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特許7431831半導体素子を基板にボンディングする方法、および関連ボンディングシステム
(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】
(24)【登録日】2024-02-06
(45)【発行日】2024-02-15
(54)【発明の名称】半導体素子を基板にボンディングする方法、および関連ボンディングシステム
(51)【国際特許分類】
H01L 21/60 20060101AFI20240207BHJP
【ＦＩ】
H01L21/60 311T
H01L21/60 311Q
【請求項の数】
46
(21)【出願番号】P 2021539572
(86)(22)【出願日】2020-01-08
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-03
(86)【国際出願番号】 US2020012690
(87)【国際公開番号】W WO2020146466
(87)【国際公開日】2020-07-16
【審査請求日】2022-09-01
(31)【優先権主張番号】62/790,259
(32)【優先日】2019-01-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/907,562
(32)【優先日】2019-09-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】506395943
【氏名又は名称】クリック アンド ソッファ インダストリーズ、インク．
(74)【代理人】
【識別番号】100104411
【弁理士】
【氏名又は名称】矢口 太郎
(72)【発明者】
【氏名】バジュワ、アディール、アフマド
(72)【発明者】
【氏名】コロシモ、トーマス、ジェイ．
【審査官】正山 旭
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００９／０１４２９０３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００３－３１８２２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／００７８１４５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１９８３８８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０６９４５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０６７８６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１４３５４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／００５０４２３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００１－２４４２８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２５２３４９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子を基板にボンディングするためのボンディングシステムであって、複数の第１の導電性構造を含む基板を受け取るように構成された基板酸化物還元チャンバーであって、前記複数の第１の導電性構造の各々に接触する還元ガスを受け取るように構成されているものである、前記基板酸化物還元チャンバーと、
前記複数の第１の導電性構造に前記還元ガスが接触した後前記基板を受け取るように構成された基板酸化物防止チャンバーであって、前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有するものである、前記基板酸化物防止チャンバーと、
複数の第２の導電性構造を含む半導体素子を前記基板にボンディングする間に還元ガス雰囲気を供給する還元ガス送達システムであって、前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されているものである、前記還元ガス送達システムと、
前記半導体素子を前記基板にボンディングするボンディングツールを含むボンドヘッドであって、前記還元ガス送達システムは当該ボンドヘッドに一体化されているものである、前記ボンドヘッドと
を有する、ボンディングシステム。
【請求項2】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、さらに、前記基板を前記基板酸化物還元チャンバーから前記基板酸化物防止チャンバーに移送する基板移送システムを有するものである、ボンディングシステム。
【請求項3】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物防止チャンバーは、不活性雰囲気を生成するために窒素が供給されているものである、ボンディングシステム。
【請求項4】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、さらに、前記基板を前記基板酸化物防止チャンバー内に移動させるマテリアルハンドリングシステムを有するものである、ボンディングシステム。
【請求項5】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物防止チャンバーは、前記半導体素子を前記基板にボンディングする際に前記基板を受け取るためのボンディング位置を含むものである、ボンディングシステム。
【請求項6】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、前記半導体素子は半導体ダイである、ボンディングシステム。
【請求項7】
請求項６記載のボンディングシステムにおいて、前記基板は半導体ウェハである、ボンディングシステム。
【請求項8】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、前記基板は、前記基板酸化物防止チャンバーにより受け取られた後、前記基板酸化物還元チャンバーに返送されるものである、ボンディングシステム。
【請求項9】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物還元チャンバーの少なくとも一部分は前記基板酸化物防止チャンバーと共通の境界を有するものである、ボンディングシステム。
【請求項10】
請求項１記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物還元チャンバーは、前記基板が前記基板酸化物防止チャンバーに移動された後、別の基板を受け取るように構成されているものである、ボンディングシステム。
【請求項11】
半導体素子を基板にボンディングする方法であって、複数の第１の導電性構造を含む基板を基板酸化物還元チャンバー内に移動する工程であって、前記基板酸化物還元チャンバーは前記複数の第１の導電性構造の各々に接触する還元ガスを受け取るように構成されているものである、前記基板酸化物還元チャンバー内に移動する工程と、
前記複数の第１の導電性構造に前記還元ガスが接触した後前記基板を基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程であって、前記基板酸化物防止チャンバーは前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有するものである、前記基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程と、
複数の第２の導電性構造を含む半導体素子を前記基板にボンディングする工程中にボンドヘッドに一体化された還元ガス送達システムによって還元ガス雰囲気を供給する工程であって、
前記ボンドヘッドは、前記半導体素子を前記基板にボンディングするボンディングツールを含むものであり、
