照射することによって表面の汚染、水分或いは異物の除去に加えて表面の酸化皮膜の除去も同時に行うことができるという効果を奏する。
【００３８】
以上述べたように、本実施形態のボンディング装置１０は、ボンディング対象及びイニシャルボール１９、ワイヤ１８双方の表面処理を効果的に行うことができ、良好な接合を行うことができるという効果を奏する。
【００３９】
本実施形態の第１、第２のプラズマトーチ２０，３０は、希ガスと水素ガスとを混合ボックス６１で混合した混合ガスをプラズマ化して対象に照射するものとして説明したが、プラズマ化した希ガスに水素ガスを混入したものとしても良い。図１０に示すように、ガス導入管２３，３３には希ガスを導入し、内部電極２８，３８、ガス導入管２３，３３と外部電極２２，３２との間に高周波電力を通電することによってガス導入管２３，３３から導入された希ガスをプラズマ化し、先端部２１，３１に設けた水素混入ノズル６７からプラズマ化した希ガスに水素ガスを混入させて先端部２１，３１の各開口からプラズマ化した希ガスに水素ガスを混入させたガスを噴出させるようにしてもよい。また、図１０に示すように、各開口から噴出したプラズマ化した希ガスの各噴流２６，３６に延びてプラズマ化した希ガスに水素ガスを混入させるような水素混入ノズル６８としてもよい。
【００４０】
以上説明した本実施形態では、プラズマの源となるガスとしてアルゴンなどの希ガスを用いることとして説明したが、希ガスに換えて窒素をプラズマの源となるガスとして用いることとしても良い。また、水素ガスを希ガスに混合させてからプラズマ化したり、プラズマ化した希ガスに水素混入ノズル６７，６８から水素ガスを混入させたりすることとして説明したが、水素ガスの代わりに酸素ガスを混合或いは混入させることとしても良い。酸素ガスを混入させる場合には、図１０で説明した水素混入ノズル６７，６８と同様の形状の酸素混入ノズルから酸素をプラズマ化したガスに混入させることができる。このように酸素を混入させることによって表面処理を行う基板４１表面の電極４４、半導体チップ４２表面のパッド４３、イニシャルボール１９、ワイヤ１８表面の有機物汚染の除去効果を向上させることができる。
【００４１】
また、本実施形態では、基板４１の電極４４にワイヤ１８をボンディングする場合について説明したが、本発明は、リードフレームのリードにワイヤ１８をボンディングする場合にも適用することができる。
【００４２】
本実施形態では、ワイヤ１８の繰り出し、ルーピングの際に第２のプラズマトーチ３０によってワイヤ１８の表面処理を行うこととして説明したが、ワイヤ１８の表面が清浄な状態であれば、ワイヤ１８の繰り出し、ルーピングの際のワイヤ１８の表面処理を省略してもよい。この場合には、ワイヤ１８の繰り出し高さは第２のプラズマトーチ３０のプラズマ化したガスの当たる高さよりも低い高さまでの繰り出しでよく、ワイヤループの高さを低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態のボンディング装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態のボンディング装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態のボンディング装置において、第１のプラズマトーチの構成とプラズマ化したガスの照射を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態のボンディング装置において、第２のプラズマトーチでプラズマ化したガスをイニシャルボールに照射する状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態のボンディング装置において、第２の表面処理工程を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態のボンディング装置において、パッドへのボンディング工程を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態のボンディング装置において、ワイヤ繰り出しを示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態のボンディング装置において、ワイヤルーピングを示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態のボンディング装置において、電極へのボンディング工程を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施形態のボンディング装置において、水素混入ノズルを備えるプラズマトーチの構成とプラズマ化したガスの照射を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ ボンディング装置、１１ 架台、１２ チャンバ、１２ａ，１２ｂ 上面板、１３ ボンディングステージ、１４ 搬送路、１５ ボンディングヘッド、１６ ボンディングアーム、１７ キャピラリ、１８ ワイヤ、１９ イニシャルボール、１９ａ 圧着ボール、２０ 第１のプラズマトーチ、２１，３１ 先端部、２２，３２ 外部電極、２３，３３ ガス導入管、２４，３４ ガス配管、２５，３５ 電線、２６，３６ 噴流、２７ 洗浄位置、２８，３８ 内部電極、３０ 第２のプラズマトーチ、４１ 基板、４２ 半導体チップ、４３ パッド、４４ 電極、５１ 入口スロット、５２ 出口スロット、５３ 供給スタック、５４ 製品スタック、５５ キャピラリ用孔、６０ プラズマ用ガス供給部、６１ 混合ボックス、６２ アルゴンガスボンベ、６３ 水素ガスボンベ、６４，６５ 接続配管、６６ プラズマ用ガス供給管、６７，６８ 水素混入ノズル、７０ 高周波電力供給部、７１ 整合回路、７２ 高周波電源、７３ 高周波電力接続線、７４ 高周波電力出力線、８０ 制御部、１００ ボンディング処理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボンディング装置の構造及びそのボンディング装置を用いるボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの電極部のパッドと回路基板の電極との間を金属細線のワイヤで接続するワイヤボンディング装置において、パッド又は電極にワイヤを超音波あるいは熱圧着によって接続する際には、パッド又は電極の表面状態がボンディング品質にとって重要となる。