特許 6337400 チップオンウエハ接合方法及び接合装置並びにチップとウエハとを含む構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6337400

(24)【登録日】2018年5月18日

(45)【発行日】2018年6月6日

(54)【発明の名称】チップオンウエハ接合方法及び接合装置並びにチップとウエハとを含む構造体

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20180528BHJP

   H01L 25/065 20060101ALI20180528BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20180528BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20180528BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311Q

   H01L21/60 311T

   H01L25/08 Y

   H01L25/08 C

【請求項の数】30

【全頁数】65

(21)【出願番号】特願2014-512656(P2014-512656)

(86)(22)【出願日】2013年4月24日

(86)【国際出願番号】JP2013062100

(87)【国際公開番号】WO2013161891

(87)【国際公開日】20131031

【審査請求日】2015年12月21日

(31)【優先権主張番号】特願2012-99152(P2012-99152)

(32)【優先日】2012年4月24日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2012-275915(P2012-275915)

(32)【優先日】2012年12月18日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2013-34988(P2013-34988)

(32)【優先日】2013年2月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】503177074

【氏名又は名称】須賀 唯知

(73)【特許権者】

【識別番号】304019355

【氏名又は名称】ボンドテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109726

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 吉隆

(74)【代理人】

【識別番号】100101199

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義教

(72)【発明者】

【氏名】須賀 唯知

(72)【発明者】

【氏名】山内 朗

【審査官】 堀江 義隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１１９７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１０９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２０７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９２６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１７１６４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２５／０６５

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一つ又は複数のハンダ領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する方法であって、
チップ側接合面の少なくともハンダ領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップのハンダ領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、
基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップと、
を備え、
前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、チップのハンダ領域が基板の接合部に接触する際に、０．１秒から１０秒に亘り、チップのハンダ領域及び基板の接合部を摂氏１００度から摂氏３５０度の温度となるように加熱することで行われ、
前記チップ側接合面への水の付着及び基板の接合部への水の付着は、それぞれ、チップ側接合面及び基板の接合部の周りの雰囲気における相対湿度が１０％から１００％となるように制御されることで行われ、
前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、前記チップと前記基板とを互いに近接する方向に加圧するステップを含み、当該加圧ステップは、ハンダ領域に対して０．３〜６００ＭＰａの圧力で行われ、
前記基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップは、摂氏１００度以上、前記ハンダ領域を形成するハンダの融点未満の温度で、１０分から１００時間に亘って行われる、方法。

【請求項2】

前記チップ側接合面への水の付着及び基板の接合部への水の付着は、表面活性化処理の後、チップ側接合面及び基板の接合部をそれぞれ大気に暴露することなくチャンバ内で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記粒子の運動エネルギーは、１ｅＶから２ｋｅＶである、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

複数のチップ又は基板に対して交番電圧を印加することで、チップ側接合面又は基板の接合部の周りに前記粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の前記粒子を前記電圧によりチップ側接合面又は基板の接合部に向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与する、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記加圧ステップは、チップあたり１００Ｎ以上の力、又はハンダ領域に対して１５０ＭＰａ以上の圧力を印加することで行われる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

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、複数の接合部を有する基板に接合する方法であって、
チップ側接合面の少なくとも金属領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、
基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップと、
を備え、
前記チップ側接合面は金属領域以外の領域に非金属領域を有し、当該非金属領域は樹脂により形成され、
前記表面活性化処理において、前記チップ側接合面又は基板の接合部から離間された位置から、前記チップ側接合面又は基板の接合部に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射し、
前記粒子は、前記チップ側接合面から離間して配置されたイオンビーム源又は中性原子ビーム源により、当該接合面に向かって加速されて放射される、方法。

【請求項7】

前記基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップは、前記基板と前記基板に接合された複数のチップとを、互いに近接する方向に加圧するステップを含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップは、還元雰囲気中で行われる還元処理ステップを含む、請求項６又は７に記載の方法。

【請求項9】

前記還元処理ステップ前に、前記構造体の周りの雰囲気を真空引きし、
前記還元雰囲気は水素を含むガスである、
請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記還元処理ステップ後に、前記基板と前記基板に接合された複数のチップとを、互いに近接する方向に加圧するステップを行う、請求項８又は９に記載の方法。

【請求項11】

前記金属領域は、銅（Ｃｕ）、はんだ材料、金（Ａｕ）及びこれらの合金からなる群から選ばれる材料により形成されている、請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記金属領域は、チップ側接合面の金属領域以外の領域に対して突出するように形成されている、請求項６から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記金属領域は、一つ又は複数の第一の金属領域と当該第一の金属領域を囲むように形成された閉じた環状の第二の金属領域とを有する、請求項６から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

チップに所定の検査を行い、良好と判断されたチップのみを供給するステップを更に含む、請求項６から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

前記親水化処理ステップの後に、親水化処理ステップにより生成したＯＨ基を残し、付着した水分子をチップ側接合面上から除去するステップを更に備える、請求項６から１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面と当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面とを有する所定数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する方法であって、
当該方法は、
チップの第一接合面の少なくとも金属領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された所定数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、
次に取り付けるべき所定数のチップの第一接合面の少なくとも金属領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板上に積層されているチップの中で最上層の所定数のチップの第二接合面を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された前記次に取り付けるべき所定数のチップを、それぞれ、当該チップの金属領域が前記最上層の所定数のチップの第二接合面に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された前記最上層の所定数のチップ上に取り付けるステップと、
複数のチップ層に亘りチップを基板上に取り付けた後に、基板と基板上に取り付けられたチップとを含む構造体を加熱するステップと、
を備え、
前記第一接合面は金属領域以外の領域に非金属領域を有し、当該非金属領域は樹脂により形成され、
前記表面活性化処理において、前記第一接合面又は前記第二接合面又は基板の接合部から離間された位置から、前記第一接合面又は前記第二接合面又は基板の接合部に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射し、
前記粒子は、前記第一接合面又は前記第二接合面から離間して配置されたイオンビーム源又は中性原子ビーム源により、当該接合面に向かって加速されて放射される、方法。

【請求項17】

一つ又は複数の金属領域を有し、当該金属領域以外の領域に非金属領域を有し、当該非金属領域は樹脂により形成されたチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する装置であって、
チップ側接合面の少なくとも金属領域を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該チップ側接合面に対して衝突させるチップ用表面活性化処理手段と、
基板の接合部を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該基板の接合部に対して衝突させる基板用表面活性化処理手段と、
表面活性化処理されたチップの金属領域を親水化処理するために、当該チップの金属領域に水を付着させるチップ用親水化処理手段と、
表面活性化処理された基板の接合部を親水化処理するために、当該基板の接合部に水を付着させる基板用親水化処理手段と、
複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、基板の対応する接合部上に取り付けるチップ取付手段と、
を備え、
チップ用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とは、それぞれ、チップ側接合面と基板の接合部とから離間されて配置され、チップ側接合面と基板の接合部とに向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射する、粒子ビーム源を有して構成される、装置。

【請求項18】

チップ用親水化処理手段と基板用親水化処理手段とは、一つの親水化処理手段により実現される、請求項１７に記載の装置。

【請求項19】

チップ用表面活性化処理手段とチップ用親水化処理手段とは、共通の粒子ビーム源を有する、請求項１７又は１８に記載の装置。

【請求項20】

前記チップ取付手段は、基板の表面に対してチップを垂直方向に移動させるように構成されたヘッドを有し、
前記装置は、
前記チップの移動方向に垂直な面方向に基板を移動可能に支持するステージと、
当該ステージをチップの移動方向に対して固定し、チップ取付手段を前記チップの移動方向に垂直な面方向に対して固定するように支持するフレームと、
を更に有し、
接触しているチップと基板とに対して、チップに対して１００Ｎ以上の力又はチップの金属領域に対して１５０ＭＰａ以上の圧力を印加することができる、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の装置。

【請求項21】

前記チップ取付手段は、チップを基板の対応する接合部上に取り付ける際に、前記チップと前記基板とを互いに近接する方向に加圧する手段を更に有し、前記加圧手段は、チップの金属領域に０．３〜６００ＭＰａの圧力を印加する、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の装置。

【請求項22】

前記複数のチップと前記基板とを含む構造体を加熱するための加熱手段を更に備えた、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の装置。

【請求項23】

前記複数のチップと前記基板とを含む構造体を加熱する際に、当該構造体の雰囲気に還元性ガスを導入する還元処理手段を更に備えた、請求項２２に記載の装置。

【請求項24】

前記還元処理手段は、前記還元性ガスとして、水素を含むガスを前記構造体の雰囲気に導入するように構成され、
前記構造体の雰囲気を真空引きする真空引き手段を更に有する、請求項２３に記載の装置。

【請求項25】

一つ又は複数の金属領域を有し、当該金属領域以外の領域に非金属領域を有し、当該非金属領域は樹脂により形成された第一接合面を有する複数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する装置であって、
チップの第一接合面を表面活性化処理するために、チップの第一接合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チップ第一接合面用表面活性化処理手段と、
チップの第一接合面の裏側に位置する第二接合面を表面活性化処理するために、チップの第二接合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チップ第二接合面用表面活性化処理手段と、
基板の接合部を表面活性化処理するために、基板の接合部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基板用表面活性化処理手段と、
表面活性化処理されたチップの第一接合面を親水化処理するために、チップの第一接合面に水を付着させるチップ第一接合面用親水化処理手段と、
表面活性化処理されたチップの当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面を親水化処理するために、チップの第二接合面に水を付着させるチップ第二接合面用親水化処理手段と、
基板の接合部を親水化処理するために、基板の接合部に水を付着させる基板用親水化処理手段と、
チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、チップを基板の対応する接合部上に取り付け、基板上に取り付けられているチップの第二接合面に次に取り付けられるチップの第一接合面が接触するように、当該チップを基板上に取り付けられているチップ上に取り付けるチップ取付手段と、を備え、
チップ第一接合面用表面活性化処理手段とチップ第二接合面用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とは、それぞれ、チップの第一接合面とチップの第二接合面と基板の接合部とから離間されて配置され、チップの第一接合面とチップの第二接合面と基板の接合部とに向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射する、粒子ビーム源を有して構成される、装置。

【請求項26】

前記基板と前記基板上に複数の層に亘り積層された複数のチップとを含む構造体を加熱するための、加熱手段を更に備えた、請求項２５に記載の装置。

【請求項27】

一つ又は複数のハンダ領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する方法であって、
チップ側接合面の少なくともハンダ領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップのハンダ領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、
基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップと、
を備え、
前記チップは厚さが１０μｍ〜３００μｍであり、
前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、チップのハンダ領域を構成する材料を融点未満の固相状態に加熱することを含む、
方法。

【請求項28】

前記複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップの前に、平坦な表面を有する基板でハンダ領域の表面を押圧するステップを更に備える、請求項２７に記載の方法。

【請求項29】

前記構造体を加熱するステップは、チップのハンダ領域を構成する材料を融点未満の固相状態で加熱することで行われる、請求項２７又は２８に記載の方法。

【請求項30】

一つ又は複数のハンダ領域を有するチップ側接合面を有する複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する方法であって、
チップ側接合面の少なくともハンダ領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、
表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップのハンダ領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、
基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップと、
を備え、
前記複数のチップを前記基板の対応する接合部上に取り付けるステップは、チップのハンダ領域を構成する材料を融点未満の固相状態で加熱することを含む、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、ウエハ上にチップを実装するためのチップオンウエハ（ＣＯＷ、Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｗａｆｅｒ）接合方法及びその接合装置並びにウエハとウエハ上に接合された複数のチップとを含む構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

フリップチップ実装技法におけるチップの接合のために、非導電性樹脂（ＮＣＰ、Ｎｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）を用いる手法が開発されている。チップが接合される基板表面に塗布されたＮＣＰの層へ、チップを押し込み、チップの金属領域を基板上の金属領域などの所定の部位に接触させて仮接合を行う。その後、所定の熱処理を施す本接合を行い、チップとウエハ（基板）との間の電気的接続を確立し及び機械的強度を上げる。ＮＣＰは、チップオンウエハ接合のために鉛フリー化に伴い一般的に採用されている材料であり、チップを基板に対して接着又は仮固定する機能を有するとともに、接合されたチップとウエハとの間の隙間を埋めてチップとウエハとの間の機械的強度を上げ、接合面を環境から保護するアンダーフィル材として使用されている。

【0004】

また、ＮＣＰを使用しないフリップチップ実装技法として、バンプ先端がはんだ材料で形成されたチップを基板上の所定の部位に接合することが行われている。また、一般的に、はんだの接合の際には、はんだの濡れ性を向上させるためにフラックスが使用されるので、接合完了後に、残渣のフラックスを除去するプロセスが行われる。しかし、チップ実装の高密度化、接合面の構成の微細化に伴い、フラックスの除去が困難になる傾向にある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３−１５２０２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のＮＣＰにおいてバンプにはんだ材料を用いたチップのウエハ（基板）への接合方法においては、樹脂がチップのはんだバンプと基板との間の接合界面に残存するという問題がある。チップを基板に所定の力で押し付け、あるいは仮接合後に熱処理を施しても、ＮＣＰなどの仮接合に用いられた樹脂が接合界面に残存しうるという課題があった。この残存物は、接合後には接合界面内に取り込まれているので、外部から直接物理的又は化学的に作用することができない。すなわち、接合が完了した後に上記残存物を除去することは困難である。そして、接合界面に取り込まれて残存する樹脂は、チップと基板との間の導電性及び機械的強度を低下させ、接合部の信頼性を低下させる要因となるという課題があった。

【0007】

そこで、本願発明は、接合界面に樹脂などの望ましくない残存物を残さないようにして、チップとウエハとの間又は積層された複数のチップ間の電気的接続を確立し機械的強度を上げる、ウエハ上にチップを効率よく接合する技術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】

本願において、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。

【0009】

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。

【0010】

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複数のチップを、複数の接合部を有する基板に接合する方法は、チップ側接合面の少なくとも金属領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、基板と基板上に取り付けられた複数のチップ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、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。また、本願発明は、すべてのチップを基板上に取り付けた後に本接合のための加熱処理を一回のみ行うように構成することで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。

【0011】

本願発明に係る接合方法は、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、チップの金属領域が基板の接合部に接触する際に、０．１秒から１０秒に亘り、チップの金属領域及び基板の接合部が摂氏１００度から摂氏３５０度の温度となるように加熱するようにしてもよい。これにより、仮接合後及び本接合後のチップと基板とを含む構造体の接合強度を向上させることができる。接合面の平坦度を高めたもの（例えば表面粗さが数ｎｍのもの）は、実質的な接触面積が大きくなることから、本来の水酸基（ＯＨ基）による接合が強固な接合となり、低温、低圧での接合でも十分な接合強度を得ることが可能である。一方、接合面の平坦度が低いもの（例えば表面粗さが数十〜数百ｎｍのもの）の場合は、加圧（数十Ｍ〜数百ＭＰａ）により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱（例えば１５０℃以上）により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合面積を大きくすることができる。

【0012】

本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面への水の付着及び基板の接合部への水の付着が、それぞれ、チップ側接合面及び基板の接合部の周りの雰囲気における相対湿度が１０％から１００％となるように制御されることで行われるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理後に形成された新生表面上に水を均一かつ密に付着させることができる。また、接合面の雰囲気、接合面が配置されたチャンバ内の湿度を、大気の湿度よりも高くすることで、接合面に水を強制的に付加する方法が好ましい。通常、大気の湿度は３０〜５０％程度である場合が多いので、チャンバ内の湿度を例えば５０％〜１００％にすることが好ましい。

【0013】

本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面への水の付着及び基板の接合部への水の付着が、表面活性化処理の後、チップ側接合面及び基板の接合部をそれぞれ大気に暴露することなくチャンバ内で行われるようにしてもよい。これにより、有機物や不純物の付着を押さえて水のみを付着させることができるので、効率良く接合面上に水酸基（ＯＨ基）を生成させることが可能となる。この際、チャンバ内の湿度は大気の湿度よりも高い値であることが好ましい。

【0014】

本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面を親水化処理するステップの後、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップの前に、チップ側接合面に水を付着させる水付着ステップを更に備えるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上に水を付着し、仮接合後のチップと基板とを含む構造体の接合強度を高めることができる。また、従来の表面活性化方法では、アルゴンイオン衝撃により接合面の付着物の除去と活性化とを行うが、大気に暴露した時点で表面活性化処理された接合面に不純物が再付着し、接合ができなくなるため、接合を真空中で行う必要があった。本願発明に係る接合方法では、表面活性化処理された接合面に水を付着させることで、接合面上に水酸基（ＯＨ基）が形成され、水分子が結合されやすい親水化された状態になる。したがって、親水化処理された接合面を大気に暴露しても水分子の付着により接合面が大気から保護されている。水を介在させて複数のチップを仮接合した後、本接合での加熱により、複数のチップの接合界面から一括して水を除去し、不純物が残ることなく接合界面を形成することが可能になる。

【0015】

本願発明に係る接合方法は、水付着ステップが、チップ側接合面の金属領域に水を吹き付けることで行われるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理され親水化処理された接合面上に効率よくかつ均一により多量の水を付着することができる。

【0016】

本願発明に係る接合方法は、水付着ステップが、チップ側接合面の金属領域を液体状の水に浸漬させることで行われるようにしてもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上により多量の水をより確実に付着させることができる。

【0017】

本願発明に係る接合方法は、粒子が、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅからなる群から選ばれる元素の中性原子、イオン若しくはラジカル又はこれらを混合したものとするようにしてもよい。これらの希ガスは、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。

【0018】

本願発明に係る接合方法は、粒子の運動エネルギーが、１ｅＶから２ｋｅＶとなるようにしてもよい。これにより、更に効率的に表面層におけるスパッタリング現象を生じさせることができる。

【0019】

本願発明に係る接合方法は、複数のチップ又は基板に対して交番電圧を印加することで、チップ側接合面又は基板の接合部の周りに粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の粒子を電圧によりチップ側接合面又は基板の接合部に向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与するようにしてもよい。これにより、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。

【0020】

本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面又は基板の接合部から離間された位置から、チップ側接合面又は基板の接合部に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射するようにしてもよい。これにより、粒子ビーム源などを用いて高い運動エネルギーを粒子に付与することができるので、効率良く表面層の除去をし、さらには新生表面をアモルファス化することができる。アモルファス化した新生表面は強固な結晶構造をしていないので、当該アモルファス化した新生表面の原子構造に沿って水が付着され水酸基（ＯＨ基）が形成されるので、効率よく水酸基（ＯＨ基）を接合面上に形成することができる。

【0021】

本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面が金属領域以外の領域に非金属領域を有し、当該非金属領域が樹脂により形成され、チップ側接合面又は基板の接合部から離間した位置から、チップ側接合面又は基板の接合部に向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射して表面活性化処理を行うようにしてもよい。これにより、樹脂などが接合界面に残らない清浄な接合界面を形成し、接合界面の接合強度を向上させることができる。

【0022】

例えば、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、 ＲＩＥ）などのプラズマ発生装置を用いて、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を、上記電圧により接合面に向けて加速させることで表面活性化処理を行うと、以下のような接合面の汚染の問題が生じる場合がある。すなわち、表面活性化処理のスパッタリング現象により弾き飛ばされ、接合面周りの雰囲気に存在する樹脂の成分や不純物の一部が、上記電圧により接合面に引き寄せられるように加速されて衝突し得る。これにより、表面活性化処理された金属領域の表面に樹脂の成分や不純物が付着して接合面は汚染される。その結果、チップと基板とを含む構造体において、高い接合強度を得ることができない場合がある。