前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されているものである、
前記還元ガス雰囲気を供給する工程と
を有する、方法。
【請求項12】
半導体素子を基板にボンディングする方法であって、（ａ）複数の第１の導電性構造を含む半導体素子をボンディング装置のボンディングツールによって保持する工程と、
（ｂ）複数の第２の導電性構造を含む基板を前記ボンディング装置の支持構造によって支持する工程と、
（ｃ）前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造の各々と接触する還元ガスを供給する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記複数の第１の導電性構造の各々を対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングする工程と
を有し、
前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造のうちの少なくとも１つは、はんだ材料を含むものであり、
前記ボンディングツールは前記ボンディング装置のボンドヘッドによって保持されるものであり、
前記工程（ｃ）は、前記ボンドヘッドに一体化された多岐管により、前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造の各々と接触する還元ガスを供給する工程を含むものである、
方法。
【請求項13】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造の各々は、はんだ材料を含むものである、方法。
【請求項14】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造のうちの少なくとも１つは、接触部においてはんだ材料を含むものである、方法。
【請求項15】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第１の導電性構造は、接触部においてはんだ材料を含むものである、方法。
【請求項16】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第２の導電性構造は、接触部においてはんだ材料を含むものである、方法。
【請求項17】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造の双方は、接触部においてはんだ材料を含むものである、方法。
【請求項18】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造のうちの少なくとも１つは、はんだ材料により形成されているものである、方法。
【請求項19】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第１の導電性構造は、はんだ材料により形成されているものである、方法。
【請求項20】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第２の導電性構造は、はんだ材料により形成されているものである、方法。
【請求項21】
請求項１２記載の方法において、前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造の双方は、はんだ材料により形成されているものである、方法。
【請求項22】
請求項１２記載の方法において、前記還元ガスは、キャリアガスと、酸とを含むものである、方法。
【請求項23】
請求項２２記載の方法において、前記酸は、ギ酸および酢酸のうちの１つを含むものである、方法。
【請求項24】
請求項１２記載の方法において、前記還元ガスは、前記ボンディング装置に備えられた蒸気生成システムにより供給される飽和蒸気ガスである、方法。
【請求項25】
請求項１２記載の方法において、前記工程（ｄ）は、前記半導体素子と前記基板との間に超音波エネルギーを適用する工程を含むものである、方法。
【請求項26】
請求項１２記載の方法において、前記工程（ｄ）は、熱圧着式ボンディングにより前記複数の第１の導電性構造の各々を対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングする工程を含むものである、方法。
【請求項27】
半導体素子を基板にボンディングするためのボンディングシステムであって、前記基板は複数の第１の導電性構造を含むものであり、前記ボンディングシステムは、前記基板を受け取るように構成された基板酸化物防止チャンバーであって、前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有するものである、前記基板酸化物防止チャンバーと、
複数の第２の導電性構造を含む半導体素子を前記基板にボンディングする間に還元ガス雰囲気を供給する還元ガス送達システムであって、前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されているものである、前記還元ガス送達システムと、
前記半導体素子を前記基板にボンディングするボンディングツールを含むボンドヘッドであって、前記還元ガス送達システムは当該ボンドヘッドに一体化されているものである、前記ボンドヘッドと
を有する、ボンディングシステム。
【請求項28】
請求項２７記載のボンディングシステムにおいて、さらに、前記基板を前記基板酸化物防止チャンバーに移送する基板移送システムを有するものである、ボンディングシステム。
【請求項29】
請求項２７記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物防止チャンバーは、不活性雰囲気を生成するために窒素が供給されているものである、ボンディングシステム。
【請求項30】
請求項２７記載のボンディングシステムにおいて、さらに、前記基板を前記基板酸化物防止チャンバー内に移動させるマテリアルハンドリングシステムを有するものである、ボンディングシステム。
【請求項31】
請求項２７記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物防止チャンバーは、前記半導体素子を前記基板にボンディングする際に前記基板を受け取るためのボンディング位置を含むものである、ボンディングシステム。
【請求項32】
請求項２７記載のボンディングシステムにおいて、前記半導体素子は半導体ダイである、ボンディングシステム。
【請求項33】
請求項３２記載のボンディングシステムにおいて、前記基板は半導体ウェハである、ボンディングシステム。
【請求項34】
半導体素子を基板にボンディングする方法であって、前記基板は複数の第１の導電性構造を含むものであり、前記方法は、前記基板を基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程であって、前記基板酸化物防止チャンバーは前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有するものである、前記基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程と、
複数の第２の導電性構造を含む半導体素子を前記基板にボンディングする工程中にボンドヘッドに一体化された還元ガス送達システムによって還元ガス雰囲気を供給する工程であって、
前記ボンドヘッドは、前記半導体素子を前記基板にボンディングするボンディングツールを含むものであり、
前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されているものである、
前記還元ガス雰囲気を供給する工程と
を有する、方法。
【請求項35】
半導体素子を基板にボンディングするためのボンディングシステムであって、
複数の第１の導電性構造を含む基板を受け取るように構成された基板酸化物還元チャンバーであって、前記複数の第１の導電性構造の各々に接触する還元ガスを受け取るように構成されているものである、前記基板酸化物還元チャンバーと、
