CN103043605B - 微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明是微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，通过对其中一个晶片采用双层电镀工艺，以独立的、立体的、阵列式几何图形制备，实现圆片级金属键合的剪切强度与键合面积的增强，提高键合成品率，至少包括在原有器件设计版图上增加第二次电镀金属的几何图形版图，如小尺寸的网格状、柱状等几何凸起图形；通过辅助的金属粘附层实现二次电镀，与另一个晶片金属扩散键合。优点：工艺简单，剪切强度高、成品率高，克服常规金属键合工艺对键合晶片及其晶片金属表面的电镀平整度要求极高而易导致局部区域键合不上、键合面积不足、键合强度不够等晶片机键合质量不高问题，实现器件键合区域键合完好，剪切强度显著增加，实现圆片级密闭封装。

Description

微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法

技术领域

本发明提出的是一种微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，属于微电子和微机电系统（MEMS）技术领域。

背景技术

金属热压键合技术，包括扩散键合和共晶键合，在所有过渡层键合材料中，金属是漏率最低、气密性最高的材料，漏率可达10^-15cc/sec，是近几年发展迅猛的MEMS键合工艺技术之一。金属扩散键合是指两种金属通过压力和加热，使得原子从晶格到晶格迁移将界面“缝合”在一起，对晶片的平整度要求较高；共晶键合是指金属合金在特定成分和温度下经历直接从固态到液相的转变，因为有液相的变化，易出现流动流滞，因此对键合晶片及金属键合界面的平整度要求不高。金属键合技术使得键合界面具有良好的封装气密性和长期稳定性。目前金属扩散键合气密性好，可广泛应用于含有MEMS结构特点的器件如MEMS惯性器件、RFMEMS、光MEMS、MEMS传感器等应用领域。

上述技术中金属扩散键合，主要基于电镀工艺制备金属厚膜，一般将上、下两个晶片分别在键合区域电镀一次形成一定厚度的金属膜，然后上、下电镀图形直接对准键合。与溅射工艺制备的金属薄膜细腻致密相比，电镀厚膜结构质地粗糙疏松，高温高压下易挤压形变，更容易扩散键合。金属扩散键合需要两种金属之间直接接触，靠原子彼此扩散而键合在一起，因为不会呈现液相熔融的状态，对晶片键合界面的平整性要求显得尤为突出。但是在包含MEMS器件的晶片上，具有MEMS结构特点如带有各种介质、金属薄膜结构及高深宽比结构等，晶片的平整性会出现不同程度的微小起伏，没有任何图形时的晶片高平整度的状态就被打破，在键合时极易出现局部区域键合不上、键合不牢、强度不够等影响键合质量的问题，导致气密性不高或键合成品率下降。对于晶片上所有要键合的器件来说，由于金属不透光，包括无损红外检测方法，无法从外观直接观察到键合不上的区域，只能采用破坏性的剪切力测试，但这对生产性不适用。因此如何在一定范围内改善甚至规避MEMS结构给整个晶片带来的平整度下降而导致金属键合不良的问题，增强剪切强度与键合面积，实现MEMS结构的金属气密封装，有待解决。

发明内容

本发明提出的是一种微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，其目的是针对上述现有技术存在的问题，通过巧妙设计版图，不增加工艺难度，不改变器件原有的结构与性能设计，实现金属扩散键合强度的提升与键合有效面积的增加，具有气密性高、键合成品率高、高可靠性等优点。

本发明的技术解决方案：微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，至少包括在版图设计中增加第二次电镀金属的几何结构来提高金属扩散键合的剪切强度和键合面积，具体包括如下工艺步骤：

1）在第一次电镀形成键合界面图形的基础上，溅射一层金属粘附层，

2）光刻工艺形成第二次电镀的几何图形，湿法腐蚀工艺将不需要的粘附层金属去除，

3）二次电镀后，去除掩蔽层，形成阵列式微柱金属，第二次采用湿法腐蚀，将其余的金属粘附层去除，在第一次电镀平面图形的基础上，形成立体微小的电镀结构，再与另一个电镀有图形的晶片分别通过氧等离子体干法清洁，去除氧化层和粘物颗粒，至此对准键合，在高温高压下实现圆片级的金属扩散键合；

