[发明专利]灵敏的微米系统和纳米系统的连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连接微米结构和纳米结构的内扩散方法，特别地，涉及一种通常以晶片级实施的灵敏的和易碎的结构或部件的3D集成及封装方法。

背景技术

研发诸如微米或纳米机电系统（MEMS）和基于MEMS的装置时的难题是所有的MEMS装置都需要特别设计的封装以便气密密封和/或保护其内灵敏的和精密的部件。特别地，一些种类的MEMS装置在封装中需要非常低的真空级，然而其它一些则需要特别的压力和/或气体混合物以便根据具体的设计和目的来操作。

US7132721教导了一种连接方法，其中在第一晶片表面沉积第一材料，在第二晶片表面沉积第二材料，将两个晶片表面压在一起以实现连接，其中第一和第二材料之间的内扩散形成合金化合物，该合金化合物随后将晶片固定在一起。

但是，这种方法或类似方法的一个问题是每个晶片上沉积不同材料将增加每个晶片的连接表面的不规则和不均匀性，从而影响所有合成连接的质量。此外，如果沉积的材料是在空气中易氧化的，则在连接表面可能形成天然氧化物，这将减少湿润并成为阻止当晶片和芯片上或晶片对上的连接表面开始接触时第一和第二材料之间的混合的障碍物。

预处理通常包括熔化程序（flux procedure），优选地，系统组装期间在原位而不是在非原位执行所述熔化程序以阻止氧化，这是因为在非原位氧化发生的非常快。通常用于这种程序的化学制品的一些例子是盐酸、硫酸、蒸汽状的甲酸，或合成气体。但是，虽然这些酸是有效的氧化物去除剂，然而正如人们所熟知的，它们对于灵敏的微米结构或纳米结构具有非常大的负面影响。特别地，如前所述的通常包括在液态酸或类似物中处理晶片的任何湿润处理，如果不需要额外的笨重处理技术，其与释放的和易碎的微米或纳米结构不相适应。

此外，大多数简单的表面处理程序在第二材料的熔点温度附近是非常有效的。因此，在原位预处理之后，例如在上述熔化处理之后，在已经相对较高温度的压力下，第一和第二材料通常开始接触，所述相对较高温度随后上升超出第二材料的熔点温度。这可能使得大体积的第二材料突然熔化，导致第二材料不希望的挤压并流向周围，这将反过来造成电短路或损坏该微米或纳米装置。此外，存在这样一种危险，即在连接处理结束时，任何未反应的第二材料在诸如吸气剂活化或无铅焊接的后续处理的高温期间将再次熔化。

因此，在包括诸如MEMS构件、薄膜金属导体或绝缘体的精密结构的任何连接处理期间，通常难于执行任何表面处理以去除氧化层而不潜在地损坏这些精密结构。

另一种已知的内扩散连接方法是固液内扩散（SLID）技术，该技术起源于用于3D微系统集成的芯片到晶片方法。这种技术的典型实施包括具有第一金属的芯片，所述第一金属在空气中易氧化并具有设置于其上的第二金属层，其中第一金属具有比第二金属高的熔点。一个例子是Cu-Sn SLID连接，其中Cu在空气中易氧化并具有比Sn高的多的熔点。

但是，现有的芯片到晶片方法的SLID连接存在多个与之相关的问题。作为例子，其中芯片单独地固定于晶片上，所使用的并且可以固定晶片的典型的最大连接温度超出第二金属的熔点。这将阻止第一和第二金属存在于晶片表面上，因为在所有模件被组装之前，第一金属在第二金属中的扩散将导致化合物沿着所有连接表面形成，这是不希望的。因此，当第一和第二金属都沉积在芯片表面上时只有第一金属沉积在晶片表面上。

US6872464中描述的另一种可替换的芯片到晶片的连接方法基于高温回流之前的低温组装。但是，这种方法包括利用基于热塑聚合体的焊接媒介实现的低温预连接。类似地，US2006/0292824教导了一种模件到晶片的连接方法，其中聚合连接层被图案化于设置在第一晶片上的模件周围并且这种聚合体在连接过程期间硬化以提供永久胶合层，这种永久胶合层在粘结压力释放之后固定模件-晶片连接。

但是，这两种方法的哪一个都不适于形成气密密封的MEMS封装，因为随着时间的逝去，聚合体将恶化（渗气）并且分子将分散进入封装的密封真空腔中的环境中，从而危及真空水平。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种在晶片级形成用于包封MEMS装置的气密密封封装的连接方法，特别地，适于诸如微测辐射热计的化学灵敏的MEMS装置。