前記複数の第１の導電性構造に前記還元ガスが接触した後前記基板を受け取るように構成された基板酸化物防止チャンバーであって、前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有するものである、前記基板酸化物防止チャンバーと、
複数の第２の導電性構造を含む半導体素子を前記基板にボンディングする間に還元ガス雰囲気を供給する還元ガス送達システムであって、前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されているものである、前記還元ガス送達システムと、
を有し、
前記基板は、前記基板酸化物防止チャンバーにより受け取られた後、前記基板酸化物還元チャンバーに返送されるものである、
ボンディングシステム。
【請求項36】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、さらに、
前記基板を前記基板酸化物還元チャンバーから前記基板酸化物防止チャンバーに移送する基板移送システムを有するものである、ボンディングシステム。
【請求項37】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物防止チャンバーは、不活性雰囲気を生成するために窒素が供給されているものである、ボンディングシステム。
【請求項38】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、さらに、
前記基板を前記基板酸化物防止チャンバー内に移動させるマテリアルハンドリングシステムを有するものである、ボンディングシステム。
【請求項39】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物防止チャンバーは、前記半導体素子を前記基板にボンディングする際に前記基板を受け取るためのボンディング位置を含むものである、ボンディングシステム。
【請求項40】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、さらに、
前記半導体素子を前記基板にボンディングするボンディングツールを含むボンドヘッドを有し、前記還元ガス送達システムは当該ボンドヘッドに一体化されているものである、ボンディングシステム。
【請求項41】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、さらに、
前記半導体素子を前記基板にボンディングする際に前記基板を支持する基板支持構造を有し、前記還元ガス送達システムは当該基板支持構造に一体化されているものである、ボンディングシステム。
【請求項42】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、前記半導体素子は半導体ダイである、ボンディングシステム。
【請求項43】
請求項４２記載のボンディングシステムにおいて、前記基板は半導体ウェハである、ボンディングシステム。
【請求項44】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物還元チャンバーの少なくとも一部分は前記基板酸化物防止チャンバーと共通の境界を有するものである、ボンディングシステム。
【請求項45】
請求項３５記載のボンディングシステムにおいて、前記基板酸化物還元チャンバーは、前記基板が前記基板酸化物防止チャンバーに移動された後、別の基板を受け取るように構成されているものである、ボンディングシステム。
【請求項46】
半導体素子を基板にボンディングする方法であって、
複数の第１の導電性構造を含む基板を基板酸化物還元チャンバー内に移動する工程であって、前記基板酸化物還元チャンバーは前記複数の第１の導電性構造の各々に接触する還元ガスを受け取るように構成されているものである、前記基板酸化物還元チャンバー内に移動する工程と、
前記複数の第１の導電性構造に前記還元ガスが接触した後前記基板を基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程であって、
前記基板酸化物防止チャンバーは前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有するものであり、
前記基板は、前記基板酸化物防止チャンバーにより受け取られた後、前記基板酸化物還元チャンバーに返送されるものである、
前記基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程と、
複数の第２の導電性構造を含む半導体素子を前記基板にボンディングする工程中に還元ガス雰囲気を供給する工程であって、前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されているものである、前記還元ガス雰囲気を供給する工程と
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年１月９日付で出願した米国特許仮出願第６２／７９０，２５９号および２０１９年９月２８日付で出願した米国特許仮出願第６２／９０７，５６２号に対して利益を主張するものであり、その内容の全体がこの参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１９年１月９日付で出願した米国特許仮出願第６２／７９０，２５９号および２０１９年９月２８日付で出願した米国特許仮出願第６２／９０７，５６２号に対して利益を主張するものであり、その内容の全体がこの参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、（フリップチップボンディングシステム、熱圧着式ボンディング（ｔｈｅｒｍｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）システム、およびサーモソニックボンディングシステムなどの）ボンディングシステムおよび当該システムの処理工程に関し、具体的には、半導体素子を基板にボンディング（接合）するための改良されたシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
従来の半導体実装工程は通常、ダイ取り付け工程と、ワイヤーボンディング工程とを含む。半導体実装における先端技術（例えば、フリップチップボンディングシステム、熱圧着式ボンディングなど）は当該技術分野において注目を集めている。例えば、熱圧着式ボンディング（すなわち、ＴＣＢ）では、（ｉ）半導体素子上の導電性構造と（ｉｉ）基板上の導電性構造との間に複数の配線を形成するために熱および／または圧力（そして場合によっては超音波エネルギー）が使用される。
【0004】
特定のフリップチップボンディングおよび熱圧着式ボンディングの用途では、半導体素子および／または基板の導電性構造は、酸化およびその他の汚染の影響を受けやすい銅製構造体（例えば、銅柱）またはその他の材料を含む場合がある。このような用途においては、ボンディングに好適な雰囲気を提供することが望ましい。従来技術では、ボンディング領域に還元ガスを用いることでそのような雰囲気が提供されており、それにより、半導体素子の導電性構造、または半導体素子がボンディングされる基板の導電性構造の潜在的な酸化および／または汚染が低減される。
【0005】
したがって、還元ガスを利用して半導体素子を基板にボンディングするための改良方法が望まれている。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 米国特許出願公開第２００２／０１３０１６４号明細書
（特許文献２） 米国特許出願公開第２０１５／００４８５２３号明細書
（特許文献３） 特開２０１３－２５１４０４号公報
（特許文献４） 韓国公開特許第１０－２０１３－００８３４００号公報
（特許文献５） 米国特許出願公開第２０１１／００４５６５３号明細書
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 米国特許出願公開第２００２／０１３０１６４号明細書
（特許文献２） 米国特許出願公開第２０１５／００４８５２３号明細書
（特許文献３） 特開２０１３－２５１４０４号公報
（特許文献４） 韓国公開特許第１０－２０１３－００８３４００号公報
