一种适用于高温封装的金属直接键合工艺

1.本发明涉及微电子器件高温封装技术领域，更具体而言，涉及一种适用于高温封装的金属直接键合工艺。背景技术：2.近年来，在航空航天、油井探测、引擎检测、工业过程控制等领域，各类传感器得到了广泛的应用，而这些领域环境往往极其恶劣，如高温、高压、辐射、腐蚀等，并且随着科技的进步测量环境将会变得更加恶劣。受限于高可靠性的耐高温封装技术，传感器芯片目前仍无法实现高温恶劣环境下重要参数测量，其中高温键合是耐高温封装中的一步重要工艺，能够为传感器敏感元件提供一个无氧的环境和实现器件的电气垂直互连，然而耐高温键合技术是mems制造领域极具挑战的难题。金属直接键合虽然具有对准精度高，键合强度大的优点，但对键合界面起伏、表面粗糙和干净程度要求极高，界面存在污染或表面不平整都有可能造成键合空洞。其他金属键合的键合强度较直接键合要低。3.中国专利文献公开号为cn109844915a，专利名称为《用于晶圆键合的等离子体活化处理》该专利提高器件键合质量和结构稳定性，但后续处理仅用纯净水进行简单处理，极易造成二次污染，影响键合效果。4.中国专利文献公开号为cn102431961a，专利名称为《一种低温等离子体活化直接键合的三维硅膜具制备方法》该专利通过在硅片上制备图形、丙酮清洗、氧等离子体活化、对准贴合、低温退火进而完成硅硅膜具低温键合，但对器件结构有所限制，需先制作相应的模具用来匹配mems器件中带有阶梯、高深宽比的三维微型结构的硅模具。5.中国专利文献公开号为cn102502482a，专利名称为《一种有腔体的sic-sic真空键合方法》该专利通过生长磷硅玻璃、表面抛光、清洗和活化处理、键合、退火实现sic片键合，能够为适用于高温恶劣环境的mems器件提供保证，但退火温度较高，容易损伤器件结构。技术实现要素：6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本发明的一个方面的目的在于，提供一种适用于高温封装的金属直接键合工艺。7.本发明工艺具体步骤如下：8.s1.在待键合器件键合界面制作密封环和微凸点键合结构；9.s2.在s1得到的键合结构表面沉积耐高温金属纳米颗粒结构；10.s3.将s2沉积的耐高温金属纳米颗粒结构进行剥离，获得含有耐高温金属纳米颗粒结构的密封环和微凸点键合结构；11.s4.将s3处理后具有键合结构的待键合器件键合界面进行表面处理；12.s5.将s4处理后的两个待键合器件键合界面进行耐高温金属直接键合。13.优选的，所述s1.在待键合器件键合界面制作密封环和微凸点键合结构，具体工艺步骤包括：14.s1.1.在待键合器件键合界面溅射一层金属种子层；15.s1.2.将s1.1处理后的待键合器件键合界面旋涂光刻胶，并曝光、显影；16.s1.3.将s1.2处理后的待键合器件键合界面电镀一层金属，制作密封环和微凸点键合结构；17.s1.4.将s1.3处理后的待键合器件去除种子层。18.优选的，所述s2.在s1得到的键合结构表面沉积耐高温金属纳米颗粒结构，具体工艺步骤包括：19.s2.1.将s1处理后的待键合器件键合界面进行负胶光刻形成掩膜；20.s2.2.在s2.1得到的掩膜表面沉积耐高温金属纳米颗粒结构。21.优选的，所述s4.将s3处理后具有键合结构的待键合器件键合界面进行表面处理，具体工艺步骤包括：22.s4.1.将s3处理后具有键合结构的待键合器件键合界面进行表面等离子体预处理；23.s4.2.将s4.1处理后的待键合器件键合界面进行自组装单分子层预处理。24.优选的，所述s5.将s4处理后的两个待键合器件键合界面进行耐高温金属直接键合，具体工艺步骤包括：25.s5.1.将s4处理后的两个待键合器件键合界面进行校准，建立键合环境；26.s5.2.