專利名稱：靈敏的微米系統(tǒng)和納米系統(tǒng)的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連接微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的內(nèi)擴散方法，特別地，涉及一種通常以晶片級實施的靈敏的和易碎的結(jié)構(gòu)或部件的3D集成及封裝方法。
背景技術(shù)：
研發(fā)諸如微米或納米機電系統(tǒng)(MEMS)和基于MEMS的裝置時的難題是所有的MEMS裝置都需要特別設(shè)計的封裝以便氣密密封和/或保護其內(nèi)靈敏的和精密的部件。特別地，一些種類的MEMS裝置在封裝中需要非常低的真空級，然而其它一些則需要特別的壓力和/或氣體混合物以便根據(jù)具體的設(shè)計和目的來操作。US7132721教導(dǎo)了一種連接方法，其中在第一晶片表面沉積第一材料，在第二晶片表面沉積第二材料，將兩個晶片表面壓在一起以實現(xiàn)連接，其中第一和第二材料之間的內(nèi) 擴散形成合金化合物，該合金化合物隨后將晶片固定在一起。但是，這種方法或類似方法的一個問題是每個晶片上沉積不同材料將增加每個晶片的連接表面的不規(guī)則和不均勻性，從而影響所有合成連接的質(zhì)量。此外，如果沉積的材料是在空氣中易氧化的，則在連接表面可能形成天然氧化物，這將減少濕潤并成為阻止當(dāng)晶片和芯片上或晶片對上的連接表面開始接觸時第一和第二材料之間的混合的障礙物。預(yù)處理通常包括熔化程序(flux procedure),優(yōu)選地,系統(tǒng)組裝期間在原位而不是在非原位執(zhí)行所述熔化程序以阻止氧化，這是因為在非原位氧化發(fā)生的非?？臁ＭǔＳ糜谶@種程序的化學(xué)制品的一些例子是鹽酸、硫酸、蒸汽狀的甲酸，或合成氣體。但是，雖然這些酸是有效的氧化物去除劑，然而正如人們所熟知的，它們對于靈敏的微米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)具有非常大的負面影響。特別地，如前所述的通常包括在液態(tài)酸或類似物中處理晶片的任何濕潤處理，如果不需要額外的笨重處理技術(shù)，其與釋放的和易碎的微米或納米結(jié)構(gòu)不相適應(yīng)。此外，大多數(shù)簡單的表面處理程序在第二材料的熔點溫度附近是非常有效的。因此，在原位預(yù)處理之后，例如在上述熔化處理之后，在已經(jīng)相對較高溫度的壓力下，第一和第二材料通常開始接觸，所述相對較高溫度隨后上升超出第二材料的熔點溫度。這可能使得大體積的第二材料突然熔化，導(dǎo)致第二材料不希望的擠壓并流向周圍，這將反過來造成電短路或損壞該微米或納米裝置。此外，存在這樣一種危險，即在連接處理結(jié)束時，任何未反應(yīng)的第二材料在諸如吸氣劑活化或無鉛焊接的后續(xù)處理的高溫期間將再次熔化。因此，在包括諸如MEMS構(gòu)件、薄膜金屬導(dǎo)體或絕緣體的精密結(jié)構(gòu)的任何連接處理期間，通常難于執(zhí)行任何表面處理以去除氧化層而不潛在地損壞這些精密結(jié)構(gòu)。另一種已知的內(nèi)擴散連接方法是固液內(nèi)擴散(SLID)技術(shù)，該技術(shù)起源于用于3D微系統(tǒng)集成的芯片到晶片方法。這種技術(shù)的典型實施包括具有第一金屬的芯片，所述第一金屬在空氣中易氧化并具有設(shè)置于其上的第二金屬層，其中第一金屬具有比第二金屬高的熔點。一個例子是Cu-Sn SLID連接，其中Cu在空氣中易氧化并具有比Sn高的多的熔點。但是，現(xiàn)有的芯片到晶片方法的SLID連接存在多個與之相關(guān)的問題。作為例子，其中芯片單獨地固定于晶片上，所使用的并且可以固定晶片的典型的最大連接溫度超出第二金屬的熔點。這將阻止第一和第二金屬存在于晶片表面上，因為在所有模件被組裝之前，第一金屬在第二金屬中的擴散將導(dǎo)致化合物沿著所有連接表面形成，這是不希望的。因此，當(dāng)?shù)谝缓偷诙饘俣汲练e在芯片表面上時只有第一金屬沉積在晶片表面上。US6872464中描述的另一種可替換的芯片到晶片的連接方法基于高溫回流之前的低溫組裝。但是，這種方法包括利用基于熱塑聚合體的焊接媒介實現(xiàn)的低溫預(yù)連接。類似地，US2006/0292824教導(dǎo)了一種模件到晶片的連接方法，其中聚合連接層被圖案化于設(shè)置在第一晶片上的模件周圍并且這種聚合體在連接過程期間硬化以提供永久膠合層，這種永久膠合層在粘結(jié)壓力釋放之后固定模件-晶片連接。但是，這兩種方法的哪一個都不適于形成氣密密封的MEMS封裝，因為隨著時間的逝去，聚合體將惡化(滲氣)并且分子將分散進入封裝的密封真空腔中的環(huán)境中，從而危及