【0023】

このような場合に、イオンビーム源や、高速原子ビーム源（ＦＡＢ、Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ）などの中性原子ビーム源を用いて表面活性化処理を行うことで、イオンビーム源や中性原子ビーム源から加速して放射された粒子（例えばアルゴンなどの不活性ガス）のみが接合面に衝突し、弾き飛ばされた樹脂や不純物が金属領域へ向かって加速されることはなくなる。その結果、金属領域への樹脂の再付着などによる接合面の汚染の問題は低減され、さらに高い接合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。

【0024】

本願発明に係る接合方法は、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、チップと基板とを互いに近接する方向に加圧するステップを含み、当該加圧ステップが、金属領域に対して０．３〜６００ＭＰａの圧力で行われるようにしてもよい。これにより、仮接合後のチップと基板との構造体の接合強度を高めることができる。

【0025】

本願発明に係る接合方法は、加圧ステップが、チップあたり１００Ｎ以上の力又は金属領域に対して１５０ＭＰａ以上の圧力を印加することで行われるようにしてもよい。これにより、金属領域の融点未満で行う固相接合でも、接合面での実質的な接触面積が増大し、良好な導電性又は機械的強度を有する接合界面を形成することができる。

【0026】

本願発明に係る接合方法は、基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップが、摂氏１００度以上、金属領域を形成する金属の融点未満の温度で、１０分から１００時間に亘って行われるようにしてもよい。これにより、チップと基板とを含む構造体の最終的な接合強度を高めることができる。

【0027】

本願発明に係る接合方法は、基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップが、基板と基板に接合された複数のチップとを、互いに近接する方向に加圧するステップを含むようにしてもよい。これにより、チップの金属領域と基板との間の実質的な接合面積を大きくして、チップと基板からなる構造体の最終的な接合強度をさらに高めることができる。

【0028】

本願発明に係る接合方法は、基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップが、還元雰囲気中で行われるようにしてもよい。これにより、接合面の酸化膜、ＯＨ基などを還元により除去して、新生表面を形成することができる。したがって、効率よくチップと基板との間の導電性を上げることができる。

【0029】

従来、バンプの還元処理を行うためには、チップを基板に搭載する前の状態で個別にチップを還元処理するか、接着剤でチップを仮固定した状態で還元処理するしかなかった。そのため、チップ搭載前に還元処理をする場合には、接合に移るまで大気中のハンドリングされる間に還元処理された表面が再酸化したり、接着剤で仮固定した状態で還元処理をする場合には、接着剤から出る不純物が接合界面に取り込まれて残るといった課題があった。本発明により、接着剤等の他材料を使わずバンプ材料そのもので仮接合でき、かつ、還元処理後再酸化させることなく、その後加圧することで不純物なくバンプ材料だけで接合することが可能になる。

【0030】

本願発明に係る接合方法は、構造体の周りの雰囲気を真空引きし、還元雰囲気として水素を含むガスを導入するようにしてもよい。水素を含むガス、例えば水素ラジカルは、接合界面へ入り込みやすく又拡散しやすい。そして、水素を含むガスを導入する前に真空引きをすることで、仮接合された接合界面の微小な間隙に水素を含むガスが更に入り込みやすくなる。したがって、接合面の還元処理の速度を上げて新生表面を形成し、更に効率よくチップと基板との間の導電性を上げることができる。

【0031】

本願発明に係る接合方法は、還元処理ステップ後に、基板と基板に接合された複数のチップとを、互いに近接する方向に加圧するステップを行うようにしてもよい。これにより、接合界面に微小な間隙が存在する間に還元処理を行った後、加圧により間隙を押しつぶして接合面積を増加させることができる。

【0032】

本願発明に係る接合方法は、金属領域が、銅（Ｃｕ）、はんだ材料、金（Ａｕ）及びこれらの合金からなる群から選ばれる材料により形成されているようにしてもよい。これにより、チップと基板との間の電気的接続部位の導電性を高めるとともに、本願発明により生産されるチップと基板とを含む構造体を様々な電子技術に応用することができる。

【0033】

本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面が金属領域以外の領域に非金属領域を有し、金属領域と非金属領域の表面がほぼ同一面上にあるようにしてもよい。これにより、チップと基板との間の隙間をなくし、金属領域のみならず非金属領域でも接合させて、チップ基板間の接合面積を大きくすることができる。したがって、接合強度を高め、最終製品の厚みを小さくしデバイスの高密度化を図ることができる。また、接合界面を外部の雰囲気から保護して酸化や汚染粒子の侵入を防ぐので、最終製品の信頼性を高め、かつ寿命を長くすることができる。

【0034】

本願発明に係る接合方法は、チップ側接合面の非金属領域が、疎水化処理されたチップ側疎水化領域を有し、基板の接合部が、チップの金属領域に対応する接合領域と、疎水化処理された基板側疎水化領域とを有し、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、チップの金属領域と基板の親水化処理された接合領域とが接触するように行われるようにしてもよい。これにより、チップを基板の接合部上の所定の位置に精度良く位置決めして取り付けることができる。

【0035】

本願発明に係る接合方法は、金属領域が、チップ側接合面の金属領域以外の領域に対して突出するように形成されているようにしてもよい。これにより、チップの金属領域と基板との間の接触を確実にし、チップと基板との間の電気的接続を確実に確立し、機械的強度を高めることができる。金属領域に掛けられる圧力を大きくして、金属領域の実質的な接合面積を大きくすることができる。

【0036】

本願発明に係る接合方法は、金属領域が、一つ又は複数の第一の金属領域と当該第一の金属領域を囲むように形成された閉じた環状の第二の金属領域とを有するようにしてもよい。これにより、電気的接続を確立する金属領域に係る接合界面を外部雰囲気に対して封止することにより、当該接合界面の信頼性を高め、かつ寿命を長くすることができる。

【0037】

本願発明に係る接合方法は、チップに所定の検査を行い、良好と判断されたチップのみを供給するステップを更に含むようにしてもよい。これにより、検査により良好と判断されたチップのみを基板に接合し実装することにより、本願発明の接合方法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。

【0038】

本願発明に係る接合方法は、親水化処理ステップの後に、親水化処理ステップにより生成したＯＨ基を残し、付着した水分子をチップ側接合面上から除去するステップを更に備えるようにしてもよい。これにより、仮接合時に、水分子を介するよりも強固なＯＨ基同士の結合を増やし接合強度を上げることができる。また、例え表面に水分子が残っていたとしても膜厚は薄くなっているため、仮接合時の圧力や加熱により除去しやすくなっているので仮接合時に強度を向上させることができる。

【0039】

本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面と当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面とを有する所定数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する方法は、チップの第一接合面の少なくとも金属領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、表面活性化処理されかつ親水化処理された所定数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、次に取り付けるべき所定数のチップの第一接合面の少なくとも金属領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、基板上に積層されているチップの中で最上層の所定数のチップの第二接合面を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、表面活性化処理されかつ親水化処理された次に取り付けるべき所定数のチップを、それぞれ、当該チップの金属領域が最上層の所定数のチップの第二接合面に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された最上層の所定数のチップ上に取り付けるステップと、複数のチップ層に亘りチップを基板上に取り付けた後に、基板と基板上に取り付けられたチップ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、チップと基板との間及びチップ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複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができる。本願発明は、複数層に亘ってすべてのチップを取り付けた後に本接合のための加熱処理を一回のみ行うように構成することで、高い生産効率で、複数層のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。

【0040】

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、複数の接合部を有する基板に接合する装置は、チップ側接合面の少なくとも金属領域を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該チップ側接合面に対して衝突させるチップ用表面活性化処理手段と、基板の接合部を表面活性化処理するために、所定の運動エネルギーを有する粒子を当該基板の接合部に対して衝突させる基板用表面活性化処理手段と、表面活性化処理されたチップの金属領域を親水化処理するために、当該チップの金属領域に水を付着させるチップ用親水化処理手段と、表面活性化処理された基板の接合部を親水化処理するために、当該基板の接合部に水を付着させる基板用親水化処理手段と、複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、基板の対応する接合部上に取り付けるチップ取付手段と、を備えて構成されるようにしたものである。本願発明によれば、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与え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という効果を奏する。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に本接合のための加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。

【0041】

本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段により表面活性化処理され、チップ用親水化処理手段により親水化処理されたチップ側接合面に更に水を付着させる水付着手段を更に備えるように構成されてもよい。これにより、表面活性化処理と親水化処理が施された接合面上に水を付着し、ＯＨ基の生成を促し、仮接合後のチップと基板とを含む構造体の接合強度を高めることができる。

【0042】

本願発明に係る接合装置は、チップ取付手段が、チップを基板に向けて搬送するチップ搬送手段と、当該チップ搬送手段により搬送されたチップを受け取って基板上に載置するチップ載置手段とを有して構成され、水付着手段が、チップ搬送手段に設けられて、チップ載置手段がチップを受け取った後にチップ側接合面に水を吹き付けるように構成されてもよい。これにより、チップの搬送と同期した効率のよいプロセスを実施することができる。

【0043】

本願発明に係る接合装置は、水付着手段が、チップ搬送手段に形成された孔部を有して構成され、当該孔部を通して水がチップ側接合面に吹き付けられるように構成されてもよい。これにより、簡単な構成により水付着手段を構成し、装置を小型化することができる。

【0044】

本願発明に係る接合装置は、孔部が、チップを真空吸着するためにも使用されるように構成されてもよい。これにより、チップの真空吸着と水付着とを行う部位を孔部に共通化することで、さらに装置を小型化することができる。

【0045】

本願発明に係る接合装置は、水付着手段が、チップ取付手段によりチップが移動させられる経路上に配置されて、チップが水付着手段を通過するときにチップ側接合面に向かって水を吹き付けるように構成されてもよい。これにより、少ない数、例えば一つの水付着手段で水付着を行うことができる。

【0046】

本願発明に係る接合装置は、水付着手段が、チップ取付手段によりチップが移動させられる経路上に配置されて、液体状の水を収容する水槽を含むように構成されてもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上に多量の水をより確実に付着することができる。

【0047】

本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とが、それぞれ、複数のチップと基板とに対して交番電圧を印加することで、チップ側接合面と基板の接合部との周りに、粒子を含むプラズマを発生させ、プラズマ中の粒子を電圧によりチップ側接合面と基板の接合部とに向けて加速させることにより、粒子に所定の運動エネルギーを付与する、プラズマ発生装置を有して構成されてもよい。これにより、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。

【0048】

本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段と基板用表面活性化処理手段とが、それぞれ、チップ側接合面と基板の接合部とから離間されて配置され、チップ側接合面と基板の接合部とに向けて所定の運動エネルギーを有する粒子を放射する、粒子ビーム源を有して構成されてもよい。これにより、高い運動エネルギーを粒子に付与することができるので、効率良く表面層の除去をし、さらには新生表面をアモルファス化することができる。

【0049】

本願発明に係る接合装置は、チップ用親水化処理手段と基板用親水化処理手段とが、一つの親水化処理手段により実現されるように構成されてもよい。これにより、接合装置をより簡略化し、小型化することができるとともに、チップと基板とを含む構造体の生産効率を上げることができる。

【0050】

本願発明に係る接合装置は、チップ用表面活性化処理手段とチップ用親水化処理手段とが、共通の粒子ビーム源を有して構成されてもよい。これにより、例えば、表面活性化手段と親水化処理手段として粒子ビーム源を使用し、表面活性化処理の際にはアルゴンなどの希ガスを導入して原子又はイオンビームを生成させて接合面に向けて放射し、かつ、親水化処理の際には水ガスなどを導入して水の分子ビームを生成させて接合面に向けて放射することが可能になる。したがって、少なくとも二つの処理手段を統合して例えば一つの処理手段で構成することができるので、接合装置をより小型化することができるとともに、チップと基板とを含む構造体の生産効率を上げることができる。

【0051】

本願発明に係る接合装置は、チップ取付手段が、基板の表面に対してチップを垂直方向に移動させるように構成されたヘッドを有し、装置が、チップの移動方向に垂直な面方向に基板を移動可能に支持するステージと、当該ステージをチップの移動方向に対して固定し、チップ取付手段を前記チップの移動方向に垂直な面方向に対して固定するように支持するフレームと、を更に有し、接触しているチップと基板とに対して、チップに対して１００Ｎ以上の力又はチップの金属領域に対して１５０ＭＰａ以上の圧力を印加することができるように構成されてもよい。これにより、チップ取付手段を、基板又はステージ（基板移動手段）に対して、装置内で高い剛性で固定することができるので、高い力をチップと基板との接合面に印加することができる。したがって、金属領域の融点未満で行う固相接合であっても実質的な接合面積を増やし、良好な導電性と機械的強度を有する接合界面を形成することができる。また、チップ取付手段は固定されているが故に、本願発明に係る接合装置は固定されたチップ取付手段に対してチップを供給するチップ移載手段と基板へのチップ取り付け位置を移動させるステージとを有して構成される。しかし、少量生産装置であればトレイ上に複数個配置されたチップを基板ステージ上に配置することで、基板ステージを移動させてチップをヘッドへ移載することが可能であり、チップ移載手段とステージは兼用することも可能である。

【0052】

本願発明に係る接合装置は、チップ取付手段が、チップを基板の対応する接合部上に取り付ける際に、チップと基板とを互いに近接する方向に加圧する手段を更に有し、加圧手段が、チップの金属領域に０．３〜６００ＭＰａの圧力を印加するように構成されてもよい。これにより、仮接合後及び本接合後に得られるチップと基板とを含む構造体の接合強度を高めることができる。

【0053】

本願発明に係る接合装置は、複数のチップと基板とを含む構造体を加熱するための、加熱手段を更に備えて構成されてもよい。これにより、仮接合されたチップと基板との構造体を基板単位で本接合することができる。

【0054】

本願発明に係る接合装置は、複数のチップと前記基板とを含む構造体を加熱する際に、当該構造体の雰囲気に還元性ガスを導入する還元処理手段を更に備えて構成されてもよい。これにより、接合面の酸化膜、ＯＨ基などを還元により除去して、新生表面を形成することができる。したがって、効率よくチップと基板との間の導電性を上げることができる。

【0055】

本願発明に係る接合装置は、還元処理手段が、還元性ガスとして、水素を含むガスを構造体の雰囲気に導入するように構成され、構造体の雰囲気を真空引きする真空引き手段を更に有して構成されてもよい。これにより、水素は接合界面へ入り込みやすく又拡散しやすく、加えて一端真空状態にした後で水素を導入することで、極めて効率よく接合界面へ入り込ませ又拡散させて、接合面の還元処理の速度を上げて新生表面を形成し、更に効率よくチップと基板との間の導電性を上げることができる。

【0056】

本願発明に係る、一つ又は複数の金属領域を有する第一接合面を有する複数のチップからなるチップ層を、複数の層に亘り、複数の接合部を有する基板上に積層して接合する装置は、チップの第一接合面を表面活性化処理するために、チップの第一接合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第一接合面用表面活性化処理手段と、チップの第一接合面の裏側に位置する第二接合面を表面活性化処理するために、チップの第二接合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チップ第二接合面用表面活性化処理手段と、基板の接合部を表面活性化処理するために、基板の接合部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基板用表面活性化処理手段と、表面活性化処理されたチップの第一接合面を親水化処理するために、チップの第一接合面に水を付着させるチップ第一接合面用親水化処理手段と、表面活性化処理されたチップの当該第一接合面の裏側に位置する第二接合面を親水化処理するために、チップの第二接合面に水を付着させるチップ第二接合面用親水化処理手段と、基板の接合部を親水化処理するために、基板の接合部に水を付着させる基板用親水化処理手段と、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、チップを基板の対応する接合部上に取り付け、基板上に取り付けられているチップの第二接合面に次に取り付けられるチップの第一接合面が接触するように、当該チップを基板上に取り付けられているチップ上に取り付けるチップ取付手段と、を備えて構成されたものである。本願発明によれば、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与える複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができる。また、本願発明は、すべてのチップを基板上に取り付けた後に本接合のための加熱処理を一回のみ行うように構成することで、高い生産効率で、複数層のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。

【0057】

本願発明に係る接合装置は、基板と基板上に複数の層に亘り積層された複数のチップとを含む構造体を加熱するための加熱手段を更に備えように構成されたものである。これにより、基板と基板上に積層された複数のチップとを含む構造体を仮接合の後に効率よく加熱することができる。

【0058】

本願発明に係る基板と基板上に取り付けられた複数のチップを含む構造体は、上述のいずれかの方法により形成されることを特徴とする。これにより、樹脂などの残存物などが含まれず清浄な接合界面を有することで、導電性及び機械的強度が向上されたチップと基板とを含む構造体を提供することができ、当該チップと基板とを含む構造体を、電子部品のより広い範囲の用途に用いることができるという効果を奏する。

【0059】

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、複数の接合部を有する基板に接合する方法は、チップ側接合面の少なくとも金属領域を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、基板の接合部を、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し、かつ水を付着させることにより親水化処理するステップと、表面活性化処理されかつ親水化処理された複数のチップを、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理されかつ親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けるステップと、基板と基板上に取り付けられた複数のチップとを含む構造体を加熱するステップと、を備え、チップは厚さが１０μｍ〜３００μｍであるようにしたものである。本願発明によれば、いわゆる薄型チップの接合において、チップの反りを抑制し、金属領域であるバンプのつぶれを防止し、チップ全体亘ってバンプの良好な接合が可能になる。

【0060】

本願発明に係る接合方法は、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップが、チップの金属領域を構成する材料を融点未満の固相状態で加熱することを含むようにしてもよい。これにより、金属領域の溶融を防ぎ、チップの取付けを高い精度で行うことができる。また、表面活性化により一旦強固な酸化膜が除去されているので、その後、酸化されたとしても、酸化膜は薄く固相でも拡散しやすい。

【0061】

本願発明に係る接合方法は、複数のチップを基板の対応する接合部上に取り付けるステップの前に、平坦な表面を有する基板で金属領域の表面を押圧するステップを更に備えるようにしてもよい。すなわち、仮接合ステップの前に接合面を平坦化することで、比較的低温で仮接合又は本接合を行っても、接触による実質的な接合面積を大きくして良好な接合界面を形成することができる。

【0062】

本願発明に係る接合方法は、構造体を加熱するステップが、チップの金属領域を構成する材料を融点未満の固相状態で加熱することで行われるようにしてもよい。これにより、融点温度未満でも、表面活性化された接合面の強固な酸化物は一旦除去され、その後ＯＨ基を生成させるための親水化処理で生じる酸化膜は薄く、かつ表面活性化処理により結晶が乱されていることで拡散しやすく、親水化処理により形成されたＯＨ基は加熱により強度の高い接合へと変化しつつ、チップと基板との良好な強度の高い接合界面を形成させることができる。また、例え酸化膜が界面に残ったとしても薄く、半導体レベルの接続抵抗を損なうものではない。

【発明の効果】

【0063】

本願発明によれば、表面活性化処理後に親水化処理された接合面を接合に用いることで、所望の仮接合の強度が得られ、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、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。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に本接合のための加熱処理を一回のみ行うように構成することで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができる。さらに、電子デバイスの３次元実装体を、より高密度により高い生産効率で製造することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0064】