つまり、パッド或いは電極の金属層表面に汚染、水分或いは異物の付着があると、パッド或いは電極とワイヤとの間で良好な電気的接合を行うことができず、また機械的接合強度も弱くなってしまうという問題が発生する。そこで、ボンディング処理を行う前に、パッド或いは電極の汚染、水分或いは異物を除去する表面処理が行われることが多い。
【０００３】
従来、このような金属表面の汚染、或いは異物の除去を行う表面処理は、水分除去溶剤、有機物汚染除去溶剤をそれぞれ接合する金属表面に向かってスプレーした後、不活性ガス雰囲気で乾燥、除電するウェット洗浄が用いられていた。しかし、このようなウェット洗浄を行う装置は洗浄液の供給、排出、廃液処理が必要なため、装置全体が大型となってしまいワイヤボンディング装置に組み込みにくいという問題があった。
【０００４】
そこで、溶剤を用いず、ドライ状態で金属表面の洗浄を行う方法として、金属表面にプラズマを照射して洗浄を行う方法が提案されている。例えば、特許文献１には、半導体チップのパッド表面にアルゴンガスのプラズマを照射して金属表面を洗浄する方法が提案されている。また、特許文献１には、良好なボンディングを行うために、ワイヤをスパークによってボールに成形する際にスパーク電圧や電流を調整して結晶粒を大径化させ、ボールを軟らかくしてから半導体チップのパッドに押圧して接合する方法が提案されている。この方法はボールを軟らかくすることによって、パッドに押圧した際のボールの変形を大きくし、変形によってボール形成の際にボール表面に形成される酸化膜や付着物による殻を破り、金属の新生面を露出させ、その新生面を洗浄されたパッド表面に押圧することによって良好なボンディングを行おうとするものである。
【０００５】
また、特許文献２には、半導体チップをリードフレームあるいは基板にフリップチップ実装する際に、リードフレームあるいは基板の表面の電極にアルゴンガスのプラズマを照射して洗浄を行うと共に、半導体チップの電極上に形成されたスタッドバンプの表面にレーザーを照射し、スタッドバンプの結晶粒を大径化してスタッドバンプを軟らかくし、スタッドバンプを電極に押圧する方法が提案されている。この方法は、スタッドバンプがリードフレームあるいは基板の電極に押圧された際の変形を大きくし、この変形によってスタッドバンプ表面の酸化膜や付着物による殻を破り金属の新生面を露出させ、その新生面を洗浄されたパッド表面に押圧することによって良好なボンディングを行おうとするものである。
【０００６】
また、特許文献３には、マイクロアークによってキャピラリ先端に延出したワイヤをボールに成形し、ボールが溶融状態のままパッドにボンディングすることによって超音波を使わずに少ない荷重でワイヤをパッドにボンディングする方法、及び電極の金属表面にアルゴンのマイクロプラズマアークを照射して金属表面の洗浄を行った後、電極にワイヤをボンディングする方法が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３３２１５２号公報
【特許文献２】特開２００６−３３２１５１号公報
【特許文献３】特開２００１−６８５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１又は２に記載された従来技術は、ボール又はスタッドバンプを軟らかくし、ボール又はスタッドバンプが電極面に押し付けられる際に表面の酸化膜や付着物の殻が破れるようにして金属の新生面が電極面に接触できるようにすることにより良好なボンディングを行おうとする方法であり、表面の酸化膜の或いは付着物を除去するものではない。このため、特許文献１又は２に記載された従来技術では、ボール又はスタッドバンプ表面の酸化膜や付着物の殻はボンディングの際に金属表面とボール或いはスタッドバンプとの間に挟まれてしまい、良好な接合を行うことができない場合がある。
【０００９】
また、特許文献１から３に記載された従来技術では、半導体チップのパッド或いはリードフレーム又は基板の電極の表面についてはプラズマ照射によって洗浄が行えるものの、パッド或いは電極にボンディングされるボール又はワイヤの洗浄が行えず、ボール又はワイヤ表面の付着物によって良好な接合ができない場合がある。
【００１０】
本発明は、ボンディング対象及びイニシャルボール、ワイヤ双方の表面処理を効果的に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるボンディング装置は、ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング装置であって、内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバと、チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１のプラズマトーチと、チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２のプラズマトーチと、
