bondtechボンドテックについてテクノロジーマーケットプロダクト




ボンドテックは、半導体の3次元積層化技術でキーポイントとなる「表面活性化による常温接合プロセス」の第一人者、東京大学の須賀唯知教授の指導のもと、量産への移行を実現する、低真空化や大気中での常圧接合を可能とする技術に注力し開発してきました。量産工程では、必ずしも室温にこだわらず、150℃程度の加熱や加圧を併用し大気中での接合を実現。さらに、接合材料により最適な表面活性化方法を使い分けを行っています。また、従来の原子ビームによる方法を応用し、特異な処理をすることで真空度を超高真空から低下させ、化合物半導体など異種材料の接合を実現しました。さらに、金(Au)や銅(Cu)においては低真空プラズマでのアルゴン(Ar)エッチング処理により、Siやガラスであればプラズマ親水化処理により大気中接合を可能とします。従来の静電力を伴う陽極接合をプラズマ表面活性化と兼用することで、ボイドレスな低温接合を達成しました。



SABのメリットとして、まずは異種材料同志が常温で接着剤を介さずに直接接合できる点が上げられる。これは太陽電池やソーフィルターのようにエピタキシャル成長でなく直接異種材料を張り合わせることで新たな材料が作れる分野や3次元実装において新たな画期的な分野を創造するだろう。現実、特に材料の分野では、既に量産がスタートしている。

①Arボンバードメントによる超高真空中での常温接合|化合物半導体など異種材料
従来から研究されてきている常温接合といえば、この方式であり、超高真空中でのArイオンやAr原子のボンバードメントにより、接合表面の酸化膜や付着物(コンタミ)を除去し、表面原子の結合手であるダングリングボンドを露出した状態を作ります。これを両接合面に施した後、超高真空中で接合面同士を接触させ、ダングリングボンド同士での原子レベルでの接合を得る方法で普通では接合できない化合物半導体など異種材料間での常温接合を達成します。ただし、再付着分子を抑えるためには、10-10乗torrという超高真空が要求され量産への移行の妨げとなっていました。ボンドテックではこの超高真空中での処理においても特異な処理を行うことで真空レベルの低下を達成し、かつ大面積においても均一な処理が可能となりました。



②Siナノ接着層による酸化物接合
2つ目にSABではイオン結晶性の材料が接合できない点がある。これは酸化膜や窒化膜などであり、半導体では接合したい材料となり、半導体への適用が遅れている原因でもあった。これに対応すべく一つは上述した親水化接合への適用であるが、もう一つの方法として活性化処理の間に中間層としてSiスパッタする方式である。本方式においては1層に満たない程度のSi原子を界面に介在させることでイオン結晶性の材料でも接合を可能とした。また、いかなる材料へも適用することができアプリケーションが広がっている。

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例えば、現在使用されているプロセスにおいても表面を活性化することで、低温、短時間接合できるようになり、アライメント精度の向上やスループットの向上、酸化膜の介在しない理想的な接合界面を得ることができる。このように既に量産されているプロセスの改善にも有効である。本文やでは常温である必要性はなく、自動ハンドリングできる150~200℃程度の加熱を良しとした低温加熱を許容することで接合可能分野が広がる。3次元実装やMEMSの分野においては現状プロセスの改良のかたちでスタートしている。



①ハンダの固相拡散接合(半導体) /  Solder bonding by SAB for Semiconductor Packaging
一つ目に従来のハンダ接合に対する適用である。この分野では酸化膜があるために融点よりも高温にして酸化膜を含めて拡散する必要があり、また、加圧力で酸化膜を押し破りながら接合する必要がある。しかし、表面活性化することで酸化膜除去した状態で真空接合できるため融点での理想的なハンダ溶融をさせることで低温、短時間拡散が可能となる。また、固相での仮接合が可能となるため、仮接合と本接合を分けることやアニールによる固相拡散を使うことで量産性をアップさせることができる。



②Arプラズマによる大気中での金属電極低温接合(光素子、Memory) / Atmosphere SAB by Ar Plasma for LD, Memory
接合面を酸化や付着がしにくい材料であるAuやCuに限定することで低真空(10-2torr)で処理するプラズマ装置で扱うことができ、かつ、1時間以内なら大気中でも接合できる方法です。これは大気中接合など再吸着物がある状態での接合になり、いくらかの加圧力と低温での加熱により、接合するというものです。量産化へ耐えうるプロセスとして確立されました。




