一种表面等离子体活化改善玻璃基板BCB键合的方法

本发明属于三维集成封装制备技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体活化改善玻璃基板bcb键合的方法。

背景技术：

三维集成技术是延续摩尔定律最有前景的方式之一，其中键合技术作为三维基板连接不可或缺的手段，在三维集成方案中对最终产品的性能起着重要作用。键合介质既可以使用金属类导电材料，通过层间引线键合实现电气互联；亦可以使用有机聚合物等绝缘材料实现各层间信号独立，各基板间通过耦合电容的方式使之形成完整的系统功能。

玻璃具有优异的绝缘性能，微波毫米波频段极低的损耗以及与硅接近的热膨胀系数。随着玻璃加工工艺的改善，在微波应用领域正在逐渐取代硅作为三维集成封装方案的理想材料。苯并环丁烯(benzocyclobutene，bcb)作为一种常用的有机键合剂被广泛应用于mems器件封装中，bcb胶键合的优势在于：能够在较低的固化温度下(200℃～300℃)实现键合，相比于其他键合方式，其对表面平整度的要求不高且其固化之前具有流动性。相关商业公司推出的光敏型bcb胶，使其非常适合应用于具有表面图形化的晶圆键合。

不过，在以bcb胶为键合介质的过程中，bcb胶由于制备过程中甩胶后的厚度过薄，烘干时间过长等，均会导致介质表层的有机溶剂过度挥发，在后续加热固化的步骤中表面流动性不足，表面活性降低，从而使得bcb键合界面不紧密，在键合后如果有少量水性污染物浸入，键合界面处即会出现键合失效；但若烘干时间过短，则会导致大量有机溶剂在加热固化前未排出，固化过程中形成大量气泡，亦使得键合强度降低。

因此，在不引入其他影响键合效果的因素的前提下，如何增强键合界面处bcb的反应活性，降低因烘干工艺的窄参数范围对键合界面产生的不利于形成有效键合的影响(低流动性，微小颗粒杂质)，就成为了一个研究重点。

技术实现要素：

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于表面等离子体活化改善玻璃基板bcb键合的方法。该方法通过对烘干后的bcb胶表面进行低温等离子体活化处理，增加烘干后bcb胶的表面活性，除去影响bcb键合的表面细小杂质，进而降低键合失效概率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于表面等离子体活化改善玻璃基板bcb键合的方法，包括以下步骤：

步骤1.依次用去离子水、丙酮和无水乙醇清洗待键合的玻璃基板；

步骤2.采用旋涂法在步骤1清洗后的玻璃基板表面制备bcb胶；

步骤3.将旋涂好bcb胶的玻璃基板在90～120℃的温度下烘干90～180s；

步骤4.将步骤3烘干后的玻璃基板进行气体等离子体活化处理，具体处理工艺参数为：气体流量30～50sccm，真空度10～30pa，射频功率为50～180w，活化时间120～200s；

步骤5.将活化处理后的基板对准，使用夹具固定加压后在氮气气氛下进行加热固化键合。

进一步地，步骤1中丙酮清洗的过程为：将玻璃基板放置于丙酮中，使用水浴加热的方式热浴10～20min；使用无水乙醇清洗的过程为：将玻璃基板放置于无水乙醇超声处理3～5min。

进一步地，步骤2中旋涂制备bcb胶的工艺参数为：以1000rad/min的转速旋涂10s，再以2000～5000rad/min的转速旋涂30s，最后以1000rad/min的转速旋涂10s。

进一步地，步骤4中的气体等离子的气体优选为氩气或氮气。

进一步地，步骤5中自等离子体活化完成至转移氮气气氛中整个过程的总时间不应超过30min，转移过程中时间过长易增加表面bcb分子与空气接触与能量交换的概率，使得活化效果减弱，表面等离子体处理后的bcb会带有局部静电，转移过程中应保持在无尘的环境下进行，避免产生静电吸附空气中的杂质。

进一步地，步骤5中在待键合的玻璃基板上施加0.2～0.6mpa压力，然后在30min内由室温升温至100℃～150℃，保温10～15min；之后再升温至200℃～275℃的固化温度，保温30～60min，固化温度保持时间随温度的提高而减少，之后自然冷却至室温。

进一步地，步骤5中氮气纯度大于99.9％，气体流速5000sccm～6000sccm。

本发明的机理为：在进行等离子活化处理过程中，等离子体内部离子通过碰撞将能量传递给bcb分子，使表面bcb分子处于高能态，增加接触面浸润性与反应活性，使得在常规工艺中过度烘干的bcb之间也能形成良好接触与反应，因此能拓宽烘干步骤的参数范围，同时亦可使部分bcb分子气化，处理表面的污渍，增加表面粗糙度，增大键合过程中的接触面积，从而提高键合强度与可靠性

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明方法可以改善bcb胶在烘干程度上的差异对于键合的影响，未充分烘干的bcb胶加热时内部有机溶剂溢出形成空泡，烘干时间过长的bcb中有机溶剂过度挥发，流动性变差，胶界面处融合不充分，易使键合从原始界面处失效，本发明通过对烘干后的bcb胶表面等离子体活化处理后，bcb胶的表面活性提高，从而降低键合界面失效的情况。

