ワイヤボンディング装置およびこれを用いたワイヤボンディング方法
【課題】超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着などによるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができ、延いては製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることができるワイヤボンディング装置を提供する。
【解決手段】超音波手段による熱圧着により、固体撮像素子チップ５内のアルミニウムで形成されたパッド５１に、金線を接続させるワイヤボンディング装置であって、パッド５１上の酸化アルミニウム膜の膜厚を計測する計測手３段と、計測手段３で測定した膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディング時にパッド５１に作用する超音波熱圧着条件を補正する制御手段４とを備えている。
【解決手段】超音波手段による熱圧着により、固体撮像素子チップ５内のアルミニウムで形成されたパッド５１に、金線を接続させるワイヤボンディング装置であって、パッド５１上の酸化アルミニウム膜の膜厚を計測する計測手３段と、計測手段３で測定した膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディング時にパッド５１に作用する超音波熱圧着条件を補正する制御手段４とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤボンディング装置およびこれを用いたワイヤボンディング方法にかかり、超音波手段により熱圧着させてチップ内のパッドに金線を接続させるワイヤボンディング装置に係り、特にチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）タイプの固体撮像素子などに有効なワイヤボンディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体チップなどから信号線を引き出す方法として知られている、金（Ａｕ）線や銅（Ｃｕ）線或いはアルミニウム（Ａｌ）線などのボンディングワイヤを用いたワイヤボンディング法では、熱圧着方式の超音波振動を併用させた超音波熱圧着方式のワイヤボンディング装置が主流となっている(例えば、非特許文献１参照)。
【０００３】
ところで、現在、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を含む固体撮像素子が広く普及しているが、このような固体撮像素子を製造する際にも、信号線を外部へ引き出すために、ボンディング装置を用いたワイヤボンディングにより、パッドや電極の間などについて電気的接続を図る必要がある。
【０００４】
また、この固体撮像素子などのような半導体チップでは、パッドがアルミニウムで形成されている場合、そのアルミニウムのパッド表面は、通常、酸化されて酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）（以下、「アルミナ」とよぶ）の膜が形成されていることが多い。
【０００５】
このような事情から、ワイヤボンディング装置(例えば、ネイルヘッド型のワイヤボンディング装置)を用いてワイヤボンディングを行う際には、接合すべきパッド側の界面、つまりアルミナの膜を超音波による高周波振動で除去し、さらにこの超音波でパッドを加熱させ、金線(若しくは金ボール)などをパッドに熱圧着させている。
【非特許文献１】「信学技報 Technical Report IEICE ICD 92-128 (1992-12)」(社団法人 電子情報通信学会 発行)第１7頁乃至第２４頁
【特許文献１】特開平７-２０２１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波による熱圧着の際に、良好な熱圧着動作を行うためには、酸化膜をちょうど突き破って良好に熱圧着できる程度の熱圧着エネルギーを用いる必要がある。ところで、パッド上のアルミナの膜厚は、微視的に見ると、個々のパッドによってばらつきを生じていることが多い。ところが、このように膜厚にばらつきがあると、超音波による熱圧着の際に、アルミナを突き破ってアルミニウムを溶融してしまい、パッドが薄くなってしまったり、逆にアルミナが十分に突き破られず、アルミニウム表面をアルミナで覆われた状態で熱圧着されるため、電気的コンタクトを取るのが困難な場合がある。このように、超音波による熱圧着の際に、良好な熱圧着動作を行うことができず、電気的な接続が不安定で不確実であるなど、製品不良を招く一因になっているとともに、歩留まり低下の原因となることがある。
【０００７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができ、延いては製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることができるワイヤボンディング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、超音波手段による熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤをワイヤボンディングによって接続させるワイヤボンディング装置であって、前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測手段と、前記計測手段で測定した膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディング時に前記パッドに作用する超音波熱圧着条件を補正する制御手段とを備えたものである。
【０００９】
上記構成によれば、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができ、延いては製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００１０】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記計測手段には、光学的に測定する分光エリプソメータ、超音波を利用して測定する超音波解析装置、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置またはＸ線反射測定装置のいずれかを用いたものである。
【００１１】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記パッドは、アルミニウム又は銅で形成されているものである。
【００１２】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記ボンディングワイヤは、金線である。
【００１３】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記半導体チップは、ＣＣＤを含む固体撮像素子である。
【００１４】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記固体撮像素子は、ＣＳＰタイプの固体撮像素子チップである。
【００１５】
また、本発明のワイヤボンディング方法では、熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤを接続するワイヤボンディング方法であって、前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測工程と、前記計測工程で測定した前記酸化膜の膜厚に応じて、ワイヤボンディング時における熱圧着条件を制御する制御工程とを具備している。
【００１６】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、分光エリプソメータを用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含む。
【００１７】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、超音波を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含む。
【００１８】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含む。
【００１９】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、Ｘ線反射測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を測定する工程を含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができ、延いては製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることができるワイヤボンディング装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るワイヤボンディング装置を示すものであり、このワイヤボンディング装置は、装置本体(以下、「ワイヤボンダ」とよぶ)１と、超音波熱圧着装置２と、計測手段３と、制御部４とを備えている。なお、本実施の形態の場合、例えば図２に示すように、このワイヤボンディング装置によりパッド５１と電極５２とを金線Ｗで接続させるチップには、固体撮像素子（ＣＣＤ）を構成するＣＳＰタイプの固体撮像素子チップ５を用いている。また、このワイヤボンディング装置を用いたワイヤボンディング作業は、ウエハからダイシングして個々の固体撮像素子チップ５を切り出した後、リードフレームＬなどに搭載した後のパターン配線を行う際に、行うようになっている（ウエハの状態で行ってもよい）。
