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℃ )， 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 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 之溶液。
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
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 HCl 溶液。键合温度为 220℃， 压力为 5MPa。
实施例 3
1. 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(1μm) ；
2. 将溅射完 Cu 层的玻璃片置于 5％的 HCl 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℃， 保温时间为 2h， 使金属 Zn 和 Cu 发生原子扩散， 得到厚度为 5μm 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℃， 然后施加 5MPa 的压力， 保温保压 30 分钟， 完成热压键合。