（特許文献５） 米国特許出願公開第２０１１／００４５６５３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の例示的な１実施形態によれば、半導体素子を基板にボンディングするためのボンディングシステムが提供される。前記ボンディングシステムは基板を受け取るように構成された基板酸化物還元チャンバーを含む。前記基板は、複数の第１の導電性構造を含む。前記基板酸化物還元チャンバーは前記複数の第１の導電性構造の各々に接触する還元ガスを受け取るように構成されている。前記ボンディングシステムはまた、前記複数の第１の導電性構造に前記還元ガスが接触した後前記基板を受け取るように構成された基板酸化物防止チャンバーを含む。前記基板酸化物防止チャンバーは、前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有する。前記ボンディングシステムはまた、半導体素子を前記基板にボンディングする間に還元ガス雰囲気を供給する還元ガス送達システムを含む。前記半導体素子は複数の第２の導電性構造を含む。前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されている。
【0007】
本発明の例示的な別の実施形態によれば、半導体素子を基板にボンディングする方法が提供される。前記方法は、複数の第１の導電性構造を含む基板を基板酸化物還元チャンバー内に移動する工程であって、前記基板酸化物還元チャンバーは前記複数の第１の導電性構造の各々に接触する還元ガスを受け取るように構成されているものである、前記基板酸化物還元チャンバー内に移動する工程と、前記複数の第１の導電性構造に前記還元ガスが接触した後前記基板を基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程であって、前記基板酸化物防止チャンバーは前記基板を受け取る際に不活性雰囲気を有するものである、前記基板酸化物防止チャンバー内に移動する工程と、複数の第２の導電性構造を含む半導体素子を前記基板にボンディングする工程中に還元ガス雰囲気を供給する工程であって、前記複数の第１の導電性構造の各々は、対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングされるように構成されているものである、前記還元ガス雰囲気を供給する工程とを含む。
【0008】
本発明の例示的なさらなる実施形態によれば、半導体素子を基板にボンディングする方法が提供される。前記方法は、（ａ）複数の第１の導電性構造を含む半導体素子をボンディング装置のボンディングツールによって保持する工程と、（ｂ）複数の第２の導電性構造を含む基板を支持構造によって支持する工程と、（ｃ）前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造の各々と接触する還元ガスを供給する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記複数の第１の導電性構造の各々を対応する前記複数の第２の導電性構造にボンディングする工程とを含む。前記複数の第１の導電性構造および前記複数の第２の導電性構造のうちの少なくとも１つは、はんだ材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに一読することにより最も良く理解される。一般的な方法に従い、図面の種々の構成要素は原寸に比例したものではない。むしろ、種々の構成要素の寸法は、明確化のため、任意に拡張または縮小されている。
【図3A】図３Ａ～３Ｂは、図１Ａのボンディングシステムについての一連のブロック図であり、別の基板の前処理が行われている間に半導体素子を基板にボンディングするための、本発明の例示的な１実施形態による方法を示す。
【図3B】図３Ａ～３Ｂは、図１Ａのボンディングシステムについての一連のブロック図であり、別の基板の前処理が行われている間に半導体素子を基板にボンディングするための、本発明の例示的な１実施形態による方法を示す。
【図6】図６は、はんだ材料を含む導電性構造を有する半導体素子を、はんだ材料を含む導電性構造を有する基板にボンディングするための、本発明の例示的な１実施形態によるボンディングシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本明細書で使用する「半導体素子」という用語は、半導体チップまたはダイを含む（または後続工程で含むように構成された）任意の構造体を指すことを意図している。例示的な半導体素子は特に、ベア半導体ダイ（ｂａｒｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｉｅ）、基板上の半導体ダイ（例えば、リードフレーム、ＰＣＢ、キャリア、半導体チップ、半導体ウェハ、ＢＧＡ基板、半導体素子など）、実装済半導体装置、フリップチップ半導体装置、基板に埋め込まれたダイ、およびスタック型半導体ダイを含む。さらに、半導体素子は、半導体パッケージにボンディングされる、または含まれるように構成された素子（例えば、スタック型ダイ構造、基板などにボンディングされるスペーサーなど）を含んでもよい。
【0011】
本明細書で使用する「基板」という用語は、半導体素子がボンディングされる任意の構造体を指すことを意図している。例示的な基板は、例えば、リードフレーム、ＰＣＢ、キャリア、モジュール、半導体チップ、半導体ウェハ、ＢＧＡ基板、および別の半導体素子などを含む。
【0012】
本発明の例示的な特定の実施形態によれば、還元ガスを使用することでフラックスを必要としないボンディングシステムが提供される。当該ボンディングシステムは、例えば、フリップチップボンディングシステム、熱圧着式ボンディングシステム、およびサーモソニックボンディングシステムなどであってもよい。
【0013】
本発明の態様は、フラックスを使用せずにチップを基板またはウェハにボンディングする新規のシステムに関し、当該システムでは、ボンディング中（例えば、熱圧着式ボンディング中）に金属およびはんだパッドの酸化が防止される。
【0014】
例示的なシステムは、フラックスの使用を除外するために、「基板酸化物還元チャンバー（基板洗浄区画とも呼ばれる）」と、「基板酸化物防止チャンバー（基板保護区画とも呼ばれる）」と、「還元ガス送達システム（例えば、チップおよび基板の酸化物を還元するための局部的なボンドヘッドのシュラウド、またはその他の還元ガス送達システム）」とを含む。
【0015】
図１Ａは、例示的なボンディングシステム３００を示す。ボンディングシステム３００は、基板１０４（例えば、ウェハ、プリント回路基板など）を支持構造３００ａ１上に供給する基板供給源３００ａ（例えば、ウェハハンドリング装置またはその他の供給源）と、処理システム３００ｂとを含む。基板１０４は、（例えば、トンネル３０２、若しくは異なるタイプの構造を含む）処理システム３００ｂに移送されるように構成されている。トンネル３０２（若しくは適宜その他の構造）は、基板酸化物還元チャンバー３０２ａと、基板酸化物防止チャンバー３０２ｂと、（基板酸化物防止チャンバー３０２ｂの一部である）ボンディング位置３０２ｃとを含む。また、処理システム３００ｂは還元ガス送達システムも含む。
【0016】
図１Ａに示す例においてトンネル３０２は、基板酸化物還元チャンバー３０２ａ、および基板酸化物防止チャンバー３０２ｂの双方を含むものであり、したがって基板酸化物還元チャンバー３０２ａの少なくとも一部分は基板酸化物防止チャンバー３０２ｂと共通の境界を有する。基板酸化物還元チャンバー３０２ａは、（開口部３０２ａ１ａを閉鎖する）入口扉部３０２ａ１および（開口部３０２ａ２ａを閉鎖する）出口扉部３０２ａ２をによって閉鎖される。（共通の還元ガス供給源を利用するために還元ガス送達システム３０８と相互接続可能である）別の還元ガス送達システム３０２ｄが提供され、これにより基板酸化物還元チャンバー３０２ａに還元ガス（例えば、ギ酸蒸気）が供給される。基板酸化物還元チャンバー３０２ａにおける処理（例えば、基板１０４の導電性構造における酸化物の除去）の後、（支持構造１０２を含むマテリアルハンドリングシステムの一部であってもよい）基板移送システムによって基板１０４が出口扉部３０２ａ２を介して基板酸化物防止チャンバー３０２ｂに移送される。基板酸化物防止チャンバー３０２ｂは、（明確化のため図示しないが、例えば、窒素供給装置により提供される）不活性雰囲気３０６を含む。（例えば、支持構造１０２を含む）マテリアルハンドリングシステムによって基板酸化物防止チャンバー３０２ｂ内の基板１０４がボンディング位置３０２ｃに移動され、ボンディング位置３０２ｃにおいて還元ガス送達システム３０８により還元ガス１３０が供給される。
