專利名稱：電子器件、制造方法和電子器件制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文討論的實(shí)施方案涉及電子器件、制造該電子器件的方法以及電子器件制造裝置。
背景技術(shù)：
倒裝芯片安裝是在電路板上安裝半導(dǎo)體元件的方法之一。在倒裝芯片安裝中，電路板和半導(dǎo)體元件通過回流和連接形成在電路板和半導(dǎo)體元件的表面上的釬料凸點(diǎn)而彼此電連接和機(jī)械連接。隨著釬料凸點(diǎn)的小型化，相鄰釬料凸點(diǎn)之間的距離變短。這可能導(dǎo)致通過回流而熔化的凸點(diǎn)之間的電短路。此外，由于釬料凸點(diǎn)的直徑隨著小型化而減小，所以流過釬料凸點(diǎn)的電流的密度增加。這可以顯著地引起其中釬焊材料沿著電流流動(dòng)的電遷移。為了避免該問題，代替使用這種使用釬料凸點(diǎn)的連接方法，提出了一種通過在電極上進(jìn)行熱壓接合而使電極(如銅凸點(diǎn))接合，從而引起金屬材料在電極中的固相擴(kuò)散的方法。這種接合方法也被稱為固相擴(kuò)散接合。與使用釬料凸點(diǎn)的連接方法不同，在固相擴(kuò)散接合中不需要通過回流來使電極熔化。因此，甚至當(dāng)相鄰電極之間的距離減小時(shí)，電極也不可能電短路。因此，固相擴(kuò)散接合有利于電子器件的小型化。然而，在固相擴(kuò)散接合的過程中，為了促進(jìn)電極間的原子的擴(kuò)散而向半導(dǎo)體元件施加高溫和高壓。這可能損壞半導(dǎo)體元件。與以下公開內(nèi)容相關(guān)的技術(shù)公開在日本公開特許公報(bào)號(hào)04-309474和05-131279中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種電子器件、制造電子器件的方法和電子器件制造裝置，以減少給電子元件帶來的損壞。根據(jù)本文討論的一個(gè)方面，提供一種制造電子器件的方法，該方法包括:使第一電子兀件的第一電極的頂表面暴露于有機(jī)酸、用紫外光照射第一電極的暴露于有機(jī)酸的頂表面以及通過對(duì)第一電極和第二電極進(jìn)行加熱和相互壓制來使第一電極和第二電子元件的第二電極接合。根據(jù)本文討論的另一方面，提供一種電子器件，該電子器件包括:包括第一電極的第一電子兀件和包括接合到第一電極的第二電極的第二電子兀件，其中在第一電極和第二電極之間形成有晶體層。根據(jù)本文討論的又一方面，提供一種電子器件制造裝置，該電子器件制造裝置包括:室、設(shè)置在該室中并且在其上放置具有電極的電子元件的平臺(tái)以及設(shè)置在室中并且配置為使用紫外光照射電極的紫外燈，其中該紫外燈設(shè)置在紫外燈能夠使用紫外光照射電極的頂表面的位置處。
根據(jù)本文所討論的再一方面，提供一種電子器件制造裝置，該電子器件制造裝置包括:第一室，在該第一室中，從包括在第一電子兀件中的第一電極和包括在第二電子兀件中的第二電極中至少之一的表面移除氧化膜；連接至第一室的第二室，在該第二室中使用紫外光照射第一電極和第二電極中的至少之一；接合器，該接合器連接到第二室并且配置為使第一電極和第二電極對(duì)準(zhǔn)；以及連接到接合器的第三室，在該第三室中對(duì)第一電子元件和第二電子元件進(jìn)行加熱和相互壓靠。


圖1是示出通過固相擴(kuò)散接合來接合電子元件的過程的橫截面圖；圖2A至圖2C是在接合第一電極和第二電極的過程中的放大橫截面圖；圖3是在第一實(shí)施方案中使用的電子器件制造裝置的配置圖；圖4A至圖4K是在根據(jù)第一實(shí)施方案的制造過程中的電子器件的橫截面圖；圖5是在第一實(shí)施方案中制造的電子器件的橫截面圖；圖6A至圖6D是在根據(jù)第二實(shí)施方案的制造過程中的電子器件的橫截面圖；圖7是用于說明在第二實(shí)施方案中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖；圖8是根據(jù)第三實(shí)施方案的電子器件制造裝置的橫截面圖；圖9是根據(jù)第四實(shí)施方案的電子器件制造裝置的俯視圖；圖10是根據(jù)第四實(shí)施方案的電子器件制造裝置的橫截面圖；圖1lA至圖1lG是示出制造根據(jù)第四實(shí)施方案的電子元件的方法的橫截面圖；圖12是根據(jù)第五實(shí)施方案的電子器件制造裝置的橫截面圖；和圖13A至圖13E是根據(jù)第六實(shí)施方案的電子器件的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式在描述實(shí)施方案之前描述準(zhǔn)備事項(xiàng)。圖1是示出通過固相擴(kuò)散接合來接合電子元件的過程的橫截面圖。在該實(shí)施例中，給出了接合第一電子元件30和第二電子元件40的情況的描述。在這些電子元件中，第一電子元件30是電路板。第一電子元件30包括形成在第一硅襯底31的表面上的第一電極焊墊34a和第一鈍化膜33a。在第一電極焊墊34a上，通過電鍍形成由銅制成的柱狀第一電極35a。柱狀電極也稱為凸點(diǎn)電極或柱電極。另一方面，第二電子元件40是半導(dǎo)體元件。第二電子元件40包括形成在第二硅襯底32的表面上的第二電極焊墊34b和第二鈍化膜33b。在第二電極焊墊34b上，通過電鍍形成由銅制成的柱狀第二電極35b。第二電極35b的尺寸不做特別限定。在該實(shí)施例中，每個(gè)第二電極35b具有在俯視圖中側(cè)邊為約10 μ m的正方形的形狀。然后，在第二電子元件40以面朝下的狀態(tài)與第一電極部件30相對(duì)的狀態(tài)中，通過未示出的倒裝芯片接合器來使第一電極35a與第二電極35b彼此對(duì)準(zhǔn)。為了便于對(duì)準(zhǔn),優(yōu)選地,第一電極35a大于第二電極35b。在該實(shí)施例中， 每個(gè)第一電極35a具有在俯視圖中側(cè)邊為約15 μ m的正方形的形狀。
