本發(fā)明屬于微納系統(tǒng)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法。
背景技術(shù)：
隨著移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路(IC)向低功耗、小型化、多功能、高速化方向發(fā)展，摩爾定律面臨物理和技術(shù)極限的雙重挑戰(zhàn)。一方面，CMOS工藝特征尺寸進(jìn)一步減小，制造方法轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒓{混合模式，表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，促使產(chǎn)生新的微加工技術(shù)；另一方面，更多具備感知和計算功能的器件需進(jìn)行芯片級集成以滿足更高集成度和更多功能要求。三維封裝技術(shù)通過堆疊和垂直互連的方式提高芯片互連速度，增加集成度，成為微系統(tǒng)及芯片制造技術(shù)向“超越摩爾定律”方向發(fā)展的重要技術(shù)路徑。
面向三維封裝的金屬鍵合通過物理化學(xué)作用將同質(zhì)或異質(zhì)金屬層粘結(jié)在一起，實現(xiàn)能量傳遞或者機(jī)械連接?；诹己玫膶?dǎo)電導(dǎo)熱性能，金屬界面鍵合成為三維封裝中最為常用的鍵合形態(tài)，其工藝方法主要包括兩類，一是在鍵合界面填充合金焊料，溫度在250-400℃左右，作用原理是組成焊料的金屬元素在低溫下形成共晶組織；二是在一定溫度和壓力下通過鍵合界面的金屬原子相互擴(kuò)散，實現(xiàn)直接鍵合，溫度一般在400℃左右。焊料的使用會引入一定的污染，高溫下易失效，而且直接影響界面的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，其使用范圍受到較大限制。目前，最為廣泛研究和應(yīng)用的是基于界面原子擴(kuò)散的熱壓鍵合方法，但其高溫高壓環(huán)境會導(dǎo)致對準(zhǔn)、熱應(yīng)力等一系列失效和工藝成本問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法，本發(fā)明提供的鍵合方法采用較低的溫度和壓力增強(qiáng)了鍵合工藝可靠性。
本發(fā)明提供了一種利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法，包括以下步驟：
A)分別在兩個器件的鍵合目標(biāo)面濺射金屬，得到兩個復(fù)合有金屬基底的器件；
B)將納米金屬顆粒懸浮液涂覆在金屬基底表面，形成具有鍵合層/金屬基底的器件；
C)將兩個具有鍵合層/金屬基底的器件的鍵合層相對疊加后，按照以下步驟完成器件的互聯(lián)：
第一步：向所述兩個鍵合層施加超聲振動載荷；
第二步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度，并在兩個金屬基底間連接周期性脈沖電流，且每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖；
第三步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度；
第四步：循環(huán)第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定壓力為1～5MPa，溫度為80～150℃。
優(yōu)選的，步驟A)中，金屬為銅、鎳或金。
優(yōu)選的，所述納米金屬顆粒懸浮液按照如下方法進(jìn)行制備：
a)將Cu(NO3)2溶液與NaOH溶液進(jìn)行加熱反應(yīng)后，離心分離，得到氧化銅納米顆粒；
b)將十六烷基三甲基溴化銨、聯(lián)氨溶液與氧化銅納米顆?；旌线M(jìn)行反應(yīng)后，離心分離，干燥后，得到納米銅顆粒；
c)將所述納米銅顆粒與水混合，得到納米金屬顆粒懸浮液。
優(yōu)選的，所述納米金屬顆粒的尺寸為50～100nm。
優(yōu)選的，所述施加超聲振動載荷的功率為15～40W，時間為2～5秒。
優(yōu)選的，所述周期性脈沖電流幅值為10～100安培，脈寬1～2毫秒，頻率大于50赫茲，所述周期性脈沖電流施加時間為10～30秒。
優(yōu)選的，所述第三步的持續(xù)時間為2～6分鐘。
優(yōu)選的，所述循環(huán)第二步和第三步的時間為30～80分鐘。
優(yōu)選的，向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度的具體方法為：
