來源：焊接學(xué)報

Cu-Cu 低溫鍵合技術(shù)是先進封裝的核心技術(shù)，相較于目前主流應(yīng)用的 Sn 基軟釬焊工藝，其互連節(jié)距更窄、導(dǎo) 電導(dǎo)熱能力更強、可靠性更優(yōu). 文中對應(yīng)用于先進封裝領(lǐng)域的 Cu-Cu 低溫鍵合技術(shù)進行了綜述，首先從工藝流程、 連接機理、性能表征等方面較系統(tǒng)地總結(jié)了熱壓工藝、混合鍵合工藝實現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合的研究進展與存在問題， 進一步地闡述了新型納米材料燒結(jié)工藝在實現(xiàn)低溫連接、降低工藝要求方面的優(yōu)越性，概述了納米線、納米多孔骨 架、納米顆粒初步實現(xiàn)可圖形化的 Cu-Cu 低溫鍵合基本原理. 結(jié)果表明，基于納米材料燒結(jié)連接的基本原理，繼續(xù) 開發(fā)出寬工藝冗余、窄節(jié)距圖形化、優(yōu)良互連性能的 Cu-Cu 低溫鍵合技術(shù)是未來先進封裝的重要發(fā)展方向之一.

摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數(shù) 目及性能約每隔 18 ~ 24 個月便會提升一倍 . 隨 著大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展， 尤其是工藝節(jié)點到 7 nm 之后，物理效應(yīng)、成本的限 制使得依靠光刻技術(shù)驅(qū)動的摩爾定律明顯放緩. 在“后摩爾時代”，不再一味地追求更小的光刻工藝 節(jié)點，而是依靠先進封裝互連技術(shù)的創(chuàng)新來滿足系 統(tǒng)微型化、多功能化的需求，這將是集成電路制造 行業(yè)發(fā)展的重要方向之一 . 

為了滿足高性能芯片的應(yīng)用需求，未來先進封 裝互連技術(shù)將不斷向高密度、高可靠的方向發(fā)展. 高密度即指焊點節(jié)距將不斷減小至 10 μm 以下，焊 點密度超過 10 000 個/mm2 ；高可靠主要指焊點在 電流密度不小于 106 A/cm2 、服役溫度不低于 100 ℃ 等工況下服役時具有良好的穩(wěn)定性能，并伴隨應(yīng)用 領(lǐng)域?qū)﹄娮悠骷笤礁邉t上述服役參數(shù)將不斷 提升. 目前，主流應(yīng)用的先進封裝互連技術(shù)為 Sn 基 釬料軟釬焊工藝 ，主要包括回流焊和波峰焊工藝， 其具有連接溫度低 (250 ~ 300 ℃)、成本低等優(yōu)勢. 對于回流焊工藝，回流過程中可發(fā)生自對中效應(yīng)和 塌陷效應(yīng)，降低了對設(shè)備對中精度和基板平整度 的要求. 然而，軟釬焊工藝也存在諸多局限性，比如 回流過程中易發(fā)生外溢效應(yīng)，無法實現(xiàn)窄節(jié)距互 連；其接頭載流能力弱，易發(fā)生電遷移失效；界面 反應(yīng)易生成空洞和脆性相，引起機械可靠性降低等. 這些瓶頸導(dǎo)致軟釬焊工藝無法滿足未來先進 封裝互連技術(shù)的發(fā)展要求. 近年來，Cu-Cu 鍵合 新方法發(fā)展迅速，無 Sn 元素的使用避免了上述問 題的出現(xiàn). 具體而言，Cu-Cu 鍵合具有以下優(yōu)勢：① Cu 在鍵合過程中全程保持固態(tài)，無軟釬焊的外 溢問題，可實現(xiàn)窄節(jié)距互連；② 具有優(yōu)異的導(dǎo)電、 導(dǎo)熱性能，良好的抗電遷移能力和熱機械可靠性；③ Cu 是半導(dǎo)體制造中的常用金屬，工藝兼容性好 且材料成本低廉. 綜合上述因素，Cu-Cu 鍵合技術(shù) 可滿足高密度、高可靠互連，未來最有可能獲得大 規(guī)模應(yīng)用. 然而，Cu-Cu 鍵合也面臨諸多新的挑戰(zhàn)， 如銅的熔點 (1 083 ℃) 高、自擴散速率低，難以實現(xiàn) 低溫鍵合. 已有研究表明，Cu-Cu 直接鍵合需要在 400 ℃ 的高溫下才能充分發(fā)生原子擴散，如此 高的溫度會導(dǎo)致降低對中精度、損傷器件性能、增 加設(shè)備要求等問題. 因此，如何實現(xiàn) Cu-Cu 低溫 鍵合已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點之一.