真空水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是提供一種在晶片級形成用于包封MEMS裝置的氣密密封封裝的連接方法，特別地，適于諸如微測輻射熱計的化學(xué)靈敏的MEMS裝置。根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于形成MEMS裝置的氣密密封的晶片級封裝的金屬內(nèi)擴散連接方法，包括步驟在第一晶片和第二晶片表面上提供第一金屬堆，第一金屬在空氣中易氧化；在每一個第一金屬堆的上表面上提供第二金屬層，第二金屬具有比第一金屬更低的熔點，所述第二金屬層的厚度足以抑制第一金屬上表面的氧化；使第一晶片上的第二金屬層接觸第二晶片上的第二金屬層以形成連接界面；以及在低于第二金屬的熔點的連接溫度施加連接壓力到第一和第二晶片以促使連接，所述連接壓力足以使連接界面處的第二金屬層變形。因此，本發(fā)明提供的連接方法使得晶片間的金屬連接能夠包封可以用于多種應(yīng)用、需要氣密密封以及具有或不具有真空腔的具有精密或化學(xué)靈敏的部件的裝置。利用本發(fā)明的方法，可以在不能抵抗住通常需要去除表面氧化物或阻止連接表面的氧化的熔化程序或其它表面預(yù)處理的晶片上以晶片級執(zhí)行連接和3D集成。因此，精密的或化學(xué)靈敏的部件或裝置能夠設(shè)置在兩個晶片上以便連接。這是因為具有比第一金屬低的熔點的第二金屬充當(dāng)將被連接在一起的兩個晶片上的第一金屬的保護層，以阻止第一金屬表面的氧化。這使得所制造的連接搭檔比具有暴露的易于氧化的第一金屬表面的樣品具有較長的存儲周期。更特別地，沒有充當(dāng)保護層的第二金屬，天然氧化將很快覆蓋第一金屬的暴露表面，這對阻止?jié)駶櫤驮谶B接處理期間的兩種金屬的內(nèi)擴散具有負面影響，并且因此需要蝕刻移除或利用還原處理，這將潛在地損壞精密部件。此外，由于連接壓力足夠大以使連接界面處的第二金屬層表面變形，這對于移除任一層上的任何表面凹凸以獲得非常好的、均勻的連接界面是有效的。同樣，由于連接表面為相同金屬，因而可以增強連接表面的濕潤條件。此外，使晶片以相對于第二金屬的熔點較低的溫度接觸，提供在較早處理階段整個晶片堆的更均勻的溫度分布，因為兩個晶片以調(diào)節(jié)連接夾頭的溫度熱接觸。
本發(fā)明的進一步優(yōu)點是在第二金屬的熔點之下形成最多的金屬互化物，與現(xiàn)有的SLID方法相比，這減少了液態(tài)材料在連接過程期間存在的空間。本發(fā)明提供了一種不用熔劑的連接方法，其同樣不需要諸如預(yù)退火的任何其它表面預(yù)處理或焊接媒介的使用，并因此，特別是在它們被釋放且沒有支撐之后，適于精密的微米和納米級別的機電裝置，薄膜金屬導(dǎo)體或絕緣體表面。


現(xiàn)在，將參考附圖描述本 發(fā)明的例子，其中圖I示出根據(jù)本發(fā)明所準(zhǔn)備的在連接之前的兩個晶片；圖2a示出圖I中的晶片剛開始接觸在一起；圖2b是與圖2a中的連接處理階段有關(guān)的時間對溫度的曲線圖；圖3a示出當(dāng)溫度上升時形成在兩個表面之間的內(nèi)擴散連接區(qū)域；圖3b是與圖3a中的連接處理階段有關(guān)的時間對溫度的曲線圖；圖4a示出在連接形成之后的最終化合物構(gòu)成；圖4b是與圖4a中的連接處理階段有關(guān)的時間對溫度的曲線圖；圖5a利用本發(fā)明的方法施加大約IOMPa連接壓力連接的兩個晶片之間的連接界面；以及圖5b利用本發(fā)明的方法施加大約17MPa連接壓力接合的兩個晶片之間的連接界面。
