【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.09】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0236
利用課題名 / Title
超熱伝導 μLHPを内蔵した 3DIC放熱技術の創出
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
ボンディング, シリコン基材料・デバイス, Bonding, Silicon-based materials and devices,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,先端半導体（超高集積回路）/ Advanced Semiconductor (Very Large Scale Integration),ボンディング/ Bonding
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
多田 宗弘
所属名 / Affiliation
慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
姜殿平
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
辺見 政浩,松本 行示
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
TU-253：EVG ウェハ接合装置
TU-254：EVG プラズマ活性化装置
TU-312：超音波顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
デジタル技術とカーボンニュートラルの両立に向けて、半導体の3D実装技術が注目されている。3D実装は高密度化と電力効率向上に貢献する一方、放熱性に課題を抱える。本研究では、毛細管力を利用したループヒートパイプ（LHP）を3DIC内に形成し、ホットスポットを効率的に放熱することで、無電力かつ高性能な冷却を目指す。その実現に向けて、LHP内への水封止工程におけるウェハー接合の強度評価を行った。
実験 / Experimental
本研究では、シリコンウェハー（4インチ、厚さ525±25 nm）の接合において、接合条件（真空度、浸水処理、加圧・加熱処理）の違いが接合状態に与える影響を検討した。プラズマ処理（EVG520、N2、100W、30秒）を施した2枚のウェハーに対し、浸水処理およびスピンドライによる乾燥を組み合わせた後、空気中または真空中（1×10-3 Pa）で接合を行った。接合後には、加圧（EVG520、7000 N）または加熱（EVG520、400℃）の処理をそれぞれ実施し、その影響についても評価した。作製した試料の接合状態は、超音波顕微鏡（Insight IS-350）を用いて観察した。
結果と考察 / Results and Discussion
図1(a)は、プラズマ処理後に空気中で接合したウェハーの超音波検査結果であり、大きなボイドの発生が確認された。一方、図1(c)に示すように、真空環境下で接合を行った場合にはボイドのサイズが明らかに減少した。さらに、図1(d)に示すように、浸水および乾燥処理を施した後に真空中で接合したサンプルも、空気中で接合した図1(b)のサンプルと比較して、ボイドの発生が抑制された。このことから、空気中での接合時にウェハー間に空気が残存することが、ボイド発生の主な要因であると考えられる。真空環境では、空気由来の大きなボイドの発生が抑えられる傾向が見られた。また、浸水および乾燥処理を施した後に空気中で接合された試料（図1(b)）に対して、加圧処理（7000 N）および加熱処理（400℃）をそれぞれ実施した。加圧後の試料（図1(f)）では、小さなボイドが複数確認され、これは元々存在していた大きなボイド（図1(b)）が加圧によって分散された結果と考えられる。一方、加熱処理を施した試料（図1(e)）では、多数のボイドが形成されていた。これは、浸水処理により表面に残存していたOH基が加熱により脱水縮合反応を起こし、水が生成されたためと推察される。生成された水分が加熱によって蒸発し、蒸気圧が上昇したことで接合界面にダメージを与え、ボイドの形成に至ったと考えられる。 加熱処理により、Si–OH間の脱水縮合が進行し、Si–O–Si結合が形成されることで接合強度の向上が期待される。一方で、生成される水分量が多い場合、ボイドの増加により接合強度がかえって低下する可能性がある。今後は、表面のOH量と接合強度との関係について最適化を進め、接合強度の評価にはブレードテストを用いる予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 接合条件の違いによる超音波検査結果（(a)–(f)）
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本研究に使用した装置に関し、松本行示氏および辺見政浩氏より操作トレーニングおよび技術的助言を受けた。ここに記して謝意を表する。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件