Room temperature bonding of metal oxide films by surface activated bonding method

• Project/Area Number: 20K14629
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture (2021-2022); Kanagawa University of Human Services (2020)
• Principal Investigator: 内海 淳 東京農業大学, その他部局等, 特命准教授 (70768390)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 常温接合 / 表面活性化 / 酸化アルミ / エネルギー損失分光法（EELS） / 化学結合状態 / 電子構造 / 酸化物 / サファイア / X線光電子分光法（XPS） / 透過電子顕微鏡（TEM） / 酸化膜 / 界面構造 / 表面分析

Outline of Research at the Start

本研究では、半導体技術の持続的な発展確保に必須となる複数のデバイス同士を集積化し融合する技術への適用を狙い、表面活性化法を用いた常温接合技術を活用して、接合表面の結晶性に着目した絶縁材料間の接合プロセスを検討する。そのため、接合表面の結晶性や微細構造などの分析を行い、接合特性との関係性を検討把握することにより接合機構解明のための基礎データを整備する。

Outline of Annual Research Achievements

熱処理不要な優位性を持つ表面活性化法による常温接合技術は、多くの材料に適用可能だが酸化物系材料は難しい。しかしながら、サファイア同士では強固な接合が確認できており、その接合機構を解明することでさらなる適用材料の拡大が期待でき、今後ニーズ増大が予想される異種材料間接合への展開に向けた基盤技術整備につながる。
初年度ではX線光電子分光法（XPS）によりサファイアウェハ表面における活性化処理後表面の化学結合状態及び組成分析を行い、活性化のための照射ビーム条件との関連性把握を中心に検討した。状態分析からビーム照射により表面の結晶性にダメージ発生が確認され、定量分析から照射後の表面はAl-richであり、シミュレーション結果と定性的な一致が得られた。これらの成果は、Scripta Materialia, Vol. 191 (2021)として発表した。
2年度目では、電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いて常温接合によるサファイア間接合界面におけるAlの電子構造解析を中心に検討した。透過電子顕微鏡（TEM）により接合界面には厚さ1nm程度の中間層の存在が確認され、その中間層内のAlのEELSスペクトルはサファイア内のそれとほぼ同様であり、中間層における結晶性は維持されていると考えられる。しかしながら、XPSによる分析結果と同様に中間層におけるAlのEELSスペクトルにおいてもブロード化が確認され、結晶性へのダメージも同時に発生していることを明らかにした。
本年度に関しては、2か月の実施期間の中で、前年度のEELS測定データの詳細な解析を試み、前記中間層におけるAlの配位構造がサファイアにおけるAlのそれとは異なる構造を形成している可能性を示し、前年度得られた結果と合わせ、論文投稿に向けたデータ整理を行った。
以上、本研究により、酸化物系材料の接合技術を確立する上で有用な知見整備ができたと考えられる。今後、本研究で得られた結果を論文等で成果発表する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Surface activated bonding of aluminum oxide films at room temperature (2021)
  • Author(s): Utsumi Jun、Takigawa Ryo
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 191 Pages: 215-218
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.09.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bonding of LiNbO3 and Si wafers at room temperature using Si nanolayers (2021)
  • Author(s): Watanabe Kaname、Utsumi Jun、Takigawa Ryo
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SC Pages: SCCL14-SCCL14
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abf2d3
  • Peer Reviewed