CN106653629B - 一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法 - Google Patents

一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法。本发明利用脉冲电流在键合缺陷处的集聚效应和焦耳热效应促进原子的扩散，并在外部载荷作用下实现缺陷愈合，进而减少封装键合缺陷。本发明所述方法工艺简单、操作方便，且在常温下实施，增强了键合工艺可靠性，在三维封装、微光机电系统制造等领域具有应用前景。

Description

一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法
技术领域
本发明属于微电子封装技术领域，具体涉及一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法。
背景技术
微系统三维封装技术可有效提高器件集成密度，降低电子产品尺寸、提高性能和降低功耗。其中，金属-金属界面键合是三维封装的主要结构形式，不仅能够实现机械连接，同时还能够提供电互连和导热路径，成为堆栈键合的首选。其键合机理是在一定的温度和压力作用下，相互接触的界面铜原子间相互扩散，形成牢固的键合。然而，金属键合面的洁净度、光滑度、扩散键合的充分性以及键合过程中产生的裂纹、空洞、位错等缺陷成为影响键合质量的重要且难以安全避免的因素。尤其是对于最常用的热压键合，需要采用较高的键合压力和温度(350℃-400℃)，但如此苛刻的工艺条件会导致高热应力和热损伤，继而形成大量溅射缺陷，影响三维封装的键合强度和导电导热性能。
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减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法，本发明提供的方法在常温下实施，增强了键合工艺可靠性。
本发明提供了一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法，包括以下步骤：
A)向两个器件间的金属键合层施加力载荷，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；
B)改变施加于所述金属键合层的力载荷的方向，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；
C)重复步骤B)。
优选的，在步骤A)或步骤B)中，所述力载荷与所述金属键合层的夹角为30°～90°，所述力载荷的大小为0.5～3Mpa。
优选的，在步骤A)或步骤B)中，所述施加力载荷的时间为60～120s，所述连接周期性脉冲电流的时间为2～5s。
优选的，在步骤A)或步骤B)中，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽为1～2毫秒，频率大于50赫兹。
优选的，重复步骤B)的次数为2-10次。
优选的，所述改变施加于所述键合层的力载荷的方向的角度变化不小于15°。
与现有技术相比，本发明提供了一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法，包括以下步骤：A)向两个器件间的金属键合层施加力载荷，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；B)改变施加于所述金属键合层的力载荷的方向，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；C)重复步骤B)。本发明利用脉冲电流在键合缺陷处的集聚效应和焦耳热效应促进原子的扩散，并在外部载荷作用下实现缺陷愈合，进而减少封装键合缺陷。本发明所述方法工艺简单、操作方便，且在常温下实施，增强了键合工艺可靠性，在三维封装、微光机电系统制造等领域具有应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)向两个器件间的金属键合层施加力载荷，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；
B)改变施加于所述金属键合层的力载荷的方向，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；
C)重复步骤B)。
本发明首先向两个器件间的金属键合层施加力载荷。在本发明中，所述金属键合层的厚度优选为500nm。所述金属键合层的金属的种类优选为镍、铜或金。
在向所述金属键合层施加力载荷时，所述力载荷与所述金属键合层的夹角为30°～90°，优选的，所述夹角为30°，45°，60°或90°；所述力载荷的大小为0.5～3Mpa，优选为1～2.5MPa，更优选为1.5～2MPa。所述施加力载荷的时间为60～120s，优选为80～100s。
在向所述金属键合层施加力载荷的同时，在金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流。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；连接所述周期性脉冲电流的时间优选为2～5秒，更优选为3～4秒。
接着，改变施加于所述金属键合层的力载荷的方向，同时，在金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流。
即，在步骤A)的基础上，相对于步骤A)施加于金属键合层的力载荷的方向，步骤B)改变了施加力载荷的方向。所述改变施加于所述键合层的力载荷的方向的角度变化不小于15°，优选为15°。
其中，步骤B)中，所述力载荷与所述金属键合层的夹角为30°～90°，且与步骤A)的力载荷的方向不同，所述力载荷的大小为0.5～3Mpa，优选为1～2.5MPa，更优选为1.5～2MPa。所述施加力载荷的时间为60～120s，优选为80～100s。
在向所述两个金属键合层施加力载荷的同时，在两个金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流。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；连接所述周期性脉冲电流的时间优选为2～5秒，更优选为3～4秒。
接着，重复步骤B)，同样的，在步骤B)的基础上，相对于步骤C)施加于金属键合层的力载荷的方向，步骤C)改变了施加力载荷的方向。所述改变施加于所述键合层的力载荷的方向的角度变化不小于15°，优选为15°。
其中，步骤C)中，所述力载荷与所述金属键合层的夹角为30°～90°，且与步骤B)的力载荷的方向不同，所述力载荷的大小为0.5～3Mpa，优选为1～2.5MPa，更优选为1.5～2MPa。所述施加力载荷的时间为60～120s，优选为80～100s。
在向所述两个金属键合层施加力载荷的同时，在两个金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流。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；连接所述周期性脉冲电流的时间优选为2～5秒，更优选为3～4秒。
在本发明中，所述重复步骤B)的次数为2～10次，优选为2次，且每次施加力载荷的方向与上一次施加力载荷的方向不同。
本发明在对器件实施键合时在常温下进行，即20～30℃。
结合图1，对本发明提供的减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法进行详细说明，图1为本发明提供的减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法的流程示意图。图1中，1和3为键合器件，2为金属键合层，4为施加于金属键合层的力载荷。