表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング処理部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によるボンディング装置において、チャンバは架台に取り付けられ、ボンディング処理部は、ボンディング対象のボンディング面に沿った方向にボンディング対象を移動させるステージと、ボンディング対象に接離する方向にボンディングツールを移動させるボンディングヘッドとを含むこと、としても好適であるし、プラズマ化したガスは、希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化したものであること、としても好適であるし、プラズマ化した希ガスに水素を混入する混入ノズルを備えること、としても好適である。
【００１３】
本発明によるボンディング方法は、ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング方法であって、内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバに取付けられた第１のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１の表面処理工程と、チャンバに取付けられた第２のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２の表面処理工程と、表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング工程と、を備えることを特徴とする。また、本発明によるボンディング方法において、希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化すること、としても好適であるし、第１、第２の表面処理工程は、それぞれプラズマ化した希ガスに水素を混入して、ボンディング対象と、イニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方と、に照射すること、
としても好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ボンディング対象及びイニシャルボール、ワイヤ双方の表面処理を効果的に行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態のボンディング装置１０は、架台１１と、架台１１の上に取り付けられたボンディングステージ１３と、ボンディング対象である表面に半導体チップ４２が取り付けられた基板４１を図中のＸ方向に向けて搬送する搬送路１４と、ボンディングツールであるキャピラリ１７と、キャピラリ１７が取り付けられたボンディングアーム１６と、架台１１に固定され、ボンディングアーム１６を駆動するボンディングヘッド１５と、架台１１に取り付けられ、ボンディングステージ１３と搬送路１４とを囲むチャンバ１２と、チャンバ１２に取り付けられた第１のプラズマトーチ２０と、２つの第２のプラズマトーチ３０と、各プラズマトーチ２０，３０とにプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給部６０と、各プラズマトーチ２０，３０にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電力供給部７０と、ボンディングヘッド１５とプラズマ用ガス供給部６０と高周波電力供給部７０と搬送路１４とボンディングステージ１３が接続され、各要素を一体として制御する制御部８０と、図２に示すように、搬送路１４に半導体チップ４２が表面に取り付けられた基板４１を供給する供給スタック５３と、ボンディングステージ１３でボンディング処理の終了した基板４１をストックする製品スタック５４とを備えている。
【００１６】
ボンディングステージ１３は、ボンディングを行うボンディング面の表面に基板４１を固定する真空吸着孔を備え、図示しない真空装置によって真空吸着孔を真空とすることによってボンディング面に基板４１を吸着固定する。また、図１に示すようにボンディングステージ１３は、ＸＹ方向駆動機構によって基板４１のボンディング面に沿って図中のＸＹ方向に移動するよう構成されている。搬送路１４は、搬送方向の両側で基板４１を支持し、図２に示す供給スタック５３から製品スタック５４に向かって図中のＸ方向に基板４１を搬送すると共に、図１に示すように、搬送路１４の途中にある洗浄位置２７に基板４１を停止させ、また洗浄位置２７からボンディングステージ１３に基板４１を移動させ、或いはボンディングステージ１３から製品スタック５４に基板４１を搬送する。
【００１７】
ボンディングヘッド１５は、内部にボンディングアーム１６を揺動駆動して、ボンディングアーム１６の先端をボンディングステージ１３に吸着固定された基板４１の接離方向であるＺ方向に駆動するＺ方向モータが設けられている。ボンディングアーム１６のボンディングステージ１３に向かう先端にはボンディングツールであるキャピラリ１７が取り付けられている。キャピラリ１７の先端側は先端に向かって細くなるテーパ形状で、根元側は円筒形状であり、円筒部分でボンディングアーム１６に取り付けられている。キャピラリ１７は、その中心に貫通孔を有し、貫通孔には金製の細線であるワイヤ１８が挿通されている。キャピラリ１７の先端から延出したワイヤ１８の先端にはスパーク等によってイニシャルボール１９が形成される。ボンディングヘッド１５とボンディングアーム１６とキャピラリ１７とボンディングステージ１３とは基板４１と基板４１に取り付けられた半導体チップ４２との間をワイヤ１８で接続するボンディング処理部１００を構成する。
【００１８】
図１及び図２に示すようにチャンバ１２は、架台１１に取り付けられ、ボンディングステージ１３と搬送路１４とを囲む段差の有る箱形形状で、供給スタック５３からチャンバ１２内部の搬送路１４に供給される基板４１が入る側の側板には入口スロット５１が設けられ、チャンバ１２の搬送路１４からボンディング処理の終了した製品を製品スタック５４に排出する側の側板には出口スロット５２が設けられている。また、チャンバ１２のボンディングステージ１３を囲む側の上面板１２ａは、ボンディングステージ１３とボンディングアーム１６との間に設けられ、上面板１２ａにはボンディングアーム１６に取り付けられたキャピラリ１７が貫通するキャピラリ用孔５５が設けられている。ボンディングステージ１３よりも搬送路１４の搬送方向上流側にある洗浄位置２７を覆う上面板１２ｂは上面板１２ａと段差を持って配置されている。
