基于甲酸预处理的铜-铜低温直接键合的研究

摘要

目前，二维集成封装技术在半导体领域的应用比现在的三维集成封装技术更加成熟。在过去的几十年里，集成电路的发展几乎完全遵循着摩尔定律的发展。不断提高的封装密度，缩短互连长度和降低功耗等，使得封装工艺在原来的二维封装工艺的基础上向三维封装的方向上发展。而随着封装工艺技术的不断发展，铜已经逐渐成为了主要的互连材料。铜与之前封装工艺中使用的金相比具有较好的导电性，在较高的延伸率的情况下，能够保证较高的强度，键合过程能减少金属间化合物的形成等。
　　在三维系统封装技术中，金属热压键合是实现多层芯片堆叠和垂直互连的关键技术。但是高温会使得芯片的性能发生改变，为了解决热压键合产生的高温带来的不利影响，我们研发了一种低温键合技术。本论文中，我们主要研究基于甲酸预处理的Cu-Cu低温直接键合技术。该技术主要分为两个部分:一是键合前的铜薄膜的表面处理，二是表面处理后的键合过程。同时，为了实现甲酸对铜表面的在线预处理处理及铜-铜直接键合，我们根据甲酸在铜表面的和氧化物的反应原理设计了并研制了基于甲酸预处理的铜-铜低温直接键合设备。
　　表面处理部分，首先分别使用甲酸气体和溶液对铜薄膜表面进行处理，然后使用X射线光电子能谱仪(XPS)和原子力显微镜(AFM)对处理前后的铜薄膜进行测试。研究分析处理前后铜薄膜表面的还原情况及表面形貌的变化。使用甲酸气体处理铜薄膜表面时改变处理时间，XPS分析得到，在一定时间范围内(0min～30min)，随着反应时间的增加，铜薄膜表面还原都越充分;AFM分析得到，在一定时间范围内(0min～30min)，随着甲酸气体处理时间的增加，铜薄膜表面粗糙度逐渐增加。而使用甲酸溶液处理时，分别改变处理时间和甲酸溶液的浓度，XPS分析得到，在一定时间范围内，随着反应时间的增加，铜薄膜表面还原都越充分，且在溶液浓度为50％时，铜薄膜表面的还原反应最为充分。AFM分析得到，利用甲酸液体处理后，铜薄膜表面粗糙度明显增加。由于甲酸溶液对铜薄膜的表面有一定的腐蚀作用，甲酸气体处理的铜薄膜表面粗糙度要小于甲酸溶液处理的铜薄膜。
　　直接键合部分，首先将经过甲酸气体处理30min后的铜薄膜样品在N2的气氛下加热至200℃，再给铜薄膜样品加压至1200N，使得上下铜薄膜接触并直接键合。然后对键合的界面进行拉力测试，测得的拉力大约10MPa。最后通过扫描电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)对甲酸预处理后的Cu-Cu直接键合的界面进行测试观察，键合界面处铜原子之间结合紧密。因此，通过甲酸预处理的铜—铜键合技术可以获得高质量的铜—铜键合，为高性能的电子器件封装提供了一种有效的键合技术。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 三维封装技术

1．2 铜-铜低温直接键合

1．2．1 材料的选择

1．2．2 直接键合

1．2．3 低温过程

1．4 论文的结构

第二章 基于甲酸预处理的键合设备设计及工艺

2．1 甲酸对铜薄膜表面处理和原理及工艺条件

2．1．1 甲酸处理铜薄膜表面的原理

2．1．2 铜薄膜表面处理过程

2．2 低温直接键合的原理及工艺条件

2．2．1 低温直接键合原理

2．2．2 低温直接键合工艺条件

2．3 键合设备设计

2．3．1 键合设备要求

2．3．2 键合设备设计

2．4 键合实验流程

2．5 本章小结

第三章 铜薄膜表面处理分析

3．1 样品表面分析方法和设备

3．1．1 X射线光电子能谱分析(XPS)

3．1．2 原子力显微镜(AFM)

3．2 甲酸气体处理铜薄膜的表面分析

3．2．1 XPS分析

3．2．2 AFM分析

3．3 甲酸溶液处理铜薄膜的表面分析

3．3．1 甲酸溶液浓度对铜薄膜表面的影响

3．3．2 甲酸溶液的处理时间对铜薄膜表面的还原的影响

3．4 甲酸气体与甲酸溶液对铜薄膜表面形貌的比较

3．5 本章小结

第四章 铜-铜低温直接键合结果及分析

4．1 键合界面分析方法和设备

4．1．1 扫描电子显微镜(SEM)

4．1．2 透射电子显微镜(TEM)

4．2 键合界面分析

4．2．1 键合界面SEM分析

4．2．2 键合界面TEM分析

4．3 键合强度拉伸测试

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况