具体的，向两个键合后的器件间的金属键合层施加力载荷，同时，在两个金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流，力载荷依然施加于金属键合层，力载荷持续一定时间后，改变力载荷的方向，同时，在两个金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流。重复上述改变力载荷的方向，同时施加周期性脉冲电流，且施加力载荷方向的时间大于施加周期性脉冲电流的时间，重复次数为2～10次，完成器件的键合。
在本发明中，脉冲电流在通过键合界面的缺陷时，因电流集聚效应和尖端效应，会形成局部焦耳热，改变缺陷区域原子热平衡，促进原子扩散以愈合裂纹、空洞等缺陷。而外部负载形成内应力改变缺陷区域力平衡，进而促进裂纹等缺陷的愈合。鉴于此，综合利用脉冲电流和外部载荷的方法，能够有效促进键合结构缺陷的愈合，提高金属界面封装键合质量。
本发明利用脉冲电流在键合缺陷处的集聚效应和焦耳热效应促进原子的扩散，并在外部载荷作用下实现缺陷愈合，进而减少封装键合缺陷。本发明所述方法工艺简单、操作方便，且在常温下实施，增强了键合工艺可靠性，在三维封装、微光机电系统制造等领域具有应用前景。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法进行说明，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工艺清洗器件衬底，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属铜(Cu)，形成金属键合层，金属键合层的厚度为500nm。
(2)将两个复合有金属键合层的器件的金属键合层相对叠加键合后，通过器件向键合界面施加与键合界面呈60°夹角的2Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间3秒；断开电流后在上述压力状态下持续80秒。
(3)通过器件向键合界面施加与键合界面呈90°夹角的2Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间3秒；断开电流后在上述压力状态下持续80秒。
(4)通过器件向键合界面施加与键合界面呈45°夹角的2Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间3秒；断开电流后在上述压力状态下持续80秒。
(5)通过器件向键合界面施加与键合界面呈30°夹角的2Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间3秒；断开电流后在上述压力状态下持续80秒，完成两个器件的键合。
实施例2
(1)采用标准RCA工艺清洗器件衬底，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属铜(Cu)，形成金属键合层，金属键合层的厚度为500nm。
(2)将两个复合有金属键合层的器件的金属键合层相对叠加键合后，通过器件向键合界面施加与键合界面呈30°夹角的0.5Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间2秒；断开电流后在上述压力状态下持续60秒。
(3)通过器件向键合界面施加与键合界面呈45°夹角的0.5Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间2秒；断开电流后在上述压力状态下持续60秒。
(4)通过器件向键合界面施加与键合界面呈60°夹角的0.5Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间2秒；断开电流后在上述压力状态下持续60秒。
(5)通过器件向键合界面施加与键合界面呈90°夹角的0.5Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，幅值30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，持续施加时间2秒；断开电流后在上述压力状态下持续60秒，完成两个器件的键合。
实施例3
(1)采用标准RCA工艺清洗器件衬底，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属铜(Cu)，形成金属键合层，金属键合层的厚度为500nm。
(2)将两个复合有金属键合层的器件的金属键合层相对叠加键合后，通过器件向键合界面施加与键合界面呈90°夹角的3Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，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，持续施加时间5秒；断开电流后在上述压力状态下持续120秒。
(3)通过器件向键合界面施加与键合界面呈60°夹角的3Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，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，持续施加时间5秒；断开电流后在上述压力状态下持续120秒。
(4)通过器件向键合界面施加与键合界面呈45°夹角的3Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，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，持续施加时间5秒；断开电流后在上述压力状态下持续120秒。
(5)通过器件向键合界面施加与键合界面呈30°夹角的3Mpa压力；然后，在键合界面施加周期性脉冲电流，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，持续施加时间5秒；断开电流后在上述压力状态下持续120秒，完成两个器件的键合。
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 (5)

1.一种减少微系统金属界面封装键合缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)向两个器件间的金属键合层施加力载荷，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；
B)改变施加于所述金属键合层的力载荷的方向，同时，在所述金属键合层的界面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，持续一定时间后断开电流；
C)重复步骤B)；
在步骤A)或步骤B)中，所述力载荷与所述金属键合层的夹角为30°～90°；
所述改变施加于所述键合层的力载荷的方向的角度变化不小于15°。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤A)或步骤B)中，所述力载荷的大小为0.5～3Mpa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤A)或步骤B)中，所述施加力载荷的时间为60～120s，所述连接周期性脉冲电流的时间为2～5s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤A)或步骤B)中，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽为1～2毫秒，频率大于50赫兹。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重复步骤B)的次数为2-10次。
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