4）增加第二次立体式图形的电镀，相对地增大键合界面的压强，通过新型干法清洗技术的运用，实现键合强度的提高和键合面积的相对增加。

本发明具有以下优点：1）在版图设计阶段，增加二次电镀版图，即网格图形，不增加工艺难度，不影响器件功能，尤其是针对平整度不是很高、带有MEMS结构特点的晶片键合，可增强两个键合晶片的剪切强度与键合面积，借助一块版图高效实现MEMS结构的圆片级金属扩散键合封装技术；2）通过增加一层辅助电镀的金属粘附层应用，精准控制二次电镀立体几何图形的尺寸，不会因出现金属电镀溢出或掩蔽胶膜的浮胶现象而破坏电镀图形，提高键合的图形质量；3）二次电镀图形为独立的、立体的、密集阵列式排列的微型柱状金属，与电镀的平面式图形相比，增大键合挤压过程中的微摩擦力，使得键合压力更容易集中在柱状金属上；同时柱状图形大小与柱状间距尺寸相当，键合挤压过程中，可均匀地向四周变形扩展，不会对键合界面的平整性造成二次不平；4）新型干法等离子清洗技术，将纯氧高效电离为等离子体，避免湿法工艺带来的有机颗粒粘污，同时去除薄薄金属氧化物，提高立体结构的金属键合面的洁净度；5）二次电镀图形为柱状金属，其键合表面积减小，在同样的压力下，其单位面积上的压强增大，提高局部挤压效应，增强剪切强度；6）二次电镀图形为柱状金属，在键合界面有间隙的地方，柱状金属会挤压形变，变粗变短，与上、下金属层表面在足够时间内扩散键合在一起，从而扩充填实间隙，扩大键合有效面积。

附图说明

附图1是常规金属扩散键合效果示意图。

附图2是本实施例带有微型柱状结构的金属扩散键合效果示意图。

附图3是本实施例实现微型柱状结构的第二次电镀版图的示意图。

附图4是本实施例一个晶片第二次电镀金属的键合界面示意图。

下图5-8是本实施例一个晶片第二次电镀的工艺流程图；具体是：

图5是第一次电镀金属上溅射金属粘附层的示意图；

图6是金属粘附层上涂敷光刻掩蔽层，光刻、腐蚀去掉部分金属粘附层，露出第一次电镀金属部分区域的示意图；

图7是在第一次电镀金属区域内进行第二次电镀的示意图；

图8是去掉剩余的光刻掩蔽层，再腐蚀去掉剩余的金属粘附层，在第一次电镀金属基础上得到立体的、阵列式金属电镀结构，金属融为一体的示意图。

图中的1是下层晶片，2是上层晶片，3是下层晶片键合界面，4是上层晶片键合界面，5是微型电镀立体结构长度，6是微型电镀立体结构高度，7是电镀立体结构挤压变形后的长度，8是电镀立体结构挤压变形后的高度，9是键合界面缝隙，10是电镀金属，11是金属粘附层，12是光刻掩蔽层，13是金属与衬底之间的隔离层，14是键合前立体结构之间的间距，15是键合后立体结构之间的间距。

具体实施方式

微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，至少包括在版图设计中增加第二次电镀金属的几何结构来提高金属扩散键合的剪切强度和键合面积，还包括如下工艺步骤：

1）在第一次电镀形成键合界面图形的基础上，溅射一层金属粘附层；

2）光刻工艺形成第二次电镀的几何图形，湿法腐蚀工艺将不需要的粘附层金属去除；

3）二次电镀后，去除掩蔽层，形成阵列式微柱金属，第二次采用湿法腐蚀，将其余的金属粘附层去除，在第一次电镀平面图形的基础上，形成立体微小的电镀结构，再与另一个电镀有图形的晶片分别通过氧等离子体干法清洁，去除氧化层和粘物颗粒，至此对准键合，在高温高压下实现圆片级的金属扩散键合；

