ウェハー接合（Wafer Bonding）の基礎｜用途と主要方式

ウェハー接合（Wafer Bonding）とは

ウェハー接合とは、半導体の材料である「ウェハー」を互いに貼り合わせて一体化する技術です。スマートフォンや自動車、医療機器などに使われる半導体やMEMSデバイスでは、限られた面積の中に多くの機能を組み込む必要があり、その実現を支える重要な技術のひとつとなっています。

ウェハー接合を用いることで、異なる材料や機能を持つウェハーを組み合わせることができ、より高性能で小型のデバイスを作ることが可能になります。接合方法にはいくつかの種類があり、目的や用途に応じて使い分けられています。

代表的な接合方式

直接接合

直接接合は、接着剤などを使わず、ウェハー同士を直接貼り合わせる方法です。表面をきれいに整えた状態で密着させることで、強固な接合が得られます。余分な材料を使わないため、仕上がりがきれいで、気密性が高いことが特長です。その反面、表面の状態に非常に敏感で、わずかな汚れや凹凸があるだけで接合不良の原因になります。メガソニック洗浄やArプラズマでの前処理装置が必要ですが、接合自体は比較的簡単です。

拡散接合

拡散接合は、金属の層を利用してウェハーを接合する方法です。熱と圧力を加えることで、金属同士が拡散して強く結びつきます。接合と同時に電気的に導通できる点が利点ですが、比較的高い温度が必要になるため、熱に弱い部品には向かない場合があります。プラズマで表面を活性化することで、接合温度を下げることもできます。

TLP接合

TLP接合は、接合の途中で一時的に金属が溶け、その後に再び固まって強固な接合層を形成する方法です。この接合層は最終的に元の材料よりも熱に強い合金になるため、耐熱性の高い接合が可能です。一方で、使用する材料の組み合わせや条件設定が重要となり、設計や工程がやや複雑になります。

陽極接合

陽極接合は、シリコンウェハーとホウケイ酸ガラスとを強固に接合する方法で、MEMSデバイスやの封止によく使われています。接着剤を使わず、加熱と高電圧を同時にかけることで接合するのが特徴です。それぞれの熱膨張係数が一致する温度で接合することで、常温に戻したときの基板のそりを低減させることができます。

ハーメチックシール（気密封止）について

ここまで紹介した接合方法ではハーメチックシール(気密シール)接合も可能ですが、気密性を求めない場合に比べて接合の難易度は高くなります。

接着剤・はんだを用いる方法

その他の接合方法としては、接着剤(有機・無機)を使う方法や、はんだを用いる方法などがあります。これらは設備が簡単で低温で処理できる利点がありますが、耐久性や長期的な安定性には注意が必要です。

ウェハー接合（Wafer Bonding）の基礎 — まとめ

ウェハー接合（Wafer Bonding）によって異なる材料や機能を持つウェハーを組み合わせることで、高性能・小型のデバイス実現に寄与します。

以下に各接合方法の特徴をまとめます。詳細ついては個別の記事を参照してください。

接合方式	主な材料組合せ	接合温度	電気接続	気密性	特徴・適用例
直接接合	Si–Si、Si–SiO₂、異種酸化膜	常温（初期）〜中温アニール	△※	◎	界面層なし高品質接合、MEMS構造、SOI
拡散接合	金属–金属、金属–Si	中温（※プラズマアシストで低温化可）	◎	◎	強固な機械・電気接合、電極一体化
TLP接合	異種金属層	中温	◎	◎	低温プロセスで高耐熱構造
陽極接合	Si–ガラス	中温	×	◎	MEMSキャビティ封止
接着剤接合	各種材料	低温	△	△（※材料依存）	初期構造試作、簡易集積
はんだ接合	金属電極	低〜中温	◎	○	実装・3D集積、簡易気密封止