【図1】第１の実施形態に係るチップの基板への接合方法を示すフローチャートである。

【図2】第１の実施形態に係る接合方法の処理過程を模式的に示す断面図である。

【図3】チップにおける金属領域の形状を示す概略断面図である。

【図4】チップ側接合面上に形成された金属領域の配置を示す平面図である。

【図5】基板上に設置される接合部を示す斜視図である。

【図6】第１の実施形態に係るチップの基板への接合方法の他の例を示すフローチャトである。

【図7】水付着処理後の接合面間の状態を微視的に示す概略断面図である。

【図8】金属領域の高さにばらつきがある場合の仮接合の状態を示す概略側面図である。

【図9】水付着処理された金属領域がチップの基板の接合部に対してセルフアラインメントされる過程を示す図である。

【図10】本願発明の第２の実施形態に係る、複数の層のチップを基板へ接合する方法の他の例を示すフローチャートである。

【図11】複数層のチップを基板上に取り付ける過程を示す図である。

【図12】第２の実施形態に係る、複数の層のチップを基板へ接合する方法の他の例を示すフローチャートである。

【図13】複数の種類のチップが基板の各接合部に取り付けられたチップと基板とを含む構造体を示す斜視図である。

【図14】チップ実装システムの概略構成を示す上面図である。

【図15】粒子ビーム源からの粒子の放射態様を概略的に示す図である。

【図16】ライン型粒子ビーム源からの粒子の放射態様を概略的に示す図である。

【図17】チップ供給部とボンディング装置とを示す正面図である。

【図18】チップ供給部とボンディング装置とを示す上面図である。

【図19】チップ供給部とボンディング装置とを示す上面図である。

【図20】プレート部の先端の構造を示す図である。

【図21】プレート部の先端の構造を示す図である。

【図22】水付着手段を有するプレート部の先端の構造を示す図である。

【図23】水付着手段を有するプレート部による接合面への水付着態様を示す図である。

【図24】水付着手段を有するチップ供給部とボンディング装置とを示す上面図である。

【図25】ボンディング装置のヘッド部がプレート部先端に設けられた構成の一例を示す図である。

【図26】バンプ状の金属領域を水槽へ浸漬する構成の一例を示す図である。

【図27】ハンダバンプの融点接合における反りを説明するための図である。

【図28】ハンダバンプの融点未満の固相接合条件により良好な接合を達成したことを示す図である。

【図29】平坦化されていないバンプの取付け時の接触を概略的に示す正面図である。

【図30】平坦化されたバンプの取付け時の接触を概略的に示す正面図である。

【図31】ボンディング装置の一例を示す図である。

【図32】パルスヒートの制御方法を示すチャートである。

【図33】還元処理を行う加熱手段の概略構成を示す正面図である。

【図34】還元処理を行う接合装置の概略構成を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0065】

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。

【0066】

＜１．接合方法＞
＜１．１ 第１の実施形態＞
図１は、本願発明の第１の実施形態に係るチップの基板への接合方法を示すフローチャートである。

【0067】

工程Ｓ１では、基板への接合が予定されている複数のチップの表面（以下、チップ側接合面と称する）を、表面活性化処理し、そして親水化処理する。このチップ側接合面は、金属で形成される一つ又は複数の領域（以下、金属領域と称する）を含んでいる。

【0068】

工程Ｓ２では、上記チップ側接合面が接合される基板上においてそれぞれのチップに対応する表面領域（以下、接合部と称する）を、すべて表面活性化処理し、そして親水化処理する。

【0069】

ここで、本願発明における表面活性化処理について説明する。
チップ側接合面又は基板の接合部（以下、接合面と称する。）４１上には、様々な物質の酸化物、付着した有機物などの汚染物（不純物）などを含む表面層４２が存在し、接合すべき材料の新生表面４３を覆っている（図２（ａ）参照）。上記表面層４２は、材料の新生表面４３のエネルギーレベルを低くしていると考えられる。表面活性化処理により、この表面層が除去され、接合すべき材料の新生表面が露出させられると考えられる（図２（ｂ）参照）。さらには、所定の運動エネルギーを有する粒子を衝突させて行う表面活性化処理には、新生表面近傍において原子間の結合を切断し結晶構造を乱すことで、表面エネルギーのレベルを一層高める効果もあると考えられている。

【0070】

本願発明において、上記表面活性化処理を行った後の親水化処理では、表面活性化処理により露出された新生表面に水又は水酸（ＯＨ）基を含む物質を供給する。表面活性化処理により露出された新生表面に水又は水酸（ＯＨ）基を含む物質が接触すると、この新生表面に水酸基の層４４が形成され（図２（ｃ））、あるいは新生表面に新生表面を形成する材料の酸化物の層が形成される。さらに水を供給すると、形成された水酸基の層又は酸化物の層の上に水が付着すると考えられている。

【0071】

工程Ｓ１と工程Ｓ２とを同時に並行して行ってもよい。また、工程Ｓ１を行った後に、工程Ｓ２を行ってもよい。その逆に、工程Ｓ２を行った後に、工程Ｓ１を行ってもよい。

【0072】

工程Ｓ１又は工程Ｓ２における親水化処理は、好ましくは、表面活性化処理の後に行われる。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。

【0073】

工程Ｓ３で、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を、それぞれ、チップの金属領域が基板上の対応する接合部に接触するように基板に取り付ける。本願明細書中、この工程Ｓ３を「仮接合」と称する。

【0074】

チップの基板への取り付けは、チップを基板の接合部に一つずつ取り付けることを、基板に取り付けるべき所定数のチップの取付けが完了するまで繰り返すことで行う。あるいは、複数のチップからなるグループごとに、基板の対応する接合部に取り付けることを、基板に取り付けるべき所定数のチップの取付けが完了するまで繰り返すことで行ってもよい。接合面の平坦度を高めたもの（例えば表面粗さが数ｎｍのもの）は、実質的な接触面積が大きくなることから、本来の水酸基（ＯＨ基）による接合が強固な接合となり、低温、低圧での接合でも十分な接合強度を得ることが可能である。一方、接合面の平坦度が低いもの（例えば表面粗さが数十〜数百ｎｍのもの）の場合は、加圧（数十Ｍ〜数百ＭＰａ）により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱（例えば１５０℃）により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合面積を大きくすることができる。

【0075】

工程Ｓ４では、接合が予定されていた複数のチップがすべて基板に取り付けられることにより形成された、チップと基板とからなる構造体に対して、加熱処理を施す。加熱により、所望の導電性と機械的強度を有する接合界面が得られる。本願明細書中、この工程Ｓ４を、「本接合」と称する。

【0076】

工程Ｓ３により取り付けられたチップの金属領域の表面と基板の接合部の表面とは、微視的には原子レベル又はナノメートルから数十ナノメートルの表面粗さを有している。したがって、工程Ｓ３により取り付けられた際に、チップの金属領域の表面と基板の接合部の表面との間の実質的な接合面積は、みかけの接合面積より小さい。加熱処理により、取り付けられたチップの金属領域と基板の接合部との界面近傍の原子が拡散して、実質的な接合面積が増加すると考えられる。本願明細書中、この工程Ｓ４を、「本接合」と称する。

【0077】

加熱処理の際に、雰囲気を形成するガスの種類、流量などを調節してもよい。また、加熱処理の際に、接合界面に垂直方向の圧力が加わるように、チップと基板との接合体に、力又は圧力を加えることもできる。接合界面に垂直方向の圧力が加わることで、実質的又は微視的な接合面積がさらに増加する。

【0078】

加熱処理における、温度又は上記力若しくは圧力の時間プロファイルは、仮接合の条件、金属領域を形成する材料の熱特性、チップ又は基板を形成する材料の熱特性、加熱処理の際の雰囲気、加熱処理装置の特性などにより、調節することができる。

【0079】

表面活性化処理され親水化処理されたチップ側接合面及び基板の接合部上に形成されている水酸（ＯＨ）基層又は酸化物層、これらの表面に付着した水などは接合界面にとりこまれても、加熱処理で新生表面同士の接合界面が形成する際に、表面層や樹脂などと比べて低い温度又は短時間で消滅する。したがって、本願発明による接合方法は、樹脂などを使用する従来の接合技術に比べて、接合に必要なサーマルバジェット（熱消費量）を低減することができる。

【0080】

次に、チップの形態について説明する。

【0081】

＜チップ側の接合面＞
図３（ａ）から（ｆ）は、チップ側接合面に垂直な平面でチップを切断した場合の、チップの断面の模式図である。これらの図は、金属領域の形状を例示的に示すことを意図するもので、金属領域の形状を限定するものではない。

【0082】

図３（ａ）から（ｄ）で示された金属領域の場合には、チップ側接合面上に、金属領域ＭＲが、いわゆるバンプ（突起）状に突出するように形成されている。金属領域ＭＲの上端面が、基板と接合する。

【0083】

当該金属領域ＭＲ以外の領域ＮＲは、シリコン（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの非金属で形成されることが好ましいが、金属など、その他の材料で形成されていてもよい。金属領域ＭＲ以外の材料は、デバイスの用途、接合方法などに応じて選択することができる。以下、金属領域ＭＲと金属領域以外の領域ＮＲを合わせてチップ側接合面と称する。また、便宜的に、金属領域ＭＲ以外の領域ＮＲを、非金属領域ＮＲと称することとする。

【0084】

金属領域ＭＲの上端部の断面形状は、平坦でなくてもよい。図３（ａ）のように金属領域の上端部が平坦である場合、上端部の平面は、微視的にはある程度の粗さを有している。この粗さが大きい場合には、比較的低い圧力をかけても、微視的にみて十分な接合面積を形成することができず、金属領域と基板との間の所望の導電性または機械的強度を確立することができないこともありえる。そこで、例えば、金属領域の表面の断面は、曲面で形成されてもよく、図３（ｂ）で示されるように球面で形成されてもよい。図３（ｂ）の各金属領域ＭＲは、その頂点において基板と接触するので、金属領域ＭＲの上端部が平坦である場合より、初期の接触点に掛かる圧力が大きくなる。その結果、微視的にみて十分な接合面積を形成することができ、チップの金属領域と基板との間の導電性および機械的強度（接合強度）の向上につながる。

【0085】

図３（ｃ）に示されているように、金属領域ＭＲは、シリコンチップに形成された貫通電極（シリコン貫通電極、ＴＳＶ、Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）（ＶＡ）に接続して設けられてもよい。ＴＳＶ（貫通電極）を設けることで、数層に亘り積層されたチップ間での高速な電気的接続を確立することができる。

【0086】

図３（ｄ）に示されているように、金属領域ＭＲの上端部の面積が、ＴＳＶ（ＶＡ）の領域面積より大きくなるように、金属領域ＭＲとＳｉ貫通電極ＶＡが形成されてもよい。接合面積が大きくなり、積層されたチップ間の電気的接続の比較的高い導電性を確保することができる。

【0087】

図３（ｅ）及び（ｆ）に示されているように、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようにチップ側接合面が構成されてもよい。この場合、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとが同一面上にある構成としてもよく、また、金属領域ＭＲを基板接合部と確実に接触及び接合させるために、金属領域ＭＲを非金属領域ＮＲよりも１μｍ（マイクロメータ）程度またはそれ以下の高さだけ突出させるようにしてもよい。金属領域ＭＲの非金属領域ＮＲに対して突出する高さは、金属領域ＭＲ及び非金属領域ＮＲの材質、形状、チップ全体の形状、寸法、機械的性質など、種々のパラメータに応じて、最終的に金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲの両方において接合界面が形成されるように調節される。

【0088】

図３（ｅ）及び（ｆ）に示されている、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようなチップ側接合面の構成は、例えば、チップの所定の製造段階でチップ側表面に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うことで実現される。ＣＭＰの条件を調節することにより、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとをほぼ同一面上に形成することができるとともに、金属領域ＭＲが非金属領域ＮＲよりも所定の高さだけ突出するようにすることもできる。

【0089】

図３（ｅ）で示されている例は、バンプレスＴＳＶと呼ばれるチップ構造に対応している。このチップは、接合される基板の接合面が平面で形成されている場合には、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとの両方が基板に接合される。したがって、チップと基板との間の電気的接続を確立する金属領域に係る接合界面を、その周りの非金属領域に係る接合界面により保護することができる。さらに、チップと基板との接合界面が、金属領域ＭＲのみならず非金属領域ＮＲにまで亘って形成されることで接合面積が著しく大きくなり、チップと基板との間の接合強度を増加することができる。さらにまた、複数の層を形成して、チップを基板上に積層して実装する場合には、基板面に垂線方向の寸法（厚み）を、減少させることができる。

【0090】

図３（ｆ）に示されている例では、チップ側接合面にキャビティが形成され、このキャビティ内に金属領域ＭＲがバンプ（突起）状に突出するように形成されている。図３（ｆ）の構成により、チップの基板への接合が完了すると、非金属領域ＮＲに係る接合界面により、その内部の金属領域ＭＲに係る接合界面を外部雰囲気に対して封止する。よって、接合工程が完了した後に樹脂などを用いて接合箇所を封止することを必要とせずに、大気の侵入に起因する酸化、チップと基板間への不純物の混入などによる接合界面の電気的又は機械的特性の悪化を防ぐことができる。

【0091】

図３（ｅ）又は（ｆ）で示されている構成のチップを使用する場合には、金属領域ＭＲと同様の表面活性化処理と親水化処理を施して、基板上の対応する接合部と仮接合及び本接合を行うことができるような材料で非金属領域ＮＲを形成することが好ましい。これにより、プロセスを簡略化、効率化することができる。非金属領域ＮＲは、シリコン（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの非金属で形成されることが好ましいが、これに限られない。

【0092】

また、図３（ｅ）又は（ｆ）で示されている構成のチップを使用する場合には、非金属領域ＮＲの表面の一部又は全部を疎水化処理してもよい。後述のように、チップ側接合面が疎水化処理された領域を有することで、親水化処理された金属領域ＭＲと対応する基板上の親水化処理された部位とを用いて、基板に対するチップのセルフアラインメントを実現することができる。

【0093】

図４（ａ）から（ｃ）は、接合面に対して垂直な方向から見たときの、チップ側接合面上に形成された金属領域の配置を模式的に示している。

【0094】

図４（ａ）から（ｃ）が示すチップ側接合面上には、複数の円形の金属領域ＭＲが、列状に並んで配置されている。

【0095】

金属領域ＭＲの形状及び配列は、図４（ａ）から（ｃ）に示された例に限定されない。各金属領域ＭＲの形状は、円形に限らず、例えば正方形、長方形でもよい。また、図４（ａ）から（ｃ）は、複数の金属領域ＭＲが、矩形を描くように並んで配列されているが、これに限定されない。

【0096】

図４（ｂ）が示すチップ側接合面には、複数の金属領域ＭＲが、異なる大きさで形成されている。

【0097】

たとえば、比較的小さい面積の金属領域ＭＲを形成する場合に、所望の導電性を確保する電気的接続は確保されているにも係わらず、基板との最終的な接合面積の合計が、チップと基板との間の十分な機械的強度を達成できるほどの面積に満たないことがある。このような場合には、電気的接続に必要とする金属領域ＭＲに加えて、機械的強度を向上するために、基板と接続される、強度用金属領域ＭＲ２を設けてもよい。金属領域ＭＲ２は、チップ内の回路又はチップを通過するＴＳＶと、電気的に接合されていなくてもよく、また接合されていてもよい。また、金属領域ＭＲ２の面積、形状、配置などは、電子デバイスの使用環境などに応じて、チップと基板との間に要求される機械的強度、金属領域ＭＲと強度用金属領域ＭＲ２の形状、大きさ、チップ側接合面上での配置などに基づいて調節されてもよい。

【0098】

図４（ｃ）が示すチップ側接合面には、図４（ａ）に示された、電気的接続のために形成された金属領域ＭＲを第一の金属領域として、この第一の金属領域の外側に、第一の金属領域を囲むように、第二の金属領域として、閉じた環状に金属壁である金属領域ＭＲ３が形成されている。この場合、第一及び第二の金属領域がチップ側接合面の金属領域以外の領域に対して突出するように形成されることが好ましい。

【0099】

閉じた環状の金属領域ＭＲ３は、チップの基板への接合が完了すると、その内部の金属領域ＭＲに係る接合界面を外部雰囲気に対して封止する。すなわち、外部雰囲気は金属領域ＭＲに係る接合界面に到達することができない。よって、接合工程が完了した後に樹脂などを用いて接合箇所を封止することを必要とせずに、大気の侵入に起因する酸化、チップと基板間への不純物の混入などによる接合界面の電気的又は機械的特性の悪化を防ぐことができる。

【0100】

また、金属領域ＭＲ３を有するチップを接合することで、接合面積が増加し、高い接合強度を達成することができる。さらに、鉛などの材料を含まず、リフロー工程が必要ないので、環境に優しいチップと基板とを含む構造体の封止構造を提供することができる。

【0101】

上記の各チップは、例えば、複数の電子回路が形成された基板を縦方向及び横方向に切削することにより作成してもよい。

【0102】

＜基板＞
基板ＷＡの接合部ＵＴは、例えば、図５に示されているように、基板の面上に縦方向及び横方向に引かれた等間隔の直線で画定される複数の長方形又は正方形として設定されてもよく、また離散的に任意の箇所に設定されてもよい。典型的に、上記基板は、本願発明に係る接合方法の工程が完了した後に、接合部毎に切断（ダイシング）され、ダイ（ｄｉｅ）に分割される。最終製品として与えられたダイの大きさは、基板上に設定された接合部の大きさにより定められる。

【0103】

各接合部は、基板上に物理的に又は光学的に認識可能に設定されていてもよいが、これに限られない。たとえば、接合部の配置は、基板を支持するステージ上の位置を認識可能なコンピュータシステムにより、ステージ上の位置に基づいて認識する構成としてもよい。

【0104】

基板の接合部は、複数のチップの金属領域にそれぞれ対応するようにして、当該チップとの間で電気的接続を確立すべき複数の接合領域を有するように構成してもよい（図示せず）。この接合領域は、金属で形成されてもよい。この場合、接合されるチップと基板との間の電気的接続が実現される。

【0105】

また基板の接合部は、シリコン（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの非金属材料を用いて形成されてもよい。この場合は、チップの金属領域は、基板と接合して、チップと基板との間の接合強度を高めることができる。

【0106】

＜表面活性化処理＞
工程Ｓ１及び工程Ｓ２において、チップ側接合面及び基板の接合部（以下、接合面と称する）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。

【0107】

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。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、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。

【0108】

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、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。

【0109】

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、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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

プラズマ発生装置は、例えば、１００Ｗで稼動して、アルゴン（Ａｒ）のプラズマを発生させて、このプラズマを接合面に６００秒ほど照射させるように使用されてもよい。

【0114】

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（イオンガン）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。

【0115】

粒子ビーム源は、例えば１ｘ１０^−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。

【0116】

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。

【0117】

イオンビーム源は、例えば１１０Ｖ、３Ａで稼動して、アルゴン（Ａｒ）を加速させ６００秒ほど接合面に照射せるように使用されてもよい。

【0118】

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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

＜親水化処理＞
工程Ｓ１及び工程Ｓ２において、親水化処理は、上記表面活性化処理の後に行われる。接合面の親水化処理により、接合面に水酸基（ＯＨ基）が結合されると考えられている。さらには、水酸基（ＯＨ基）が結合された接合面上に水分子が付着してもよい。

【0124】

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。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。

【0125】

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（Ｈ_２Ｏ）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。

【0126】

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。

【0127】

気体状の水は、たとえば液体の水の中に窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ_２）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。

