本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及微電子器件的封裝(或包裝)，該微電子器件例如為mems(“微機(jī)電系統(tǒng)”)、nems(“納米機(jī)電系統(tǒng)”)、moems(“微光機(jī)電系統(tǒng)”)或noems(“納米光機(jī)電系統(tǒng)”)類(lèi)型的微系統(tǒng)，包括將該器件封裝或封閉在密封腔體中，并對(duì)腔體中的氣氛進(jìn)行控制。本發(fā)明涉及一種用于氣密密封兩個(gè)基板的方法。本發(fā)明還涉及通過(guò)這種方法獲得的裝置。本發(fā)明可應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，例如機(jī)動(dòng)車(chē)、移動(dòng)電話或視頻游戲機(jī)領(lǐng)域。本發(fā)明尤其令人感興趣，因?yàn)樗试S用共晶合金來(lái)氣密密封基板，同時(shí)避免移動(dòng)結(jié)構(gòu)短路或機(jī)械堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

背景技術(shù)：

1、mems、nems、moems或noems類(lèi)型的微電子器件是納米或微米尺寸的傳感器或執(zhí)行器。它們采用微電子方法制造。

2、對(duì)這些微電子器件進(jìn)行封裝，一方面可以保護(hù)它們免受外界因素(例如濕氣、顆粒污染、氧氣等活性元素)的影響，另一方面可以控制器件封裝腔體內(nèi)的氣氛(例如壓力、封裝氣體成分等)。腔體內(nèi)的封裝壓力可根據(jù)預(yù)期用途進(jìn)行調(diào)整，通常在10-3毫巴(mbar)至1巴(bar)之間。

3、這種封裝可以采用各種類(lèi)型的密封：熱壓、共晶密封、陽(yáng)極密封等。

4、目前，共晶密封似乎是最有前景的。

5、通常，如圖1a和圖1b所示，在共晶密封方法中，合金成分分別沉積在待組裝的基板11、12的表面上。在第一基板11上形成具有材料的第一焊珠21。在第二基板12上形成具有材料的第二焊珠22(圖1a)。

6、在密封過(guò)程中，將兩個(gè)基板11、12緊密接觸，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)施加一定溫度。如果兩種材料的相對(duì)成分與共晶濃度相符，則在共晶溫度下發(fā)生熔化。在液相中，兩個(gè)表面之間存在由兩種材料組成的均質(zhì)液體。然后，釬料的凝固將導(dǎo)致形成一種材料，該材料由用于實(shí)現(xiàn)共晶熔化的材料在其相應(yīng)的溶解度范圍內(nèi)發(fā)生相分離而構(gòu)成。即使這種材料并非由單相構(gòu)成，也被稱(chēng)為共晶材料。這種共晶材料位于兩個(gè)基板11、12之間，并允許界面機(jī)械閉合，從而形成最終組件。

7、因此，共晶材料會(huì)經(jīng)歷液態(tài)，然后凝固并在待封裝的芯片周?chē)纬擅芊夂钢?3(圖1b)。

8、然而，液相通道可能伴隨共晶材料從密封焊珠區(qū)域流出(圖2)。這些流延部分(run-outs)23'在凝固后，可能會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械阻塞，和/或在器件的各個(gè)區(qū)域之間造成短路。

9、因此有必要控制液態(tài)釬料的泄漏。

10、例如，在v.lumineau?2018年的論文《study?of?the?bonding?of?mems?by?al-geeutectic?alloy》(al-ge共晶合金對(duì)mems鍵合的研究)中，他提出了在焊珠附近設(shè)置止動(dòng)裝置。這些止動(dòng)裝置限制了待組裝的兩個(gè)板之間的靠近，從而防止了al-ge雙層膜的擠壓。然而，為了使該方案有效，需要在焊珠兩側(cè)以一定距離設(shè)置實(shí)體止動(dòng)裝置。然而，由于各種結(jié)構(gòu)緊湊性的限制，該方案并非適用于所有器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種共晶密封方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并允許氣密密封兩個(gè)基板，同時(shí)避免短路和機(jī)械堵塞現(xiàn)象。