圖2A至圖2C是示出在接合過程中圖1的第一電極35a和第二電極35b的放大橫截面圖。如圖2A所示，在接合之前，第一電極35a和第二電極35b中的每一個(gè)包括多個(gè)銅晶粒36。然后，通過預(yù)先進(jìn)行CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)使得第一電極35a和第二電極35b的頂表面平坦化以確保它們之間的粘附。通過CMP，在第一電極35a和第二電極35b的頂表面中露出上述晶粒36。接下來，如圖2B所示，通過上述倒裝芯片接合器來加熱第一電極35a和第二電極35b且同時(shí)將其彼此壓靠。在此，當(dāng)在該過程中加熱溫度低或壓制負(fù)荷小時(shí)，晶粒36在第一電極35a和第二電極35b之間的邊界處變得不連續(xù)并且電極35a和35b可能容易彼此分離。因此，為了使邊界處的晶粒36熔合(merge)，在該過程中，將第一電極35a和第二電極35b加熱到比銅的晶粒36的再結(jié)晶溫度更高的溫度并且同時(shí)利用大于20gf每凸點(diǎn)的負(fù)荷來使其彼此充分壓靠 O如圖2C所示，通過在上述條件下進(jìn)行加熱和壓制，在第一電極35a和第二電極35b之間的邊界周圍的晶粒36被熔合，從而使得所述第一電極35a和第二電極35b能夠被機(jī)械地牢固地連接。然而，通過使用這種方法，第一電子元件30和第二電子元件40可能被如上所述的300°C高溫和高于20gf的負(fù)荷損壞。在下文中，參考附圖給出實(shí)施方案的描述。(第一實(shí)施方案)圖3是在第一實(shí)施方案中使用的電子器件制造裝置的配置圖。根據(jù)第一實(shí)施方案的電子器件制造裝置20包括第一室21、第二室24、倒裝芯片接合器25和第三室26，并且還包括它們之間的傳送單元23a至23c。第一室21被連接到有機(jī)酸供給單元22并且被供給有包含有機(jī)酸的氣體。第一室21、第二室24和第三室26被單獨(dú)地連接到未示出的真空泵并且可以被減壓。在第一室21、第二室24和第三室26與各自的傳送單元23a至23c之間設(shè)置有未示出的閥以保持第一室21、第二室24和第三室26中的氣密性。在第一實(shí)施方案中，通過使用電子器件制造裝置20，在圖1中示出的第一電子元件30和第二電子元件40以如下方式彼此電連接和機(jī)械連接。圖4A至圖4K是在根據(jù)第一實(shí)施方案的制造過程中的電子器件的橫截面圖。如圖4A所示，第一電子元件30和第二電子元件40被放置在第一室21內(nèi)的平臺(tái)21c 上。在下面描述的實(shí)施例中，第一電子元件30和第二電子元件40是從晶片切下的芯片。然而，也可以對(duì)晶片進(jìn)行以下過程。此外，以下過程可以在如下狀態(tài)中進(jìn)行:第一電子元件30和第二電子元件40之一是晶片，并且另一電子元件是從晶片切下的芯片。然后，在該狀態(tài)下，從氣體入口 21a供給包含有機(jī)酸的氣體到第一室21內(nèi)，在第一室21內(nèi)的多余的氣體從氣體出口 21b排出。待引入到第一室21中的氣體在有機(jī)酸供給單元22處產(chǎn)生。有機(jī)酸供給單元22包括充有惰性氣體(例如氮)的罐22a和容納液體有機(jī)酸22b的容器22c。有機(jī)酸供給單元22通過使惰性氣體鼓泡來產(chǎn)生包含有機(jī)酸氣體。雖然沒有特別的限定，但是在本實(shí)施方案中使用甲酸作為有機(jī)酸。代替甲酸，有機(jī)酸可以是羧酸如乙酸或草酸。如圖4B所不,僅在暴露于有機(jī)酸之前,在第一電極35a的頂表面包括因?yàn)殂~被自然氧化所產(chǎn)生的具有5nm至IOnm厚度的被氧化的銅膜。代替自然氧化膜，熱氧化的銅膜可以作為氧化膜I形成為大于自然氧化膜的厚度，例如約IOnm至150nm的厚度。當(dāng)具有氧化膜I的第一電極35a的頂表面暴露于甲酸時(shí)，取決于氧化膜I的組成進(jìn)行由以下化學(xué)式(I)和(2)表示的反應(yīng)中的任意一個(gè)。Cu0+2HC00H — Cu (HCOO) 2+H20...(I)Cu02+2HC00H — Cu (HCOO) 2+H2+02...(2)如圖4C所示，通過這些反應(yīng)，在第一電極35a的頂表面上形成包含甲酸銅的有機(jī)酸金屬膜2。為了上述反應(yīng)更快速地進(jìn)行，優(yōu)選地，通過引入第一室21中的未示出的加熱器來將第一電極35a加熱至約120°C。在第一實(shí)施方案中，如下文所述，由有機(jī)酸金屬膜2形成包括非晶銅層或微晶銅層的銅的變質(zhì)層(altered layer of copper)。因此,為了不阻止銅的變質(zhì)層的形成,優(yōu)選地，在該過程中的加熱溫度比非晶或微晶銅的再結(jié)晶溫度130°C低。第一室21內(nèi)的壓力也不做特別限定。然而，當(dāng)氧化膜I為自然氧化膜時(shí)，氧化膜I薄，因此即使在減壓下也可以完全形成為有機(jī)酸金屬膜2。在第一實(shí)施方案中，在第一室21內(nèi)的壓力被設(shè)置為約600毫托的減壓，并且將該過程實(shí)施30分鐘。另一方面，當(dāng)氧化膜I為比自然氧化膜厚的熱氧化膜時(shí)，通過在比大氣壓力高的壓力下使氧化膜I暴露于甲酸可以使整個(gè)氧化膜I確定地形成為有機(jī)酸金屬膜2。注意，通過與上述相同的反應(yīng)在第二電極35b(參考圖4A)的頂表面上也形成有機(jī)酸金屬膜2。接下來，如圖4D所示，使用傳送單元23a(參考圖3)將第一電子元件30和第二電子元件40傳送到第二室24。如圖4D所示，第二室24包括紫外燈24b和平臺(tái)24c。