本發(fā)明屬于微電子封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法。

背景技術(shù)：

微系統(tǒng)三維封裝技術(shù)可有效提高器件集成密度，降低電子產(chǎn)品尺寸、提高性能和降低功耗。其中，金屬-金屬界面鍵合是三維封裝的主要結(jié)構(gòu)形式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械連接，同時(shí)還能夠提供電互連和導(dǎo)熱路徑，成為堆棧鍵合的首選。其鍵合機(jī)理是在一定的溫度和壓力作用下，相互接觸的界面銅原子間相互擴(kuò)散，形成牢固的鍵合。然而，金屬鍵合面的潔凈度、光滑度、擴(kuò)散鍵合的充分性以及鍵合過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋、空洞、位錯(cuò)等缺陷成為影響鍵合質(zhì)量的重要且難以安全避免的因素。尤其是對(duì)于最常用的熱壓鍵合，需要采用較高的鍵合壓力和溫度(350℃-400℃)，但如此苛刻的工藝條件會(huì)導(dǎo)致高熱應(yīng)力和熱損傷，繼而形成大量濺射缺陷，影響三維封裝的鍵合強(qiáng)度和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法，本發(fā)明提供的方法在常溫下實(shí)施，增強(qiáng)了鍵合工藝可靠性。

本發(fā)明提供了一種減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法，包括以下步驟：

A)向兩個(gè)器件間的金屬鍵合層施加力載荷，同時(shí)，在所述金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流；

B)改變施加于所述金屬鍵合層的力載荷的方向，同時(shí)，在所述金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流；

C)重復(fù)步驟B)。

優(yōu)選的，在步驟A)或步驟B)中，所述力載荷與所述金屬鍵合層的夾角為30°～90°，所述力載荷的大小為0.5～3Mpa。

優(yōu)選的，在步驟A)或步驟B)中，所述施加力載荷的時(shí)間為60～120s，所述連接周期性脈沖電流的時(shí)間為2～5s。

優(yōu)選的，在步驟A)或步驟B)中，所述周期性脈沖電流幅值為10～100安培，脈寬為1～2毫秒，頻率大于50赫茲。

優(yōu)選的，重復(fù)步驟B)的次數(shù)為2-10次。

優(yōu)選的，所述改變施加于所述鍵合層的力載荷的方向的角度變化不小于15°。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法，包括以下步驟：A)向兩個(gè)器件間的金屬鍵合層施加力載荷，同時(shí)，在所述金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流；B)改變施加于所述金屬鍵合層的力載荷的方向，同時(shí)，在所述金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流；C)重復(fù)步驟B)。本發(fā)明利用脈沖電流在鍵合缺陷處的集聚效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)促進(jìn)原子的擴(kuò)散，并在外部載荷作用下實(shí)現(xiàn)缺陷愈合，進(jìn)而減少封裝鍵合缺陷。本發(fā)明所述方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便，且在常溫下實(shí)施，增強(qiáng)了鍵合工藝可靠性，在三維封裝、微光機(jī)電系統(tǒng)制造等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法，其特征在于，包括以下步驟：

A)向兩個(gè)器件間的金屬鍵合層施加力載荷，同時(shí)，在所述金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流；

B)改變施加于所述金屬鍵合層的力載荷的方向，同時(shí)，在所述金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流；

C)重復(fù)步驟B)。

本發(fā)明首先向兩個(gè)器件間的金屬鍵合層施加力載荷。在本發(fā)明中，所述金屬鍵合層的厚度優(yōu)選為500nm。所述金屬鍵合層的金屬的種類優(yōu)選為鎳、銅或金。

在向所述金屬鍵合層施加力載荷時(shí)，所述力載荷與所述金屬鍵合層的夾角為30°～90°，優(yōu)選的，所述夾角為30°，45°，60°或90°；所述力載荷的大小為0.5～3Mpa，優(yōu)選為1～2.5MPa，更優(yōu)選為1.5～2MPa。所述施加力載荷的時(shí)間為60～120s，優(yōu)選為80～100s。

