一种基于Au/In等温凝固的低温键合方法技术

本发明专利技术公开一种基于Au/In等温凝固的低温键合方法，包括：在第一基片的键合面上形成第一金图案层；在第二基片的键合面上形成凸点图案层；在第二基片的键合面上依次形成覆盖所述凸点图案层的第二金图案层和铟图案层；将所述第一基片的键合面与所述第二基片的键合面对准并固定，以进行键合。本发明专利技术使用了在金属薄膜底层增加凸点图案层，此凸点图案层不仅降低了键合对准精度，同时也增强了键合过程中的接触力，可以大大提高键合质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于Au/In等温凝固的低温键合方法。
技术介绍
键合技术指的是在室温下两个硅片受范德瓦耳斯力作用相互吸引，硅片表面基团发生化学作用而键合在一起的技术，其可以将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起，是MEMS(微机电系统)技术中的一项重要的加工方法。利用键合技术可以降低单个硅片加工的复杂程度，从而实现复杂的沟通、腔体以及SOI(绝缘体上的硅)材料制备等。此外，键合技术还可以实现MEMS器件中不同材料的部件永久性的连结，以实现三维集成和芯片的圆片级封装。近年来迅速发展的键合技术已成为MEMS器件开发和实用化的关键技术之一。与其它键合技术相比，低温键合可以避免高温对MEMS器件(尤其是在生物、光学以及射频器件)性能的影响，减小材料的热变形和热应力，进而可以大大提高器件的性能和成品率，是目前键合技术研究的热点。现有技术中已开发出了多种低温键合技术，例如表面活化低温键合、阳极键合、焊料键合以及共晶键合等。表面活化低温键合是利用化学方法使待键合硅表面活化处理，进而实现硅硅的低温键合。但表面活化低温键合工艺时间长(一般为几小时到几十小时)，效率较低，退火温度高且易形成空洞，由于涉及表面处理，难以满足含图形电路和圆片键合的要求。阳极键合目前在MEMS器件制备过程中得到了广泛的应用，尤其是富含钠离子的Pyrex玻璃(派热克斯玻璃)与硅片的键合，其缺点是不能对两个硅片直接进行键合，而且由于钠离子的存在，不能和MOS工艺兼容。此外，键合过程中的高电压产生的静电力也可能使MEMS器件中其他可动的结构发生粘附，导致器件失效，同时高电势会使硅材料改变其半导体特性，影响器件性能。焊料键合对键合表面的平整度要求不高，但是焊料表面往往容易氧化，键合面的氧化层将严重影响键合的实现，同时，焊料中由于添加了有机粘合剂，在键合的过程中会释放有机气体而对器件造成污染。共晶键合也是目前常用的MEMS键合工艺之一，常用的主要有Au/Sn、Au/Si共晶键合。其中，文献1([1]RickyW.Chuang,DongwookKim,JeongPark,AFluxlessAu-SnBondingProcessofTin-RichCompositionsAchievedinAmbientAir.2002ElectronicComponentsandTechnologyConference.PP134-137)介绍了两种配比的Au/Sn共晶键合，由于在管式炉中进行键合，压力控制和测量比较困难，共晶体的熔融温度较高(约280℃)，且Sn易氧化，无法实现大面积的键合，键合质量无法保证；文献2([2]J.S.Mitchell,K.Najafi,ADetailedStudyofYieldandReliabilityforVacuumPackagesFabricatedinAWafer-levelAu-SiEutecticBondingProcess,Transducers2009,Denver,CO,USA,June21-25,2009.PP841-844)介绍了Au/Si键合的实现方法，其键合强度大，寿命长，但键合对表面平整度要求较高，键合温度相对较高(340℃-450℃)，并不完全适于一些要求低温的MEMS器件。综上所述，现有技术中的低温键合技术包括以下缺点：一、易受待键合材料的限制。例如阳极键合，其键合过程中要有钠离子迁移，通常只能用于硅-玻璃间的键合，再如表面活化低温键合，通常只能实现硅-硅之间的直接键合。二、低温键合时的温度即键合界面所能承受的温度范围较小。例如Au/Si共晶键合中，键合的最低温度是AuSi合金的熔化温度，键合界面所能承受的最大温度也是AuSi合金的熔化温度。三、易受待键合表面的平整度的限制。例如阳极键合，Au/Si共晶键合，硅硅键合等，键合表面的平整度通常要求小于1μm，这大大增加了工艺难度及工艺成本。四、不易于图形化。例如表面活化低温键合难以满足含图形电路和圆片键合的要求。五、键合对准精度要求较高。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于Au/In等温凝固的低温键合方法，包括：在第一基片的键合面上形成第一金图案层；在第二基片的键合面上形成凸点图案层；在第二基片的键合面上依次形成覆盖所述凸点图案层的第二金图案层和铟图案层；将所述第一基片的键合面与所述第二基片的键合面对准并固定，以进行键合。