具體實施例方式雖然在本發(fā)明的例子中，第一金屬是銅(Cu)且第二金屬是錫(Sn)，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是可以使用其它合適金屬的組合，其中具有較高熔點的金屬在空氣中氧化以形成厚的天然氧化物，可以使用例如但不限于銀(Ag)或鎳(Ni)。此外，雖然在此論述的例子是硅晶片或基板，但是可以意識到晶片或基板可以包括其它材料，例如但不限于鍺、玻璃、石英、SiC和/或III - V族半導(dǎo)體。在Si晶片的例子中，通常具有l(wèi)-ΙΟμπι之間范圍內(nèi)厚度的Cu堆3圖案化于第一晶片I的表面上。然后將Sn層4沉積于Cu堆3的頂部上，如圖I所示。如上所述，Sn層4足夠厚以阻止Cu堆3表面的氧化并且在第一晶片I開始結(jié)合相應(yīng)的第二晶片2的同時確保保留一定量未反應(yīng)的Sn。在本例中，Sn層4具有大于O. 5 μ m的厚度，并且為了完成內(nèi)擴散過程，Cu與Sn的比必須大于I. 3以便保證在固化連接中完全轉(zhuǎn)變成合成的Cu3Sn化合物7。除了形成部分最終的金屬化合物之外，Sn還保護Cu免于氧化以便晶片1、2能夠儲存渡過沉積和組裝過程之間長的時間周期。在這一特殊例子中，沉積在第一晶片I的表面上的Cu和Sn圖案限定已經(jīng)被形成在表中的凹槽5周圍的邊界?？梢允┘游鼩鈩┎牧匣蚱渌瘜W(xué)靈敏材料(未示出)于第一晶片I的凹槽5中和/或第二晶片2上。優(yōu)選地，Cu和Sn也可以以與沉積在第一晶片I上的Cu堆3和Sn層4具有相同的厚度和橫向幾何形狀的相似構(gòu)造沉積于第二晶片2上，但這不是必須的。
為了說明，所示的第二晶片2具有設(shè)置于其上的多個精密部件8。這種精密部件8經(jīng)常是化學(xué)靈敏的并且，當(dāng)然，可以設(shè)置在第一晶片I和/或第二晶片2上，這取決于所獲結(jié)構(gòu)的期望目的。例如，沉積可以利用起始于適當(dāng)種子層的電噴鍍或非電噴鍍方式實施，或者以本領(lǐng)域熟知的任何其它沉積方法實施。圖2a示出第一和第二晶片1、2開始連接處理，它們通過施加于第一晶片I上(假設(shè)第二晶片2放置在固體表面上)的連接力F開始接觸。在Sn的熔點溫度以下執(zhí)行處理的開始步驟，如圖2b中所示的“溫度與時間”曲線圖中所示。有利地，與現(xiàn)有的SLID方法相t匕，這一開始步驟可以以相對低的溫度實施，如果需要，甚至可以在室溫下實施。但是，晶片結(jié)合在一起的溫度取決于最后所獲連接結(jié)構(gòu)的期望特性，所述期望特征由其諸如真空包封或氣密密封的使用目的所決定，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的。
圖3a示出了示范性過程的另一步驟，其中當(dāng)?shù)谝缓偷诙?、2開始接觸時，Sn層4在連接力F產(chǎn)生的壓力下被擠壓在一起并且在Sn-Sn界面之間容易產(chǎn)生親密的金屬接觸?？梢詮膱D3b看出，雖然能夠看出溫度在開始連接之后開始升高，但是，處理的這一步驟同樣是在Sn的熔點溫度以下發(fā)生。連接力F產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致Sn變形，破碎通常形成在Sn上的任何薄的氧化物層并且消除表面凹凸。通過使用超聲能量，這種變形可以進一步增強。熱加速內(nèi)部原子擴散并因此形成Sn-Sn連接。熱同樣加速每一個Cu堆3上的Cu-Sn界面處金屬間化合物6的形成以致當(dāng)Sn的熔點溫度(大約232°C )被超過時，只有少量的純Sn層4留在Cu堆3之間，如果有的話，這取決于溫度分布和金屬厚度。當(dāng)具有多余的Cu時,在150°C溫度下由Cu6Sn5組成的金屬間化合物6逐漸轉(zhuǎn)變成更高溫度下的Cu3Sn。圖4a示出在處理結(jié)束時所獲的結(jié)構(gòu)，由CuxSny合金化合物7連接第一和第二晶片
