2023 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental Study of In-Mold Electronics with Dielets and Development of Smart Skin Display
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21H04545
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
福島 誉史 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10374969)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木野 久志 東北大学, 医工学研究科, 特任准教授 (10633406)
田中 徹 東北大学, 医工学研究科, 教授 (40417382)
清山 浩司 長崎総合科学大学, 工学研究科, 教授 (60412722)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | フレキシブルエレクトロニクス / ヘルスケアデバイス / 3D-IC / TSV / Micro-LED / 常温接合 / ヘテロインテグレーション / めっき |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高い柔軟性を有するフレキシブルデバイスの課題である性能と機能の問題を解決するため、微小な無機単結晶半導体チップ(チップレット)の概念を拡張した「ダイレット」をSiウエハ上で柔軟な樹脂に埋め込み圧縮成型するインモールド・エレクトロニクスの技術基盤を創成する。この新しい電子システム集積学を構築するため、毛髪の直径（100μm）以下の一辺を有する微小チップ（ここではMicro-LED）を目的の場所に搭載するアセンブリの技術開発を行う。また、研究代表者が長年かけて学理の体系化に尽力した脳型の三次元積層集積回路（3D-IC）と微小チップのインテグレーションを基軸とし、従来の半導体技術では実現が難しい浅皮下生体情報（主に血管）可視化シートを作製する。本研究の成果は、電子デバイスの可能性を広げて電気電子工学や医工学分野の発展に大きく貢献するだけでなく、曲がるデバイスの応用に限らず、立体的なエレクトロニクスのシステム集積にインパクトをもたらす。本研究では、チップレットの概念を発展させ、受動素子やLED等の小型化するベアダイまで含めた「ダイレット」をウエハレベルでフレキシブル基板に埋め込んで成型し、微細配線でチップ間を短距離接続した高集積なインモールド・エレクトロニクスと呼ぶシステム集積方法論の技術基盤を創成する。基板レスで微細化でき、高性能で柔軟且つ立体成型可能なこの集積手法の鍵となるのは、微小チップ「ダイレット」のアセンブリ技術とインターコネクト技術となる。今年度は主に、シャトルチップを用い、チップレベルの短TATで3D-ICを作製するための鍵となるTSVバリア・シードスパッタを汎用的なRFマグネトロンスパッタで成膜できるアスペクト比の最適化と、3D-ICチップ上にMicro-LEDを低応力、且つ常温でCu-Au接合するためのめっき接合の不良解析と歩留り向上を目指して研究開発を行った。
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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
今年度は主に２つの大項目について検討した。１つ目は、シャトルサービスで作製したチップレベルの短TATで3D-ICを作製するための鍵となるTSVシード層を汎用的なマグネトロンスパッタで成膜できるアスペクト比の最適化である。２つ目は、3D-ICチップ上にMicro-LEDを低応力、且つ常温でCu-Au接合するためのめっき接合の不良解析と歩留り向上である。前者では、TSVをボッシュエッチで形成する際に生じるスキャロップのシャドー効果により被覆率が低下する点に着目し、TSVのアスペクト比に対するCuシード層の被覆率をFIB-SEMにより詳細に観察した。その結果、アスペクト比が4.5を超えると不連続なシード層が形成されることを突き詰め、アスペクト4以下のTSVであれば高い歩留りで形成できることを確認した。並行して、ロングスロー構造のイオナイズドスパッタを用い、１）Targe-to-Wafer (TTW)を350mmから450mmにスーパーロングスロー化、２）RFバイアスの周波数を13.56MHzから2MHzに変更してスプリットする高エネルギープラズマ成分を利用した底部の再スパッタ、この二つの効果がCuシード層被覆率に与える影響を定量的に評価した。その結果、Cuシード層被覆率を5%にまで増やし、底部側壁の膜厚を増大させることに成功した。後者では、常温Cu-Auめっき接合の歩留りを低下させる要因を、１）狭いピッチで成長するCuピラー間のブリッジ、２）過剰に成長したCuピラーとLED側面に露出する活性層のショート、３）LEDを感光性接着剤に仮接着させる際のチップチルトとアライメント精度、と特定して対策した。これらにより歩留りは大きく向上したが、まだ100%ではない。
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| Strategy for Future Research Activity |
シャトルサービスで入手した2D-ICチップを用い、チップレベル3D-ICの歩留り向上に向け、TSV形成時のスパッタに続く電解めっきに焦点を当てる。めっき用レジストとめっき液との濡れ性起因によるボイドの発生が、歩留りを低下させていると仮説を立てている。めっきレジストの親水化に加え、溶存酸素濃度に着目してボイドを低減する。並行して、エタノールなどの表面張力の低い液体でビア内部を充填後に水と置換する手法なども検討する。常温めっき接合に関しては、LED自体の製造工程を見直し、側面に露出する活性層を絶縁膜で被覆してCuピラーとのショートを防ぐ。LEDの構造を見直したことにより、チップサイズが大きくなり、Cuピラーのめっきが難しくなる点を考慮し、TSVめっきと同じようにボイド除去の物理を科学する。これにより3D-ICチップの作製とその上に積層する青色Micro-LEDアレイのヘテロ集積の歩留りは大きく向上できると期待できる。ここに今年度に終了した科研費国際Bで得られた成果でもある二層フレキシブルファンアウト配線技術を用いて、Mini-LEDをSide-by-Sideで実装し、フレキシブル樹脂でモールドして機能検証を進める。また、血管のhemoglobinからの反射光を効率高く集光するためのマイクロレンズ技術などの研究も進める。
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