CN114367730B - 基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺及结构。该结构主要包括长方体块铜衬底，用于固定金刚石薄膜的立体的、阵列式排列的几何图形，“十字架”形状的金刚石薄膜。扩散键合的工艺包括对块铜衬底进行机械抛光处理，等离子体清洗，表面溅射合金焊料，在真空环境下，对金刚石薄膜与块铜衬底施加温度和压力，实现二者的扩散键合，通过位移/力/热/电等方式使块铜衬底张开带动金刚石薄膜拉伸，间接使其产生应变。本发明可以实现合金焊料层的厚度均匀，可控，提高扩散键合的剪切强度和键合面积，提高扩散键合的可靠性，通过调整几何图形结构适应待拉伸薄膜，在实现金刚石薄膜高效间接拉伸的同时提高了其通用性。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石复合材料及扩散键合工艺领域，具体涉及一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺及结构。
背景技术
基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底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旋涂金、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铜和金刚石薄膜键合在一起。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。
目前在金刚石复合材料领域，在金刚石与金属复合材料制备过程中，为提高金刚石与金属之间的结合强度，往往在金刚石与金属之间引入硼及其化合物层，但在需要键合的块体上铺设金属材料时，采用旋涂的传统方法会造成焊料层厚度不均匀且焊料层整体会变得较厚，对整体键合不利，因此需要对焊料层厚度进行控制。
另外，传统湿法工艺清洗键合面会带来有机颗粒粘污，对键合界面的平整性造成不平，影响扩散键合的效果。同时在金刚石薄膜拉伸的问题上，传统方法不能批量实现金刚石薄膜的拉伸，拉伸试样类型单一，因此需要一种能批量拉伸金刚石薄膜的结构与工艺。
发明内容
针对上述在金刚石与块铜衬底扩散键合工艺在旋涂过程中带来的技术问题以及金刚石薄膜批量拉伸的问题，本发明提出了一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺及结构。本工艺和结构可以实现焊料层的厚度均匀与厚度可控，同时可实现金刚石薄膜在块铜衬底的带动下的批量拉伸。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺，其特征在于：包含如下步骤：
S0：采用湿法刻蚀的方法在块铜衬底表面得到立体的、阵列式排列的几何图形；
S1：对块铜衬底表面进行机械研磨抛光处理，并用等离子体清洗待键合部件键合面；
S2：在需要键合的部件键合面上溅射合金焊料；
S3：将两需要键合的部件封装于真空环境中，并使两键合层贴合；
S4：向置于真空环境中的两待键合部件同时施加温度和压力，在温度和压力的作用下实现两部件的扩散键合；
S5：键合成功后，通过位移/力/热/电等方式使块铜衬底张开带动金刚石薄膜拉伸，从而使金刚石薄膜产生应变。
作为优选方案，所述步骤S1中，对块铜衬底表面进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm，以满足溅射要求；随后，采用等离子体清洗去除块铜表面杂质；
所述步骤S2中，在块铜衬底表面溅射合金焊料，并将金刚石薄膜覆盖于合金焊料上；
所述步骤S3中，在真空环境下，对贴合的块铜衬底和金刚石薄膜进行施加10～30MPa的压力，并在800～900℃的温度下实现扩散键合。
进一步地，所述键合时的工作温度为800～900℃，施加键合压力为10～30MPa；所用合金焊料为TiW、SiO2、纳米银或纳米铜中的任一种；对键合面进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100～500nm，同时采用等离子体清洗去除表面杂质。
更进一步地，所述步骤S2中合金焊料的厚度可控，包括如下步骤：