进一步地，所述第一金图案层和所述第二金图案层的厚度相同，并且所述第一金图案层、所述第二金图案层以及所述铟图案层的厚度满足下面的式子1，[式子1]12≤hAu×WIn×dAuhIn×WAu×dIn≤1]]>其中，WIn和WAu分别为铟和金的原子量，dAu和dIn分别为铟和金的在室温下的理想密度，hAu表示所述第一金图案层和所述第二金图案层的厚度，hIn表示所述铟图案层的厚度。进一步地，在第一基片的键合面上形成第一金图案层之前，在第一基片的键合面上形成第一过渡图案层。进一步地，所述第一过渡图案层及所述第一金图案层的形成方法具体包括：在第一基片的键合面上形成第一图案化的光刻胶层；在第一基片的键合面上依次形成覆盖所述第一图案化的光刻胶层的第一过渡材料层和第一金材料层；将所述第一图案化的光刻胶层以及其上的第一过渡材料层和第一金材料层去除，以在第一基片的键合面上依次形成所述第一过渡图案层和所述第一金图案层。进一步地，当所述第二基片采用非透明的材料制成时，在第二基片的键合面上形成凸点图案层之前，在第二基片的与所述键合面相对的表面上形成键合对准标记。进一步地，在第二基片的键合面上形成凸点图案层的具体方法包括：在第二基片的键合面上沉积凸点材料层；在所述凸点材料层上形成第二图案化的光刻胶层；将未被所述第二图案化的光刻胶层覆盖的凸点材料层去除；将所述第二图案化的光刻胶层去除，以获得所述凸点图案层。进一步地，在第二基片的键合面上形成覆盖所述凸点图案层的第二金图案层和铟图案层之前，在第二基片的键合面上形成与所述凸点图案层间隔的第三图案化的光刻胶层。进一步地，在第二基片的键合面上形成覆盖所述凸点图案层的第二金图案层和铟图案层之前，在第二基片的键合面上形成覆盖所述凸点图案层的第二过渡图案层。进一步地，所述第二过渡图案层、所述第二金图案层及所述铟图案层的具体形成方法包括：在所述第二基片的键合面上形成覆盖所述凸点图案层和所述第三图案化的光刻胶层的第二过渡材料层；在所述第二过渡材料层上形成第二金材料层；在所述第二金材料层上形成铟材料层；将所述第三图案化的光刻胶层以及其上的第二过渡材料层、第二金材料层和铟材料层去除，以形成依次覆盖所述凸点图案层的第二过渡图案层、第二金图案层和铟图案层。进一步地，在将所述第一基片的键合面与所述第二基片的键合面对准并固定之前，将所述铟图案层表面的铟氧化层去除。本专利技术的基于Au/In等温凝固的低温键合方法，金、铟材料的性能高，铟熔点低(156.6℃)，硬度低，可塑性强，原子半径大，非常适用于低温键合。金铟等温凝固反应的速度快，键合界面不易出现气泡与空洞等缺陷，可使键合率高达95％以上。相对现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Au/In等温凝固的低温键合方法，其特征在于，包括：在第一基片的键合面上形成第一金图案层；在第二基片的键合面上形成凸点图案层；在第二基片的键合面上依次形成覆盖所述凸点图案层的第二金图案层和铟图案层；将所述第一基片的键合面与所述第二基片的键合面对准并固定，以进行键合。

【技术特征摘要】
1.一种基于Au/In等温凝固的低温键合方法，其特征在于，包括：在第一基片的键合面上形成第一金图案层；在第二基片的键合面上形成凸点图案层；在第二基片的键合面上依次形成覆盖所述凸点图案层的第二金图案层和铟图案层；将所述第一基片的键合面与所述第二基片的键合面对准并固定，以进行键合。2.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述第一金图案层和所述第二金图案层的厚度相同，并且所述第一金图案层、所述第二金图案层以及所述铟图案层的厚度满足下面的式子1，[式子1]12≤hAu×WIn×dAuhIn×WAu×dIn≤1]]>其中，WIn和WAu分别为铟和金的原子量，dAu和dIn分别为铟和金的在室温下的理想密度，hAu表示所述第一金图案层和所述第二金图案层的厚度，hIn表示所述铟图案层的厚度。3.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，在第一基片的键合面上形成第一金图案层之前，在第一基片的键合面上形成第一过渡图案层。4.根据权利要求3所述的低温键合方法，其特征在于，所述第一过渡图案层及所述第一金图案层的形成方法具体包括：在第一基片的键合面上形成第一图案化的光刻胶层；在第一基片的键合面上依次形成覆盖所述第一图案化的光刻胶层的第一过渡材料层和第一金材料层；将所述第一图案化的光刻胶层以及其上的第一过渡材料层和第一金材料层去除，以在第一基片的键合面上依次形成所述第一过渡图案层和所述第一金图案层。5.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，当所述第二基片采用非透明的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文江，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32