4）增加第二次立体式图形的电镀，相对地增大键合界面的压强，通过新型干法清洗技术的运用，实现键合强度的提高和键合面积的相对增加。

所述的增加第二次电镀的版图，是在第一次电镀平面图形基础上，继续电镀形成二次电镀图形。

所述的在第一次电镀基础上，晶片溅射一层辅助的金属粘附层薄膜，用二次电镀版图光刻、腐蚀，使得二次电镀的地方暴露出第一次电镀层，这样电镀金属图形不会在旁边的粘附层材料上电镀生长，就不会导致电镀金属图形的溢出而引发浮胶现象，精确保持二次电镀图形。

所述的第二次电镀后，去掉掩蔽层，腐蚀去除其余辅助的金属粘附层，这样第一次电镀图形上面直接形成独立的、立体的、阵列式排列的二次电镀几何图形。

所述的阵列式金属几何图形，其几何图形的大小与几何图形之间的间距10μm。

所述的干法清洗金属表面技术，在规定功率下，纯氧经高压电离产生等离子体，微小立体结构表面不会因尖端放电产生电弧而引发烧焦、发黑现象，只是去除氧化物与有机粘污颗粒，从而清洁金属键合表面。

所述的金属扩散键合技术，根据键合面积调整施加的温度与压力，为防止工艺参数突变导致键合应力过大，采用压力与温度同步、逐步升高的方法，并分为软化时间与键合时间，在规定时间内完成扩散键合；

金属扩散键合工艺，包括Au-Au、Cu-Cu、Cu-Au、Au-Ag金属材料，适用于同质或异质衬底材料间的多层结构堆叠。

所述的金属扩散键合技术，在原有器件结构的版图上增加第二次电镀形成立体图形，不影响器件原有的结构与性能设计，不增加工艺难度，适用于具有不同键合面积比例的MEMS器件，具有密闭封装、剪切强度高、成品率高等优点。

所述的键合强度增大，通过二次电镀，将电镀平面改为电镀立体柱状结构，在同样的压力氛围下，接触面积越小，承受的压力越大，压强就越大，局部的挤压扩散效应越显著，剪切强度进一步增强；所述的键合面积增大，键合界面内的柱状几何金属图形，在紧密贴合的区域内压平，而在键合界面有间隙的地方，柱状金属会挤压形变，变粗变短，与上、下金属层表面在足够时间内扩散键合在一起，从而扩充填实间隙，相对地扩大键合面积。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案；

对照附图2，为提升键合强度与键合面积，在下层晶片1第一次电镀的基础上，进行二次电镀，制备立体的、阵列式的微型柱状金属10作为键合界面3。与平面式电镀图形相比，密集的柱状金属10不仅能够增大挤压键合时的微摩擦力，将压力更易集中在微型柱状金属10上；而所有柱状金属10的表面积之和值是平面式电镀图形面积值的一部分，可相应地减小受力面积，在同样压力条件下，压强增大，贴合紧密区域的挤压效应更显著，从而增强剪切强度；同时一定高度6的柱状金属更易挤压形变，以填补因平整度的差值而造成的一些细小、未贴合的缝隙9，与图1键合方式相比，5、6因挤压形变分别变成7、8，柱状金属10的间距14也变为间距15，使更多缝隙9的空间被填充键合。

对照附图3，第二次电镀图形的掩模版，呈现纵横交错的网格状，即不需要电镀的图形为网格状，横向尺寸为14，而需要电镀的图形尺寸为5，呈现密集地、阵列式排列。掩模版上的图形也可以是柱状图形，这样电镀形成的图形则为网格状金属，与柱状金属键合的作用、效果相当。

对照附图4，第二次电镀的柱状金属10直接在第一次电镀的平面式金属图形3上面，使得键合界面变为柱状金属10的表面积。柱状金属10呈现独立的、立体的、阵列式排列，柱状金属本身尺寸5与其之间的间距尺寸14相当，如果14过大，挤压键合时会造成局部区域的金属层厚度增加，对键合面3的平整度造成二次不平，反而影响圆片级金属键合成品率。

