CN103337464B

CN103337464B - 一种新型金属扩散键合工艺

Info

Publication number: CN103337464B
Application number: CN201310215808.7A
Authority: CN
Inventors: 米佳; 刘光聪; 陶毅; 陆川
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: China Electronics Technology Group Corp Chongqing Acoustic Optic Electronic Co ltd
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: CN103337464A

Abstract

本发明公开了一种新型金属扩散键合工艺，主要步骤为，将两沉积了键合层金属的部件封装于真空密封软袋内，再将真空密封软袋置于盛装有液体的容器中，该容器与加压装置相连，加压装置施加的压力通过容器中的液体和真空密封软袋作用于需要键合的部件，同时施加温度，在温度和压力的作用下实现金属扩散键合。本工艺可以保证键合压力各向均匀，即使在很高的压强下，也不易造成压接材料的破裂，利于提高键合效果。由于施加压力很大，故可在低温下也能实现可靠的键合，工作温度可低至80℃。另外，本发明可降低对工艺夹具和键合材料物理尺寸的要求。

Description

一种新型金属扩散键合工艺

技术领域

本发明涉及金属扩散键合工艺，本工艺可应用于半导体、声表面波器件封装的晶圆键合和声光器件的换能器与声光介质键合，实现可靠的金属扩散键合。

背景技术

金属扩散键合是一种热压键合。首先在需要键合的晶圆和块体上沉积金、铜或铝等扩散率较高的金属材料，然后加热加压将待键合的块体和晶片或晶圆和晶圆键合在一起。扩散是金属原子相互混合的结果，具有极高的键合强度，并且可实现气密性封装。目前采用的金属键合工艺为：在300-500℃的高温下，施加机械压力，且机械压力为单向。

声光器件换能器和声光介质的键合原理如图1所示。先在换能器1与声光介质2的键合面溅射底膜3，再蒸镀键合层金属4，最后在一定温度下施加机械压力实现键合。由于换能器和声光介质的热膨胀系数有差异，通常采用低温键合，机械压强控制在0.2-2MPa，压强太大会造成声光介质的损坏。但在使用金等作为键合层金属时，由于温度低，无法形成可靠的金属键合。采用机械加压，要求声光介质和换能器芯片有较好的平整度（TTV）、翘曲度（Wrap）和表面粗糙度（Ra），否则在整个键合面键合强度的均匀性和一致性无法保障。

晶圆键合原理如图2所示，图中标号5为功能晶圆，标号6为上盖晶圆，标号7为过渡金属层，标号4为键合层金属。晶圆键合同样需要晶圆满足平整度（TTV）、翘曲度（Wrap）和表面粗糙度（Ra）的要求，以保障晶圆键合的可靠性。晶圆键合施加的键合压强为1-5MPa，工艺温度300-500℃。

目前金属扩散键合普遍采用机械加压方式，存在如下缺点：1）对键合夹具的要求非常高，必须针对不同尺寸的键合材料设计相应的键合夹具；2）对于一些较脆的声光介质材料，压力不能太大，否则容易造成声光介质的损坏；3）要求声光介质块体、换能器芯片和晶圆有较好的平整度（TTV）、翘曲度（Wrap）和表面粗糙度（Ra），即对器件本身的物理尺寸有较高的要求。

另外，对于键合材料不能承受高温的情况，或者键合材料存在热膨胀系数差异的情形，此时只能采用低温键合，但为了保证低温下的有效键合，往往需要加大键合压力，而压力增大容易造成器件的损坏。目前还不能很好地解决该问题。

发明内容

针对上述金属扩散键合工艺在高温以及机械加压下带来的技术问题，本发明提供一种新型金属扩散键合工艺，本工艺可减小对工艺夹具和键合材料物理尺寸要求较高的问题，并可实现低温下的可靠键合强度，同时可以保证键合压力的均匀性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种新型金属扩散键合工艺，其工艺步骤为，

1）清洗待键合部件键合面；

2）在两需要键合的部件键合面上沉积键合层金属；

3）将两沉积了键合层金属的部件封装于真空密封软袋内，并使两键合层金属相贴合；

4）将封装了待键合部件的真空密封软袋置于盛装有液体的容器中，使真空密封软袋被液体包围；该容器与加压装置相连，加压装置施加的压力通过容器中的液体和真空密封软袋作用于需要键合的部件，同时施加温度，在温度和压力的作用下实现两部件的金属扩散键合。