【００２２】
このワイヤボンダ１は、入力が制御部４の出力に接続されており、その動作が制御部４で制御されている。本実施の形態の場合、このワイヤボンダ１は、ネイルヘッド型のワイヤボンディダを用いており、スプールから供給され、エアテンション、クランパ(いずれも図示せず)を介して、キャピラリー１１の孔から引き出されてくる金線Ｗの先端を、電気トーチ１２（図３参照）によるアーク放電などで加熱溶融させ、ボール状（金ボール）Ｂに形成するようになっている。
【００２３】
超音波熱圧着装置２は、超音波による高周波振動(本実施の形態では、１００ＫＨｚ)により固体撮像素子チップ５のアルミニウムで形成したパッド５１(以下、「アルミパッド」とよぶ)及び電極５２を加熱し、金線Ｗとの熱圧着を行うようになっている。また、この超音波熱圧着装置２により熱圧着を行う場合、熱圧着すべきアルミパッド５１（但し、電極５２もアルミニウムや銅などで形成されていて酸化膜が形成されている場合には、これも対象となる）のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の膜厚に応じて、次の各条件（超音波熱圧着条件）、つまり、超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間を制御部４で最適な条件に補正又は調整して制御するようになっている。そのため、超音波熱圧着装置２は、入力が制御部４の出力に接続されている。
【００２４】
計測手段３は、本実施の形態の場合、分光エリプソメータ３０を用いている。この分光エリプソメータは、固体撮像素子チップＴのアルミパッド上のアルミナ膜を所定のモニターパターン内で検出し、入射／反射の際の偏光状態を利用してそのアルミナの膜厚を光学的に計測するものであり、計測した膜厚に関するデータは、制御部４に出力させるようになっている。このため、この分光エリプソメータの出力が、制御部４の入力に接続されている。
【００２５】
この分光エリプソメータ３０は、一般に、表面、薄膜の反射の際の偏光状態の変化を観測してその光学常数、膜厚などを求める装置であり、原理的には、偏光子で直線偏光を試料面に入射させ、そこで反射した楕円偏光を波長板で直線偏光にかえ、検光子で消光させて楕円の偏光形状を求めるものである。本発明の分光エリプソメータ３０には、各種公知のものが適用可能であり、例えば本実施の形態では、図４に示すように、白色光源３１と、偏光子３２と、検光子３３と、波長板３４と、分光器３５などを備えたものを用いており、白色光源３１から出射される白色光を、偏光子３２及び波長板３４によってある特定の偏光状態にさせた後、測定対象であるアルミパッド５１に入射させるようになっている。すると、その入射光は、偏光状態が変化し、その後、ここでの反射光が検光子３３を透過して分光器３５に入射する。ここで、偏光子３２と検光子３３との角度を調整すると、個々のアルミパッド５１のアルミナの固有膜厚および屈折率に応じた特定の波長で部分消光をおこさせることができ、その消光した波長の色に対する補色を帯びる。そこで、分光器３５を用いることで、色と膜厚の対応を一意に決定しておけば、アルミナの膜厚を高精度で決定することができる。
【００２６】
制御部４は、ワイヤボンダ１、超音波熱圧着装置２、計測手段３である分光エリプソメータ３０の動作を制御するほか、分光エリプソメータ３０で測定したアルミナの膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディングの際にアルミパッド５１に作用する超音波熱圧着条件を適宜補正するものである。
【００２７】
次に、本実施の形態のワイヤボンディング装置を用いたワイヤボンディング方法について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。
本実施の形態のワイヤボンディング方法は、リードフレームＬに搭載された各固体撮像素子チップ５について各種配線を行う工程で行うものであるが、初めに、図３（Ａ）に示すように、ワイヤボンディングを行うアルミパッド５１ごとに、計測手段３である分光エリプソメータを用いて個別にアルミナの膜厚を計測しておく（工程Ｓ１）。ここで、この分光エリプソメータによる膜厚測定方法については、前述したように、所定のモニターパターン内でアルミパッド５１を検出し、入射／反射の際の偏光状態を利用して光学的にアルミナの膜厚を計測する。また、このアルミパッド５１の接続先である電極５２についても、例えばアルミニウム(銅など形成されている場合もよい)で形成されているために表面がアルミナの膜で覆われているような場合には、そのアルミナの膜厚も同様に計測する。
【００２８】
このようにして、ワイヤボンディングを行うアルミパッド５１での膜厚が計測されたならば、その膜厚に関するデータが計測手段３である分光エリプソメータから制御部４に出力される（工程Ｓ２）。
一方、分光エリプソメータから膜厚に関するデータを入力した制御部４では、所定の演算を行い、Ｗ／Ｂ条件（ワイヤボンディング条件）、特に超音波熱圧着条件、つまり、超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間について、予め設定されている基準となる標準値から適宜補正を行い、それぞれ最適な値を具体的に決定する（工程Ｓ３）。
【００２９】
このようにして、具体的に超音波熱圧着条件が決定されたならば、制御部４の制御によって、超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間を最適な状態に制御しながら、ワイヤボンダ１及び超音波熱圧着装置２を作動して各パッドに対して、順次ワイヤボンディングを行う（工程Ｓ４）。
即ち、このワイヤボンディング作業では、初めに、図３（Ｂ）に示すように、キャピラリー１１の孔から引き出されてくる金線Ｗの先端を、電気トーチ１２によるアーク放電などで加熱溶融させ、同図（Ｃ）に示すボール状（金ボール）Ｂに形成する。次に、制御部４の制御により、測定したアルミパッド５１のアルミナの膜厚に対応する最適な超音波熱圧着条件、つまり、最適な値に設定した超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させ、同図（Ｄ）に示すように、キャピラリー１１の先に形成してある金ボールＢをアルミパッド５１に熱圧着させることにより、金線Ｗをアルミパッド５１に電気的に接続する（つまり、ボールボンディングを行う）。その後、キャピラリー１１を上方に引き上げ、リードフレーム側の電極５２に移動する。この場合、金ボールＢを用いるときには、金線Ｗの引き出し形状として略円弧状のやや大きなループを形成させるために、一旦電極５２側とは反対方向にリバース動作させるようにしてもよい。
【００３０】
次に、制御部４が、電極５２に対しても同様に超音波熱圧着装置２を作動させ、酸化膜が形成されている場合には、その膜厚測定されたデータに基づき最適な超音波熱圧着条件で動作させる。これにより、電極５２の酸化膜も高周波振動で除去するとともに電極５２を加熱溶融させ、金線Ｗを電極５２に熱圧着させ電極５２に接続する（つまり、ウエッジボンディングを行う）。このため、各アルミパッド５１や電極５２に酸化膜が多様な厚さで形成されていたとしても、その酸化膜を個々のアルミパッド５１や電極５２ごとに超音波熱圧着装置２で除去させて電気的な接続を確実に、安定した状態で行う。
【００３１】
次に、図６に示す固体撮像素子チップ５のアルミパッド５１にボンディングワイヤとしての金線Ｗを接続するときに、ワイヤボンディング前のアルミパッド５１に形成されていたアルミナの膜厚と、ワイヤボンディングによりアルミパッドに金線Ｗを接続したときのアルミパッド５１部分のＷ／Ｂ合金化率（つまり、金の拡散特性）とについて、両者の相関性を調べる実験を行ってみた。実験結果を図７に示す。なお、図７中の破線で示すグラフは従来のワイヤボンディング装置でのワイヤボンディング（一定条件）、実線は本実施の形態のワイヤボンディング装置を用いてワイヤボンディング（膜厚測定されたデータに基づき最適な超音波熱圧着条件）を行った場合を示す。
なお、ここで、図６中、符号５３はシリコン基板、５４はフィールド酸化膜、５５はパッド（ドープトアモルファスシリコン層）、５６はアルミニウム膜（ボンディングパッド）５７は層間絶縁膜、５８はパッシベーション膜を示す。また、パッド部分のＷ／Ｂ合金化率とは、パッドを形成するアルミニウム（Ａｌ）の開口面積（パッシベーション膜の開口でＡｌが露出している所）を１００として、ワイヤボンディングのボンディングワイヤとして使用している金（金ボール）とアルミが合金になっている面積の比率をいうものとする。実際には金ボールが溶融して合金になっている跡を撮像し、画像処理ソフトを用いて面積比を計測するという方法がとられる。図７でアルミナ膜厚が薄いときは６８％で一定となっている。これはアルミニウムに圧着された金ボールが１００％反応して正常に合金化されていることを示している。