【0017】
図１Ａはまた、加熱器１０８と、ボンディングツール１１０とを含むボンドヘッドアセンブリ１０６を示す。図１Ａはさらに、配管３０４および１１４ｂ１を通して排ガス（例えば、還元ガスの蒸気などのガス）を吸引する主排気部３０４を示す（本図では、以下に説明するように、配管１１４ｂ１は直接または間接的に中央導管１１４ｂに連結されている）。ボンドヘッドアセンブリ１０６は、所定の用途において適宜、（例えば、ガス、蒸気などの）流体を受け取って分給するボンドヘッド用多岐管１１４を備える。例示的なボンドヘッド用多岐管１１４を含む、例示的なボンドヘッドアセンブリ１０６の詳細については、図４～９および図１０Ａ～１０Ｄに関連して説明する。
【0018】
ボンディング作業に関連して、半導体素子１１２はボンディングツール１１０によって基板１０４にボンディングされる。ボンディング作業中、半導体素子１１２の各導電性構造は、（例えば、熱、力、超音波エネルギーを利用して）基板１０４の対応する各導電性構造にボンディングされる。ボンドヘッド用多岐管１１４は、ボンディング作業中に半導体素子１１２および基板１０４が配置されている領域に（飽和蒸気ガスである）還元ガス１３０を供給する。半導体素子１１２および基板１０４が配置されている領域に還元ガス１３０が分給された後、還元ガス１３０は、半導体素子１１２および基板１０４の各導電性構造の表面に接触する。
【0019】
図１Ｂは、多くの点で図１Ａのボンディングシステム３００に類似するボンディングシステム４００を示す（本図では、同様の要素は同一の参照番号を有するか、若しくは「３」の代わりに「４」で始まる参照番号を有する）。ボンディングシステム４００は、基板１０４（例えば、ウェハ、プリント回路基板など）を支持構造４００ａ１上に供給する基板供給源４００ａ（例えば、ウェハハンドリング装置またはその他の供給源）を含む。基板１０４は、（例えば、トンネル４０２、若しくは異なるタイプの構造を含む）処理システム４００ｂに移送されるように構成されている。トンネル４０２（若しくは適宜その他の構造）は、基板酸化物還元チャンバー４０２ａと、基板酸化物防止チャンバー４０２ｂと、（基板酸化物防止チャンバー４０２ｂの一部である）ボンディング位置４０２ｃとを含む。
【0020】
図１Ｂに示す例においてトンネル４０２は、基板酸化物還元チャンバー４０２ａ、および基板酸化物防止チャンバー４０２ｂの双方を含むものであり、したがって基板酸化物還元チャンバー４０２ａの少なくとも一部分は基板酸化物防止チャンバー４０２ｂと共通の境界を有する。また、処理システム４００ｂは還元ガス送達システム４０８を含む。基板酸化物還元チャンバー４０２ａは、（開口部４０２ａ１ａを閉鎖する）入口扉部４０２ａ１および（開口部４０２ａ２ａを閉鎖する）出口扉部４０２ａ２によって閉鎖される。（共通の還元ガス供給源を利用するために還元ガス送達システム４０８と相互接続可能である）別の還元ガス送達システム４０２ｄが提供され、これにより基板酸化物還元チャンバー４０２ａに還元ガス（例えば、ギ酸蒸気）が供給される。基板酸化物還元チャンバー４０２ａにおける処理（例えば、基板１０４の導電性構造における酸化物の除去）の後、（支持構造１０２を含むマテリアルハンドリングシステムの一部であってもよい）基板移送システムによって基板１０４が出口扉部４０２ａ２を介して基板酸化物防止チャンバー４０２ｂに移送される。基板酸化物防止チャンバー４０２ｂは、（明確化のため図示しないが、例えば、窒素供給装置により提供される）不活性雰囲気４０６を含む。（例えば、支持構造１０２を含む）マテリアルハンドリングシステムによって基板酸化物防止チャンバー４０２ｂ内の基板１０４がボンディング位置３０２ｃに移動され、ボンディング位置４０２ｃにおいて還元ガス送達システム４０８により還元ガス１３０が供給される。
【0021】
図１Ｂはまた、加熱器１０８と、ボンディングツール１１０とを含むボンドヘッドアセンブリ１０６を示す。図１Ｂはさらに、配管４０４ａおよび４０４ｂを通して排ガス（例えば、還元ガスの蒸気などのガス）を吸引する主排気部４０４を示す。所定の用途において適宜、（例えば、ガス、蒸気などの）流体を受け取って分給するボンドヘッド用多岐管２１４が提供される。例示的なボンドヘッドアセンブリ１０６およびボンドヘッド用多岐管２１４の詳細については、図１１Ａ～１１Ｄに関連して説明する。
【0022】
ボンディング作業に関連して、半導体素子１１２はボンディングツール１１０によって基板１０４にボンディングされる。ボンディング作業中、半導体素子１１２の各導電性構造は、（例えば、熱、力、超音波エネルギーを利用して）基板１０４の対応する各導電性構造にボンディングされる。ボンドヘッド用多岐管２１４は、ボンディング作業に関連して、半導体素子１１２および基板１０４が配置されている領域に（例えば、飽和蒸気ガスである）還元ガス１３０を供給する。半導体素子１１２および基板１０４が配置されている領域に還元ガス１３０が分給された後、還元ガス１３０は、半導体素子１１２および基板１０４の各導電性構造の表面に接触する。
【0023】
図２Ａ～２Ｇは、図１Ａに示すボンディングシステム３００を利用した本発明の例示的な１実施形態に関連する、半導体素子１１２を基板１０４にボンディングする方法を示す。図２Ａは、基板供給源３００ａ内の基板１０４を示し、入口扉部３０２ａ１が開位置にある。基板酸化物還元チャンバー３０２ａ、および基板酸化物防止チャンバー３０２ｂは、不活性雰囲気３０６（例えば、窒素雰囲気）を有する。図２Ｂにおいて、基板１０４は基板ハンドリングシステム、（例えば、支持構造１０２を含むマテリアルハンドリングシステムなど）により、開口部３０２ａ１ａを介して基板酸化物還元チャンバー３０２ａに移動される。図２Ｃにおいて、入口扉部３０２ａ１は閉鎖され、還元ガス送達システム３０２ｄにより基板酸化物還元チャンバー３０２ａに還元ガス１３０（例えば、ギ酸蒸気）が供給される。還元ガス１３０により、基板１０４上の金属およびはんだパッド（すなわち、導電性構造）から残留酸化物が除去される。図２Ｄにおいて、出口扉部３０２ａ２が開放され、図２Ｅに示すように、基板１０４は基板酸化物還元チャンバー３０２ａから基板酸化物防止チャンバー３０２ｂに移動される。基板酸化物防止チャンバー３０２ｂは、不活性雰囲気（例えば、窒素雰囲気）を含む。図２Ｆにおいて、基板１０４は、（例えば、支持構造１０２を含むマテリアルハンドリングシステムにより）ボンディング位置３０２ｃに移動される。ボンディング位置３０２ｃにおいて、還元ガス１３０がボンドヘッド用多岐管１１４から半導体素子１１２および基板１０４に向かって供給される。半導体素子１１２の基板１０４へのボンディング工程中に還元ガス１３０が供給されることにより、半導体素子１１２上の酸化物および基板１０４上の残留酸化物が減少若しくは除去される。図２Ｇにおいて、ボンドヘッドアセンブリ１０６により半導体素子１１２は基板１０４にボンディングされる。
【0024】
図２Ａ～２Ｇではボンディングシステム３００を示しているが、図１Ｂで示すボンディングシステム４００、または本発明の範囲内のその他のボンディングシステムに対して実質的に類似した工程を適用することができることを理解されたい。
【0025】
図２Ａ～２Ｇにおける例示的な工程では単一の基板１０４を示しているが、システム３００（または図１Ｂのボンディングシステム４００）（または本発明の範囲内のその他のボンディングシステム）内で複数の基板１０４を処理することともできる。図３Ａおよび３Ｂは、そのような複数の基板１０４を示す。図３Ａにおいて、（基板酸化物還元チャンバー３０２ａにより既に処理された）第１の基板１０４は、基板酸化物防止チャンバー３０２ｂのボンディング位置３０２ｃに移動中である。図３Ｂにおいて、第１の基板１０４はボンディング位置３０２ｃに配置されているが、その一方、別の基板１０４は、（例えば、当該基板上の導電性構造の洗浄などのために）基板酸化物還元チャンバー３０２ａ内に配置されている。
