説明

微細構造体形成方法

【課題】機械的、電気的に安定した電極間接続を実現することのできる金属バンプ等の微細構造体を形成する方法を提供する。
【解決手段】フォトレジストに設けられた開口部の上からガスデポジション法で金属ナノ粒子を吹き付け、開口部内に突起状の微細構造体を形成する方法であって、微細構造体を一方向に傾斜させるように、吹き付けノズルからの流路方向を変位させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスデポジション法を用いて金属バンプ等の微細構造体を形成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体LSIチップの発展に伴い、電子部品の小型化、高密度化により、それを具備した各種機器の小型化と性能向上が同時に進行している。小型の電子部品を高密度に実装するときに最も重要な技術の一つに、電子部品と配線基板の電気的接続技術がある。
【0003】
従来、はんだを例えば0.1mm程度のボール状に加工したものを電極上に搭載し、これをリフロー炉で溶解することで、電子部品の搭載密度を向上させることが行われている。現状では、はんだボールを用いて得られる接続ピッチはおよそ0.1mm程度であるが、はんだボールの微細化に伴い、ボールの作製、配置にかかわる技術的困難性が増し、この方法に替わる新たな微細電極接続法が求められている。
【0004】
その一つに、金属電極上に微細な突起状金属バンプを形成し、これを対向する電極に押し付けて熱や超音波振動などにより物理的、機械的に接続するフリップチップ接続と呼ばれる方法がある。
【0005】
この方法においては、いかに微細かつ高精度な形状で金属バンプを作製するか、また、微細な電極ピッチに対応するため作製したバンプが押しつぶされた時に周囲に広がらないこと、あるいは作製したバンプによる接合が機械的電気的に安定な接続をしていることなどが保証されることが必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開番号WO2007-114314
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記の事情に鑑み、機械的、電気的に安定した電極間接続を実現することのできる金属バンプ等の微細構造体を形成する方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上記の課題を解決するものとして、フォトレジストに設けられた開口部の上からガスデポジション法で金属ナノ粒子を吹き付け、開口部内に突起状の微細構造体を形成する方法であって、微細構造体を一方向に傾斜させるように、吹き付けノズルからの流路方向を変位させることを特徴とする微細構造体形成方法を提供する。
【0009】
ここで、上記開口部は例えば穴または溝であり、上記突起状は例えば錐形状またはエッジ形状であり、微細構造体は例えばバンプである。
【0010】
また、本発明は、中心から所望方向にずれた頂点を持つことを特徴とする金属バンプ、ならびに該金属バンプを備えた半導体チップも提供する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】(a)は従来のガスデポジション法によるバンプ、(b)本発明によるバンプの一例を示した図である。
【図2】(a)は従来のガスデポジション法によるバンプ、(b)本発明によるバンプについて説明するための図である。
【図3】(a)は従来のガスデポジション法によるバンプ、(b)本発明によるバンプについて説明するための図である。
【図4】(a)(b)は本発明によるバンプとチップについて説明するための図である。
【図5】本発明によるバンプ形成方法の一例を示す図である。
【図6】本発明によるバンプ形成方法の別一例を示す図である。
【図7】本発明によるバンプ形成方法のさらに別の一例を示す図である。
【図8】(a)(b)は本発明によるバンプ形成方法のさらにまた別の一例を示す図である。
【図9】本発明により実際に作製した円錐金属バンプを示す図である。
【図10】図9の円錐金属バンプ形成のためのホールパターンを示す図である。
【図11】図9の実験条件について説明する図である。
【図12】図9の実験条件について説明する別の図である。