將第一電子元件30和第二電子元件40放置在平臺(tái)24c上，使得電極35a和電極35b面朝上。因此,第一電極35a和第二電極35b的頂表面暴露于由紫外燈24b產(chǎn)生的紫外光。紫外燈24b的光源不做特別限定。然而，為了有效地分解在有機(jī)酸金屬膜2中的甲酸銅，優(yōu)選地，每個(gè)紫外燈24b都是具有比能夠分解甲酸銅的波長(zhǎng)更短的波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子燈，例如，具有172nm的波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子燈。注意，具有該波長(zhǎng)的紫外光也稱為真空紫外(VUV)光。如圖4E所示，使用上述紫外光照射有機(jī)酸金屬膜2。有機(jī)酸金屬膜2因此根據(jù)下面的化學(xué)式(3)而被分解。Cu (HCOO) 2 — Cu+C0+C02+H2...(3)通過該反應(yīng)，如圖4F所示，在第一電極35a的頂表面中形成包含非晶態(tài)的非晶銅或微晶銅的銅變質(zhì)層3。紫外光的照射時(shí)間不做特別限定。在本實(shí)施方案中，紫外光的照射時(shí)間為約5分鐘至15分鐘。此外，為了促進(jìn)由化學(xué)式(3)表示的分解反應(yīng)，優(yōu)選地，在約室溫(20°C )至約150°C的溫度下對(duì)第一電極35a進(jìn)行加熱。非晶或微晶變質(zhì)層3的再結(jié)晶溫度為130°C。因此，當(dāng)在高于130°C的溫度下進(jìn)行該過程時(shí)，變質(zhì)層3再結(jié)晶。因此，優(yōu)選地，在紫外光照射期間第一電極35a的加熱溫度低于為非晶或微晶銅的再結(jié)晶溫度130°C的溫度，例如，約120°C。在每個(gè)第二電極35b的頂表面中，通過與圖4A至圖4F所示的相同的過程形成銅的變質(zhì)層3。之后，如圖4G所示第一電子元件30和第二電子元件40被傳送到倒裝芯片接合器25 (參考圖3)。在倒裝芯片接合器25中，將第一電極35a和第二電極35b彼此對(duì)準(zhǔn)，然后將第一電極35a和第二電極35b加熱至100°C，并且使用5gf至IOgf每電極的負(fù)載來對(duì)第一電極35a和第二電極35b進(jìn)行壓制以進(jìn)行臨時(shí)接合。圖4H是在此過程完成后的放大的橫截面圖。如圖4H所示剛在臨時(shí)接合之后第一電極35a和第二電極35b的變質(zhì)層3并沒有彼此熔合。優(yōu)選地，在臨時(shí)接合之前，第一電極35a和第二電極35b的變質(zhì)層3的表面被暴露于紫外光，以分解和去除在變質(zhì)層3的表面上的有機(jī)物質(zhì)從而清潔表面。注意，可以通過使變質(zhì)層3暴露于取代紫外光的氧等離子體而使有機(jī)物質(zhì)被氧化且去除。通過以這種方式去除有機(jī)物質(zhì)，可以防止由于有機(jī)物質(zhì)而使第一電極35a和第二電極35b之間的接合強(qiáng)度降低。為了促進(jìn)清潔，在紫外光或氧等離子體照射期間第一電極35a和第二電極35b可以被加熱到比室溫更高的溫度。然而，為了防止變質(zhì)層3的再結(jié)晶，優(yōu)選地，第一電極35a和第二電極35b的加熱溫度的上限被設(shè)置為低于變質(zhì)層3中的非晶或微晶銅的再結(jié)晶溫度130°C，例如設(shè)置為約120°C。接下來，如圖41所示彼此臨時(shí)地接合的第一電子元件30和第二電子元件40被傳送到第三室26中。如圖41所示，在第三室26包括在放置有第一電子元件30和第二電子元件40的平臺(tái)26c以及設(shè)置成與平臺(tái)26c相對(duì)的壓制板26b。壓制單元26a連接到壓制板26b。通過來自壓制單元26a的負(fù)載，對(duì)位于壓制板26b和平臺(tái)26c之間的第一電子元件30和第二電子元件40進(jìn)行壓制。壓制負(fù)荷不做特別限定。然而，在第一實(shí)施方案中，每個(gè)電極的壓制負(fù)荷為例如IOgf。同時(shí)，第一電子元件30和第二電子元件40被加熱到比變質(zhì)層3的再結(jié)晶溫度高的溫度150°C至250°C，進(jìn)行約10分鐘至30分鐘。通過引入平臺(tái)26c中的未示出的加熱器進(jìn)行加熱。圖4J是剛以上述方式開始?jí)褐浦蟮谝浑姌O35a和第二電極35b的橫截面圖。如圖4J所示，在第一電極35a和第二電極35b的頂表面中的變質(zhì)層3是軟的，因此可以容易地利用比圖1的負(fù)荷小的負(fù)荷來使變質(zhì)層3變形。因此變質(zhì)層3變得緊密接觸而沒有間隙。特別地，在氧化膜I (參考圖4B)為熱氧化膜的情況下，變質(zhì)層3足夠厚并且能夠容易地變形。這可以在第一電極35a和第二電極35b之間實(shí)現(xiàn)更好的緊密接觸。
此外，在該過程中，由于在比變質(zhì)層3的再結(jié)晶溫度高的溫度下加熱變質(zhì)層3，所以銅的晶體生長(zhǎng)且同時(shí)變質(zhì)層3的邊界部分彼此熔合。結(jié)果，如圖4K所示，變質(zhì)層3轉(zhuǎn)變成銅晶體層3x，據(jù)此所述第一電極35a和第二電極35b彼此機(jī)械地、牢固地接合。在此，在通過使非晶或微晶銅結(jié)晶形成的晶體層3x中，銅晶粒的尺寸小于第一電極35a和第二電極35b的晶粒尺寸。在本實(shí)施方案的情況下，在第一電極35a和第二電極35b中的銅晶粒36具有約5 μ m的平均直徑，而在晶體層3x中的銅晶粒3y具有約I μ m至3 μ m的較小平均直徑。此外，在某些情況下，在第一電極35a和晶體層3x之間的界面中，在電極35a和晶體層3x中的銅晶粒的取向變得不連續(xù)。