低温大気圧接合による 材料ハイブリッド化手法および装置 ·...
TRANSCRIPT
1
物質・材料研究機構
環境・エネルギー材料部門
ハイブリッド材料ユニット
氏名 重藤 暁津
低温大気圧接合による
材料ハイブリッド化手法および装置
2
本日お話しする内容
簡単でエコな異種材料のハイブリッド化手法とその装置開発経緯
“簡単”とは
材料の種類を問わない単一の手法であること
プロセス条件の制御が容易であること
“エコ (Eco-logy and -nomy)”とは
低消費電力化につながる要素を持つこと（低温，大気圧など）
低毒性なプロセスであること
誰にでもできるプロセスであること（既存生産ラインに適用可能であること）
ウエアラブルデバイスなどの可撓性を要する薄型軽量エレクトロニクス実装技術
軽量ハイブリッド構造材料ならびに信頼性モニタリングデバイスとの複合化
超伝導材など界面での性能劣化に敏感な材料の接続
3
1. 技術背景 なぜ今「ハイブリッド接合」が必要なのか ハイブリッド接合のために何が必要か
2. 接合性の創製の手順：ツールとして接合技術を用いるために 従来手法の紹介：最も理想的な表面から 表面の何をどうやって「いじれ」ばいいのか？ なぜ今までハイブリッド接合は難しかったのか？ 常在雰囲気に近づけるためには何が必要か？
3. 低温大気圧雰囲気での有機 / 無機材料ハイブリッド化 最も簡単な“接着材”としての水＋真空紫外光 (VUV) を用いた手法の紹介 完全大気圧プロセスへの展開と接合事例 実用化への課題
4. むすび
目次
4
2. 有機・無機混載による新規なデバイス開発
1. 単一材料内では相反する物性を同時に獲得
Metal interconnection
Analog, logic, MEMS, sensors,RF, bio/organic substrates …
Application-orientedな個別基板の3D積層
なぜハイブリッド「接合」が必要なのか
5
可撓性基板・材料
Changes in interconnection pitch
ハイブリッド接合になにが必要か
1. 薄い層構造の積層: バンプレス構造
アライメント精度：無機-有機構造のCTEミスマッチ可撓基板の応力：接合“面”全体の変形による吸収
＝異種材料の混載表面
3. 大気圧で実行可能なプロセス
有機材料の真空中での脱ガス真空中へのハンドリング機構封入の困難さ真空雰囲気維持のための消費電力・真空系統
＝制御性の良いプロセス
2. プロセス温度の低下: 概ね < 150 oCアライメント精度：CTEミスマッチ有機材料の耐熱性
4. 異種材料への汎用性： シングルプロセス
混載表面の接続と信頼性確保
6
1. 薄い層構造の積層: バンプレス構造 3. 大気圧で実行可能なプロセス
2. プロセス温度の低下: 概ね < 150 oC 4. 異種材料への汎用性： シングルプロセス
ハイブリッド接合になにが必要か
従来接合手法で達成ずみ 従来手法では同時達成が困難
Bonding Technologies Done Not Yet Done
Diffusion-based technologies(Reif et al.) Solder-based technologies(Leti, Fraunhofer etc.)
- High bond strength - Low process temperature- Ambient pressure - Materials compatibility- Simple process - High alignment accuracy (CTE)- Short TAT, low cost
Combination of oxide bonding and diffusion-based technologies (Zibond etc.)
- Low process temperature (SiO2) - Low process temperature (Cu)- High alignment accuracy (CTE) - Dry process- Bumpless structure - Simple process- High bond strength - Materials compatibility- Ambient pressure
Adhesives, nano-particles, ALD, and pastes (Tohoku University etc.)
- High bond strength - Low process temperature- Simple process - High alignment accuracy (CTE)- Ambient pressure - Bumpless structure- Short TAT, low cost - Simple process
Beam-induced technologies (Tokyo University etc.)
