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ウエハボンディング装置〜ヘテロジニアス集積に不可欠な技術：ハイブリッドボンディングに注目！

装置
2022.08.08

半導体製造の要となるウエハボンディング装置。3D集積回路や先端パッケージングの進化に伴い、その重要性が高まっています。本記事では、ウエハボンディング装置の最新動向や市場規模、主要メーカーなどを詳しく解説します。

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ウエハボンディング装置とは？

定義と基本原理

ウエハボンディング装置は、2枚以上のシリコンウエハを接合する半導体製造装置です。主に3D集積回路の製造や先端パッケージングに使用されます。

半導体製造プロセスにおける「ボンディング」とは、チップとチップ、ウエハとウエハ、チップとウエハなど、２つの対象物を貼り合わせて、強固に結合させる「接合」を意味します。

ボンディング装置には、ワイヤボンディング装置、フリップチップボンディング装置、ダイボンディング装置、ウエハボンディング装置などがあります。

接合方法には以下のようなものがあります。

接合方法概要
常温接合真空下においてウエハを重ねた状態で加圧することで接合します。
表面活性化接合常温接合の一種で、真空中で接合面の自然酸化膜除去等を行い活性化させます。
樹脂接合接着剤や樹脂により貼り合わせます。テンポラリボンディング（仮貼り合わせ）もこの方法です。
陽極接合ガラスとシリコン、金属を重ねて加熱しガラスを軟化させ基板間に高電圧を印加することで静電引力により接合します。
ガラス同士の接合ガラス同士を重ねて接合面にレーザー照射することで気密性の高い構造体を作ることができます。
分子接合接合面に単分子膜を形成し、加熱または加圧により化学的に結合させます。
共晶接合金とシリコンの共晶反応を利用した接合方法です。
還元接合還元ガス雰囲気で接合を行います。

主要な構成要素

ウエハボンディング装置の主要な構成要素には、アライメント機構、加圧機構、加熱機構、真空チャンバー、表面活性化装置、クリーニング機構、検査システムなどがあります。これらの要素が連携して、高精度なウエハ接合を実現します。

  • アライメント機構：高精度なステージと光学系を備え、ウエハーやチップを数μmの精度で位置合わせします。
  • 加圧機構：均一な圧力をかけるためのプレス機構を備えています。通常、数MPaから数十MPaの圧力を加えます。
  • 加熱機構：接合時に200℃〜400℃程度の熱処理を行うためのヒーターを備えています。
  • 真空チャンバー：清浄な環境を維持し、酸化を防ぐために真空状態で接合を行います。
  • 表面活性化装置：プラズマや化学処理により、接合面を活性化させる機構を備えています。
  • クリーニング機構：接合前にウエハー表面の微粒子や有機物を除去するための洗浄機構があります。
  • 検査システム：接合品質を確認するための光学的または電気的な検査機構を備えています。

接合プロセスの流れ

一般的な接合プロセスは以下の流れで行われます：

  1. ウエハ表面のクリーニング
  2. 表面活性化処理
  3. 高精度アライメント
  4. 真空チャンバー内での圧着
  5. 加熱処理
  6. 冷却と接合品質の検査

これらのステップを精密に制御することで、高品質なウエハ接合が可能になります。

  • フロリダ大学 Navid Asadi氏のハイブリッドボンディングについての解説

  • フランスの研究機関 CEA-Letiの動画

ウエハボンディング装置の市場規模

現在の市場規模

QYResearchの調査によると、2023年の世界のウエハボンディング装置市場規模は2.76億ドルに達しました。

将来の市場予測

2030年までに市場規模は4.28億ドルに拡大すると予測されています。2024年から2030年にかけての年平均成長率（CAGR）は5.1%と見込まれています。

市場成長の要因

市場成長の主な要因には以下が挙げられます：

  • 3D集積回路の需要増加
  • 先端パッケージング技術の進化
  • IoTデバイスの普及
  • 5G通信の展開
  • 自動運転技術の発展

これらの技術トレンドがウエハボンディング装置の需要を押し上げています。

ウエハボンディング装置の種類

常温接合装置

常温接合装置は、真空下でウエハを重ね合わせ、加圧することで接合を行います。化学的な接着剤を使用せず、原子レベルでの結合を実現します。

表面活性化接合装置

表面活性化接合装置は、常温接合の一種で、真空中でウエハ表面の自然酸化膜を除去し、活性化させてから接合を行います。高い接合強度が得られる特徴があります。

ハイブリッドボンディング装置

ハイブリッドボンディング装置は、Cu-Cuおよび絶縁層ー絶縁層の接合を同時に行う最先端の技術です。高密度な相互接続と低寄生容量を実現し、3D ICやHBM（High Bandwidth Memory）の製造に不可欠です。ソニーが開発した裏面照射型イメージセンサにおいて、受光素子と、DRAMとロジックの３層の積層を非常に高度なハイブリッドボンディングによって量産レベルで実現されました。