目前，實現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合的技術(shù)手段可分為 熱壓鍵合工藝、混合鍵合工藝、納米材料燒結(jié)工藝 三大類. 除了需滿足上述低溫需求外，新工藝還要 綜合考慮性能 (如強度、電阻)、可靠性、效率、成 本、工藝兼容性等因素. 文中將對這些工藝的方 法、原理進行系統(tǒng)歸納、總結(jié)，分析其實際應(yīng)用時存 在的工藝難點，并展望了 Cu-Cu 低溫鍵合進一步研 究的方向，以期對未來技術(shù)發(fā)展提供參考. 

熱壓鍵合工藝的基本原理與傳統(tǒng)擴散焊工藝 相同，即上下芯片的 Cu 凸點對中后直接接觸，其實 現(xiàn)原子擴散鍵合的主要影響參數(shù)是溫度、壓力、時 間. 由于電鍍后的 Cu 凸點表面粗糙并存在一定的 高度差，所以鍵合前需要對其表面進行平坦化處 理，如化學(xué)機械拋光 (chemical mechanical polishing, CMP)，使得鍵合時 Cu 表面能夠充分接觸. 基于目 前研究文獻，通過熱壓鍵合工藝實現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵 合的方法從機理上可分為兩類，即提高 Cu 原子擴 散速率和防止/減少待鍵合 Cu 表面的氧化. 

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1.1  提高 Cu 原子擴散速率 

Juang ，Shie ，Ong，Liu 等人提出了 電鍍晶粒呈現(xiàn)高度 (111) 取向的 Cu 凸點用于 CuCu 熱壓鍵合的方法，如圖 1 所示. 已有研究表明， 在 150 ~ 300 ℃ 條件下，Cu 原子在 (111) 晶面上的 擴散速率比 (100)、(110) 晶面高 3 ~ 6 個數(shù)量級，晶 粒呈現(xiàn)高度 (111) 晶向的 Cu 凸點可以有效提高 Cu 原子擴散速率，降低鍵合溫度 . 利用晶粒定向 生長的方法可以在 300 ℃，90 MPa，10 s 的條件下 完成快速鍵合，但是鍵合強度和導(dǎo)電性能較差. 為 此研究人員進一步開發(fā)出了兩步鍵合工藝：首 先，電鍍后的 Cu 凸點進行 CMP 并使用檸檬酸清洗 去除表面氧化物，并在 300 ℃，93 MPa，10 s 的條件 下進行預(yù)鍵合；然后，在 300 ℃，47 MPa 的真空條 件下保溫 1 h 進行退火處理，退火后的剪切強度達 103 MPa，導(dǎo)電性能進一步改善. 圖 1d 顯示了退火 后晶粒會長大至貫穿鍵合界面，從而可提高界面的結(jié)合強度. 

此外，Sakai等人采用金剛石刀頭飛行切割 的方法對 Cu 表面進行整平，如圖 2 所示. 發(fā)現(xiàn)切 割后的 Cu 表面會出現(xiàn)由細(xì)晶粒構(gòu)成的薄層，細(xì)晶 層可提高晶界擴散通量，因而降低 Cu-Cu 鍵合的溫度. 最終鍵合在 200 ℃，30 min，300 MPa 的條件下 完成，且界面處原子相互擴散形成了新的晶粒. 研 究人員還比較了飛行切割與 CMP 處理后的 CuCu 鍵合強度，結(jié)果表明，200 ℃ 連接條件下，前者 的強度比后者高出近一倍. 此外，Al Farisi 等人將該方法用于密封，飛行切割后的 Cu 密封條可在 250 ℃ 的低溫下實現(xiàn)鍵合，從而減少密封過程中的 氣體解吸附，降低腔體內(nèi)的氣壓. 從圖 3 可以看到， 飛行切割后的 Cu 表面晶粒發(fā)生了明顯細(xì)化.

進一步地，為降低對 CMP/飛行切割整平工藝 的依賴，Yang，Chou等人提出了插入式 CuCu 鍵合工藝，其原理如圖 4 所示. 首先通過電鍍工 藝制作出異型結(jié)構(gòu)的待鍵合 Cu 表面，一面直徑較 小的 Cu 為突出結(jié)構(gòu)，另一面直徑較大的 Cu 為凹陷 結(jié)構(gòu)，二者對中后形成插入式結(jié)構(gòu). 在加壓過程中突出結(jié)構(gòu)的 Cu 和凹陷結(jié)構(gòu)的 Cu 發(fā)生相對滑移和 應(yīng)力集中，產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)，加速原子擴散. 這種 方法可以在 150 ℃ 的條件下完成鍵合，鍵合后的界 面如圖 5 所示. 可靠性測試表明，該方法經(jīng)過 1 000 個 熱 循 環(huán) 測 試 (thermal cycling test， TCT， ?55 ~ 125 ℃) 和 96 h，130 ℃，85% 濕度的加速老化測試 (highly accelerated stress Test，HAST) 后，接頭電阻 無明顯變化. 這種方法無需 CMP 工藝，對待鍵合表 面的粗糙度有一定容忍度. 但是 ，為了使上下 Cu 結(jié)構(gòu)發(fā)生較大塑性變形而充分接觸，需要施加 高達 500 MPa 以上的壓力. 