本发明键合时的工作温度可低于100℃，可达80-90℃。施加键合压力为各向同等的压力，压力可达10-30MPa。

所述两需要键合的部件为块体与晶片，键合温度为80-90℃，键合压力为10-25MPa；优选键合温度为84℃，键合压力为15MPa。

所述两需要键合的部件为晶圆和晶圆，键合温度为80-90℃，键合压力为15-20MPa；优选键合温度为87℃，键合压力为18MPa。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本工艺采用水或油等液体作为加压的介质，即由液体加压代替机械加压，故可以保证键合压力各向的均匀性，利于提高键合效果。

2、本发明不要求声光介质和换能器和晶圆的两个平面的平整度（TTV），仅需要保障晶圆压接面的翘曲度（Wrap）和表面粗糙度（Ra）即可，可降低对工艺夹具和键合材料物理尺寸的要求。

3、本发明即使在很高的压强下（高达几十Mpa），也不易造成压接材料的破裂。

4、由于施加压力很大，故可在低温下也能实现可靠的键合，工作温度可低至80℃。而低温下的键合，就解决了热膨胀系数差异较大的材料和不能承受高温的键合材料键合问题。

附图说明

图1-声光器件换能器和声光介质键合原理图。

图2-晶圆键合原理图。

图3-本发明金属扩散键合原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明新型金属扩散键合工艺，其工艺步骤为（可以参见图3），

1）清洗待键合部件键合面；

2）在两需要键合的部件8键合面上沉积键合层金属4；

3）将两沉积了键合层金属的部件8封装于真空密封软袋9内，并使两键合层金属按键合需要相贴合；

4）将封装了待键合部件的真空密封软袋9置于盛装有液体10的容器中，使真空密封软袋9被液体10包围，该容器与加压装置相连。键合时，启动加压装置，加压装置施加的压力依次通过容器中的液体10和真空密封软袋9的传递后作用于需要键合的部件8，同时施加温度，在温度和压力的作用下实现两部件的金属扩散键合。

本发明施加键合压力为各向同等的压力，压力可达10-30MPa。键合时的工作温度可低于100℃，可达80-90℃。

本发明采用低温或高压等静压工艺进行金属扩散键合，键合时的压力和工作温度根据需要而设定。由于采用水或油等液体作为加压的介质，压力可以从每个有接触的地方传递到真空密封软袋，故可以保障加压均匀性，而不要求键合器件（如声光介质、换能器和晶圆）的平整度（TTV），仅需要保障压接面的翘曲度（Wrap）和表面粗糙度（Ra）即可，施加在键合器件上的压力均匀且可以很大，即使压强高达30Mpa，也不易造成压接材料的破裂。在高压强下，可在低温下实现可靠的键合，本发明键合时的工作温度可低于100℃，甚至可低至80℃。在低温下的键合，对热膨胀系数差异较大的材料也易形成可靠地键合，解决了热膨胀系数差异较大的材料和不能承受高温的键合材料键合问题。

本发明采用高压、低温的金属扩散键合工艺实现了块体与晶片、晶圆和晶圆的金属扩散键合，且键合时不需要夹具，实现了包括声光Q开关等声光器件的制作，并通过晶圆键合制作出MEMS滤波器。上述通过晶圆键合制作出MEMS滤波器时，技术人员成功地在键合温度为87℃、键合压力为18Mpa的情况下对厚度为0.25-1毫米、直径3-6寸的晶圆间实现了金属扩散键合。在声光Q开关制作时，块体与晶片的键合温度为84℃，键合压力为15MPa。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种新型金属扩散键合工艺，其特征在于，其工艺步骤为，

1）清洗待键合部件键合面；

2）在两需要键合的部件键合面上沉积键合层金属；

4）将封装了待键合部件的真空密封软袋置于盛装有液体的容器中，使真空密封软袋被液体包围；该容器与加压装置相连，加压装置施加的压力通过容器中的液体和真空密封软袋作用于需要键合的部件，同时施加温度，在温度和压力的作用下实现两部件的金属扩散键合；键合时的工作温度低于100℃；施加键合压力为各向同等的压力，压力为10-30MPa。

2.根据权利要求1所述的金属扩散键合工艺，其特征在于，所述两需要键合的部件为块体与晶片，键合温度为80-90℃，键合压力为10-25MPa。

3.根据权利要求1所述的金属扩散键合工艺，其特征在于，所述两需要键合的部件为晶圆和晶圆，键合温度为80-90℃，键合压力为15-20MPa。