【００３２】
その結果、アルミパッド５１に形成されていたアルミナの膜厚と(金とアルミニウム)合金化率との間には、図７に示すように、一定の相関性があることが判明し、アルミナの膜厚が特定値ｔ０を越えると、急激に合金化率が低下する、つまりアルミニウム中での金の拡散性が低下するとの知見が得られた。これにより、酸化膜の厚さが一定値を越えると、熱圧着によるアルミパッド５１への金線Ｗの接続がうまく行えないことがわかる。
【００３３】
一方、本実施の形態に係るワイヤボンディング装置を用いてワイヤボンディングを行う場合、アルミナの膜厚に対応した最適な値に設定した超音波熱圧着条件、つまり超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させるように構成した。このため、たとえアルミナの膜厚が一定値ｔ０を越えていた場合であっても、高い合金化率で熱圧着することができ、信頼度の高いワイヤボンディングが実現可能となることが判明した。
【００３４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図８を参照しながら説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施の形態では、実施の形態１と異なり、計測手段３に超音波を利用した超音波解析装置６を用いている。
超音波解析装置６は、各種公知のものが適用可能であり、例えば本実施の形態では、信号発生装置６１と、超音波送信器６２と、超音波受信器６３と、信号分離装置６４と、データ処理装置６５などを備えたものを用いている。
【００３５】
このうち、信号発生装置６１は、超音波の音源になる電気信号を発生させるものである。一方、超音波送信器６２は、信号発生装置６１から入力される信号に基づいて超音波を発生させるものである。超音波受信器６３は、超音波を受信するためのものである。この超音波受信器６３は、受信した超音波を信号分離装置６４へと出力する構成となっている。信号分離装置６４は、超音波受信器６３によって受信された超音波を、その由来ごとに分離するためのものである。データ処理装置６５は、信号分離装置６４によって分離された信号について、空間的統計処理、ここでは開口合成（Aperture Synthesis）を行うことで、測定対象物であるアルミパッド５１の３次元形状、特にアルミナ部分の膜厚を求めるものである。なお、このデータ処理装置６５は、具体的には、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、マイクロプロセッサ、メモリなどによって構成されている。
【００３６】
本実施の形態では、計測手段３として、上述のような構成の超音波解析装置６を用いて超音波で膜厚を測定するようになっているが、この超音波解析装置６で計測したアルミパッド５１のアルミナ部分の膜厚データは、図１に示す制御部４に出力され、その後、第1の実施の形態と同様の動作を行う。従って、アルミパッド５１や電極５２の界面などにアルミナなどの酸化膜が形成されていても、酸化膜の膜厚に対応した最適な値に設定した超音波熱圧着条件、つまり超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させることができる。このため、たとえアルミナなどの酸化膜の膜厚が一定値ｔ０（図７参照）を越えていた場合でも、高い合金化率で熱圧着することができ、信頼度の高いワイヤボンディングを実現することが可能となる。
【００３７】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図９を参照しながら説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施の形態では、実施の形態１，２と異なり、計測手段３にＸ線を利用した蛍光Ｘ線測定装置７（或いはＸ線反射測定装置）を用いている。
【００３８】
蛍光Ｘ線測定装置７は、各種の公知の手段及び方法が適用可能であり、例えば本実施の形態では、図９に示すように、励起（蛍光）Ｘ線源７１と、集光ミラー７２と、蛍光Ｘ線検出器７３と、演算器７４とを備えたものを用いている。
ここで、本実施の形態の演算器７４では、所定の数式などを利用した蛍光Ｘ線測定方法により、膜厚を測定するようになっており、以下これについて説明する。
蛍光Ｘ線を膜厚測定に利用する場合、通常、物理的な測定対象は試料中の原子数（または原子分子数）であることから、本実施の形態の蛍光Ｘ線測定方法では、測定対象であるアルミパッド５１のアルミナの薄膜が励起Ｘ線で照射されている励起領域内で一様であるものと仮定し、かつ、膜中の原子数（または原子分子数）密度を仮定して、検出した蛍光Ｘ線量から所定の演算式を用いることにより、アルミナの膜厚に換算するように構成している。
【００３９】
例えば、この蛍光Ｘ線測定方法では、蛍光Ｘ線検出器７３により検出される蛍光Ｘ線量は、以下のような数式から算出することができる。
Ｂ＝Ｃ∫∫∫（ａ（ｘ、ｙ）・Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ））・Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）・
（ｅ（ｘ、ｙ）・Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ））ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ
但し、ここで、積分範囲：測定領域全面×厚さ
Ｂ；検出される蛍光Ｘ線量、
Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）；位置（ｘ、ｙ、ｚ）での膜中の測定対象元素の体積原子
数密度、
（ａ（ｘ、ｙ）・Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ））；位置（ｘ、ｙ、ｚ）での励起Ｘ線
の照射密度、
（ｅ（ｘ、ｙ）・Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ））；位置（ｘ、ｙ、ｚ）で出射された
蛍光Ｘ線に対する検出効率
【００４０】
また、ここで、関数Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ）は、励起Ｘ線が位置（ｘ、ｙ、ｚ）まで進入する時の透過率を示す。したがって、Ｇ１（ｘ、ｙ、０）＝１である。同様に、関数Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ）は、位置（ｘ、ｙ、ｚ）で出射された蛍光Ｘ線が試料表面に達するまでの透過率を示す。したがって、Ｇ２（ｘ、ｙ、０）＝１である。
また、Ｃは励起Ｘ線のエネルギーであって、測定対象元素の種類、検出対象の蛍光Ｘ線エネルギー、測定時間、式中の単位系等で決まる定数を表す。
さらに、ｘ及びｙは試料表面に沿って設定した互いに直交するデカルト座標での２軸上の座標の値を示し、ｚはアルミナ表面からの深さを示す。
なお、積分範囲における「厚さ」は、対象としている薄膜パターンの厚さを示す。積分中でａ（ｘ、ｙ）とｅ（ｘ、ｙ）の両方が正値の部分のみが、蛍光Ｘ線量Ｂに寄与する。その寄与領域が測定領域である。
【００４１】
次に、膜厚Ｔ（ｘ、ｙ）の算出方法について説明する。
例えば、基板表面に沿って２次元的にアルミパッド５１のパターンが繰り返される場合、以下の式を得ることができる。ここで、Ｓ１は単位構造の面積を示す。
【００４２】
∫∫∫Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ）・Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）・Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ）
ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位構造内）
＝Ｓ１・Ｂ／（Ｃ・（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ））
（積分範囲：測定領域全面）
ここで、アルミパッド５１の表面に沿った繰り返し構造が一方向にしか存在しない場合、繰り返し構造のないｘ，ｙ軸上での繰り返し幅を任意の適当な幅として定義する。そうすると、上式中のＳ１及び積分範囲の「単位構造内」の定義を変更することなく上記の基本式を利用できる。
上式中の因子、（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ）は、光学素子の特性、配置等で決まるので、何らかの基準測定により較正した値を定数として使用することができる。
【００４３】
次に、上式の左辺の積分を書き換えて、膜厚を算出する式を導く。まず、以後の計算を簡単に行うことができるようにするため、試料内部でのＸ線の減衰が無視できる程度に少ないと仮定し、Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ）＝Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ）＝１とする。その結果、以下のように書き換えることができる。
