[1.9MB]接合技術で半導体デバイスの付加価値を向上するCFBソリューションプリンター事業で培われたCFB技術CFBソリューションのビジネスモデルCFBソリューション例:LEDディスプレイ応用CFBソリューション例:MEMSデバイス応用まとめ近年、SDGs(持続可能な開発目標)に向けた各社取組みが加速する中、DX(デジタルトランスフォーメーション)の進化を支える半導体デバイスへのニーズは高まっている。Moore)も取り入れ、半導体デバイスの高付加価値化へと潮流がシフトしている。複合化で異なるデバイスを一体化する技術は、光デバイス、パワーデバイス、センサー/アクチュエーターなど、シリコンICが持ちえない機能の一体化により、付加価値を向上するため、半導体産業の持続可能な成長の鍵として注目を集めている。Bonding)技術」の量産化に世界で初めて成功し、プリンターの小型化に貢献した(参考文献1)。以来、一体化されたLED素子の出荷実績は1,000億個を超え、量産信頼性の高いコア技術として確立している。本稿で紹介する「CFBソリューション」(図1)は、上記のOKI社内で培ったCFB(注1)技術を複合化が進む半導体デバイスの付加価値向上に活用することで、「社会の大丈夫をつくっていく。OKIが掲げるDX戦略の「外部化」の取組みそのものである。CFBソリューションの提供価値イメージ本稿では、プリンター事業で培われたCFB技術の紹介した後、CFBソリューションのビジネスモデルを説明し、その中でも既に社外連携を進めているマイクロLEDディスプレイ応用とMEMS応用(KRYSTAL株式会社/OKIとの共創)を紹介する。プリンター事業で培われたCFB技術OKIのLEDプリンターは、書込み光源にLEDヘッドを用いることを特長とし、1979年に世界で初めて実用化に成功した。inch)A3サイズのLEDヘッドでは、約15,000ドットのLEDが21μmピッチで直線状に配置され、印刷データに応じてドライバーICを駆動し、個別のLEDドットの点灯を制御している。従来、LEDアレイチップとドライバーICチップは、製造工程が大きく異なるため、別々のチップとして用いる必要があった。このため、それらのチップ間をワイヤーボンドで電気的に接続していた。LEDヘッドの高解像度化に伴い金ワイヤーの実装密度が高くなり、さらに小型化することが困難になった。そこで、CFB技術によりLEDアレイチップをドライバーIC上に一体化することで(図2B)、プリント基板の幅を小型化し、LEDヘッドの容積を1/2に小型化した。図3にLEDヘッドに適用した、CFB技術の概要を示す。ガリウムヒ素半導体ウエハー上に成長されたLEDフィルムを剥離し、シリコン半導体であるドライバーICウエハー上に接着剤なしに直接接合する。その後、半導体プロセスによりLED素子加工と配線形成を行うことで、LEDとICが一体化されたCFB方式LEDアレイチップが完成する。LEDプリンターのCFB技術CFBソリューションのビジネスモデルCFBソリューションのビジネスモデルを図4に示す。上流パートナーは、MEMSデバイス、光デバイス、パワーデバイスなどに向けた高性能な機能性薄膜ウエハーを製造する。OKIは、機能性薄膜ウエハーの機能性薄膜層を剥離・接合することで得られる「CFBウエハー」を製造し、デバイスメーカーに提供する。「CFBウエハー」に半導体プロセスを行い、デバイスメーカーは従来よりも高機能なデバイスの製造が可能になる。金属などの薄膜材料と多岐にわたる。Transistor)など回路形成されたウエハー・基板への接合も可能である。接合方法としては、複数の素子を一括して接合する「一括CFB」の開発に成功し、高い生産性を実現している。付加価値を向上する三つの特長がある。一つ目は同一平面に異なる複数の機能素子を並列集積可能な「並列CFB」、二つ目は異なる複数の機能素子を積層する「積層CFB」、三つ目はMEMSデバイスで多用されるキャビティーなど立体構造体上へ接合する「構造体上CFB」である。CFBソリューションは、さまざまな用途市場で付加価値を向上する高いポテンシャルがあり、特に、マイクロLEDディスプレイ、MEMS、光デバイス、及びパワーデバイスに親和性が高いと考え、研究開発を進めている。本章では、CFBソリューションの先行事例として、マイクロLEDディスプレイ応用の事例を紹介する。近年、AR(拡張現実)/MR(複合現実)により、現実と仮想が融合した新たなビジネス空間を視認するスマートグラスやヘッドアップディスプレイのニーズが高まっている。普及の課題は、日中屋外でも使用可能な高い視認性のための高輝度化、バッテリー小型化のための低消費電力化である。これらを解決する手段として、マイクロLEDディスプレイが注目されている。マイクロLEDディスプレイは、すべての画素が自発光素子であるマイクロLEDで構成することで、高輝度化及び低消費電力化が期待されている。フルカラーを実現するためには、赤、緑及び青(R・G・B)に発光する異なる材料を用いて、大量のマイクロLEDを接合しなければならず、製造技術に課題がある。そこで、OKIでは、CFBソリューションにより、この製造課題の解決に取り組んできた。(2)マイクロLEDディスプレイ付加価値提供の実証CFBソリューションを用いて実証したフルカラーマイクロLEDディスプレイを図5に示す。配線が形成されたシリコン基板上に、「並列CFB」により縦176RGB×横272、約14万個のマイクロLEDで構成されている。R・G・BのマイクロLEDはそれぞれ異なる材料から形成されるため、「一括CFB」を3回繰り返し行っている。接合速度は、従来(参考文献2)の約200倍に相当する「約10,000個/秒」を達成している。