- Low process temperature - Ambient pressure- Bumpless structure - Simple process- High bond strength - Materials compatibility- High alignment accuracy (CTE)
7
従来手法による低温接合：表面活性化？手法 (SAB)
Type A:Surface activation method based
on dry etching process Direct bonding at room temperature
Type B:Ultrathin metal film as nano-
adhesion layer Simultaneous sputter deposition
H. Takagi et al. Appl. Phys. Lett. (1996)
材料の内部結合メカニズムにより適用可能手法が異なる
8
Outside Cu frame Inside Cu frame
Changes in contact resistance SEM images of bonded 6-um-pitch electrodes
100万ピンレベルの一括接続 Cu直接接続に基づく低接触抵抗率
封止枠構造を作り込むことにより接続と封止を同時達成
実用化事例1 : 表面活性化（SAB）手法
6um ピッチCuバンプレス電極の接続
A. Shigetou et al. IEEE Trans. Adv. Pkg. 2008
9
実用化事例2 : 表面活性化（SAB）手法
From: http://www.su.t.u-tokyo.ac.jpNMBI（Neo Manhattan Bump Interconnection）
Cu電極やCuクラッド材製造技術への応用
10
Unpredictable formation of oxide or hydroxide
Si - LiNbO3 bond interfacehttp://www.su.rcast.u-tokyo.ac.jp/ja/06-publications/2003-06.html
SiO2 – SiO2 bond interface： A. Shigetou et al., Proc. IEEE ECTC 2010
ビーム衝撃による表面清浄化とメタルイオンスパッタによる成膜の同時進行
接合界面は金属 / 金属
その他窒化物膜，酸化物膜なども利用可能
中間層の膜厚・化学的構造制御が困難
実用化事例3 : Nano-adhesion layer手法
極薄金属膜同士の結合力の利用
11
低温大気圧では化学的要因と機械的（物理的）要因が同時に顕在化
なぜ低温大気圧の同時達成は難しかったのか
接合プロセスの通常の進行順序：
① 均一な初期表面の創製：“きれいにする” “おきかえる” など
初期吸着物皮膜の構造の理解ならびに除去や還元などの改質方法設計
② 接合実行環境での吸着制御：“つもらせる”
清浄な表面に対する各種分子の吸着挙動の明確化
吸着分子層発生が不可避の場合は架橋能の発現
③ 接触（＋加圧・加熱）：“さわらせる” “反応させる”
プロセス最適化の手順はプロセス進行順序とは異なる（材料によらず共通）
①＋③：機械的要因の最適化
表面改質に伴う形状変化の把握，
改質プロセスウィンドウの明確化
②：化学的要因の最適化
どの程度まで吸着を許容するか
どのような架橋層を形成するか
12
Cu薄膜理想表面に対するプロセス条件最適化事例
L 2helastic sinusoidal surface
rigid flat surface
(a)
uncontacted contacted(b)
(c)
p
最適エッチング量： 8 – 15nm①＋③（機械的要因）
，h 2
LE *
32(1 *2 )
1
E* 1 1
2
E1
1 2
2
E2
←表面からの深さ方向の化学的結合状態変化
弾性接触理論に基づいた完全接触条件の算出↓
表面からのエッチング深さと平均粗さの関係
13
②（化学的要因）クリティカルな吸着量（下記事例ではおよそ10分子層）の明確化
Change in debonded area corresponding to the amount of exposure
TEM images of Cu-Cu bond interface obtained at good exposure below 0.1 Pa・s
常温接合の場合：連続的な皮膜が形成される露出量 (酸素) ~ 0.2 Pa・s
A. Shigetou et al., IEEE Trans. Adv. Packg. (2006) etc.
Cu薄膜理想表面に対するプロセス条件最適化事例
14
常在雰囲気に近づけるためには何が必要か？
数十nm
初期吸着分子皮膜
大気圧雰囲気 = 中間層（皮膜）が残存することを前提にした接合
ある程度の加熱（150程）の低温加熱は許容される
中間層を貫通した母材原子の拡散＝接合強度の増加と導通の確保
まず考えつくこと＝中間層の厚さ制御
目的温度における内部原子の拡散距離＞吸着分子層厚であれば良い
Cu at 150 10min：<15 nm
新たに形成された吸着分子層
例：Cu 表面
15
TEM cross sectional images. No readily visible interfacial layer was found at positions (A) and (B).