1、2。雖然CuxSny合金化合物7優(yōu)選是Cu3Sn,但是CuxSny合金化合物的組成取決于Cu-Sn界面在處理期間的溫度。從圖4b的曲線圖所示的溫度分布可以看出，在本例中，連接處理以超過Sn熔點的溫度完成。溫度分布必須被調(diào)整以確保所有Sn4被轉(zhuǎn)化成期望的CuxSny合金化合物。在本例中，溫度在整個過程中按常量增加。但是，溫度也可以不是按常量增加，并且可以在Sn熔點之下及之上變化。這種變化對于控制連接是有益的。但是，如上所述，利用本方法能夠?qū)崿F(xiàn)好的中間金屬Sn-Sn連接并且利用在到達其熔點之前的適當(dāng)溫度分布同時能減少留在連接界面處的未反應(yīng)Sn的剩余量。因此，本發(fā)明能夠被認(rèn)為是固態(tài)方法，其中能夠形成金屬間化合物6和/或所獲得的CuxSny合金化合物7階段而不必依賴于純Sn層4的液化，因為Cu6Sn5和Cu3Sn階段都具有高于Sn熔化溫度和最大粘結(jié)溫度的熔點。取決于如何設(shè)置本方法，液態(tài)Sn階段可能完全不存在，或者可能被限制在Sn-Sn界面附近非常窄的區(qū)域。當(dāng)?shù)谝缓偷诙雍蠒r，施加到它們上的連接力必須足夠高以允許形成兩個晶片1、2的匹配表面的Sn層4親密接觸以便橫跨晶片1、2的任何非均勻性可由易延展的Sn吸收。相對于現(xiàn)有技術(shù)，兩個匹配表面上的Sn層4能進一步提高全部Sn的厚度均勻性。通過利用晶片1、2其中一個上的改進設(shè)計，也能夠補償另一晶片1、2上的非均勻性。例如，這可能包括在兩個晶片1、2上反映單獨的虛擬結(jié)構(gòu)。
當(dāng)晶片組裝時施加于其上的連接力應(yīng)該足夠高以提供大于O. 05MPa的連接壓力，更優(yōu)選地，在5MPa-50MPa的范圍內(nèi)，以便易延展的Sn吸收橫跨連接表面的任何非均勻性。實際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在15MPa到25MPa范圍內(nèi)的連接壓力適于降低任何表面凹凸的影響并產(chǎn)生良好的和均勻的連接線。圖5a示出根據(jù)本發(fā)明的利用大約IOMPa的連接壓力在較低的溫度連接的封裝的橫截面?？梢钥闯?，在這種連接壓力下，Sn 3的表面已經(jīng)變形以提供好的連接界面，盡管仍可看見少數(shù)的空隙9。圖5b示出在17MPa下連接的封裝的橫截面，這在優(yōu)選的大約15MPa至IJ大約25MPa的壓力范圍內(nèi)。本例中可以看出，Sn 3的表面已經(jīng)變形足以提供完全平滑的連接界面，從而消除所有空隙9。在上述例子中，從圖3a和3b中可以看出，選擇溫度分布以便Cu和Sn明顯的內(nèi)擴散在Sn的熔點232°C以下發(fā)生。當(dāng)達到Sn的熔點時，這種方法容易具有非常少的未反應(yīng)的Sn保留在Sn-Sn界面處(如果有的話)。因此，由于在連接過程期間存在，存在非常有限的熔融材料，從而有效地最小化熔融Sn的任何未受控的流出。圖4a和4b示出在Sn的熔點以上連接形成獲得的CuxSny 7。如上所述，所獲結(jié)構(gòu)的不同應(yīng)用目的可能需要不同CuxSny的組成。有利地，所述結(jié)構(gòu)在其形成期間不需要長時間保持在Sn的熔化溫度以上，因為大多數(shù)內(nèi)擴散過程已經(jīng)在較低溫度發(fā)生。 通過在溫度上升期間于晶片1、2施加大的粘結(jié)力F，橫跨晶片1、2的任何厚度非均勻性在處理期間將被易延展的Sn吸收。在本發(fā)明的另一例子中，CuSn連接結(jié)構(gòu)能夠用于3D互聯(lián)。通過兩個晶片上Cu堆和Sn層構(gòu)造的沉積可以執(zhí)行晶片級的少熔化組裝，類似如上所述。在本例中，結(jié)構(gòu)被設(shè)計成單獨接觸。在更進一步的例子中，通過允許232°C以下的Cu-Sn/Sn-Cu內(nèi)擴散，也可以最小化Sn流動。上述兩個例子都適于利用傳統(tǒng)的晶片級處理大批量生產(chǎn)，并且此外，可以在相同晶片上結(jié)合在一起。有利地，具有較低熔點的第二金屬(例如Sn)的連接表面都不需要在連接之前或連接期間熔化處理。此外，當(dāng)與需要熔化的現(xiàn)有方法相比，通過調(diào)整溫度分布和力將晶片接合在一起時，利用少熔化處理能夠完成晶片級的氣密密封并且可以最優(yōu)化連接參數(shù)以限制Sn流。雖然上述給定的例子適于晶片級連接，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識到相同原理可以用于靈敏的和精密的部件的芯片級連接，所述靈敏的和精密的部件可能被利用在連接之前需要預(yù)處理連接表面的方法損壞。因此，本發(fā)明提供適于以晶片級連接可能包括易碎部件的靈敏結(jié)構(gòu)的SLID型連接方法而不需要對分開的晶片進行所需的任何預(yù)處理。