【００４４】
ＬＨＳ＝∫∫∫Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位構造内）
ここで、測定対象の薄膜試料を上から見た時に、ｘｙ面内で測定対象元素を含む領域とそれ以外の領域が明確に分かれ、それぞれの領域での原子数密度Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）がＤ、及び０となっている場合を考える。以後、単位構造内での測定対象元素を含む範囲を単位測定対象範囲とよび、そのｘｙ面内での面積を単位測定対象面積Ｓ２とする。また、単位測定対象範囲でのアルミナの膜厚をＴ（ｘ、ｙ）とする。
【００４５】
ＬＨＳ＝∫∫∫Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位構造内）
＝ ∫∫∫Ｄｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位測定対象範囲×厚み）
＝ Ｄ・∫∫Ｔ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ （積分範囲：単位測定対象範囲）
＝ Ｄ・Ｔ・∫∫ｄｘ・ｄｙ （積分範囲：単位測定対象範囲）
＝ Ｄ・Ｔ・Ｓ２
したがって、以下に示すアルミナの膜厚を算出するための（１）式を得ることができる。
【００４６】
Ｄ・Ｔ・Ｓ２＝Ｓ１・Ｂ／（Ｃ・（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）
ｄｘ・ｄｙ）） （積分範囲：測定領域全面）
ｉ．ｅ．
Ｔ ＝ （Ｓ１／Ｓ２）・Ｂ／（Ｃ・Ｄ・
（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ））
（積分範囲：測定領域全面）
・・・（１）
従って、（１）式より、蛍光Ｘ線量Ｂ、励起Ｘ線のエネルギーＣ、原子数密度Ｄ、パターン面積比（Ｓ１／Ｓ２）をもとに、アルミナの膜厚Ｔが求められることが分かる。但し、（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ）は、光学素子の特性、配置等で決まる因数である。
【００４７】
本実施の形態では、計測手段３として、上述のような構成の蛍光Ｘ線測定装置７を用いて超音波でアルミナの膜厚を測定するようになっているが、この蛍光Ｘ線測定装置７で計測したアルミパッド５１のアルミナ部分の膜厚データは実施の形態１，２と同様に、図１に示す制御部４に出力され、その後、実施の形態１，２と同様の動作を行う。従って、アルミパッド５１や電極５２の界面などにアルミナなどの酸化膜が形成されていても、酸化膜の膜厚に対応した最適な値に設定した超音波熱圧着条件、つまり超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させることができる。このため、たとえアルミナなどの酸化膜の膜厚が一定値ｔ０（図７参照）を越えていた場合でも、高い合金化率で熱圧着することができ、信頼度の高いワイヤボンディングを実現することが可能となる。
【００４８】
また、本発明の測定手段には、測定すべきパッド上の酸化膜への入射量が所定のレベル以上あるものとして、白色光、超音波、Ｘ線などの音または光を測定媒体として用いてあるが、これらの手段によって酸化膜の膜厚測定が難しい場合には、特にこの３種のものに限定せず、これ以外の各種公知の適宜の手段を適用させることも、勿論可能である。
【００４９】
なお、本発明は前記実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のワイヤボンディング装置は、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができる効果を有し、製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることができるワイヤボンディングを伴う半導体チップ、例えば、ＣＣＤなどの固体撮像素子の製造装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置を示す要部説明図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置で接続するアルミパッドを設けた固体撮像素子チップを示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図
【図３】（Ａ）から（Ｄ）は本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置によるワイヤボンディングの作業工程を示す説明図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の計測手段を構成する分光エリプソメータの原理を示す説明図
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の動作を示すフローチャート
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置により接続された固体撮像素子チップのアルミパッドを示す拡大断面図
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置と従来のワイヤボンディング装置により固体撮像素子チップにワイヤボンディングを行ったときのアルミナの膜厚と合金化率とについての相関性の比較を示すグラフ
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の計測手段を構成する蛍光Ｘ線測定装置の原理を示す説明図
【符号の説明】
【００５２】
１ ワイヤボンダ
１１ キャピラリー
１２ 電気トーチ
２ 超音波熱圧着装置
３ 計測手段
４ 制御部(制御手段)
５ 固体撮像素子チップ
５１ アルミパッド
５２ 電極
６ 超音波解析装置（計測手段）
７ 蛍光Ｘ線測定装置
Ｌ リードフレーム
Ｗ 金線(ボンディングワイヤ)
Ｂ 金ボール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤボンディング装置およびこれを用いたワイヤボンディング方法にかかり、超音波手段により熱圧着させてチップ内のパッドに金線を接続させるワイヤボンディング装置に係り、特にチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）タイプの固体撮像素子などに有効なワイヤボンディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体チップなどから信号線を引き出す方法として知られている、金（Ａｕ）線や銅（Ｃｕ）線或いはアルミニウム（Ａｌ）線などのボンディングワイヤを用いたワイヤボンディング法では、熱圧着方式の超音波振動を併用させた超音波熱圧着方式のワイヤボンディング装置が主流となっている(例えば、非特許文献１参照)。
【０００３】
ところで、現在、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を含む固体撮像素子が広く普及しているが、このような固体撮像素子を製造する際にも、信号線を外部へ引き出すために、ボンディング装置を用いたワイヤボンディングにより、パッドや電極の間などについて電気的接続を図る必要がある。
【０００４】
また、この固体撮像素子などのような半導体チップでは、パッドがアルミニウムで形成されている場合、そのアルミニウムのパッド表面は、通常、酸化されて酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）（以下、「アルミナ」とよぶ）の膜が形成されていることが多い。
【０００５】
このような事情から、ワイヤボンディング装置(例えば、ネイルヘッド型のワイヤボンディング装置)を用いてワイヤボンディングを行う際には、接合すべきパッド側の界面、つまりアルミナの膜を超音波による高周波振動で除去し、さらにこの超音波でパッドを加熱させ、金線(若しくは金ボール)などをパッドに熱圧着させている。
【非特許文献１】「信学技報 Technical Report IEICE ICD 92-128 (1992-12)」(社団法人 電子情報通信学会 発行)第１7頁乃至第２４頁
【特許文献１】特開平７-２０２１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波による熱圧着の際に、良好な熱圧着動作を行うためには、酸化膜をちょうど突き破って良好に熱圧着できる程度の熱圧着エネルギーを用いる必要がある。ところで、パッド上のアルミナの膜厚は、微視的に見ると、個々のパッドによってばらつきを生じていることが多い。ところが、このように膜厚にばらつきがあると、超音波による熱圧着の際に、アルミナを突き破ってアルミニウムを溶融してしまい、パッドが薄くなってしまったり、逆にアルミナが十分に突き破られず、アルミニウム表面をアルミナで覆われた状態で熱圧着されるため、電気的コンタクトを取るのが困難な場合がある。このように、超音波による熱圧着の際に、良好な熱圧着動作を行うことができず、電気的な接続が不安定で不確実であるなど、製品不良を招く一因になっているとともに、歩留まり低下の原因となることがある。