【００１９】
図１及び図２に示すように、チャンバ１２の洗浄位置２７側の上面板１２ｂにはプラズマ化したガスを洗浄位置２７に停止している基板４１に照射する第１のプラズマトーチ２０が洗浄位置２７に停止した基板４１に対して略垂直となるように取り付けられている。第１のプラズマトーチ２０は、チャンバ１２内にあって、プラズマ化したガスが噴出する開口を有する先端部２１と、プラズマガス発生用の高周波電力が供給される外部電極２２と、プラズマ用ガスが導入されるガス導入管２３とを備え、ガス導入管２３は上面板１２ｂを貫通してチャンバ１２外部に突出し、ガス導入管２３に接続されたガス配管２４によってプラズマ用ガス供給部６０に接続され、外部電極２２は上面板１２ｂを貫通する電線２５によって高周波電力供給部７０に接続されている。
【００２０】
図１及び図２に示すように、チャンバ１２のボンディングステージ１３側の上面板１２ａには、キャピラリ用孔５５の両側に対向するように２つの第２のプラズマトーチ３０が設けられている。各第２のプラズマトーチ３０はチャンバ１２の内部にボンディングステージ１３のボンディング面に略平行で、プラズマ化したガスが噴出する先端部３１はキャピラリ１７先端に成形されたイニシャルボール１９に向かうように取り付けられている。また、第２のプラズマトーチ３０は、プラズマガス発生用の高周波電力が供給される外部電極３２と、プラズマ用ガスが導入されるガス導入管３３とを備えている。ガス導入管３３はチャンバ１２の内部で屈曲し上面板１２ａを貫通してチャンバ１２の外部に突出し、ガス導入管３３に接続されたガス配管３４によってプラズマ用ガス供給部６０に接続され、外部電極３２は上面板１２ｂを貫通する電線３５によって高周波電力供給部７０に接続されている。
【００２１】
チャンバ１２には図示しない不活性ガス供給装置が接続され、チャンバ１２内に不活性ガスを供給している。不活性ガスとしては、窒素などが用いられる。チャンバ１２内に供給された不活性ガスは入口スロット５１、出口スロット５２或いはキャピラリ用孔５５から流出し、これらの開口部から外気がチャンバ１２内に浸入することを防止し、チャンバ１２の内部を不活性ガス雰囲気に保持する。また、入口、出口スロット５１，５２に蓋を取り付けて不活性ガスの流出を抑制するよう構成しても良い。
【００２２】
図３に示すように、第１のプラズマトーチ２０は、絶縁体からなる円筒形状で先端の開口からプラズマ化したガスを噴出する先端部２１と、先端部２１の外部に設けられた円筒形状の外部電極２２と、先端部２１に接続され、導電性材料で構成された円筒形状のガス導入管２３と、ガス導入管２３の内部に設けられ、一端がガス導入管２３の内面に接触し、他端が先端部２１の内部に延びる内部電極２８とを備えている。ガス導入管２３は電気的に接地されている。プラズマ用ガス供給部６０は、プラズマの源となるガスを供給する機能を有し、具体的には、還元処理用ガスを希ガスに混合するための混合ボックス６１と、希ガス源としてのアルゴンガスが充填されたアルゴンガスボンベ６２と還元処理用の水素ガスが充填された水素ガスボンベ６３と各ガスボンベ６２，６３と混合ボックス６１とを接続する接続配管６４，６５とプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給管６６とを備えている。プラズマ用ガス供給管６６はガス配管２４によってガス導入管２３に接続されている。本実施形態では、希ガスとしてアルゴンガスを用いることとして説明するが、窒素ガスなどを用いてもよい。
【００２３】
図３に示すように、高周波電力供給部７０は、第１のプラズマトーチ２０の外部電極２２にプラズマの発生を維持するための高周波電力を供給するもので、整合回路７１と高周波電源７２とを備えている。整合回路７１は外部電極２２に高周波電力を供給する際の電力反射を抑制するための回路で、例えばＬＣＲ共振回路などが用いられる。高周波電源７２は例えば１００Ｍｚから５００ＭＨｚ等の周波数の電源を用いることができる。供給する電力の大きさは、プラズマ用ガス供給部６０から供給されるプラズマ用ガスの種類、流量、プラズマの安定性を考慮して決定される。高周波電源７２の制御は制御部８０によって行われる。高周波電源７２と整合回路７１は高周波電力接続線７３によって接続され、高周波電力は整合回路７１から高周波電力出力線７４を通って電線２５に出力される。
【００２４】
図３に示すように、第１のプラズマトーチ２０は、内部電極２８、接地されたガス導入管２３と外部電極２２との間に高周波電力を通電することによってガス導入管２３から導入されたガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスを先端部２１の開口から基板４１と基板の上に取り付けられている半導体チップ４２に向かって照射する。図３中のクロスハッチングした領域はプラズマ化したガスの噴流２６を示す。図３に示すように、先端部２１から噴出したプラズマ化したガスの噴流２６は、基板４１と半導体チップ４２に向かって広がるように噴出し、半導体チップ４２の表面に形成されているパッド４３と基板４１の上に形成されている電極４４のボンディングする領域をカバーしている。このため、基板４１を洗浄位置２７に停止させ、第１のプラズマトーチ２０によってプラズマ化したガスを照射すると、半導体チップ４２の各パッド４３と基板４１の各電極４４とを同時に表面処理することができる。本実施形態では、第１のプラズマトーチ２０は１本で各パッド４３と電極４４をカバーすることとして説明したが、第１のプラズマトーチ２０を複数本設けるようにしても良いし、第１のプラズマトーチ２０からプラズマ化したガスを基板４１、半導体チップ４２に向けて照射した状態で基板４１を移動させて各パッド４３，電極４４の表面処理を行うように構成してもよい。