【図13】図9の円錐金属バンプ形成に用いたガスデポジション時のブロック体としてのチップ取付冶具を示す図である。
【図14】ノズルスキャンとバンプ形成の関係について説明するための図である。
【図15】バンプ形成プロセスの評価について説明するための図である。
【図16】バンプ成長速度及びバンプ形成時間の算出におけるレジストホール形状について説明するための図である。
【図17】バンプ成長速度及びバンプ形成時間の算出における円錐バンプ形状について説明するための図である。
【図18】ひさし成長速度の算出におけるレジストホール形状、円錐バンプ形状、及びひさし形状について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
[ガスデポジション法]
ガスデポジション法はすでに多くの特許で開示されているものであるが、その一つに微細な金属バンプを形成する方法が本出願人により既に出願されている(特許文献1)。この既出願の方法によれば、通常の半導体作製工程で用いられるフォトリソグラフィ技術を用いて基板上の金属電極を覆ったフォトレジスト膜に微細な穴を設け、この上からガスデポジション法によりナノ寸法の金属粒子をガスと共に減圧条件下で吹き付けを行うことにより、該穴内に金属の堆積を生じさせ、このとき同時に該穴の周囲からも金属の堆積つまり穴に覆いかぶさるひさしを生じさせることにより、該穴の開口径が縮小することで、最終的に該穴内に自己整合により錐形を持つ金属突起状のバンプを形成することができる。この方法の特徴は、フォトリソグラフィ技術を用いることからバンプの寸法を0.1ミクロンレベルで制御可能であること、フォトレジストの穴が自己完結的に閉じるため、同一形状の突起構造をガスデポジション法による金属堆積のみで自動的に形成できることにある。また、ガス吹き付け領域をフォトレジストの穴の部分に対してスキャンすることで、複数のバンプを均一に作製することができる。
【0013】
[バンプ突起方向の制御]
上述のようにフォトレジストに形成した微細穴上にガスデポジション法によりナノ金属粒子を吹き付けたとき、吹き付けノズルの寸法が該穴径より大きい場合(通常、バンプ寸法数十μm以下、ノズル径:100μm以上)、作成されるバンプは等方的になり、穴の形が四角形であれば四角錐、円であれば円錐形になり、突起は穴の中心に形成される。図1(a)は頂点が円の中心にある円錐形のバンプ1の一例を示す。
【0014】
ところで、近年のLSIチップなどでは、接続する金属電極のピッチの縮小による高密度化と同時にチップの厚みを薄くすることが求められる一方、接続時のチップの変形(反り)が問題とされている。この反りに関しては、微細バンプ1を金属電極上に形成してこれを対向電極上に押し付けて接続するフリップチップ法を用いた場合、例えば図2(a)に示すように、チップ2内への応力をチップ2の中心から放射線状に均一化することで、チップ2内へのひずみを等方的にすることができる。
【0015】
しかしながら、例えば図3(a)に示すように、バンプ径dとバンプピッチpがp<2dという挟ピッチの関係にある場合、フリップチップ圧接時のバンプ1の変形により短絡が発生する場合がある。
【0016】
そこで、本発明では、例えば図1(b)に示すように、チップ2周辺に形成するバンプ1の突起方向をチップ2のある一方向に傾ける、つまりバンプ1全体を一方向に傾斜させてその頂点を円の中心から外すことで、図2(b)に示すようにフリップチップ圧接時にチップ2本体に傾斜方向とは反対向きの引っ張り応力が加わり、一方で基板3に対して傾斜方向の引っ張り応力が加わり、即ちチップ2と基板3とが横滑りするように圧力が加わり、図3(b)に示すように挟ピッチにおいても短絡の発生を防ぐことができる。
【0017】
また、図4(a)(b)の例では、それぞれ、バンプ1の頂点を内側方向または外側方向に傾けており、これにより内側方向傾斜の場合(図4(a))にはチップ2に内向きの引っ張り力、基板3に外向きの引っ張り力が加わり、また外側方向傾斜の場合(図4(b))にはチップ2に外向きの引っ張り力、基板3に内向きの引っ張り力が加わり、結果、チップ2の変形を効果的に抑制ないし防止することができる。
【0018】
さらに、超音波振動を与えるフリップチップにおいては、通常、超音波振動によるチップの位置ずれが問題となるが、バンプ1の突起方向(或いは頂点方向)を上記のような方向に変位させることで、振動による位置ずれを吸収する効果も得られる。