2.常规技术中的bcb胶烘干时间一般限定于60～90s，低于或高于限定时间皆有可能引入不利因素，且由于键合材料的导热性的差异也可能使得bcb胶烘干不充分或者过烘干，采用本发明方法后拓宽了烘干时间的上限，使得制备过程中尽量烘干较长时间去除有机溶剂而不至于带来活性降低的问题，同时提高了表面bcb的活性与表面清洁度，键合有效面积相对于表面等离子体处理前有较大提高，降低了键合后失效的概率。

附图说明

图1是本发明实施例1对bcb键合胶进行活化的键合成品示意图。

图2是对比例1对bcb键合胶进行活化的键合成品示意图。

图3是本发明实施例1对bcb键合胶进行活化后的键合成品sem剖面图。

图4是本发明对比例1对bcb薄膜的键合前afm表面形貌图。

图5是本发明实施例2对bcb薄膜的键合前afm表面形貌图。

图6是本发明对比例2对bcb薄膜的键合前afm表面形貌图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于表面等离子体活化改善玻璃基板bcb键合的方法，包括以下步骤：

步骤1.先用去离子水冲洗玻璃基板，然后将玻璃基板放置于丙酮溶液中，使用水浴加热的方式热浴10min，之后将玻璃基板取出，使用去离子水冲洗表面残余丙酮，再使用无水乙醇超声处理5min，使用高压氮气吹干表面无水乙醇；

步骤2.将步骤1清洗后的玻璃基板固定在甩胶机上，使用玻璃滴管取bcb溶液滴在玻璃表面，均匀覆盖整个玻璃基板表面后，进行旋涂处理，旋涂的工艺参数为：以1000rad/min的转速旋涂10s，再以3000rad/min的转速旋涂30s，最后以1000rad/min的转速旋涂10s；

步骤3.将旋涂好bcb胶的玻璃基板放置于烘干台上，在110℃的温度下烘干120s；

步骤4.将步骤3烘干后的玻璃基板放入等离子体清洗机中进行等离子体活化处理，具体处理工艺参数为：采用氩气等离子，气体流量50sccm，真空度30pa，射频功率为150w，活化时间120s；

步骤5.将活化处理后的基板对准，使用夹具固定，施加0.2mpa压力，在氮气气氛下进行阶段升温方式加热固化键合，之后自然冷却至室温，其中，加热具体过程为：在30min内由室温升至100℃，然后在100℃下保温15min；之后上升至250℃的固化温度，在固化温度附近保温60min。

本实施例中采用氩气作为等离子体活化bcb表面时，不会参与反应破坏结构，同时也没有明显残留；若使用氧与氩混合等离子体对bcb表面进行刻蚀，该种方法刻蚀时间长，功率高，溅射过程中易产生其他产物，不适合用于表面活化。

本实施例制备的键合成品图如图1所示，sem剖面图如图3所示。

实施例2

按照实施例1的方法进行键合，仅将步骤4中的等离子体活化处理中的射频功率调整为100w，时间调整为180s，其他步骤不变。

本实施例制备的bcb薄膜的键合前afm表面观察照如图5所示。

对比例1

按照实施例1的方法进行键合，仅不进行步骤4的等离子体活化处理，其余步骤不变。

本对比例制备的键合成品图如图2所示，afm表面形貌图如图4所示。

对比例2

按照实施例1的方法进行键合，仅将步骤4中的等离子体活化处理中的射频功率调整为50w，时间调整为60s，其他步骤不变。

本对比例制备的bcb薄膜的键合前afm表面观察照如图6所示。

图1中显微镜对焦处无明显气泡，几乎无黑色杂质颗粒；图2中存在由于固化过程中未良好接触与反应的bcb界面在固化后导致的分层，形成的大小各异的气泡，其中的部分黑色点状物为对准之前引入的杂质。两张图对比可以看出，相比于未处理样品，等离子体处理后表面键合界面均匀完整，表面清洁度较高，键合质量高。

图3是本发明实施例1对bcb键合胶进行活化后的键合成品sem剖面图。从图中可以看出，采用本发明方法进行活化处理后的键合界面均匀完整，且没有明显的分界和气泡，键合质量高，键合结果能够很好地满足三维集成封装玻璃基板键合的需要。

图5是本发明实施例2对bcb键合胶进行活化后，进行键合之前拍摄的afm表面形貌图照。从图中可以看出，采用本发明方法进行活化处理后表面有明显的半球状突起，表面形貌有明显改变，表面活性相较于对比例2的图6中有明显提高。

图6是本对比例2对bcb键合胶进行活化后，进行键合之前拍摄的afm表面形貌图。图4为对比例1未进行活化处理的bcb胶的afm表面形貌图。从图4和图6对比可以看出，活化时间未达到本发明方法要求的情况下，等离子体活化对表面性能的改善并不明显。因此，图4、图5和图6对比说明活化具体参数的选择对最终实现所需的bcb胶表面活性是具有重要意义的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。