将s5.1处理后的两个待键合器件键合界面进行耐高温金属直接键合，最后进行退火，键合工艺完成。27.优选的，所述s1.1中金属种子层为金属钛；所述s1.2中光刻胶为nr9-3000py；所述s1.3中电镀金属为金属ni，通过电镀、蒸发或磁控溅射方法制作密封环和微凸点键合结构。28.优选的，所述s2.1中负胶光刻的光刻胶为nr9-3000py，选择较容易去除的光刻胶nr9-3000py，且光刻胶的厚度不宜太厚，以避免对耐高温金属纳米颗粒沉积产生影响；所述s2.2中通过磁控溅射方法沉积耐高温金属纳米颗粒结构；所述s2.2中耐高温金属可以是铂、金、钨、铜、镍或其他耐高温金属及其金属化合物。29.优选的，所述s3中以湿法工艺进行剥离；所述湿法工艺是将待键合器件用丙酮进行浸泡；所述密封环为圆形、方形、三角形、椭圆形或六边形。30.优选的，所述s4.1中表面等离子体预处理输出频率选择13.56mhz，工作气体选择ar、n2、h2或其他非氧化性气体中的一种或多种组合；所述s4.2中自组装单分子层预处理选用硫醇类分子材料作为自组装单分子，结构由疏水性的碳链和亲水性的硫基两部分组成，将待键合器件浸泡于硫醇溶液中进行自组装单分子层处理，根据不同的金属性质和待键合器件键合界面面积的不同，通过改变溶液浓度及置入时间，使键合结构表面污染降至极低的水平或完全避免，起到保护作用。31.优选的，所述s5.1中校准为手动校准或自动校准，气氛为n2或真空，键合温度控制在350℃以下，根据不同的金属性质进行键合压力调节，使键和界面充分接触,改善键合性能。32.优选的，所述键合设备选用fc150型芯片级键合机。33.本发明所具有的有益效果如下：34.本发明提供了一种适用于高温封装的金属直接键合工艺，用金属纳米颗粒结构对密封环和微凸点键合结构进行修饰，其目的是利用纳米材料的表面效应和小尺寸效应，提高耐高温金属原子之间的接触面积，形成快速扩散通道。表面活化键合技术可以去除污染获得清洁的表面，克服了直接键合表面易污染和不平等问题，降低耐高温金属之间扩散势垒，从而实现了耐高温金属高速、低温、低损伤的键合。同时在待键合器件键合界面进行表面等离子体预处理后，利用自组装单分子层对待键合器件键合界面进行保护，防止二次污染，提高高温封装金属直接键合的质量。本发明高温封装的金属直接键合工艺技术能够在低温环境下快速完成键合，且键合过程对准精度高、键合界面良好、键合强度大、电学性质优异、气密性好。35.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明36.图1是本发明实施例实施步骤示意图；37.图2是本发明实施例待键合器件示意图；38.图3是本发明实施例沉积种子层示意图；39.图4是本发明实施例旋涂光刻胶，曝光示意图；40.图5是本发明实施例电镀金属ni，耐高温金属示意图；41.图6是本发明实施例剥离，去种子层示意图；42.图7是本发明实施例负胶光刻示意图；43.图8是本发明实施例耐高温金属颗粒沉积示意图；44.图9是本发明实施例剥离示意图；45.图10是本发明实施例等离子体预处理示意图；46.图11是本发明实施例自组装单分子层预处理示意图；47.图12是本发明实施例两个待键合器件键合界面校准示意图；48.图13是本发明实施例耐高温金属直接键合工艺执行示意图。具体实施方式49.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。50.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。51.