用于图形化表面的金锡键合方法与流程

本发明属于键合领域，涉及一种用于图形化表面的金锡键合方法。

背景技术：

金属键合技术是指通过纯金属或合金，依靠金属键、金属与晶片表面间的扩散、金属熔融等作用使两个晶片面对面地键合在一起。金属键合可以代替厚外延薄膜材料的外延生长而直接把所需的外延层材料或器件键合到目标衬底上，从而可简化器件工艺，降低成本，改善器件的导电导热性能等。

金属键合的关键是选择合适的金属膜，即选择的金属膜要与晶片材料保持良好的欧姆接触，小的扩散系数，以及低的金属熔点等。在光电器件的金属键合中，有时还需考虑到选择的金属膜能改善光电器件的热学、电学、光学等性能。目前国内外金属键合主要采用的金属有ausn、ausi、auge、cusn、alge等。

其中，工业上最常用的共晶键和技术为金锡键合。晶片在进行金锡键合过程中，需要保持一定的温度和压力，在保证器件转移至目标衬底时，需要综合考虑键合温度、压力、时间等因素对键合质量的影响。此外，还需要考虑晶片间的表面结合度问题，一般要求晶片表面平整光滑无颗粒，键合前需要进行清洗及去氧化和去有机物处理，确保键合后的金属层紧密均匀无明显空洞。但对于某些具有图形化表面的晶片来说，当它与表面平滑的衬底贴合在一起时，就会形成阵列型的空洞。如采用常规的金锡配比为80％：20％的键合工艺，由于金的占比较高，整个金属层流动性较差，较难填满这种空洞阵列。而这种阵列型的空洞会对后续加工过程中的其他工艺如切割、劈裂等产生重要影响，并最终影响晶片的光电特性。

目前，工业上的金锡键合工艺主要指金锡质量比为80％：20％，共晶点为278℃的共晶键合。如图1所示，显示为现有技术中常用金锡键合工艺示意图，将一片晶片101和一片目标衬底102重叠摆放，其中，晶片101上方为上加热基板103，目标衬底102下方为下加热基板104，通过施加一定和温度和压力，将晶片101和目标衬底102键合在一起。在键合过程中，金锡两种金属在温度大于278℃时熔合为金锡合金。这种工艺非常适合表面平整光滑的晶片键合，但很难将具有图形化表面的晶片与目标衬底无缝连接。

因此，如何提供一种用于图形化表面的金锡键合方法，以实现晶片与目标衬底间的无缝键合，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于图形化表面的金锡键合方法，用于解决现有技术中很难将具有图像化表面的晶片与目标衬底无缝连接，导致对后续工艺中产生不良影响，降低晶片的光电特性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于图形化表面的金锡键合方法，所述用于图形化表面的金锡键合方法包括如下步骤：

s1：将目标衬底及晶片叠放于键合机的下加热基板与上加热基板之间，其中，所述晶片的待键合面设有至少一个凹槽；所述目标衬底的待键合面形成有用于金锡共晶键合的第一键合材料层，所述晶片的待键合面形成有用于金锡共晶键合的第二键合材料层；所述第一键合材料层与第二键合材料层中，总的锡质量配比大于20％；

s2：通过所述上加热基板及所述下加热基板对所述晶片及所述目标衬底施加压力，并将所述晶片及所述目标衬底加热到预设温度，使所述晶片与所述目标衬底键合。

可选地，所述第一键合材料层为sn层，所述第二键合材料层为au层。

可选地，所述第一键合材料层包括au层及sn层，所述第二键合材料层包括au层及sn层。

可选地，所述第一键合材料层及所述第二键合材料层均为ausn合金层。

可选地，所述第一键合材料层与第二键合材料层中，总的锡质量配比范围是25％～95％。

可选地，所述第一键合材料层与第二键合材料层中，总的锡质量配比范围是30％～50％。

可选地，所述第一键合材料层与第二键合材料层中，总的锡质量配比范围是55％～85％。

可选地，键合之后，由所述第一键合材料层及第二键合材料层熔合的ausn合金层部分填充进所述凹槽。

可选地，键合之后，由所述第一键合材料层及第二键合材料层熔合的ausn合金层填充满所述凹槽。

可选地，所述凹槽的位置与切割道相对应。

可选地，所述目标衬底选自si、mo及cumocu衬底中的任意一种。

可选地，所述晶片包括基片及生长于所述基片上的三五族半导体化合物外延层。

可选地，所述基片选自蓝宝石、si、sic及氮化镓衬底中的任意一种。

可选地，所述第一键合材料层及第二键合材料层均采用蒸镀法形成。

如上所述，本发明的用于图形化表面的金锡键合方法，具有以下有益效果：本发明的金锡键合工艺中，锡的质量占比大于20％，可将具有图形化表面的晶片与表面光滑的目标衬底键合在一起，形成均匀无空洞的键合层。本发明主要利用锡的低熔点特性，通过增加锡的质量占比，增强了键合过程中锡的流动性，并利用多出的液态锡来填充图形化表面与平面衬底结合时形成的空洞阵列，实现晶片与目标衬底间的无缝键合，从而有效降低对后续工艺的影响，提高晶片的光电特性。

附图说明

图1显示为现有技术中单层键合工艺示意图。

图2显示为本发明的用于图形化表面的金锡键合方法的工艺流程图。

图3显示为本发明的用于图形化表面的金锡键合方法中所述晶片的结构示意图。

图4显示为本发明的用于图形化表面的金锡键合方法中所述目标衬底的结构示意图。

图5显示为本发明的用于图形化表面的金锡键合方法中步骤s1所呈现的结构示意图。

图6显示为本发明的用于图形化表面的金锡键合方法中步骤s2所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101晶片