在第二電極35b和晶體層3x之間的界面中也發(fā)生這種狀況。注意，可以在第一電極35a和第二電極35b以上述方式接合之前,通過將第一電極35a和第二電極35b的頂表面暴露于包含有機(jī)酸例如甲酸的氣體來預(yù)先移除在第一電極35a和第二電極35b的表面中的氧化膜。這可以抑制在第一電極35a和第二電極35b之間的接合界面中形成氧化膜，從而避免由于該氧化膜導(dǎo)致的對(duì)第一電極35a和第二電極35b的接合的抑制。此外，為了進(jìn)一步降低在接合面中形成氧化膜的風(fēng)險(xiǎn)，第一電極35a和第二電極35b可以在被配置為具有排除氧的氣氛的第三室26內(nèi)進(jìn)行接合。這種氣氛可以是如惰性氣體氣氛或真空氣氛。注意，在第三室26內(nèi)的氣氛可以是包含有機(jī)酸例如甲酸的氣氛。有機(jī)酸可以防止在第一電極35a和第二電極35b之間的接合界面中形成氧化膜。由此，完成了制造根據(jù)第一實(shí)施方案的電子器件的方法的基本過程。圖5是以上述方式制造的電子器件59的橫截面圖。根據(jù)本實(shí)施方案，第一電極35a和第二電極35b經(jīng)由具有較低的再結(jié)晶溫度和比結(jié)晶的銅軟的銅的變質(zhì)層3來接合。因此，與沒有形成變質(zhì)層3的情況相比，可以降低施加到第一電極35a和第二電極35b的加熱溫度和負(fù)載,并且可以在較短的時(shí)間內(nèi)使第一電極35a和第二電極35b接合。這可以減少在第一電極35a和第二電極35b的接合過程中第一電子元件30和第二電子元件40所受到的熱損傷和機(jī)械損傷。此外，由于第一電極35a和第二電極35b可以在短的時(shí)間內(nèi)接合，所以在制造相同器件的情況下，可以提高制造電子器件的工藝的生產(chǎn)量并且降低功率消耗，從而降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。此外，可以在干燥氣氛中形成有機(jī)酸的金屬膜2和變質(zhì)層3。因此，沒有必要制備濕式的制造裝置，并且可以通過簡(jiǎn)單的工藝制造電子器件。注意，第一實(shí)施方案不限于上述描述。例如，變質(zhì)層3可以形成在上述的第一電極35a和第二電極35b 二者中。然而，變質(zhì)層3也可以僅在第一電極35a中或僅在第二電極35b中形成。此外，盡管第一電子元件30是電路板并且第二電子元件40是半導(dǎo)體器件， 但是待接合的電子元件并不限于這種組合。例如，作為電路板的第一電子元件也可以彼此接合?；蛘?，作為半導(dǎo)體元件的第二電子元件也可以彼此接合。這在下面的實(shí)施方案中的情況中也是如此。此外，在圖3的實(shí)施例中，所有的室21、24和26以及倒裝芯片接合器25通過傳送單元23a至23c來連接。然而，所有的室21、24和26以及倒裝芯片接合器25不一定是連接的。例如，在第一電子元件30和第二電子元件40在倒裝芯片接合器24中暫時(shí)被彼此接合之后并且在被傳送到第三室26之前，第一電子元件30和第二電子元件40可以暴露于空氣。當(dāng)其暴露時(shí)間不超過10小時(shí)時(shí)，在第一電子元件30和第二電子元件40之間的接合強(qiáng)度不會(huì)降低，從而避免對(duì)電子元件的可靠性的影響。(第二實(shí)施方案)在第一實(shí)施方案中，氧化膜I (圖4B)用于形成非晶或微晶銅的變質(zhì)層3 (圖4F)。在第二實(shí)施方案中，使用機(jī)械加工來使變質(zhì)層變得比第一實(shí)施方案中的變質(zhì)層更厚。圖6A至圖6D是在根據(jù)第二實(shí)施方案的制造過程中的電子器件的橫截面圖。在圖6A至圖6D中，與第一實(shí)施方案中描述的元件相同的元件使用相同的附圖標(biāo)記，并且在下面省略其說明。首先，如圖6A所不,通過金剛石刀頭70切削第一電極35a的表面以在第一電極35a的表面中形成非晶或微晶銅的變質(zhì)層73。在本實(shí)施方案中，在金剛石刀頭70旋轉(zhuǎn)的圓周速度為例如15米/秒至20米/秒且金剛石刀頭70沿著襯底的橫向方向移動(dòng)約20 μ m每轉(zhuǎn)的條件下對(duì)第一電極35a的表面進(jìn)行切削。該機(jī)械加工破壞第一電極35a的表面中的銅晶體。因此，如圖6B所示，在距第一電極35a的表面IOOnm至200nm的范圍內(nèi)的深度中形成不具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的銅的變質(zhì)層73。如圖6C所示，利用相同的方法，在第二電極35b的表面層中形成銅的變質(zhì)層73。然后，進(jìn)行在第一實(shí)施方案中描述的圖4A至圖4F的過程以獲得在圖6D中示出的橫截面結(jié)構(gòu)。如圖6D所不,在第一電極35a和第二電極35b中的每一個(gè)電極中，在通過上述機(jī)械加工獲得的變質(zhì)層73上形成通過UV照射而由有機(jī)酸金屬膜2獲得的變質(zhì)層3(參考圖4E)。此后，進(jìn)行第一實(shí)施方案的圖41至圖4K的過程以完成圖5中示出的電子器件的