高純度酸素雰囲気で清浄表面への酸化物（Cu2O）生成速度を制御：約10nm以下に
酸化物が残存する状態で十分な接合性を確保
皮膜厚が制御されていれば導電性にも大きな問題はない：約4umΩ・cmを1501000時間確保
EELS spectra of Cu and Oouter shells. The compositionof interfacial layer wasidentified as CuO. (Shigetou etal., Apply. Phys. Exp. 2009)
中間層はCuOに変化→周辺に酸素拡散で粒界状界面は消失
常在雰囲気での基礎的なCu-Cu接合事例
16
低温大気圧雰囲気でのハイブリッド接合
接着材としての”水”
Ar-FABからVacuum Ultraviolet (VUV) へ
接合事例
17
新手法ver1：表面活性化手法と水和物架橋の組合せ
Relationship between volume humidity and thickness of bridging layers
Outline of vapor-assisted surface activation bonding:Tight bonding was achieved at 150
水を接着材代わりに用いる 材料の種類を問わない単一プロセス 架橋層厚は体積湿度（g/m3）で一意
に制御可能
大気圧低温雰囲気でのポイント：皮膜に架橋能を持たせてしまおう！
A. Shigetou et al., J. Electr. Matr. 2012
18
Cu, SiO2, ポリイミドのハイブリッド接合を
High temperature storage testingresults of Cu-Cu bond interface: at150 for 1000 hours
TEM images of hybrid bonding materials among Cu, SiO2, and polyimide (Shigetou et al., J. Electron. Mater. 2012)
Cu-Cu接合界面においては1501000時間の高温放置試験後も4 umΩ・cm程度の低抵抗率を達成
アモルファス状の中間層を介して密着
新手法ver1：接合事例
19
① 全工程を大気圧で実行する = 何らかの気体分子吸着が避けられない環境
② 完全な “表面活性化” はほぼ不可能だし，必須でもない
Cu-Cu bond interface created in dry oxygen at 150: Oxide growth was controlled to be less than Cu volume diffusion distance at 150 (Shigetou et al., Appl. Phys. Exp. 2009)
Dry oxygen conditionTunable oxide thicknessVoidless adhesion10-nm-thick CuO layer at
interfacesGood conductivity after 1000
hours at 150
全プロセスを大気圧雰囲気で実行：
新手法ver2：真空紫外光 (VUV)と水和物架橋の組合せ
20
<Scale distribution>
Gas molecules Bacteria
Cells
Veins, nerves
Virus
Fibers
皮膜構造と生成速度が制御容易 = 何らかの“透過”を要するデバイスに良い
透明有機基板材料 ポリジメチルシロキサン（PDMS）とSi系一般半導体基板に用いられる材料（quartz, Cu, Ti）の大気圧低温接合を試みた
MEMS分野：
バイオセンサ，医療デバイスならびにそれらのセンサネットワークなど
光学分野：
低損失導波路，波長フィルタ，高効率光素子など
構造材料など：
軽量・生体親和性構造材料や信頼性評価機能を有する材料への展開
新手法ver2：応用のターゲット
21
←Binding energies of chemical groups and corresponding light wavelengths
Fundamental structure of PDMS
Low toxicity: Elimination of ozone formation
大気圧窒素雰囲気で実行可能＋材料の種類を問わない
Bonding species
Binding energy Wavelength (nm)
新手法ver2：なぜ真空紫外光を用いるか
22
新手法ver2：VUV/vapor-assisted 接合プロセス
A. Shigetou et al., Proc. IEEE/CPMT ICEP 2013 etc.
VUV (wavelength 172 nm) in N2 at 0.9 atm
Atomized water, atcontrolled humidity
Heating at 150after contact
Outline of bonding process Schematic of bonding apparatus
In-situ surface analyses before / after surface modification
23
新手法ver2：VUV/vapor-assisted 接合プロセス
VUV / vapor-assisted 手法により水和物架橋が形成されることを確認した
Change in chemical binding status of PDMS (left) and Cu (right), after VUV irradiation (upper) and vapor introduction (lower), with parameter of volume humidity.
24
PDMS-PDMS interface
Cu- PDMS interface
No readily visible void
Higher die shear strength than the film base
Diffusion of Cu ion into PDMS bulk (as oxide)
Recrystallization atbond interface
新手法ver2：低温大気圧接合事例 （その他も多数事例あり）
25
実用化に向けた課題：大面積化
10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 単位：m
構造材料各種機械システム，アセンブリ
小型軽量電子機器
有機，生体親和性材料
全ての材料系とスケールに適用可能な複合材料創製ツールとしての接合技術
MUST!微小欠陥からマクロな破断に至るまでのスケールを跨いだ信頼性評価技術
計算機科学が不可欠：マルチスケール解析が可能な企業との連携に期待
26
異種材料複合化の必然性からハイブリッド接合の需要が生まれたこと
を解説し，ハイブリッド接合手法の一例として各種ビーム照射に基づく方
法を紹介した．
良好な接合性を得るために必要なパラメータを挙げ，プロセス簡易性と
併せて最適化する手順を示した.
大気圧低温環境で異種材料を接合するための新手法 VUV / vapor-assisted手法を提案し，その概要と接合事例を紹介した．
実用化の課題として接合面積の拡大を挙げ，微小欠陥からマクロな破
断に至るまでの経時的な観察が必要であることを述べた．
ご清聴ありがとうございました
むすび
27
本技術に関する知的財産権
発明の名称 接合装置と接合方法
出願番号 特願2013-064468
発明者 重藤暁津，岡田愛姫子，水野潤，庄子習一
出願人 独立行政法人物質材料研究機構，早稲田大学
発明の名称 金属材の拡散接合方法および金属材の拡散接合装置
出願番号 特願2013-184450
発明者 重藤暁津，水野潤，庄子習一
出願人 独立行政法人物質材料研究機構，早稲田大学
28
お問い合わせ先
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
外部連携部門 研究連携室 技術移転チーム
ＴＥＬ：０２９－８５９－２６００
ＦＡＸ：０２９－８５９－２５００
e-mail： [email protected]