一种耐超高温气密封装方法与流程

1.本发明涉及微电子封装热压键合技术领域，具体是一种适用于微电子的耐超高温气密封装方法。


背景技术：

2.随着近年来航空发动机、燃气轮机的不断更新换代，其可承受的温度也逐步提升。这些器件的一些关键部位如涡轮叶片、燃烧室等工作温度达1000℃以上，在这种工作温度下，温度传感器所需要的耐高性便逐渐成为改进指标。利用温度传感器对其进行实时温度检测，可以有效分析器件的疲劳程度，对器件疲劳的检测有重要作用，也可以记录温度的变化，提高发动机的燃烧效率。
3.微电子传感器的发展，石墨烯传感器的发展应用自2004年用微机械剥离的方法成功从石墨中分离出单层石墨烯，石墨烯制作技术迅猛发展。由于石墨烯具有优良的导电性能，因此利用石墨烯制作微电子传感器成为一股潮流。
4.近些年石墨烯制作技术日趋成熟，基于石墨烯制作的高温环境传感器，被广泛应用航天、医药、冶金等各个领域。随着封装要求的不断更新，使人们不断更新传统键合材料，以适应新的环境。
5.键合的本质是两金属表面原子发生相互扩散，由于金属在空气中表面会形成一层薄的氧化膜，该氧化膜阻挡了两金属表面原子相互扩散。所以，金属表面原子的扩散，不可能无条件进行。
6.对于扩散驱动的热压键合而言，键合界面原子间的相互扩散是其键合得以实现的本质。泰曼(gustav tammann)发现，随着温度上升，原子/离子在平衡位置附近的振幅越来越大，原子/离子离开平衡位置，扩散加强。而原子/离子开始呈现显著扩散作用的温度(泰曼温度)，通常远低于材料熔点或系统共晶温度，金属材料泰曼温度(tb)与其熔点(tm)间存在如下关系：
7.tb＝(0.3～0.4)tm8.根据上述关系可以得出pt的泰曼温度为531.6～708.8℃(pt熔点：1772℃)。当键合温度超过上述温度范围时，键合界面的原子扩散将明显增强。
9.由于pt相较于其他金属材料不易被氧化，因此，键合时不需在铂表面镀膜作为钝化层，只需在pt键合表面做活化处理，即可使键合表面的pt得以扩散。本设计主要采用干法对键合铂表面进行活化。
10.根据金属材料泰曼温度，如果每一种材料不做处理直接键合，则需要的温度会很高，不仅容易损坏器件，而且大大的增加了制备成本，不易于量产。由此，在键合前一般均要对键合表面进行相应的处理。一般有两类方法除去界面表面的氧化膜，一类是在金属表面通一定功率的等离子气体如氩气，俗称干法；一类是将金属表面置于还原溶液中，除去表面氧化膜，俗称湿法。表面处理方法中，干法易于进行，对降低了键合过程中的键合温度有一定的效果。
11.但是干法不能完全除去键合表面的氧化膜。尤其对于那些表面易于形成致密氧化膜的金属材料来说起到的效果较小。湿法虽然能通过化学反应将表面的氧化膜除去，但是相对不易操作，在液体中的键合受无关因素影响较大。


