塑性加工スタッドバンプを用いた低温接合技術の開発
東京大学

先端科学技術研究センター
准教授

日暮栄治

（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010024）

キーワード：低温接合、スタッドバンプ、コイニング

１． 研究の目的と背景

このような点から、将来の異種材料を内蔵した高集積・高光を用いた計測装置やシステムは、高感度でノイズにも強いため、さまざまな分野で使われているが、エレクト機能光デバイスの製造には、低温かつはんだを用いない固相接合も考えられる。

ロニクスとは異なる光の特殊性のため、これらの製造にかそ こ で わ れ わ れ は 、 Au-Au 表 面 活 性 化 接 合 技 術

かるコストの多くは実装工程が占めているといわれてい(Surface-Activated Bonding)に着目し、光素子の高精度る。光計測装置は、ヒートシンクに実装されて缶に封入さ高信頼性低温接合技術（接合温度：室温～150 ℃）を確立れた半導体レーザ(LD: Laser diode)やフォトダイオードすることを目的に研究を進めてきた 4-9)。しかしながら、(PD: photodiode)、レンズ、光ファイバなどのバルク個別表面活性化接合は、原子レベルで接触し凝着力が作用する光学部品を高精度に光軸合わせ・調芯することにより作製必要があるため、極めて平滑（1 nm 以下）な接合表面がされるため、数多くの部品点数を要するとともに組立工程求められる。一般に蒸着などで作製した金属薄膜の表面粗に時間がかかり、大幅なコスト低減、小型化が大きな課題

さは数 nm 程度となるため、はんだ接合に比べて大きな接であった。すなわち、光システムを低コストで小型化する合荷重（300 MPa 以上）が必要であり、さらなる低温・低ための集積技術や異種材料を混載し高機能化するための荷重接合技術の開発が強く求められていた。
そこで、本研究では平滑な接合面を塑性変形により形成接合・実装技術の開発が強く求められている。
これまで、ハイブリッド光集積技術により光通信モジュし、低温・低荷重接合を実現することを試みた。具体的にールやマイクロセンサ 1、2)など様々な光デバイスが作製さは Si 基板（表面粗さ Ra: 0.2 nm 程度）を用いて、尖ったれている。これはマイクロマシニングされたシリコン(Si)Au スタッドバンプ（Au 線を引きちぎって形成したバンプ）

ベンチ上に LD や PD といった光素子を高精度に表面実装すを加圧することにより、塑性変形を利用して平滑な Au 接ることにより、デバイスの小型化、低コスト化、信頼性向合表面を形成し、表面活性化接合により低温（150 ℃以上を実現するものである。しながら、さらなる超小型・高下）・低荷重接合を実現する。本手法は、切削などを用い密度化、多機能化には、光素子の三次元実装技術の確立がて平滑な表面を形成する手法に比べて、Si キャビティ基不可欠である。一般に光素子の実装には、金錫(AuSn)共晶板のような立体構造内に形成できるのが特徴である。

はんだ（融点 280 ℃）が広く用いられている。AuSn はんだは、熱伝導・電気伝導に優れ、降伏強度が大きく、耐熱

２． 実験方法

疲労性に優れ、クリープも小さいため、高い信頼性が得ら厚い平滑な Au バンプを実現するために、Au スタッドバれる。しかしながら、複数チップ実装のために AuSn はんンプを平滑な Si チップで加圧するプロセスを試みた。スだを用いて複数回の加熱プロセスを行うと、以下の課題がタッドバンプは、フォトリソグラフィー工程不要、バンプ

3)あった 。1)はんだ再溶融による光素子の位置ずれや狭小パターン変更に柔軟に対応可能、材料の無駄がない、MEMS部分の電気的なショートが発生することがある、2)未接合のような立体構造内に形成可能、といった特徴がある。接AuSn はんだ表面の酸化により複数チップの接合が困難に合プロセスを図 1 に示す。

なる、3)光素子を長時間、高温下（300 ℃程度）にさらす

まず、ワイヤボンダを用いて Si 基板上の Au 薄膜に Auことにより、素子が劣化してしまう、4)金属間化合物が生スタッドバンプを作製する。次に、平滑な Si チップで加成され、強度不足が生じる。そのため、信頼性の高い低温・圧することによって平たん化を行う。以下、この加圧プロ

