微電子封裝中的互連鍵合是集成電路（integrated circuit，IC）后道制造中關鍵和難度大的環(huán)節(jié)，直接影響集成電路本身的電性能、光性能和熱性能等物理性能，很大程度上也決定了IC產(chǎn)品的小型化、功能化、可靠性和生產(chǎn)成本。然而，隨著封裝密度的增加以及器件功率的增大，CU凸點面臨尺寸大幅減小并且互連載流量大幅增加等問題，產(chǎn)業(yè)界成熟的Cu-Cu鍵合方法已很難適應高密度封裝的快速發(fā)展，研發(fā)更為先進的Cu-Cu鍵合技術并推向產(chǎn)業(yè)化是當前迫在眉睫的需求。
針對電子封裝行業(yè)中所面臨的技術需求，該書系統(tǒng)介紹了國內(nèi)外Cu-Cu鍵合技術的研究現(xiàn)狀，并結合作者及課題組全體研究人員長期在微電子封裝領域的研究積累，梳理了基于表面活化的Cu-Cu鍵合、基于金屬納米焊料的Cu-Cu鍵合、基于自蔓延反應的Cu-Cu鍵合以及先進鍵合技術在Cu凸點互連中的應用等多個熱點研究內(nèi)容，并在實驗方法、工藝優(yōu)化、理論研究等多個方面進行了深入探討。
《集成電路先進封裝工藝——Cu-Cu鍵合技術》全面、深入地介紹了集成電路封裝中先進的Cu-Cu鍵合技術和新的研究進展，可供高年級本科生、研究生以及從事集成電路封裝與互連／鍵合工藝研究的技術人員參考和閱讀。
近年來，集成電路（integrated circuit，IC）的發(fā)展已被推向了國家科技發(fā)展的戰(zhàn)略層面。1958年，美國德州儀器公司成功開發(fā)出全球第一塊集成電路，標志著IC時代的開始。1965年，因特爾公司創(chuàng)始人之一Gordon E.Moore提出了著名的摩爾定律（Moore's law），指出集成電路上可容納的元器件的數(shù)目約每隔18～24個月便會增加一倍，性能也隨之提升一倍。此后，IC產(chǎn)業(yè)一直遵循摩爾定律所預測的發(fā)展規(guī)律，并延續(xù)至今。過去的幾十年里，半導體制造工藝得到了飛躍性的發(fā)展，集成電路芯片的特征尺寸不斷減小，復雜程度不斷增加，然而IC制造與封裝的進一步發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。
Cu-Cu鍵合是三維集成電路（3D-IC）后端封裝工藝中極為重要的環(huán)節(jié)。為了克服摩爾定律在半導體行業(yè)高速發(fā)展過程中所遇到的瓶頸，3D-IC對封裝工藝中的凸點密度、能量消耗、封裝性能等都提出了更高的要求�，F(xiàn)代IC封裝中，Cu凸點是每一片晶圓上大規(guī)模集成電路信號輸入與輸出的端口，因此堆疊芯片間的Cu凸點互連鍵合質量的好壞是IC芯片整體機械強度、信號傳輸質量、電導及熱導性能的關鍵所在�，F(xiàn)階段，在IC制造工業(yè)中，芯片間Cu-Cu互連鍵合都是基于Sn或者SnAgCu無鉛（SAC lead-free）焊料實現(xiàn)的。Cu-Cu鍵合中的Sn焊點（Sn帽）由電鍍及回流工藝獲得。Sn焊點形成后，再通過倒裝焊接工藝，實現(xiàn)芯片間低溫互連鍵合。Sn材料的成本低廉，工藝易控制，因此在半導體封裝行業(yè)的互連鍵合中得到了廣泛的應用。