【0026】
本発明の例示的な態様では、（例えば、基板酸化物還元チャンバー３０２ａに再移送するなど）基板１０４を再加工する機会が設けられている。このようなアプローチは、例えば、小型のダイ（例えば、０．１ｍｍ～１ｍｍ）を大面積（例えば、直径２００ｍｍ～３００ｍｍの基板）にボンディングする場合など、基板の長時間にわたる熱への暴露が避けられない状況において有利である。
【0027】
本発明は特に、フラックスを使用しないボンディング（例えば、ボンディング工程前またはボンディング工程中に半導体素子または基板にフラックスを添加する必要がない）、半導体素子および基板上の酸化物（例えば、パッド／バンプ（ｂｕｍｐｓ）上に形成された銅酸化物およびスズ酸化物などの金属酸化物）の還元とともに長時間にわたる熱への暴露による酸化物形成の防止、窒素ガス（または、基板酸化物防止チャンバー内に不活性雰囲気を提供するその他のガス）の低消費、および予備洗浄チャンバーと、不活性ガスチャンバーと、その場で酸化物を洗浄するボンドヘッドが同一のボンディングシステム内に提供されていること、など数多くの利点を提供する。
【0028】
図１、図２Ａ～２Ｇ、および図３Ａ～３Ｂでは明示されていないが、ボンディング作業は、半導体素子１１２（または複数の素子）をトンネル（例えば、トンネル３０２／４０２）内の基板１０４の接合場所の一部分（ボンディング領域）にボンディングする工程を含むことを理解されたい。例えば、基板１０４の接合場所の一部分はトンネル３０２／４０２の開口部によって露出されており、この開口部３０２ｅ／４０２ｅを通じてボンディングツールが下降されボンディング作業が完了する。基板１０４の一部分を一回のみ露出することでトンネル３０２／４０２内の雰囲気はより良好に維持される。
【0029】
（導電性構造を含む）半導体素子１１２の（導電性構造を含む）基板１０４へのボンディング（例えば、熱圧着式ボンディング）に関連して、ボンディングツール１１０を介して（例えば、ボンドヘッドアセンブリ１０６の加熱器からの）熱を提供することができる。また、（半導体素子１１２および／または基板１０４の）導電性構造表面上の酸化物および／またはその他の汚染物質を洗浄するために還元ガスを供給することができる。
【0030】
このような方法の特定の例では、半導体素子１１２（例えば、半導体チップ）は、供給源（例えば、半導体ウェハ）から熱圧着式ボンディング装置またはフリップチップボンディング装置のボンディングツール１１０に移送される。半導体素子１１２が（例えば、真空を利用して）ボンディングツール１１０により保持された状態で、（ボンディングツール１１０を保持する）ボンドヘッドアセンブリ１０６は望ましいボンディング位置に移動される。半導体素子１１２は、（当該半導体素子および／または基板１０４の加熱中に）基板１０４のボンディング位置にボンディングされる（この場合、ボンディングは還元ガスの存在下で行われる）。半導体素子１１２および／または基板１０４の各導電性構造は、はんだ材料を含むか（例えば、導電性構造は接触面にはんだ材料を含み、またははんだ材料から形成されてもよい）、若しくは別の導電性材料（例えば、銅）から形成されてもよい。
【0031】
【0032】
ここで図４では、ボンディング装置１００（例えば、フリップチップボンディング装置、熱圧着式ボンディング装置など）が提供されている。ボンディング装置１００は、ボンディング作業中に基板１０４を支持する支持構造１０２を含む（ここで、基板１０４は複数の導電性構造１０４ａを含む）。支持構造１０２は、特定の用途に好適な任意の構造を含むことができる。図４～９、図１０Ａ～１０Ｄにおいては、支持構造１０２は、（基板１０４を直接支持するように構成された）上部プレート１０２ａと、チャック１０２ｃと、当該上部プレートとチャックとの間に配置された加熱器１０２ｂとを含む。ボンディング作業に関連して基板１０４の加熱が望ましい用途では、加熱器１０２ｂなどの加熱器が利用される。
【0033】
図４はまたボンドヘッドアセンブリ１０６を示し、このボンドヘッドアセンブリ１０６は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、シータ（回転）軸などの、ボンディング装置１００における複数の軸に沿って（および軸の周りを）移動するように構成されている。ボンドヘッドアセンブリ１０６は、加熱器１０８と、ボンディングツール１１０とを含む。すなわち、特定のボンディング装置（例えば、熱圧着式ボンディング装置）においては、ボンディングツールを加熱するのが望ましい。図４は（複数の導電性構造１１２ａを含む半導体素子１１２を加熱するために）ボンディングツール１１０を加熱する独立した加熱器１０８を示すが、加熱器１０８およびボンディングツール１１０を一体化した単一の要素（例えば、加熱されたボンディングツール）とすることもできる。
【0034】
ボンディング作業に関連して、半導体素子１１２はボンディングツール１１０によって基板１０４にボンディングされる。ボンディング作業中、各導電性構造１１２ａは、（例えば、熱、力、超音波エネルギーを利用して）対応する各導電性構造１０４ａにボンディングされる。図４において、導電性構造１１２ａは、各導電性構造１１２ａの接触部（例えば、基板１０４の導電性構造１０４ａに接触するように構成された部分）において、はんだ材料１１２ａ１を含む。
【0035】
特定のボンディング用途（例えば、銅製導電性構造を有するフリップチップボンディングおよび／または熱圧着式ボンディング）では、ボンディングに好適な雰囲気を提供することが望ましい。従来技術では、ボンディング領域に還元ガスを用いることでそのような雰囲気が提供されており、それにより、半導体素子の導電性構造、または半導体素子がボンディングされる基板の導電性構造の潜在的な汚染が低減される。
【0036】
図４では、ボンドヘッドアセンブリ１０６は、所定の用途において適宜、（例えば、ガス、蒸気などの）流体を受け取って分給するボンドヘッド用多岐管１１４を備える。図４ではボンドヘッド用多岐管１１４は断面図として示されているが、実際のボンドヘッド用多岐管１１４はボンディングツール１１０を取り囲んでいる（例えば、ボンドヘッド用多岐管１１４が同軸配置されてボンディングツール１１０を取り囲んでいる）。当然ながら、ボンドヘッド用多岐管１１４は図４で示す構成とは異なる構成を有することが可能である。さらに、ボンドヘッド用多岐管１１４の特定の細部（例えば、配管１２０との相互接続部、ボンドヘッド用多岐管１１４内に還元ガスを分給する構造の細部、ボンドヘッド用多岐管１１４内にシールドガスを分給する構造の細部、ボンドヘッド用多岐管１１４の中央導管から真空を引く構造の細部）については、明確化のため省略されていることを理解されたい。
【0037】
ボンドヘッド用多岐管１１４は、異なる機能を有する３つの導管（ｃｈａｎｎｅｌｓ）１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃを有する。外側導管１１４ａは、シールドガス供給装置１１８からシールドガス（例えば、窒素ガス）を受け取る。すなわち、シールドガスは、シールドガス供給装置１１８（例えば、窒素供給装置）から配管１２０（この場合配管１２０は、硬質配管、可撓性導管、その組み合わせ、または本明細書に記載する流体を移送するように構成された任意の他の構造を含む）を通じてボンドヘッド用多岐管１１４の外側導管１１４ａに供給される。ボンドヘッド用多岐管１１４の外側導管１１４ａからシールドガス１２８が外部環境に対するシールドとして供給される（例えば、図１０Ｂ～１０Ｃを参照）。
【0038】