【０００７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができ、延いては製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることができるワイヤボンディング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、超音波手段による熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤをワイヤボンディングによって接続させるワイヤボンディング装置であって、前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測手段と、前記計測手段で測定した膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディング時に前記パッドに作用する超音波熱圧着条件を補正する制御手段とを備えたものである。
【０００９】
上記構成によれば、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができ、延いては製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００１０】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記計測手段には、光学的に測定する分光エリプソメータ、超音波を利用して測定する超音波解析装置、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置またはＸ線反射測定装置のいずれかを用いたものである。
【００１１】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記パッドは、アルミニウム又は銅で形成されているものである。
【００１２】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記ボンディングワイヤは、金線である。
【００１３】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記半導体チップは、ＣＣＤを含む固体撮像素子である。
【００１４】
また、本発明では、前記ワイヤボンディング装置において、前記固体撮像素子は、ＣＳＰタイプの固体撮像素子チップである。
【００１５】
また、本発明のワイヤボンディング方法では、熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤを接続するワイヤボンディング方法であって、前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測工程と、前記計測工程で測定した前記酸化膜の膜厚に応じて、ワイヤボンディング時における熱圧着条件を制御する制御工程とを具備している。
【００１６】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、分光エリプソメータを用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含む。
【００１７】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、超音波を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含む。
【００１８】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含む。
【００１９】
また、本発明では、上記ワイヤボンディング方法において、前記計測工程が、Ｘ線反射測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を測定する工程を含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができ、延いては製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることができるワイヤボンディング装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るワイヤボンディング装置を示すものであり、このワイヤボンディング装置は、装置本体(以下、「ワイヤボンダ」とよぶ)１と、超音波熱圧着装置２と、計測手段３と、制御部４とを備えている。なお、本実施の形態の場合、例えば図２に示すように、このワイヤボンディング装置によりパッド５１と電極５２とを金線Ｗで接続させるチップには、固体撮像素子（ＣＣＤ）を構成するＣＳＰタイプの固体撮像素子チップ５を用いている。また、このワイヤボンディング装置を用いたワイヤボンディング作業は、ウエハからダイシングして個々の固体撮像素子チップ５を切り出した後、リードフレームＬなどに搭載した後のパターン配線を行う際に、行うようになっている（ウエハの状態で行ってもよい）。
【００２２】
このワイヤボンダ１は、入力が制御部４の出力に接続されており、その動作が制御部４で制御されている。本実施の形態の場合、このワイヤボンダ１は、ネイルヘッド型のワイヤボンディダを用いており、スプールから供給され、エアテンション、クランパ(いずれも図示せず)を介して、キャピラリー１１の孔から引き出されてくる金線Ｗの先端を、電気トーチ１２（図３参照）によるアーク放電などで加熱溶融させ、ボール状（金ボール）Ｂに形成するようになっている。
【００２３】
超音波熱圧着装置２は、超音波による高周波振動(本実施の形態では、１００ＫＨｚ)により固体撮像素子チップ５のアルミニウムで形成したパッド５１(以下、「アルミパッド」とよぶ)及び電極５２を加熱し、金線Ｗとの熱圧着を行うようになっている。また、この超音波熱圧着装置２により熱圧着を行う場合、熱圧着すべきアルミパッド５１（但し、電極５２もアルミニウムや銅などで形成されていて酸化膜が形成されている場合には、これも対象となる）のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の膜厚に応じて、次の各条件（超音波熱圧着条件）、つまり、超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間を制御部４で最適な条件に補正又は調整して制御するようになっている。そのため、超音波熱圧着装置２は、入力が制御部４の出力に接続されている。
【００２４】
計測手段３は、本実施の形態の場合、分光エリプソメータ３０を用いている。この分光エリプソメータは、固体撮像素子チップＴのアルミパッド上のアルミナ膜を所定のモニターパターン内で検出し、入射／反射の際の偏光状態を利用してそのアルミナの膜厚を光学的に計測するものであり、計測した膜厚に関するデータは、制御部４に出力させるようになっている。このため、この分光エリプソメータの出力が、制御部４の入力に接続されている。
【００２５】
この分光エリプソメータ３０は、一般に、表面、薄膜の反射の際の偏光状態の変化を観測してその光学常数、膜厚などを求める装置であり、原理的には、偏光子で直線偏光を試料面に入射させ、そこで反射した楕円偏光を波長板で直線偏光にかえ、検光子で消光させて楕円の偏光形状を求めるものである。本発明の分光エリプソメータ３０には、各種公知のものが適用可能であり、例えば本実施の形態では、図４に示すように、白色光源３１と、偏光子３２と、検光子３３と、波長板３４と、分光器３５などを備えたものを用いており、白色光源３１から出射される白色光を、偏光子３２及び波長板３４によってある特定の偏光状態にさせた後、測定対象であるアルミパッド５１に入射させるようになっている。すると、その入射光は、偏光状態が変化し、その後、ここでの反射光が検光子３３を透過して分光器３５に入射する。ここで、偏光子３２と検光子３３との角度を調整すると、個々のアルミパッド５１のアルミナの固有膜厚および屈折率に応じた特定の波長で部分消光をおこさせることができ、その消光した波長の色に対する補色を帯びる。そこで、分光器３５を用いることで、色と膜厚の対応を一意に決定しておけば、アルミナの膜厚を高精度で決定することができる。
【００２６】
制御部４は、ワイヤボンダ１、超音波熱圧着装置２、計測手段３である分光エリプソメータ３０の動作を制御するほか、分光エリプソメータ３０で測定したアルミナの膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディングの際にアルミパッド５１に作用する超音波熱圧着条件を適宜補正するものである。
【００２７】
次に、本実施の形態のワイヤボンディング装置を用いたワイヤボンディング方法について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。
本実施の形態のワイヤボンディング方法は、リードフレームＬに搭載された各固体撮像素子チップ５について各種配線を行う工程で行うものであるが、初めに、図３（Ａ）に示すように、ワイヤボンディングを行うアルミパッド５１ごとに、計測手段３である分光エリプソメータを用いて個別にアルミナの膜厚を計測しておく（工程Ｓ１）。ここで、この分光エリプソメータによる膜厚測定方法については、前述したように、所定のモニターパターン内でアルミパッド５１を検出し、入射／反射の際の偏光状態を利用して光学的にアルミナの膜厚を計測する。また、このアルミパッド５１の接続先である電極５２についても、例えばアルミニウム(銅など形成されている場合もよい)で形成されているために表面がアルミナの膜で覆われているような場合には、そのアルミナの膜厚も同様に計測する。
