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集積マイクロシステム研究センター
ウェハ常温接合技術
独立行政法人 産業技術総合研究所
集積マイクロシステム研究センター
高木 秀樹
2010/08/05 MEMS集中講義＠産総研つくば 共用講堂
集積マイクロシステム研究センター
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
– 半導体デバイスへの応用
– SAWフィルタへの応用と実用化
– MEMS用接合装置
• 今後の展望
集積マイクロシステム研究センター
ウェハスケール一括接合による
MEMSパッケージング
集積マイクロシステム研究センター
各種ウェハ接合法
接合法
接合部構成
中間層形成法
接合温度 加圧力
気密性
ポリマー
スピンコート
パターニング
<200℃
0.1～
数MPa
△
ガラス
フリット
スクリーン印刷
プリヒート
>400℃
微小
○
水ガラス
スピンコート
<200℃
微小
○
滴下，含浸
<100℃
<1MPa
○
HF
フッ酸
石英，ガラス
集積マイクロシステム研究センター
各種ウェハ接合法
接合法
接合部構成
中間層形成法
金属
熱圧着
蒸着，
スパッタ
接合温度 加圧力
≒300℃
気密性
0.5～
数MPa
△
金
共晶接合
シリコン
ハンダ
金
リフロー
メタライズ
Al,ポリマ ヒータ加熱
ヒータ
≒400℃
<1MPa
ハンダボール
ハンダ吐出
スクリーン印刷
プリヒート
≒200℃
微小
○
低融点金属
ポリマー
→フォトリソ
で形成
部分的
中間材
に依存
中間材
に依存
反応物
ハンダ
局所加熱
蒸着，
スパッタ
○
酸化膜
対策
必要
集積マイクロシステム研究センター
陽極接合法
イオン移動
電圧印加
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
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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
はり合わせ
表浄・表面処理
熱処理
接合の原理
Si
Si
Si
O
Si
Si
O
O
O
H
H
H
O
O
O
Si
SiO2
Si
Si
O O O
O
O
Si
Si
Si
Si
Si
接合前
O
H
H
Si
Si
Si
O
O
Si
H
Si
Si
O
O
Si
O
Si
Si
O
O
Si
Si
Si
O
O
O
Si
Si
O
O
Si
Si
Si
Si
O
O
O
O
H H
O
O
O
Si
Si
Si
H H H H H H
O
O
O
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
＜2 00 ℃
H2 O
Si
Si
Si
Si
Si
O
Si
O O O O O
Si
Si
Si
Si
O O O O O
Si
Si
Si
Si
O
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
200 ～10 00
Si
℃
＞ 10 00
℃
集積マイクロシステム研究センター
ウェハ直接接合のその場観察
表面間力による無加圧での接合形成
赤外線カメラ
ピンセットで
軽く押さえる
シリコンウェハ
（赤外線は通す）
ガラス板
赤外光源
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ウェハ間の大気中での無加圧での接合形成
（赤外線カメラによるその場観察）
自発的接合形成→無加圧接合
接合開始
（ピンセットで軽く押さえる）
1.4秒後
６秒後
12秒後
ただし
非常に平坦な表面が必要
従来のウェハ接合法では高温（〜1000℃）の熱処理が必要
集積マイクロシステム研究センター
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
2H2O+Si → SiO2+4H(or 2H2)
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化学薬品処理によるSiウェハの接合強度
[ºC]
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水素結合による貼り合わせが可能な材料
• 半導体
– Si, Ge, GaAs, InP, GaP, InGaAsP,
• 酸化物
– SiO2, LiNbO3, SrTiO3, ZrO2:Y2O3, BaTiO3, YBCO
• 窒化物，炭化物, フッ化物, 他
– B4C, Diamond, Si3N4, BaF2, CeF3, ZnSe,
• 金属
– Bi, Cu, Ta,
• J. Haisma et, al.,Appl. Opt., 33(1994), 1154 他
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プラズマ処理による表面活性化
真空チャンバ
O 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：ＳｉＯ２など
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O2プラズマ処理によるSiウェハの接合
[ºC]
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Arビームエッチングを用いた常温接合
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
接合界面での結合形成を促進
・熱処理の低温化
・接合界面の介在物を除去する
・常温接合
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Si常温接合体の破断面
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各種表面処理によるSiウェハの接合強度
[ºC]
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表面活性化接合の接合装置と接合条件
Wide Angle
Beam Source
Vacuum
Pum p
Waf ers
XY -Tilt
Ar
Z-Transf er
Inf rared Light
Source
Mirror
Glass Plat e
Waf ers
Vacuum
Pum p
真空度
５×10-6 Pa
表面活性化処理 End Hall型ｲｵﾝ源
イオンエネルギー
約60eV
エッチング時間
約３min
エッチング深さ
３〜５nm
Viewing Port
Inf rared Cam era
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パターン付き試料
集積マイクロシステム研究センター
パターンつきSiウェハ接合体
ウェハ接合体
13×13 mmに切断後
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真空中接合のその場観察
接合開始寸前
0.07秒後
0.5秒後
ウェハ接合体
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表面活性化常温接合の貼り合わせ実績
• シリコン系材料
– Si, ×SiO2, (Si3N4, ガラス,
）
• 化合物半導体
– GaAs, InP, GaP, InGaAsP, (SiC, GaN)
• 酸化物(若干の熱処理が必要な場合有り）
– Al2O3, Ta2O5, LiNbO3, LiTaO3, TiO2, ZrO2, HfO2
– (ITO, )
• その他
– Au, Ag, Al, (SUS)
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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
熱膨張係数 [ x 10-6 /K]
表面活性化法が有効
常温or低温熱処理での接合
20
LiTaO3 (300℃)
LiNbO3 (300℃)
Ag
Cu
LiTaO3
LiNbO3
SiO2
(水晶,300℃)
Ni
Fe
10
BaTiO3