在向所述金屬鍵合層施加力載荷的同時(shí)，在金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流。其中，所述周期性脈沖電流幅值優(yōu)選為10～100安培，更優(yōu)選為30～70安培；脈寬1～2毫秒，頻率大于50赫茲，優(yōu)選為50～100赫茲；連接所述周期性脈沖電流的時(shí)間優(yōu)選為2～5秒，更優(yōu)選為3～4秒。

接著，改變施加于所述金屬鍵合層的力載荷的方向，同時(shí)，在金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流。

即，在步驟A)的基礎(chǔ)上，相對(duì)于步驟A)施加于金屬鍵合層的力載荷的方向，步驟B)改變了施加力載荷的方向。所述改變施加于所述鍵合層的力載荷的方向的角度變化不小于15°，優(yōu)選為15°。

其中，步驟B)中，所述力載荷與所述金屬鍵合層的夾角為30°～90°，且與步驟A)的力載荷的方向不同，所述力載荷的大小為0.5～3Mpa，優(yōu)選為1～2.5MPa，更優(yōu)選為1.5～2MPa。所述施加力載荷的時(shí)間為60～120s，優(yōu)選為80～100s。

在向所述兩個(gè)金屬鍵合層施加力載荷的同時(shí)，在兩個(gè)金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流。其中，所述周期性脈沖電流幅值優(yōu)選為10～100安培，更優(yōu)選為30～70安培；脈寬1～2毫秒，頻率大于50赫茲，優(yōu)選為50～100赫茲；連接所述周期性脈沖電流的時(shí)間優(yōu)選為2～5秒，更優(yōu)選為3～4秒。

接著，重復(fù)步驟B)，同樣的，在步驟B)的基礎(chǔ)上，相對(duì)于步驟C)施加于金屬鍵合層的力載荷的方向，步驟C)改變了施加力載荷的方向。所述改變施加于所述鍵合層的力載荷的方向的角度變化不小于15°，優(yōu)選為15°。

其中，步驟C)中，所述力載荷與所述金屬鍵合層的夾角為30°～90°，且與步驟B)的力載荷的方向不同，所述力載荷的大小為0.5～3Mpa，優(yōu)選為1～2.5MPa，更優(yōu)選為1.5～2MPa。所述施加力載荷的時(shí)間為60～120s，優(yōu)選為80～100s。

在向所述兩個(gè)金屬鍵合層施加力載荷的同時(shí)，在兩個(gè)金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流。其中，所述周期性脈沖電流幅值優(yōu)選為10～100安培，更優(yōu)選為30～70安培；脈寬1～2毫秒，頻率大于50赫茲，優(yōu)選為50～100赫茲；連接所述周期性脈沖電流的時(shí)間優(yōu)選為2～5秒，更優(yōu)選為3～4秒。

在本發(fā)明中，所述重復(fù)步驟B)的次數(shù)為2～10次，優(yōu)選為2次，且每次施加力載荷的方向與上一次施加力載荷的方向不同。

本發(fā)明在對(duì)器件實(shí)施鍵合時(shí)在常溫下進(jìn)行，即20～30℃。

結(jié)合圖1，對(duì)本發(fā)明提供的減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，圖1為本發(fā)明提供的減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法的流程示意圖。圖1中，1和3為鍵合器件，2為金屬鍵合層，4為施加于金屬鍵合層的力載荷。

具體的，向兩個(gè)鍵合后的器件間的金屬鍵合層施加力載荷，同時(shí)，在兩個(gè)金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流，力載荷依然施加于金屬鍵合層，力載荷持續(xù)一定時(shí)間后，改變力載荷的方向，同時(shí)，在兩個(gè)金屬鍵合層的界面間連接周期性脈沖電流，且每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，持續(xù)一定時(shí)間后斷開(kāi)電流。重復(fù)上述改變力載荷的方向，同時(shí)施加周期性脈沖電流，且施加力載荷方向的時(shí)間大于施加周期性脈沖電流的時(shí)間，重復(fù)次數(shù)為2～10次，完成器件的鍵合。