【００２５】
図４に示すように、第２のプラズマトーチ３０は、第１のプラズマトーチ２０と同様、絶縁体からなる円筒形状で先端の開口からプラズマ化したガスの噴流３６を噴出する先端部３１と、先端部３１の外部に設けられた円筒形状の外部電極３２と、先端部３１に接続され、導電性材料で構成された円筒形状のガス導入管３３と、ガス導入管３３の内部に設けられ、一端がガス導入管３３の内面に接触し、他端が先端部３１の内部に延びる内部電極３８とを備えている。ガス導入管３３は図３に示したプラズマ用ガス供給部６０に接続され、外部電極３２は高周波電力供給部７０に接続されている。また、ガス導入管３３は接地されている。２つの第２のプラズマトーチ３０は、内部電極３８、接地されたガス導入管３３と外部電極３２との間に高周波電力を通電することによってガス導入管３３に導入されたプラズマ用ガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスを先端部３１の開口からキャピラリ１７の先端に延出したイニシャルボール１９に向かって照射する。
【００２６】
以上のように構成されたボンディング装置１０によって基板４１表面の電極４４、半導体チップ４２表面のパッド４３、イニシャルボール１９、ワイヤ１８の表面処理工程とボンディング工程とについて説明する。
【００２７】
図２に示すように、供給スタック５３にストックされている基板４１は入口スロット５１から搬送路１４に供給される。基板４１には前の工程で半導体チップ４２が取り付けられている。制御部８０は搬送路１４によって基板４１を不活性ガス雰囲気に保持されたチャンバ１２の内部に導入し、第１のプラズマトーチ２０の取り付けられている洗浄位置２７まで移動させる。基板４１を洗浄位置２７まで移動させると、制御部８０は、第１の表面処理工程を行う。制御部８０は、第１のプラズマトーチ２０にプラズマ用ガス供給部６０からプラズマ用ガスを供給すると共に、外部電極２２に高周波電力供給部７０から高周波電力を供給し、第１のプラズマトーチ２０の内部でプラズマ用ガスをプラズマ化し、図３に示した様にプラズマ化したガスを基板４１の電極４４の表面と半導体チップ４２のパッド４３の表面とに向かって噴出させ、パッド４３と電極４４の表面処理を行う。この際、常時プラズマ化したガスを噴出させても良いし、基板又は半導体チップごとに噴出させるようにしてもよい。プラズマ化したガスはチャンバ１２内部の不活性ガス雰囲気の中でパッド４３と電極４４の表面に照射され、パッド４３と電極４４表面の汚染、水分或いは異物を除去し、清浄表面とする。また、プラズマ用ガスには還元ガスとしての水素が混合されているので、パッド４３と電極４４表面の酸化膜の除去も同時に行う。所定の時間だけ第１のプラズマトーチ２０からのプラズマ化したガスの照射を行うと、制御部８０は第１の表面処理工程を終了する。
【００２８】
制御部８０は、第１の表面処理工程を終了すると、搬送路１４によって基板４１をボンディングステージ１３の上に搬送し、ボンディングステージ１３の真空吸着孔を真空として基板４１をボンディングステージ１３のボンディング面に吸着固定する。制御部８０は、図示しないスパーク装置によってキャピラリ１７の先端から延出するワイヤ１８をイニシャルボール１９に成形する。そして、ボンディングヘッド１５内部のＺ方向モータを駆動して、形成したイニシャルボール１９の位置が不活性ガス雰囲気に保持されているチャンバ１２の内部であって、第２のプラズマトーチ３０から噴出したプラズマ化したガスが当たる位置に調整する。
【００２９】
図５に示すように、イニシャルボール１９の高さの調整が終了したら、制御部８０は、２つの第２のプラズマトーチ３０にプラズマ用ガス供給部６０からプラズマ用ガスを供給すると共に、外部電極３２に高周波電力供給部７０から高周波電力を供給し、第２のプラズマトーチ３０の内部でプラズマ用ガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスをイニシャルボール１９の側面に向かって噴出させ、イニシャルボール１９表面の表面処理を行う。プラズマ化したガスはチャンバ１２内部の不活性ガス雰囲気の中でイニシャルボール１９の表面に対向する２方向から照射され、イニシャルボール１９表面の汚染、水分或いは異物を除去し、清浄表面とする。また、プラズマ用ガスには還元ガスとしての水素が混合されているので、スパークによってイニシャルボール１９を成形した際に表面に成形された酸化膜の除去も同時に行う。所定の時間だけ第２のプラズマトーチ３０からのプラズマ化したガスの照射を行うと、制御部８０は第２の表面処理工程を終了する。
【００３０】
第１の表面処理工程、第２の表面処理工程とも不活性ガス雰囲気に保持されたチャンバ１２の内部で行われているため、プラズマ化したガスの照射によって表面処理したパッド４３，電極４４の表面やイニシャルボール１９の表面は清浄な状態を保っている。また、プラズマ化したガスを照射することによって金属表面が活性化され、接合しやすい状態となっている。
【００３１】
図６に示すように、制御部８０は、第２の表面処理工程を終了すると、ボンディング工程を開始する。表面に半導体チップ４２の取り付けられた基板４１をボンディング面に吸着しているボンディングステージ１３は、制御部８０の指令によって、１次ボンディングしようとするパッド４３の上にキャピラリ１７の中心が来るようにＸＹ方向に移動する。そして、パッド４３の位置がキャピラリ１７の中心位置になったら、制御部８０はボンディングステージ１３のＸＹ方向の移動を停止し、ボンディングヘッド１５のＺ方向モータを駆動してボンディングアーム１６を下動させ、キャピラリ１７をボンディングステージ１３に向けて降下させる。そして、キャピラリ１７の先端のイニシャルボール１９をパッド４３に押し付ける。イニシャルボール１９はパッド４３に押し付けられると変形して圧着ボール１９ａとなってワイヤ１８とパッド４３の接合が行われる。この接合は、不活性ガスの雰囲気を保持しているチャンバ１２の中で行われ、パッド４３とイニシャルボール１９の各表面が清浄で活性のある状態で行われるので、超音波加振或いはパッド４３の加熱を用いなくとも良好なボンディングを行うことができる。このボンディング工程中、第２のプラズマトーチ３０からのプラズマ化したガスの照射は継続して行ってもよいし、ボンディング工程中は停止していてもよい。
