CN106449451B - 一种利用纳米结构的金属界面的键合方法 - Google Patents

一种利用纳米结构的金属界面的键合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用纳米结构的金属界面的键合方法。本发明基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场作用下实现低温低压的热压键合工艺，周期性变向的电流脉冲和电场施加间隔期足够的驰豫时间能够减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。

Description

一种利用纳米结构的金属界面的键合方法
技术领域
本发明属于微纳系统制造技术领域，具体涉及一种利用纳米结构的金属界面的键合方法。
背景技术
随着移动互联网等新一代信息技术的快速发展，集成电路(IC)向低功耗、小型化、多功能、高速化方向发展，摩尔定律面临物理和技术极限的双重挑战。一方面，CMOS工艺特征尺寸进一步减小，制造方法转变为微纳混合模式，表面效应和尺寸效应逐步显现，促使产生新的微加工技术；另一方面，更多具备感知和计算功能的器件需进行芯片级集成以满足更高集成度和更多功能要求。三维封装技术通过堆叠和垂直互连的方式提高芯片互连速度，增加集成度，成为微系统及芯片制造技术向“超越摩尔定律”方向发展的重要技术路径。
面向三维封装的金属键合通过物理化学作用将同质或异质金属层粘结在一起，实现能量传递或者机械连接。基于良好的导电导热性能，金属界面键合成为三维封装中最为常用的键合形态，其工艺方法主要包括两类，一是在键合界面填充合金焊料，温度在250-400℃左右，作用原理是组成焊料的金属元素在低温下形成共晶组织；二是在一定温度和压力下通过键合界面的金属原子相互扩散，实现直接键合，温度一般在400℃左右。焊料的使用会引入一定的污染，高温下易失效，而且直接影响界面的导热导电性能，其使用范围受到较大限制。目前，最为广泛研究和应用的是基于界面原子扩散的热压键合方法，但其高温高压环境会导致对准、热应力等一系列失效和工艺成本问题。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种利用纳米结构的金属界面的键合方法，本发明提供的键合方法采用较低的温度和压力增强了键合工艺可靠性。
本发明提供了一种利用纳米结构的金属界面的键合方法，包括以下步骤：
A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；
B)将纳米金属颗粒悬浮液涂覆在金属基底表面，形成具有键合层/金属基底的器件；
C)将两个具有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。
优选的，步骤A)中，金属为铜、镍或金。
优选的，所述纳米金属颗粒悬浮液按照如下方法进行制备：
a)将Cu(NO3)2溶液与NaOH溶液进行加热反应后，离心分离，得到氧化铜纳米颗粒；
b)将十六烷基三甲基溴化铵、联氨溶液与氧化铜纳米颗粒混合进行反应后，离心分离，干燥后，得到纳米铜颗粒；
c)将所述纳米铜颗粒与水混合，得到纳米金属颗粒悬浮液。
优选的，所述纳米金属颗粒的尺寸为50～100nm。
优选的，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，时间为2～5秒。
优选的，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，所述周期性脉冲电流施加时间为10～30秒。
优选的，所述第三步的持续时间为2～6分钟。
优选的，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟。
优选的，向所述两个键合层施加恒定压力和温度的具体方法为：
将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。
与现有技术相比，本发明提供了一种利用纳米结构的金属界面的键合方法，包括以下步骤：A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；B)将纳米金属颗粒悬浮液涂覆在金属基底表面，形成具有键合层/金属基底的器件；C)将两个具有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。本发明基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场作用下实现低温低压的热压键合工艺，周期性变向的电流脉冲和电场施加间隔期足够的驰豫时间能够减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的利用纳米结构的金属界面的键合方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用纳米结构的金属界面的键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；
B)将纳米金属颗粒悬浮液涂覆在金属基底表面，形成具有键合层/金属基底的器件；
C)将两个具有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。
本发明首先在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件。
其中，本发明对所述溅射的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的溅射方法即可。在本发明中，溅射金属后得到的金属基底的厚度优选为500nm。所述金属的种类优选为镍、铜或金。
接着，将纳米金属颗粒悬浮液涂覆在金属基底表面，形成具有键合层/金属基底的器件。
在本发明中，所述纳米金属颗粒悬浮液按照如下方法进行制备：
a)将Cu(NO3)2溶液与NaOH溶液进行加热反应后，离心分离，得到氧化铜纳米颗粒；