【００２８】
このようにして、ワイヤボンディングを行うアルミパッド５１での膜厚が計測されたならば、その膜厚に関するデータが計測手段３である分光エリプソメータから制御部４に出力される（工程Ｓ２）。
一方、分光エリプソメータから膜厚に関するデータを入力した制御部４では、所定の演算を行い、Ｗ／Ｂ条件（ワイヤボンディング条件）、特に超音波熱圧着条件、つまり、超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間について、予め設定されている基準となる標準値から適宜補正を行い、それぞれ最適な値を具体的に決定する（工程Ｓ３）。
【００２９】
このようにして、具体的に超音波熱圧着条件が決定されたならば、制御部４の制御によって、超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間を最適な状態に制御しながら、ワイヤボンダ１及び超音波熱圧着装置２を作動して各パッドに対して、順次ワイヤボンディングを行う（工程Ｓ４）。
即ち、このワイヤボンディング作業では、初めに、図３（Ｂ）に示すように、キャピラリー１１の孔から引き出されてくる金線Ｗの先端を、電気トーチ１２によるアーク放電などで加熱溶融させ、同図（Ｃ）に示すボール状（金ボール）Ｂに形成する。次に、制御部４の制御により、測定したアルミパッド５１のアルミナの膜厚に対応する最適な超音波熱圧着条件、つまり、最適な値に設定した超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させ、同図（Ｄ）に示すように、キャピラリー１１の先に形成してある金ボールＢをアルミパッド５１に熱圧着させることにより、金線Ｗをアルミパッド５１に電気的に接続する（つまり、ボールボンディングを行う）。その後、キャピラリー１１を上方に引き上げ、リードフレーム側の電極５２に移動する。この場合、金ボールＢを用いるときには、金線Ｗの引き出し形状として略円弧状のやや大きなループを形成させるために、一旦電極５２側とは反対方向にリバース動作させるようにしてもよい。
【００３０】
次に、制御部４が、電極５２に対しても同様に超音波熱圧着装置２を作動させ、酸化膜が形成されている場合には、その膜厚測定されたデータに基づき最適な超音波熱圧着条件で動作させる。これにより、電極５２の酸化膜も高周波振動で除去するとともに電極５２を加熱溶融させ、金線Ｗを電極５２に熱圧着させ電極５２に接続する（つまり、ウエッジボンディングを行う）。このため、各アルミパッド５１や電極５２に酸化膜が多様な厚さで形成されていたとしても、その酸化膜を個々のアルミパッド５１や電極５２ごとに超音波熱圧着装置２で除去させて電気的な接続を確実に、安定した状態で行う。
【００３１】
次に、図６に示す固体撮像素子チップ５のアルミパッド５１にボンディングワイヤとしての金線Ｗを接続するときに、ワイヤボンディング前のアルミパッド５１に形成されていたアルミナの膜厚と、ワイヤボンディングによりアルミパッドに金線Ｗを接続したときのアルミパッド５１部分のＷ／Ｂ合金化率（つまり、金の拡散特性）とについて、両者の相関性を調べる実験を行ってみた。実験結果を図７に示す。なお、図７中の破線で示すグラフは従来のワイヤボンディング装置でのワイヤボンディング（一定条件）、実線は本実施の形態のワイヤボンディング装置を用いてワイヤボンディング（膜厚測定されたデータに基づき最適な超音波熱圧着条件）を行った場合を示す。
なお、ここで、図６中、符号５３はシリコン基板、５４はフィールド酸化膜、５５はパッド（ドープトアモルファスシリコン層）、５６はアルミニウム膜（ボンディングパッド）５７は層間絶縁膜、５８はパッシベーション膜を示す。また、パッド部分のＷ／Ｂ合金化率とは、パッドを形成するアルミニウム（Ａｌ）の開口面積（パッシベーション膜の開口でＡｌが露出している所）を１００として、ワイヤボンディングのボンディングワイヤとして使用している金（金ボール）とアルミが合金になっている面積の比率をいうものとする。実際には金ボールが溶融して合金になっている跡を撮像し、画像処理ソフトを用いて面積比を計測するという方法がとられる。図７でアルミナ膜厚が薄いときは６８％で一定となっている。これはアルミニウムに圧着された金ボールが１００％反応して正常に合金化されていることを示している。
【００３２】
その結果、アルミパッド５１に形成されていたアルミナの膜厚と(金とアルミニウム)合金化率との間には、図７に示すように、一定の相関性があることが判明し、アルミナの膜厚が特定値ｔ０を越えると、急激に合金化率が低下する、つまりアルミニウム中での金の拡散性が低下するとの知見が得られた。これにより、酸化膜の厚さが一定値を越えると、熱圧着によるアルミパッド５１への金線Ｗの接続がうまく行えないことがわかる。
【００３３】
一方、本実施の形態に係るワイヤボンディング装置を用いてワイヤボンディングを行う場合、アルミナの膜厚に対応した最適な値に設定した超音波熱圧着条件、つまり超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させるように構成した。このため、たとえアルミナの膜厚が一定値ｔ０を越えていた場合であっても、高い合金化率で熱圧着することができ、信頼度の高いワイヤボンディングが実現可能となることが判明した。
【００３４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図８を参照しながら説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施の形態では、実施の形態１と異なり、計測手段３に超音波を利用した超音波解析装置６を用いている。
超音波解析装置６は、各種公知のものが適用可能であり、例えば本実施の形態では、信号発生装置６１と、超音波送信器６２と、超音波受信器６３と、信号分離装置６４と、データ処理装置６５などを備えたものを用いている。
【００３５】
このうち、信号発生装置６１は、超音波の音源になる電気信号を発生させるものである。一方、超音波送信器６２は、信号発生装置６１から入力される信号に基づいて超音波を発生させるものである。超音波受信器６３は、超音波を受信するためのものである。この超音波受信器６３は、受信した超音波を信号分離装置６４へと出力する構成となっている。信号分離装置６４は、超音波受信器６３によって受信された超音波を、その由来ごとに分離するためのものである。データ処理装置６５は、信号分離装置６４によって分離された信号について、空間的統計処理、ここでは開口合成（Aperture Synthesis）を行うことで、測定対象物であるアルミパッド５１の３次元形状、特にアルミナ部分の膜厚を求めるものである。なお、このデータ処理装置６５は、具体的には、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、マイクロプロセッサ、メモリなどによって構成されている。
【００３６】
本実施の形態では、計測手段３として、上述のような構成の超音波解析装置６を用いて超音波で膜厚を測定するようになっているが、この超音波解析装置６で計測したアルミパッド５１のアルミナ部分の膜厚データは、図１に示す制御部４に出力され、その後、第1の実施の形態と同様の動作を行う。従って、アルミパッド５１や電極５２の界面などにアルミナなどの酸化膜が形成されていても、酸化膜の膜厚に対応した最適な値に設定した超音波熱圧着条件、つまり超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させることができる。このため、たとえアルミナなどの酸化膜の膜厚が一定値ｔ０（図７参照）を越えていた場合でも、高い合金化率で熱圧着することができ、信頼度の高いワイヤボンディングを実現することが可能となる。
【００３７】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図９を参照しながら説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施の形態では、実施の形態１，２と異なり、計測手段３にＸ線を利用した蛍光Ｘ線測定装置７（或いはＸ線反射測定装置）を用いている。
【００３８】
蛍光Ｘ線測定装置７は、各種の公知の手段及び方法が適用可能であり、例えば本実施の形態では、図９に示すように、励起（蛍光）Ｘ線源７１と、集光ミラー７２と、蛍光Ｘ線検出器７３と、演算器７４とを備えたものを用いている。
ここで、本実施の形態の演算器７４では、所定の数式などを利用した蛍光Ｘ線測定方法により、膜厚を測定するようになっており、以下これについて説明する。
蛍光Ｘ線を膜厚測定に利用する場合、通常、物理的な測定対象は試料中の原子数（または原子分子数）であることから、本実施の形態の蛍光Ｘ線測定方法では、測定対象であるアルミパッド５１のアルミナの薄膜が励起Ｘ線で照射されている励起領域内で一様であるものと仮定し、かつ、膜中の原子数（または原子分子数）密度を仮定して、検出した蛍光Ｘ線量から所定の演算式を用いることにより、アルミナの膜厚に換算するように構成している。