基本結(jié)構(gòu)。根據(jù)如上所述的本實(shí)施方案，通過利用機(jī)械加工形成銅的變質(zhì)層73，可以使整個(gè)變質(zhì)層73變得比第一實(shí)施方案中的由氧化膜I形成銅的變質(zhì)層3更厚。因此，在第一電極35a和第二電極35b接合的過程中變質(zhì)層可以更加靈活地變形。由于這種軟的變質(zhì)層3和73，第一電極35a和第二電極35b可以以更好的方式緊密接觸。接下來，描述本實(shí)施方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)是為了檢驗(yàn)在本實(shí)施方案中制造的電子器件59(參考圖5)的芯片剪切強(qiáng)度。芯片剪切強(qiáng)度定義為當(dāng)?shù)谝浑姌O35a和第二電極35b從第一電極35a和第二電極35b之間的界面剝落時(shí)，沿著襯底的橫向方向上施加到第二電子元件40的最大力。在圖7中示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖7中， 橫軸表示在圖4J的過程中的第一電極35a和第二電極35b的加熱溫度。圖7中的縱軸表示上述的芯片剪切強(qiáng)度。圖7中的曲線A表示在本實(shí)施方案中獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7中的曲線B表示只進(jìn)行了圖6A示出的機(jī)械加工并且在沒有形成由圖6D的氧化膜I所獲得的變質(zhì)層3的情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7中的曲線C表示第一電極35a和第二電極35b直接接合而沒有進(jìn)行機(jī)械加工(圖6A)且沒有形成變質(zhì)層3 (圖6D)的對(duì)比例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。上述芯片剪切強(qiáng)度取決于第一電極35a和第二電極35b之間的界面的狀態(tài)。例如，在芯片剪切強(qiáng)度小至約O克/芯片至3000克/芯片的區(qū)域I中，在第一電極35a和第二電極35b之間存在界面的清晰，因此在第一電極35a和第二電極35b之間的接合強(qiáng)度低。在芯片剪切強(qiáng)度為3000克/芯片至7000克/芯片的區(qū)域II中，電極之間的界面消失，并且第一電極35a和第二電極35b基本上熔合。然而，在區(qū)域II中電極的芯片剪切強(qiáng)度沒有高到足以使電極被認(rèn)為完全地熔合的強(qiáng)度。因此，在電極之間形成了前述晶體層3χ0另一方面，在剪切強(qiáng)度為約7000克/芯片至12000克/芯片的區(qū)域III中，第一電極35a和第二電極35b基本上完全熔合，并且其間不存在晶體層3x。如圖7所示，比較在相同接合溫度下的曲線，對(duì)比例的圖C的芯片剪切強(qiáng)度最小。對(duì)于僅進(jìn)行機(jī)械加工的曲線B，芯片剪切強(qiáng)度高于對(duì)比例，但在175°C的接合溫度下不夠聞。另一方面，在本實(shí)施方案中的曲線A中，在175°C的接合溫度下的芯片剪切強(qiáng)度是僅進(jìn)行機(jī)械加工的情況下的芯片剪切強(qiáng)度的約兩倍。因此，可以證實(shí)在本實(shí)施方案中的機(jī)械加工和UV照射的結(jié)合對(duì)在約175°C的較低接合溫度下的結(jié)合強(qiáng)度的增加是有效的。由于以該方式在約175°C的低接合溫度下的結(jié)合強(qiáng)度足夠高，所以在本實(shí)施方案中可以在沒有被加熱到高溫的條件下使第一電極35a和第二電極35b接合。因此，第一電子元件30和第二電子元件40較不可能被熱損壞。(第三實(shí)施方案)如圖3所不,在第一實(shí)施方案中使用用于暴露于有機(jī)酸的第一室21和用于UV照射的第二室24。另一方面，在本實(shí)施方案中，給出一種第一電子元件30和第二電子元件40可以在單個(gè)室中被暴露于有機(jī)酸和紫外光的電子器件制造裝置的描述。圖8是根據(jù)本實(shí)施方案的電子器件制造裝置的橫截面圖。如圖8所示，本實(shí)施方案的電子器件制造裝置60包括室29和容納在室29中的平臺(tái)29f。在平臺(tái)29f上方設(shè)置有由耐熱玻璃制成的窗29c。室29通過該窗29c而被分割兩個(gè)隔室。在這兩個(gè)隔室中，在窗29c上方的隔室用作為容納紫外燈29a的容置部29b。另一方面，在窗29c下方的隔室設(shè)置有連接到有機(jī)酸供給單元22的氣體入口 29d和氣體出口 29e。平臺(tái)29f包括未示出的加熱器，并且能夠使第一電子元件30和第二電子元件40加熱到預(yù)定溫度。在電子器件制造裝置60中，第一電子元件30和第二電子元件40中的每一個(gè)都暴露于通過氣體入口 29d供給的有機(jī)酸如甲酸以形成有機(jī)酸金屬膜2 (參考圖4C)。此外，使用來自紫外燈29a的紫外光照射有機(jī)酸的金屬膜2以形成非晶或微晶銅的變質(zhì)層3(參考圖4F)。以該方式,在本實(shí)施方案中，第一電子兀件30和第二電子兀件40中的每一個(gè)都可以在單個(gè)室29中暴露于紫外光和有機(jī)酸。因此本實(shí)施方案的裝置結(jié)構(gòu)可以比第一實(shí)施方案的裝置結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。此外，以該方式，僅使用單個(gè)室29消除了類似于在第一實(shí)施方案中那樣將第一電子元件30等從用于暴露于有機(jī)酸的第一室21傳送到用于紫外照射的第二室24的需要，因此可以減少傳送時(shí)間。此外，容置部29b通過窗29c與平臺(tái)29f分開。這可以消除來自平臺(tái)29f的輻射熱可能損壞紫外燈29a的風(fēng)險(xiǎn)。因此平臺(tái)29f的溫度可以設(shè)定為高于不存在窗29c的情況下的溫度。因此可以在寬的溫度范圍內(nèi)用紫外光照射第一電子元件30和第二電子元件40。注意，平臺(tái)29f可以設(shè)置有未示出的升降機(jī)構(gòu)，使得第一電子元件30和紫外燈部29a之間的距離或者第二電子元件40和紫外燈29a之間的距離是可調(diào)節(jié)的。在這種情況下，通過調(diào)節(jié)上述的距離以使照射第一電子元件30和第二電子元件40的紫外光的強(qiáng)度最大化，可以利用紫外光對(duì)電子元件30和電子元件40進(jìn)行有效地照射。