グラフォアセンブリーによる三次元積層型光電子集積システム・オン・チップ

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21226009
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 小柳 光正 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (60205531)
• 研究分担者: 福島 誉史 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (10374969) ; 田中 徹 東北大学, 大学院医工学研究科, 教授 (40417382) ; 羽根 一博 東北大学, 大学院工学研究科, 教授 (50164893) ; 三浦 英生 東北大学, 大学院工学研究科, 教授 (90361112) ; 裴 艶麗 東北大学, 国際高等研究教育機構, 助教 (70451622) ; 清山 浩司 長崎総合科学大学, 工学部, 准教授 (60412722)
• 研究期間 (年度): 2009-05-11 – 2014-03-31
• キーワード: グラフォアセンブリー / セルフアセンブリー / 三次元集積化 / 光電子集積化 / スーパーチップ / シリコン貫通配線 / 光電子集積システム・オン・チップ

研究概要

三次元積層型光電子集積システム・オン・チップの実現を目指して、その鍵となるグラフォアセンブリー技術、シリコンフォト二クス技術の検討を行った。チップ表面の表面状態を制御することによって液体を制御してチップの位置合わせ精度を向上させるグラフォアセンブリー技術を開発し、寸法の異なる500個以上のチップを8インチ・シリコンウェハ上に一括位置合わせ、接合することに成功した。また、シリコンフォト二クス技術については、垂直方向光インターコネクション(TSPV)技術を確立するとともに、高い結合効率を有する微細グレーティングカップラを開発し、三次元積層型光集積システム・オン・チップの実現可能性を明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Reconfigured-Wafer-to-Wafer 3D Integration Using Parallel Self-Assembly of Chips With Cu-SnAg Microbumps and a Nonconductive Film (2014)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Fukushima, Ji Cheol Bea, Hisashi Kino, Chisato Nagai, Mariappan Murugesan, Hideto Hashiguchi, Kang-Wook Lee, Tetsu Tanaka, and Mitsumasa Koyanagi
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES 巻: Vol.61, No.2 ページ: 533-539
  • DOI: 10.1109/TED.2013.2294831
  • 査読あり
• [雑誌論文] Die-Level 3-D Integration Technology for Rapid Prototyping of High -Performance Multifunctionality Hetero-Integrated Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Kang-Wook Lee, Yuki Ohara, Kouji Kiyoyama, Ji-Cheol Bea, Mariappan Murugesan,Takafumi Fukushima, Tetsu Tanaka, and Mitsumasa Koyanagi
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES 巻: VOL.60, NO.11 ページ: 3842-3848
  • DOI: 10.1109/TED.2013.2280273
  • 査読あり
• [雑誌論文] 3D Integration Technologies Using Self-Assembly and Electrostatic Temporary Multichip Bonding (2013)
  • 著者名/発表者名: T.Fukusima, H.Hashiguchi, J.Bea, M.Mururesan, K-W.Lee, T.Tanaka, and M.Koyanagi
  • 雑誌名: Proc.of IEEE 63rd ECTC 巻: VOL.63 ページ: 58-63
  • DOI: 10.1109/ECTC.2013.6575550
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of the Reliability of TSV Interconnections by Controlling Crystallinity of Electroplated Copper Thin Films (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Furuya, Chuanhong Fan, Osamu Asai, Ken Suzuki, and Hideo Miura
  • 雑誌名: Proc. of IEEE 63rd ECTC 巻: Vol.63 ページ: 635-640
  • DOI: 10.1109/ECTC.2013.6575640
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wavelength characteristics of gap-variable silicon nanowire waveguide coupler switch using micro actuator (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.Munemasa, Y.Akihama, K.Hane
  • 雑誌名: IEEEJ Trans. Sensors Micromachines 巻: vol.133 ページ: 85-89
  • DOI: 10.1541/ieejsms.133.85
  • 査読あり
• [雑誌論文] New Chip -to-Wafer 3D Integration Technology Using Hybrid Self-Assembly and Electrostatic Temporary Bonding (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Fukushima, H. Hashiguchi, J. Bea, Y. Ohara, M. Murugesan, K.-W. Lee, T. Tanaka, and M.Koyanagi
  • 雑誌名: 2012 IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest (IEDM) ページ: 789-792
  • DOI: 10.1109/IEDM.2012.6479157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multichip-to-Wafer Three-Dimensional Integration Technology Using Chip Self-Assembly With Excimer Lamp Irradiation (2012)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Fukushima, Eiji Iwata, Yuki Ohara, Mariappan Murugesan, Jichoel Bea, Kangwook Lee, Tetsu Tanaka, and Mitsumasa Koyanagi