然而，Sn作為互連材料在傳統(tǒng)Sn基鍵合工藝中存在諸多弊端與可靠性問題。例如，窄截距鍵合時Sn過度溢出，形成短路；服役過程中Sn須生長，形成搭橋短路；多場作用下形成克肯達爾孔洞（Kirkendall void），影響電路導通；在高功率器件中存在耐熱性不足的問題等。因此，針對以上問題，需開發(fā)更先進的互連鍵合工藝，引入更可靠的高性能互連材料，以實現(xiàn)封裝互連技術的突破。近年來，電子封裝行業(yè)的技術人員以及科研機構的研究人員在Cu-Cu鍵合新材料與新方法方面進行了大量探索，并獲得了一系列研究成果。其中Cu-Cu直接鍵合、基于Cu表面處理的Cu-Cu鍵合、基于Cu納米焊料的Cu-Cu鍵合、自蔓延反應放熱鍵合等先進鍵合技術都是國內(nèi)外的研究熱點。然而，這些研究成果大多以期刊論文、會議論文等形式發(fā)表，缺乏系統(tǒng)的歸納與總結。鑒于我國集成電路制造與封裝技術的快速發(fā)展形勢，及時規(guī)劃并撰寫一本先進封裝互連技術方面的專業(yè)著作十分必要。
本書圍繞集成電路封裝中的Cu-Cu鍵合技術進行闡述，共包括5章內(nèi)容。第1章是對集成電路中Cu-Cu鍵合技術的概述，主要介紹了Cu-Cu鍵合技術在微電子封裝領域發(fā)展中的重要地位、現(xiàn)階段所遇瓶頸以及近年來的相關研究現(xiàn)狀。第2章基于金屬納米材料呈現(xiàn)出的低熔點與高表面活性，提出了在鍵合表面進行納米結構活化處理，以降低Cu-Cu直接鍵合溫度的方法。該章主要介紹了鍵合表面Cu納米棒與Cu納米線兩種納米結構的制備與調控技術，并利用此納米結構的低溫燒結特性實現(xiàn)Cu-Cu熱壓鍵合。第3章提出了將金屬納米焊料作為互連中間介質的Cu-Cu鍵合方法。納米焊料中的金屬納米顆粒在尺度效應的影響下，可在較低的溫度實現(xiàn)燒結，從而在熱壓工藝下與兩側Cu基底產(chǎn)生互連，實現(xiàn)低溫Cu-Cu鍵合。第4章闡述了基于自蔓延反應放熱的Cu-Cu鍵合技術研究。該章結合Al／Ni多層薄膜在電引燃／熱引燃下的自蔓延反應放熱特征，將其作為鍵合中間介質的瞬時局部熱源，從而實現(xiàn)了超快速Cu-Cu鍵合。第5章針對三維高密度封裝的迫切需求，研究了硅通孔（through silicon via，TSV）的制備工藝與優(yōu)化方法、TSV無損高效鍍Cu技術以及高密度凸點間鍵合工藝，大幅提升了本書研究內(nèi)容的實際應用價值。
本書中大部分內(nèi)容是本人及研究團隊在973項目“20／14 nm集成電路晶圓級三維集成制造的基礎研究”子課題“多場作用下三維密排陣列微互連結構形成及性能調控”的資助下完成的。在本書撰寫過程中，作者李俊杰博士在書稿內(nèi)容審查、排版、校訂方面付出了大量努力，書中還包含了作者湯自榮教授、廖廣蘭教授以及許多課題組已畢業(yè)的博士、碩士（包括獨莉博士、范金虎博士、沈俊杰碩士、程朝亮碩士、余星碩士等）的研究工作。沒有課題組合作者的支持與共同努力，我們不可能完成相關的科學研究與書稿撰寫工作，在此對他們表示衷心的感謝！
由于Cu-Cu鍵合技術是集成電路產(chǎn)業(yè)中的一項關鍵技術，其發(fā)展速度快，涉及多學科交叉，加之作者水平和學識有限，在取材及撰寫方面難免存在不足，敬請廣大讀者批評指正。
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