1.2  防止/減少待鍵合表面氧化 

Cu 在高溫鍵合的情況下容易發(fā)生氧化，阻礙Cu 原子的擴散. Takagi，Suga，Shigetou等人 提出了表面活化鍵合 (Surface Activated Bonding， SAB) 的方法. 該方法在超高真空條件下 (10?8 torr) 采用等離子體轟擊待鍵合 Cu 表面，去除氧化物和 其他污染物，達到原子級的表面清潔度，并在室溫、 無壓力條件下進行預(yù)鍵合. 室溫條件鍵合可以保證 有更好的對中精度，報道中 SAB 可實現(xiàn) 6 μm 的窄 節(jié)距互連. 由圖 6 可以看到，預(yù)鍵合后仍存在明顯 界面，所以該方法往往需要 250 ~ 300 ℃ 的高溫退 火. SAB 表面處理和鍵合過程都需要在高真空條件 下完成，對設(shè)備要求非常高.

此外，研究人員提出了使用 Ti，Au，Ag， Pd等金屬在 Cu 表面制作鈍化層的方法，其鍵合原理如圖 7 所示. Cu 表面的金屬鈍化層及可有效 防止 Cu 被氧化，在鍵合過程中金屬鈍化層會向 Si 基底一側(cè)移動，而 Cu 原子會向鍵合界面遷移，最 終完成 Cu-Cu 鍵合. 

如圖 8 為 Ti 作鈍化層的鍵合結(jié)果，在 180 ℃， 1.91 MPa，30 ~ 50 min 的鍵合條件下，Ti 向 Si 基底 的方向移動了約 50 nm，鍵合界面處為 Cu. 鍵合后 經(jīng)過 500 個 TCT(?55 ~ 125 ℃) 和 96 h，130 ℃，85% 濕度的 HAST 后，接頭電阻無明顯變化.

此外，Peng，Tan等人還提出了采用自組 裝 分 子 層 (self-assembled monolayer， SAM) 鈍 化 Cu 表面防止氧化的方法，如圖 9 所示. 在鍵合前， 晶圓放入烷烴硫醇溶液中進行浸泡從而在 Cu 表面 形成鈍化保護. 鍵合過程首先升溫至 250 ℃，該溫 度下有機物鈍化層會自行分解，隨后將分解產(chǎn)物抽 走后，Cu-Cu 鍵合過程在 300 ℃，1 h，2 500 mbar 真 空條件下進行. 圖 10 為無鈍化保護和有自組裝分 子層保護的鍵合界面對比，可以看到無鈍化保護的鍵合界面依然明顯，而鈍化保護的條件下界面基本消失.

窄節(jié)距互連尤其節(jié)距小于 10 μm 的情況下， Cu-Cu 鍵合后的片間間隙很小，難以填充下填料. 混合鍵合工藝可分別實現(xiàn) Cu 和 Cu 之間的鍵合以 及 Cu 周圍介質(zhì)和介質(zhì)之間的鍵合，鍵合后的介質(zhì) 可起到下填料的作用，減緩熱應(yīng)力的同時保證更高 的鍵合強度、散熱能力和防止 Cu 凸點被腐蝕. 典 型的混合鍵合包括 Cu/SiO₂ 和 Cu/粘結(jié)劑鍵合兩 種. Cu/SiO₂ 混合鍵合的關(guān)鍵是得到平整度高、粗糙度小、親水性的表面，鍵合前需對 SiO₂ 表面進行 激活；Cu/粘結(jié)劑混合鍵合基于熱壓鍵合機理，Cu/ 熱固性的粘結(jié)劑通過加熱加壓的方法鍵合在一起. 

2.1 Cu/SiO₂ 介質(zhì)的混合鍵合 

Cu/SiO2 鍵合后可以得到無縫隙的鍵合界面， 能有效提高熱/機械可靠性. 目前，關(guān)于 CuCu 鍵合的研究很多，如前述晶面定向生長、表面鈍 化等，然而其中相當(dāng)一部分工藝無法直接移植到 Cu/SiO₂ 混合鍵合. 這是因為 Cu/SiO₂ 混合鍵合需 要綜合考慮 Cu-Cu 及 SiO₂ -SiO₂ 鍵合 ，面臨工藝 兼容的挑戰(zhàn). 目前，實現(xiàn) Cu/SiO₂ 混合鍵合的方 法包括表面激活、直接鍵合技術(shù) (Direct Bonding Interconnect，DBI)、表面活化鍵合 (SAB) 等. 