③プラズマ陽極接合(MEMS) / Anodic Bonding by SAB for MEMS
MEMSの封止に使われる陽極接合(アルカリガラスとSiを400度程度の加熱のもと1000V程度の電圧を印加することでガラス中のアルカリを酸素とナトリウムに分離して界面で酸素とSiの接合する技術)と表面活性化を前処理として併用することで、低温、ボイドレス、低アウトガスを達成します。 陽極接合で必要だったアルカリの分解は低減するため結果として、酸素によるアウトガスが激減し、真空度を保つためのゲッター材が不要になるという相乗効果が生まれます。




④プラズマ親水化接合 / Hydrophilic bonding for CIS
4つ目に従来の水を介在させた大気中での親水化接合への適用がある。この分野はRIEプラズマを使用して活性化はするが十分なOH基の生成ができないために水を介在した大気中でしか接合強度を確保することができない。大気中でウエハを張り合わせると空気を巻き込んでボイドとなるため、ウエハを撓ませてセンタープッシュによる方法で中央から外周へ接合を押し広げることで空気の巻き込みを防止しようとしている。しかし、パーティクルや濡れ速度にも大きく影響されるため、CMP研磨して表面状態を良くした上に、パーティクルを除去する工程が必要になる。また、プラズマ処理は真空処理であるにも関わらず大気中で張り合わせる必要があるため、大気→真空→大気を繰り返す必要性からスループットが低下する。それを補うためにプラズマや洗浄装置を2台構成とした効率の悪い量産装置となっている。この分野にSABを適用すると前述の発表にあったようにArビーム処理と同時にSi粒子ビームを照射することで接合界面のOH基の量を増やすことで真空中でも接合強度を確保することができる。また、シーケンシャルプラズマと呼ばれるRIE処理の後にラジカル処理を施す方法でもOH基を増やすことができ、真空中での接合強度をアップさせることが可能となる。真空中で接合させることで空気の巻き込みなく、過分なパーティクル除去も不要となる。また、ウエハを撓ませないのでアライメント精度も向上する。スループット上も真空中での活性化処理→真空接合とつながるためスループットの向上と装置の簡素化が図れる



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次にSABに対応した装置展開について解説する。まずUHVの真空化でアライメント接合できる装置を紹介する。従来は大気中でアライメントしてジグでウエハをクランプし、真空チャンバーへ移載した後にスペーサを外して真空中で接合する方式であった。しかし、真 空チャンバー中でスペーサを抜く時のずれやスペーサを挟んだ状態で加熱すると位置ずれを発生する課題があった。弊社方式では直接真空チャンバー中で接合直前に赤外透過認識してアライメントすることで位置ずれなく接合することができる。また、接触時の位置ずれを修正する機能もあり300mmウエハでも±0.2μmの接合後精度をキープすることができる。UHVという真空化でアライメントできるアクチュエータとしてピエゾを使用し、チャンバーの外から赤外透過カメラで認識する画像処理を使用する。赤外透過ではコントラストが悪い画像でも高精度に認識するMagicVisionと呼ぶソフトウェアと6軸方向のアライメント機構を持つピエゾアクチュエータにより構成される。露光機のような平面的なX,Y、θの3軸アライメントに対し、2つの面を合わせて加圧しても位置ずれさせないためには各あおり方向も含めた6軸の位置合わせが重要となる。


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①超高真空環境の量産化対応 / Equipment for mass production in UHV
SABのデメリットとしては1つ目にUHVという真空度が必要なことである。これは折角、活性化して結合手を露出させても不純物が存在する環境では対象ウエハと接合前に不純物と結合して活性化能力が落ちるためである。このUHVという環境は真空引きにベーキングや時間を要するため、研究開発余とでは使われても量産装置では使いにくいという課題があった。しかし、現在では接合チャンバーにロードロックチャンバーを設けることでスループット向上に成功している。


②大口径対応Arビームソース / Ar Beam Source for Scanning Large Area up to 12'
2つ目に従来のArビームソースでは小さなサンプルは処理できてもウエハのような大きな表面を均一に処理することができなかった。3インチウエハぐらいが限度であり、そのため研究開発の域を抜け出る妨げとなっていた。そこで、今回スキャン可能なArビームソースを開発し大面積を均一に処理することが可能となった。12“ウエハの量産機への適用している。


③Siナノ接着層対応ビームソース / Special Beam Source for Si Nano-adhesion Layes
3つ目にSABではイオン結晶性の材料が接合できない点がある。これは酸化膜や窒化膜などであり、半導体では接合したい材料となり、半導体への適用が遅れている原因でもあった。これに対応すべく一つは上述した親水化接合への適用であるが、もう一つの方法として活性化処理の間に中間層としてSiスパッタする方式である。本方式においては1層に満たない程度のSi原子を界面に介在させることでイオン結晶性の材料でも接合を可能とした。また、いかなる材料へも適用することができアプリケーションが広がっている。
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