S2.1)对块铜衬底表面溅射合金焊料#1，之后再溅射合金焊料#2，所述块铜衬底即包括块铜和块铜衬底表面的合金焊料层；
S2.2)将所述表面溅射有合金焊料的块铜衬底进行高温处理使得所述合金焊料#2出现微裂纹或微损伤，以便于后续进脱落处理；
S2.3)将经步骤S2.2)高温处理的所述溅射有合金焊料的块铜衬底进行脱落处理，使得合金焊料#2脱落，合金焊料#1保留，并用等离子体清洗去除表面杂质，提高立体结构的金属键合面的洁净度，制得表面合金焊料厚度减薄的块铜衬底；
S2.4)将金刚石与块铜衬底进行扩散键合，即可实现厚度减薄的合金焊料层，即实现合金焊料层的厚度可控。
更进一步地，所述基于金刚石间接拉伸结构，包括以下步骤：
S5.1)构建金刚石与块铜衬底的键合模型，对键合模型进行位移/力/热等载荷加载；以施加力为例，对块铜衬底两两相对的四个侧面均施加力，约束其底面，如图5所示；力的加载可以是面力，对样品施加的力载荷应为0.01N，但不限于此方式和此大小；
S5.2)将所得方向上的力的作用结果提取并做归纳统计，同时由金刚石薄膜计算得表面积和长度，之后通过力的基本的方程求得任意方向上的应变率；
S5.3)参数方程求解如下所示：
εx＝ΔLx/Lx；
εy＝ΔLy/Ly；
εz＝ΔLz/Lz；
εx为金刚石薄膜在x方向上的应变；
εy为金刚石薄膜在y方向上的应变；
εz为金刚石薄膜在z方向上的应变；
L为金刚石薄膜样品的长度；
ΔL为金刚石薄膜样品长度的变化值。
第二方面，本发明提供一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合结构，其特征在于：采用如上述任一所述方法，采用湿法刻蚀的方法在块铜衬底表面得到立体的、阵列式排列的几何图形，并通过氧等离子体干法清洗去除表面杂质，将“十字架”形状的金刚石薄膜嵌入块铜衬底。
作为优选方案，所述阵列式排列的几何图形的数量与几何图形之间的间距均可控，以满足扩散键合强度的要求。
进一步地，所述的氧等离子体干法清洗块铜衬底立体结构技术，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内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，从而清洁块铜衬底健合表面。
本发明的优点及有益效果如下：
1、采用溅射的方法将合金焊料溅射到块铜衬底，实现了焊料层厚度均匀。
2、采用高温脱落处理的工艺可实现焊料层厚度控制，避免焊料层过厚。
3、采用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。
4、对键合面进行机械抛光处理，保证了键合表面的平整度和粗糙度，提高了键合质量。
5、增加了立体的、阵列式排列的几何图形，增大了键合挤压过程中的微摩擦力，使得键合压力更为集中。
6、实现了金刚石薄膜高效的间接拉伸，通过调整几何图形结构适应待拉伸薄膜，同时也提高了其通用性。
附图说明
图1是本发明实施例1中基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合结构的俯视图；
图2是本发明实施例1中带有立体的，阵列式排列的几何图形的块铜衬底；
图3是本发明实施例1中金刚石薄膜的结构；
图4是本发明实施例1中金刚石/块铜衬底扩散键合界面示意图；
图5是本发明实施例1中对键合部件四个侧面施加力的示意图；
图6是本发明实施例2中金刚石薄膜嵌入块铜衬底的示意图；
图中：101是块铜衬底，102是金刚石薄膜，103是合金焊料(本发明以纳米银为例)。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。
实施例1
本实施例中，一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺，包括以下步骤：
1)采用湿法刻蚀的方法在块铜衬底表面得到立体的、阵列式排列的几何图形。
2)对块铜衬底表面进行机械抛光处理，使之表面平整度低于800nm(不限于此)，粗糙度为100～500nm(不限于此)，同时采用等离子体清洗去除表面杂质。
3)选用纳米银焊料，并将纳米银溅射到块铜衬底上，保证焊料层厚度均匀，同时可高温处理使得部分焊料层脱落从而控制焊料层厚度。