將兩個熱板分別疊加于兩個復(fù)合有鍵合層/金屬基底的器件的外層后，熱板對兩個復(fù)合有鍵合層/金屬基底的器件進(jìn)行加熱，同時恒定的壓力垂直施加于所述兩個熱板上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法，包括以下步驟：A)分別在兩個器件的鍵合目標(biāo)面濺射金屬，得到兩個復(fù)合有金屬基底的器件；B)將納米金屬顆粒懸浮液涂覆在金屬基底表面，形成具有鍵合層/金屬基底的器件；C)將兩個具有鍵合層/金屬基底的器件的鍵合層相對疊加后，按照以下步驟完成器件的互聯(lián)：第一步：向所述兩個鍵合層施加超聲振動載荷；第二步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度，并在兩個金屬基底間連接周期性脈沖電流，且每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖；第三步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度；第四步：循環(huán)第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定壓力為1～5MPa，溫度為80～150℃。本發(fā)明基于納米界面特殊的尺度效應(yīng)、電流集聚效應(yīng)、電遷移效應(yīng)，在力電熱多物理場作用下實現(xiàn)低溫低壓的熱壓鍵合工藝，周期性變向的電流脈沖和電場施加間隔期足夠的馳豫時間能夠減少界面鍵合缺陷。該方法操作簡單，與微電子工藝兼容，在微系統(tǒng)封裝、光電集成器件等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1為本發(fā)明提供的利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法的流程示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法，其特征在于，包括以下步驟：
A)分別在兩個器件的鍵合目標(biāo)面濺射金屬，得到兩個復(fù)合有金屬基底的器件；
B)將納米金屬顆粒懸浮液涂覆在金屬基底表面，形成具有鍵合層/金屬基底的器件；
C)將兩個具有鍵合層/金屬基底的器件的鍵合層相對疊加后，按照以下步驟完成器件的互聯(lián)：
第一步：向所述兩個鍵合層施加超聲振動載荷；
第二步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度，并在兩個金屬基底間連接周期性脈沖電流，且每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖；
第三步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度；
第四步：循環(huán)第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定壓力為1～5MPa，溫度為80～150℃。
本發(fā)明首先在兩個器件的鍵合目標(biāo)面濺射金屬，得到兩個復(fù)合有金屬基底的器件。
其中，本發(fā)明對所述濺射的方法并沒有特殊限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的濺射方法即可。在本發(fā)明中，濺射金屬后得到的金屬基底的厚度優(yōu)選為500nm。所述金屬的種類優(yōu)選為鎳、銅或金。
接著，將納米金屬顆粒懸浮液涂覆在金屬基底表面，形成具有鍵合層/金屬基底的器件。
在本發(fā)明中，所述納米金屬顆粒懸浮液按照如下方法進(jìn)行制備：
a)將Cu(NO3)2溶液與NaOH溶液進(jìn)行加熱反應(yīng)后，離心分離，得到氧化銅納米顆粒；
b)將十六烷基三甲基溴化銨、聯(lián)氨溶液與氧化銅納米顆粒混合進(jìn)行反應(yīng)后，離心分離，干燥后，得到納米銅顆粒；
c)將所述納米銅顆粒與水混合，得到納米金屬顆粒懸浮液。
本發(fā)明首先將Cu(NO3)2溶液與NaOH溶液進(jìn)行加熱反應(yīng)后，離心分離，得到氧化銅納米顆粒。其中，所述加熱反應(yīng)的溫度優(yōu)選為80-100℃，所述加熱反應(yīng)的時間優(yōu)選為3-4小時。通過改變參數(shù)可獲得不同尺寸的納米顆粒。
將得到的氧化銅納米顆粒與十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、聯(lián)氨溶液混合進(jìn)行反應(yīng)，離心分離，干燥后，得到納米銅顆粒。所述反應(yīng)的溫度優(yōu)選為40-50℃，所述反應(yīng)的時間優(yōu)選為15-20min。
將得到的納米銅顆粒與水混合，得到納米金屬顆粒懸浮液。
其中，所述納米金屬顆粒的尺寸優(yōu)選為50～100nm。
將納米金屬顆粒懸浮液涂覆在金屬基底表面，形成具有鍵合層/金屬基底的器件。本發(fā)明對所述涂覆的方法并沒有特殊限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的涂覆方法即可。
將兩個具有鍵合層/金屬基底的器件的鍵合層相對疊加后，按照以下步驟完成器件的互聯(lián)：
第一步：向所述兩個鍵合層施加超聲振動載荷；
第二步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度，并在兩個金屬基底間連接周期性脈沖電流，且每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖；
第三步：向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度；
第四步：循環(huán)第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定壓力為1～5MPa，溫度為80～150℃。
首先，向所述兩個鍵合層施加超聲振動載荷，所述施加超聲振動載荷的功率為15～40W，優(yōu)選為20W，時間為2～5秒。