(第四實(shí)施方案)在第四實(shí)施方案中，通過以如下方式臨時(shí)接合材料來將第一電子元件30和第二電子元件40彼此固定。圖9是在第四實(shí)施方案中使用的電子器件制造裝置的俯視圖。如圖9所示，本實(shí)施方案的電子器件制造裝置50包括第一室51和第二室52。穿過第一室51和第二室52插入有一對(duì)傳送導(dǎo)軌54。在傳送導(dǎo)軌54上設(shè)置有沿著導(dǎo)軌54的延伸方向可移動(dòng)的平臺(tái)55。第一室51包括在其側(cè)面上的紫外燈56，并且被連接到有機(jī)酸供給單元22。注意，在第一室51和第二室52中的每一個(gè)的側(cè)面上設(shè)置有可以通過其進(jìn)出平臺(tái)55的未示出的閥。該閥保持第一室51和第二室52內(nèi)的氣密性。圖10是在圖9中示出的電子器件制造裝置的橫截面圖。如圖10所示，第二室52包括壓制板58和壓制單元57。壓制單元57是可伸縮的。壓制板58通過壓制單元57的伸縮運(yùn)動(dòng)而上下移動(dòng)。在第一室51和第二室52之間設(shè)置有連接單元53。連接單元53的內(nèi)部是氣密的。因此，放置在平臺(tái)55上的電子元件可以在不暴露于空氣中的情況下從第一室51移動(dòng)到第
二室 52。在下文中，給出使用制造裝置50制造電子器件的方法的描述。圖1lA至圖1lG是示出在制造過程中的根據(jù)本實(shí)施方案的電子器件的橫截面圖。在圖1lA至圖1lG中，與第一實(shí)施方案中描述的元件相同的元件使用與第一實(shí)施方案的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，并且在下面省略其說明。首先，在圖1lA所示制造第一電子元件30之后，如圖1lB所示將臨時(shí)接合材料61附接到第一電子元件30的表面。臨時(shí)接合材料61的材料不做特別限定，但優(yōu)選地為通過加熱揮發(fā)、熔化或分解以產(chǎn)生粘性的材料。這種材料的實(shí)例包括具有約2000的分子量的聚乙二醇(PEG2000)。聚乙二醇具有約50°C的熔點(diǎn)并且在室溫下為固體。然而，當(dāng)被加熱至部分熔化時(shí)，聚乙二醇可以粘附到第一電子元件30。此外，代替聚乙二醇，臨時(shí)接合材料61還可以是聚丙二醇、丁基卡必醇乙酸酯、聚酯和多羥基聚醚中的任一種?；蛘?，臨時(shí)接合材料61可以由聚磺酸和乙酸乙烯酯中的任一個(gè)與乙烯組成的共聚物。此外，臨時(shí)接合材料61可以是在約100°C至200°C溫度下?lián)]發(fā)的乙酸酐、琥珀酸酐和甲基丙烯酸酯中的任一種。此外，臨時(shí)接合材料61可以是在約100°C的溫度下容易分解的甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸乙酯。鑒于生產(chǎn)率，優(yōu)選的是在通過切割而從晶片切割出第一電子元件30之前施加臨時(shí)接合材料61。此后，如圖1lC所示，使用未示出的倒裝芯片接合器將第二電子元件40放置到第一電子兀件30之上,并且使第一電極35a和第二電極35b彼此對(duì)準(zhǔn)。然后，使用來自倒裝芯片接合器的熱，將第二電子元件40在120°C下加熱15秒，例如，以使臨時(shí)接合材料61熔化。因此，使第一電子元件30和第二電子元件40臨時(shí)接合，同時(shí)在第一電極35a和第二電極35b之間產(chǎn)生間隙。接下來，如圖1lD所示，將第一電子元件30和第二電子元件40放置到平臺(tái)55上并傳送到第一室51中。然后將包含有機(jī)酸如甲酸的氣體通過氣體入口 51a引入到第一室51內(nèi)。因此，使第一電極35a和第二電極35b的頂表面暴露于有機(jī)酸。因此，自然氧化膜和有機(jī)酸在第一電極35a和第二電極35b的表面中相互反應(yīng)以形成有機(jī)酸的金屬膜2(參考圖4C)。接下來，停止引入包含有機(jī)酸的氣體并且將在室51中的氣體從氣體出口 51b排出。然后，如圖1lE所示，使用由在第一電極35a和第二電極35b的側(cè)面設(shè)置的紫外燈56產(chǎn)生的紫外光照射第一電極35a和35b的頂表面,從而在第一電極35a和第二電極35b頂表面中形成銅的變質(zhì)層3 (參考圖4F)。在本實(shí)施方案中，如上所述，在第一室51的側(cè)面上設(shè)置有紫外燈56。因此，由紫外燈56產(chǎn)生的紫外光進(jìn)入第一電極35a和第二電極35b之間的間隙，因此可以使用紫外光確定地照射第一電極35a和第二電極35b的頂表面。注意，平臺(tái)55可以包括未示出的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，通過驅(qū)動(dòng)這些機(jī)構(gòu)，可以使用紫外光均勻地照射第一電極35a和第二電極35b的頂表面。接下來，如圖1lF所示，平臺(tái)55沿著傳送導(dǎo)軌54移動(dòng)以使第一電子元件30和第二電子元件40在第二室52中移動(dòng)。然后，通過壓制板58對(duì)第二電子元件40進(jìn)行壓制，同時(shí)在比變質(zhì)層3 (參考圖4H)的再結(jié)晶溫度130°C低的溫度下對(duì)第一電極35a和第二電極35b進(jìn)行加熱。因此，第一電極35a和第二電極35b被臨時(shí)地接合。注意,該加熱可以通過引入壓制板58或平臺(tái)55中的未示出的加熱器來進(jìn)行。之后，在使壓制板58保持處于壓制狀態(tài)的同時(shí)，升高加熱器的加熱溫度以將第一電子元件30和第二電子元件40°C加熱至170°C，從而揮發(fā)和去除臨時(shí)接合材料61的聚乙二醇。