【００３２】
図７に示す様に、パッド４３へのイニシャルボール１９のボンディングが終了したら、制御部８０は、ボンディングヘッド１５のＺ方向モータを駆動してキャピラリ１７の先端からワイヤ１８を繰り出しながらキャピラリ先端のワイヤ１８に第２のプラズマトーチ３０から噴出するプラズマ化したガスが当たる高さまで上昇させる。そして、制御部８０は、第２のプラズマトーチ３０からのプラズマ化したガスの照射を行い、繰り出されたワイヤ１８の表面処理を行う。
【００３３】
図８に示す様に、キャピラリ１７が所定の高さまで上昇したらキャピラリ１７の先端からワイヤ１８を繰り出しながらボンディングステージ１３をＸＹ方向に移動させて２次ボンディングしようとする電極４４の上にキャピラリ１７の中心が来るようにワイヤ１８をルーピングする。ルーピングの際、キャピラリ１７の先端に繰り出されたワイヤ１８は第２のプラズマトーチ３０から噴出するプラズマ化したガスの中を通った状態となるので、繰り出されたワイヤ１８の表面は連続的に洗浄、表面処理される。
【００３４】
図９に示すように、キャピラリ１７の中心が２次ボンディングしようとする電極４４の上に来ると、制御部８０は、ボンディングステージ１３の移動を停止し、ボンディングヘッド１５のＺ方向モータを駆動してボンディングアーム１６を下動させ、キャピラリ１７をボンディングステージ１３に向けて降下させてキャピラリ１７の先端に繰り出したワイヤ１８を電極４４に押し付けてワイヤ１８と電極４４を接合する。この接合は、不活性ガス雰囲気を保持しているチャンバ１２の中で行われ、電極４４とワイヤ１８双方の各表面が清浄で活性のある状態で行われるので、超音波加振或いは電極４４の加熱を用いなくとも良好なボンディングを行うことができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態のボンディング装置１０は、不活性ガス雰囲気のチャンバ１２の中で第１のプラズマトーチ２０によってパッド４３と電極４４との表面処理を行った後、チャンバ１２の中でボンディングステージ１３に移動し、チャンバ１２の中でイニシャルボール１９の表面処理を行った後、チャンバ１２の中で表面処理されたパッド４３に表面処理されたイニシャルボール１９を押し付けて接合するので、パッド４３、イニシャルボール１９双方の表面を清浄で活性のある状態でボンディングすることができ、良好な接合を行うことができるという効果を奏する。また、清浄で活性のある表面同士の接合となるので、超音波加振や加熱を行わなくとも良好な接合をすることができることから、超音波振動や加熱によって半導体チップ４２の受けるダメージを抑制することができるという効果を奏する。
【００３６】
本実施形態のボンディング装置１０は、イニシャルボール１９を接合したパッド４３からワイヤ１８を第２のプラズマトーチ３０によって表面処理しながら２次ボンディングする電極４４の上にルーピングして、表面処理されたワイヤ１８を表面処理された電極４４に押し付けて接合するので、ワイヤ１８の電極４４への接合の際も、電極４４の表面処理された面にワイヤ１８の表面処理された面を接合するので、電極４４、ワイヤ１８双方の表面が清浄で活性のある状態でボンディングすることができ、良好な接合を行うことができるという効果を奏する。また、清浄で活性のある表面同士の接合となるので、超音波加振や加熱を行わなくとも良好な接合をすることができ、簡便にボンディングを行うことができるという効果を奏する。
【００３７】
また、本実施形態のボンディング装置１０では、プラズマ用ガスに還元ガスである水素ガスを混合しているので、プラズマ化したガスを照射することによって表面の汚染、水分或いは異物の除去に加えて表面の酸化皮膜の除去も同時に行うことができるという効果を奏する。
【００３８】
以上述べたように、本実施形態のボンディング装置１０は、ボンディング対象及びイニシャルボール１９、ワイヤ１８双方の表面処理を効果的に行うことができ、良好な接合を行うことができるという効果を奏する。
【００３９】
本実施形態の第１、第２のプラズマトーチ２０，３０は、希ガスと水素ガスとを混合ボックス６１で混合した混合ガスをプラズマ化して対象に照射するものとして説明したが、プラズマ化した希ガスに水素ガスを混入したものとしても良い。図１０に示すように、ガス導入管２３，３３には希ガスを導入し、内部電極２８，３８、ガス導入管２３，３３と外部電極２２，３２との間に高周波電力を通電することによってガス導入管２３，３３から導入された希ガスをプラズマ化し、先端部２１，３１に設けた水素混入ノズル６７からプラズマ化した希ガスに水素ガスを混入させて先端部２１，３１の各開口からプラズマ化した希ガスに水素ガスを混入させたガスを噴出させるようにしてもよい。また、図１０に示すように、各開口から噴出したプラズマ化した希ガスの各噴流２６，３６に延びてプラズマ化した希ガスに水素ガスを混入させるような水素混入ノズル６８としてもよい。
【００４０】