在本發(fā)明中，脈沖電流在通過(guò)鍵合界面的缺陷時(shí)，因電流集聚效應(yīng)和尖端效應(yīng)，會(huì)形成局部焦耳熱，改變?nèi)毕輩^(qū)域原子熱平衡，促進(jìn)原子擴(kuò)散以愈合裂紋、空洞等缺陷。而外部負(fù)載形成內(nèi)應(yīng)力改變?nèi)毕輩^(qū)域力平衡，進(jìn)而促進(jìn)裂紋等缺陷的愈合。鑒于此，綜合利用脈沖電流和外部載荷的方法，能夠有效促進(jìn)鍵合結(jié)構(gòu)缺陷的愈合，提高金屬界面封裝鍵合質(zhì)量。

本發(fā)明利用脈沖電流在鍵合缺陷處的集聚效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)促進(jìn)原子的擴(kuò)散，并在外部載荷作用下實(shí)現(xiàn)缺陷愈合，進(jìn)而減少封裝鍵合缺陷。本發(fā)明所述方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便，且在常溫下實(shí)施，增強(qiáng)了鍵合工藝可靠性，在三維封裝、微光機(jī)電系統(tǒng)制造等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的減少微系統(tǒng)金屬界面封裝鍵合缺陷的方法進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。

實(shí)施例1

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗器件襯底，然后通過(guò)濺射工藝在襯底上沉積金屬銅(Cu)，形成金屬鍵合層，金屬鍵合層的厚度為500nm。

(2)將兩個(gè)復(fù)合有金屬鍵合層的器件的金屬鍵合層相對(duì)疊加鍵合后，通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈60°夾角的2Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1.5毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間3秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)80秒。

(3)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈90°夾角的2Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1.5毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間3秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)80秒。

(4)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈45°夾角的2Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1.5毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間3秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)80秒。

(5)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈30°夾角的2Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1.5毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間3秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)80秒，完成兩個(gè)器件的鍵合。

實(shí)施例2

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗器件襯底，然后通過(guò)濺射工藝在襯底上沉積金屬銅(Cu)，形成金屬鍵合層，金屬鍵合層的厚度為500nm。

(2)將兩個(gè)復(fù)合有金屬鍵合層的器件的金屬鍵合層相對(duì)疊加鍵合后，通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈30°夾角的0.5Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1毫秒，頻率50赫茲，持續(xù)施加時(shí)間2秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)60秒。

(3)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈45°夾角的0.5Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1毫秒，頻率50赫茲，持續(xù)施加時(shí)間2秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)60秒。

(4)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈60°夾角的0.5Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1毫秒，頻率50赫茲，持續(xù)施加時(shí)間2秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)60秒。

(5)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈90°夾角的0.5Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值30安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬1毫秒，頻率50赫茲，持續(xù)施加時(shí)間2秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)60秒，完成兩個(gè)器件的鍵合。

實(shí)施例3

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗器件襯底，然后通過(guò)濺射工藝在襯底上沉積金屬銅(Cu)，形成金屬鍵合層，金屬鍵合層的厚度為500nm。

(2)將兩個(gè)復(fù)合有金屬鍵合層的器件的金屬鍵合層相對(duì)疊加鍵合后，通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈90°夾角的3Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值100安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬2毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間5秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)120秒。

(3)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈60°夾角的3Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值100安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬2毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間5秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)120秒。

(4)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈45°夾角的3Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值100安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬2毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間5秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)120秒。

(5)通過(guò)器件向鍵合界面施加與鍵合界面呈30°夾角的3Mpa壓力；然后，在鍵合界面施加周期性脈沖電流，幅值100安培，每個(gè)周期包括兩個(gè)同幅反向電流脈沖，脈寬2毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)施加時(shí)間5秒；斷開(kāi)電流后在上述壓力狀態(tài)下持續(xù)120秒，完成兩個(gè)器件的鍵合。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。