如圖1IG所示，在通過壓制板58繼續(xù)壓制的同時(shí)，將第一電子元件30和第二電子元件40加熱至150°C至250°C。保持該狀態(tài)約30分鐘以使變質(zhì)層3 (參考圖4H)結(jié)晶，由此使第一電極35a和第二電極35b接合。因此,完成了圖5不出的電子器件59。根據(jù)上述本實(shí)施方案，在第一電子元件30和第二電子元件40臨時(shí)接合的同時(shí)，使第一電子元件30和第二電子元件40暴露于有機(jī)酸和紫外光。因此，相比第一電子元件30和第二電子元件40分別經(jīng)受有機(jī)酸或紫外光的情況，可以更加有效地制造電子器件。此外，由于連接單元53的內(nèi)部(參考圖10)是保持氣密的，所以可以防止銅變質(zhì)層3在從第一室51到第二室52的過程中暴露于空氣。因此，可以抑制變質(zhì)層3的再氧化，從而防止由于氧化而導(dǎo)致的在第一電極35a和第二電極35b之間的接合強(qiáng)度降低。雖然在上文中使用通過加熱而揮發(fā)的材料作為臨時(shí)接合材料61，但是也可以使用環(huán)氧樹脂糊料或環(huán)氧基樹脂膜作為臨時(shí)接合材料61。在這種情況下，臨時(shí)接合材料61不通過加熱揮發(fā)，而是可以作為底部填充樹脂的一部分來保留。(第五實(shí)施方案)在第四實(shí)施方案中，使用如圖9和圖10所示的第一室51和第二室52。與之相比，在本實(shí)施方案中給出將這兩個(gè)室的功能合成一體的電子器件制造裝置的描述。圖12是根據(jù)本實(shí)施方案的電子器件的制造裝置的橫截面圖。在圖12中，與第四實(shí)施方案中描述的元件相同的元件使用與第四實(shí)施方案的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，并且省略其說明。制造裝置80包括設(shè)置有紫外燈56、壓制單元57和壓制板58的室53。室53通過氣體入口 53a而從有機(jī)酸性供給單元22供給有包含有有機(jī)酸如甲酸的氣體。此外，在室53中設(shè)置有在其上放置有第一電子元件30的平臺(tái)81c。據(jù)此，可以在單個(gè)制造裝置80中進(jìn)行諸如有機(jī)酸的供給、紫外光的照射和使第二電子元件40壓靠第一電子元件30的多個(gè)過程，因此可以簡(jiǎn)化裝置的構(gòu)造。(第六實(shí)施方案)在第一實(shí)施方案中，第一電極35a和第二電極35b是由銅制成的。在本實(shí)施方案中，在電極35a、35b上預(yù)先形成錫層。圖13A至圖13E是制造根據(jù)第六實(shí)施方案的電子器件的過程的橫截面圖。在圖13A至圖13E中，與第一實(shí)施方案中描述的元件相同的元件使用與第一實(shí)施方案的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，并且省略其說明。首先，如圖13A所示，通過鍍覆至2 μ m至5 μ m的厚度在每個(gè)第一電極35a的頂表面上形成低熔點(diǎn)金屬層如錫層66。當(dāng)錫層66被置于空氣中時(shí)，在錫層66的表面中形成包含SnO或SnO2的氧化膜67。接下來，如圖13B所示，使錫層66的頂表面暴露于有機(jī)酸。在此，使用甲酸作為有機(jī)酸。然后，氧化膜67與甲酸在約120°C的溫度下反應(yīng)約30分鐘。因此，在錫層66的表面中形成的自然氧化膜67根據(jù)下面的化學(xué)式(4)或化學(xué)式(5)進(jìn)行反應(yīng)。Sn0+2HC00H — Sn (HCOO) 2+Η20...(4)Sn02+2HC00H — Sn (HCOO) 2+H2+02...(5)通過這些反應(yīng)，在第一電極35a的頂表面上形成包含錫酸鹽的有機(jī)酸金屬膜68。注意，由于在該過程中的加熱，在由銅制成的第一電極35a和錫層66之間的界面中形成由錫和銅制得的金屬間化合物(Cu6Sn5)層66a。接下來， 通過紫外光對(duì)有機(jī)酸金屬膜68的表面進(jìn)行紫外光照射。因此，有機(jī)酸金屬膜68按照下面的反應(yīng)式(6)被分解。Sn (HCOO) 2 — Sn+C0+C02+H2. .(6)如圖13C所示，通過上述反應(yīng)產(chǎn)生的錫形成不具有晶體結(jié)構(gòu)的非晶或微晶錫的變質(zhì)層69。針對(duì)第二電極35b也進(jìn)行與上述過程類似的過程，從而在第二電極35b的頂表面上形成錫的變質(zhì)層69。接下來，如圖13D所示，在通過未示出的倒裝芯片接合器使第一電子元件30和第二電子元件40對(duì)準(zhǔn)之后，對(duì)第一電子元件30和第二電子元件40進(jìn)行加熱和相互壓靠。此處，在150°C的溫度下對(duì)第一電子元件30和第二電子元件40進(jìn)行壓制和加熱5分鐘。因此,如圖13E所不變質(zhì)層69結(jié)晶化并且錫層66彼此熔合,從而使第一電極35a和第二電極35b彼此接合。注意，由于在該過程中的加熱而導(dǎo)致金屬間化合物層66a變厚。按照這種方式完成了圖5中所示的電子器件59的基本結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實(shí)施方案，通過低熔點(diǎn)金屬錫的變質(zhì)層69使第一電極35a和第二電極35b接合。因此，相比使用銅的變質(zhì)層3(參考圖4J)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)以較低的溫度使第一電極35a和第二電極35b彼此接合。這可以進(jìn)一步減少對(duì)第一電子元件30和第二電子元件40的損壞。注意，本實(shí)施方案不限于上述實(shí)施例。雖然在上述中錫層66形成第一電極35a和第二電極35b 二者上，但是錫層66可以僅形成在第一電極35a上或僅形成在第二電極35b上。根據(jù)上述實(shí)施方案，使用紫外光照射暴露于有機(jī)酸的第一電極的頂表面以形成由非晶層或微晶體層等組成的變質(zhì)層。然后使用介于第一電極和第二電極之間的變質(zhì)層而使第一電極和第二電極接合。 相比晶體層，變質(zhì)層具有較低的再結(jié)晶溫度并且較軟。因此可以降低在第一和第二實(shí)施方案中的接合過程中的施加的溫度和負(fù)荷，從而減少對(duì)第一電子元件和第二電子元件的損壞。