以上説明した本実施形態では、プラズマの源となるガスとしてアルゴンなどの希ガスを用いることとして説明したが、希ガスに換えて窒素をプラズマの源となるガスとして用いることとしても良い。また、水素ガスを希ガスに混合させてからプラズマ化したり、プラズマ化した希ガスに水素混入ノズル６７，６８から水素ガスを混入させたりすることとして説明したが、水素ガスの代わりに酸素ガスを混合或いは混入させることとしても良い。酸素ガスを混入させる場合には、図１０で説明した水素混入ノズル６７，６８と同様の形状の酸素混入ノズルから酸素をプラズマ化したガスに混入させることができる。このように酸素を混入させることによって表面処理を行う基板４１表面の電極４４、半導体チップ４２表面のパッド４３、イニシャルボール１９、ワイヤ１８表面の有機物汚染の除去効果を向上させることができる。
【００４１】
また、本実施形態では、基板４１の電極４４にワイヤ１８をボンディングする場合について説明したが、本発明は、リードフレームのリードにワイヤ１８をボンディングする場合にも適用することができる。
【００４２】
本実施形態では、ワイヤ１８の繰り出し、ルーピングの際に第２のプラズマトーチ３０によってワイヤ１８の表面処理を行うこととして説明したが、ワイヤ１８の表面が清浄な状態であれば、ワイヤ１８の繰り出し、ルーピングの際のワイヤ１８の表面処理を省略してもよい。この場合には、ワイヤ１８の繰り出し高さは第２のプラズマトーチ３０のプラズマ化したガスの当たる高さよりも低い高さまでの繰り出しでよく、ワイヤループの高さを低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態のボンディング装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態のボンディング装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態のボンディング装置において、第１のプラズマトーチの構成とプラズマ化したガスの照射を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態のボンディング装置において、第２のプラズマトーチでプラズマ化したガスをイニシャルボールに照射する状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態のボンディング装置において、第２の表面処理工程を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態のボンディング装置において、パッドへのボンディング工程を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態のボンディング装置において、ワイヤ繰り出しを示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態のボンディング装置において、ワイヤルーピングを示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態のボンディング装置において、電極へのボンディング工程を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施形態のボンディング装置において、水素混入ノズルを備えるプラズマトーチの構成とプラズマ化したガスの照射を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ ボンディング装置、１１ 架台、１２ チャンバ、１２ａ，１２ｂ 上面板、１３ ボンディングステージ、１４ 搬送路、１５ ボンディングヘッド、１６ ボンディングアーム、１７ キャピラリ、１８ ワイヤ、１９ イニシャルボール、１９ａ 圧着ボール、２０ 第１のプラズマトーチ、２１，３１ 先端部、２２，３２ 外部電極、２３，３３ ガス導入管、２４，３４ ガス配管、２５，３５ 電線、２６，３６ 噴流、２７ 洗浄位置、２８，３８ 内部電極、３０ 第２のプラズマトーチ、４１ 基板、４２ 半導体チップ、４３ パッド、４４ 電極、５１ 入口スロット、５２ 出口スロット、５３ 供給スタック、５４ 製品スタック、５５ キャピラリ用孔、６０ プラズマ用ガス供給部、６１ 混合ボックス、６２ アルゴンガスボンベ、６３ 水素ガスボンベ、６４，６５ 接続配管、６６ プラズマ用ガス供給管、６７，６８ 水素混入ノズル、７０ 高周波電力供給部、７１ 整合回路、７２ 高周波電源、７３ 高周波電力接続線、７４ 高周波電力出力線、８０ 制御部、１００ ボンディング処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング装置であって、
内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバと、
チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１のプラズマトーチと、
チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２のプラズマトーチと、
表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング処理部と、
を備えることを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のボンディング装置において、
チャンバは架台に取り付けられ、
ボンディング処理部は、ボンディング対象のボンディング面に沿った方向にボンディング対象を移動させるステージと、ボンディング対象に接離する方向にボンディングツールを移動させるボンディングヘッドとを含むこと、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のボンディング装置であって、
プラズマ化したガスは、希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化したものであること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のボンディング装置であって、
