专利名称：一种低温热压键合方法
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°C)，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°C 450°C)，压力 过大(大于lOMPa)。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°C，而尺寸为2nm的纳米金颗粒熔点为327°C ；银的熔点是960. 5°C，而银纳米颗粒在低 于100°C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°C，压强为1-lOMPa。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、HC1溶液或HN03 溶液。进一步地，本发明所述的合金薄膜厚度为0. 5 lOilm。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lnm lOOnm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。
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。
具体实施例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11.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 (3 u m)；2.将硅片放入浓度为75%的HN03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°C，然后施加IMPa的压力，保温保压30分钟，完成热压键合。实施例2本实施例与实施例1工艺流程基本相同，不同之处是合金层变为Cu-Al合金，腐蚀 采用5%的HC1溶液。键合温度为220°C，压力为5MPa。实施例31.清洗玻璃片41，然后通过溅射工艺在玻璃表面沉积Ni层42 (30nm)和Cu层 43(lum)；2.将溅射完Cu层的玻璃片置于5%的HC1溶液中清洗1分钟，去除表面氧化物， 再用去离子水清洗，之后放入氯化氨镀锌溶液中，室温下在Cu层上电镀Zn层44，电镀时间 为10分钟。电镀完毕后用去离子水清洗玻璃片，用氮气吹干后置于退火炉中热处理，退火 温度为150°C，保温时间为2h，使金属Zn和Cu发生原子扩散，得到厚度为5 y m的Cu_Zn合金层45 ；3.将制作好Cu-Zn合金层的玻璃片放入8%的NaOH溶液中，腐蚀10小时，腐蚀 Cu-Zn合金中的Zn，然后用去离子水清洗，氮气吹干，得到孔洞尺寸为30-50nm的多孔铜纳 米结构层46 ；4.将带有多孔铜纳米结构层46的两玻璃片面对面置于热板47上，然后一起置于 充填氮气48保护的键合腔49中，将热板升温到300°C，然后施加5MPa的压力，保温保压30 分钟，完成热压键合。
权利要求
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。
2.如权利要求1所述的一种低温热压键合方法，其特征在于，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。
3.如权利要求1或2所述的一种低温热压键合方法，其特征在于，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。
4.如权利要求1-3之一所述的一种低温热压键合方法，其特征在于，所述热压键合的 温度为150-300°C，压强为l-10MPa。
5.如权利要求1-4之一所述的一种低温热压键合方法，其特征在于，所述选择性腐蚀 选用的腐蚀液为NaOH溶液、HCl溶液或HNO3溶液。
6.如权利要求1-5之一所述的一种低温热压键合方法，其特征在于，所述合金薄膜厚 度为0. 5 10 μ m。
7.如权利要求1-6之一所述的一种低温热压键合方法，其特征在于，所述多孔纳米结 构的孔洞尺寸和韧带尺寸在Inm IOOnm之间。
全文摘要
本发明提供了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。利用该多孔纳米结构作为键合层，由于纳米尺度效应，可以在较低的温度和压力下实现热压键合。本发明工艺简单，操作方便，特别是较低的温度和压力显著降低了键合过程中的热应力与热变形，在光电集成、三维封装、系统封装等领域具有广泛应用。
文档编号H01L21/603GK101853795SQ20101016525
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者刘胜, 彭聪, 蔡明先, 陈明祥 申请人:华中科技大学