[發明專利]一種基于多場耦合的鍵合方法

有效

• 申請號: 201410145672.1
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN103928300A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 宋曉輝;喬彥超;趙蘭普;莊春生;岳鵬飛;張萍
• 申請（專利權）人: 河南省科學院應用物理研究所有限公司
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;B81C3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微納系統制造領域，特別是涉及一種基于多場耦合的鍵合方法。

背景技術

隨著微電子技術的發展，電路集成度越來越高，功能越來越多，器件尺寸越累越小，使得電子封裝技術正從二維向三維過度，借此縮短互連線長度，減少電信號延遲，提升器件集成度。鍵合是構建多層芯片結構，實現三維封裝的關鍵工藝，也是保障器件性能和可靠性的關鍵環節。

目前，為了使圓片間實現可靠鍵合，發展了硅-硅直接鍵合、硅-玻璃陽極鍵合、焊料鍵合和金屬-金屬熱壓鍵合等工藝方法。其中，硅-硅直接鍵合、硅-玻璃陽極鍵合兩種方法中間不涉及填充物，但前者鍵合溫度在800攝氏度以上，后者電壓在400V以上，這種高溫高電壓環境往往會影響器件的性能。焊料鍵合和金屬-金屬熱壓鍵合方法的基本原理是在兩鍵合基底表面填充焊料或純金屬材料再進行鍵合以降低鍵合溫度，前者利用焊料的低熔點進行粘結，但易引入污染，且鍵合可靠性不高；后者在熱壓環境下利用原子層間的互擴散實現固態鍵合，但是目前的熱壓鍵合工藝一般在300℃、10MPa以上，對于器件的壽命、可靠性具有較大的影響。

納米界面結構具有尺度效應和特殊的電學效應，其熔點往往較體材料低很多，而且在納米接觸界面通電后，會產生電流集聚效應和電遷移效應，前者產生局部焦耳熱，后者促進原子的擴散。鑒于此，在鍵合基底間構造納米結構作為鍵合層，并施加力、熱和電流進行多物理場耦合，將能夠有效降低熱壓鍵合的溫度和壓力。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于多場耦合的鍵合方法，通過在鍵合面構建納米結構作為鍵合層，并施加力、熱、電的多物理場耦合，降低熱壓鍵合的溫度和壓力。

本發明公布的一種基于多場耦合的鍵合方法，在襯底上制備一層金屬薄膜作為基底，之后用電化學沉積的方法在金屬基底表面制備納米金屬針錐結構作為鍵合層，最后在一定溫度和壓力條件下，將金屬基底連接恒流脈沖電源，通電持續一段時間后斷開電源，再恒溫恒壓保持一定時間，即可實現低溫熱壓鍵合。

進一步地，本發明所述納米金屬針錐結構直徑小于500nm。

進一步地，本發明所述的熱壓鍵合壓力1-5MPa，溫度100-200℃，恒溫恒壓持續時間20-40分鐘。

進一步地，本發明所述恒流脈沖電源電流幅值小于100安培，脈寬50-150毫秒，頻率大于50赫茲，通電時間30-300秒。

本發明基于納米界面特殊的尺度效應、電流集聚效應、電遷移效應，在力電熱多物理場耦合作用下實現低溫低壓的熱壓鍵合工藝。該方法操作簡單，與微電子工藝兼容，在微系統封裝、光電集成器件等領域具有廣泛應用前景。

附圖說明

圖1是本發明基于多場耦合的鍵合工藝示意圖：其中1為金屬層，2為襯底，3為納米金屬針錐結構，4為壓力，5為熱板。

?具體實施方式

?如圖1所示，本發明具體實施例的主要步驟包括：

（1）采用標準RCA工藝清洗硅襯底2，然后通過濺射工藝在襯底上沉積金屬鎳1（Ni）500nm。

（2）將（1）制備的基底進行除油和除銹處理，置于電鍍溶液中（五水硫酸銅1.5mol/L，硝酸銅0.2mol/L，乙二胺2?mol/L，硼酸0.3?mol/L，添加劑SPS15ppm、PEG1000ppm，JGB40ppm，溶液溫度30℃，PH值5.0），并將基材作為陰極，將銅板或者不溶性極板作為陽極，并通過導線使基底、銅板與電鍍電源構成回路。通過電鍍電源對基底實施直流電流（2A/dm2），電鍍時間為180秒，形成納米金屬針錐結構層3。

（3）將兩片（2）形成的結構，置于熱板5之間，施加2MPa壓力，溫度為150攝氏度，在Ni金屬層之間連接恒流脈沖電源，電流幅值10安培，脈寬100毫秒，頻率5000赫茲，通電時間150秒。

?（4）保持恒溫恒壓30分鐘，即完成鍵合工藝。