Gd3Ga5O12
GaAs
Si (300℃)
Si
0
SiO2 (水晶)
ZrO2
Al2O3
Ti
Nb
(サファイア)
AlN
SiC
Si3N4
Mo
W
PZT
SiO2(溶融石英)
C
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従来のウェハ直接接合によるSiとLiNbO3の接合
（熱処理後）
150℃の熱処理でクラック発生
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LiNbO3,LiTaO3,Gd3Ga5O12とSiの接合
0
ºC
ºC
ºC
ºC
ºC
C 150Þ
C
C
C 200Þ
C
RT 100Þ
RT 150Þ
RT 150Þ
SAB
SAB
SAB
c-WB
c-WB
c-WB
º--Y)
Si/LiNbO3(128Þ
Si/LiNbO3(Z-Cut)
Si/LiTaO3
c-WB: 従来のウェハ直接接合
Cracked
Cracked
5
Cracked
10
Cracked
Tensile Strength [MPa]
15
ºC
ºC
C 400Þ
C
RT 300Þ
SAB
c-WB
Si/Gd3Ga5O12
SAB: 表面活性化常温接合
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SiとLiNbO3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
Siと酸化物は常温で接合が可能である．
LiNbO3，LiTaO3，Gd3Ga5O12，サファイア
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常温接合によるIII-V-OI構造作製
・平坦かつ急峻な
III-V MIS界面と接
合界面
・InGaAs層にはAr
ビームによるダ
メージ無し（Al2O3
が保護層となる）
・Si基板にはAr
ビームによりアモ
ルファス形成
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メタル S/D III-V-OI Back Gate MISFET
リフトオフによるAu-Ge メタル S/D形成。
低温でのメタル S/D形成。
InGaAsエッチング。
素子分離。
バックゲート形成。
メタル S/D III-V-OI MISFET on Si。
Au-Ge
InGaAs
Al2O3
Si(001)
Al back gate
Au-Ge
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Back Gate-MISFETの
ID-VD, ID-VG特性
-4
0.4
-5
Al2O3
D
0.5
L = 500 m
G
W = 100 m
d
= 22 nm
Drain Current I (A/m)
1V
0.75 V
0.50 V
0.25 V
0V
10
D
Drain Current I (A/m)
0.6
0.3
0.2
0.1
10
-6
10
1V
0.01 V
I /I
on off
~ 10
5
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
-12
10
-13
10
15
-3
N ~ 1x10 cm
D
dInGaAs = 100 nm
d
Al2O3
= 22 nm
LG = 500 m
W = 100 m
-14
10
0
0
1
Drain Voltage V (V)
2
D
良好なトランジスタ特性。
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Gate Voltage V (V)
G
良好なIon/Ioff比 ~ 105、
S.S.~170 mV/dec。
6
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15
InGaAs-OI ND ~ 1x10
Effective Mobility, 
eff
2
(cm /Vs)
Back Gate-MISFETの電子移動度
d
InGaAs
1000
1.8x
500
cm
-3
= 100 nm
ALD-Al O
2 3
11 nm
22 nm
44 nm
Si universal
 = 1/2
0.1
Effective Field, E
eff
1
(MV/cm)
・広い実効電界範囲にわたり、Siを凌ぐ高移動度を達成。
・埋め込み層の膜厚に依存しないことより、Arイオン照射によ
るダメージは移動度特性に殆ど影響していない。
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SAWデバイスの周波数-温度特性
許容入力の改善
IDT
LiTaO3ウェハSAW
TCF: 40 ppm/˚C
LiTaO3
Sapphier
富士通との共同研究
LiTaO3/Sapphier
接合ウェハ
TCF: 20 ppm/˚C
熱伝導率
LiTaO3: 5 W/mK
Sapphier: 42 W/mK
許容入力の増大
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Frequency and temperature characteristics
Attenuation [dB]
0
Lower loss
-10
-20
LiTaO3/sapphire
LiTaO3
Temperature characteristics
Normalized Frequency
Resonator response
1.003
LiTaO3/sapphire
LiTaO3
1.002
1.001
1
0.999
0.998
0.997
-50 -25
-30
1700 1800 1900 2000 2100
Frequency [MHz]
0
25
50
75 100
Temperature (deg C)
LiTaO3/sapphire has lower loss and better thermal stability.
Miura, et. al, 2nd International Workshop on Low Temperature Wafer Bonding for 3D Integration
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Antenna
SAW filter die
Tx
Applied power
0.8 W at 60 °C
Tx Rx
LT/sapphire
100
90
80
70
60
90
80
70
60
LT/sapphire suppresses heating
Temperature characteristics and power
durability improved.
Temperature [°C]
Rx
Temperature [°C]
Ceramic package
LT
Tx
Rx
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常温接合装置の開発と市販化
研究試作用接合装置
・1セット（1接合）単位の処理
・研究試作用ながら高いスループット
・搬送系、アライナ等全ての機能を
オールインワンでサポート
・わかりやすい操作（半自動）
・使いやすいユーザインタフェース
量産用接合装置
・25セット（25接合）を連続して処理（Cassette to Cassette)
・高いスループット
・強力なレシピ管理機能による多品種少量生産対応
（異種部品、異プロセス条件をセットごとに設定可能）
・高い自動化レベル：自動搬送、自動アライメント
・使いやすいユーザインタフェースと生産管理機能
資料提供：三菱重工
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ウェハ常温接合の応用分野
SAWフィルタ
圧電材料
Photonic
ＩＩＩ－Ｖ半導体
異種ウェハ接合
（熱応力）
Layer Transfer
ウェハ常温接合
その他
３次元LSI
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
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ご静聴ありがとうございました