内側導管１１４ｃは、配管１２０を通じて還元ガス１３０（例えば、図１０Ｂ～１０Ｃを参照）（この場合還元ガスは飽和蒸気ガス）を受け取り、ボンディング作業に関連して、還元ガス１３０を半導体素子１１２および基板１０４の領域に供給する。還元ガス１３０は蒸気生成システム１２２によって供給されるが、還元ガス１２６として開始される。図４に示す例では、蒸気生成システム１２２は気泡生成型システムであり、当該気泡生成型システムの容器１２２ａ内には（例えば、ギ酸、酢酸などの）酸性液１２４が含まれる。キャリアガス（例えば、窒素）が（配管１２０を通じて）容器１２２ａ内の酸性液１２４に供給され、この酸性液内でキャリアガスは酸性液１２４のキャリアとして作用する。このキャリアガス（例えば、窒素）と酸性液１２４はともに還元ガス１２６として移送される。配管１２０内の配管部１２０ａにおいて、（例えば、適宜還元ガスの濃度を変化させるために）追加のキャリアガス（例えば、窒素）を還元ガス１２６に添加することができ、それによりボンディング作業に関連して、半導体素子１１２および基板１０４の領域に還元ガス１３０が供給される。還元ガス１３０は、半導体素子１１２および基板１０４の領域に分給された後、各導電性構造１０４ａおよび各導電性構造１１２ａの表面に接触する（例えば、図１０Ｂを参照）。これに続き、導電性構造１０４ａ／１１２ａの表面は反応生成物を含む可能性がある（例えば、この反応生成物は、（ｉ）導電性構造１０４ａ／１１２ａ上の表面酸化物、および（ｉｉ）還元ガス１３０からの還元ガス（さらに、可能性として加熱器１０８により適宜供給され、導電性構造１１２ａに接触することで導電性構造１０４ａに伝導される熱）によって生成される）。当該反応生成物は、ボンドヘッド用多岐管１１４の中央導管１１４ｂに供給される真空を利用してボンディング領域（半導体素子１１２の導電性構造１１２ａが基板１０４の対応する導電性構造１０４ａにボンディングされる領域）から配管１１６を通じて除去されることが望ましい。
【0039】
以上のように図４は、（ｉ）ボンディング装置１００の様々な要素、（ｉｉ）キャリアガス供給部１１８からボンドヘッド用多岐管１１４の外側導管１１４ａまでのキャリアガスの流路、（ｉｉｉ）蒸気生成システム１２２からボンドヘッド用多岐管１１４の内側導管１１４ｃまでの（配管１２０から追加のキャリアガスを受け取ることが可能な）還元ガス１２６の流路（内側導管１１４ｃにおいて、還元ガスは還元ガス１３０として放出される）および（ｉｖ）ボンドヘッド用多岐管１１４の中央導管１１４ｂからの真空によって吸引されるガス（導電性構造１０４ａ／１１２ａの表面から反応生成物を除去するガス）の流路を示す。図４ではガスは流動していないが、上記流路を様々な矢印によって示している（例示的な作業については、図１０Ａ～１０Ｄを参照）。
【0040】
図５では、図４で示したボンディング装置１００を再び示しているが、導電性構造１１２ａは、図４に示すはんだ材料１１２ａ１を含まない。その代わりに図５においては、導電性構造１０４ａが、当該導電性構造の各々の接触部（例えば、半導体素子１１２の導電性構造１１２ａに接触するように構成された部分）においてはんだ材料１０４ａ１を含む。
【0041】
【0042】
図７では、図４で示したボンディング装置１００を再び示しているが、（図４に示す）導電性構造１１２ａは、はんだ材料で形成された導電性構造１１２ａ２に交換されている。すなわち、導電性構造１１２ａが接触部にはんだ材料１１２ａ１を含む図４とは異なり、図７においては、導電性構造１１２ａ２は全体的にはんだ材料で形成されている。
【0043】
図８では、図５で示したボンディング装置１００を再び示しているが、（図５に示す）導電性構造１０４ａは、はんだ材料で形成された導電性構造１０４ａ２に交換されている。すなわち、導電性構造１０４ａが接触部にはんだ材料１０４ａ１を含む図５とは異なり、図８においては、導電性構造１０４ａ２は全体的にはんだ材料で形成されている。
【0044】
図９では、図４～８で示したボンディング装置１００を再び示しているが、（図４および６に示す、はんだ材料１１２ａ１を含む）導電性構造１１２ａは、図７に示す（全体的にはんだ材料で形成された）導電性構造１１２ａ２に交換されている。さらに、図９では、（図５に示す、はんだ材料１０４ａ１を含む）導電性構造１０４ａは、図８に示す（全体的にはんだ材料で形成された）導電性構造１０４ａ２に交換されている。
【0045】
すなわち、本発明の特定の態様によれば、ボンディング工程中の半導体素子の導電性構造、またはボンディング工程中の半導体素子を受け入れるように構成された基板にはんだ材料を含むことができ、このはんだ材料は多くの異なる形態で含むことができる。例えば、導電性構造の接触部においてはんだ材料を含むことができる（例えば、図４～６を参照）。別の非限定的な例においては、導電性構造ははんだ材料から形成することができる（例えば、図７～９を参照）。
【0046】
図１０Ａ～１０Ｄ、および図１１Ａ～１１Ｄは、半導体素子を基板にボンディングする方法を示す。図１０Ａ～１０Ｄ、および図１１Ａ～１１Ｄの各図においては、（ｉ）図４に示すように、（接触部にはんだ材料１１２ａ１を含む導電性構造１１２ａを有する）半導体素子１１２が示されており、（ｉｉ）図４に示すように、（はんだ材料を含まない導電性構造１０４ａを有する）基板１０４が示されている。しかしながら、図１０Ａ～１０Ｄ、および図１１Ａ～１１Ｄに関連して示しかつ説明する方法は、図４～９の各図における半導体素子および基板に同様に適用可能であり、また、本発明の範囲内の任意の別の実施形態における半導体素子および基板にも同様に適用可能であることを理解されたい。
【0047】
図１０Ａ～１０Ｄ、および図１１Ａ～１１Ｄに関連して示しかつ説明する方法の工程の前に半導体素子１１２および／または基板１０４は「洗浄」される。例えば、半導体素子１１２および基板１０４のうちの１つまたは双方の導電性構造１１２ａ、１０４ａを塩酸または酢酸などの溶剤によって洗浄することができる。このような洗浄工程は、半導体素子１１２および／または基板１０４の少なくとも一部分を前記溶剤に浸すことにより行なわれる。
【0048】
図１０Ａを参照すると、（ボンドヘッド１０６に保持された）半導体素子１１２は、基板１０４の上方に配置されている。図１０Ｂに示すように、蒸気生成システム１２２が作動されてボンディング領域に還元ガス１３０が生成される。具体的には、図１０Ｂは、還元ガス１３０がボンディング領域に供給され、シールドガス１２８が供給されるとともに、出口配管１１６を通じてボンドヘッド用多岐管１１４の中央導管１１４ｂから真空が引かれる図を示す。すなわち、還元ガス１３０が流動して半導体素子１１２および基板１０４の望ましい部分（例えば、導電性構造１０４ａおよび導電性構造１１２ａ）に到達することで導電性構造１０４ａおよび導電性構造１１２ａから汚染物質が除去され、および／または導電性構造１０４ａおよび導電性構造１１２ａをさらなる潜在的な汚染からシールドする。
【0049】
図１０Ｂに示すように、（半導体素子１１２の）各導電性構造１１２ａは、（基板１０４の）各導電性構造１０４ａと整合している。図１０Ｃにおいて、例えば、ボンドヘッド１０６を下降させることにより、処理工程はボンディング工程（例えば、熱圧着式ボンディング工程）に進む。すなわち、導電性構造１１２ａが対応する導電性構造１０４ａにボンディングされる。この工程は、（例えば、熱および／または５０～３００Ｎのより大きい接合力を含む）熱圧着式ボンディング工程であってもよく、さらに、（例えば、ボンドヘッドアセンブリ１０６に備えられた超音波トランスデューサからの）超音波エネルギーの伝達を含んでもよい。図１０Ｄにおいてボンディング工程は完了する。すなわち、対応する導電性構造１１２ａ、１０４ａがこの時点で互いにボンディングされ、はんだ材料１１２ａ１が当該導電性構造の間で変形することで半導体素子１１２は基板１０４にボンディングされる。
【0050】
図１０Ａ～１０Ｄ（および図４～９）では、還元ガスおよびシールドガスを送達し、真空を提供するための、ボンドヘッドと一体化した多岐管が示されているが、本発明はそのような多岐管に限定されるものではない。例えば、多岐管をボンドヘッドと一体化させることでこのような機能を提供する代わりに、基板を支持する支持構造と一体化させることでこのような機能を提供することができる。さらに、このような機能をボンドヘッドアセンブリと支持構造（およびボンディング装置のその他の構造）との間で分担させることも可能である。図１１Ａ～１１Ｄは、ボンディング装置１００"の一連のブロック図であり、多岐管の（還元ガスおよびシールドガスを送達し、真空を提供する）機能が支持構造２０２と一体化されていることを除いて、図４および図１０Ａ～１０Ｄに関連して示しかつ説明した要素および機能と類似する特定の要素および機能を有する。