接著，向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度，并在兩個金屬基底間連接周期性脈沖電流，且每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖。
在本發(fā)明中，向所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度的具體方法為：
將兩個熱板分別疊加于兩個復(fù)合有鍵合層/金屬基底的器件的外層后，熱板對兩個復(fù)合有鍵合層/金屬基底的器件進(jìn)行加熱，同時恒定的壓力垂直施加于所述兩個熱板上。
具體的，將兩個熱板分別疊加于兩個復(fù)合有鍵合層/金屬基底的器件的外層后，熱板對兩個復(fù)合有鍵合層/金屬基底的器件進(jìn)行加熱，熱量傳遞至鍵合層，對鍵合層進(jìn)行加熱，同時壓力垂直施加于所述兩個熱板上，壓力傳遞至鍵合層對鍵合層進(jìn)行施壓。其中，所述恒定壓力為1～5MPa，優(yōu)選為2～4MPa，溫度為80～150℃，優(yōu)選為100～130℃。
在第二步中，本發(fā)明在對所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度的同時，還在兩個金屬基底間連接周期性脈沖電流，且每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖。
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；所述周期性脈沖電流施加時間優(yōu)選為10～30秒，更優(yōu)選為15～25秒。
接著，進(jìn)行第三步的鍵合，在第三步中，撤銷周期性的脈沖電流，僅對所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度，其中，所述對所述兩個鍵合層施加恒定壓力和溫度的方法如上文所述，在此不做贅述。其中，所述恒定壓力為1～5MPa，優(yōu)選為2～4MPa，溫度為80～150℃，優(yōu)選為100～130℃。
其中，所述第三步的持續(xù)時間優(yōu)選為2～6min，更優(yōu)選為3～5min。
第三步結(jié)束后，循環(huán)第二步和第三步的步驟，所述循環(huán)第二步和第三步的時間為30～80分鐘，優(yōu)選為40～70分鐘。
結(jié)合圖1，本發(fā)明提供的利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法進(jìn)行詳細(xì)說明，圖1為本發(fā)明提供的利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法的流程示意圖。圖1中，1為納米金屬顆粒，2為金屬基底，3為待鍵合器件，4為熱板，5為向所述兩個鍵合層施加的恒定壓力。
本發(fā)明首先制備含有納米金屬顆粒1的懸浮液，接著將所述懸浮液涂覆于金屬基底2的表面，然后將兩個具有鍵合層/金屬基底的器件的鍵合層相對疊加后，向所述兩個鍵合層施加超聲振動載荷，再向所述兩個器件外側(cè)疊加熱板4，對所述鍵合層施加恒定壓力和溫度，并在兩個金屬基底間連接周期性脈沖電流，接著撤銷周期性脈沖電流，向所述兩個鍵合層施加恒定壓力5和溫度，在持續(xù)施加恒定壓力和溫度的同時，反復(fù)施加和撤銷周期性的脈沖電流，最終實現(xiàn)器件的低溫鍵合。
本發(fā)明綜合利用力、電、熱耦合的方法實現(xiàn)金屬鍵合能夠有效降低鍵合溫度，尤其是恒流脈沖等形式電場的引入，利用電遷移效應(yīng)和電流集聚效應(yīng)促進(jìn)原子擴(kuò)散。同時，納米界面結(jié)構(gòu)具有尺度效應(yīng)和特殊的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)效應(yīng)，其熔點往往較體材料低很多，而且在納米接觸界面通電后，會在納米接觸面和孔隙處產(chǎn)生電流集聚效應(yīng)和電遷移效應(yīng)，前者產(chǎn)生局部焦耳熱，后者促進(jìn)原子的擴(kuò)散。鑒于此，在鍵合基底間構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)作為鍵合層，并按一定的順序施加力、熱和電流載荷，將能夠有效降低熱壓鍵合的溫度和壓力，循環(huán)變向的電流脈沖能夠有效避免電遷移效應(yīng)的不足，使得“電子風(fēng)”的作用更多的是破壞穩(wěn)定的金屬鍵，而不會因持續(xù)時間長而形成新缺陷，進(jìn)一步，在每輪電場施加過程之間給出較長的馳豫時間，使得體系獲得電場能量后能夠進(jìn)行有序的擴(kuò)散和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成，進(jìn)而減少鍵合缺陷。
本發(fā)明基于納米界面特殊的尺度效應(yīng)、電流集聚效應(yīng)、電遷移效應(yīng)，在力電熱多物理場作用下實現(xiàn)低溫低壓的熱壓鍵合工藝，周期性變向的電流脈沖和電場施加間隔期足夠的馳豫時間能夠減少界面鍵合缺陷。該方法操作簡單，與微電子工藝兼容，在微系統(tǒng)封裝、光電集成器件等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的利用納米結(jié)構(gòu)的金屬界面的鍵合方法進(jìn)行說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實施例的限制。