【0128】

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。

【0129】

たとえば、窒素（Ｎ_２）又は酸素（Ｏ_２）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９．０ｘ１０^４Ｐａ（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／ｍ^３（グラム／立方メートル）又は１８．５ｇ／ｍ^３（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。また例えば、銅（Ｃｕ）を、容積絶対湿度で、５ｇ／ｍ^３（グラム／立方メートル）から２０ｇ／ｍ^３（グラム／立方メートル）の気体状の水を含む雰囲気に曝すと、２ｎｍ（ナノメートル）から１４ｎｍ（ナノメートル）程度の酸化銅の層が形成されると想定される。

【0130】

また、チャンバ内の酸素（Ｏ_２）の雰囲気中濃度を１０％としてもよい。

【0131】

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。

【0132】

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。

【0133】

また、水（Ｈ_２Ｏ）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（Ｈ_２Ｏ）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（Ｈ_２Ｏ）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。

【0134】

表面活性化処理と親水化処理が施された接合面４１ａ、４１ｂは、その後のチップの基板への取り付け（仮接合）での接触の際に水素結合の作用により互いに引き合い、比較的強い仮接合を形成する（図２（ｄ））。さらに水素と酸素とを含む接合界面が形成されているので、本接合での加熱処理により水素と酸素が接合界面の外部に放出され、清浄な接合界面４５を形成することが可能になる（図２（ｅ））。

【0135】

＜仮接合＞
工程Ｓ３で、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、それぞれ、チップの金属領域が基板の接合部に接触するように、表面活性化処理され親水化処理された基板の対応する接合部上に取り付けられる。

【0136】

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。

【0137】

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は、水酸（ＯＨ）基又は水分子により覆われているため、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。

【0138】

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。

【0139】

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。

【0140】

チップの金属領域が、ニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ），スズ（Ｓｎ）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０．３ＭＰａ（メガパスカル）から６００ＭＰａ（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。

【0141】

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。

【0142】

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は、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。

【0143】

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がある。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。

【0144】

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。

【0145】

＜本接合＞
工程Ｓ４では、工程Ｓ３で得られた複数のチップと基板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。

【0146】

加熱処理中の最高温度は、１００℃（摂氏１００度）以上、チップと基板との接合外面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。

【0147】

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。

【0148】

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。

【0149】

また、本願の発明によれば、加熱処理中の最高温度を、チップと基板との接合面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。接合界面近傍で材料の固相拡散が生じて、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。

【0150】

また、加熱処理中の最高温度を、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。

【0151】

加熱処理中の最高温度を、チップと基板との接合面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。

【0152】

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。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。

【0153】

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。

【0154】

たとえば、チップ側接合面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。

【0155】

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。

【0156】

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。

【0157】

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０．３ＭＰａ（メガパスカル）から６００ＭＰａ（メガパスカル）の圧力を加熱処理中に加えてもよい。

【0158】

加熱処理中の構造体周りの雰囲気は、大気でもよく、窒素又は希ガス雰囲気でもよい。

【0159】

加熱処理中の構造体周りの雰囲気の湿度を調節してもよい。この湿度は、得られる接合界面の電気的特性又は機械的特性に応じて調節してもよい。

【0160】

更に好適には、加熱処理中の構造体周りの雰囲気は、還元性雰囲気である。

【0161】

＜還元処理＞
親水化処理の後の接合、すなわち仮接合では、接合面の大部分がＯＨ基、酸化膜又はこれらの上に付着している水分子（水酸基の層等）を介して他の接合面と接合される。接合面表面にあった表面粗さ又は凹凸は、仮接合時の接触により完全にはなくならないので、仮接合後の接合界面はこの凹凸のある接合面間で形成されている。この仮接合時の接合界面に対して、本接合時に還元処理を行い、酸化膜の除去により新生表面の形成を促進させることは有用である。すなわち、本接合の際の加熱に還元処理を伴うことで酸化膜除去の速度を向上させることができる。さらに、接合界面に対して加圧することで、酸化膜の除去により新生表面の形成と、接合面近傍での原子拡散と同時に、接合面にあった凹凸を低くし実質的な接合面積を効率よく大きくさせることができる。

【0162】

還元雰囲気は、還元性気体を、基板と複数のチップとを含む構造体の雰囲気中、又は本接合をするチャンバ内に導入することで形成されてもよい。還元性気体として、水素分子、水素ラジカル、水素プラズマ、ギ酸ガスなどを使用することが好ましい。

【0163】

特に、水素分子、及び水素ラジカルなどの水素を含むガスは、サイズが小さいので、接合界面の凹凸などによる隙間に入り込むことができる。また、実際に接触している接合界面においても、拡散しやすい。したがって、これらの水素を含むガスを使用することにより、仮接合界面の酸化膜を、本接合時に効率よく還元することができる。

【0164】

水素ラジカルは、活性であるので、仮接合による構造体を加熱しなくてもよい。加熱をする場合には、たとえば摂氏１５０度程度で加熱するのが好ましい。ギ酸を用いる場合には、摂氏２００度程度で加熱することが好ましい。

【0165】

還元雰囲気を形成する前に、基板と複数のチップとを含む構造体の雰囲気又は本接合のチャンバを真空引きすることが好ましい。仮接合された接合界面には、接合面の微小な表面粗さにより、微小な間隙が存在する。したがって、真空引きした後に還元性気体を導入することにより、真空引きされた仮接合界面の微小な間隙に還元性気体がより効率よく入り込むことができるようになる。さらに、真空引きにより、還元処理による酸化膜除去を妨害しうる酸素や汚染物質などを上記雰囲気から予め除去することができる。

【0166】

また、真空引きと還元性気体の導入とを繰り返して行ってもよい。

【0167】

還元処理を行った後に加圧を行うようにしてもよい。すなわち、接合界面の微小な間隙が存在する間に接合界面の還元処理を効率よく行い、還元処理後に加圧して、還元処理された接合面又は新生表面間の間隙を無くし又は小さくして、実質的な接合面積を清浄な状態で大きくすることができる。

【0168】

また、還元処理を行った後に真空引きをして、接合界面の間隙からガスを排出させた跡に加圧することが好ましい。これにより、接合界面に残るガスや不純物を取り除き又は少なくすることができる。また、ボイドの無い又は少ない接合界面を形成することができる。

【0169】

あるいはまた、還元処理を行う場合には、チップの基板への取り付け時、すなわち仮接合時の加圧を比較的小さくすることが好ましい。仮接合では、その後のハンドリングでチップが位置ずれしない程度の接合強度が得られればよい。したがって、仮接合時の加圧又は加圧力を落とすことで、仮接合後の接合界面の凹凸がつぶれないで残り、接合界面に微小な間隙がある状態を維持することができる。こうすることにより、還元処理の際に、還元性気体を接合界面の間隙に導入しやすくなる。

【0170】

また、接合面の表面粗さを敢えて大きくすることでも同様な結果が得られる。

【0171】

以下の表２に示す実験例５（１５０ＭＰａ）や実験例７（１００ＭＰａ）の低圧条件でも、チップは位置ずれすることなく、還元処理を行うことができる。その後、本加圧時に３００ＭＰａの圧力を掛けることで、十分な実質的な接合面積を得ることができる。たとえば、還元処理をする際の仮接合時の圧力は、１５０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。

【0172】

このような還元処理は、銅（Ｃｕ）で形成されたバンプ（金属領域）に適用されうるが、これに限られず、はんだ材料、金（Ａｕ）、あるいはそれらの合金に対しても適用されうる。

【0173】

本接合時に還元処理を併せて行うことで、金属領域で形成される接合界面の電気抵抗を更に下げることができる。当該手法は、特性が接合界面の電気抵抗の影響を受け易いハイエンドコンピュータやパワーデバイスのためのチップオンウエハ技術に応用することが特に有用である。

【0174】

水素ラジカルによる還元処理の一例を図３３を参照しつつ以下に説明する。

【0175】

加熱手段８０として本接合を行う本接合チャンバ８１には、ヒータ８２が設けられていて、構造体を所望の温度に加熱することができる。本接合チャンバ８１は上部にトップ板８２を有し、当該トップ板８２には、水素ラジカルなどのガスをチャンバに導入するために複数の開口８３が開けられている。本接合チャンバ８１には水素ラジカル源（図示せず）が設けられており、この水素ラジカル源からトップ板８１の開口８２を通って、水素ラジカルが本接合チャンバ８１内に導入される。本接合チャンバ８１には、真空ポンプ８４が接続され、これによりチャンバ８１内の雰囲気を真空引きすることができる。

【0176】

図３３に示すように、チャンバ８１内に、仮接合されたバンプＭＲを有するチップＣＰ一対が置かれている。表面活性化処理と親水化処理が施されているので、バンプＭＲの表面には薄い酸化膜又はＯＨ基の層（水酸基の層４４）が形成され、あるいはまたその上に水分子が付着している層がある。

【0177】

たとえば、本接合チャンバ８１は、真空ポンプ８４により５Ｐａ程度の気圧となるように真空引きされる。その後、水素ラジカル源は、２５０Ｗ、２７ＭＨｚで作動して１００％の水素ガスをプラズマ化し、その中からラジカル種を本接合チャンバ８１に導入するようにしてもよい。水素ラジカルは、流量１００ｓｃｃｍで、トップ板８２の開口８３を通って本接合チャンバ８１にダウンフローで導入され、本接合チャンバ８１内の圧力が５０Ｐａとなるように、５分維持される。この際の、還元処理の間、構造体の温度は摂氏１５０度に保たれる。還元処理の後、再度真空引きを行い、バンプに対して３００ＭＰａとなるように構造体に圧力を掛け、摂氏２００度で１０分維持した。これにより、導電性の高い接合界面をバンプＭＲ間に形成することができる。

【0178】

また、ここでは構成図としてチップ一対のみ記載したが、もちろん複数チップが実装された基板に対して行ってもよい。また、ここでは加圧手段を記載しなかったが、同じチャンバ内で上方から又は上下方向に加圧する手段を設けてもよい。また、還元処理後に真空雰囲気や不活性雰囲気、窒素雰囲気中をハンドリングして加熱加圧チャンバへ移送して加圧してもよい。

【0179】

＜還元処理を伴う本接合装置の一例＞
還元処理には、図３４に示すような接合装置４０１を用いてもよい。

【0180】

＜装置構成＞
接合装置４０１は、被接合物４９１及び４９２が置かれる雰囲気を制御するための真空チャンバ４０２と、被接合物４９１及び４９２の接合面に対して表面活性化処理を行う表面活性化処理手段４０８と、被接合物４９１及び４９２間の位置ずれを測定する位置ずれ測定手段４２８Ｍ，４２８ｅ，４２８ｆと、被接合物４９１及び４９２間の位置ずれを補正するために被接合物４９１及び４９２を接合面の面内方向に相対的に移動させるアライメント手段４２３と、被接合物４９１及び４９２を接合面にほぼ垂直方向に遠ざけ、近づけ又は接触させ、或いは接触させた上で加圧するための相対移動手段４２６と、真空引き手段４０５，４０６，４０７と、還元処理手段４４１，４４２，４４５とを有して構成される。これらの構成により、接合装置１を用いて、チャンバ（真空チャンバ）４０２内を減圧し、被接合物４９１及び４９２の表面処理、接合、加圧、加熱及び還元処理を行うことができる。

【0181】

＜加熱機構＞
ヘッド４２２は、当該ヘッド４２２に内蔵されたヒータ４２２ｈによって加熱され、ヘッド４２２に保持された被接合物４９２の温度を調整することができる。同様に、ステージ４１２は、当該ステージ４１２に内蔵されたヒータ４１２ｈによって加熱され、ステージ４１２上の被接合物４９１の温度を調整することができる。また、ヘッド４２２は、当該ヘッド４２２に内蔵された空冷式の冷却装置等によって当該ヘッド４２２自身を室温付近にまで急速に冷却することもできる。ステージ４１２も同様である。ヒータ４１２ｈ，４２２ｈ（特に４２２ｈ）は、金属バンプＭＲを加熱または冷却する加熱冷却手段として機能する。

【0182】

＜加圧機構＞
また、ヘッド４２２は、Ｚ軸昇降駆動機構４２６によって、Ｚ方向に移動（昇降）される。ステージ４１２とヘッド４２２とがＺ方向に相対的に移動することによって、ステージ４１２に保持された被接合物４９１とヘッド４２２に保持された被接合物４９２とが接触している際に、加圧するように構成されてもよいされて接合される。なお、Ｚ軸昇降駆動機構４２６は、複数の圧力検出センサ（ロードセル等）４２９，４３２により検出された信号に基づいて、接合時の加圧力を制御することも可能である。

【0183】

＜還元処理手段＞
還元性ガス源４４１は、水素ラジカル源又はギ酸ガス源である。還元性ガスは、還元性ガス源４４１から、弁４４２、導入間４４３を通り、所定の流量でチャンバ４０２内へ導入される。

【0184】

図３４では、還元処理と加熱処理又は加熱加圧処理とを同一のチャンバ４０２内で行う構成になっているが、これに限らない。還元処理と加熱処理又は加熱加圧処理とを異なるチャンバで行う構成を採用してもよい。例えば、還元性ガスとして水素ラジカルを用いる場合に、還元処理を一つのチャンバで行い、加熱（加圧）処理を他のチャンバで行い、ギ酸を用いる場合に、同一のチャンバで還元処理をしつつ加熱（加圧）する構成を採用してもよい。

【0185】

＜本願発明によるＣＯＷ実装の生産効率＞
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。

【0186】

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。

【0187】

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）×（５０００チップ）＝２５０００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。

【0188】

＜水付着処理＞
上記の親水化処理（工程Ｓ１）が完了したチップを基板の対応する接合部に取り付ける（工程Ｓ３）前に、チップ側接合面に水（Ｈ_２Ｏ）を付着させてもよい（工程Ｓ５）。図６は、この工程（工程Ｓ５）を含む、本願発明の第１の実施形態の変形例に係る接合方法のフローチャートを示している。

【0189】

水付着処理は、チップ側接合面の少なくとも金属領域に水を吹き付けることで行ってもよい。吹き付けられる水は、気体状（ガス状又は水蒸気等）でも液体状（霧状又は水滴状等）でもよく、水の形態はこれらに限定されない。水をチップ側接合面に吹き付けることで、チップ側接合上に効率よくかつ均一に水を付着することができる。

【0190】

水付着処理は、液体の水を収容する水槽を設け、この水にチップ側接合面の少なくとも金属領域を浸漬させることで行ってもよい。これにより、表面活性化処理された接合面上により多量の水をより確実に付着することができる。

【0191】

最初の親水化処理の完了から仮接合が行われるまでの間に、チップ側接合面を下向き（フェイスダウン）の状態で当該液体の水と接触させて、チップ側接合面に水を付着させることができる。金属領域が、チップ側接合面における他の領域より突出している場合は、当該突出した金属領域のみに、上記液体の水との接触により、水を付着させてもよい。

【0192】

一度親水化処理した表面に、さらに水（Ｈ_２Ｏ）を付着させ、水の層を形成することで、チップ側接合面の凹部を水（Ｈ_２Ｏ）で埋めて、接合面の表面粗さを低減させることができる。この水の層を介してチップ側接合面と基板の接合部とが接触することで、仮接合時の実質的な接合面積は大きくなると考えられる。

【0193】

また、例えば大気暴露による親水化処理で行った際に、表面に十分な密度でＯＨ基を形成させる程には水が付着していない場合には、その後、更に水を付着させることでＯＨ基の生成密度を十分に増加させることができる。大気中では湿度が３０％から５０％が一般的であり、ＯＨ基生成のための水分量が十分でない場合がある。

【0194】

付着させる水の層の平均厚さは、水付着前の接合面の表面粗さと同程度又はそれ以上であることが好ましい。このようにすることで、仮接合したときに、水付着されなければ接触しないような接合面の間の隙間を水で埋めることが可能となり、実質的な接合面積を確実に大きく確保することができる。（図７を参照）

【0195】

チップが有する複数の金属領域の高さにばらつきがある場合に、比較的低い金属領域は、チップに力を加えて変形させないと基板と十分に接触しないことがありえる。この場合でも、当該複数の金属領域の間の高さの差とほぼ同程度あるいはそれ以上の厚さの水分子の層を、金属領域上に形成することで、水の層を介して所定の強度の仮接合が得られる。
（図８を参照）

【0196】

接合面、特にチップの金属領域上に形成された水の層は、チップを基板に取り付ける（仮接合の）工程Ｓ３の際に、チップと基板との接合面間で、接合面に垂直な方向に作用する互いの吸着力又は吸引力を増加させる機能があると考えられる。その結果、水の層がなかった場合と比較して、チップと基板との接合面間に水の層が形成される部分の面積に応じて、仮接合の力が増加する。

【0197】

さらに、チップの複数の金属領域上に形成された水の層は、接合面に平行な方向に作用する吸引力をも発生させるので、チップを基板の接合部に向けて引き寄せることにより、基板に対するチップのセルフアラインメントを実現することができる。

【0198】

図９に示すように、たとえば、それぞれ水付着処理により水の層が形成された、チップが有する複数の金属領域と、これに対応する基板上の接合領域を、接合面に垂直な方向に沿って互いに近づけるとき、チップは、基板に対し、接合面に平行な方向にずれている場合がある（図９（ａ））。接合面に垂直な方向にさらに近づけると、水の層同士が接触し、チップの金属領域とこれに対応する基板上の接合領域との間を結合するような水の層が形成される（図９（ｂ））。この水の層には表面エネルギーを最小にさせる表面張力が作用して、チップの金属領域は、これに対応する基板上の接合部上の所定の位置に自動的に位置決め（セルフアラインメント）される（図９（ｃ））。その結果、仮接合のためにチップを基板に対して取り付ける際に、位置決めの精度を比較的低く設定することができ、接合装置の簡略化、位置決め工程の高速化が可能になる。

【0199】

セルフアラインメントを実現するために、チップ側接合面に親水化された金属領域と疎水化された領域とを設け、これらに対応するようにして、基板の接合部に親水化された接合領域と疎水化された基板側疎水化領域とを設ける構成を採ることもできる。これにより、親水化されたチップの金属領域と基板の接合領域とが接触するようにチップを基板の対応する接合部に取り付ける際に、親水化領域と疎水化領域があることで、水の層で発生する表面張力の作用が大きくなり、位置決めの精度がさらに向上し、所定の位置にチップを高速で仮接合することができる。また、金属領域の表面がチップ側接合面の表面とほぼ同一面上にあるように構成したチップを使用する場合には、親水化領域と疎水化領域をほぼ同一平面上に配置することができるので、デバイスの最終製品の厚みを小さくし高密度化することができる。

【0200】

ただし、セルフアラインメントが出来るということは、仮接合の界面での水分子の付着量が多いということを意味する。このような比較的水付着量が多い場合に、チップが既に仮接合されている基板を高速移動させて次のチップの位置決めを行おうとすると、基板上のチップの位置がずれるという問題が生じる。これは、ＯＨ基を十分生成させるために必要な量を超えて付着された水が分子として接合面上に存在しているために生じる問題である。したがって、水を付着させる工程の後で、余剰に付着している水分子を除去することが好ましい。

【0201】

親水化処理後の水の付着は、チップ側接合面の金属領域のみに対して行われてもよく、またチップ側接合面の金属領域に加え、チップ側接合面の金属領域が対応して接合される、基板の接合部に形成された接合領域に対して行われてもよい。

【0202】

本願発明によれば、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。また、すべてのチップを基板上に取り付けた後に本接合のための加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。さらに、水付着処理を有することで、十分な水が接合面に付着されるので、仮接合によるチップと基板との間の接合力が増強されるという効果を奏する。