对照附图5，在第一次电镀图形10的基础上直接进行二次电镀，电镀金属10图形易发生溢出而造成掩蔽层与金属层10粘附不牢，使得二次电镀图形完全变形。为提高二次电镀质量，在第一次电镀后，先直接溅射一层金属粘附层11，然后涂敷掩蔽层12，光刻显影腐蚀，将不需要的金属粘附层11去掉，暴露出第一次电镀的图形，再进行二次电镀，这时电镀金属10不会附着在金属粘附层11上，而只在有第一次电镀图形10的区域里附着生长，不发生图形溢出，也不影响掩蔽层12与金属层10的粘附性，从而保持住第二次电镀图形的形状与大小。

其原理，一是微观角度看，金属柱子的阵列式排列，增大了与另一个晶片键合接触时的微摩擦力，使得压力更容易集中作用在微柱结构上；二是在同样的键合温度与压力下，与平面结构相比，表面积越小的柱状结构，会承受更大的压强（即压力与面积之比），使得局部挤压效应增强，表现出局部的温度、压力效应更明显，更易挤压形变，从而与上、下两层晶片上电镀金属原子加速彼此扩散，最终与上、下两层晶片上的金属原子融为一体，增强剪切强度；同时由于有压力，晶片能够作用在所有微柱结构上，削弱平整度的微小变化给键合面积带来的影响，从而增加有效键合面积。

Claims (6)

1.微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，至少包括在版图设计中增加第二次电镀金属的几何结构来提高金属扩散键合的剪切强度和键合面积，其特征是包括如下工艺步骤：

1）在第一次电镀形成键合界面图形的基础上，溅射一层金属粘附层；

2）光刻工艺形成第二次电镀的几何图形，湿法腐蚀工艺将不需要的粘附层金属去除；

3）二次电镀后，去除掩蔽层，形成阵列式微柱金属，第二次采用湿法腐蚀，将其余的金属粘附层去除，在第一次电镀平面图形的基础上，形成立体微小的电镀结构，再与另一个电镀有图形的晶片分别通过氧等离子体干法清洁，去除氧化层和粘物颗粒，至此对准键合，在高温高压下实现圆片级的金属扩散键合；

其中，增加第二次立体式图形的电镀，增大键合界面的压强，通过氧等离子体干法清洗技术的运用，实现键合强度的提高和键合面积的增加；

所述的键合强度提高，通过二次电镀，将电镀平面改为电镀立体柱状结构，在同样的压力氛围下，接触面积越小，承受的压力越大，压强就越大，局部的挤压扩散效应越显著，剪切强度进一步增强；

所述的键合面积增加，键合界面内的柱状几何金属图形，在紧密贴合的区域内压平，而在键合界面有间隙的地方，柱状金属会挤压形变，变粗变短，与上、下金属层表面在足够时间内扩散键合在一起，从而扩充填实间隙，扩大键合面积。

2.根据权利要求1所述的微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，其特征是所述的在第一次电镀基础上，晶片溅射一层辅助的金属粘附层薄膜，用二次电镀版图光刻、腐蚀，使得二次电镀的地方暴露出第一次电镀层，这样电镀金属图形不会在旁边的粘附层材料上电镀生长，就不会导致电镀金属图形的溢出而引发浮胶现象，精确保持二次电镀图形。

3.根据权利要求1所述的微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，其特征是所述的阵列式金属几何图形，其几何图形的大小与几何图形之间的间距为10μm。

4.根据权利要求1所述的微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，其特征是所述的干法清洗金属立体结构技术，在规定功率下，纯氧经高压电离产生等离子体，在微小立体结构表面不会因尖端放电产生电弧而引发烧焦、发黑现象，只是去除氧化物与有机粘污颗粒，从而清洁金属键合表面。

5.根据权利要求1所述的微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，其特征是所述的金属扩散键合技术，根据键合面积调整施加的温度与压力，为防止工艺参数突变导致键合应力过大，采用压力与温度同步、逐步升高的方法，并分为软化时间与键合时间，在规定时间内完成扩散键合；金属扩散键合工艺，包括Au-Au、Cu-Cu、Cu-Au、Au-Ag金属材料，适用于同质或异质衬底材料间的多层结构堆叠。

6.根据权利要求1所述的微型电镀立体结构提高圆片级金属键合强度的工艺方法，其特征是所述的金属粘附层材料是Ti、Cr、Pt与金属粘附牢固的金属薄膜。