反応性結合

反応性接合は、接合基板間の中間層として高反応性のナノスケール多層システムを用いるウェーハ接合手法である。

この多層構造は、異なる種類の薄い金属膜を交互に積層した構造となっている。多層構造内部で発生する自己伝播性の発熱反応により、はんだ膜を接合するための局所的な熱が供給される。基板材料が曝される温度が限定されているため、熱に敏感な部品や、熱膨張係数の異なる材料（金属、ポリマー、セラミックなど）を熱損傷なく使用することができる。

概要

フラウンホーファーENASによるシリコンウェハ上の反応層としての多層システムの画像

この接合方法は、内部に熱源を提供する反応性ナノスケール多層膜に基づいています。これらの箔は、接合を実現するために追加のはんだ層と組み合わされます。接合に必要な熱は、多層膜システムの自己伝播発熱反応によって発生します。この反応は、温度、機械的圧力、電気火花、またはレーザーパルスなどのエネルギーパルスによって開始されます。発生した熱は接合界面に局所的に集中し、数ミリ秒以内の短時間加熱によって制限されます。

この熱は、このアプローチの利点であり、使用される材料が高温にさらされることなく、急速な冷却が可能になります。^{[ 1 ]}欠点は、このアプローチが数十マイクロメートル程度のボンドフレーム寸法には適用できないことです。これは、この小さな寸法では箔の取り扱いと構造化能力が限られているためです。^{[ 2 ]}

多層システムに使用される材料は、一般的にNi / Al、Al / Ti、または Ti / a-Siの交互の元素の二層構造です。^{[ 1 ]}金属層は通常 1 ～ 30 nm の厚さで、水平または垂直のナノスケール材料膜として配置でき、反応性成分と低融点成分の組み合わせです。^{[ 2 ]}二層の厚さが増加すると、反応速度は低下し、反応熱は増加します。したがって、高い反応速度と高い反応熱の間の特定のバランスが必要です。^{[ 3 ]}

このような材料の市販例としては、NanoFoilが挙げられる。対応する接合プロセスはNanoBondとして知られている。

手順

前処理

2 種類の反応構造が確立されています。従来の横方向の層状構造 (多層構造) と垂直に配置された構造です。^{[ 2 ]}自立型箔の取り扱い、パターニング、位置決めの際に発生する困難に基づいて、多層膜はシリコン基板上に直接堆積されます。^{[ 4 ]}シリコン上への多層システムの堆積は、マグネトロンスパッタリング、電気めっき、またはエッチングによって実現されます。垂直ナノ構造も基板表面上に直接作成されます。^{[ 2 ]}

基板表面には、物理蒸着（PVD）を用いて金（Au）などの半田層が堆積される。PVDプロセスは半田の濡れ性を促進する。 ^[¹^]堆積中に使用される成分の混合は反応パラメータに影響を与えるため、これを防ぐために基板は冷却される。^[⁴^]

多層構造の成膜方法として一般的に用いられるのがマグネトロンスパッタリングである。多層構造は、基板表面に構成要素の組み合わせからなる数千もの薄い単層を交互にスパッタリングすることで形成される。

電気めっきまたは電気化学堆積（ECD）による多層膜成膜には、2つの方法が確立されています。一つは、2つの異なるめっき浴で交互に成膜を行う二浴法です。もう一つは、膜の構成要素両方を含む電解液を1つの浴に用いる一浴法です。ECDプロセスは、処理時間と複雑さを軽減します。さらに、この方法を用いることで、構造物の複雑なエッチング工程を回避し、パターンめっきが可能になります。

垂直ナノ構造は2つのステップで作成されます。まず、シリコン基板にドライエッチングによって針状の構造が作られます。次に、スパッタリングを使用して、これらの針状の構造を覆うように他の材料が堆積されます。このアプローチでは、何千もの単層の堆積が省略されるため、プロセス時間と複雑さが大幅に削減されます。^{[ 2 ]}さらに、電気化学加工プロセスを適用することで、反応性箔のパターニングを実現できます。

ボンディング

結合プロセスは、ナノスケールの多層構造が界面に集中したエネルギーを放出する反応に基づいています。^{[ 1 ]}自己伝播反応は、多層システム内の化学結合エネルギーの減少によって引き起こされます（図「点火後の多層システムにおける自己伝播反応の模式図」と比較してください）。

合金系、または金属間化合物（AB）は、原子拡散により混合元素（A+B）から形成される。^{[ 2 ]}

反応性箔はエネルギーパルスによって点火され、即座に自己伝播反応が起こる（図「反応性多層膜を熱源とする反応性結合プロセスの概略図」を参照）。

この局所的な混合プロセスによって熱が発生し、それが隣接する元素層に伝達されます。反応は数ミリ秒で箔全体に広がります。^{[ 4 ]}このエネルギー放出により、接合界面の温度が高くなります。一方、界面外のコンポーネントは反応の高温にさらされません。^{[ 1 ]}高い界面エネルギーに加えて、この反応は、単層金属層の厚さが薄く、拡散経路が短くなることによっても促進されます。^{[ 2 ]}

結果として生じる内部熱により、はんだ層が溶融し、拡散に基づいて多層システムと基板との間に結合が形成される。^{[ 5 ]}この発熱反応は、 Ni/TiやTi/ Coなどの圧縮粉末のような反応性材料、およびNi/Alなどのナノ構造多層システムで開始することができる。^[⁴^]接合は、真空^[⁶^]、一定の機械的圧力^[¹^]を与える力、室温でのさまざまな環境[4]で行うことができる。^高い^機械^的圧力を加えると、はんだの流れが促進され、基板の濡れ性が向上する可能性がある。^[⁵^]

例

反応性接合法は、ダイの接合やマイクロシステムパッケージの気密封止など、 MEMSコンポーネントの組み立てに使用されます。^[¹^]このプロセスは、診断や医療機器用の温度感受性の生物学的に活性化された基板を接合するために使用されます。さらに、センシング機能と固定化された細胞を備えた使い捨てマイクロ流体デバイスを製造できます。^[²^]

技術仕様

参考文献

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関連項目

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