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES 巻: VOL.59(11) ページ: 2956-2963
  • DOI: 10.1109/TED.2012.2212709
  • 査読あり
• [雑誌論文] Minimization of the Local Residual Stress in 3D Flip Chip Structures by Optimizing the Mechanical Properties of Electroplated Materials and the Alignment Structure of TSVs and Fine Bumps (2012)
  • 著者名/発表者名: Kota Nakahira, Hironori Tago, Ken Suzuki, Hideo Miura, Fumiaki Endo
  • 雑誌名: J. of Electronic Packaging 巻: VOL.134(2) ページ: 021006-1-6
  • DOI: 10.1115/1.4006142
  • 査読あり
• [雑誌論文] Through-Silicon Photonic Via and Unidirectional- Coupler for High-Speed Data Transmission in Optoelectronic Three- Dimensional LSI (2012)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Noriki, Kangwook Lee, Jicheol Bea, Takafumi Fukushima, Tetsu Tanaka, and Mitsumasa Koyanagi
  • 雑誌名: IEEE ELECTRON DEVICES LETTERS 巻: Vol.33 ページ: 221-223
  • DOI: 10.1109/LED.2011.2174608
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multichip Self-Assembly Technology for Advanced Die-to-Wafer 3-D Integration to Precisely Align Known Good Dies in Batch Processing (2011)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Fukushima, Eiji Iwata, Yuki Ohara, Mariappan Murugesan, Jichoel Bea, Kangwook Lee, Tetsu Tanaka, and Mitsumasa Koyanagi
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY 巻: VOL.1 ページ: 1873-1884
  • DOI: 10.1109/TCPMT.2011.2160266
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-Dimensional Hybrid Integration Technology of CMOS, MEMS, and Photonics Circuits for Optoelectronic Heterogeneous Integrated Systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Kang-Wook Lee, Akihiro Noriki, Kouji Kiyoyama, Takafumi Fukushima, Tetsu Tanaka, and Mitsumasa Koyanagi
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES ページ: 748-757
  • DOI: 10.1109/TED.2010.2099870
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-tensiondriven chip self-assembly with load-free hydrogen fluoride-assisted direct bonding at room temperature for three-dimensional integrated circuits (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Fukushima, E. Iwata, T. Konno, J.-C. Bea, K.-W. Lee, T. Tanaka, and M. Koyanagi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: VOL.96 ページ: 154105-1-154105-3
  • DOI: 10.1063/1.3328098
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical Interposer Technology Using Buried Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Chip and Tapered Through-Silicon Via for High-Speed Chip-to-Chip Optical Interconnection (2009)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Noriki, Makoto Fujiwara, Kang-Wook Lee, Woo-Cheol Jeong, Takafumi Fukushima, Tetsu Tanaka, Mitsumasa Koyanagi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: VOL.48 ページ: C113-1-C113-5
  • DOI: 10.1143/JJAP.48.04C113
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultra-small silicon waveguide coupler switch using gap-variable mechanism
  • 著者名/発表者名: Y.Akihama, Y.Kanamori, K.Hane
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 1.19, 11 ページ: 23658-23663
  • DOI: 10.1364/OE.19.023658
  • 査読あり
• [学会発表] Heterogeneous 3D Integration-Technology Enabler toward Future Super-Chip (Plenary Talk) (2013)
  • 著者名/発表者名: Mitsumasa Koyanagi
  • 学会等名: IEEE International Electron Devices Meeting 2013 (IEDM)
  • 発表場所: アメリカ、ワシントンD.C.