2.1.1 基于表面激活的混合鍵合 

表面激活是指采用等離子體對晶圓表面進行 處理，清潔晶圓表面并使其活化，研究中采用的等 離子體包括 O₂ ，H₂ ，N₂，NH₃  ，Ar等. 如 圖 11 所示，等離子體活化可以提高 SiO₂ 表面的羥 基密度，使得 SiO2 可在室溫下實現(xiàn)親水性預(yù)鍵合， 并在隨后 200 ~ 400 ℃ 的退火過程中脫水達成更可靠的共價鍵連接. 基于表面激活的混合鍵合的難 點之一是等離子體處理會對 Cu 表面產(chǎn)生不利影 響，例如使用 O₂ 等離子體會氧化 Cu，即便是 Ar 等 離子體處理時腔體內(nèi)含有的氧也會對 Cu 表面造成 氧化；使用 N₂，NH₃ 等處理會使得 Cu 表面生成 氮化物，影響 Cu-Cu 鍵合.

2.1.2 基于 DBI 的混合鍵合 

Co，Enquist等人提出了 DBI 的混合鍵合方法 ，其具體工藝流程如圖 12 所示. 首先通過濺 射、電鍍等半導(dǎo)體工藝在晶圓表面制作 Cu 凸點，隨 后沉積 SiO₂ 介質(zhì)層覆蓋 Cu 凸點及晶圓表面，接著使用標(biāo)準(zhǔn) CMP 工藝露出晶圓表面的 Cu 焊盤并對 焊盤和 SiO₂ 介質(zhì)進行整平. 在 CMP 過程中，拋光 液作用于 Cu 表面使其高度略低于 SiO₂ 表面. 在鍵 合前使用等離子體對 SiO₂ 表面進行激活，使其 可在室溫、無壓條件下完成預(yù)鍵合.預(yù)鍵合后需 要在 300 ~ 350 ℃ 下進行退火，退火可以提高 SiO₂ - SiO₂ 之間的鍵合強度，并使得 Cu 焊盤高溫膨脹相 互擠壓，完成 Cu-Cu 鍵合. 圖 13 為鍵合后的界面， Cu-Cu 及 SiO₂ -SiO₂ 鍵合界面都沒有縫隙存在. DBI 由于在室溫下完成預(yù)鍵合，所以可以保證很高 的對中精度，報道稱其可實現(xiàn) 3 μm 的互連節(jié)距. DBI 具有良好的可靠性，鍵合后經(jīng)過 2 000 個 TCT (?40 ~ 150 ℃) 和 2 000 h，275 ℃ 的高溫存儲后，接 頭電阻分別下降了 1.2% ~ 1.7% 和 1.2% ~ 1.4%， 滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中電阻升高小于 10% 的要求.

2.1.3 基于 SAB 的混合鍵合 

Utsumi等人提出了一種基于 Ar 等離子體 的 SAB 混合鍵合方法. 此前研究中發(fā)現(xiàn)，超高真空 下采用 Ar 等離子體轟擊可以實現(xiàn) Cu-Cu，Si-Si 之 間的鍵合，但對 SiO₂ -SiO₂ 之間的鍵合效果較差. 為 了提高 SiO₂ -SiO₂ 之間的鍵合質(zhì)量 ，研究人員在 SiO₂ 表面濺射了約 12 nm 的 Si 作為中間層，隨后 經(jīng)過 SAB 處理并在室溫下鍵合. TEM 觀察發(fā)現(xiàn)， 鍵合后的界面為厚度約 7 nm 的非晶 Si 薄層 (如 圖 14 所示)，鍵合強度約為 25 MPa. 這種方法也會 在 Cu 表面引入 Si 層，在一定程度上降低 Cu 的導(dǎo) 電性.