【0203】

＜１．２ 第２の実施形態＞
図１０は、本願発明の第２の実施形態に係る、複数の層のチップを基板へ接合する方法を示すフローチャートである。基板に１層目のチップを取り付ける工程Ｓ１１から工程Ｓ１３の処理は、第１の実施形態の工程Ｓ１から工程Ｓ３と同様であるので、ここではその説明を省略する。

【0204】

第１の実施形態では１層分のチップが基板上に取り付けられるのに対し、第２の実施形態では複数層のチップが基板上に取り付けられる点で異なる。また、複数層のチップを基板上に取り付けるために、第２の実施形態では、複数層に亘って積層されるチップが、第１の実施形態のチップ側接合面に対応する第一接合面と、この第一接合面の裏側に位置する第二接合面とを有して構成されている。

【0205】

工程Ｓ１１から工程Ｓ１３（図１１（ａ））が完了すると、基板上には所定数の１層分のチップが取り付けられている。この第１層を構成するチップの第二接合面に第２層を構成する所定数のチップの第一接合面が接触するように、それぞれのチップを基板上に取り付ける。３層目以降も、同様の取付動作を実行することで、所望の数のチップ層を基板上に取り付ける。

【0206】

第２層のチップの取付けを例として説明すると、新たな（第２層の）チップ側接合面（第一接合面）に対して表面活性化処理と親水化処理を行い（工程Ｓ１４）、既に基板に取り付けられている第１層のチップの第二接合面に対して表面活性化処理と親水化処理を行う（工程Ｓ１５）。

【0207】

工程Ｓ１６で、工程Ｓ１４が施された、第１層のチップの数に対応する所定数の第２層のチップが、それぞれ、工程Ｓ１５が施された第２層のチップに取り付けられる。第２層のチップの第１層のチップへの取付けは、第２層のチップを一つずつ取り付けることを、取り付けるべき所定数のチップの取付けが完了するまで繰り返すことで行われる。この工程Ｓ１６が完了すると、基板上には２層分のチップが仮接合される（図１１（ｂ））。

【0208】

以降これを繰り返し、第ｉ層（ｉは３以上）のチップの第一接合面を基板上に既に取り付けられている第ｉ―１層のチップに取り付けることにより、所定数の第ｉ層のチップを基板上に取り付ける。

【0209】

第ｉ層が所望の数の層（Ｎ層）まで、新たな所定数のチップに対して表面活性化処理及び親水化処理（工程Ｓ１４）を行い、取り付けられた最上層の所定数のチップに対して表面活性化処理及び親水化処理を行い（工程Ｓ１５）、仮接合する（工程Ｓ１６）動作を繰り返すことにより（Ｓ１７、Ｓ１８）、基板上にＮ層の仮接合チップ層を形成することができる（図１１（ｃ））。図１１（ｃ）では、５層のチップ層が形成されているが、チップ層の数Ｎは、これに限定されることはなく、２以上であればよい。

【0210】

工程Ｓ１９では、上記形成されたＮ層の仮接合チップ層と基板とを含む構造体を加熱する。

【0211】

加熱処理の際に、雰囲気を形成するガスの種類、流量などを調節することができる。また、加熱処理の際に、接合界面に圧力が加わるように、チップと基板との仮接合により形成された構造体に圧力を加えることもできる。

【0212】

加熱処理における、温度又は上記力若しくは圧力の時間プロファイルは、仮接合の条件、接合界面を形成する材料の熱特性、チップ又は基板を形成する材料の熱特性、加熱処理の際の雰囲気、加熱処理装置の特性、チップ層の数Ｎなどにより、調節することができる。

【0213】

本願発明の第２の実施形態に係る接合方法によれば、第１の実施形態に係る接合方法と同様の効果を奏するとともに、さらに、接合界面の電気的又は機械的特性を低下させる樹脂等の物質を使わない清浄な工程で、所定のＮ層のチップ層を基板上に形成できるという効果を奏する。また、従来の接合方法では、各チップ層の仮接合が完了するごとに、樹脂を塗布することが必要であったが、本願発明の第２の実施形態によれば、このような樹脂処理工程を省略することができるので、複数のチップの基板上への仮接合をきわめて効率的に行うことができる。

【0214】

図１２は、本願発明の第２の実施形態に係る複数の層のチップを基板へ接合する方法の他の例を示すフローチャートである。各層（第１層及び第ｉ層（ｉは２以上））において、表面活性化処理及び親水化処理（工程Ｓ１１及び工程Ｓ１４）が完了したチップの第一接合面に、水付着処理（工程Ｓ２１及工程Ｓ２２）を行うことを特徴とする。

【0215】

接合面、特にチップの金属領域上に形成された水の層は、チップを基板に取り付ける（仮接合の）工程Ｓ１３の際及び第ｉ層のチップを第ｉ−１層のチップ上に取り付ける工程Ｓ１６の際に、チップと基板との接合面間及びチップ同士の接合面間で、接合面に垂直な方向に作用する互いの吸着力又は吸引力を増加させる機能があると考えられる。その結果、水の層がなかった場合と比較して、チップと基板との接合面間に水の層が形成される部分の面積に応じて、仮接合の力が増加する。

【0216】

さらに、チップの複数の金属領域上に形成された水の層は、接合面に平行な方向に作用する吸引力をも発生させるので、チップを基板の接合部に向けて引き寄せることにより、基板に対するチップのセルフアラインメントを実現することができる（図９を参照）。Ｎ層のチップを基板上に積層する際に、上下に隣接する２層のチップ間において、下層のチップの第二接合面に対して上層のチップの第一接合面を位置決めする必要があるが、上下に隣接する２層のチップ間においても同様にセルフアラインメント機能が作用するので、接合装置の位置決め精度を比較的低く設定することができ、接合装置のさらなる簡略化、位置決め工程の高速化が可能になる。

【0217】

第２の実施形態のさらなる変形例（図示せず）として、各層のチップの仮接合（工程４（Ｓ４））の後に、加熱処理を行ってもよい。この場合、Ｎ層のチップの仮接合後の接合体の加熱処理（工程５（Ｓ５））を省略してもよい。

【0218】

第１及び第２の実施形態において、基板に接合される複数のチップは、複数の種類のチップを含んでいてもよい。例えば、複数の種類のチップは、ＸＹ方向の寸法、大きさの異なる複数のチップを含んでいてもよい。

【0219】

たとえば、図１３に示すように、縦横方向にｐ０の寸法で設定された各接合部において、第１の種類のチップＣＰ１１と第２の種類のチップＣＰ１２との双方が配置されるようにしてもよい。図１３では、チップＣＰ１１とチップＣＰ１２は、いずれもピッチｐ１で縦横方向に配置されており、ピッチｐ１はピッチｐ０に等しい。ここで、第２の種類のチップＣＰ１２のサイズは、第１の種類のチップＣＰ１１のサイズよりも小さい。また、第２の種類のチップＣＰ１２のサイズと第１の種類のチップＣＰ１１のサイズとは、いずれも、接合部よりも小さい。

【0220】

このように、複数の種類の異なるサイズのチップが同一のチップ層（第ｉ層）において混在するようにチップを配置する構成を採ることもできる。このような態様によれば、多様なサイズのチップで構成される完成品チップを効率的に作成することが可能になる。

【0221】

本願発明によれば、チップと基板との間及びチップ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複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができる。複数層に亘ってすべてのチップを取り付けた後に本接合のための加熱処理を一回のみ行うように構成したことで、高い生産効率で、複数層のチップを基板上に接合することができるという効果を奏する。

【0222】

また、本接合での加熱処理を行う前の、複数層のチップと基板とを含む構造体を、複数個まとめて加熱することで、より効率的に、清浄な接合界面を有する複数層のチップと基板とを含む構造体を製造することができる。

【0223】

＜２．接合装置＞
＜２．１ システム構成＞
図１４は、チップ実装システム（電子部品実装システム）１の概略構成を示す上面図である。なお、図１４等においては、便宜上、ＸＹＺ直交座標系を用いて方向等を示している。

【0224】

このチップ実装システム１は、表面活性化手段と親水化処理手段と、これらにより表面処理されたチップを基板に取り付けるチップ取付手段とを有して構成され、基板（チップ実装対象の基板）上に表面処理された複数のチップから構成される１又は複数のチップ層を取り付けて実装するシステムである。たとえば、このチップ実装システム１は、対象の基板ＷＡ上に第１層の複数のチップＣＰ１を接合することができる。また、チップ実装システム１は、基板ＷＡ上に配置された第１層の複数のチップＣＰ１上に第２層の複数のチップＣＰ２等をさらに積層して接合することも可能である。

【0225】

図１４に示すように、より具体的には、チップ実装システム１は、複数のチップを保持して接合すべきチップを個別に供給するチップ供給装置１０と、チップ供給装置１０からチップ搬送手段により供給されたチップを基板上に取り付けるチップ取付手段であるボンディング装置３０と、複数のチップ及び基板の接合面に表面活性化処理と親水化処理を行う表面処理装置５０と、チップ実装システムの外部から接合すべきチップ及び基板をその内部に搬入し、チップが取り付けられた基板（チップと基板とを含む構造体）をその外部へ搬出する搬出入部９０と、複数のチップ、基板及びチップと基板とを含む構造体を搬出入部９０、チップ供給装置１０、ボンディング装置３０及び表面処理装置５０の間において搬送する搬送部７０とを備える。

【0226】

図１４等に示す実施形態においては、加熱手段は図示されていないが、加熱手段はチップ実装システム１に組み込まれるように構成されても、またチップ実装システム１とは別に構成されてもよい。

【0227】

加熱手段がチップ実装システム１に組み込まれる構成を採る場合には、加熱装置を搬送部７０に連結した構成とすることで、仮接合後にチップと基板とを含む構造体を当該加熱装置に搬送することができる。

【0228】

加熱手段をチップ実装システム１とは別に構成する場合には、加熱手段を、はんだ材のリフローなどを行うための加熱炉としても、一般的な加熱炉としてもよい。この場合、仮接合後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することができるので、効率的に本接合を行うことができる。

【0229】

＜２．２ 搬送部＞
搬送部７０は、接合すべき複数のチップを、搬出入部９０から表面処理装置５０へ搬送し、表面活性化処理と親水化処理が行われた後に表面処理装置５０からチップ供給装置１０へ搬送する。また、搬送部７０は、基板を、搬出入部９０から表面処理装置５０へ搬送し、表面活性化処理と親水化処理が行われた後に表面処理装置５０からボンディング装置３０へ搬送する。さらに、搬送部７０は、所定数のチップが基板上に取り付けられた後に、チップと基板とを含む構造体をボンディング装置３０から搬出入部９０へ搬送する。

【0230】

＜２．３ 表面処理装置＞
図１４に示す表面処理装置５０は、真空チャンバ内に基板ＷＡ又は複数のチップを保持するステージ５３と、表面活性化処理のために粒子を放射する粒子ビーム源５１と、親水化処理のために水を放出する水導入口５４とを備え、複数のチップと基板ＷＡとの両方に対して表面活性化処理と親水化処理とを行うことができる構成となっている。以下、便宜的に、図１４に示す装置の実施例を用いて本願発明を説明するが、これに限定されない。

【0231】

図１４には、表面処理装置５０内に基板ＷＡのみが示されているが、複数のチップと、この複数のチップが既に取り付けられている基板とを含む構造体における、最上層のチップの第二接合面に対して表面活性化処理又は親水化処理をする場合には、図１４の基板ＷＡが示されている位置に、基板ＷＡに代わって、上記複数のチップとこの複数のチップが既に取り付けられている基板とを含む構造体を配置するような構成としてもよい。

【0232】

たとえば、表面活性化処理のために一つのチャンバを設け、親水化処理のために別のチャンバを設けてもよい。また、複数のチップの表面処理（表面活性化処理及び親水化処理）をするために一つのチャンバを設け、基板の表面処理（表面活性化処理及び親水化処理）をするために別のチャンバを設けてもよい。

【0233】

さらにまた、チップの表面活性化処理と親水化処理、そして基板の表面活性化処理と親水化処理とを別個に実施するために、それぞれの処理に対してチャンバを設け、計４つのチャンバを設けてもよい。また、表面活性化処理及び親水化処理の処理態様に応じて、１又は複数のチャンバを設ける構成とすることができ、各チャンバに収容する処理装置の組み合わせも種々に変更することが可能である。

【0234】

表面処理装置５０は、真空ポンプ（図示せず）に接続されており、表面処理装置５０内部の気圧を低下させ、真空度を上げることができる。真空度を上げることで、粒子ビーム源による粒子ビームの放射が可能になる。真空ポンプは、表面処理装置５０内の気圧を１０^−５Ｐａに下げる能力を有することが好ましい。また、真空引きにより、表面処理装置５０内の、浮遊不純物や水分子などを予め除去し、清浄な雰囲気を準備することができる。

【0235】

＜表面活性化処理手段１＞
所定の運動エネルギーが付与された粒子（破線で図示）は、図１５に示されるように、粒子ビーム源５１から複数の接合部が設定された接合面を有する基板ＷＡ全体に向けて放射状に放出されてもよい。比較的小型の粒子ビーム源などを使うことができ、装置を比較的単純に構成することで小型化できる。

【0236】

粒子ビーム源５１は、所定の運動エネルギーが付与された粒子が、粒子ビーム源から複数の接合部が設定された接合面を有する基板の一部分に向けて放射状に放射されるように構成されてもよい。このとき、粒子ビーム源の位置、向きなどを変えることで、接合面が設定された領域全体を照射することができる。

【0237】

図１４では、粒子ビーム源５１は、表面処理装置５０内でステージ５３の斜め上部に取り付けられ、ステージ５３上に搬送された基板の表面に向けて所定の運動エネルギーが付与された粒子を放射する。ステージ５３は、円形であり、ステージ５３の中心軸を回転軸として回転することができる。ステージ５３を表面活性化処理中に回転させることで、基板ＷＡ表面に亘って、基板ＷＡ表面の単位面積当たりに照射される粒子の量を均一にし、表面層の除去量（厚さ）を均一にすることができる。

【0238】

粒子ビーム源のチャンバ内の配置又は粒子ビームが照射される対象物に対する配置は、図１４に示された実施態様に限定されない。

【0239】

＜表面活性化処理手段２＞
中性原子ビーム源、イオンビーム源、高速原子ビーム源などの粒子ビーム源は、図１６に示されるように、ライン型でもよい。ライン型の粒子ビーム源は、ライン型（線状）の又は細長い粒子ビーム放射口を有し、この放射口からライン型（線状）に粒子ビームを放射することができる。放射口の長さは、粒子ビームが照射される基板の直径より大きいことが好ましい。基板が円形でない場合には、放射口の長さは、粒子ビーム源に対して相対的に移動させられる基板に係る放射口が延びる方向の最大寸法より大きいことが好ましい。

【0240】

ライン型の粒子ビーム源から放射された粒子ビームは、表面活性化処理中のある時刻においては、基板の表面の線状の領域を照射している。そして、ライン型の粒子ビーム源を、接合面を有する基板に向けて粒子ビームを放射しつつ、放射口が延びる方向と垂直方向に走査させる。その結果、線状の粒子ビームの照射領域が基板のすべての接合部上を通過する。ライン型の粒子ビーム源が、基板上を通過し終えると、基板全体が、粒子ビームにより照射され、表面活性化される。

【0241】

ライン型の粒子ビーム源は、比較的面積の大きい基板の表面を、比較的均一に粒子ビームで照射する際に適している。また、ライン型の粒子ビーム源は、基板の様々な形状に対応して、比較的均一に粒子ビームを照射することができる。

【0242】

＜表面活性化処理手段３＞
プラズマ発生装置を用いても、粒子に所定の運動エネルギーを与えることができる。粒子への所定の運動エネルギーの付与は、プラズマ発生装置を用いて、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行うことができる。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。

【0243】

プラズマ発生装置は、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を１ｅＶから２ｋｅＶの範囲に制御できるように構成されていることが好ましい。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や材質などの性質、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。

【0244】

＜親水化処理手段＞
図１４に示される実施形態においては、水ガス供給部５５と、弁５６と、ガス供給管と、水導入口５４とから、接合面を親水化処理する親水化処理手段が構成される。水ガス供給部５５から供給される気体状又は液体状の水は、弁５６の開放に応じて、ガス供給管を通って水導入口５４から表面処理装置５０のチャンバ内に導入される。弁５６は、マスフローとして機能し、その開放度に応じて水の供給量を調節するようにしてもよい。

【0245】

また、親水化処理手段は、水ガス供給部５５で水ガス（気体状の水又は霧状の水）をキャリアガスと混合させることで、水ガスとキャリアガスの混合体が表面処理装置５０のチャンバ内に導入されるように構成されてもよい。さらにまた、親水化処理手段は、水ガスとキャリアガスとの混合比、弁５６を通過するガスの流量を調節することで、表面処理装置５０内の雰囲気の湿度を調節するように構成されてもよい。

【0246】

あるいはまた、親水化手段は、チャンバ外又はボンディング装置外の大気をチャンバ内へ導入するように構成されてもよい。

【0247】

＜２．４ チップ供給装置＞
チップ供給装置１０は、ダイシングされた基板から各チップＣＰを取り出し、ボンディング装置３０に各チップＣＰ（ＣＰｉ）を供給する装置である。チップ供給装置１０は、複数のチップから一つのチップのみを上方に持ち上げて支持する突上部１１と、突上部１１により持ち上げられたチップをボンディング装置３０に搬送するチップ移載装置１３等を備える。チップ移載装置１３は、ダイピッカ１３１とチップ供給機１３５とを有する。
（図１７参照）

【0248】

チップ供給装置１０は、その内部でダイシング処理が行われて複数のチップＣＰが生成されるように構成されてもよい。具体的には、複数の電子回路を有する基板ＷＣが縦方向および横方向に切削されチップ化される。

【0249】

あるいは、ダイシング処理が既に行われた複数のチップＣＰが、支持基板に支持された状態で、表面活性化処理、親水化処理が施されてチップ供給装置１０に搬送されてもよい。ダイシング処理による汚染粒子などの発生を抑制することができる。

【0250】

チップ供給装置１０内において、ダイシングされた複数のチップＣＰがダイシングテープＴＥ上に載置される。各チップＣＰは、フェイスアップ状態（金属領域としてのハンダバンプＢＵ（図示せず）が付された側の面が上側を向いた状態）でダイシングテープＴＥ上に載置されている。

【0251】

そして、切り出された各チップＣＰは、チップ供給装置１０の突上部（突上ニードル）１１によって、１個ずつ上方に突き上げられ、ダイピッカ１３１に位置ＰＧ１で受け渡される。フェイスアップ状態のチップＣＰが、反転機構を有するダイピッカ１３１によって上下反転されて、フェイスダウン状態でボンディング装置３０に供給される。ダイピッカ１３１は、その先端（下端）の吸着部でチップＣＰをフェイスアップ状態で吸着し、反転機構によって上下反転されて、フェイスダウン状態でさらに上方に移動した後に、チップ供給機１３５に受け渡す。チップ供給機１３５は、フェイスダウン状態のチップＣＰの上面を吸着して、チップ搬送部３９側へ向けて移動する。

【0252】

＜２．５ チップ搬送部＞
図１８において、チップ搬送手段であるチップ搬送部（ターレットとも称する）３９は、チップ供給装置１０から供給されたチップを一つずつボンディング部３３（詳細にはヘッド部３３Ｈ）に受け渡す装置である。

