2014 Fiscal Year Annual Research Report
パワーデバイス基板のVUV/Vapor-Assisted低温大気圧接合
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26289112
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
重藤 暁津 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (70469758)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水野 潤 早稲田大学, 付置研究所, 教授 (60386737)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 低温大気圧接合 / パワーエレクトロニクス / 実装 / 複合材料 / 表面・界面 / 真空紫外光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，薄型大面積の環境対応光源や大出力デバイスを構築するのに不可欠なワイドバンドギャップ半導体と従来の電子回路材料の混載のために必要なGaN, SiC, Siの低温大気圧接合を目的として，これらの材料に150℃以下・大気圧雰囲気で一括して適用可能な架橋分子層を，加湿雰囲気における真空紫外光（Vacuum Ultraviolet: VUV）照射を用いて創製した（Vapor-combined VUV手法）．この手法では，大気圧窒素雰囲気に霧化した純水蒸気を導入してVUV照射を行うことによりOH, Hラジカルを生成することで，材料初期表面上の有機汚染物質分子層の除去と，昨年度まで行っていた手法（VUV/vapor-assisted手法）では困難であった酸化物の一部還元効果，ならびに水和物架橋層の生成効果を獲得した．また，本手法を用いて各材料間で部分的に接合が達成された．
去年までの検討では，材料表面に水分子が吸着することで形成される水和物を利用した．すなわち，配位された水分子間の水素結合と，150℃以下での低温加熱による脱水縮合反応により，安定した界面を形成することを目指した．このために，大気圧窒素雰囲気でのVUV（波長172 nm）照射により材料初期表面の吸着汚染物質分子層を除去し，その後，体積湿度（g/m3）を調整して純水蒸気を導入することで，一定量の水和物架橋層を形成した．しかし，この手法では酸化物の還元効果を期待できないという課題が残った．そのため，本年度は，水分子がVUV照射により解離して生じるラジカルに着目し，初期表面に対する洗浄・酸化物の還元・架橋形成効果の一括獲得を企図した．本手法を用いて企図した材料の接合が達成され，関連成果が国際学会で論文賞を受賞した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の研究達成度は，概ね計画書と同等と考えられる．パワーエレクトロニクス基板材料であるSiCならびにGaNについて，その表面に150℃以下，大気圧雰囲気で接合性を創製するための表面改質手法をほぼ確立した．当初，金属微粒子を架橋性皮膜の形成に適用する計画もあったが，微粒子の利用の新規性が少なくなりつつあることや，導電体を含まない界面形成の要求があることから，本年度では，水分子が真空紫外光で分解して生じるラジカルを利用する新手法を提案した．
計画の変更はあったものの，適切なプロセス条件を抽出するための表面分析などは計画通り進んだ．部分的ではあるが，ターゲット材料の異種混載接合が達成されており，接合界面における密着性も確保された．同様の手法を用いて，電極材料やその他透明基板材料についても接合が達成されており，2014年のIEEE CPMT International Conference on Electronic Packaging (ICEP 2014)で発表された内容が論文賞を獲得した．
本年度以降，接合面積の拡大と実働デバイスへの応用可能性検討が課題として残されているが，試料担持方法などの機械的な要因を考慮する必要があるため，これは連携研究者に委託する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 架橋性皮膜として適用可能な物質の探索ならびに接合達成メカニズムの明確化：昨年度の解離水分子架橋を利用した方法に加え，生体性材料坦持基板などに用いられる耐熱・対薬品性能に優れた有機基板材料に架橋性を発現させる方法を開発する．これらのデバイスをパワー/グリーンエレクトロニクスと組み合わせることで，さらに人体に近い環境の電子デバイス開発の可能性が拡がる．具体的には，水和物架橋に加え，アミン基を用いた架橋生成を試みる．架橋層の生成厚をパラメータにとり，架橋層間の結合挙動と，低温加熱中の母材原子拡散挙動を分子動力学シミュレーションにより可視化する．シミュレーション結果と接合界面の透過電子顕微鏡・電子エネルギー損失分光観察結果を比較し，接合達成メカニズムを検討する．また，試料の経時加速を行い，接合界面微細構造の長期的振る舞いを明確にする．
2) 新規接合装置の設計・製作：本年度実施する接合手法を，単純基板試料について実施するための装置を設計製作する．簡素でプロセス負荷の低い装置を目指し，シングルチャンバー構造とする．具体的には，フリップチップボンダー構造をチャンバ内に封入し，そこに内部雰囲気置換用の真空排気系統やVUV光源，試料圧接・加熱ステージ，架橋物質分子溶液を試料表面上に微量量噴霧するためのマイクロスプレーユニットを装備する．a)で決定されたプロセスウィンドウがこのチャンバ内で再現可能であることを確認した時点で本接合手法ならびに装置の権利化を図る．
3) 実働デバイス基板への応用可能性検討：実働デバイス基板を購入し，これらの間で接合実験を行い，電気的特性を評価する．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じたのは，人件費を多く見積もっておく必要があったためである．
研究補助業務員を当該予算で雇用しているが，年度最終月の3月分給与の算定ならびに支払はそれぞれ3/31と4/17である．そのため，報告書記載の時点では，通常賃金に追加して支給する残業代などの金額が確定していない．支払額不足を防ぐため，前月までの勤務状態を参考に一定額を見積もる必要があった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は，引き続き人件費に繰り込んで使用する．
今年度は研究対象となる材料が増加するため，一時的に業務員や学生アルバイトを雇用する必要が生じると予想される．そのときの賃金支払いに用いる．
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| Remarks |
リスト内以下の国際会議発表内容が論文賞を受賞：A. Mano ほか"Room-Temperature Direct Bonding of Graphene Films by Means of Vacuum Ultraviolet (VUV) / Vapor-Assisted Method," IEEE ICEP 2014.
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