2、為此，本發(fā)明提出了一種用于兩個(gè)基板的共晶密封的方法，包括以下步驟：

3、a)提供第一基板，該第一基板具有被由第一材料制成的第一焊珠覆蓋的第一面，并且可選地被一個(gè)或多個(gè)微電子器件覆蓋，該第一材料包括第一元素，

4、b)提供第二基板，該第二基板具有被由第二材料制成的第二焊珠覆蓋的第一面，并且可選地被一個(gè)或多個(gè)微電子器件覆蓋，該第二材料包括能夠與第一元素形成共晶合金的第二元素，

5、c)將第一焊珠和第二焊珠接觸放置，并進(jìn)行熱處理以形成共晶相，該共晶相將第一焊珠的第一元素與第二焊珠的第二元素合金化，從而形成包含共晶合金的密封焊珠，并且第一基板被密封至第二基板，共晶相的形成伴隨共晶合金的流延部分的形成。

6、還可以使用包括第一材料和第二材料的第一焊珠，例如呈多層的形式，和/或包括第一材料和第二材料的第二焊珠，例如呈多層的形式。

7、因此可以形成對(duì)稱(chēng)配置。

8、同樣也可以形成非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)設(shè)置包含第一材料的第一焊珠和包含第二材料的第二焊珠，第一材料的一部分已沉積在第二材料上。在這種情況下，第一基板的第一面上的第一材料較薄，以在熔化前保持共晶濃度。

9、根據(jù)另一個(gè)替代實(shí)施例，非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置包含第二材料的第二焊珠和包含第一材料的第一焊珠來(lái)實(shí)現(xiàn)，第二材料的部分已沉積在第一焊珠上。在這種情況下，第二基板的第一面上的第二材料較薄，以在熔化前保持共晶濃度。

10、可以修改兩個(gè)面中的僅一個(gè)面上的材料分布或修改兩個(gè)面上的材料分布。

11、有利的是，采用導(dǎo)致通過(guò)鍵合界面形成原子流的配置，也就是采用非對(duì)稱(chēng)配置。

12、在這個(gè)方法中，第一基板和第二基板中的至少一者被潤(rùn)濕層局部覆蓋，共晶合金的液滴在潤(rùn)濕層上的接觸角一方面比共晶合金在第一基板的第一面上的接觸角小至少20°，優(yōu)選至少40°，共晶合金的液滴在潤(rùn)濕層上的接觸角另一方面比共晶合金在第二基板的第一面上的接觸角小至少20°，優(yōu)選至少40°，由此在步驟c)期間，共晶合金的流延部分優(yōu)選進(jìn)入潤(rùn)濕層。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的根本區(qū)別在于，在與基板相對(duì)的共晶合金中設(shè)置了至少一個(gè)優(yōu)先潤(rùn)濕性區(qū)域。在步驟c)期間形成的共晶材料在潤(rùn)濕層上的潤(rùn)濕性?xún)?yōu)于在第一基板和第二基板表面上的潤(rùn)濕性。

14、因此，我們不再設(shè)置“物理”屏障(例如現(xiàn)有技術(shù)中的止動(dòng)裝置)，而是采用所謂的“能量”屏障，該屏障的表面對(duì)液態(tài)金屬具有較高的表面能，而潤(rùn)濕區(qū)域則具有較低的表面能。液態(tài)金屬潤(rùn)濕該潤(rùn)濕區(qū)域，就像落入勢(shì)阱一樣。通過(guò)巧妙地集成優(yōu)先潤(rùn)濕層，共晶材料的流出被引導(dǎo)并保持在對(duì)芯片功能“無(wú)風(fēng)險(xiǎn)”的區(qū)域內(nèi)。

15、例如，對(duì)于共晶合金al-ge，這個(gè)合金在金屬表面上的潤(rùn)濕性?xún)?yōu)于在介電材料表面上的潤(rùn)濕性。在密封焊珠位置附近或者在與密封焊珠接觸的位置設(shè)置金屬潤(rùn)濕層，在基板表面由介電材料制成的情況時(shí)允許包含流延部分。

16、特別地，選擇共晶合金的液滴的接觸角大于或等于90°、優(yōu)選地大于或等于100°的基板。

17、例如，選擇共晶合金的液滴的接觸角小于或等于70°，優(yōu)選小于或等于60°，甚至更優(yōu)選小于或等于40°的潤(rùn)濕層。

18、采用這種密封方法，熔融的金屬合金粘附在待組裝基板的表面，并使流延部分被包含在潤(rùn)濕層內(nèi)。如此密封的腔體氣密性良好，組件具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。

