一种基于多场耦合的键合方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于多场耦合的键合方法，首先在衬底上制备一层金属薄膜作为基底，之后用电化学沉积的方法在金属基底表面制备纳米金属针锥结构作为键合层，最后在一定温度和压力条件下，将金属基底连接恒流脉冲电源，通电持续一段时间后断开电源，再恒温恒压保持一定时间，利用纳米界面间电流集聚和电迁移效应，产生局部焦耳热，促进原子间扩散，即可实现低温固态键合。本发明工艺简单，操作方便，较低的温度和压力增强了工艺可靠性，在三维封装、微系统制造等领域具有应用前景。
【专利说明】一种基于多场耦合的键合方法【技术领域】
[0001]本发明属于微纳系统制造领域，特别是涉及一种基于多场耦合的键合方法。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术的发展，电路集成度越来越高，功能越来越多，器件尺寸越累越小，使得电子封装技术正从二维向三维过度，借此缩短互连线长度，减少电信号延迟，提升器件集成度。键合是构建多层芯片结构，实现三维封装的关键工艺，也是保障器件性能和可靠性的关键环节。
[0003]目前，为了使圆片间实现可靠键合，发展了硅-硅直接键合、硅-玻璃阳极键合、焊料键合和金属-金属热压键合等工艺方法。其中，硅-硅直接键合、硅-玻璃阳极键合两种方法中间不涉及填充物，但前者键合温度在800摄氏度以上，后者电压在400V以上，这种高温高电压环境往往会影响器件的性能。焊料键合和金属-金属热压键合方法的基本原理是在两键合基底表面填充焊料或纯金属材料再进行键合以降低键合温度，前者利用焊料的低熔点进行粘结，但易引入污染，且键合可靠性不高；后者在热压环境下利用原子层间的互扩散实现固态键合，但是目前的热压键合工艺一般在300°C、IOMPa以上,对于器件的寿命、可靠性具有较大的影响。
[0004]纳米界面结构具有尺度效应和特殊的电学效应，其熔点往往较体材料低很多，而且在纳米接触界面通 电后，会产生电流集聚效应和电迁移效应，前者产生局部焦耳热，后者促进原子的扩散。鉴于此，在键合基底间构造纳米结构作为键合层，并施加力、热和电流进行多物理场耦合，将能够有效降低热压键合的温度和压力。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于多场耦合的键合方法，通过在键合面构建纳米结构作为键合层，并施加力、热、电的多物理场耦合，降低热压键合的温度和压力。
[0006]本发明公布的一种基于多场稱合的键合方法，在衬底上制备一层金属薄膜作为基底，之后用电化学沉积的方法在金属基底表面制备纳米金属针锥结构作为键合层，最后在一定温度和压力条件下，将金属基底连接恒流脉冲电源，通电持续一段时间后断开电源，再恒温恒压保持一定时间，即可实现低温热压键合。
[0007]进一步地，本发明所述纳米金属针锥结构直径小于500nm。
[0008]进一步地，本发明所述的热压键合压力l_5MPa，温度100_200°C，恒温恒压持续时间20-40分钟。
[0009]进一步地，本发明所述恒流脉冲电源电流幅值小于100安培，脉宽50-150毫秒，频率大于50赫兹，通电时间30-300秒。
[0010]本发明基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场耦合作用下实现低温低压的热压键合工艺。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明基于多场耦合的键合工艺示意图:其中I为金属层，2为衬底，3为纳米金属针锥结构，4为压力，5为热板。
[0012]【具体实施方式】
如图1所示，本发明具体实施例的主要步骤包括:
(I)采用标准RCA工艺清洗硅衬底2，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属镍I (Ni)500nmo
[0013](2)将(I)制备的基底进行除油和除锈处理，置于电镀溶液中(五水硫酸铜 1.5mol/L,硝酸铜 0.2mol/L,乙二胺 2 mol/L,硼酸 0.3 mol/L,添加剂 SPS15ppm、PEGlOOOppm, JGB40ppm,溶液温度30°C，PH值5.0)，并将基材作为阴极，将铜板或者不溶性极板作为阳极，并通过导线使基底、铜板与电镀电源构成回路。通过电镀电源对基底实施直流电流(2A/dm2)，电镀时间为180秒，形成纳米金属针锥结构层3。
[0014](3)将两片(2)形成的结构，置于热板5之间，施加2MPa压力，温度为150摄氏度，在Ni金属层之间连接恒流脉冲电源，电流幅值10安培，脉宽100毫秒，频率5000赫兹，通电时间150秒。
[0015](4)保持恒温恒压30分钟，即完成键合工艺。
【权利要求】
1.一种基于多场耦合的键合方法，其特征是在衬底上制备一层金属薄膜作为基底，之后用电化学沉积的方法在金属基底表面制备纳米金属针锥结构作为键合层，最后在一定温度和压力条件下，将金属基底连接恒流脉冲电源，通电持续一段时间后断开电源，再恒温恒压保持一定时间。
2.如权利要求1所述的一种基于多场耦合的键合方法，其特征在于纳米金属针锥结构直径小于500nm。
3.如权利要求1所述的一种基于多场耦合的键合方法，其特征在于施加的压力l-5MPa，温度100-200°C，恒温恒压持续时间20-40分钟。
4.如权利要求1所述的一种基于多场耦合的键合方法，其特征在于恒流脉冲电源电流幅值小于100安培，脉宽50-150毫秒，频率大于50赫兹，通电时间30-300秒。
【文档编号】B81C3/00GK103928300SQ201410145672
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】宋晓辉, 乔彦超, 赵兰普, 庄春生, 岳鹏飞, 张萍 申请人:河南省科学院应用物理研究所有限公司