b)将十六烷基三甲基溴化铵、联氨溶液与氧化铜纳米颗粒混合进行反应后，离心分离，干燥后，得到纳米铜颗粒；
c)将所述纳米铜颗粒与水混合，得到纳米金属颗粒悬浮液。
本发明首先将Cu(NO3)2溶液与NaOH溶液进行加热反应后，离心分离，得到氧化铜纳米颗粒。其中，所述加热反应的温度优选为80-100℃，所述加热反应的时间优选为3-4小时。通过改变参数可获得不同尺寸的纳米颗粒。
将得到的氧化铜纳米颗粒与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、联氨溶液混合进行反应，离心分离，干燥后，得到纳米铜颗粒。所述反应的温度优选为40-50℃，所述反应的时间优选为15-20min。
将得到的纳米铜颗粒与水混合，得到纳米金属颗粒悬浮液。
其中，所述纳米金属颗粒的尺寸优选为50～100nm。
将纳米金属颗粒悬浮液涂覆在金属基底表面，形成具有键合层/金属基底的器件。本发明对所述涂覆的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的涂覆方法即可。
将两个具有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。
首先，向所述两个键合层施加超声振动载荷，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，优选为20W，时间为2～5秒。
接着，向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲。
在本发明中，向所述两个键合层施加恒定压力和温度的具体方法为：
将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。
具体的，将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，热量传递至键合层，对键合层进行加热，同时压力垂直施加于所述两个热板上，压力传递至键合层对键合层进行施压。其中，所述恒定压力为1～5MPa，优选为2～4MPa，温度为80～150℃，优选为100～130℃。
在第二步中，本发明在对所述两个键合层施加恒定压力和温度的同时，还在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲。
其中，所述周期性脉冲电流幅值优选为10～100安培，更优选为30～70安培；脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，优选为50～100赫兹；所述周期性脉冲电流施加时间优选为10～30秒，更优选为15～25秒。
接着，进行第三步的键合，在第三步中，撤销周期性的脉冲电流，仅对所述两个键合层施加恒定压力和温度，其中，所述对所述两个键合层施加恒定压力和温度的方法如上文所述，在此不做赘述。其中，所述恒定压力为1～5MPa，优选为2～4MPa，温度为80～150℃，优选为100～130℃。
其中，所述第三步的持续时间优选为2～6min，更优选为3～5min。
第三步结束后，循环第二步和第三步的步骤，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟，优选为40～70分钟。
结合图1，本发明提供的利用纳米结构的金属界面的键合方法进行详细说明，图1为本发明提供的利用纳米结构的金属界面的键合方法的流程示意图。图1中，1为纳米金属颗粒，2为金属基底，3为待键合器件，4为热板，5为向所述两个键合层施加的恒定压力。
本发明首先制备含有纳米金属颗粒1的悬浮液，接着将所述悬浮液涂覆于金属基底2的表面，然后将两个具有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，向所述两个键合层施加超声振动载荷，再向所述两个器件外侧叠加热板4，对所述键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，接着撤销周期性脉冲电流，向所述两个键合层施加恒定压力5和温度，在持续施加恒定压力和温度的同时，反复施加和撤销周期性的脉冲电流，最终实现器件的低温键合。
本发明综合利用力、电、热耦合的方法实现金属键合能够有效降低键合温度，尤其是恒流脉冲等形式电场的引入，利用电迁移效应和电流集聚效应促进原子扩散。同时，纳米界面结构具有尺度效应和特殊的电学、力学和热学效应，其熔点往往较体材料低很多，而且在纳米接触界面通电后，会在纳米接触面和孔隙处产生电流集聚效应和电迁移效应，前者产生局部焦耳热，后者促进原子的扩散。鉴于此，在键合基底间构造纳米结构作为键合层，并按一定的顺序施加力、热和电流载荷，将能够有效降低热压键合的温度和压力，循环变向的电流脉冲能够有效避免电迁移效应的不足，使得“电子风”的作用更多的是破坏稳定的金属键，而不会因持续时间长而形成新缺陷，进一步，在每轮电场施加过程之间给出较长的驰豫时间，使得体系获得电场能量后能够进行有序的扩散和稳定结构形成，进而减少键合缺陷。
本发明基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场作用下实现低温低压的热压键合工艺，周期性变向的电流脉冲和电场施加间隔期足够的驰豫时间能够减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的利用纳米结构的金属界面的键合方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
(1)采用标准RCA工艺清洗硅衬底，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属铜(Cu)，形成金属基底，金属基底的厚度为500nm。
(2)制备纳米铜颗粒悬浮液。方法是首先Cu(NO3)2溶液与NaOH溶液在80℃环境条件下，充分混合反应3小时，离心分离，生成氧化铜纳米颗粒，再利用CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)和联氨溶液与氧化铜纳米颗粒充分混合，在40℃环境下反应15分钟，离心分离，最后经过真空烘干制备纳米铜颗粒，再将纳米铜颗粒与水均匀混合，形成纳米铜颗粒悬浮液，纳米铜颗粒尺寸在50-100nm之间。