19、有利的是，潤(rùn)濕層(也稱(chēng)為浸潤(rùn)層)為金屬層。優(yōu)選地，金屬層由選自w、ti、al、au和cu中的金屬所制成。

20、根據(jù)另一有利的替代方案，潤(rùn)濕層是金屬氮化物層，例如tin、wn、aln。

21、根據(jù)另一有利的替代方案，潤(rùn)濕層是半導(dǎo)體層，比如si、ge、sic、asga、inp層。

22、有利的是，第一基板的第一面由介電材料(優(yōu)選sio2或si3n4)、半導(dǎo)體材料或金屬氮化物(諸如tin、wn、aln)制成(潤(rùn)濕層則優(yōu)選由金屬制成)，和/或第二基板的第一面由介電材料(優(yōu)選sio2或si3n4)或半導(dǎo)體材料或金屬氮化物(諸如tin、wn、aln)制成(潤(rùn)濕層則優(yōu)選由金屬制成)。

23、有利的是，共晶合金選自al-ge、au-in、au-sn、au-si、bi-sn和au-ge。

24、有利的是，對(duì)于共晶合金alge，第一材料選自alsi或alcu、對(duì)于共晶合金au-in、au-sn、au-si或au-ge，第一材料選自au、對(duì)于共晶合金bi-sn，第一材料選自bi，和/或?qū)τ诠簿Ш辖餫l-ge，第二材料選自ge、對(duì)于共晶合金au-sn或bi-sn，第二材料選自sn、對(duì)于共晶合金au-si，第二材料選自si、對(duì)于共晶合金au-in，第二材料選自in。

25、第一元素的體積為v1，第二元素的體積為v2。體積v1和v2被選擇成以便形成由v1和v2相對(duì)濃度給定的共晶合金。兩種元素的相對(duì)體積和成分的選擇應(yīng)與共晶濃度相對(duì)應(yīng)。

26、根據(jù)第一有利實(shí)施例，第一焊珠設(shè)置在第一潤(rùn)濕層上，潤(rùn)濕層在第一焊珠的任一側(cè)或第一焊珠的兩側(cè)上突出，和/或第二焊珠設(shè)置在第二潤(rùn)濕層上，潤(rùn)濕層在第二焊珠的任一側(cè)或第二焊珠的兩側(cè)上突出。

27、根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例，潤(rùn)濕層相對(duì)于第一焊珠和/或第二焊珠偏移，并且潤(rùn)濕層可選地通過(guò)橫向構(gòu)件連接到第一焊珠和/或第二焊珠。橫向構(gòu)件優(yōu)選由與潤(rùn)濕層相同的材料制成。

28、本發(fā)明還涉及由此獲得的裝置。該裝置包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板通過(guò)包含共晶合金的密封焊珠相互密封，第一基板和第二基板中的至少一者被潤(rùn)濕層局部覆蓋，共晶合金的液滴在潤(rùn)濕層上的接觸角一方面小于共晶合金在第一基板的第一面上的接觸角，共晶合金的液滴在潤(rùn)濕層上的接觸角另一方面小于共晶合金在第二基板的第一面上的接觸角，共晶合金的流延部分被困在潤(rùn)濕層上。

29、有利的是，潤(rùn)濕層是金屬層，優(yōu)選地選自w，ti，al，au和cu，第一基板的第一面由介電材料(優(yōu)選地為sio2)或半導(dǎo)體材料制成，和/或第二基板的第一面由介電材料(優(yōu)選地為sio2)或半導(dǎo)體材料制成。

30、有利的是，共晶合金選自al-ge、au-in、au-sn、au-si、bi-sn和au-ge。

31、根據(jù)第一有利實(shí)施例，密封焊珠設(shè)置在潤(rùn)濕層上，潤(rùn)濕層在密封焊珠的任一側(cè)或者從密封焊珠的兩側(cè)上突出。

32、根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例，潤(rùn)濕層相對(duì)于密封焊珠局部偏移，并通過(guò)橫向構(gòu)件與密封焊珠連接。有利的是，橫向構(gòu)件由與潤(rùn)濕層相同的材料制成。

33、本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下附加描述中顯現(xiàn)出來(lái)。

34、不言而喻，此附加說(shuō)明僅作為對(duì)本發(fā)明目的的示例性描述，絕不應(yīng)被解釋為對(duì)該目的的限制。