ウエハ表面にパターニングされたシリコン酸化膜と微細な銅配線パターンをハイブリッドボンディングによってウエハ同士を全面で欠陥なく接合します。

ウエハ表面の粗さ、ウエハの反り、ウエハ表面のパーティクル、ウエハ同士の位置合わせ精度、銅配線のSiO2面に対する凹凸と加熱温度など厳しいプロセス条件をクリアして初めて不良のない接合が実現します。

Macの性能を爆上げしたApple Siliconは、TSMCがチップの積層にハイブリッドボンディングの技術を取り入れたSoICが使われています。

ウエハボンディング装置の主な用途

MEMS（微小電気機械システム）製造

MEMSデバイスの製造では、センサー部分とICを一体化するためにウエハボンディングが使用されます。加速度センサーやジャイロスコープなど、様々なMEMSデバイスの製造に欠かせない技術です。

3D集積回路の製造

3D集積回路は、複数のチップを垂直に積層することで高性能化と小型化を実現します。ウエハボンディング装置は、これらのチップを高精度に接合する役割を果たします。特に、ハイブリッドボンディング技術は、次世代の3D ICに不可欠とされています。

先端パッケージング

システム・イン・パッケージ（SiP）やウエハレベルパッケージング（WLP）などの先端パッケージング技術にも、ウエハボンディング装置が使用されます。これらの技術は、スマートフォンやウェアラブルデバイスなどの小型化・高性能化に貢献しています。

ウエハボンディング装置の主な製造メーカー

日本の主なメーカー

東京エレクトロン（TEL）東京半導体製造装置の総合メーカー。同社のウエハボンディング装置は、高精度な接合と高いスループットを実現。
日本電産マシンツール滋賀BOND MEISTERは、熱歪みなしでウエハを確実に接合する常温ウエハ接合装置。MEMSパッケージングなど様々な用途に適している。
芝浦メカトロニクス神奈川C2Wハイブリッド＆フュージョンプロセスに適合した超高精度ボンダ。
アユミ工業兵庫常温でバルク破壊強度が得られるウエハ接合を実現し、研究開発用から量産用まで対応。
ボンドテック京都独自の超高精度アライメントと常温接合技術を特徴とするウエハボンディング装置を提供。
ムサシノエンジニアリング埼玉低温および常温接合装置と超高真空装置を開発しており、製品の小型化や積層化に用いられている。
タツモ岡山ダイレクトトランスファーボンディング装置を開発。Die To Wafer接合の高性能化を実現。

海外の主なメーカー

EV Group (EVG)オーストリアウエハボンディング装置の世界的リーダー。同社の装置は、MEMS、3D IC、先端パッケージングなど幅広い分野で使用されており、高精度なシステムを提供。
SUSS MicroTecドイツMEMS、先端パッケージング、3D集積向けの幅広いウエハボンディング装置を提供。特にMEMS製造分野で高い評価を得ている。
ASMPTシンガポール半導体パッケージング、後工程装置の総合メーカー。マルチチップボンディング、熱圧着ボンディング、Die to Waferハイブリッドボンディング装置を提供。
BE Semiconductor (BESI)オランダダイアタッチ装置のメーカー。フリップチップ接合、熱圧着装置、ハイブリッドボンディング装置をラインナップ。
SETフランス半導体製造における高精度応用向けに設計された高精度フリップチップボンダーと多用途ナノインプリントリソグラフィ（NIL）ソリューションを専門とする。
Applied Microengineeringイギリスウエハ間アライメント機能を統合したウエハ接合システムを設計・製造、in-situ光学アライメントで幅広い接合技術を実現。

まとめ

ウエハボンディング装置は、3D集積回路や先端パッケージングの進化に伴い、その重要性がますます高まっています。市場規模は2030年までに4.28億ドルに達すると予測され、5.1%のCAGRで成長が見込まれています。

ハイブリッドボンディングや400nmピッチの接合など、最新技術の開発が進む中、EV Group、東京エレクトロン、SUSS MicroTecなどの主要メーカーが市場をリードしています。

今後も、IoTデバイスの普及や5G通信の展開、自動運転技術の発展などに伴い、ウエハボンディング装置の需要は拡大し続けると予想されます。半導体業界の動向に注目が集まる中、ウエハボンディング装置は今後も重要な役割を果たしていくでしょう。

参考サイト

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