一种微系统三维封装的互连方法技术方案

本发明专利技术提供了一种微系统三维封装的互连方法。本发明专利技术基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在有序周期性的力电热多物理场载荷作用下实现低温低压的热压键合工艺，减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统三维集成封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。

Interconnection method of micro system three-dimensional package

The present invention provides an interconnection method for a three dimensional packaging of microsystems. The invention of nano scale effect, the special interface current based on the agglomeration effect, electromigration, realize low temperature and low pressure heat pressing technique in electric power ordered periodic multi physical field load, reduce the interfacial bonding defects. This method is easy to operate and compatible with microelectronic process. It has a wide range of applications in micro systems, 3D integrated packaging, optoelectronic integrated devices and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种微系统三维封装的互连方法
本专利技术属于微机电系统封装互连
，具体涉及一种微系统三维封装的互连方法。
技术介绍
随着微纳机电系统以及微电子芯片集成化、多功能化发展要求，三维封装通过将连个器件在垂直方向上的力、热、电互连，降低微系统的尺寸和重量，并通过缩短互连通道长度减少信号延迟，增强热传导效率，逐渐成为微系统封装技术的重要发展方向。传统的互连技术包括硅-硅直接键合、硅-玻璃阳极键合等方法，但作为适用于三维封装的互连技术，除了满足结构连接需求外，还要满足高效率导电和导热要求，成为器件之间能量交换和信号传输的通道。因此，在器件三维集成封装中金属互连成为主要形式。最常用的是热压键合方法，在一定压力和温度作用下，利用原子间的相互扩散实现有效连接，但温度多在300℃以上，压力大于10MPa,对器件性能和寿命均有不利影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种微系统三维封装的互连方法，本专利技术在较低的温度和压力条件下实现了器件互联，增强了键合工艺可靠性。本专利技术提供了一种微系统三维封装的互连方法，包括以下步骤：A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；B)在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；在另一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有金属纳米针锥结构的金属互连层；C)将所述具有纳米孔结构的金属互连层与所述具有金属纳米针锥结构的金属互连层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：第一步：向所述两个金属互联层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。优选的，步骤A)中，所述金属为金，所述金属基底的厚度为20～50nm。优选的，采用选择性腐蚀的方法在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；采用电化学沉积的方法在另一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有金属纳米针锥结构的金属互连层。优选的，所述具有纳米孔结构的金属互连层的厚度为100～500nm，纳米孔的尺寸30～50nm。优选的，所述纳米针锥结构底面的直径为100～500nm。优选的，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，时间为2～5秒。优选的，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，所述周期性脉冲电流施加时间为10～30秒。优选的，所述第三步的持续时间为2～6分钟。优选的，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟。优选的，向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度的具体方法为：将两个热板分别叠加于两个复合有金属互联层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有金属互联层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。与现有技术相比，本专利技术提供了一种微系统三维封装的互连方法，包括以下步骤：A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；B)在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；在另一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有金属纳米针锥结构的金属互连层；C)将所述具有纳米孔结构的金属互连层与所述具有金属纳米针锥结构的金属互连层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：第一步：向所述两个金属互联层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。本专利技术基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在有序周期性的力电热多物理场载荷作用下实现低温低压的热压键合工艺，减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统三维集成封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。附图说明图1为本专利技术提供的微系统三维封装的互连方法的流程示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种微系统三维封装的互连方法，包括以下步骤：A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；B)在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；在另一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有金属纳米针锥结构的金属互连层；C)将所述具有纳米孔结构的金属互连层与所述具有金属纳米针锥结构的金属互连层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：第一步：向所述两个金属互联层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。本专利技术首先分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件。其中，本专利技术对所述溅射的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的溅射方法即可。所述金属优选为金，所述金属基底的厚度优选为20～50nm，更优选为30～40nm。得到两个复合有金属基底的器件之后，在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；在另一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有金属纳米针锥结构的金属互连层；本专利技术对制备具有纳米孔结构的金属互连层和具有金属纳米针锥结构的金属互连层的制备顺序没有限制。在本专利技术中，优选采用选择性腐蚀的方法在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层。其中，所述具有纳米孔结构的金属互连层的厚度优选为100～500nm，更优选为200～400nm；纳米孔的尺寸为30～50nm。本专利技术对所述选择性腐蚀的方法并没有特殊限制，优选按照如下方法进行：a)在所述复合有金属基底的器件的金属基底表面溅射沉积金属铜层；b)将所述沉积有金属铜层的器件置于镀液中，在所述金属铜层表面电镀金属锌层，得到具有金属锌层/金属铜层/金属基底的器件；c)将所述具有金属锌层/金属铜层/金属基底的器件进行退火，得到具有Cu-Zn合金层/金属基底的器件；d)将所述具有Cu-Zn合金层/金属基底的器件置于腐蚀液中进行选择性腐蚀，得到具有纳米孔结构的铜金属互连层/金属基底的器件。具体的，所述金属铜层的厚度优选为100～400nm，更优选为200～300nm。得到金属铜层的器件后，对所述器件进行清洗，所述清洗的方法为：将器件置于5％的HCl溶液中清洗1-2分钟，去除表面氧化物，再用去离子水清洗。(5％为最佳浓度)清洗干净后，将所述沉积有金属铜层的器件置于镀液中，在所述金属铜层表面电镀金属锌层。其中，所述镀液优选为氯化氨镀锌溶液。所述电镀的温度优选为20～30℃，所述电镀的时间为4-5min。金属锌层的厚度为30～6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微系统三维封装的互连方法，其特征在于，包括以下步骤：A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；B)在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；在另一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有金属纳米针锥结构的金属互连层；C)将所述具有纳米孔结构的金属互连层与所述具有金属纳米针锥结构的金属互连层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：第一步：向所述两个金属互联层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。

【技术特征摘要】
1.一种微系统三维封装的互连方法，其特征在于，包括以下步骤：A)分别在两个器件的键合目标面溅射金属，得到两个复合有金属基底的器件；B)在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；在另一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有金属纳米针锥结构的金属互连层；C)将所述具有纳米孔结构的金属互连层与所述具有金属纳米针锥结构的金属互连层相对叠加后，按照以下步骤完成器件的互联：第一步：向所述两个金属互联层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个金属互联层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。2.根据权利要求1所述的互联方法，其特征在于，步骤A)中，所述金属为金，所述金属基底的厚度为20～50nm。3.根据权利要求1所述的互联方法，其特征在于，采用选择性腐蚀的方法在其中一个所述复合有金属基底的器件的金属基底表面制备具有纳米孔结构的金属互连层；采用电化学沉积的方法在另一个所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓辉，赵兰普，岳鹏飞，张洪敏，王玎，张伟，乔彦超，安浩平，吴顺丽，王其富，
申请(专利权)人：河南省科学院应用物理研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41