進一步地，He 等人提出了采用含 Si 的 Ar 等離子體處理待鍵合表面的工藝方法，如圖 15 所示. 含 Si 等離子體可提高 SiO₂ 表面的 Si 點位， 促進 SiO₂ -SiO₂ 鍵合. 表面處理后分兩條工藝路線 進行晶圓鍵合，一種是直接在 5 × 10^?6 Pa 的高真空 下直接進行室溫鍵合，另一種為采用預(yù)鍵合-分離- 最終鍵合的多步路線進行親水性鍵合：(1) 將處理 后的晶圓置于真空度為 2 × 10^?2 Pa 的腔室內(nèi)，隨后 向腔室內(nèi)充入潮濕的 N₂ 至 3 kPa，接著沖入干燥氮 氣至大氣壓，晶圓取出后采用純水沖洗并甩干； (2) 在大氣 (濕度約為 40%)、常溫、無壓條件下對晶圓進行預(yù)鍵合，并在大氣下保存 10 min 以上；(3) 將 預(yù)鍵合后的晶圓轉(zhuǎn)移至鍵合腔室內(nèi)，并在 10?2 Pa 的條件下分離預(yù)鍵合的晶圓；(4) 在 10?2 Pa 真空 度 ，200 ℃，2.5 MPa，30 min 的條件下進行最終 鍵合并在大氣壓下 200 ℃ 退火 2 h. 強度測試表 明，預(yù)鍵合—分離—最終鍵合的方法可實現(xiàn) 2.0 ~ 2.5 J/m² 結(jié)合能的 SiO₂ -SiO₂ 鍵合，優(yōu)于高真空直接 鍵合的 0.5 J/m² . 這是由于該方法可以在最終鍵合 前增加?OH 吸附及去除表面 H2O 分子，更有利于 提高鍵合強度、減少界面空洞. 此外，這種方法也可 以得到低含氧量的 Cu-Cu 鍵合界面.

2.2  Cu/粘結(jié)劑介質(zhì)的混合鍵合 

Cu/粘結(jié)劑介質(zhì)的混合鍵合與 Cu/SiO₂ 混合 鍵合類似 ，只是使用粘結(jié)劑如 BCB， PBO， PI等替代了 SiO₂ 介質(zhì) (圖 16)，粘結(jié)劑具有更好 的柔性，可以一定程度上容忍介質(zhì)表面的微塵顆粒物.

Cu/粘結(jié)劑混合鍵合主要基于熱壓的方法，實 現(xiàn)方式包括兩種：①粘結(jié)劑先鍵合，如圖 17a 所 示. 在較低的溫度下 (約 250 ℃，取決于粘結(jié)劑的種 類) 首先將粘結(jié)劑鍵合并固化，此時 Cu-Cu 尚未完 成鍵合，然后在更高的溫度 (350 ~ 400 ℃) 下進行 熱壓實現(xiàn) Cu-Cu 鍵合，粘結(jié)劑在低溫下鍵合可以防 止更高的 Cu 鍵合溫度對未固化的粘結(jié)劑造成損 傷. 不過這種方法存在諸多不足，如需選擇耐高溫 的粘結(jié)劑材料、粘結(jié)劑需要較長的固化時間導(dǎo)致鍵 合效率降低等. ② Cu 先鍵合，如圖 17b 所示.

Cu 首先在低于粘結(jié)劑固化的溫度下短時鍵合 (如 ≤10 min)，隨后在更高的溫度下對粘結(jié)劑進行固化 且進一步提高 Cu-Cu 鍵合的強度. 實現(xiàn) Cu-Cu 低 溫鍵合的方法需要考慮到對粘結(jié)劑表面的影響，如 Ar 原子束和 Ar 等離子體處理雖然可以降低 CuCu 鍵合的溫度，但激發(fā)出來的金屬離子卻會污染 粘結(jié)劑表面，干擾粘結(jié)劑的鍵合. 為此，有研究人 員采用 Pt 催化后含 H 的甲酸對 Cu 和粘結(jié)劑表 面進行處理，可以在 200 ℃，5 min 條件下完成 Cu-Cu 鍵合，并且不會對粘結(jié)劑鍵合產(chǎn)生不利影響.

前述分別匯總了 Cu-Cu 熱壓鍵合、混合鍵合方 法的研究現(xiàn)狀. 目前大部分研究還僅僅停留在實驗 室階段，需要進一步深入對工藝和機理的探討. 與 此同時，當(dāng)前這些方法也面臨著共性的工藝難點， 包括以下兩方面： 

3.1  工藝要求非?？量?nbsp;

無論是熱壓鍵合還是混合鍵合方法對待鍵合表 面的質(zhì)量如粗糙度、光潔度、晶圓整體翹曲程度有 很高要求. 由于制作完成的 Cu 表面為粗糙狀態(tài)且 有一定的高度差，需要經(jīng)過昂貴、復(fù)雜的 CMP、飛行 切割等整平工藝對待鍵合表面進行平坦化，降低表 面粗糙度和高度差. 此外，晶圓本身還具有一定的 翹曲，尤其是面積大、厚度薄的晶圓，翹曲程度會更 加明顯，Cu-Cu 鍵合的“硬碰硬”接觸方式易在鍵 合良率方面出現(xiàn)問題. 在低溫互連方面，為了實現(xiàn) 300 ℃ 以下的低溫互連，增大界面接觸面積，往往需 要增加鍵合壓力至 100 MPa 以上，這樣大的壓力可 能會導(dǎo)致晶圓碎裂或介質(zhì)層開裂、變形等問題，不能 滿足工藝要求. 此外，混合鍵合中 Cu-Cu鍵合和介 質(zhì)-介質(zhì)鍵合二者常常會相互干擾，需要兼顧兩方面 的鍵合要求，對材料、工藝都提出了很大挑戰(zhàn).

