JPH089772B2 - 気相付着装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板上へ所定の材料を堆積させる気相付着
に関し、特に、メッシュ部材もしくはスクリーン部材上
に備えられる材料を基板上に堆積させる気相付着装置に
関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

従来から、多数の異なる基板上に多数の異なる種類の
材料を気相成長させる技術がある。これは、多数の異な
った目的のため及び多数の異なる構造体を得るために行
なわれている。気相付着に関するある特定の出願をみる
と、はんだ材がはんだパッドを形成するために半導体基
板上に気相付着されている。そのはんだパッドは、その
場で基板から形成されたチップをセラミック材に結合さ
れる。本発明は、そのような出願に特に限定されるもの
ではないが、半導体基板上に、はんだ材を気相付着させ
るそのような型に特に適合されるものである。

基板上へのはんだの気相付着において、はんだ材料源
を供給する事が従来から行なわれている。そして、それ
は、溶解され、蒸発されるのを許容する高温合金もしく
はセラミック材で作られたカップに収められている。上
記カップは、通常RF誘導コイルによって加熱されるが、
他の手段であっても使用し得る。上記カップは、上部に
開口を有している。溶解され後に蒸発されるはんだ材
は、カップの開口を通過し、そしてカップが支持されて
いる本体内に設けられた半導体基板上に蒸着される。仮
に、分離したはんだパッドが求められるなら、その蒸着
は通常基板上に置かれたパターンマスクを通して行なわ
れる。

この技術や他の気相付着技術に関連した問題の１つ
は、スピッティング（spitting）もしくはスパッタリン
グとして知られているものである。この現象は、大きな
材料球が溶解カップの口を介して排出され、基板上若し
くはマスク上にばらばらとぶつぶつの状態で堆積される
という特徴がある。

また、他の問題としては、カップから出るはんだ材の
規制正しい配置を得ることが困難であると共に基板への
材料の堆積層の厚さが不均一になる点を挙げることがで
きる。

これらの欠点のうちのいくつかを克服するための従来
技術の提案が為されてきた。例えば、ハンソンその他に
よる米国特許第3446936号における実施例の１つにしず
く状のものであるスピット（spits）を阻止したり、蒸
発源からしずく状のものを発生させるスピッティング
（spitting）を防ぐための出入防止装置が開示されてい
る。1963年９月発行のIBMテクニカル・ディスクロージ
ャ・ブリティン第６巻No.4第１頁に銅の蒸発源が示され
ており、そこには、非常に少ない量の銅が出るのを許容
するようにピン穴が蒸発船型容器の底を貫いて開けられ
ている。

不規則な堆積の問題は、ベアーによる米国特許第3517
644号に開示されている。そのなかには、被覆されるべ
きいろいろな抵抗器が蒸着の間に回転する容器内に含ま
れている。

ある蒸発源の形状が、1967年５月発行のIBMテクニカ
ル・ディスクロージャー・ブリティン第９巻No.42第167
7頁に開示されている。そして、蒸発マスクが、1966年1
0月発行のIBMテクニカル・ディスクロージャー・ブリテ
ィン第９巻No.5第543頁に開示されている。蒸発率を制
御したり、蒸発率を計測する技術が1963年12月発行のIB
Mテクニカル・ディスクロージャー・ブリティン第６巻N
o.7第77頁に開示されている。

しかしながら、これらの従来例は、基板表面を荒らす
原因となるスピッティング（spitting）を顕著に減少さ
せ、その問題を十分に取り除く本発明の技術を示唆して
いないばかりか、気相付着材料のより規則的な配置を提
供する技術も示唆していない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の気相付着装置は、上端部に開口を有する、気
相付着すべき金属材料を収容するるつぼ手段と、このる
つぼ手段を加熱する手段と、るつぼ手段を内部に収容
し、気相付着室を与える装置本体と、るつぼ手段の開口
を覆うように設けられたメッシュ部材とを有する。装置
本体は、るつぼ手段の上方に、複数の基板をドーム状に
配列して取り付けることができるように構成される。メ
ッシュ部材は、上記ドーム状と対応するドーム型形状に
形成されており、さらにメッシュ手段は、蒸発した金属
材料を凝集して吸収し、基板に面するメッシュ部材表面
から金属材料を再蒸発させるように働く。