【0019】
この突起方向の変位は、例えば図5に示したように、ガスデポジション吹き付けノズル6をフォトレジスト4の穴5の中心からずらすことにより実現できる。より具体的には、一例として、膜状のフォトレジスト4に形成した穴5に対してガスデポジションにより金属ナノ粒子を吹き付ける際に、吹き付けノズル6の位置を、吹き付けスキャン方向y(紙面に直交する方向)に直交した軸方向xにずらす。これにより、ノズル6からのガス流に乗った金属粒子つまり金属粒子流の少なくとも一部が穴5の開口周辺のフォトレジスト4に衝突し、穴5への流路方向が変位することで、穴5の中心位置から見てある一定方向における金属粒子の堆積速度が他の方向と相対して遅くなるあるいは速くなり、穴5内に形成されるバンプ1が一定方向に傾いた、つまりバンプ1の頂点が突起中心軸から一方向に変位した形状を持つことになる。
【0020】
すなわち、任意の傾きを持つバンプ1を形成するには、吹き付けノズル6からの噴出流路をある所望の方向に偏った流れとなるように変位させればよい。この具体的手法の一例が、上記図5に例示した吹き付けノズル6の軸ずらしである。他の手法としては、例えば図6〜図8に示したものが考えられる。
【0021】
図5では、ノズル6の位置をずらすことにより、穴5周囲のフォトレジスト4が直接ガス流あるいは金属粒子流の壁となっているが、図6及び図7では、より積極的に流路変異を促すべく、流路ブロック体7を穴5の周辺に設けている。図6の流路ブロック体7は、穴5の外側近傍にて、フォトレジスト4上に形成された凸状体であり、図7の流路ブロック体7は、穴5の上方に一部位置して、フォトレジスト4とノズル6との間に設けられた板状体である。これら流路ブロック体7にノズル6からの噴出流路の少なくとも一部が当たるあるいは遮られることで、流路が変位して、穴5内に到達する金属ナノ粒子がある一定方向に偏って堆積することになり、形成されるバンプが全体的に傾いた形状となる。流路ブロック体7は、穴5の中心位置からスキャン方向yと平行な方向にずれた位置に設けても、スキャン方向yと直交する方向xにずれた位置に設けてもよい。
【0022】
更に他の一例としては、図8(a)(b)に示したように、ノズル6、または基板3や穴5等の被形成体を、スキャン方向yと平行な方向あるいは直交する方向xに角度θ傾斜させる。これにより、穴5の中心から見たノズル6からの噴出流路が傾斜角θの偏りを持って変位したものとなり、突起方向が傾斜したバンプを形成することができる。傾斜角θは所望のバンプ傾斜変位方向および変位量が得られるように設定する。
【0023】
以上のノズル6の軸ずらし、ブロック体7の設置、ノズル6等の傾斜は、噴出流路をある一定方向に偏って変更できる位置ならびに形状および大きさ、あるいは傾斜角θをもって行うことで、穴5内での金属粒子の堆積速度を所望の方向にのみ相対的に低下あるいは増加させて、所望の変位方向及び変位量をもって傾いた突起形状を実現することができる。もちろん噴出流路を変位させる手段はこれらに限定されず、ノズル6からのガス流あるいは金属粒子流の少なくとも一部を遮る、衝突させるなどすることで、直接的あるいは間接的に流路を一定方向に偏った流れとすることができればよい。また、形成される構造体としては、錐形のバンプだけでなく、ライン状突起物など、穴や溝等の開口部内にガスデポジション法により形成することができる微細突起構造体を考慮できる。例えば、ライン状突起物は、グルーブ接続のためのライン状バンプや、チップのライン状封止剤などとして利用することができる。
【0024】
[バンプ作製の実施例]
ここで、実際に本発明により作製した錐形金属バンプについて説明する。図9は、作製した円錐状Auバンプの電子顕微鏡像、図10はこのバンプ形成のためのホールパターンの電子顕微鏡像である。
【0025】
この実験では、ホールアレイを、図11に示すチップとレジストパターンの詳細仕様に従って、UVリソグラフィにより、膜厚30.5μmのレジストに、直径34.5μm、ピッチ60.0μmで形成し、バンプアレイを、図12に示す成膜条件でガスデポジション法により作製した。ガスデポジション時には、前述したブロック体7として、図13に示す高さ3mm、傾斜面角度45°のチップ取付冶具を用いた。このチップ取付冶具とホールアレイ(バンプアレイ)中の最端のホール(バンプ)の中心との間には510μmの間隔を設け、ノズルの高さ位置を4mmとした。
