[发明专利]一种低温热压键合方法

说明书

技术领域

本发明属于电子制造领域，特别涉及一种低温热压键合方法。

背景技术

随着微电子器件高集成度，多功能化的要求，现有的2D封装技术难以满足要求，而三维封装、系统级封装具有尺寸小、重量轻，通过缩短互连线长度减少信号延迟，提高效率等优点，正成为电子封装的主流技术。键合是实现三维封装的关键工艺，也是制约三维封装技术发展的一个瓶颈。目前应用于三维封装的键合技术大体可以分为两类：一类是无中间层的直接键合技术，主要包括硅-硅直接键合和硅-玻璃阳极键合。由于硅硅直接键合涉及到高温(大于800℃)，而阳极键合涉及高电压(大于400V)，在三维封装中受到一定限制；另一类是有中间层的间接键合技术，如利用焊料作为中间层的焊料键合和利用金属层作为中间层的热压键合。现有的热压键合技术，一般采用金属Cu或Au薄膜作为中间层，在一定的温度、压力和时间作用下，由于界面原子间的相互扩散作用而实现键合，如图1所示。对于现有热压键合技术而言，存在的主要问题表现为温度较高(350℃～450℃)，压力过大(大于10MPa)。而对于三维封装而言，如果在键合过程中引入过大的压力和过高的温度，会显著增加封装后器件内部的热应力，降低器件的性能和使用寿命，因此降低热压键合过程中的温度和压力极其重要。

由于尺度效应，纳米材料的熔点会随着颗粒尺寸的减小而降低。如金的熔点是1064℃，而尺寸为2nm的纳米金颗粒熔点为327℃；银的熔点是960.5℃，而银纳米颗粒在低于100℃时就开始熔化。有鉴于此，将现有热压键合中的金属薄膜层替换成纳米结构薄膜，可以大大降低热压键合的温度和压力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有热压键合技术的不足，提供一种低温热压键合技术，有效降低温度和压力对键合工艺的不利影响。

本发明公布的一种低温热压键合方法，首先在衬底上制作一层合金薄膜，然后通过选择性腐蚀工艺去除合金中的部分组分，使合金薄膜变成一层多孔纳米结构薄膜。利用该多孔纳米结构薄膜作为键合层，在较低的温度和压力下实现热压键合。具体技术方案为：

一种低温热压键合方法，首先在衬底上制作一层合金薄膜，然后通过选择性腐蚀工艺腐蚀掉该合金薄膜中的部分组分，使上述合金薄膜变成一层多孔纳米结构，利用该多孔纳米结构作为键合层，实施热压键合。

进一步地，本发明所述合金为二元合金，所述选择性腐蚀工艺腐蚀掉所述合金薄膜中的一种组分，使所述的多孔纳米结构为由另一种组分构成的多孔纳米结构。

进一步地，本发明所述的二元合金为Cu-Zn合金、Cu-Al合金或Au-Ag合金，相应地，所述选择性腐蚀工艺腐蚀掉的组分分别为Zn、Al或Ag。

进一步地，本发明所述的热压键合的温度为150-300℃，压强为1-10MPa。

进一步地，本发明所述的选择性腐蚀选用的腐蚀液为NaOH溶液、HCl溶液或HNO₃溶液。

进一步地，本发明所述的合金薄膜厚度为0.5～10μm。

进一步地，本发明所述的多孔纳米结构的孔洞尺寸和韧带尺寸在1nm～100nm之间。

与现有热压键合技术相比，将原有的金属薄膜层替换成多孔的纳米结构层，利用纳米材料的尺度效应，能够有效降低热压键合过程中的温度和压力，减少热应力和热形变，提高封装器件的性能，满足光电集成、三维封装的要求。而且多孔纳米结构的制备采用合金选择性腐蚀的方法，操作方便，工艺简单。

附图说明

图1为现有热压键合技术示意图。其中11为热板，12为硅片，13为金属层(Cu或Au)，14为盖板，15为键合压力；

图2为本发明热压键合示意图。其中21为热板，22为硅片，23为多孔纳米金属层，24为盖板，25为键合压力；

图3为本发明实施例1热压键合工艺流程图；

图4为本发明实施例2热压键合工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

1.采用标准RCA工艺清洗硅片31，然后通过溅射工艺在硅片上沉积Ni层32(30nm)和Au-Ag合金层33(3μm)；

2.将硅片放入浓度为75％的HNO₃溶液中，室温下腐蚀20分钟，腐蚀Au-Ag合金中的Ag，然后用去离子水清洗，氮气吹干，在硅片表面得到孔洞尺寸为20-30nm的多孔金纳米结构层34；

3.将带有多孔金纳米结构层34的两硅片面对面置于热板35上，将热板升温到150℃，然后施加1MPa的压力，保温保压30分钟，完成热压键合。

实施例2