102目标衬底

103上加热基板

104下加热基板

s1～s2步骤

201晶片

202第二键合材料层

203目标衬底

204第一键合材料层

205下加热基板

206上加热基板

207ausn合金层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种用于图形化表面的金锡键合方法，请参阅图2，显示为该方法的工艺流程图，包括如下步骤：

s1：将目标衬底及晶片叠放于键合机的下加热基板与上加热基板之间，其中，所述晶片的待键合面设有至少一个凹槽；所述目标衬底的待键合面形成有用于金锡共晶键合的第一键合材料层，所述晶片的待键合面形成有用于金锡共晶键合的第二键合材料层；所述第一键合材料层与第二键合材料层中，总的锡质量配比大于20％；

s2：通过所述上加热基板及所述下加热基板对所述晶片及所述目标衬底施加压力，并将所述晶片及所述目标衬底加热到预设温度，使所述晶片与所述目标衬底键合。

首先请参阅图3，显示为所述晶片201的结构示意图，如图所示，所述晶片201的待键合面形成有若干凹槽，构成图形化表面。所述晶片201的待键合面还形成有第二键合材料层202。

具体的，所述晶片201包括基片及生长于所述基片上的三五族半导体化合物外延层，例如氮化镓外延层；所述基片包括但不限于蓝宝石、si、sic及氮化镓衬底中的任意一种。其中，所述第二键合材料层202形成于所述三五族半导体化合物外延层表面。

本实施例中，所述凹槽的位置与切割道的位置相对应，即在后续完成键合并去除所述基片后，将所述晶片切割为若干分立的晶粒的过程中，当切割至露出所述凹槽，即表示切割过程完成。当然，在其它实施例中，所述凹槽也可是用作其它用途，或者是由于工艺因素所造成，此处不应过分限制本发明的保护范围。

然后请参阅图4，显示为所述目标衬底203的结构示意图，作为示例，所述目标衬底203的待键合面为光滑表面。所述目标衬底203的待键合面还形成有第一键合材料层204。

具体的，所述目标衬底203为导电导热性能良好的半导体或金属，包括但不限于si、mo及cumocu衬底中的任意一种。

所述第一键合材料层204与第二键合材料层202相配合，用于实现金锡共晶键合。作为示例，所述第一键合材料层204及第二键合材料层202均采用蒸镀法形成，且所述第一键合材料层204优选为sn层，所述第二键合材料层202优选为au层。

在另一实施例中，所述第一键合材料层204可同时包括au层及sn层，所述第二键合材料层202可同时包括au层及sn层，且au层与sn层的叠加顺序不限。

在另一实施例中，所述第一键合材料层204及所述第二键合材料层202也可均采用ausn合金层。

特别的，所述第一键合材料层204与第二键合材料层202中，总的锡质量配比大于20％。需要指出的是，此处所述总的锡质量配比指的是若将所述第一键合材料层204与第二键合材料层202合在一块，其中所含锡的总质量比例。

作为示例，所述第一键合材料层与第二键合材料层中，总的锡质量配比范围为25％～95％。当所述凹槽较浅时，总的锡质量配比可设置为较低，例如30％～50％；当所述凹槽较深时，总的锡质量配比可设置得更高，例如55％～85％。所述总的锡质量配比可通过控制所述第一键合材料层与第二键合材料层中au层、sn层或ausn合金层的厚度来实现。当然，所述总的锡质量配比也可根据需要采用其它数值，例如45％、60％、65％、70％、75％、80％，此处不应过分限制本发明的保护范围。

再请参阅图5，执行步骤s1：将目标衬底203及晶片201叠放于键合机的下加热基板205与上加热基板206之间。

具体的，所述目标衬底203与所述晶片201的叠放顺序不限。如图所示，由于所述凹槽的存在，所述晶片与平面目标衬底之间形成了空洞阵列。

最后请参阅图6，执行步骤s2：通过所述上加热基板206及所述下加热基板205对所述晶片201及所述目标衬底203施加压力，并将所述晶片201及所述目标衬底203加热到预设温度，使所述晶片201与所述目标衬底203键合。

具体的，所述预设温度指的是键合温度，其高于金锡共晶温度(278℃)，优选为高于金锡共晶温度20～30℃。作为示例，所述预设温度在298～308℃范围内。

由于锡的低熔点特性，在加热键合过程中，由于锡的质量占比较高，增强了键合过程中锡的流动性，多出的液态锡可填充进图形化表面与平面衬底结合时形成的空洞阵列，实现晶片与目标衬底间的无缝键合，从而有效降低对后续工艺的影响，提高晶片的光电特性。

如图6所示，本实施例中，键合之后，由所述第一键合材料层及第二键合材料层熔合的ausn合金层207填充满所述凹槽。

在另一实施例中，键合之后，由所述第一键合材料层及第二键合材料层熔合的ausn合金层207也可仅部分填充进所述凹槽，填充的体积优选为大于所述凹槽容积的30％。由于该部分填充进所述凹槽的ausn合金与所述凹槽侧壁具有一定粘附力，同样可以降低对后续工艺的影响。

综上所述，本发明的用于图形化表面的金锡键合方法在金锡键合工艺中，将锡的质量占比设置为大于20％，可将具有图形化表面的晶片与表面光滑的目标衬底键合在一起，形成均匀无空洞的键合层。本发明主要利用锡的低熔点特性，通过增加锡的质量占比，增强了键合过程中锡的流动性，并利用多出的液态锡来填充图形化表面与平面衬底结合时形成的空洞阵列，实现晶片与目标衬底间的无缝键合，从而有效降低对后续工艺的影响，提高晶片的光电特性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。