高精度接合プロセスが求められている。

セスをコイニング(coining) と呼ぶ。その後、LD チップ

ー 114 ーSiチップ

Auスタッドバンプ

平滑な表面加圧LDチップ

プラズマによる表面活性化
LD chip

大気中でのAu–Au接合
接合温度: 25 ºC ～ 150 ºC(a)(b)
図3 バンプアレイの配置、(a)ダイシェア試験用、(b)LDチップ用

図1 提案する低温接合プロセス

ゲートバルブ

チップを用いた。Si チップのサイズは 300 μm × 300 μm ×厚さ 100 μm であり、接合面に厚さ 0.5 μm の Au 薄膜(Ra: 1.3 nm) が電子ビーム蒸着により形成されている。
また、基板には均等に配置した 16 個の Au スッタドバン
プを用いた(図 3(a))。
光素子には発振波長 1310 nm の埋込みヘテロ構造、端面発光型 InGaAsP/InP LD チップを用いた。LD チップのサイズは 450 μm ×400 μm ×厚さ 100 μm であり、接合面プラズマチャンバの電極表面は、厚さ 0.5 μm の Au 薄膜(Ra: 2.1 nm) が形ボンディングチャンバ成されている。LD チップとの接合には、LD チップの活性層への応力を低減するため、配置を工夫した Au スタッド

図2 表面活性化フリップチップボンダーの模式図バンプを用いた(図 3(b))。の Au 薄膜電極と Au バンプの表面に Ar 高周波プラズマを照射して表面活性化を行う。表面活性化の後、そのまま大３． 応力解析

気中で加熱、加圧しながら接触させ、Au-Au 接合を行う。

スタッドバンプの配置を工夫することによって加圧時

接合は、表面活性化プロセスを組み込んだフリップチッの LD チップの活性層にかかる応力を低減するため、応力プボンダーを使用した（図 2）。ボンダーは、Ar ガスの高の 3 次元弾塑性有限要素法解析を行った。解析には、MEMS周波プラズマによって試料表面を活性化するプラズマチ用設計・解析支援システム「MemsONE」を使用した。埋込ャンバとアライメントとボンディングを行うボンディン

みヘテロ構造 LD チップの活性層は、LD チップの Au 電極グチャンバからなる。ボンディングの手順は以下のようにから 5 μm の高さに位置している。LD チップの Au 薄膜行われる。まず試料(チップと基板)をのせたトレイをプラと Au 薄膜を接合するモデル（図 4(a)） と LD チップのズマチャンバにセットし、Ar 高周波プラズマによって試Au 薄膜と Au バンプを接合するモデル（図 4(b)）を比較し料表面を活性化する。LD の Au 電極表面と Au バンプ表面た。薄膜の厚さは 0.5 μm、バンプのサイズは 45 μm 角、に 3 分照射した。Au 薄膜におけるエッチングレートは約厚さ 10 μm とし、接合荷重 960 gf、活性層側の面を接合30 nm/min (プラズマパワー: 100 W)である。活性化後、するジャンクションダウン配置で接合する場合の解析をチップトレイは大気開放されたボンディングチャンバに行った。

搬送される。ボンディングチャンバ内では、試料（チップ結果を図 4(c) に示す。チップの中心からの距離と活性と基板）をそれぞれヘッドとステージに運び、上下 2 視野層に働く応力の関係を表している。薄膜どうしの接合では、カメラによるアライメント後、チップを吸着したヘッドが端部に大きな応力が発生していることがわかる。また、バ下降し、ボンディングが行われる。接合条件は、大気中、ンプを用いた場合は、活性層直下にバンプを配置しないよ

温度 150 ℃、接触時間 30 秒である。

うに工夫することによって、活性層に発生する応力を 20

接合強度の評価には、高価な LD チップの代わりに SiMPa 前後にまで低減できる。半導体量子井戸構造に 20 MPa

ー 115 ー

チップ中心

チップ中心

活性層

活性層
Au 薄膜－Au薄膜

Au薄膜－ Auバンプ(a)

10μm(a)(b)
図5 AuスタッドバンプのSEM写真、(a)コイニング前、(b)コイニング後（コイニング荷重: 450 gf）(b)

応力 (MPa)

120100

バンプ

80

薄膜60

32 [nm]4020000100200
チップ中心からの距離 (μm)

4230024(c)図4 有限要素法解析、(a)薄膜モデル、(b)バンプモデル、(c)LDチップ活性層における応力分布（荷重：960 gf）

0 [μm]

Ra: 1.3 nm

図6 コイニング後（コイニング荷重: 450 gf）のバン
プ表面の原子間力顕微鏡像

表1 コイニング荷重と表面積および高さの関係
高さ

荷重（16 バンプ）(gf)

表面積（1 バンプ）
(μm2)

(μm)

45070915.3900

1,300

10.5

1,500

1,37310.0

チップSi 基板

図7 ダイシェア試験の様子の圧力をかけても半導体の特性に影響はないことが報告

7 にダイシェア試験における測定方法を示す。この試験でされており 10)、LD チップの接合に問題なく利用できるレは、接合後の試料を装置に固定し、ブレードを一定の高さベルと考えられる。に固定したまま、一定速度で移動させながら加圧することにより破断させ、その破断に必要な剪断力を計測する。ブ

４． 実験結果

レード走査速度は 10 μm/s、走査高さはバンプの厚さをコイニングは、直径 45 μm の Au スタッドバンプ(純度:考慮して 20 μm に設定した。なお、今回使用したチップ99.99 % 以上)に Si チップ(Ra: 0.2 nm) を 30 秒間常温サイズ(300 μm×300 μm×厚さ 100 μm)における接合で加圧することで行った。基板上に 16 個の Au スタッド