技术实现要素：

12.本发明采用自主装(sam)低温键合工艺与纳米颗粒低温键合工艺相结合的方式降低铂-铂键合时的温度，使键合后的器件具有良好的耐超高温性，气密性。本发明的优势在于利用现有工艺，提升键合的效率，且键合质量可靠，可以广泛用于生产。
13.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
14.一种耐超高温气密封装方法，包括下列步骤：
15.s1、键合采用金属铂作为键合连接材料，且键合材料不混合其他金属材料；
16.s2、先将衬底底片清洗，然后用气相沉积法制备介质层；
17.s3、经过光刻、溅射、剥离制备底电极；
18.s4、利用沉积法在键合凸点铂金属表面制作纳米铂柱阵列；
19.s5、再将基板浸入己烷硫醇溶液中自主装一层防止铂金属表面氧化的阻隔膜，最后采用激光划片的方式将单个微结构分开；
20.s6、将两个带有密封环，键合凸点的结构放入倒装焊机，经焊机自动对准、加热，加压开始键合，最终使两个结构结合到一起。
21.所述衬底采用蓝宝石al2o3、硅或二氧化硅；所述介质层材料包含10—100nm的sin
x
、sio2材料制备的绝缘层。
22.所述底电极的制备采用掩膜板图样、含有微电子结构的密封环或用于石墨烯高温传感器。
23.所述底电极制备溅射的粘附层包含cr、ti两种金属材料、镀膜厚度为50-100nm，功率为1kw。
24.所述溅射的层厚度300-500nm之间。
25.所述键合表面纳米工艺采用柱体阵列、球形，颗粒或孔状工艺。
26.所述衬底表面自组装一层烷烃硫醇，所述组装一层烷烃硫醇的方法采用湿法或气相沉积法。
27.所述键合的方法采用直接热压键合，所述直接热压键合包括表面活化处理、加热、加压，所述直接热压键合采用倒装焊机。
28.所述表面活化处理方式为干法，所述干法为用一定功率的ar2或h2气体，处理键合表面的氧化膜，达到活化的目的。
29.所述表面活化处理的气体功率在200w—400w，所述表面活化处理的时间在10s-600s之内均属于权利要求范围之内；所述直接热压键合的退火温度为200-700℃，所述直接热压键合的退火时间为10min-60min；所述直接热压键合在退火时施加压力范围在20-120mpa之间，所述退火时施加压力的时间为10min-60min之间。
30.本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
31.本封装方法相比背景中介绍的技术具有很大的优势，通过pt-pt直接键合形成无氧真空腔，可以在1500℃左右为石墨烯纳米薄膜材料提供无氧和高温防护。这种封装方法
工艺简便易行，封装结构合理可靠，适用于很多高温环境监测。
附图说明
32.图1为本发明实施例的掩膜板cell结构图；
33.图2为本发明实施例的cell单个重复结构形状图；
34.图3是已制备底电极的键合基板侧面示意图，cr为粘附金属层，有助于防止pt层脱落。
35.图4为在键合凸点上生长纳米铂柱阵列的示意图；
36.图5为在镀铂片表面自组装一层烷烃硫醇(alkane-thiol)的示意图；
37.图6为键合时自组装在铂表面的烷硫氢受热脱落的示意图。
38.图7为自组装在铂表面的烷硫氢受热脱落后，表面洁净的铂柱阵列在热压的作用下键合的过程示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.以下结合附图对本发明做进一步说明：
42.如图1所示，为本发明的实施基于图中的结构，图中的结构是光刻掩膜版，总共由4x4个单个结构组成构成一个长5mm，宽5mm的正方形cell，它的作用是在衬底上制备电极图形，即密封环与键合凸点。由于热压键合最小尺度在5mm，所以，在键合的时候是一个整体的cell进行键合的。
43.图2所示是每个单元的具体尺寸结构。其中正方形键合凸点的边长为160μm，密封环的宽度为80μm。正方形密封环外宽为1.31mm，内宽为1.15mm，键合凸点外边距正方形密封环内边为160μm。密封环在键合之后起到的作用形成一个内部具有一定气密性的结构。
44.掩膜版制作完毕之后，下面是制备键合结构的具体的步骤：
45.1.备片：蓝宝石(al2o3)
46.2.清洗：常规清洗；依次用丙酮、异丙醇、水超声，n2吹干
47.3.制备底电极
48.底电极的制备分为3个步骤，光刻、溅射、剥离。
49.(1)光刻：光刻是制备底电极的重要步骤，电极在衬底上的图形及大小通过掩膜板、被光刻到衬底上，有掩膜板的地方，紫外光被遮挡，光刻胶不受影响。没有掩膜板的地方，光刻胶吸收紫外光，随着显影液而脱落，形成电极图案。
50.(2)溅射：光刻后的衬底，形成了以光刻胶为模板的底电极图案，将该图案作为镀膜衬底，选用lb
‑‑
18溅射台，磁控溅射cr/pt层，cr50nm-1kw，pt300nm-0.2kw。
51.(3)剥离：溅射了cr/pt层的衬底，通过负胶剥离，将镀在光刻胶上的cr/pt层溶解掉，溶解方式：避免超声，自然剥离，丙酮浸泡。剥离后，直接镀在衬底上的cr/pt层保留了下来，即我们需要的底电极图形，大小制作完成了。
52.4.沉积法：通过沉积法在键合凸点铂金属表面制作纳米铂柱阵列。
53.5.表面活化：制作纳米铂柱阵列之后，通ar气进行表面活化，去除表面氧化膜，并且提升表面活化性能。
54.6.气相沉积法：表面活化后的基板，即刻通过气相沉积法在表面镀一层烷硫氢薄膜。以免键合表面再度被氧化。
55.7.划片：一块硅片制作的结构单元不止一个，其整齐的排布在硅片晶圆上。一般情况下，制作好的硅片单元用机械划片的方法将硅片中的结构单元分开。对于硬度较高的衬底，如蓝宝石(al2o3)衬底采用激光划片的方法将每个结构单元分开。
56.8.键合：键合采用自动对准倒装焊机，直接热压使上下两个基板结合到一起。
57.实施例1
58.该封装方法的具体工艺步骤包括：
59.备片：蓝宝石(al2o3)尺寸为2寸、400um。
60.清洗：常规清洗；依次用丙酮、异丙醇、水超声5min，n2吹干。
61.溅射：在清洁的蓝宝石(al2o3)衬底上镀一层cr作为粘附层，选用lb
‑‑
18溅射台，磁控溅射cr层。cr层厚度为50nm，溅射功率1kw。
62.底电极：底电极的制备；分为3个步骤，光刻、溅射、剥离。
63.光刻：选用图1所示掩膜板，在附有光刻胶的衬底上进行光刻，光刻后利用加热板前烘150℃，时间60s，ma6曝光，时间7.0s(硬接触)；利用加热板中烘温度为100℃，时间为60s；使用nmd-3显影液去胶。时间为17s。
64.溅射：光刻后选用lb
‑‑
18溅射台，磁控溅射pt层。pt层厚度为300nm，溅射功率0.2kw。
65.剥离：溅射了cr/pt层的衬底，通过负胶剥离，将镀在光刻胶上的cr/pt层溶解掉，溶解方式为避免超声，自然剥离，丙酮浸泡。
66.沉积：通过沉积法在键合凸点铂金属表面制作纳米铂柱阵列，纳米铜柱直径为10nm，长300nm。
67.表面活化：制作纳米铂柱阵列之后，通ar气进行表面活化，通ar功率400w，处理时间300s，去除表面氧化膜，并且提升表面活化性能。
68.浸泡：表面活化后的基板，即刻浸泡在己烷硫醇溶液中2h，取出后n2吹干约5min，以免键合表面再度被氧化。
69.划片：采用激光划片的方法将每个结构单元分开。
70.键合：将制成的对称的上下基板，放入fc150倒装焊机中。经倒装焊机自动对准，在10mpa，200～400℃下退火30min左右，键合完成，如图7所示。
71.上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各
种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。