如图1所示是本发明的实施步骤示意图，首先在待键合器件键合界面制作密封环和微凸点键合结构；然后对键合结构进行处理，在其表面制备一层耐高温金属纳米颗粒结构，用于提高键合结构表面的耐高温金属原子之间的接触面积，从而形成快速扩散通道；其次将得到的耐高温金属纳米颗粒结构进行剥离，获得含有耐高温金属纳米颗粒结构的密封环和微凸点键合结构；再通过等离子体对具有键合结构的待键合器件键合界面进行表面预处理，用于去除密封环表面的污染和激活密封环表面，为了防止在实际储存中造成的二次污染，需要在表面等离子预处理后，对具有键合结构的待键合器件键合界面进行自组装单分子层处理，自组装单分子层的形成主要取决于硫基官能团与金属原子之间的相互作用，自组装单分子层也可通过热解附的方式从金属表面移除；最后建立键合环境，使用键合机进行耐高温金属直接键合。52.实施例53.一种适用于高温封装的金属直接键合工艺，具体工艺步骤如下：54.如图2所示，步骤一.准备待键合器件；55.如图3所示，步骤二.将步骤一准备的待键合器件键合界面溅射一层金属种子层，金属种子层为金属金属钛，为后续耐高温金属电镀工艺提供良好的导电层；56.如图4所示，步骤三.将步骤二处理后的待键合器件键合界面旋涂光刻胶nr9-3000py，并曝光、显影；57.如图5所示，步骤四.将步骤三处理后的待键合器件键合界面电镀一层金属ni，用来增加耐高温金属与器件表面连接的可靠性；通过电镀、蒸发或磁控溅射方法制作密封环和微凸点键合结构；58.如图6所示，步骤五.将步骤四处理后的待键合器件除去种子层；59.如图7所示，步骤六.将步骤五处理后的待键合器件键合界面进行负胶光刻，用以形成耐高温金属纳米颗粒沉积的掩膜；选择较容易去除的光刻胶nr9-3000py，且光刻胶的厚度不宜太厚，以避免对耐高温金属纳米颗粒沉积产生影响；60.如图8所示，步骤七.将步骤六处理后的待键合器件键合界面通过磁控溅射方法沉积耐高温金属纳米颗粒结构；61.如图9所示，步骤八.将步骤七处理后的待键合器件键合界面用丙酮进行浸泡，避免干法工艺去胶对器件核心结构破坏，获得含有耐高温金属纳米颗粒结构的密封环和微凸点键合结构，耐高温金属可以是铂、金、钨、铜、镍或其他耐高温金属及其金属化合物，密封环为圆形、方形、三角形、椭圆形或六边形，本实施例附图中，仅示出了方形结构；62.如图10所示，步骤九.将步骤八处理后的待键合器件键合界面进行表面等离子体预处理，表面等离子体预处理输出频率选择13.56mhz，工作气体选择ar、n2、h2或其他非氧化性气体中的一种或多种组合可减小对耐高温金属表面的损伤，表面等离子体预处理是为了避免纳米颗粒表面被外界空气、有机物污染或被氧化，此操作不但可以去除金属表面污染物，而且还可以有效激活金属表面；63.如图11所示，步骤十.将步骤九处理后的待键合器件键合界面进行自组装单分子层预处理，自组装单分子层预处理选用硫醇类分子材料作为自组装单分子，结构由疏水性的碳链和亲水性的硫基两部分组成，将器件浸泡于硫醇溶液中进行自组装单分子层处理，根据不同的金属性质和待键合器件键合界面面积的不同，通过改变溶液浓度及置入时间，使键合结构表面污染降至极低的水平或完全避免，自组装单分子层临时吸附在清洁的表面目的是对其进行保护；64.如图12所示，步骤十一.将步骤十处理后的两个待键合器件键合界面进行校准，校准分为手动校准或自动校准，本实施例选用自动校准，气氛为n2或真空，以避免残留氧气对器件造成影响键合温度控制在350℃以下，根据不同的金属性质进行键合压力调节，使键和界面充分接触，建立键合环境，改善键合性能；65.如图13所示，步骤十二.将步骤十一处理后的两个待键合器件键合界面进行耐高温金属直接键合，最后对待键合器件进行退火，键合设备选用fc150型芯片级键合机。66.以上所述仅为本发明优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明还可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。