權(quán)利要求
1.一種金屬內(nèi)擴散連接方法，用于形成MEMS裝置的氣密密封的晶片級封裝，包括下列步驟 在第一晶片和第二晶片的表面上提供第一金屬堆，第一金屬在空氣中易氧化； 在每一個第一金屬堆的上表面上提供第二金屬層，第二金屬具有比所述第一金屬更低的熔點，所述第二金屬層厚度足以抑制第一金屬的上表面的氧化； 使所述第一晶片上的第二金屬層接觸所述第二晶片上的所述第二金屬層以形成連接界面；以及 在低于所述第二金屬的熔點的連接溫度向所述第一和第二晶片施加連接壓力以促使連接，所述連接壓力足以使所述連接界面處的所述第二金屬層變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括將所述連接溫度提高到所述第二金屬的熔點以形成將所述第一和第二晶片連接在一起的金屬間化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中所述第一金屬是銅而第二金屬是錫。
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3中任一項所述的方法，其中當(dāng)施加所述連接壓力時，所述連接溫度按常量增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求I到3中任一項所述的方法，其中當(dāng)施加所述連接壓力時，所述連接溫度以非常量方式增加。
6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中當(dāng)施加所述連接壓力時，所述連接溫度不超過所述第二金屬的熔點。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述連接壓力大于O.05MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述連接壓力在5MPa和50MPa之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述連接壓力在15MPa和25MPa之間。
10.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中包括力、溫度和聲能中的一個或多個連接參數(shù)在連接處理期間是可控制的以改變在連接界面實現(xiàn)的內(nèi)擴散。
11.一種氣密密封結(jié)構(gòu)，包括通過金屬間化合物連接在一起的第一晶片和第二晶片，所述金屬間化合物利用上述任一權(quán)利要求所述的方法形成，其中所述金屬間化合物具有金屬間連接界面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的氣密密封結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)包括MEMS裝置、吸氣劑材料或化學(xué)靈敏材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氣密密封結(jié)構(gòu)，其中所述MEMS裝置是化學(xué)靈敏的。
14.多個根據(jù)權(quán)利要求11到13的任一項所述的氣密密封結(jié)構(gòu)，其中所述多個氣密密封結(jié)構(gòu)以晶片級形成。
全文摘要
一種金屬內(nèi)擴散連接方法，用于形成MEMS裝置的氣密密封的晶片級封裝，包括下列步驟在第一晶片和第二晶片的表面上提供第一金屬堆，第一金屬在空氣中易氧化；在每一個第一金屬堆的上表面上提供第二金屬層，第二金屬具有比第一金屬低的熔點，所述第二金屬層的厚度足以抑制所述第一金屬上表面的氧化；使所述第一晶片上的第二金屬層接觸第二晶片上的第二金屬層以形成連接界面；以及在低于所述第二金屬的熔點的連接溫度向第一和第二晶片施加連接壓力以促使連接，所述連接壓力足以使連接界面處的第二金屬層變形。
文檔編號B81C1/00GK102883991SQ201180010791
公開日2013年1月16日 申請日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者尼爾斯·霍伊維克, 伯杰爾·斯塔克, 安德斯·艾爾芬, 王凱英 申請人:森松諾爾技術(shù)有限公司