3.2  難以靈活適用于 2.5D 互連 

Cu/介質(zhì)混合鍵合技術(shù)近年來發(fā)展迅速，部分 混合鍵合技術(shù)已在實際制造中應(yīng)用于 3D 互連的晶 圓鍵合 (Wafer to Wafer，W2W). 然而，混合鍵合 技術(shù)對待鍵合表面的微塵顆粒物很敏感. 即便如 Cu-粘結(jié)劑混合鍵合可以容忍一定的微塵顆粒物， 但如果顆粒物出現(xiàn)在 Cu 表面，仍會嚴(yán)重影響鍵合 質(zhì)量. 在 2.5D 互連的芯片-晶圓鍵合 (Chip to Wafer， C2W) 場合中，晶圓需要切割成單個芯片再鍵合到 載板晶圓表面，切割過程中不可避免地會引入微顆 粒物等，混合鍵合技術(shù)難以適用. 此外，2.5D 互連 主要是為了實現(xiàn)芯片功能整合，需要貼裝的芯片種 類非常多樣化，往往來自不同晶圓制造廠商，下游 的封裝廠很難說服上游晶圓廠改變制程來適應(yīng)混 合鍵合的工藝需求.

近年來，基于 Cu 納米材料燒結(jié)連接實現(xiàn) CuCu 鍵合逐漸獲得關(guān)注. 與熱壓鍵合和混合鍵合相 比，納米材料燒結(jié)對待鍵合表面的粗糙度、平整度 等有更高的適應(yīng)性，能夠大幅降低工藝要求. 

4.1  納米材料燒結(jié)連接的基本原理 

納米材料相對于宏觀塊體材料，表面原子占比增多，具有更高的表面能 ，更易發(fā)生原子擴散，非 常有利于在低溫下進行燒結(jié)連接. 

以金屬納米顆粒為例，其燒結(jié)過程可以用經(jīng)典 粉末燒結(jié)理論進行描述. 根據(jù)粉末燒結(jié)理論，由粉 末材料構(gòu)成的顆粒系統(tǒng)在燒結(jié)時傾向于降低其表 面的自由能，這是推進燒結(jié)進程的主要動力，燒結(jié)頸的長大是燒結(jié)過程進行的具體表現(xiàn). 在燒結(jié)過程 中，首先分散/疏松的納米顆粒在壓力作用下相互接 觸，然后隨著溫度的升高發(fā)生表面擴散、晶界擴散、 晶內(nèi)擴散，燒結(jié)頸逐漸長大，組織趨于致密化. 燒結(jié)后的組織為多孔結(jié)構(gòu)，與塊體材料相比具有更小的模量，更容易發(fā)生塑性變形，對粗糙、不平整表面有 優(yōu)異的“填補”效應(yīng) ，具有更寬的工藝窗口. 

根據(jù)納米材料燒結(jié)前的形態(tài)進行劃分，研究中 的 Cu 納米材料主要包括三類：納米線、納米多孔骨 架和納米顆粒. 下面分別對這三方面的研究現(xiàn)狀進行簡要介紹. 

4.2 Cu 納米線燒結(jié) 

Roustaie，Strahringer，Yu等人提出了 一種基于 Cu 納米線燒結(jié)的工藝，該工藝的優(yōu)勢主 要體現(xiàn)在其 Cu 納米線陣列的圖形化方式與成熟半 導(dǎo)體工藝良好兼容，可實現(xiàn)高密度 Cu 納米線凸點 的制備. 具體工藝流程如圖 18 所示：①在對晶圓進 行厚膠光刻漏出 Cu 焊盤，Cu 焊盤作為納米線生長 的基底，光刻膠作為納米線定向生長的掩膜；②通 過氧等離子體轟擊去除 Cu 焊盤表面的有機物殘 留；③將帶有直孔陣列的特制掩模板壓覆在晶圓表 面，并與 Cu 焊盤接觸，整體浸沒到 Cu 電鍍液中；④隨后進行電鍍工藝，電鍍過程中 Cu 納米線以 Cu 焊盤為基底，沿著掩模版孔陣列的方向向上生 長；(5) 最后去除掩模版，獲得由 Cu 納米線構(gòu)成的 凸點陣列.