利用旋涂法将纳米金属颗粒悬浮液均匀涂覆在铜金属基底层表面，形成键合层。
(3)将两个键合界面对准后，按一定顺序循环施加力、热、电载荷。过程包括：第一步在键合界面施加超声振动载荷，功率为20W，并持续3秒；第二步在键合界面施加恒定温度(通过热板4施加)和压力5，施加的压力2MPa，温度90℃，并在两金属层间连接周期性脉冲电流，幅值20安培，每个周期包括两个同幅反向电流脉冲，脉宽1.5毫秒，频率100赫兹，持续20秒；第三步去除脉冲电流，在键合界面施加恒定温度(通过热板4施加)和压力5，施加的压力2MPa，温度90℃，持续4分钟后，循环重复第二步和第三步，整个键合过程持续40分钟，完成器件的键合。
实施例2
(1)采用标准RCA工艺清洗硅衬底，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属铜(Cu)，形成金属基底，金属基底的厚度为500nm。
(2)制备纳米铜颗粒悬浮液。方法是首先Cu(NO3)2溶液与NaOH溶液在80℃环境条件下，充分混合反应3小时，离心分离，得到氧化铜纳米颗粒，再利用CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)和联氨溶液与氧化铜纳米颗粒充分混合，在40℃环境下反应15分钟，离心分离，最后经过真空烘干制备纳米铜颗粒，再将纳米铜颗粒与水均匀混合，形成纳米铜颗粒悬浮液，纳米铜颗粒尺寸在50-100nm之间。
利用旋涂法将纳米金属颗粒悬浮液均匀涂覆在铜金属层表面，形成键合层。
(3)将两个键合界面对准后，按一定顺序循环施加力、热、电载荷。过程包括：第一步在键合界面施加超声振动载荷，功率为20W，并持续2秒；第二步在键合界面施加恒定温度(通过热板4施加)和压力5，施加的压力1MPa，温度80℃，并在两金属层间连接周期性脉冲电流，幅值10安培，每个周期包括两个同幅反向电流脉冲，脉宽1毫秒，频率50赫兹，持续10秒；第三步去除脉冲电流，在键合界面施加恒定温度(通过热板4施加)和压力5，施加的压力1MPa，温度80℃，持续3分钟后，循环重复第二步和第三步，整个键合过程持续30分钟，完成器件的键合。
实施例3
(1)采用标准RCA工艺清洗硅衬底，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属铜(Cu)，形成金属基底，金属基底的厚度为500nm。
(2)制备纳米铜颗粒悬浮液。方法是首先Cu(NO3)2溶液与NaOH溶液在80℃条件下，充分混合反应3小时，离心分离，得到氧化铜纳米颗粒，再利用CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)和联氨溶液与氧化铜纳米颗粒充分混合，在40℃环境下反应15分钟，离心分离，最后经过真空烘干制备纳米铜颗粒，再将纳米铜颗粒与水均匀混合，形成纳米铜颗粒悬浮液，纳米铜颗粒尺寸在50-100nm之间。
利用旋涂法将纳米金属颗粒悬浮液均匀涂覆在铜金属层表面，形成键合层。
(3)将两个键合界面对准后，按一定顺序循环施加力、热、电载荷。过程包括：第一步在键合界面施加超声振动载荷，功率为20W，并持续5秒；第二步在键合界面施加恒定温度(通过热板4施加)和压力5，施加的压力5MPa，温度150℃，并在两金属层间连接周期性脉冲电流，幅值100安培，每个周期包括两个同幅反向电流脉冲，脉宽2毫秒，频率100赫兹，持续30秒；第三步去除脉冲电流，在键合界面施加恒定温度(通过热板4施加)和压力5，施加的压力5MPa，温度150℃，持续5分钟后，循环重复第二步和第三步，整个键合过程持续80分钟，完成器件的键合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用纳米结构的金属界面的键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；
B)将纳米金属颗粒悬浮液涂覆在金属基底表面，形成具有键合层/金属基底的器件；
C)将两个具有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，所述第三步的持续时间为2～6分钟；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～90℃；
所述纳米金属颗粒的尺寸为50～100nm；
所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，所述周期性脉冲电流施加时间为10～25秒。
2.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，步骤A)中，金属为铜、镍或金。
3.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述纳米金属颗粒悬浮液按照如下方法进行制备：
a)将Cu(NO3)2溶液与NaOH溶液进行加热反应后，离心分离，得到氧化铜纳米颗粒；
b)将十六烷基三甲基溴化铵、联氨溶液与氧化铜纳米颗粒混合进行反应后，离心分离，干燥后，得到纳米铜颗粒；
c)将所述纳米铜颗粒与水混合，得到纳米金属颗粒悬浮液。
4.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，时间为2～5秒。
5.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟。
6.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，向所述两个键合层施加恒定压力和温度的具体方法为：
将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。
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