權(quán)利要求
1.一種制造電子器件的方法，所述方法包括: 使第一電子兀件的第一電極的頂表面暴露于有機(jī)酸； 利用紫外光照射所述第一電極的暴露于所述有機(jī)酸的所述頂表面；以及通過對(duì)所述第一電極和第二電子元件的第二電極進(jìn)行加熱和相互壓制來接合所述第一電極和所述第二電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造電子器件的方法，所述方法還包括: 使所述第二電極的頂表面暴露于所述有機(jī)酸；以及 利用紫外光照射所述第二電極的暴露于所述有機(jī)酸的所述頂表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造電子器件的方法，所述方法還包括: 在接合所述第一電極和所述第二電極之前，使用臨時(shí)性接合材料來臨時(shí)地接合所述第一電子元件和所述第二電子元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造電子器件的方法，其中 所述臨時(shí)性接合材料是在接合所述第一電極和所述第二電極的過程中因加熱而揮發(fā)、熔化或分解的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造電子器件的方法，所述方法還包括: 在使所述第一電極的所述頂表面暴露于所述有機(jī)酸之前，對(duì)所述第一電極的所述頂表面進(jìn)行熱氧化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造電子器件的方法，其中接合所述第一電極和所述第二電極在排除氧的氣氛或包含有機(jī)酸的氣氛中進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造電子器件的方法，所述方法還包括: 在接合所述第一電極和所述第二電極之前，使所述第一電極的頂表面和所述第二電極的頂表面中的至少之一暴露于紫外光或氧等離子體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造電子器件的方法，其中 在接合所述第一電極和所述第二電極的過程中，將所述第一電極和所述第二電極加熱到比變質(zhì)層的再結(jié)晶溫度高的溫度，所述變質(zhì)層是通過所述紫外光的照射而在所述第一電極的所述頂表面中形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造電子器件的方法，所述方法還包括: 在使所述第一電極的所述頂表面暴露于所述有機(jī)酸之前，對(duì)所述第一電極的所述頂表面進(jìn)行切削。
10.一種電子器件，包括: 包括第一電極的第一電子元件；以及 包括接合到所述第一電極的第二電極的第二電子元件，其中 在所述第一電極和所述第二電極之間形成有晶體層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電子器件，其中 所述晶體層的晶粒具有比所述第一電極和所述第二電極的晶粒的平均直徑小的平均直徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的電子器件，其中所述第一電極、所述第二電極和所述晶體層由相同的材料制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電子器件，其中所述材料為銅。
14.一種電子器件制造裝置，包括: 室； 平臺(tái)，所述平臺(tái)設(shè)置在所述室中并且在所述平臺(tái)上放置有具有電極的電子元件；以及 紫外燈，所述紫外燈設(shè)置在所述室中并且配置為利用紫外光照射所述電極，其中 所述紫外燈設(shè)置在所述紫外燈能夠利用所述紫外光照射所述電極的頂表面的位置處。
15.一種電子器件制造裝置，包括: 第一室，在所述 第一室中，從包括在第一電子兀件中的第一電極和包括在第二電子兀件中的第二電極中的至少之一的表面移除氧化膜； 第二室，所述第二室連接到所述第一室，并且在所述第二室中利用紫外光照射所述第一電極和所述第二電極中的至少之一； 接合器，所述接合器連接到所述第二室并且配置為使所述第一電極和所述第二電極對(duì)準(zhǔn)；以及 第三室，所述第三室連接到所述接合器，并且在所述第三室中對(duì)所述第一電子元件和所述第二電子元件進(jìn)行加熱和相互壓靠。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電子器件、制造方法和電子器件制造裝置。根據(jù)本公開內(nèi)容，所述制造方法包括使第一電子元件的第一電極的頂表面暴露于有機(jī)酸，利用紫外光照射第一電極的暴露于有機(jī)酸的頂表面，以及通過對(duì)第一電極和第二電子元件的第二電極進(jìn)行加熱和相互壓制來接合第一電極和第二電極。
文檔編號(hào)B23K20/26GK103212776SQ201210495330
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者酒井泰治, 今泉延弘 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社