【0253】

チップ搬送部３９は、複数（Ｎ個；ここでは３つ）のプレート部３９１を備えている。各プレート部３９１は、薄板形状を有しており、例えば数ｍｍ（ミリメートル）程度（好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍ程度以下）の厚さを有している。複数のプレート部３９１は、上面視において、軸ＡＸの周りに等角度間隔で配置される。

【0254】

チップ搬送部３９は、複数のプレート部３９１を一斉に回転駆動する駆動部３９２をも備えている。チップ搬送部３９は、駆動部３９２を用いて、所定の鉛直軸ＡＸを中心に複数のプレート部３９１を回転させることが可能である。

【0255】

図１８に示すように、チップ供給装置１０から供給されたチップＣＰは、チップ搬送部３９の３つのプレート部３９１（詳細には、３９１ａ，３９１ｂ，３９１ｃ）のうちのいずれか（例えば３９１ｂ）によって受け取られる。その後、当該プレート部３９１が１８０度回転した後に、プレート部３９１上のチップは、ボンディング部３３（ヘッド部３３Ｈ）へと受け渡される。

【0256】

プレート部３９１はそれぞれ上記の動作を実行するので、ボンディング部３３にはチップが連続的に受け渡される。

【0257】

より具体的には、Ｎ個（ここではＮ＝３）のプレート部３９１を有するチップ搬送部３９が角度β（＝３６０度／（Ｎ＊２））（ここでは６０度（３６０度／（３＊２））回転するごとに、チップ供給装置１０からプレート部３９１へのチップＣＰの受け取り動作と、プレート部３９１からボンディング部３３（ヘッド部３３Ｈ）へのチップＣＰの受け渡し動作とが交互に実行される。

【0258】

たとえば、図１８に示すように、或るチップＣＰが受渡位置ＰＲ１でプレート部３９１ｂによって受け取られプレート部３９１ｂに保持される。このとき、別のチップＣＰが位置ＰＲ９まで進行したプレート部３９１ａによって既に受け取られプレート部３９１ａ上に保持されている。

【0259】

この状態から、チップ搬送部３９１が軸ＡＸ周りに（時計回りに）角度β（６０度）回転すると、図１９に示すように、プレート部３９１ａ上のチップＣＰは、ヘッド部３３Ｈの直下の位置（受渡位置ＰＲ２）にまで移動する。ヘッド部３３Ｈは、チップＣＰに干渉しない基準位置から若干量下降し、ヘッド部３３Ｈの先端部（下端部）で当該チップＣＰを吸着して、プレート部３９１ａからチップＣＰを受け取る。ヘッド部３３Ｈは、プレート部３９１ａ上のチップＣＰを吸着した後に今度は若干上昇して基準位置に戻る。これにより、プレート部３９１ａ上のチップＣＰは、ヘッド部３３Ｈに受け渡される。このようにして、プレート部３９１ａからヘッド部３３ＨへのチップＣＰの受け渡しが実行される。

【0260】

このとき、チップ搬送部３９１（詳細にはそのプレート部３９１ａ）は、受渡位置ＰＲ２（ＸＹ平面においてボンディング位置と同じ位置）において、上側のチップＣＰと下側の基板ＷＴとの間にある。

【0261】

次の角度βの回転動作が実行されると、プレート部３９１ｃが受取位置ＰＲ１に移動する。この状態において、さらに別のチップＣＰが受取位置ＰＲ１でプレート部３９１ｃによって受け取られる。このとき、プレート部３９１ｂには上述の動作によって既にチップＣＰが載置されている。

【0262】

この角度βの回転動作によって、プレート部３９１ａがヘッド部３３Ｈの直下の位置から離間する。この回転動作により、ヘッド部３３Ｈからボンディング位置（Ｘ，Ｙ）を直接的に見通すことができるようになる。そして、この動作後において、ヘッド部３３Ｈが下降し、ヘッド部３３Ｈに吸着保持されたチップＣＰが位置ＰＧ７（図示せず）まで下降させられる。これにより、ヘッド部３３Ｈの先端部で吸着されていたチップＣＰが、ステージ３１に設置された基板ＷＡ上に載置される。このとき、後述するような位置合わせ動作等が実行され、当該チップＣＰが基板ＷＡ上の所望の位置に載置される。その後、ヘッド部３３Ｈは上昇して再び基準位置に復帰し、プレート部３９１ａとヘッド部３３Ｈとの干渉が回避される。

【0263】

その後、さらに角度βの回転動作が実行されると、今度はプレート部３９１ｂが受渡位置ＰＲ２に到達し、プレート部３９１ｂからヘッド部３３ＨへのチップＣＰの受け渡し動作等が実行される。

【0264】

そして、さらに角度βの回転動作が実行され、今度はプレート部３９１ａが受取位置ＰＲ１に移動し、プレート部３９１ａによるチップＣＰの受け取り動作が実行される。

【0265】

以後、同様の動作が繰り返し実行される。

【0266】

ここにおいて、奇数個（特に３つ以上）のプレート部３９１が軸ＡＸ周りに略等角度間隔で（角度γ（＝β×２）間隔で）配置されており、チップ搬送部３９が角度β回転するごとに、位置ＰＲ１でのチップ受け取り動作と位置ＰＲ２でのチップ受け渡し動作とが交互に実行され得る。

【0267】

特に、回転式のチップ搬送部３９によって、角度γの回転動作ごとに各チップＣＰを供給することができる。詳細には、或るチップの載置後においては、角度β（例えば６０度）の回転移動で、次のチップを供給することができる。したがって、位置ＰＲ１から位置ＰＲ２へとチップＣＰを１個ずつ搬送（往復搬送）する場合に比べて、比較的短い時間間隔で複数のチップＣＰを順次に供給することが可能である。すなわち、チップ供給におけるサイクルタイムを短縮することが可能である。特に、プレート部３９１の数が大きいほど、チップを取り付ける時間間隔が短縮される。

【0268】

図１７において、チップ搬送部３９の３つのプレート部３９１上に、チップの突起部（金属領域）が下向きに載置されているが、チップの金属領域はチップ搬送部３９に接触しないことが好ましい。

【0269】

チップ搬送部３９の３つのプレート部３９１は、チップの金属領域に触れないように、チップ側接合面の一部分を支持するように構成されてもよい。これにより、親水化処理が完了してから仮接合が行われるまでに、チップの金属領域は、親水化処理が完了したときの表面状態を保つことができる。

【0270】

そこで、図４に示されたような複数のバンプ（金属領域）が形成されたチップを搬送するためには、図２０に示されるように、当該複数のバンプにより囲まれた領域及びチップの外周部の双方又はいずれか一方を支持するように、プレート部３９１に内側支持部６１、外側支持部６２及びバンプに対応する箇所にはバンプが接触しないような凹部６３が構成されてもよい。その際、当該複数のバンプにより囲まれた領域を支持する内側支持部６１には、プレート部を貫通してなる、チップを真空吸着するための真空吸着孔６４を設けるのが好ましい。チップを真空吸着することで、チップ搬送部３９が回転するときに、チップはプレート部３９１に固定され、チップのプレート部３９１からの離脱や、プレート部３９１上での位置ずれを防ぐことができる。

【0271】

図２０では、チップを内側支持部６１と外側支持部６２とで支持する構成が示されているが、内側支持部６１と外側支持部６２のいずれか一方でチップを支持する構成としてもよい（図２１（ａ）及び（ｂ））。外側支持部６２のみでチップを支持する場合は、外側支持部６２がチップの外周部と接触されて、プレート部３９１の凹部６３とチップの支持される側の面とで囲まれる領域を真空吸着孔６４で真空引きすることにより、チップをプレート部３９１に固定して支持することができる（図２１（ｂ））。

【0272】

＜２．６ ボンディング装置＞
ボンディング装置３０は、基板を支持するステージ３１、チップを保持して基板に取り付けるボンディング部３３、撮像部（カメラ）３５、位置認識部（不図示）等を備える。

【0273】

ボンディング部３３は、チップを保持してＺ方向に移動させるヘッド部３３Ｈと、ヘッド部３３ＨをＺ方向に移動させ又はθ方向に回動移動させるヘッド駆動部３６を有して構成されている。

【0274】

撮像部（カメラ）３５ａ、３５ｂは、ボンディング部３３に取り付けられ、基板からチップに附されたマーク部位、ヘッド３３ＨをＺ方向に透過し、ボンディング部３３に設けられた光路変更部材（図示せず）により水平方向（Ｘ方向）に反射される光を撮像するように配置されている。撮像部（カメラ）３５ａ、３５ｂを用いて、チップのマークと、基板の対応するマークとを撮像し、これらのマークを所定の位置関係にするように、ステージのＸＹ方向位置とヘッド３３Ｈのθ方向位置とを制御することができる。これにより、チップの基板上への位置決めを高い精度で効率良く行うことができる。

【0275】

チップ搬送部３９は、チップ供給機１３５からチップＣＰを、図１７の位置ＰＧ３、図１８の位置ＰＲ１で受け取ると、中心軸ＡＸ周りの回転動作によって当該チップＣＰをボンディング部３３のヘッド部３３Ｈ（後述）の直下の位置である図１７のＰＧ５、図１９の位置ＰＲ２まで搬送する。チップＣＰは、このような搬送動作を経て、フェイスダウン状態のまま受渡位置ＰＧ５にまで到達する。

【0276】

その後、ボンディング部３３のヘッド部３３Ｈは、チップＣＰを吸着することにより受け取る。ステージ３１をＸ方向およびＹ方向に移動し、基板ＷＡの当該チップＣＰを仮接合すべき箇所（基板の接合部）を、ヘッド部３３Ｈの真下に配置する。その後、撮像部（カメラ）３５ａ、３５ｂを用いてチップ基板間の位置決めを行い、ボンディング部３３のヘッド部３３Ｈが降下し、チップ側接合面を基板上の対応する接合部に接触させる。接触時に、チップ側接合面と基板の接合部との間に圧力を加えることができるようにボンディング部を構成してもよい。

【0277】

ボンディング部３３のヘッド部３３Ｈに、保持されたチップを加熱するためのヒータが設けられていてもよい。

【0278】

＜変形例＞
従来のボンディング装置においては、ボンディング部３３に対応する部位が、装置内で水平方向に支持された片持ち梁構造のビームに沿って、水平方向、又は基板表面に平行面内方向（ＸＹ方向）に移動できるように構成されている。しかし、片持ち梁構造は剛性が低く、チップの取り付けの際に力を加えると、片持ち梁がＺ方向にたわむ。このため、チップと基板との接触の際に印加することのできる力は極めて制限され、通常、最大で２〜３ｋｇｆ（重量キログラム）すなわち２０〜３０Ｎ程度の力しか印加することができない。従来のＮＣＰやハンダバンプ接合方法では、チップを樹脂やフラックスで一旦、仮接合するのみなので２０〜３０Ｎの加圧力で十分あった。また、その場でハンダ接合させるにしても加熱して溶融させるので大きな加圧力は不要であり、装置の簡易化と高速化のためにヘッド（又はボンディング部）を移動させて、場合によっては複数ヘッドを有する構成を採用して高速化を図っていた。しかし、本願発明の接合方法のように金属領域の融点未満で接合を行う場合には、界面の接触した部分しか接合できないため、比較的高い圧力が必要になる。例えば、金属領域（バンプ）に対して、通常のウエハ表面の研磨に有効なＣＭＰ研磨方法を用いても、表面粗さを数ｎｍ以下にすることは困難である。そのため、研削方法も用いられる。このようにして準備された、金属領域の表面の一般的な表面粗さは、測定したところ、Ｒａ１０ｎｍ以上であり２００ｎｍにも達するものもあった。そのため、ウエハ同士を接合させようとする場合には、数百トンレベルの力を印加することが必要となり、現実的ではなかった。しかし、ＣＯＷ接合することで、１チップあたりに印加する圧力は同じでも必要な力は小さくて済み、１チップあたりに印加することができる力を増大させることができる。仮接合時の加圧は、接合の量産を可能にする現時的な解となりうる。そこで、金属領域の融点未満であっても良好な接合界面を形成するために、チップと基板との接合界面により高い圧力を掛けることで、金属領域の変形を促し、実質的な接合面積を増加させることができる。また、界面に残った水分子を押し出して、ＯＨ基同士の強度の高い接合を確保することができる。

【0279】

図３１は、チップの基板への取り付けの際に、高い圧力を加えることが出来るように構成された接合装置（ボンディング装置３０）の一例を示す。図３１では、ボンディング部３３は固定され、ヘッド３３Ｈが固定されたボンディング部３３に対してＺ方向及び回転方向に動くことができるように構成されている。すなわち、ボンディング装置３０は、ステージ３１と、ボンディング部３３と、更に、ステージ３１をＺ方向に固定すると共にボンディング部３３をＸＹ方向に固定するフレーム３４とを有して構成される。フレーム３４は、ステージ３１をＸＹ方向に可動でありＺ方向に動かないように固定して支持するステージ支持部３４Ａと、ボンディング部３３をＸＹ方向に動かないように固定して支持するボンディング部支持部３４Ｂと、ステージ支持部３４Ａとボンディング部支持部３４Ｂとを所定の位置関係に固定して接続する支柱部３４Ｃとを有して構成されてもよい。ステージ支持部３４Ａとボンディング部支持部３４Ｂとは、ＸＹ方向に板状に構成されて、支柱部３４Ｃは、ステージ支持部３４Ａとボンディング部支持部３４Ｂとを互いに平行となるように固定する。支柱部３４Ｃは、複数の支柱を有して構成され、例えば、４つの支柱をボンディング部３３を囲む４方向に設けて、ステージ支持部３４Ａとボンディング部３３とを所定の間隔となるように固定されていることが好ましい。さらに、ボンディング部支持部３４Ｂを貫通して、基板ＷＡ表面に対してヘッド３３ＨのＺ方向移動方向が垂直となるように固定されていることが好ましい。

【0280】

この構成により、剛性の高いフレーム３４を構成することができ、ヘッド３３Ｈは、支持するチップＣＰを基板ＷＡに対して高い圧力で押し付けることが可能になる。さらに剛性を高めるためにフレーム３４は鋼などの金属の鋳物により形成されることが好ましい。このような剛性の高いフレーム３４を用いることで、１０ｋｇｆ又は１００Ｎ以上、好ましくは３００Ｎ以上の高い力を接触状態にあるチップと基板とに印加することが可能になり、さらには、１０００Ｎほどの力を印加することも可能になる。

【0281】

フレーム３４又はボンディング装置３０に対して動かないボンディング部３３へのチップの供給は、チップ供給装置１０からチップ搬送部３９を用いて行われる。

【0282】

＜２．７ 水付着装置＞
上記の親水化処理の完了後、チップが基板上に取り付けられる前に、またはチップが基板上に既に取り付けられたチップの第二接合面上に取り付けられる前に、接合されるチップのチップ側接合面又は第一接合面に水を付着させるための孔部を有する装置（水付着手段又は水付着装置）を設けてもよい。水付着装置は、チップ搬送部３９に設けられてもよく、あるいはチップ供給装置１０内やボンディング装置３０内に設けられてもよい。

【0283】

＜回転噴射型１＞
図２２に示されるように、水付着手段として、上記孔部を水噴射口６５としてなし、当該水噴射口６５から水を噴射する構成としてもよい。この水噴射口６５は、プレート部３９１に付設された部分に、真空吸着孔６４と同じ向きに開口されるように設けてもよい。この水噴射口６５は、真空吸着孔６４の軸ＡＸを中心とした回転円上に配置される。チップ搬送部３９の回転中心の軸ＡＸを基準として、真空吸着孔６４と水噴射口６５とは角（φ）をなしている。

【0284】

チップがプレート部３９１からヘッド部３３Ｈへ受け渡された後に、プレート部３９１が角（φ）だけ回転し、水噴射口がヘッド部３３Ｈに吸着されているチップのチップ側接合面（第一接合面）に対向する位置に来たときに、水噴射口から気体又は液体状の水をチップのチップ側接合面（第一接合面）に向けて噴射させる。

【0285】

チップ搬送部３９の回転動作中に水の噴射を行うことができるので、工程時間を短縮することができる。

【0286】

水噴射口は、チップ搬送部３９のＮ個のプレート部３９１のそれぞれに配置されるのが好ましい。この場合、Ｎ個のプレート部３９１のうち、チップをヘッド部３３Ｈに受け渡した直後に、当該チップを受け渡したプレート部３９１に設けられた水噴射口を開放することで、チップのチップ側接合面又は第一接合面に向けて水を噴射することができる。

【0287】

＜回転噴射型２＞
図２３に示されているように、水噴射口の変形例として、真空吸着孔６４を水噴射口として機能させてもよい。真空吸着孔６４は、真空ポンプ（図示せず）に接続されるとともに水供給源にも接続されるように構成される。そして、真空吸着孔６４は、チップを吸着する時及び吸着している間は、真空ポンプと接続され、水供給源との接続が遮断されて、チップを真空吸着する。水噴射口として機能するときは、真空ポンプとの接続が遮断され、水供給源と接続されて、真空引きの際に気体が流れる方向と逆方向に気体状又は液体状の水が流れるように構成されるのが好ましい。

【0288】

このように真空吸着孔６４を水噴射口としても構成することで、チップがプレート部３９１からヘッド部３３Ｈへ受け渡された直後に、チップ搬送部３９のプレート部３９１に設けられた上記真空吸着孔である水噴射口を介して、水を、チップ側接合面に向けて吹き付けることができる。（図２３参照）

【0289】

チップ搬送部３９のＮ個のプレート部３９１のそれぞれの真空吸着孔から水分子ガスを噴射できるように構成することが好ましい。この場合、Ｎ個のプレート部３９１のうち、チップをヘッド部３３Ｈに受け渡した直後に、当該チップを受け渡したプレート部３９１に設けられた真空吸着孔から水分子ガスを噴射させる。

【0290】

チップがプレート部３９１からヘッド部３３Ｈへ受け渡される動作とほぼ同時にチップ表面に水を吸着させることができるので、工程時間を短縮することができる。また、チップは受け渡した後には、真空吸着孔の上方にあるので、プレート部を回転させずにそのまま水を噴射するだけでよい。したがって、チップのプレート部３９１への受渡し後に、改めて水噴射口をチップに対して相対的に位置決めする必要はない。

【0291】

＜固定噴射型＞
図２４に示されるように、水付着手段のさらなる変形例として、水噴射口６５は、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０に対して固定され、チップの取出し位置から接合位置までの移動経路中に設けられてもよい。各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈを配置し、搬送されるチップが水噴射口６５を通過する際に、チップ側接合面に対して水を噴射できるように構成されてもよい。

【0292】

例えば、チップ搬送部３９のプレート部３９１は、チップをフェイスダウン（下向き）の状態で、チップ側接合面を下方向に開放させた状態で搬送するように構成され、水噴射口は、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内の、チップ搬送部３９の回転によるチップの移動経路上の所定の位置に、上向きに固定されるように構成されてもよい。

【0293】

チップ搬送部３９がチップＣＰをフェイスダウン（下向き）の状態を保ち、搬送するために、図２５に示すように、各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈを配置してもよい。

【0294】

チップ側接合面を下方向に開放して搬送する構成は、図２５に示された実施態様に限られない。

【0295】

たとえば、図１４等の態様を変形して、プレート部３９１が、バンプ（金属領域）をフェイスアップの状態で受け取り、水噴射口が、チップの取出し位置から接合位置までの移動経路中に上から下に向けて水を噴射するように構成されてもよい。