【００３９】
例えば、この蛍光Ｘ線測定方法では、蛍光Ｘ線検出器７３により検出される蛍光Ｘ線量は、以下のような数式から算出することができる。
Ｂ＝Ｃ∫∫∫（ａ（ｘ、ｙ）・Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ））・Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）・
（ｅ（ｘ、ｙ）・Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ））ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ
但し、ここで、積分範囲：測定領域全面×厚さ
Ｂ；検出される蛍光Ｘ線量、
Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）；位置（ｘ、ｙ、ｚ）での膜中の測定対象元素の体積原子
数密度、
（ａ（ｘ、ｙ）・Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ））；位置（ｘ、ｙ、ｚ）での励起Ｘ線
の照射密度、
（ｅ（ｘ、ｙ）・Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ））；位置（ｘ、ｙ、ｚ）で出射された
蛍光Ｘ線に対する検出効率
【００４０】
また、ここで、関数Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ）は、励起Ｘ線が位置（ｘ、ｙ、ｚ）まで進入する時の透過率を示す。したがって、Ｇ１（ｘ、ｙ、０）＝１である。同様に、関数Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ）は、位置（ｘ、ｙ、ｚ）で出射された蛍光Ｘ線が試料表面に達するまでの透過率を示す。したがって、Ｇ２（ｘ、ｙ、０）＝１である。
また、Ｃは励起Ｘ線のエネルギーであって、測定対象元素の種類、検出対象の蛍光Ｘ線エネルギー、測定時間、式中の単位系等で決まる定数を表す。
さらに、ｘ及びｙは試料表面に沿って設定した互いに直交するデカルト座標での２軸上の座標の値を示し、ｚはアルミナ表面からの深さを示す。
なお、積分範囲における「厚さ」は、対象としている薄膜パターンの厚さを示す。積分中でａ（ｘ、ｙ）とｅ（ｘ、ｙ）の両方が正値の部分のみが、蛍光Ｘ線量Ｂに寄与する。その寄与領域が測定領域である。
【００４１】
次に、膜厚Ｔ（ｘ、ｙ）の算出方法について説明する。
例えば、基板表面に沿って２次元的にアルミパッド５１のパターンが繰り返される場合、以下の式を得ることができる。ここで、Ｓ１は単位構造の面積を示す。
【００４２】
∫∫∫Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ）・Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）・Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ）
ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位構造内）
＝Ｓ１・Ｂ／（Ｃ・（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ））
（積分範囲：測定領域全面）
ここで、アルミパッド５１の表面に沿った繰り返し構造が一方向にしか存在しない場合、繰り返し構造のないｘ，ｙ軸上での繰り返し幅を任意の適当な幅として定義する。そうすると、上式中のＳ１及び積分範囲の「単位構造内」の定義を変更することなく上記の基本式を利用できる。
上式中の因子、（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ）は、光学素子の特性、配置等で決まるので、何らかの基準測定により較正した値を定数として使用することができる。
【００４３】
次に、上式の左辺の積分を書き換えて、膜厚を算出する式を導く。まず、以後の計算を簡単に行うことができるようにするため、試料内部でのＸ線の減衰が無視できる程度に少ないと仮定し、Ｇ１（ｘ、ｙ、ｚ）＝Ｇ２（ｘ、ｙ、ｚ）＝１とする。その結果、以下のように書き換えることができる。
【００４４】
ＬＨＳ＝∫∫∫Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位構造内）
ここで、測定対象の薄膜試料を上から見た時に、ｘｙ面内で測定対象元素を含む領域とそれ以外の領域が明確に分かれ、それぞれの領域での原子数密度Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）がＤ、及び０となっている場合を考える。以後、単位構造内での測定対象元素を含む範囲を単位測定対象範囲とよび、そのｘｙ面内での面積を単位測定対象面積Ｓ２とする。また、単位測定対象範囲でのアルミナの膜厚をＴ（ｘ、ｙ）とする。
【００４５】
ＬＨＳ＝∫∫∫Ｄ（ｘ、ｙ、ｚ）ｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位構造内）
＝ ∫∫∫Ｄｄｘ・ｄｙ・ｄｚ （積分範囲：単位測定対象範囲×厚み）
＝ Ｄ・∫∫Ｔ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ （積分範囲：単位測定対象範囲）
＝ Ｄ・Ｔ・∫∫ｄｘ・ｄｙ （積分範囲：単位測定対象範囲）
＝ Ｄ・Ｔ・Ｓ２
したがって、以下に示すアルミナの膜厚を算出するための（１）式を得ることができる。
【００４６】
Ｄ・Ｔ・Ｓ２＝Ｓ１・Ｂ／（Ｃ・（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）
ｄｘ・ｄｙ）） （積分範囲：測定領域全面）
ｉ．ｅ．
Ｔ ＝ （Ｓ１／Ｓ２）・Ｂ／（Ｃ・Ｄ・
（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ））
（積分範囲：測定領域全面）
・・・（１）
従って、（１）式より、蛍光Ｘ線量Ｂ、励起Ｘ線のエネルギーＣ、原子数密度Ｄ、パターン面積比（Ｓ１／Ｓ２）をもとに、アルミナの膜厚Ｔが求められることが分かる。但し、（∫∫ａ（ｘ、ｙ）・ｅ（ｘ、ｙ）ｄｘ・ｄｙ）は、光学素子の特性、配置等で決まる因数である。
【００４７】
本実施の形態では、計測手段３として、上述のような構成の蛍光Ｘ線測定装置７を用いて超音波でアルミナの膜厚を測定するようになっているが、この蛍光Ｘ線測定装置７で計測したアルミパッド５１のアルミナ部分の膜厚データは実施の形態１，２と同様に、図１に示す制御部４に出力され、その後、実施の形態１，２と同様の動作を行う。従って、アルミパッド５１や電極５２の界面などにアルミナなどの酸化膜が形成されていても、酸化膜の膜厚に対応した最適な値に設定した超音波熱圧着条件、つまり超音波出力、圧着荷重、温度、圧着時間で超音波熱圧着装置２を作動させ、アルミナを高周波振動で除去するとともにアルミパッド５１を加熱溶融させることができる。このため、たとえアルミナなどの酸化膜の膜厚が一定値ｔ０（図７参照）を越えていた場合でも、高い合金化率で熱圧着することができ、信頼度の高いワイヤボンディングを実現することが可能となる。
【００４８】
また、本発明の測定手段には、測定すべきパッド上の酸化膜への入射量が所定のレベル以上あるものとして、白色光、超音波、Ｘ線などの音または光を測定媒体として用いてあるが、これらの手段によって酸化膜の膜厚測定が難しい場合には、特にこの３種のものに限定せず、これ以外の各種公知の適宜の手段を適用させることも、勿論可能である。
【００４９】
なお、本発明は前記実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のワイヤボンディング装置は、超音波を用いたワイヤボンディングを確実に行うことができる、換言すれば超音波熱圧着によるボンディングワイヤの接続を確実に行うことができる効果を有し、製品不良の発生を防止して歩留まりの向上を図ることができるワイヤボンディングを伴う半導体チップ、例えば、ＣＣＤなどの固体撮像素子の製造装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置を示す要部説明図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置で接続するアルミパッドを設けた固体撮像素子チップを示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図
【図３】（Ａ）から（Ｄ）は本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置によるワイヤボンディングの作業工程を示す説明図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の計測手段を構成する分光エリプソメータの原理を示す説明図
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の動作を示すフローチャート
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置により接続された固体撮像素子チップのアルミパッドを示す拡大断面図
