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1 高効率 MEMS 融合製造技術 - 話題提供 : 低ダメージ接合技術 - 独立行政法人産業技術総合研究所 高木秀樹 Youn Sung-Won 栗原一真 松本壮平 高橋正春 2010/05/14 東北大学 1

2 融合 MEMS デバイスを効率良く作る 異種デバイス融合プロセスの高効率化 サイズフリー集積化技術 接合技術 高精度 高速 一括アセンブリ技術 デバイスごとの最適化 (SoC,WLP,SIP, SIP サイズフリー ) 大面積貫通配線基板製造技術 大口径ウェハ貫通エッチング技術 成型技術を用いた高効率製造技術 インプリント成型による配線パターン作製技術 微細成形 MEMS 製造技術 射出成型による MEMS の作製 2

3 サイズフリー集積化 大面積一括集積化技術 常温接合技術 アナログ RF MEMS キャリアウェハ キャップウェハ キャリアウェハプロセッサ+インターポーザキャリア上にチップを配置サイズの異なるチップを一括接合転写 キャップ パッケージング ウェハサイズ/ チップサイズの制限がない MEMS プロセッサ アナログ ect. デバイス作製ウェハプロセスの個別最適化 TSV インターポーザによる多層積層構造 パッケージング 封止構造 キャリア基板への仮接合 / 剥離 デバイス/ 仮接合部への影響が無い常温 / 低温接合技術 3

4 大口径貫通配線基板作製技術大口径 (12インチ) 基板への貫通配線作製 大口径ウェハ深堀エッチング技術 メッキと CMP による配線埋め込み技術 System in PKG 3D Stack PKG MEMS PKG Cu φ 30 um 貫通電極 X 線透過像 250um 断面顕微鏡写真 4 提供 : 大日本印刷 様

5 大口径貫通配線基板作製技術インプリント成型による配線パターン形成 転写パターン メッキ配線パターン 5

6 研究開発体制 : 高効率 MEMS 融合製造技術 産業技術総合研究所全体統括 サブテーマリーダ : 高木秀樹応用開発 : 松本壮平 サイズフリー集積化技術サブテーマリーダー : 高木秀樹 低ダメージ高信頼性接合技術 ウェハ一括チップ接合技術 接合装置共同開発 デバイス応用開発 装置メーカ群 サブテーマヘテロ集積化量産試作デバイスメーカ群 大口径貫通配線基板技術研究分担者 :Youn Sung-Won 高橋正春 大口径ウェハ貫通電極形成技術 貫通配線基板作製評価 配線基板メーカ 微細成型大面積配線パターン形成技術 微細成形 MEMS 製造技術研究分担者 : 栗原一真 MEMS 構造射出成型技術 配線パターン一括成型技術 成型装置プロセス共同開発 射出成型装置プロセス開発 デバイス応用開発 装置メーカ群 装置メーカ群 デバイスメーカ群 6

7 話題提供 : ウェハ常温接合技術の開発と展開 各種接合技術 常温接合法の原理 常温接合の接合特性 デバイスへの応用と実用化 7

8 陽極接合法 電圧印加 イオン移動 Na + Na + Na + Na + ガラス シリコン 加熱 加熱温度 450 印加電圧 1kV 静電引力により無加圧で接合が可能 8

9 化学薬品による ( 洗浄 ) 処理による ( 水素結合を利用した ) ウェハ直接接合法ウェハ 表浄 表面処理はり合わせ熱処理 接合の原理 2 H H H H H H H H H H H H H H H2 接合前 > 1000 < ~1000 9

10 水素結合によるウェハ貼り合わせのモデル Hydrophilic bonding Weak Bonding Covalent Bonding R.Stengl et al., Jpn J.Appl. Phys., 28, p1735,1989 2H2+ 2+4H(or 2H2) 10

11 プラズマ処理による表面活性化 真空チャンバ 2 プラズマ処理大気中接合熱処理 N2 100~200 程度の熱処理で接合が可能表面への水酸基導入と水素結合で接合 :2など 11

12 Ar ビームエッチングを用いた常温接合 真空チャンバ 結合手 汚染物に覆われた表面アルコ ンヒ ームエッチンク 活性表面接合 真空中で表面の反応層や吸着物を除去 エネルギー的に不安定な状態を作る 接合界面の介在物を除去する 接合界面での結合形成を促進 熱処理の低温化 常温接合 12

13 常温接合体の破断面 13

14 各種表面処理による ウェハの接合強度 th [MP Pa] Te ensile Streng Ar Beam 2 Plasma Wet Treatment Annealing Temperature [ÞC] [ºC] 14

15 表面活性化常温接合の貼り合わせ実績 シリコン系材料, 2, ( 3 N 4, ガラス, ) 化合物半導体 GaAs, InP, GaP, InGaAsP, (C, GaN) 酸化物 ( 若干の熱処理が必要な場合有り ) Al 2 3, Ta 2 5, LiNb 3, LiTa 3, Ti 2, Zr 2, Hf 2 (IT, ) その他 Au, Ag, Al, (SUS) 15

16 異種材料接合と熱膨張係数 Al 異種材料の接合熱膨張の違いによる応力表面活性化法が有効常温 or 低温熱処理での接合 0-6 /K] 係数 [ x 1 熱膨張 LiTa3 (300 ) LiNb3 (300 ) LiTa3 LiNb3 BaTi3 Gd G Gd3Ga512 GaAs (300 ) 2 ( 水晶,300 ) 2 ( 水晶 ) Zr2 Al23 ( サファイア ) AlN C 3N4 PZT Ag Cu Ni Fe Ti Nb Mo W 0 2( 溶融石英 ) C 16

17 従来のウェハ直接接合による と LiNb 3 の接合 ( 熱処理後 ) 150 の熱処理でクラック発生ク発生 17

18 LiNb3,LiTa3,Gd3Ga512 と の接合 15 gth [MPa a] 10 Tens sile Stren 5 Crac cked Crac cked 0 RT 100ÞC ºC 150ÞC ºC RT 150ÞC ºC RT 150ÞC ºC 200ÞC ºC RT 300ÞC ºC 400ÞC ºC SAB SAB SAB SAB c-wb c-wb c-wb c-wb /LiNb3(128Þ-Y) º- /LiNb3(Z-Cut) /LiTa3 /Gd3Ga512 c-wb: 従来のウェハ直接接合 SAB: 表面活性化常温接合 Crac cked Crac cked 18

19 と LiNb 3 ウェハ接合体の破断面 表面活性化法は異種材料の接合法として有効である と酸化物は常温で接合が可能である. LiNb3,LiTa3,Gd3Ga512, LiTa3 サファイア 19

20 ウェハ常温接合の応用分野 SAW フィルタ圧電材料 異種ウェハ接合 ( 熱応力 ) Photonic III-V 半導体 Layer Transfer ウェハ常温接合 3 次元 LSI その他 マイクロデバイスの高精度接合 MEMS パッケージング 3 次元実装 20

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