【0296】

また、水噴射口は、チップの取出し位置から接合位置までの移動経路中に下から上に向けて水を噴射するように構成され、プレート部３９１は、チップをフェイスアップ状態で受け取り、チップが水噴射口上を通過するときに、プレート部３９１がプレート部３９１の長手軸周りに回転して、チップ側接合面又は第一接合面を水噴射口に向けさせるように構成されてもよい。

【0297】

ここにおいて、偶数個（特に４つ以上）のプレート部３９１が軸ＡＸ周りに略等角度間隔で（角度γ間隔で）配置されている。図１８等の構成と異なり、各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈが配置されている。したがって、偶数個のプレート部３９１が配置されることにより、チップ搬送部３９が角度γ回転するごとに、位置ＰＲ１でのチップ受取動作と、位置ＰＲ２でのチップ仮接合動作と、位置ＰＲ３での水付着動作とが同じタイミングで行われるので、チップの受渡し、水付着動作、及び仮接合の一連の工程に必要な時間を短縮することができる。

【0298】

＜浸漬型＞
親水化処理の完了後、チップが基板上に取り付けられる前に、チップ側接合面又は第一接合面の金属領域に水を付着する装置（水付着装置）として、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内に液体の水を収容する水槽６６を設けてもよい。（図２６を参照）

【0299】

上記水槽６６は、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内の、チップ搬送部３９の回転によるチップの通過経路上の所定の位置に配置されるのが好ましい。たとえば、図２４の水噴射口６５が設けられている位置に、この水槽６６を配置してもよい。

【0300】

図２６に示すように、各プレート部３９１の先端にボンディング部３３のヘッド部３３Ｈが配置されている構成を採ることもできる。ヘッド部３３Ｈに吸着されているチップは、水槽上に位置決めされ下方向（−Ｚ方向）に移動することでチップ側接合面が、水槽内に収容されている液体状の水と接触する。水槽内の水との接触により、チップ側接合面に多量の水を確実に吸着させることができる。

【0301】

チップ側接合面の金属領域がバンプ状に（突起部として）形成されている場合には、チップの降下量を制御することで、当該バンプ上の金属領域のみを液体の水に接触させることが可能になる。

【0302】

水槽内の水位を検出するセンサ（図示せず）により、水槽内でチップの水面の鉛直方向（Ｚ方向）の位置を一定又は所定の位置に制御してもよい。

【0303】

水槽に蓋を設け（図示せず）、水槽を開閉できるように構成してもよい。水槽を蓋でしめることで、例えば水槽が使用されていないときに、チップ供給装置１０又はボンディング装置３０内への不要な水分子の蒸発を防ぐことができる。

【0304】

以下に、仮接合及び表面活性化処理に係る具体的な実施例を示す。

【0305】

＜実施例１＞
第１の実施形態及び第２の実施形態において、仮接合時に、接合されるチップ側接合面と基板の接合部とを比較的低温で加熱しつつ加圧することが好ましい。これにより、平坦度に対して厳しい条件を必要としないため好ましい。

【0306】

図３（ａ）、（ｃ）又は（ｄ）に示すような、平坦に形成されたチップの金属領域ＭＲ上端部は、一般的に、研磨されていない場合が多い。研磨されていない金属領域ＭＲの上端部の表面粗さは、例えば、１００ｎｍから２００ｎｍＲａである。この表面粗さを有する金属領域ＭＲを用いた場合には、当該表面粗さは比較的高いので、金属領域ＭＲの表面に対して表面活性化処理と親水化処理とを行った後でも、仮接合により十分な接合強度を得ることができない場合がある。したがって、この場合には、仮接合時に、チップの金属領域ＭＲを１００℃から３５０℃の温度となるように加熱するとともに、チップの金属領域ＭＲに１ＭＰａから４００ＭＰａの圧力を０．１秒から１０秒ほど印加することが好ましい。接合面の平坦度を高めたもの（例えば表面粗さが数ｎｍのもの）は、実質的な接触面積が大きくなることから、本来の水酸基（ＯＨ基）による接合が強固な接合となり、低温、低圧での接合でも十分な接合強度を得ることが可能である。しかし、接合面の平坦度が低いもの（例えば表面粗さが数十〜数百ｎｍのもの）の場合は、加圧（数十Ｍ〜数百ＭＰａ）により金属領域を押しつぶすことで実質的な接触面積を大きくすることや、摂氏数百度程度で加熱（例えば１５０℃）により拡散を促し接合界面で原子の動きを促進させることで、実質的な接合面積を大きくすることができる。

【0307】

直径３０μｍの円形の金属領域を５００個ほど有するチップを、当該金属領域が１５０℃から２００℃となるように加熱し、金属領域に５０ＭＰａから４００ＭＰａの圧力を加える条件で、シリコン基板に仮接合した。この仮接合されたチップと基板とを含む構造体について、いわゆるシェアテストを行ったところ、シェア強度は１つの金属領域あたり５ｇｆであった。この強度は、仮接合の後、チップと基板との構造体が搬送されるなどの際に、チップが基板上の所定の取り付け位置からずれたりすることがない十分な接合強度である。

【0308】

上記加熱及び加圧条件で仮接合したチップと基板とを含む構造体を、２００℃で１時間加熱することで本接合を行った。本接合したチップと基板とを含む構造体について、シェアテストを行ったところ、シェア強度は１つの金属領域あたり２０ｇｆという、比較的高い接合強度を有していることが分かった。

【0309】

したがって、上記加熱及び加圧条件で仮接合を行うと、接合面が比較的高い表面粗さを有している場合でも、仮接合されたチップと基板との構造体において十分な接合強度を得ることができ、さらには、本接合されたチップと基板との構造体において比較的高い接合強度を得ることができる。

【0310】

仮接合時の加熱として、例えば、ボンディング部３３のヘッド部３３Ｈに埋め込んだヒータを用いて加熱するようにしてもよい。ヒータからの熱は、ヘッド部３３Ｈを通って、ヘッド部３３Ｈに吸着されたチップＣＰに伝わり、その結果、チップの金属領域が加熱される。

【0311】

ヘッド部３３Ｈのヒータを用いて熱をパルスとして発する（パルスヒートを行う）ようにしてもよい。これにより、例えば、チップの温度を６０℃程度から１５０℃程度まで１秒以内で上昇させることができる（図３２）。図３２はこの例を図示するものである。チップを保持するヘッド部３３Ｈが降下し、チップが基板に接触した瞬間（時刻０）で、ヒータはパルスヒートを開始し、約０．５秒でチップの温度は６０℃から１５０℃に達する。さらに０．５秒間、接触状態とチップの温度とを保つ。その後、ヘッド部を上昇させ始めることで接触状態を開放し、これと同時にヒータの加熱を停止し冷却する。約１秒でチップの温度は再び約６０℃に戻る。したがって、接触後に温度を上げ始めても、十分短時間内にチップを所望の温度まで効率的に加熱することができる。これにより、接合前に加熱をすると接合面を酸化させてしまい、接合不良が生じることを回避又は抑制することができる。

【0312】

複数のチップに亘り仮接合を繰り返す間、ヘッド部３３Ｈが常に加熱されていることが好ましい。これにより、チップＣＰがヘッド部３３Ｈへ受け渡された時点から、チップＣＰが加熱されるので、短時間、例えば１秒から数秒で、金属領域ＭＲを所定の温度に加熱することができる。

【0313】

基板の接合部を加熱するためには、ステージ３１にヒータを埋め込んでもよい。またさらに効率的に行うには、ステージ３１にヒータを埋め込まなくても、加熱されたチップの金属領域が、基板の接合部と接触することで、基板の接合部が加熱されるようにすることが好ましい。さらに、ステージ３１がガラス材により形成されている場合には、加熱された基板からステージ３１への放熱が制限されるので、さらに効率的に、基板の接合部を加熱することができる。また、基板全体を長時間に亘り加熱するのではなく、チップを一つずつ仮接合する際に、加熱された金属領域に対応する基板の接合部のみを加熱するので、加熱による親水化処理後の基板接合部の表面状態の変化を最小限にとどめることができる。

【0314】

接合部の加熱の方法は、上記の態様に限られない。たとえば、紫外光や赤外光などの光を接合部に照射することで加熱してもよい。

【0315】

＜実施例２＞
図３（ｅ）又は図３（ｆ）に示すような、金属領域ＭＲと非金属領域ＮＲとがほぼ同一面上にあるようにチップ側接合面は、一般的に、研磨により形成される場合が多い。研磨された金属領域ＭＲは比較的に平坦度が高く、表面粗さは、例えば、１ｎｍＲａ以下である。

【0316】

この場合には、仮接合時には、加熱を行わなくても、すなわち常温でも、接合面に１ＭＰａ以下の圧力を印加することで、仮接合後および本接合後のチップと基板とを含む構造体において、十分な接合強度を得ることができる。金属領域ＭＲの表面粗さに応じて、仮接合時の接合面に印加する圧力を０．３ＭＰａに設定しても、仮接合後および本接合後のチップと基板とを含む構造体において、十分な接合強度を得ることができる。

【0317】

＜実施例３＞
チップ非金属領域ＮＲが樹脂を含む場合には、チップ側接合面の表面活性化処理を、接合面から離間した位置に配置された粒子ビーム源を用いて、所定の運動エネルギーが付与された粒子を接合面に向けて放射することで行うことが好ましい。

【0318】

例えば、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ； ＲＩＥ）などのプラズマ発生装置を用いて、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を、上記電圧により接合面に向けて加速させることで表面活性化処理を行うと、以下のような接合面の汚染の問題が生じる場合がある。すなわち、表面活性化処理のスパッタリング現象により弾き飛ばされ、接合面周りの雰囲気に存在する樹脂の成分や不純物の一部が、上記電圧により接合面に引き寄せられるように加速されて衝突し得る。これにより、表面活性化処理された金属領域の表面に樹脂の成分や不純物が付着して接合面は汚染される。その結果、チップと基板とを含む構造体において、高い接合強度を得ることができない場合がある。

【0319】

このような場合に、イオンビーム源や、高速原子ビーム源（ＦＡＢ、Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ）などの中性原子ビーム源を用いて表面活性化処理を行うことで、イオンビーム源や中性原子ビーム源から加速して放射された粒子（例えばアルゴンなどの不活性ガス）のみが接合面に衝突し、弾き飛ばされた樹脂や不純物が金属領域へ向かって加速されることはなくなる。その結果、金属領域への樹脂の再付着などによる接合面の汚染の問題は低減され、さらに高い接合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。

【0320】

＜実施例４：薄型チップ＞
デバイスに対する不断の高密度化三次元化要求に合わせて、チップにもバンプの微細化、薄膜化が進行している。本願において、薄型チップとは、厚さが１０μｍ〜３００μｍのチップを指すものとする。ここにおいて、本願発明者は、電気接続用のバンプ（図３、図４に示した突起状の金属領域ＭＲ参照）を搭載した薄型チップにあっては、チップの「反り」が問題になることを見出した。

【0321】

たとえば、この種の薄型チップを基板に接合するに際して、ハンダバンプを溶解させる必要があるが、ハンダバンプを溶解させようとすると、薄型チップの「反り」の問題で、フリップチップボンダーによる接合では周辺バンプがつぶれてしまい、また、リフロー溶解方式を適用した場合には、薄型チップが反って、中央部のバンプが浮いてしまい、接合できない（チップの逆方向の反りの場合は逆の現象が出る）。チップを薄片化するにはウエハの状態でＣＭＰ研磨して薄くするわけであるが、その時の温度や応力、またはバンプ側の材料等の要因により、チップを個片化（ダイシング）した後に反りが発生する。周辺バンプがつぶれた例を図２７に示す。ここでは、Ｓｎ−Ａｇハンダバンプを使用した場合であり、加熱温度２５０℃、圧力０．２Ｎ、１秒間の仮接合により周辺バンプがつぶれた様子が写真で示されている。典型的には、５ｍｍ角、厚み０．２ｍｍのチップで０．２ｍｍ程度の反りが発生する。なお、高密度化三次元化の流れのなかで薄型チップの場合には、チップの薄さとともにバンプの配置間隔も微小になり（たとえば、３０μｍ以下）、バンプサイズも微小（たとえば、φ３０μｍ以下のバンプ径）になる傾向があり、これら微小要素に対しては加圧力のコントロールも数十グラム／チップ以下となり、制御が困難になっていく。また、数十グラム程度の力ではこの反りの修正は不可能であり、少なくとも一桁以上高い力で押す必要が生じる。また、たとえ仮接合を高い圧力で押せたとしても本接合時にハンダを溶融させるとその時に反りの力に負けてチップが反ってしまい、接合不良となってしまう。また、ハンダは溶融させることで共晶させ、共晶後の再溶融温度を上げることで信頼性をアップさせている。

【0322】

ここにおいて、本願発明者は、薄型チップ問題に対する解決手段として、薄型チップの場合であっても、基板との間で確実な電気接続を達成する基板・チップ接合方法を発明した。

【0323】

当該解決手段は、固相接合条件で仮接合を実施する。すなわち、ハンダバンプの溶解温度より低い温度（ハンダバンプが固相となる温度下で）、所定の加圧力をチップと基板との間に加えて仮接合を行う。仮接合の後、「後加熱」により本接合（固相状態で粒界拡散を促して共晶させるなど、チップと基板との間の接合を安定にするための処理）を行うが、この後加熱も固相接合条件下（ただし、後加熱のための温度は、仮接合時の温度と必ずしも同一である必要はないし、後加熱処理の間、必ずしも温度を一定に維持する必要もない）で実施される。これは表面活性化処理をしない場合では、ハンダ界面は比較的厚い酸化膜層で覆われているため簡単に固相状態では粒界拡散は生じない。しかし、事前の表面活性化処理によって強固な酸化膜層は除去されており、親水化処理によりＯＨ基が付着した薄い酸化物層は溶融温度以下でも粒界拡散が生じやすく容易に共晶化させることができた。

【0324】

ハンダバンプの材料として、Ｓｎ−Ａｇハンダ材（溶解温度は約２３０℃）を用いた場合の実験例としての接合条件を表１に示す。なお、表面活性化条件は、Ａｒを反応ガスとしたイオンガン処理により、駆動電力８０Ｖ、電流３Ａ、照射時間１２０秒間であった。親水化条件は、７５％水ガスを混入した窒素（Ｎ_２）ガスに曝露して実施した。また、イオンガン処理に換えてＡｒを反応ガスとしたプラズマ処理（１００Ｗ、３００秒）においても、実験例１から５においてほぼ同等な結果が得られた。

【0325】

仮接合の加熱はパルスヒートにより行った。すなわち、図３２に示すように、接触と同時に加熱を開始し、ほぼ０．５秒後には所定の温度に達し、残りの時間はこの温度が保たれた。

【表1】

【0326】

表１から直接、読み取れるように、仮接合時の処理温度として適した温度、仮接合時に加える加圧力（単位ニュートン）、あるいはそれに等価な圧力（単位メガパスカル）、および仮接合の処理時間（単位は秒）にはいずれも幅がある。たとえば、仮接合時の温度は、１３０℃〜２２０℃の範囲であってよく、仮接合時の加圧力（圧力）は、チップあたり５０Ｎ〜３００Ｎ、すなわちバンプあたり７５ＭＰａ〜４５０ＭＰａ圧力の範囲であってよく、仮接合時間は、０．２秒以上でよいと見込まれる。なお、仮接合に必要な時間に上限はないが、下限は生産性のためには短いほどよい。表１に明記するように、仮接合時間は、１秒間の短時間でも十分であることが確認された。図２８に固相接合条件による例を示す。これは、実験例３に示すように加熱温度２００℃、加圧力１００Ｎ、１秒の仮接合を行った場合に得られた写真であり、つぶれたハンダバンプは発生せず、良好な接合が得られた。

【0327】

実験例５では、仮接合条件が温度１５０℃、圧力１００ＭＰａで、シェア強度９Ｎが得られ、実験例１から４と比べ僅かに強度が落ちているものの、ほぼ同等のシェア強度が得られたということができる。実験例４では、仮接合条件が温度１５０℃、圧力１５０ＭＰａで、シェア強度１０．５Ｎが得られている。これに対し、実験例６では、仮接合条件が温度１５０℃、圧力５０ＭＰａで、ほとんど強度は得られなかった。また、実験例７では、仮接合条件が温度１００℃、圧力１５０ＭＰａで、ほとんど強度は得られなかった。すなわち、実験例６では、実験例５と比較して仮接合時の圧力を１００ＭＰａから５０ＭＰａに下げたために、実験例７では、実験例４と比較して仮接合時の温度を１５０℃から１００℃に下げたために、ＯＨ基の接合が十分に行われず、接合界面の強度が低くなったと考えられる。以上の比較より、仮接合時の圧力の下方限界が１００ＭＰａにあり、温度の下方限界が１５０℃にあるということができる。ハンダバンプでは１００ＭＰａ以上の圧力と１５０℃以上の加熱が必要であった。Ｃｕバンプでは、１５０ＭＰａ以上の圧力と１５０℃以上の加熱が必要であり、ハンダバンプと比較して、比較的高い圧力が必要であることが分かる。一般的に半導体デバイスのバンプ接合においては、貫通電極上のバンプは高圧で加圧しても問題ないが、素子上やＬｏｗ−ｋ（低誘電率）材の再配線上に施されたバンプに対して掛ける圧力は、比較的弱くしなければならない。本願発明のハンダバンプによる固相接合方法は、比較的弱い圧力で接合する場合に有効であり、また、ハンダ接合部が、チップと基板との間の熱膨張差により生じる応力を吸収して有効に働く場合に好適である。また、Ｃｕバンプは、ハンダ材料を不要とするので、安価で工程を短縮できるメリットを有する。したがって、ハンダとＣｕとは、バンプ材料として、場合により使い分ければ良い。

【0328】

本接合（後加熱）の処理温度、加熱時間についても幅があり、表１に記載した数字は一例にすぎない。たとえば、後加熱の温度は、１３０℃〜２２０℃の範囲であってよく、後加熱の時間は、界面に共晶を形成するのに必要な時間であり、１時間〜２４時間の範囲であってよい。なお、所望の接合が確保される限り、後加熱時間は短い方がよいことはいうまでもない。

【0329】

本接合の後、バンプの接合強度を評価するために、シェア強度の破壊試験を実施した。実験例１、２、３、４に対して、破壊時のシェア強度は、それぞれ、１０Ｎ、１１．５Ｎ、１０．２Ｎ、１０．５Ｎとなり、一定の接合強度が得られていることが確認された。

【0330】

なお、表１の実験に供したチップに関する関連情報を説明すると、バンプＭＲの材料はＳｎ−Ａｇ（融点が約２３０℃のハンダ材料）、バンプ径はφ２０μｍ、バンプ高さ２０μｍ、チップ上に搭載したバンプ個数は２３００個、バンプの配置間隔は３０μｍ、チップ厚さは２００μｍであった。

【0331】

次の実施例として、バンプ材料がＣｕであり、バンプの接合相手（基板上の接合面）をＣｕとした場合の接合条件を表２に示す。なお、表面活性化条件は、Ａｒを反応ガスとしたイオンガン処理により、駆動電力１１０Ｖ、電流３Ａ、照射時間３００秒間であった。親水化条件は、７５％水ガスを混入した窒素（Ｎ_２）ガスに曝露して実施した。

【0332】

表１の実験例と同様に、仮接合の加熱はパルスヒートにより行った。

【表2】

なお表２の実験に供したチップに関する関連情報は、表１の場合と同じである。

【0333】

具体的には、仮接合のための接合条件の温度は、１３０℃〜３００℃の範囲にあってよい。その他、仮接合のための加圧力（または等価圧力）については、表１に関して述べた範囲と同様で概ねよく、仮接合のための時間についても表１に関して述べた範囲で概ねよい。