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤボンディング装置と従来のワイヤボンディング装置により固体撮像素子チップにワイヤボンディングを行ったときのアルミナの膜厚と合金化率とについての相関性の比較を示すグラフ
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るワイヤボンディング装置の計測手段を構成する蛍光Ｘ線測定装置の原理を示す説明図
【符号の説明】
【００５２】
１ ワイヤボンダ
１１ キャピラリー
１２ 電気トーチ
２ 超音波熱圧着装置
３ 計測手段
４ 制御部(制御手段)
５ 固体撮像素子チップ
５１ アルミパッド
５２ 電極
６ 超音波解析装置（計測手段）
７ 蛍光Ｘ線測定装置
Ｌ リードフレーム
Ｗ 金線(ボンディングワイヤ)
Ｂ 金ボール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤを接続させるワイヤボンディング装置であって、
前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測手段と、
前記計測手段で測定した膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディング時に前記パッドに作用する熱圧着条件を補正する制御手段と、
を備えたワイヤボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、分光エリプソメータを含むワイヤボンディング装置。
【請求項３】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、前記酸化膜の膜厚を、超音波を利用して測定する超音波解析装置を含むワイヤボンディング装置。
【請求項４】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、前記酸化膜の膜厚を、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置を含むワイヤボンディング装置。
【請求項５】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、Ｘ線反射測定装置を含むワイヤボンディング装置。
【請求項６】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記パッドは、アルミニウムで形成されているワイヤボンディング装置。
【請求項７】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記パッドは、銅で形成されているワイヤボンディング装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のワイヤボンディング装置であって、
前記ボンディングワイヤは、金線であるワイヤボンディング装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のワイヤボンディング装置であって、
前記半導体チップは、ＣＣＤを含む固体撮像素子であるワイヤボンディング装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載のワイヤボンディング装置であって、
前記固体撮像素子は、ＣＳＰタイプの固体撮像素子チップであるワイヤボンディング装置。
【請求項１１】
熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤを接続するワイヤボンディング方法であって、
前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測工程と、
前記計測工程で測定した前記酸化膜の膜厚に応じて、ワイヤボンディング時における熱圧着条件を制御する制御工程と、
を備えたワイヤボンディング方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のワイヤボンディング方法であって、
前記計測工程は、分光エリプソメータを用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測工程は、超音波を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測工程は、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測工程は、Ｘ線反射測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【請求項１】
熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤを接続させるワイヤボンディング装置であって、
前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測手段と、
前記計測手段で測定した膜厚に関するデータを用いて、ワイヤボンディング時に前記パッドに作用する熱圧着条件を補正する制御手段と、
を備えたワイヤボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、分光エリプソメータを含むワイヤボンディング装置。
【請求項３】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、前記酸化膜の膜厚を、超音波を利用して測定する超音波解析装置を含むワイヤボンディング装置。
【請求項４】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、前記酸化膜の膜厚を、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置を含むワイヤボンディング装置。
【請求項５】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測手段は、Ｘ線反射測定装置を含むワイヤボンディング装置。
【請求項６】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記パッドは、アルミニウムで形成されているワイヤボンディング装置。
【請求項７】
請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記パッドは、銅で形成されているワイヤボンディング装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のワイヤボンディング装置であって、
前記ボンディングワイヤは、金線であるワイヤボンディング装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のワイヤボンディング装置であって、
前記半導体チップは、ＣＣＤを含む固体撮像素子であるワイヤボンディング装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載のワイヤボンディング装置であって、
前記固体撮像素子は、ＣＳＰタイプの固体撮像素子チップであるワイヤボンディング装置。
【請求項１１】
熱圧着により、半導体チップ内のパッドに、ボンディングワイヤを接続するワイヤボンディング方法であって、
前記パッド上の酸化膜の膜厚を計測する計測工程と、
前記計測工程で測定した前記酸化膜の膜厚に応じて、ワイヤボンディング時における熱圧着条件を制御する制御工程と、
を備えたワイヤボンディング方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のワイヤボンディング方法であって、
前記計測工程は、分光エリプソメータを用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測工程は、超音波を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測工程は、Ｘ線を利用して測定する蛍光Ｘ線測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を光学的に測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記計測工程は、Ｘ線反射測定装置を用いて前記酸化膜の膜厚を測定する工程を含むワイヤボンディング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１２３４９９（Ｐ２００７−１２３４９９Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１２８３０（Ｐ２００５−３１２８３０）
【出願日】平成１７年１０月２７日（２００５．１０．２７）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２７日（２００５．１０．２７）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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