這種方法可以實現(xiàn)凸點陣列的晶圓級制備，如 圖 19a，b 所示. 所獲得的 Cu 納米線陣列可以在 230 ℃，60 MPa 的溫度、壓力條件下實現(xiàn) 57.4 MPa 的剪切強度，且經(jīng)過 1 000 個熱循環(huán)測試 (?40 ~ 150 ℃) 和 4 000 h 的 HAST 測試 (85 ℃， 85% 濕 度) 后剪切強度無明顯下降. 

4.3 Cu 納米多孔骨架燒結(jié) 

Shahane，Sosa，Mohan等人提出了 一種可圖形化的脫合金法制備 Cu 納米多孔骨架凸點，其具體工藝流程如圖 20 所示. 首先在晶圓 表面濺射一層 Ti/Cu 作為后續(xù)電鍍工藝的種子層， 隨后旋涂光刻膠并進行光刻得到所需的孔陣列圖案 ，接著在光刻膠孔內(nèi)分別電鍍 4 ~ 8 μm 厚的 Cu 凸點和 5 ~ 10 μm 厚的 Cu-Zn 合金，光刻膠去除 后即可得到上方為 Cu-Zn 合金、下方為 Cu 的復(fù)合 凸點結(jié)構(gòu)，最后使用 1% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 HCl 在室溫下 腐蝕 4 h 使得 Cu-Zn 合金中的 Zn 被腐蝕并獲得 Cu 納米多孔骨架凸點.

在 Cu 納米多孔骨架制備方面，研究人員主要 研究了電流密度、Cu-Zn 合金中 Zn 的含量、退火工 藝對 Cu 納米多孔骨架組織的影響，結(jié)果表明在電 流密度為 2.75 mA/cm² 、Zn 含量為 85%、200 ℃/ 30 min/N2 退火的工藝條件下，可以獲得較理想的 納米多孔結(jié)構(gòu)，如圖 21 所示，特征尺寸在 60 nm 以下，其中約有 10% 的 Zn 殘留. 

在 250 ℃，9 MPa，30 min，5% 甲酸氣氛的鍵合 條件下，剪切強度可達 47 MPa. 如圖 22 所示，鍵合 前約 3 ~ 4 μm 厚的多孔納米結(jié)構(gòu)被壓縮到了 1 μm 以內(nèi)，這表明該方法可以在一定程度上通過塑性變 形彌補基板翹曲以及 Cu 柱高度差帶來的不平整 度. 不過，該工藝制備獲得的 Cu 多孔結(jié)構(gòu)中存在 一定的 Zn 殘余，活潑金屬對長期服役可靠性的影 響需要進一步研究.

4.4 Cu 納米顆粒燒結(jié) 

目前，Cu 納米顆粒用于燒結(jié)連接主要是通過 配置成銅納米焊膏并應(yīng)用于功率器件封裝. 如 圖 23 所示，功率器件封裝的芯片與基板間一般只 有一個互連層，而先進封裝互連的焊點數(shù)量成千上 萬. Cu 納米焊膏應(yīng)用于先進封裝互連的難點之一 是圖形化，即如何制作出大規(guī)模焊點陣列. 

Del Carro，Zürcher等人提出了一種浸 蘸轉(zhuǎn)移的方法實現(xiàn)焊膏圖形化 ，其具體流程如 圖 24 所示. 首先將微納米顆?；旌系?nbsp;Cu 焊膏通過刮刀刮平獲得約 20 μm厚度的薄層 ，將電鍍有 Cu 凸點的芯片在焊膏中浸蘸使得 Cu 凸點頂端黏附有 8 ~ 12 μm 厚度的 Cu 焊膏，接著將芯片與基板進行 對中并在甲酸氣氛下 160 ~ 200 ℃ 燒結(jié)鍵合.

研究人員首先研究了 Cu 凸點的輪廓形態(tài)、浸 蘸轉(zhuǎn)移的速度、焊膏粘度等對圖形化的影響，結(jié)果 表明該方法具有良好的穩(wěn)定性，可以適應(yīng)一定的工 藝波動. 并重點分析了鍵合壓力對界面燒結(jié)組織 和性能的影響，結(jié)果如圖 25 所示. 從圖中可以看 到，鍵合壓力對燒結(jié)組織的孔隙率有明顯影響，無 壓燒結(jié)情況下燒結(jié)組織出現(xiàn)明顯的聚集性孔洞，可 靠性存在隱患，且剪切強度只有約 10 MPa；隨著壓 力增大到 50 MPa，界面組織趨于致密，剪切強度提 升至 40 MPa 左右. 該方法率先將 Cu 納米焊膏應(yīng) 用到先進封裝互連領(lǐng)域，并表現(xiàn)出良好的適用性， 具有良好的應(yīng)用前景，但相關(guān)可靠性測試數(shù)據(jù)還比較少，需要進一步研究. 此外，由于 Cu 納米焊膏具 有一定的流動性，易在壓力作用下發(fā)生擠出從而導(dǎo) 致相鄰焊點“橋接”，所以該方法在實現(xiàn)窄節(jié)距互連 上面臨一定局限性. 