實施例1
(1)采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗硅襯底，然后通過濺射工藝在襯底上沉積金屬銅(Cu)，形成金屬基底，金屬基底的厚度為500nm。
(2)制備納米銅顆粒懸浮液。方法是首先Cu(NO3)2溶液與NaOH溶液在80℃環(huán)境條件下，充分混合反應(yīng)3小時，離心分離，生成氧化銅納米顆粒，再利用CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)和聯(lián)氨溶液與氧化銅納米顆粒充分混合，在40℃環(huán)境下反應(yīng)15分鐘，離心分離，最后經(jīng)過真空烘干制備納米銅顆粒，再將納米銅顆粒與水均勻混合，形成納米銅顆粒懸浮液，納米銅顆粒尺寸在50-100nm之間。
利用旋涂法將納米金屬顆粒懸浮液均勻涂覆在銅金屬基底層表面，形成鍵合層。
(3)將兩個鍵合界面對準(zhǔn)后，按一定順序循環(huán)施加力、熱、電載荷。過程包括：第一步在鍵合界面施加超聲振動載荷，功率為20W，并持續(xù)3秒；第二步在鍵合界面施加恒定溫度(通過熱板4施加)和壓力5，施加的壓力2MPa，溫度90℃，并在兩金屬層間連接周期性脈沖電流，幅值20安培，每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖，脈寬1.5毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)20秒；第三步去除脈沖電流，在鍵合界面施加恒定溫度(通過熱板4施加)和壓力5，施加的壓力2MPa，溫度90℃，持續(xù)4分鐘后，循環(huán)重復(fù)第二步和第三步，整個鍵合過程持續(xù)40分鐘，完成器件的鍵合。
實施例2
(1)采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗硅襯底，然后通過濺射工藝在襯底上沉積金屬銅(Cu)，形成金屬基底，金屬基底的厚度為500nm。
(2)制備納米銅顆粒懸浮液。方法是首先Cu(NO3)2溶液與NaOH溶液在80℃環(huán)境條件下，充分混合反應(yīng)3小時，離心分離，得到氧化銅納米顆粒，再利用CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)和聯(lián)氨溶液與氧化銅納米顆粒充分混合，在40℃環(huán)境下反應(yīng)15分鐘，離心分離，最后經(jīng)過真空烘干制備納米銅顆粒，再將納米銅顆粒與水均勻混合，形成納米銅顆粒懸浮液，納米銅顆粒尺寸在50-100nm之間。
利用旋涂法將納米金屬顆粒懸浮液均勻涂覆在銅金屬層表面，形成鍵合層。
(3)將兩個鍵合界面對準(zhǔn)后，按一定順序循環(huán)施加力、熱、電載荷。過程包括：第一步在鍵合界面施加超聲振動載荷，功率為20W，并持續(xù)2秒；第二步在鍵合界面施加恒定溫度(通過熱板4施加)和壓力5，施加的壓力1MPa，溫度80℃，并在兩金屬層間連接周期性脈沖電流，幅值10安培，每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖，脈寬1毫秒，頻率50赫茲，持續(xù)10秒；第三步去除脈沖電流，在鍵合界面施加恒定溫度(通過熱板4施加)和壓力5，施加的壓力1MPa，溫度80℃，持續(xù)3分鐘后，循環(huán)重復(fù)第二步和第三步，整個鍵合過程持續(xù)30分鐘，完成器件的鍵合。
實施例3
(1)采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗硅襯底，然后通過濺射工藝在襯底上沉積金屬銅(Cu)，形成金屬基底，金屬基底的厚度為500nm。
(2)制備納米銅顆粒懸浮液。方法是首先Cu(NO3)2溶液與NaOH溶液在80℃條件下，充分混合反應(yīng)3小時，離心分離，得到氧化銅納米顆粒，再利用CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)和聯(lián)氨溶液與氧化銅納米顆粒充分混合，在40℃環(huán)境下反應(yīng)15分鐘，離心分離，最后經(jīng)過真空烘干制備納米銅顆粒，再將納米銅顆粒與水均勻混合，形成納米銅顆粒懸浮液，納米銅顆粒尺寸在50-100nm之間。
利用旋涂法將納米金屬顆粒懸浮液均勻涂覆在銅金屬層表面，形成鍵合層。
(3)將兩個鍵合界面對準(zhǔn)后，按一定順序循環(huán)施加力、熱、電載荷。過程包括：第一步在鍵合界面施加超聲振動載荷，功率為20W，并持續(xù)5秒；第二步在鍵合界面施加恒定溫度(通過熱板4施加)和壓力5，施加的壓力5MPa，溫度150℃，并在兩金屬層間連接周期性脈沖電流，幅值100安培，每個周期包括兩個同幅反向電流脈沖，脈寬2毫秒，頻率100赫茲，持續(xù)30秒；第三步去除脈沖電流，在鍵合界面施加恒定溫度(通過熱板4施加)和壓力5，施加的壓力5MPa，溫度150℃，持續(xù)5分鐘后，循環(huán)重復(fù)第二步和第三步，整個鍵合過程持續(xù)80分鐘，完成器件的鍵合。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。