4)在真空环境中，将金刚石薄膜制作为“十字架”结构嵌入其中，并施加10～30MPa(不限于此)的压力，在800～900℃(不限于此)的温度下进行加热，实现金刚石薄膜与块铜衬底的扩散键合。
5)对构建的金刚石与块铜衬底的键合模型进行力载荷的加载，对块铜衬底两两相对的四个侧面均施加力，并约束其底面。力的加载可以是面力，对样品施加的力载荷应为0.01N，但不限于此方式和此大小。将所得方向上的力的作用结果提取并做归纳统计，同时由金刚石薄膜计算得表面积和长度，之后通过力的基本的方程求得任意方向上的应变率。
实施例2
如图6所示，基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺及结构的另一实施方式，其与实施例1的不同在于，采用湿法刻蚀的方法在块铜衬底上得到金刚石薄膜形状的凹槽，使得金刚石薄膜嵌入其中，同样可实现金刚石薄膜的间接拉伸。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺，其特征在于：包含如下步骤：
S0：采用湿法刻蚀的方法在块铜衬底表面得到立体的、阵列式排列的几何图形；
S1：对块铜衬底表面进行机械研磨抛光处理，并用等离子体清洗待键合部件键合面；
S2：在需要键合的部件键合面上溅射合金焊料；
S3：将两需要键合的部件封装于真空环境中，并使两键合层贴合；
S4：向置于真空环境中的两待键合部件同时施加温度和压力，在温度和压力的作用下实现两部件的扩散键合；
S5：键合成功后，通过位移/力/热/电的方式使块铜衬底张开带动金刚石薄膜拉伸，从而使金刚石薄膜产生应变；
所述步骤S1中，对块铜衬底表面进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100~500nm，以满足溅射要求；随后，采用等离子体清洗去除块铜表面杂质；
所述步骤S2中，在块铜衬底表面溅射合金焊料，并将金刚石薄膜覆盖于合金焊料上；
所述步骤S2中合金焊料的厚度可控，包括如下步骤：
S2.1）对块铜衬底表面溅射合金焊料#1，之后再溅射合金焊料#2，所述块铜衬底即包括块铜和块铜衬底表面的合金焊料层；
S2.2）将表面溅射有合金焊料的块铜衬底进行高温处理使得所述合金焊料#2出现微裂纹或微损伤，以便于后续进脱落处理；
S2.3）将经步骤S2.2）高温处理的所述溅射有合金焊料的块铜衬底进行脱落处理，使得合金焊料#2脱落，合金焊料#1保留，并用等离子体清洗去除表面杂质，提高立体结构的金属键合面的洁净度，制得表面合金焊料厚度减薄的块铜衬底；
S2.4）将金刚石与块铜衬底进行扩散键合，即能实现厚度减薄的合金焊料层，即实现合金焊料层的厚度可控；
所述步骤S3中，在真空环境下，对贴合的块铜衬底和金刚石薄膜进行施加10~30MPa的压力，并在800~900℃的温度下实现扩散键合；
所述键合时的工作温度为800~900℃，施加键合压力为10~30MPa；所用合金焊料为TiW、SiO2、纳米银或纳米铜中的任一种；对键合面进行机械研磨抛光处理，使之表面平整度低于800nm，粗糙度为100~500nm，同时采用等离子体清洗去除表面杂质。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S5.1）构建金刚石与块铜衬底的键合模型，对键合模型进行位移/力/热载荷加载：当施加力时，对块铜衬底两两相对的四个侧面均施加力，约束其底面；力的加载是面力，对样品施加的力载荷应为0.01N；
S5.2）将所得方向上的力的作用结果提取并做归纳统计，同时由金刚石薄膜计算得表面积和长度，之后通过力的基本的方程求得任意方向上的应变率；
S5.3）参数方程求解如下所示：
εx=ΔLx/Lx；
εy=ΔLy/Ly；
εz=ΔLz/Lz；
εx为金刚石薄膜在x方向上的应变；
εy为金刚石薄膜在y方向上的应变；
εz为金刚石薄膜在z方向上的应变；
L为金刚石薄膜样品的长度；
ΔL为金刚石薄膜样品长度的变化值。
3.一种基于金刚石间接拉伸结构的金刚石/块铜衬底扩散键合结构，其特征在于：采用如权利要求1或2中所述工艺得到，在所述块铜衬底（101）表面设有立体的、阵列式排列的几何图形；所述块铜衬底（101）内嵌入有“十字架”形状的金刚石薄膜（102）。
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