［作用］ 上記構成によれば、るつぼ手段の金属材料は加熱され
て蒸発する。蒸発した金属材料は上昇し、メッシュ部材
に接触して凝集される。凝集された金属材料はメッシュ
部材の中に吸収されて、基板に面する側のメッシュ部材
の表面に導かれて再蒸発する。従って、メッシュ部材
は、全体がほぼ一様な蒸発金属材料源として機能する。
装置本体の中には、複数の基板がドーム状に配列して取
付けられ、メッシュ部材は基板配列のドーム状と対応す
るドーム型形状に形成されるから、メッシュ部材の全面
から一様に蒸発する金属部材は、各基板にほぼ等しい時
間で到達し、従ってすべての基板に一様な厚さの金属層
を同時に付着することができる。しかも、基板をドーム
状に配列することにより、多数の基板に装置本体の中に
一度に装着できるから、付着の品質を落とさずに、付着
の生産性を大幅に高めることができる。さらに、メッシ
ュ部材は、その全体に金属材料を含浸させるから、るつ
ぼ手段の溶融金属材料が直接メッシュ手段を通過するこ
とがなくなり、スピッティングを防止することができ
る。スピッティング（spitting）またはスパッタリング
（spattering）と呼ばれる現象は、後述するように、る
つぼ内の溶融金属からの急速なガス放出によって金属材
料がしずく状の飛沫として飛び、基板に付着されて付着
層の表面を荒らくし、付着の質を低下させる現象であ
る。

〔実施例〕

図面第１図及び第２図には、本発明の一実施例が開示
されている。それは、特にドーム型本体内に備えられる
半導体基板へ鉛・スズはんだ材を蒸発させるために配置
され、適応される。

第１図に示すように、気相付着装置は、鉛・はんだを
含んでいるはんだ材料の上への気相付着を行わせるため
に利用される装置本体10を備えている。装置本体10の天
井部分は凸曲面形状とされたドーム型部分12とされてお
り、このドーム型部分12に多数の半導体基板14が取りつ
けられている。この基板14には、選択されたパターン領
域（図示されていない）を通じて材料が気相付着できる
ようにパターン化されたモリブデンマスク16が配置され
ている。

蒸発組立体17は、装置本体10の内部に配置されてお
り、鉛・スズはんだを蒸発させそしてマスク16を通じて
基板14上に堆積させるために配置されている。蒸発組立
体17は、蒸発され、堆積される選ばれたはんだ材料19の
入った従来からあるるつぼ若しくはカップ18を含んでい
る。カップ18は、その上部に開口20を有しており、その
開口20から上方に伸びているリム21で囲まれている。通
常の溶解技術では、はんだ材料19は、普通に溶解され、
蒸発され、開口20を通過し、マスク16を通して基板14に
堆積される。それが溶解と蒸発のこのタイプであり、そ
れは、しずく状のものを基板に付着させてしまうスピッ
ティング（spitting）や不規則な配列の問題をひきおこ
す。スピッティング（spitting）やスパッタリングは、
スピットであるしずく状のものを発生させるバルク溶解
物が対流するために起こる。このスピッティング（spit
ting）は、大量の源材料の溶解の間に放出する混入され
たガスの急速な放出によると信じられている。そのガス
は、おそらく溶解物内部の金属製及び有機の溶解物から
分離できない不純物から発生するものであり、バルク材
の蒸気圧と異なる蒸気圧を有している。不規則な堆積
は、基板が半球形状のドーム型部分12に配置されてお
り、蒸発パターンがこの形状に一致しないという理由に
よって引き起こされる。このことは、とりわけバルク源
の材料が、るつぼ若しくはカップ18から涸渇し、材料源
と基板との間のその後の蒸発角度を変化させる場合に生
じる。本発明は、スクリーンホルダー22を含むスクリー
ン組立体を提供する。このスクリーンホルダー22は、適
所でスクリーンホルダー22を保持するための上部縁23を
有し、これは、上部縁23がリム21で覆われるようにスク
リーンホルダー22が開口20内に挿入されるのを許容して
いる。

メッシュスクリーン24は、スクリーンホルダー22内に
配置され、スクリーンホルダー22内に設けた底部縁25上
に置かれる。円筒型保持具26は、メッシュスクリーン24
を保持するために、スクリーンホルダー22内の適所に挿
入される。全部の組立体は、リム21上に設けられたかみ
合わせつまみ30と噛み合う溝29を有するナット28によっ
て適所において保持される。