【0051】
図１１Ａはボンディング装置１００"（例えば、フリップチップボンディング装置、熱圧着式ボンディング装置など）を示す。ボンディング装置１００"は、ボンディング作業中に基板１０４を支持する支持構造２０２を含む（ここで、基板１０４は複数の導電性構造１０４ａを含む）。支持構造２０２は、特定の用途に好適な任意の構造を含むことができる。図１１Ａ～１１Ｄにおいては、支持構造２０２は、（基板１０４を直接支持するように構成された）上部プレート２０２ａと、チャック２０２ｃと、当該上部プレートとチャックとの間に配置された加熱器２０２ｂとを含む。ボンディング作業に関連して基板１０４の加熱が望ましい用途では、加熱器２０２ｂなどの加熱器を利用することができる。
【0052】
図１１Ａはまた（加熱器１０８と、ボンディングツール１１０とを含む）ボンドヘッドアセンブリ１０６を示し、このボンドヘッドアセンブリ１０６は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、シータ（回転）軸などの、ボンディング装置１００"における複数の軸に沿って（および軸の周りを）移動するように構成されている。図１１Ａでは、ボンドヘッドアセンブリ１０６は、部分的にシールドガス１２８および還元ガス１３０のうちの少なくとも１つを含むプレート１０７を保持する（以下の説明を参照）。
【0053】
（図１０Ａ～１０Ｄに示す）ボンドヘッドアセンブリ１０６により保持されたボンドヘッド用多岐管１１４とは異なり、図１１Ａ～１１Ｄは支持構造２０２によって保持および／または支持構造２０２に一体化された多岐管２１４を示す。多岐管２１４は、所定の用途において適宜、（例えば、ガス、蒸気などの）流体を受け取って分給するように構成されている。図１１Ａでは多岐管２１４は断面図として示されているが、実際の多岐管２１４は少なくとも部分的にボンディングツール１１０を取り囲んでいる。当然ながら、多岐管２１４は図１１Ａで示す構成とは異なる構成を有することが可能である。さらに、多岐管２１４の特定の細部（例えば、配管１２０との相互接続部、多岐管２１４内に還元ガス１３０を分給する構造の細部、多岐管２１４内にシールドガス１２８を分給する構造の細部、多岐管２１４の中央導管から真空を引く構造の細部）については、明確化のため省略されていることを理解されたい。
【0054】
多岐管２１４は、異なる機能を有する３つの導管２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃを有する。外側導管２１４ａは、配管１２０を通じてシールドガス供給装置１１８からシールドガス１２８（例えば、窒素ガス）を受け取る。多岐管２１４の外側導管２１４ａからシールドガス１２８が外部環境に対するシールドとして供給される（例えば、図１１Ｂ～１１Ｃを参照）。内側導管２１４ｃは、配管１２０を通じて還元ガス１３０（例えば、図１１Ｂ～１１Ｃを参照）（この場合還元ガスは飽和蒸気ガス）を受け取り、ボンディング作業に関連して、還元ガス１３０を半導体素子１１２および基板１０４の領域に供給する。還元ガス１３０は蒸気生成システム１２２によって供給されるが、還元ガス１２６として開始される（図４に関連する上記記載を参照）。還元ガス１３０は、半導体素子１１２および基板１０４の領域に分給された後、各導電性構造１０４ａおよび各導電性構造１１２ａの表面に接触する。これに続き、導電性構造１０４ａ／１１２ａの表面は反応生成物を含む可能性がある（例えば、この反応生成物は、（ｉ）導電性構造１０４ａ／１１２ａ上の表面酸化物、および（ｉｉ）還元ガス１３０からの還元ガス（さらに、可能性として加熱器１０８により適宜供給される熱）によって生成される）。当該反応生成物は、多岐管２１４の中央導管２１４ｂに供給される真空を利用してボンディング領域（半導体素子１１２の導電性構造１１２ａが基板１０４の対応する導電性構造１０４ａにボンディングされる領域）から出口配管２１６を通じて除去されることが望ましい。
【0055】
以上のように図１１Ａは、（ｉ）ボンディング装置１００"の様々な要素、（ｉｉ）キャリアガス供給部１１８から多岐管２１４の外側導管２１４ａまでのキャリアガスの流路、（ｉｉｉ）蒸気生成システム１２２から多岐管２１４の内側導管２１４ｃまでの（配管１２０ａから追加のキャリアガスを受け取ることが可能な）還元ガス１２６の流路、および（ｉｖ）多岐管２１４の中央導管２１４ｂからの真空によって吸引されるガス（導電性構造１０４ａ／１１２ａの表面から反応生成物を除去するガス）の流路を示す。図１１Ａではガスは流動していないが、上記流路を様々な矢印によって示している。
【0056】
図１１Ａを参照すると、（ボンドヘッド１０６に保持された）半導体素子１１２は、基板１０４の上方に配置される。図１１Ｂに示すように、蒸気生成システム１２２が作動されてボンディング領域に還元ガス１３０が生成される。具体的には、図１１Ｂは、還元ガス１３０がボンディング領域に供給され、シールドガス１２８が供給されるとともに、出口配管１１６を通じて多岐管２１４の中央導管２１４ｂから真空が引かれる図を示す。すなわち、還元ガス１３０が流動して半導体素子１１２および基板１０４の望ましい部分（例えば、導電性構造１０４ａおよび導電性構造１１２ａ）に到達することで導電性構造１０４ａおよび導電性構造１１２ａから汚染物質が除去され、および／または導電性構造１０４ａおよび導電性構造１１２ａをさらなる潜在的な汚染からシールドする。
【0057】
図１１Ｂに示すように、（半導体素子１１２の）各導電性構造１１２ａは、（基板１０４の）各導電性構造１０４ａと整合している。図１１Ｃにおいて、例えば、ボンドヘッド１０６を下降させることにより、処理工程はボンディング工程（例えば、熱圧着式ボンディング工程）に進む。すなわち、導電性構造１１２ａが対応する導電性構造１０４ａにボンディングされる。この工程は、（例えば、熱および／または５０～３００Ｎのより大きい接合力を含む）熱圧着式ボンディング工程であってもよく、さらに、（例えば、ボンドヘッドアセンブリ１０６に備えられた超音波トランスデューサからの）超音波エネルギーの伝達を含んでもよい。図１１Ｄにおいてボンディング工程は完了する。すなわち、対応する導電性構造１１２ａ、１０４ａがこの時点で互いにボンディングされ、はんだ材料１１２ａ２が当該導電性構造の間で変形することで半導体素子１１２は基板１０４にボンディングされる。
【0058】
（ｉ）還元ガス１３０の流動および（ｉｉ）シールドガス１２８の流動の方向を制御し、かつ（ｉｉｉ）真空を引くための多岐管１１４、２１４のうちの１つに関連して主に本発明を説明してきたが、当該ガスの流動パターンを制御するために使用される構造は図示したものと異なる構造でもよいことを理解されたい。すなわち、流体１３０、１２８を供給および方向の制御（とともに真空を引く）ために使用される構造の構成は図示したものと大幅に異なっていてもよい。
【0059】
本明細書において、図４～９、図１０Ａ～１０Ｄ、および図１１Ａ～１１Ｄに関連して記載された本発明は特に、フラックスを使用しないボンディング（例えば、ボンディング工程前またはボンディング工程中に半導体素子または基板にフラックスを添加する必要がない）、半導体素子および基板上の酸化物の還元など数多くの利点を提供する。
【0060】
ボンディング装置１００（図４～９、および図１０Ａ～１０Ｄを参照）、および／またはボンディング装置１００"（図１１Ａ～１１Ｄを参照）の特定の要素を図１、図２Ａ～２Ｇ、および図３Ａ～３Ｂのシステムに一体化させて、ボンドヘッド区画部の要素（例えば、ボンドヘッド、シュラウド、特定の配管など）の少なくとも一部を代替することができることを、当業者であれば理解すると考えられる。
【0061】
本発明を例示的な実施形態と関連して記載および図示したが、当業者であれば、本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、当該実施形態に対して上述した、およびその他の様々な変更、省略、追加を行うことができることを理解すると考えられる。むしろ、特許請求の範囲の均等物の範囲内で、本発明から逸脱することなく、詳細に亘って種々の変更が可能である。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】