  • 年月日: 2013-12-09
• [学会発表] 三次元集積化による超低消費電力化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小柳 光正
  • 学会等名: 第29回京都賞記念ワークショップ先端術部門
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2013-11-12
• [学会発表] Fabrication Tolerance Evaluation of High Efficient Unidirectional Optical Coupler for Though Silicon Photonic Via in Optoelectronic 3D-LSI (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Noriki, K. W. Lee, J. Bea, T. Fukushima, T. Tanaka and M. Koyanagi
  • 学会等名: IEEE International 3D System Integration Conference (3DIC) 2011
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2012-02-01
• [学会発表] Through Silicon Photonic Via (TSPV) with Si Core for Low Loss and High-Speed Data Transmission in Opto-Electronic 3-D LSI (2010)
  • 著者名/発表者名: A. Noriki, K.-W. Lee, J. Bea, T. Fukushima, T. Tanaka, and M. Koyanagi
  • 学会等名: IEEE International 3D System Integration Conference 2010(3DIC)
  • 発表場所: ドイツ, ミュンヘン
  • 年月日: 2010-11-17
• [図書] Handbook of 3D Integration, Vol.3, 3D Process technology (2014)
  • 著者名/発表者名: Mitsumasa Koyanagi, Tetsu Tanaka, 他
  • 総ページ数: 280 (5・1・21-5・1・30)
  • 出版者: Wiley-VCH
• [図書] 破壊力学体系-壊れない製品設計に向けて-, 第12章2節 薄膜デバイスの信頼設計 (2012)
  • 著者名/発表者名: 三浦英生, 他
  • 総ページ数: 536 (205-210)
  • 出版者: 株式会社エヌ・ティー・エス
• [図書] Handbook of Wafer Bonding (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Koyanagi, 他
  • 総ページ数: 450 (139-159)
  • 出版者: Wiley-VCH
• [図書] Untra-thin Chip Technology and Application, Chapter III-11, " 3D Technology Using Ultra-Thin Chips" (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Koyanagi, 他
  • 総ページ数: 467 (109-124)
  • 出版者: Springer
• [図書] Materials and technologies for 3-D Integration (2009)
  • 著者名/発表者名: Mitsumasa Koyanagi(Co-editor/Author)
  • 総ページ数: 273 (25-32)
  • 出版者: Material Research Society
• [備考] 三次元スーパーチップLSI 試作拠点 Global Integration Initiative(GINTI) ホームページ
  • URL: http//www.ginti.niche.tohoku.ac.jp
• [備考] ①2014年3月28日23:00～23:30;世界を支える驚異の技術(ディスカバリー・ジャパン) 新聞報道等
• [備考] ②2013年10月9日; 東北大, 宮城に試作拠点開設,3次元LSI 試作を支援(半導体産業新聞) 新聞報道等
• [備考] ③2013年10月3日; 半導体の立体構造に挑む東北大の三次元LSI 拠点(日経産業新聞) 新聞報道等
• [備考] ④2013年9月25日; 3次元LSI試作拠点完成 多賀城東北大「半導体復権を目指す」(河北新報) 新聞報道等
• [備考] ⑤2013年9月24日;「東北の復興を象徴する3次元LSIの世界的拠点に」, 東北大が300mm対応の試作用ラインを公開(日経BP半導体) 新聞報道等
• [備考] ⑥2013年9月20日; GINTI 開所式テレビ報道(仙台放送、東日本放送) 新聞報道等
• [備考] ⑦2013年9月16日; 第2部<技術編>コストを下げて民生機器へ, TSVの青銅技術を革新, 液体の表面張力で位置合わせ(日経エレクトロニクス, p.51) 新聞報道等
• [産業財産権] 半導体装置 (2014)
  • 発明者名: 鈴木 拓、北村 康宏、浅見 一志、小柳 光正、福島 誉史、李 康旭
  • 権利者名: 東北大学、㈱ デンソー
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2014-53473
  • 出願年月日: 2014-03-17
• [産業財産権] チップ支持基板、チップ支持方法、三次元集積回路、アセンブリ装置及び三次元集積回路の製造方法 (2013)
  • 発明者名: 小柳 光正、福島 誉史、田中 徹
  • 権利者名: 東北大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2013/74876
  • 出願年月日: 2013-09-13
  • 外国