【0026】
これにより、図9に示すように頂点が中心軸から6.7μm変位した円錐状バンプを得ることができた。
【0027】
[バンプの形成プロセス評価方法]
本発明による金属バンプは、フォトレジストに形成された穴内にAu等の金属ナノ粒子が堆積し、これとともに上部に成長するひさしによりその穴が閉じることで、自動的に自己整合により錐形状に形成される。このとき、成膜中の形成条件の安定化が重要である。
【0028】
そこで、上述した実際の円錐Auバンプを詳細に観察したところ、前述の図9から明らかなように、表面にステップ構造が観察されることが判明した。図9に示すバンプの表面にはステップ構造を構成する等高線の縞模様が確認できる。このステップ構造は、図14に例示したように、フォトレジスト4の穴5上に吹き付けノズル6をスキャンしたことにより、そのスキャンに伴って年輪のように発生したものであり、成膜速度、形成時間、ひさし成長速度と関係がある。
【0029】
まず、実際の図9のバンプ表面に現れているステップ数をバンプ底面から頂点まで数えると、28段ある。すなわち、28のスキャンでバンプが形成されたことが分かる。レーザ顕微鏡による3次元形状計測からバンプ頂点の高さは38.0μmであることが分かっているので、スキャン毎の平均の成膜膜厚は1.4μmと非常に高速であることが分かる。このときの成膜条件として、ステージのスキャン速度は2mm/s、ストローク20mmとしており、7.5mm角チップ1辺に1列に並んだ105個のレジストホールを10秒でスキャンしている。これにより、成膜速度は0.14μm/sと算出され、60μmピッチで105個のバンプ1列をわずか4分40秒(バンプ形成時間)で作製したことになる。チップサイズの7.5mm角に対してステージのスキャンストロークは20mmであり、12.5mmだけ余分に成膜していることになる。したがって、この分を除けばさらに形成時間を短縮することが可能であり、スキャンストロークをチップサイズの7.5mm角と同じにした場合は、1分45秒で作製可能と算出できる。
【0030】
また、成膜速度や形成時間だけでなく、バンプ形成中のひさしの成長速度も次のようにして算出可能である。円錐バンプの頂点高さは、レジストホールの高さに対して1.25倍高いので、垂直方向の成膜速度が、ひさしの成長速度より1.25倍速かったことが分かる。この速度比より、ひさしの成長速度は、0.112μm/sと算出できる。
【0031】
このように、レジストホール、バンプの3次元形状、さらにステップの数を測定することで、平均の成膜速度、形成時間、ひさし成長速度を算出することが可能である。
【0032】
さらに、平均の成膜速度などだけではなく、図15のようにステップの形状および間隔をより精密に計測し、バンプ表面の3次元形状までをも得ることで、バンプ形成中のスキャン毎の成膜速度や成長方向などの情報を得ることができ、このデータに基づき、形成条件をガスデポジション法の各種パラメータにフイードバックすることで、安定したバンプ形成を行うことができる。ステップの形状および間隔の計測は、例えば、電子顕微鏡像や光学顕微鏡像から求めることができ、このデータから例えば中心軸からの傾き+−α°といった成長方向情報を算出することができる。
【0033】
ここで、成膜速度、形成時間、ひさし成長速度について更に具体的に説明する。
【0034】
前述したようにガスデポジション法によって作製した円錐バンプの表面に現れる段数nscanを数えることにより、
1.スキャン毎の平均の成膜速度(=円錐バンプ成長速度) vscan (= vbump)
2.バンプの形成時間 Tbump
3.スキャン毎の平均のひさしの成長速度 vvisor
を算出できる。
【0035】
図16及び図17に示したようなレジストホール形状及び円錐バンプ形状の場合、バンプ成長速度及びバンプ形成時間は、以下のように算出できる。
【0036】
錐バンプ表面には縞模様があり、このステップはガスデポジション成膜中でノズル(又はステージ)を往復してスキャンする際の1回のスキャンで成膜される膜厚を現している。したがって、スキャン毎の平均の成膜膜厚hscanは、円錐バンプ頂点の高さhbumpとステップ数nscanにより算出できる。
【0037】
【数1】