メッシュスクリーン24は、メッシュ形状を持ち、加熱
抵抗をもつ不活性材料で製造され得る。特定の良好に適
応されたスクリーン材の形状は、1.016×10^-2cmから1.2
7×10^-2cmの直径のワイアで形成され、1.016×10^-2cmか
ら1.27×10^-2cmのの間隔をあけて編みこまれ、材料の厚
みがおよそ3.81×10^-2cmから5.08×10^-2cmとなるように
材料を三層で形成される。そのような材料は光学的に光
線を通さないものであるが、本明細書において説明する
ように蒸発材料19を受け取るための多孔性集合体を提供
する。特に良好に適合したスクリーン材は、Unique Wir
e Weaving Co.、製の、トリル（trill）型編みこみ、15
×300の編みこみ、パターン、1.27×10^-2cmの直径を有
するタングステンワイヤ地である。

全蒸発組立体17は、装置本体10内に配置されており、
概略的に示されている誘導加熱コイル32によって囲まれ
ている。誘導コイル32がカップ18内部に収められている
材料19を溶解した後、蒸発させることができるような誘
導加熱コイルの電力源が備えられている。他の加熱形式
としては、例えば、抵抗加熱、赤外線加熱、レーザー加
熱、グロー放電加熱、イオン衝撃加熱等が使用され得
る。特定の加熱源が重要であるのでなく、唯、はんだ材
料が蒸発し、メッシュスクリーン上に凝集され、メッシ
ュスクリーンがはんだ材料を再蒸発させるために加熱さ
れることが要求されている。

好ましい実施例では、主として96.5％鉛、3.5％スズ
でありうる鉛・スズはんだが溶解される材料であり、そ
れが蒸発させられる。本発明によると、蒸発したはんだ
材料19はスクリーン材24に接触し、スクリーン24で液体
状に凝縮する。メッシュスクリーン材24は蒸発したはん
だ材料19を吸収するためにおよそ燃焼器具用芯のような
吸収性部材として作用する。吸収性メッシュ構造は、底
部表面で液状に濃縮されていた材料を上部表面36に凝縮
した材料として吸い上げる。上部表面36で、スクリーン
が加熱されるために再蒸発させられ、装置本体10内部で
再蒸発させられた材料は、従来の方法でマスク16を通っ
て基板14上に堆積する。驚くべきことに、メッシュ若し
くはスクリーン材24の使用によって発生するスピッティ
ング（Spitting）の量を大幅に減少することがわかっ
た。このスピッティングの減少の理由についてはまだ完
全に解明されていない。しかしながら、そのことは、メ
ッシュに含まれた材料が、カップ若しくはるつぼ18内部
にあるような同質で大きい質量の材料19を有しておら
ず、むしろスクリーン部材24のワイア間の隙間におかれ
た非常に大量の小さい目立たない集合体がスクリーン内
に吸収され保持されるという事実のためであるといるこ
とが少なくともある程度信じられている。大きな１つの
集合体というよりもむしろ、大量の非常に小さい目立た
ない単位の材料としての分布のために、スピッティング
を引き起こす条件、即ち、対流加熱におけるガス気泡の
発生が起こらず、そのためスピッティングの発生も抑制
されるということが信じられている。しかしながら、い
かなる理由であっても、気相付着のための材料源として
スクリーン若しくはメッシュ部材24内部に含まれた材料
の使用が、はんだ合金の気相付着において発生するスピ
ッティングの量を十分かつ顕著に減少させるということ
が信じられている。

付着材料で充満したメッシュと称し得るものを利用す
ることのメリットは、基板にマスクを介して付着される
材料の配列をより規則的に抑制させることができること
である。このことは第３図に示されており、同図には、
スクリーン材24aが一般的に半球の若しくはドーム型の
形状に形成されているように示されている。メッシュス
クリーン材24aは、メッシュスクリーン材24と同じ材料
であるが、ドーム形状をしており、自立した硬質材料で
あるから、蒸発材料源を供給するために所望の形状に形
成することができる。好ましい実施例において、基板は
ドーム型部分に配置されているから、同様な形状をした
メッシュスクリーン24aは、スクリーン24aからはんだ材
料が再蒸発し基板に当たるように、蒸発材料の配列を非
常に厳密に制御し、かつより一様にすることができるよ
うにする。スクリーンは一定の高さで材料源として作用
する。るつぼ若しくはカップ18内の材料がなくなったと
しても、このスクリーンの形状が全付着周期の間、基板
の厚みの均一性の制御を高める。もちろん、スクリーン
材の他の形状も使用することが可能であり、当業者に理
解されるように、基板上への材料の付着のいかなるタイ
プの制御が要求されるのかに依存している。