プラズマ化した希ガスに水素を混入する混入ノズルを備えること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項５】
ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング方法であって、
内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバに取付けられた第１のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１の表面処理工程と、
チャンバに取付けられた第２のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２の表面処理工程と、
表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング工程と、
を備えることを特徴とするボンディング方法。
【請求項６】
請求項５に記載のボンディング方法であって、
希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項７】
請求項５に記載のボンディング方法であって、
第１、第２の表面処理工程は、それぞれプラズマ化した希ガスに水素を混入して、ボンディング対象と、イニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方と、に照射すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項１】
ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング装置であって、
内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバと、
チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１のプラズマトーチと、
チャンバに取付けられ、プラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２のプラズマトーチと、
表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング処理部と、
を備えることを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のボンディング装置において、
チャンバは架台に取り付けられ、
ボンディング処理部は、ボンディング対象のボンディング面に沿った方向にボンディング対象を移動させるステージと、ボンディング対象に接離する方向にボンディングツールを移動させるボンディングヘッドとを含むこと、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のボンディング装置であって、
プラズマ化したガスは、希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化したものであること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のボンディング装置であって、
プラズマ化した希ガスに水素を混入する混入ノズルを備えること、
を特徴とするボンディング装置。
【請求項５】
ボンディングツールに挿通したワイヤによってボンディング対象にボンディング処理を行うボンディング方法であって、
内部を不活性ガス雰囲気に保持するチャンバに取付けられた第１のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に置かれたボンディング対象に照射してボンディング対象の表面処理を行う第１の表面処理工程と、
チャンバに取付けられた第２のプラズマトーチによってプラズマ化したガスをチャンバ内に位置するボンディングツール先端のイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方に照射してイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方の表面処理を行う第２の表面処理工程と、
表面処理されたボンディング対象に表面処理されたイニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方をチャンバ内でボンディングするボンディング工程と、
を備えることを特徴とするボンディング方法。
【請求項６】
請求項５に記載のボンディング方法であって、
希ガスと水素との混合ガスをプラズマ化すること、
を特徴とするボンディング方法。
【請求項７】
請求項５に記載のボンディング方法であって、
第１、第２の表面処理工程は、それぞれプラズマ化した希ガスに水素を混入して、ボンディング対象と、イニシャルボールとワイヤのいずれか一方又は両方と、に照射すること、
を特徴とするボンディング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１４１２１５（Ｐ２００９−１４１２１５Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１７５１８（Ｐ２００７−３１７５１８）
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【出願人】（０００１４６７２２）株式会社新川 (128)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【出願人】（０００１４６７２２）株式会社新川 (128)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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