【0038】
ノズル(又はステージ)を往復しスキャンして成膜するので、1スキャンにかかる時間をtscan [s/scan]とすると、毎秒の成膜膜厚、すなわち成膜速度vbumpは、数1のhscanを用いて、次式で算出できる。
【0039】
【数2】

【0040】
ここで、数2中のnstsは、ひさしが完全に塞がり、円錐バンプが形成されるまでの時間Tbumpを現している。すなわち、円錐バンプの形成時間Tbumpは、ステップ数nscanを数えることで容易に算出することができる。1回のスキャン時間tscanは、ノズル(又はステージ)の移動速度vscan、スキャン距離dscanに関係するので、下記数3が成り立つ。これより、vscanを一定とした同じ成膜条件下では、円錐バンプの形成時間Tbumpはdscanに比例して変化することが分かる。
【0041】
【数3】

【0042】
数3を用いれば、数2は書き数4のように表わせる。
【0043】
【数4】

【0044】
次にひさしの成長速度は、図18に示したようなレジストホール形状、円錐バンプ形状、及びひさし形状の場合、以下のように算出できる。
【0045】
まず、バンプおよびひさしの成長速度vbump,vvisorはホールの形状に依らずそれぞれ一定と仮定し、それぞれの平均の成長速度は、次式で表わされる。ここで、ひさしが完全に塞がる時間とバンプが形成される時間は同じであることが注目すべき点である。
【0046】
【数5】

【0047】
【数6】

【0048】
数6より、vvisorは、nscanを数えることで容易に算出することができる。
【0049】
数5、数6より、vbump, vvisorの関係は、次式で与えられる。
【0050】
【数7】

【0051】
数7より、vbump, vvisorの比によって、円錐バンプのアスペクト比ARbumpが決定される。すなわち、ガスデポジション法の成膜条件によって、 vbump, vvisorを変化させることで、円錐バンプのテーパ角度を変化させることが可能となる。
【0052】
例えば、レジストホール形状のアスペクト比ARhole=1 (hhole=dhole)の場合で、円錐バンプ頂点の高さhbumpが、レジスト膜厚hholeと一致したときには、vvisorはちょうどvbumpの半分になる。
【0053】
【数8】

【符号の説明】
【0054】
1 バンプ
2 チップ
3 基板
4 フォトレジスト
5 穴
6 ノズル
7 流路ブロック体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
フォトレジストに設けられた開口部の上からガスデポジション法で金属ナノ粒子を吹き付け、開口部内に突起状の微細構造体を形成する方法であって、
微細構造体を一方向に傾斜させるように、吹き付けノズルからの流路方向を変位させることを特徴とする微細構造体形成方法。
【請求項2】
吹き付けノズルを開口部の中心からずらして、吹き付けノズルからの流路方向を変位させる、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
吹き付けノズルからの流路方向を変位させる流路ブロック体を用いる、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
流路ブロック体により吹き付けノズルからの流路の少なくとも一部を遮る、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
流路ブロック体に吹き付けノズルからの流路を当てる、請求項3に記載の方法。
【請求項6】
流路ブロック体を開口部または吹き付けノズルの近傍に設ける、請求項2乃至5のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
吹き付けノズルまたは被形成体を傾斜させて、開口部から見た吹き付けノズルからの流路方向を変位させる、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
開口部が穴または溝である、請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
【請求項9】
突起状が、錐形状またはエッジ形状である、請求項1乃至8のいずれかに記載の方法。
【請求項10】
微細構造体がバンプである、請求項1乃至9のいずれかに記載の方法。
【請求項11】
微細構造体がライン状突起である、請求項1乃至9のいずれかに記載の方法。
【請求項12】
請求項1乃至11のいずれかに記載の方法により形成された微細構造体の形成プロセスの評価方法。
【請求項13】
ガスデポジション法による開口部内の微細構造体の成膜速度、微細構造体の形成時間、及び開口部上のひさしの成長速度の少なくとも一つを評価する、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
ガスデポジション法による開口部内の微細構造体の成長方向を評価する、請求項12又は13に記載の方法。
【請求項15】
微細構造体の表面に現れたステップの数を求め、該数に基づいて微細構造体の成膜速度、微細構造体の形成時間、およびひさしの成長速度の少なくとも一つを得る、請求項13に記載の方法。
【請求項16】
微細構造体の表面に現れたステップの形状及び間隔を求め、該形状及び間隔に基づいて微細構造体の成長方向を得る、請求項14に記載の方法。
【請求項17】
中心から所望方向にずれた頂点を持つことを特徴とする金属バンプ。
【請求項18】
請求項19の金属バンプを備えた半導体チップ。

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図11】
image rotate

【図12】
image rotate

【図13】
image rotate

【図14】
image rotate

【図15】
image rotate

【図16】
image rotate

【図17】
image rotate

【図18】
image rotate


【公開番号】特開2011−129751(P2011−129751A)
【公開日】平成23年6月30日(2011.6.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−287572(P2009−287572)
【出願日】平成21年12月18日(2009.12.18)
【出願人】(301021533)独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】(392036108)株式会社みくに工業 (17)