強度の不良判定基準値は、MIL-STD-883F method 2019 (×バンプを作製し、バンプ全体に加えるコイニング荷重(162) において 112 gf である。

バンプ) を変化させると、コイニング後の 1 個あたりの低真空アルゴン高周波プラズマを 180 s 照射して接合荷Au バンプの表面積と高さは表 1 に示すように変化した。

重 450 gf、接合温度 150 ℃、接触時間 30 s で接合を行っバンプ全体を 450 gf でコイニングした際に 1 個のスタッた場合の接合強度は、215 gf であった。また、接合荷重ドバンプが変形する様子を図 5 に、コイニング後の Au バ

720 gf の場合は、323 gf であった。一方、プラズマを照ンプ表面の原子間力顕微鏡像を図 6 に示す。平滑( Ra: 1.3射せず、接合荷重 680 gf で接合を行った場合の接合強度nm) で厚い(約 15 μm) Au バンプが形成できた。

は 38 gf 以下であった。このことから、プラズマの照射接合強度の評価は、ダイシェア試験によって行った。図によって接合強度が大幅に改善されたことがわかる。またー 116 ーVoltage V (V)5

図8 ダイシェア試験後の破断面のSEM写真

6Before bonding

5After bonding

44332211Power L (mW)

600036912Current I (mA)15

図10 接合前後の光出力－電流－電圧特性

謝辞
本研究は、公益財団法人天田財団の一般研究開発助成に50 μmより行った成果であり、深く感謝いたします。

図9 接合したLDチップの断面SEM写真

参考文献

接合荷重を大きくするほど接合強度も大きくなり、
MIL-STD-883F 基準値を十分に超えている。ダイシェア試
験後のチップの破断面 SEM 写真の一例を図 8 に示す。Auスタッドバンプがチップ側に移着しており、非常に強固なAu-Au 接合が得られていることがわかる。

1) E. Higurashi, R. Sawada, and T. Ito, J. Lightwave
Tech., 21 (2003) 591-595.
2) E. Higurashi and R. Sawada, J. Micromech. Microeng.,
15 (2005) 1459–1465.
3) K.-M. Chu, J.-S. Lee, H. Oppermann, G. Engelmann,

LD チップを用いて接合を行った。
図 9 は、接合後の LD のJ. Wolf, H. Reichl, D. Y. Jeon, Proc. 39th
International

断面 SEM 写真である。接合後の Au バンプ-LD チップ Au

動（パルス幅：5 μs，デューティ比：25 %）により測定した（温度：25 ℃）。接合荷重は、680 gf である。図 10に示すように、接合後も LD の発光が確認され、接合前後

onMicroelectronics,(2006) 653-660.

薄膜電極間には目立ったボイドもなく接合できている。接合前後の LD の光出力-電流-電圧(L-I-V)特性をパルス駆Symposium4) E. Higurashi, T. Imamura, T. Suga, and R. Sawada,Photon. Tech. Lett., 19 (2007) 1994-1996.
5) R. Takigawa, E. Higurashi, T. Suga, and R. Sawada,Applied Physics Express, 1 (2008) 112201.
6) R. Takigawa, E. Higurashi, T. Suga, and T.

で LD の L-I-V 特性に大きな変化は見られなかった。

Kawanishi, IEEE Journal of Selected Topics inQuantum Electronics, 17 (2011) 652-658.

Au スタッドバンプを用いて、キャビティ立体構造（深さ：350 μm）を有する Si オプティカルベンチへ LD を低

7) R. Takigawa, E. Higurashi, T. Suga, and T.

温接合（150 ℃）することにも成功した。光マイクロセン

Kawanishi, Optics Express, 19 (2011) 15739-15749.
8) E. Higurashi, T. Fukunaga, and T. Suga, IEEE

サ作製へ応用可能であることを示した。

JournalofQuantum

Electronics,48,(2012)

182-186.

５． 結論

9) E. Higurashi, D. Chino, T. Suga, and R. Sawada,
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum

平滑な表面を有する Au スタッドバンプを作製し、Ar 高Electronics, 15, (2009) 1500-1505.

周波プラズマによる表面活性化を利用し、LD 素子の低温接合を実現した(150 ℃、大気中)。また、接合前後で InP

10) S. Zankovych, I. Maximov, I. Shorubalko, J.

系 LD 素子の特性に大きな劣化は見られず、本手法の有効性を確認した。スタッドバンプは、立体構造内にも容易に形成することができるため、光マイクロシステムへの応用が期待される。

ー 117 ー

Seekamp, M. Beck, S. Romanov, D. Reuter, P.
Schafmeister, A. D. Wieck, J. Ahopelto, C. M.
Sotomayor

TorresandL.

Montelius,

Microelectronic Engineering, 67 (2003) 214-220.