【0334】

仮接合の後に実施する本接合（後加熱）についても、その処理温度は表１に関して述べた値と同様でよい（たとえば、２００℃の温度でよい）。なお、後加熱の時間は０．４時間〜８時間の範囲でよく、具体的には、表２に記載するように１時間の後加熱で十分であった。後加熱の後で実施したシェア破壊試験でも、十分なシェア強度を確保することができた。表２には、表２の実験例１、２、３、４、５、６について、それぞれ、３７Ｎ、３５Ｎ、３５Ｎ、２９Ｎ、３０Ｎ、３５Ｎが得られたことを示した。すなわち、チップと基板との間に、Ｃｕのバンプを介して十分な接合が得られることが判明した。

【0335】

仮接合時の圧力の影響について調べるために、実験例９においては、４００ＭＰａが加えられた。実験例９での温度は、実験例４の温度と同じ２００℃であった。実験例９のシェア強度は３５Ｎであり、実験例１、２、３、６のシェア強度とほぼ同等であった。したがって、仮接合時の圧力が１５０ＭＰａ以上であれば、十分に高いシェア強度が得られることが判った。

【0336】

実験例５では、仮接合条件が温度１５０℃、圧力１５０ＭＰａで、シェア強度３０Ｎが得られ、実験例１、２、３、６と比べ僅かに強度が落ちているものの、ほぼ同等のシェア強度が得られたということができる。これに対し、実験例７では、仮接合条件が温度１５０℃、圧力１００ＭＰａで、ほとんど強度は得られなかった。また、実験例８では、仮接合条件が温度１００℃、圧力１５０ＭＰａで、ほとんど強度は得られなかった。すなわち、実験例７では、実験例５と比較して仮接合時の圧力を１５０ＭＰａから１００ＭＰａに下げたために、実験例８では、実験例５と比較して仮接合時の温度を１５０℃から１００℃に下げたために、接合強度を向上させるためのＯＨ基表面に付着する水分子の除去とバンプの変形による接触面積の増大とが妨げられた結果、接合界面の強度が低くなったと考えられる。これにより、仮接合時の圧力の下方限界が１５０ＭＰａにあり、温度の下方限界が１５０℃にあるということができる。

【0337】

実験例２と実験例３とを比較すると、同じ仮接合の温度２５０℃で、圧力が３００ＭＰａ、１５０ＭＰａと異なるにも係らず、シェア強度はいずれも３５Ｎと同じであった。すなわち、仮接合の温度２５０℃では、３００ＭＰａと１５０ＭＰａという圧力の差は、シェア強度に影響をもたらさないということができる。これに対し、実験例３から５を比較すると、同じ仮接合の圧力１５０ＭＰａで、仮接合の温度が２５０℃から２００℃又は１５０℃に下がると、シェア強度が３５Ｎから２９Ｎ又は３０Ｎへと下がった。そして、実験例５と実験例６とを比較すると、同じ仮接合の温度１５０℃で、圧力を１５０ＭＰａから２００ＭＰａに上げると、シェア強度も３０Ｎから実験例１から３と同等の３５Ｎに上がった。以上の比較より、仮接合の温度が２００℃以下の比較的低温領域においては、圧力が２００ＭＰａ以上であることが好ましいということができる。

【0338】

＜実施例５＞
従来のチップのバンプ（金属領域）の一例として、銅のＴＳＶ（ＭＲ１）上にＳｎ−Ａｇ系のはんだ材料（ＭＲ２）を載せて接合面を形成したバンプ（金属領域）がある。はんだ材料の接合面は、銅上に塗布された後に熱処理による溶融、そして冷却工程を経て形成されるために、液相での表面張力に応じた球面又は凸形状の曲面を有している（図２９（ａ））。従来のバンプの接合方法では、接触に先立ちバンプを融点以上の温度まで加熱するために、接触により溶融したはんだ材料（ＭＲ２）同士が混ざり合って、接合界面が形成される。これにより、バンプ同士の位置決め精度を保つこともできる（図２９（ｂ））。

【0339】

これに対し、本願発明の場合のように、バンプ（金属領域）ＭＲ２は、接触時に加熱されず又は融点未満の温度で加熱されるために、固相状態で接触することになる。この状態で、接触したバンプ同士を押圧すると、あるいは押圧しなくても、バンプは互いに滑って、所望の位置からずれ得る。その結果、バンプ間で適切な接合がされず、接合界面における所定の導電性や機械強度が得られなくなり、さらにずれると、バンプは本来接合されるべきバンプと接合されずに、非金属領域ＮＲなどの本来接合されるべきでない基板表面と接触する場合がある（図２９（ｃ））。

【0340】

上記問題は、従来のはんだ材料を液相状態で行うバンプ（金属領域）の接合では生じなかった問題であり、バンプ（金属領域）を固相状態で接合する際に初めて生じた問題である。この問題を解決するために、本願発明は、バンプ（金属領域）を固相状態で接合する際に滑ることで位置ずれが生じない又は位置ずれを最小限に抑える接合方法を提供することを目的とする。

【0341】

そこで、本願発明に係る接合方法は、一態様として、チップを基板に取り付ける前に、チップと基板との少なくとも一方のバンプ（金属領域）の接合面を平坦化（レベリング）することを備えるようにしたものである（図３０（ａ）及び（ｂ））。これにより、固相状態で接触するバンプ（金属領域）が仮接合時の接触の際に接合面方向（せん断方向）にずれることがなく、押圧しても良好な位置精度を保つことができる。

【0342】

本実施例は、特に微細ピッチバンプを有するチップの接合に適用されることが好ましい。

【0343】

平坦化は、平坦化後のバンプ（金属領域）の表面がチップ又は基板の接合面の平均的な高さの面に対してほぼ平行となるように行うことが好ましい。あるいは、平坦化は、チップ又は基板の表面を、接触の際に押圧する力が加わる方向にほぼ垂直な方向な面となるように行うことが好ましい。これにより、平坦化された面は、接触の際の押圧により、剪段（せん段）方向の力を受けにくくなり、バンプが滑ることで所定の位置からはずれることを防止し又は最小限に留めることができる。

【0344】

平坦化は、たとえば、平坦な表面を有する基板（平坦化部材）を、バンプに対して押圧することによって行うことができる。十分な表面積、すなわちバンプを有するチップ又は基板よりも大きい面積を有する平坦な表面を、バンプを有する表面に対してほぼ平行に保ちつつ、バンプに対して押し付けられてもよい。これにより、チップ又は基板の全面又は広い領域に亘って、均一に、そして効率よく、バンプの平坦化を行うことができる。また、平坦化時に融点以下の温度で加熱することで、バンプが柔らかくなり、加圧を抑えた条件で平坦化を行うことができる。これにより、バンプの下側に素子が設けられている場合に、圧力によるチップの損傷を回避することができる。また、加圧を小さくすることで、バンプの平坦化をウエハレベルで行うことが容易になる。

【0345】

平坦化部材として、シリコン半導体基板を用いてもよい。しかし、平坦化部材は、これに限られず、所望の表面粗さや平坦度を有する表面を有する部材であればよい。平坦化部材は、シリコン以外でも、他の半導体材料、金属、セラミックス、ガラスなどにより、形成された部材でもよい。

【0346】

チップのバンプ（金属領域）の平坦化は、チップがチップ搬送部３９に保持されている間に行うようにしてもよい。

【0347】

例えば、チップ搬送部３９のプレート部３９上面を上記平坦化部材の平坦面として構成して、チップを上記プレート部３９上面にフェイスダウンで、バンプの接合面をプレート部３９上面に接触するように配置し、チップの裏面からプレート部３９に対して押圧を行うようにしてもよい。この場合に、プレート部３９を下面から上記押圧に対向するような支持部材を設けてもよい。

【0348】

あるいは、チップを上記プレート部３９上面にフェイスアップで載置して、上方に向いているバンプ（金属領域）に対して、プレート部３９とは別個に設けた平坦化部材を用いて、下方向に押圧するようにしてもよい。

【0349】

チップがチップ搬送部３９に保持されている間に、チップのバンプ（金属領域）の平坦化を行うことで、仮接合工程と並行して行うことができるので、効率的に平坦化工程を接合工程に組み込むことができる。

【0350】

＜変形例１＞
バンプ（金属領域）の平坦化は、取付けステップの直前に行ってもよい。例えば、チップがボンディング部３３のヘッド部３３Ｈに保持され基板上に配置された段階で、チップと基板との間に平坦化部材として両端が平坦な基板（たとえば、シリコン基板）を挿入し、当該基板に対してチップと基板とを近づけるように押圧させてもよい。当該基板の両面は互いに平行であることが好ましい。これにより、押圧後のチップ側のバンプ（金属領域）の平坦化された面と基板側の（金属領域）の平坦化された面とをほぼ平行となるように形成することができる（図３０（ｃ）及び（ｄ））。

【0351】

平坦化が行われた後は、チップと基板とを再び離し、平坦化部材をチップと基板との間の空間から後退させ、チップと基板との接合面を接触させることで仮接合を行うことができる。

【0352】

これにより、接合位置（図１７のＰＧ５、ＰＧ７の垂直方向の位置）で平坦化が行われるので、他に平坦化のための位置を規定する必要もなく、また平坦化部材をチップ基板間に挿入する機構は簡易に構成することができるので、平坦化機構を有する接合装置を簡易に構成することができ、さらには平坦化ステップから仮接合ステップへの移行をスムーズに行うことができる。

【0353】

なお、上記の平坦化は、表面活性化処理と親水化処理とが行われた後に行っているが、これに限られない。たとえば、以下の変形例のように、表面活性化処理を行う前に平坦化（レベリング）を行ってもよい。この場合は、平坦化の後に、表面活性化処理と親水化処理とを行うので、平坦化部材との接触による汚染接合面の汚染を回避又は低減させることができる。

【0354】

＜変形例２＞
本実施例の上記説明及び変形例１においては、チップのバンプ（金属領域）を個別に平坦化したが、これに限られず、複数のチップのバンプ（金属領域）を一括して平坦化してもよい。

【0355】

たとえば、各チップのダイシング前に基板状である間に、当該基板状に保持されているチップすべて又は一部の接合面に対して、平坦化部材を押圧してもよい。これにより、大量のチップについて平坦化を効率的に行うことができる。

【0356】

あるいは、ダイシング後に、所定のチップだけを集め、平板状の支持体上にフェイスアップ又はフェイスダウン状態で載置し、これらに対して一括的に平坦化を行ってもよい。たとえば、検査などにより良好され選択されたチップのみを、ダイシング後に所謂チップソータ上に載置し、当該チップソータを支持体として、チップソータに保持されたチップ全体のバンプ（金属領域）に対して平坦化部材を押圧して一括的に平坦化を行ってもよい。

【0357】

＜変形例３＞
チップ側と同様に、チップが接合される基板（ウエハ）側のバンプ（金属領域）についても平坦化を行ってもよい。この場合は、基板（ウエハ）側のバンプ（金属領域）のみについて平坦化を行っても（図３０（ａ）及び（ｂ））、チップと基板との両方についてバンプ（金属領域）の平坦化を行ってもよい（図３０（ｃ）及び（ｄ））。

【0358】

＜変形例４＞
平坦化工程を比較的低温、例えば１００℃以下又は常温で、１秒程度の加圧で行う場合には、金属領域を十分に変形させて所望の平坦度が得ることができず、実質的に接触面積又は接合界面が大きくならず、所望の導電性、機械的特性を得ることが出来ない場合がある。従来の金属領域を溶融させる接合方法と異なり、本願発明のように加熱温度が金属領域の融点を超えない場合には、仮接合前に加圧し、この加圧下で加熱し温度を上げ、又は加圧時間を長くして、事前に平坦化処理を行うことで、仮接合時の実質的な接合面を増大させておくことが好ましい。

【0359】

例えば、温度１５０℃、圧力２００Ｎ、加圧時間１秒の平坦化処理条件で金属領域表面の十分な平坦化が行えなかった場合には、温度を上げて温度２００℃、圧力２００Ｎ、加圧時間１秒の平坦化処理条件、又は加圧時間を長くして温度１５０℃、圧力２００Ｎ、加圧時間６０秒の平坦化処理条件とすることで十分な平坦化を行うことができる。

【0360】

＜比較実験＞
親水化の程度は、親水化処理の条件の他に、チップの種類、表面活性化処理の条件、仮接合の条件などによって変わり得るものであり、また調節もされ得る。以下の表３において、金属領域が銅（Ｃｕ）のバンプで形成され、非金属領域がＳｉＯ_２（酸化ケイ素）で形成されている場合の、表面活性化処理の条件、親水化処理の条件、仮接合の条件に対する、仮接合の可否に関する比較実験の結果を示す。

【表3】

【0361】

表３の実験例１では、表面活性化処理も親水化処理もなかったため、３００℃での加熱でも仮接合に成功しなかった。実験例２では、表面活性化処理を行っても接合しなかった。これは、プラズマ処理の場合は、上述したように、プラズマによりＳｉＯ_２からスパッタ現象で弾き出された酸素が、プラズマにより金属領域の表面に付着したために金属領域の表面は実質的に活性化されなかったためであると考えられる。

【0362】

実験例３、４では、イオンガンによる表面活性化後に、大気への暴露により親水化処理を行った。２００℃では仮接合したが、１５０℃では仮接合しなかった。

【0363】

実験例５では、親水化処理が、実験例３、４では大気への暴露により行われたのに対し、イオンガン処理後に連続して、チャンバ内に水ガス（湿度９０％）を接合面に対して導入することで行われた点で異なる。その結果、同じ１５０℃の接合温度である実験例３では仮接合に成功しなかったのに対し、実験例５では仮接合に成功した。すなわち、この相違は、親水化処理において、大気への暴露よりも水ガスの導入の方が好ましいことを示している。大気中の湿度は通常４０％程度であり高くない。また、大気中には水以外に炭素を含む有機物などが浮遊しており、この有機物等が接合面に付着することで、接合面の活性が落ち、又はＯＨ基の生成量が低下すると考えられる。これに対し、表面活性化後のチャンバ内に水ガスを導入するプロセスにおいては、湿度の制御が容易でありかつ湿度を上げて例えば９０％とすることもでき、かつ大気中にある有機物等のチャンバ内への導入を防止することができる。これにより、活性化された表面に良好なＯＨ基が高い密度で生成され、より低温での接合に成功したものと考えられる。

【0364】

また、大気暴露では十分なＯＨ基の生成がされていないとも考えられたため、実験例６、７では、強制的にＯＨ基の生成を行う目的で、大気暴露後に接合面を液体の水に浸漬させて、仮接合を行った。その結果、大気暴露のみでは２００℃が接合限界であったのに対し、１８０℃まで低減することができた。これは、大気暴露では接合面に付着する水分量が十分でなく、接合面上に十分にＯＨ基が生成されなかったが、その後の水の強制的な付着によりＯＨ基の生成量が増加したためと考えられる。しかし、チャンバ中での水ガス処理と比較すると、大気暴露後に強制的な水付着をした場合では、炭素（Ｃ）や有機物などの不純物の付着もあり、水ガス処理よりはＯＨ基の生成量が少ないため、１８０℃が限界であったと考えられる。これは、効率良くＯＨ基が生成されると、接合界面に残存する水分子を除去して強固な接合を得るための加熱温度が低減されたためであると考えられる。

【0365】

また、実験例４、５及び６の仮接合後に、２００℃で１時間の加熱（本接合又はエージング）を行うことにより、シェア強度３５Ｎという高い接合強度が得られた。

【0366】

ただし、水の強制付着により、接合面上に水がＯＨ基を形成せず分子状で大量に存在する場合は、この水分子を介して仮接合される。水分子を介した接合は比較的弱い力であるために、チップが基板に対して動きうると考えられる。そこで、直接ＯＨ基同士を接触させてより高い接合強度を得る目的で、生成したＯＨ基を残し、ＯＨ基上にある余剰の水分子を除去することが好ましい。水分子を除去するためには、加熱、窒素（Ｎ_２）でのブロー、自然乾燥、大気圧プラズマの適用、種々のエネルギー波の照射などにより行うことができるが、これに限定されない。また、水分子の除去は、完全に行われなくてもよい。仮接合時の加圧や加熱による除去効果もあるので、適度な水分子の除去が行われれば十分である。

【0367】

＜その他の変形例＞
平坦化されるバンプ（金属領域）ＭＲの構成として、銅で形成されたＴＳＶ（ＭＲ１）とその先端部に接合界面を形成するためのはんだ材料部（ＭＲ２）を有する構成について説明してきたが、これに限られない。ＴＳＶ（ＭＲ１）の部分は銅以外の金属で形成されていてもよく、バンプ（金属領域）の先端領域（ＭＲ２）はＳｎ−Ａｇ系以外のはんだ材料でも他の金属により形成されていてもよい。

【0368】

また、上記の平坦化は、接合装置１の内部で行うように説明したが、これに限られない。バンプ（金属領域）の平坦化を、接合措置１の外部で行ってもよい。

【0369】

平坦化前のバンプ（金属領域）の形状として、球面又は曲面を示したが、これに限られない。バンプが接触する際に、接合面方向など押圧方向以外の方向に滑ることが問題となる種々の表面の形状又は物性を有する場合に有効である。

【0370】

平坦化部材は、常温であってもよく、押圧するバンプ（金属領域）を加熱するように構成されていてもよい。すなわち、平坦化部材は、加熱機構を備えていてもよい。上記実施例１のように取付けステップ（接触又は仮接合）の直前にバンプ（金属領域）の平坦化を行う場合には、平坦化部材により、バンプ（金属領域）を室温以上融点未満の温度に加熱することが好ましい。また、バンプ（金属領域）がヘッド部３３Ｈなどにより所定の温度により加熱されている場合には、これにより、温度の低下などを防ぐことも可能になる。

【0371】

また、平坦化が行われたバンプ（金属領域）を有するチップ又は基板は、固相状態で行う種々の接合プロセスにとって極めて有効な解決となる。

【0372】

上記の説明では、平坦化は、平坦な表面を持つ基板をバンプに対して平坦化部材を押圧することにより行ったが、これに限られない。たとえば、平坦化は、接合されるチップ又は基板の表面に平行な方向に研削又は研磨を行うことで行ってもよい。

【0373】

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。

【符号の説明】

【0374】

１ チップ実装システム
１０ チップ供給装置
１１ 突上部
１３ チップ移載装置
３０ ボンディング装置
３１ ボンディング用ステージ
３３ ボンディング部
３４ フレーム
３３Ｈ ヘッド部
３９ チップ搬送部
４１ 接合面
４２ 表面層
４３ 新生表面
４４ 水酸基の層
４５ 接合界面
５０ 表面処理装置
５１ 粒子ビーム源
５３ 表面処理用ステージ
５４ 水導入口
５５ 水ガス供給部
５６ 弁
６１ 内側支持部
６２ 外側支持部
６３ 凹部
６４ 真空吸着孔
６５ 水噴射口
６６ 水槽
７０ 搬送部
７１ 搬送ロボット
８０ 加熱手段
９０ 搬出入部
１３１ ダイピッカ
１３５ チップ供給機
３９１ プレート部
３９２ 駆動部
ＡＸ チップ搬送部の回転軸
ＣＰ チップ
ＷＡ 基板
ＭＲ 金属領域
ＮＲ 非金属領域
ＵＴ 接合部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】