上記の実施例において、加熱されたメッシュスクリー
ンは、カップ18から飛来する蒸発材料の凝集器として、
及びさらにその材料が凝集されてから材料を再蒸発させ
る手段として作用する。その理由は、間近なカップ18と
スクリーン24との間の蒸発材料とスクリーン24とドーム
12間の蒸発材料との間の蒸発圧の相違のためであると信
じられている。そして、その蒸気圧は非常に低い。した
がって、同じ温度で、より高い蒸気圧は凝集を引き起こ
し、より低い蒸気圧は蒸発を許容する。

基板上に材料19を付着させる好ましい方法は、材料19
が凝集し、その中を通過し、材料をすぐに再蒸発させる
スクリーン上に向かって、カップ18から連続して材料19
を蒸発させている間、スクリーン24内に充満される材料
を供給するために他の技術が用いられ得ると理解されて
いる。例えば、分離した工程が準備され得る。それは、
最初に材料が、気相付着によるか、液方式で材料を浸漬
するかのどちらかでスクリーン上にしみ込ませ、次に、
スクリーンがチャンバ内に移動し、所望の基板上に材料
を蒸着させるために加熱する。この代りに、材料をその
中に含浸されるか、その他の方法で含ませたスクリーン
を用いることもできる。そして、それらは蓄えられ、必
要な囲いの中に入れられ、バッチ型操作のように加熱さ
れる。

スクリーンを加熱する形式は重大ではないことがさら
に理解されている。そのような加熱は、上記のように抵
抗加熱、イオン衝撃加熱、赤外線加熱、レーザー加熱、
グロー放電加熱等によって、RFコイルによる加熱に加え
て行なわれ得る。さらに、本発明は鉛−スズはんだ材も
しくは同等のはんだ材の付着に限定されるものではない
が、材料が基板上に気相付着されることが要求される他
のプロセスにおいて用いられ得る。

本発明の重要な側面は、付着されるべき材料が、メッ
シュ材内部に維持又は保持され、ここから基板上へ蒸発
し、メッシュ材内部に保持され、当該メッシュ材が材料
の支持として作用し、そこから材料が上記の利点をもっ
て蒸発するというところである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る気相付着装置は、
しずく状のものを付着させ基板表面を荒らくする原因と
なるスピッティング（spitting）の発生を防ぐことがで
きるとともに、気相付着された基板の品質の向上並びに
生産性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体基板上にはんだを気相付着させるときに
用いられる本発明に係る気相付着装置の縦断面図、第２
図は本発明にしたがって基板内にはんだ材を蒸着させる
ための組立体の分解組立斜視図、第３図は本発明に従っ
てわずかに変形した型のカップ組立体の縦断面図であ
る。 10……気相付着装置本体（装置本体）、 12……ドーム型部分（天井部）、 14……半導体基板（基板）、 18……るつぼ（材料貯留手段）、 19……はんだ材（金属材料）、 20……開口（開口部）、 24a……メッシュスクリーン（メッシュ部材）、 32……誘導加熱コイル（加熱手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アドルフ・アーネスト・ウイルシイング アメリカ合衆国ヴアーモント州サウス・ヘ ロ、ボツクス418、アール・アール１番地 (56)参考文献 特開 昭63−38569（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−54075（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上端部に開口を有する、気相付着すべき金
   属材料を収容するるつぼ手段と、 上記るつぼ手段を加熱する手段と、 上記るつぼ手段を内部に収容し、気相付着室を与える装
   置本体と、 上記るつぼ手段の開口を覆うように設けられたメッシュ
   部材とを有し、 上記装置本体は、上記るつぼ手段の上方に、複数の基板
   をドーム状に配列して取り付けることができるように構
   成されており、 上記メッシュ部材は、上記ドーム状と対応するドーム型
   形状に形成されており、さらに上記メッシュ手段は、蒸
   発した上記金属材料を凝集して吸収し、上記基板に面す
   る上記メッシュ部材の表面から上記金属材料を再蒸発さ
   せることを特徴とする気相付着装置。