此外，Mimatsu 等人基于 Cu 納米顆粒粉末 提出了類似的轉(zhuǎn)移方法進行圖形化. 研究人員將通 過化學(xué)法合成的 Au 納米顆粒粉末鋪勻到裸硅片 上，再將帶金凸點的芯片與裸硅片壓到一起并加熱 到 100 ℃，使得 Au 納米顆粒與金凸點表面發(fā)生一 定程度的預(yù)燒結(jié)，最后將芯片與基板對中鍵合到一 起.這種方法最大的問題是納米顆粒粉末與凸點間 的結(jié)合很弱，部分凸點上沒有或只有很少的納米顆 粒附著. 

清華大學(xué)鄒貴生團隊最新提出了基于脈沖激 光沉積 (Pulsed Laser Deposition，PLD) 技術(shù)圖形化 制備 Cu 納米顆粒并用于 Cu-Cu 低溫鍵合的方法. 如圖 26 所示，該方法通過 PLD 沉積工藝制備出 Cu 納米顆粒，并以光刻膠作沉積掩膜，隨后剝離去 除光刻膠即可獲得由納米顆粒構(gòu)成的凸點陣列 (直 徑 60 μm、節(jié)距 120 μm). 在 250 ℃，9 MPa，10 min， 甲酸氣氛鍵合條件下，剪切強度達 52.2 MPa，鍵合 前高度約 10 μm 的凸點被壓縮至約 4 μm. 與具有 流動性的納米焊膏相比，PLD 制備出的納米顆粒為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，因此加壓過程中不易出現(xiàn)溢出導(dǎo)致焊 點短路的問題. 此外，該方法制備出的凸點具有良 好的塑性變形能力和低溫互連性能.未來可繼續(xù)深 入對該方法的電學(xué)性能、服役可靠性等方面的研究. 

(1) 隨著主流 Sn 基軟釬焊工藝逐漸無法滿足 未來先進封裝互連的要求，Cu-Cu 鍵合技術(shù)憑借其 可實現(xiàn)窄節(jié)距、高性能互連且與半導(dǎo)體制造工藝兼 容性好等優(yōu)勢脫穎而出，成為先進封裝互連的重要 發(fā)展方向.

 (2) 為了降低 Cu-Cu 鍵合溫度，研究人員提出 了通過晶粒定向生長、飛行切割、插入式互連結(jié)構(gòu) 等方法來提高 Cu 原子擴散速率以及采用等離子體 轟擊、金屬或有機物作鈍化層來減少/防止 Cu 表面 氧化的方法.

 (3) 混合鍵合在窄節(jié)距互連時將 Cu-Cu 及介 質(zhì)-介質(zhì)分別鍵合起來，鍵合后的介質(zhì)起到下填料的 作用，具有更優(yōu)的熱/機械可靠性. 混合鍵合包括 Cu/SiO₂、Cu/粘結(jié)劑鍵合兩類，鍵合時工藝要綜合 考慮 Cu-Cu 鍵合及介質(zhì)-介質(zhì)鍵合兩方面. 

(4) 熱壓鍵合和混合鍵合對待鍵合表面的粗糙 度、光潔度、晶圓翹曲程度等有嚴(yán)格要求，往往需要 昂貴、復(fù)雜的平坦化工藝及較高的鍵合壓力來保證 鍵合表面充分接觸. 此外，混合鍵合技術(shù)在應(yīng)用于 2.5D 互連時也面臨一定挑戰(zhàn).

 (5) 近年來，基于納米材料燒結(jié)實現(xiàn) Cu-Cu 低 溫鍵合逐步獲得關(guān)注. 納米材料具有低溫連接、界 面填縫等優(yōu)勢，可降低工藝要求. 研究人員采用定 向生長納米線、脫合金制備納米多孔骨架、浸蘸轉(zhuǎn) 移納米焊膏、PLD 沉積納米顆粒等方法分別實現(xiàn)了 焊點圖形化和 Cu-Cu 低溫鍵合，并在降低鍵合溫 度、壓力、適應(yīng)基板翹曲等方面表現(xiàn)出一定潛力，但 仍需要更多的性能、可靠性測試作支撐. 目前納米 材料燒結(jié)連接應(yīng)用于 Cu-Cu 鍵合的研究還處于起 步階段，未來繼續(xù)開發(fā)出寬工藝冗余、窄節(jié)距圖形 化、優(yōu)良互連性能的納米材料互連方式仍大有可為.