[發(fā)明專利]靈敏的微米系統(tǒng)和納米系統(tǒng)的連接方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201180010791.0
• 申請(qǐng)日: 2011-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102883991A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尼爾斯·霍伊維克;伯杰爾·斯塔克;安德斯·艾爾芬;王凱英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 森松諾爾技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): B81C1/00
• 分類號(hào): B81C1/00
• 代理公司: 廣州華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司 44224
• 代理人: 鄭小粵;賈滿意

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種連接微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的內(nèi)擴(kuò)散方法，特別地，涉及一種通常以晶片級(jí)實(shí)施的靈敏的和易碎的結(jié)構(gòu)或部件的3D集成及封裝方法。

背景技術(shù)

研發(fā)諸如微米或納米機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和基于MEMS的裝置時(shí)的難題是所有的MEMS裝置都需要特別設(shè)計(jì)的封裝以便氣密密封和/或保護(hù)其內(nèi)靈敏的和精密的部件。特別地，一些種類的MEMS裝置在封裝中需要非常低的真空級(jí)，然而其它一些則需要特別的壓力和/或氣體混合物以便根據(jù)具體的設(shè)計(jì)和目的來(lái)操作。

US7132721教導(dǎo)了一種連接方法，其中在第一晶片表面沉積第一材料，在第二晶片表面沉積第二材料，將兩個(gè)晶片表面壓在一起以實(shí)現(xiàn)連接，其中第一和第二材料之間的內(nèi)擴(kuò)散形成合金化合物，該合金化合物隨后將晶片固定在一起。

但是，這種方法或類似方法的一個(gè)問(wèn)題是每個(gè)晶片上沉積不同材料將增加每個(gè)晶片的連接表面的不規(guī)則和不均勻性，從而影響所有合成連接的質(zhì)量。此外，如果沉積的材料是在空氣中易氧化的，則在連接表面可能形成天然氧化物，這將減少濕潤(rùn)并成為阻止當(dāng)晶片和芯片上或晶片對(duì)上的連接表面開(kāi)始接觸時(shí)第一和第二材料之間的混合的障礙物。

預(yù)處理通常包括熔化程序（flux?procedure），優(yōu)選地，系統(tǒng)組裝期間在原位而不是在非原位執(zhí)行所述熔化程序以阻止氧化，這是因?yàn)樵诜窃谎趸l(fā)生的非常快。通常用于這種程序的化學(xué)制品的一些例子是鹽酸、硫酸、蒸汽狀的甲酸，或合成氣體。但是，雖然這些酸是有效的氧化物去除劑，然而正如人們所熟知的，它們對(duì)于靈敏的微米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)具有非常大的負(fù)面影響。特別地，如前所述的通常包括在液態(tài)酸或類似物中處理晶片的任何濕潤(rùn)處理，如果不需要額外的笨重處理技術(shù)，其與釋放的和易碎的微米或納米結(jié)構(gòu)不相適應(yīng)。

此外，大多數(shù)簡(jiǎn)單的表面處理程序在第二材料的熔點(diǎn)溫度附近是非常有效的。因此，在原位預(yù)處理之后，例如在上述熔化處理之后，在已經(jīng)相對(duì)較高溫度的壓力下，第一和第二材料通常開(kāi)始接觸，所述相對(duì)較高溫度隨后上升超出第二材料的熔點(diǎn)溫度。這可能使得大體積的第二材料突然熔化，導(dǎo)致第二材料不希望的擠壓并流向周?chē)?，這將反過(guò)來(lái)造成電短路或損壞該微米或納米裝置。此外，存在這樣一種危險(xiǎn)，即在連接處理結(jié)束時(shí)，任何未反應(yīng)的第二材料在諸如吸氣劑活化或無(wú)鉛焊接的后續(xù)處理的高溫期間將再次熔化。

因此，在包括諸如MEMS構(gòu)件、薄膜金屬導(dǎo)體或絕緣體的精密結(jié)構(gòu)的任何連接處理期間，通常難于執(zhí)行任何表面處理以去除氧化層而不潛在地?fù)p壞這些精密結(jié)構(gòu)。

另一種已知的內(nèi)擴(kuò)散連接方法是固液內(nèi)擴(kuò)散（SLID）技術(shù)，該技術(shù)起源于用于3D微系統(tǒng)集成的芯片到晶片方法。這種技術(shù)的典型實(shí)施包括具有第一金屬的芯片，所述第一金屬在空氣中易氧化并具有設(shè)置于其上的第二金屬層，其中第一金屬具有比第二金屬高的熔點(diǎn)。一個(gè)例子是Cu-Sn?SLID連接，其中Cu在空氣中易氧化并具有比Sn高的多的熔點(diǎn)。

但是，現(xiàn)有的芯片到晶片方法的SLID連接存在多個(gè)與之相關(guān)的問(wèn)題。作為例子，其中芯片單獨(dú)地固定于晶片上，所使用的并且可以固定晶片的典型的最大連接溫度超出第二金屬的熔點(diǎn)。這將阻止第一和第二金屬存在于晶片表面上，因?yàn)樵谒心＜唤M裝之前，第一金屬在第二金屬中的擴(kuò)散將導(dǎo)致化合物沿著所有連接表面形成，這是不希望的。因此，當(dāng)?shù)谝缓偷诙饘俣汲练e在芯片表面上時(shí)只有第一金屬沉積在晶片表面上。

US6872464中描述的另一種可替換的芯片到晶片的連接方法基于高溫回流之前的低溫組裝。但是，這種方法包括利用基于熱塑聚合體的焊接媒介實(shí)現(xiàn)的低溫預(yù)連接。類似地，US2006/0292824教導(dǎo)了一種模件到晶片的連接方法，其中聚合連接層被圖案化于設(shè)置在第一晶片上的模件周?chē)⑶疫@種聚合體在連接過(guò)程期間硬化以提供永久膠合層，這種永久膠合層在粘結(jié)壓力釋放之后固定模件-晶片連接。

但是，這兩種方法的哪一個(gè)都不適于形成氣密密封的MEMS封裝，因?yàn)殡S著時(shí)間的逝去，聚合體將惡化（滲氣）并且分子將分散進(jìn)入封裝的密封真空腔中的環(huán)境中，從而危及真空水平。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種在晶片級(jí)形成用于包封MEMS裝置的氣密密封封裝的連接方法，特別地，適于諸如微測(cè)輻射熱計(jì)的化學(xué)靈敏的MEMS裝置。