LED素子サイズは、10μm×20μmであり、ARなどで期待される非常に微小なマイクロLEDでのフルカラー化を実現した。フルカラーマイクロLEDディスプレイ上記から、CFBソリューションによるフルカラーマイクロLEDディスプレイの生産技術の課題解決を実証した。今後は、さらに高輝度化及び高密度化を目指すことで、付加価値を向上したマイクロLEDディスプレイ創出に貢献したい。本章では、CFBソリューションの応用例として、KRYSTAL株式会社/OKIの共創によるMEMSの超音波センサーの付加価値向上を紹介する。(1)共創ビジネスモデルKRYSTAL社は、図4のCFBビジネスモデルでの上流パートナーであり、MEMSデバイスの性能を決める「圧電単結晶薄膜ウエハー」を製造する。OKIは、圧電単結晶薄膜を剥離し、所望のウエハーに接合することで、「CFBウエハー」を製造し、半導体/MEMSのデバイスメーカーに供給する。従来の圧電薄膜は多結晶であり、結晶の配列がバラバラなため、本来材料が持つ性能を発揮できなかった。結晶が正しく配列した単結晶であれば、本来の物性が発揮できるが、実用的な面積での単結晶化は困難であった。そこで、KRYSTAL株式会社は独自のバッファー層を用いることで、実用可能な8インチサイズで単結晶化に成功し、多結晶と比較して極めて高い性能を実現した(参考文献3)。今回の共創では、OKIのCFBソリューションにより、KRYSTAL株式会社の圧電単結晶薄膜の性能を毀損することなく、剥離・接合を行うことで、従来では発想できなかった新たな付加価値向上を期待し共創に至った。近年、スマートフォンでは、秘匿性の高い情報取扱い機会の増加に伴い、ユーザビリティーとセキュリティを両立する指紋認証が採用されている。超音波センサーを用いることで、物体を透過し断面情報を得ることができるため、指紋表面に加えて、内部の静脈を検知することで、対偽装性を向上させることが可能である。進歩すると、静脈形状を3次元的に認識することで、静脈認証の可能性もあるため、一層のセキュリティ向上が期待されている。従来の超音波センサーによる検出深さは約0.5mm程度であるため、深さ約2mm程度に存在する静脈検出のためには、検出深さで4倍、感度に換算すると16倍の向上が必要となる。従来の指紋認証は、超音波センサーアレイと駆動用シリコンICの2チップを積層して実現していた(図6A)。スマートフォンへの内蔵のためには、高い部品密度をさらに圧迫するため、センサーの薄型化が課題となっている。そこで、OKIとKRYSTAL社は、IC一体化型超音波センサーアレイ静脈認証チップ(図6B)を目指し、感度向上とチップ薄型化の課題解決に取り組んだ。本実証の目的は、IC上一体化超音波センサーアレイ静脈認証チップの可能性を示すための原理的な実証であり、KRYSTAL株式会社の圧電単結晶薄膜を、CFBにより性能の毀損なく剥離・接合する技術を確立することである。Insulator)ウエハー上へ接合し、超音波センサーを試作した。圧電単結晶材料には、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を用いた。以後、単結晶PZTと呼ぶ。単結晶PZTをCFBで剥離・接合し半導体とMEMSプロセスを使って試作した超音波センサーを、CFB単結晶PZT超音波センサーと呼ぶ。図7Aは、CFB単結晶PZT超音波センサーの構造であり、図7Bは、CFB単結晶PZT超音波センサーの電子顕微鏡による断面像である。SOIウエハー上に成膜した下部電極(プラチナ:Pt)の上に、CFBで接合し、その後、半導体とMEMSプロセスを施したが、接合界面に気泡はなく良好な接合が確認された。図8は、同時に試作した従来の多結晶PZTを用いた超音波センサーとCFB単結晶PZT超音波センサーの感度比較である。CFB単結晶PZTでは、超音波の送信効率が4倍に向上し、反射され戻ってくる超音波を受信して電圧に変換する受信感度が6倍に向上し、トータル感度が24倍に飛躍的に向上していることが確認できた。これは、目標の感度向上16倍を上回る。上記から、CFBソリューションを用いることで、単結晶PZTの高い性能を毀損せず剥離・接合が可能であることを実証した。24倍の感度向上は、指紋認証よりも高セキュリティな静脈認証実現の可能性を示している。今後、デバイスメーカーとともに、実際の超音波センサーICへの一体化実現を進める。対しても同様に開発することで、新たなMEMSデバイスへの適用可能性を探索する。まとめ本稿では、CFBソリューションの概要、マイクロLEDディスプレイ応用、KRYSTAL株式会社との共創である「MEMS応用」を紹介した。今後もさまざまな半導体デバイスの付加価値向上への貢献を推進していく。用語解説Mooreの法則インテル創業者の一人であるゴードン・ムーアが1965年に唱えた「半導体集積率は18か月で2倍になる」という経験則。Systems)半導体基板に、圧電要素部品のセンサー・アクチュエーター・電子回路などを集積した、ミクロンレベルの電気機械システム。Readerが必要です。Adobe社のサイトからダウンロードしてください。ページの先頭へOKIテクニカルレビュートップ最新号バックナンバー2021年~NO.240「社会の大丈夫をつくっていく。~印刷物から始まる企業のDX化~接合技術で半導体デバイスの付加価値を向上するCFBソリューションクラウドネイティブとアジャイルへの適応でDXを加速するCCoEの取組み新商品概要/トピックス「社会の大丈夫をつくっていく。Squareお問い合わせ公的研究費の不正使用および研究活動における不正行為等に係る通報も上記で受け付けます。