專利名稱：高密度納米結(jié)構(gòu)互連的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及熱和電互連，尤其涉及納米結(jié)構(gòu)的熱和電互連。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，將電子部件電連接或者熱連接到例如導(dǎo)體或者半導(dǎo)體襯底上的方法是公知的。例如，使用熱壓方法和焊料焊接方法來例如在光電器件和/或微電機(jī)(MEMS)器件中的部件之間建立連接。
圖1圖示了一種用作說明的方法，用于形成熱壓結(jié)合，以用作熱或者電互連。具體地，在該圖中，部件101具有一個(gè)材料層102，該材料層一般是適合壓力接合的金。為了將部件101與用作說明的襯底105接合起來，將部件101上的層102例如在方向104上下降，使之與襯底105上的材料層103(作為說明，同樣是金)接觸。施加足夠高的溫度(例如300攝氏度)和壓強(qiáng)(例如10千克力每平方毫米金面積)，使得金層變形和接合起來。但是，盡管在許多方面這種金-金熱壓接合是有用的，但是建立這種接合所需的溫度和壓強(qiáng)可能損壞敏感的電子元件比如晶體管。隨著在例如MEMS器件中部件變得越來越小，相對(duì)來說較高的溫度和壓強(qiáng)更容易對(duì)越來越脆弱的部件造成損壞。
圖2圖示了另一種說明性的熱或者電連接兩個(gè)電子部件的現(xiàn)有方法。具體地，在該圖中，襯底200例如是電子芯片比如MEMS封裝中的微處理器的表面。使用公知的方法在芯片上建立焊料塊201。為了在芯片和襯底比如印刷線路板之間建立電或者熱連接，使所述焊料塊與連接點(diǎn)接觸，然后加熱，使它們重熔。這樣就使焊料塊與作為舉例的印刷線路板上的連接點(diǎn)接觸。這樣的焊料塊方法是公知的，在形成電和熱連接方面很有優(yōu)勢(shì)。但是，同樣的，使焊料重熔所需的溫度可能會(huì)損壞MEMS封裝中的MEMS部件。另外，某些設(shè)計(jì)上的考慮限制了焊料塊的使用。具體地，這樣的焊料部必需大于特定的尺寸，一般要大于20-50微米的直徑，以實(shí)現(xiàn)所需的焊料塊高度。另外，由于不希望在焊料重熔時(shí)使焊料塊相互接觸，焊料塊一般必需分開一個(gè)最小距離，例如相鄰焊料塊的中心相距50微米。
最后，另一種將兩個(gè)部件接合起來的現(xiàn)有技術(shù)方法是使用導(dǎo)熱和/或?qū)щ娬澈蟿５?，這樣的粘合劑一般在硬化時(shí)要經(jīng)過除氣作用，這會(huì)在關(guān)鍵的電子部件上引入破壞性的有機(jī)物質(zhì)，這會(huì)干擾小部件的正常性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人發(fā)明了一種進(jìn)行電子部件的熱和/或電連接的設(shè)備和方法，基本上解決了與連接有關(guān)的上述問題。具體地，建立一種導(dǎo)電和/或?qū)峄ミB，其中，第一和第二表面通過設(shè)置在所述第一表面和所述第二表面中的至少一個(gè)上的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)相互接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)的第一組區(qū)域被設(shè)置在電子封裝(例如微處理器)中的一個(gè)部件上。然后使該第一組區(qū)域與襯底上的納米結(jié)構(gòu)的相對(duì)應(yīng)的第二組區(qū)域接觸。當(dāng)接觸時(shí)，所述第一組區(qū)域中的納米結(jié)構(gòu)與所述第二組中的納米結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)，從而形成強(qiáng)的摩擦接合。當(dāng)?shù)谝缓偷诙M中的納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱時(shí)，就形成了熱互連。當(dāng)?shù)谝缓偷诙M中的納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電時(shí)，就形成了電互連。
在另一個(gè)說明性的實(shí)施例中，在一個(gè)部件比如微處理器上設(shè)置多個(gè)納米結(jié)構(gòu)，然后使之與襯底接觸。分子間力在納米結(jié)構(gòu)的分子和襯底的分子之間產(chǎn)生吸引力，從而在納米結(jié)構(gòu)和襯底之間建立連接。在另一個(gè)說明性的實(shí)施例中，在部件和襯底之間設(shè)置一個(gè)具有兩個(gè)納米結(jié)構(gòu)表面的中間層。所述部件和襯底分別與所述納米結(jié)構(gòu)表面之一接觸，從而由部件和中間層以及襯底和中間層之間的分子間力形成接合。這樣，無需現(xiàn)有的互連方法所需的溫度和力，就形成了強(qiáng)的導(dǎo)熱和/或?qū)щ娀ミB，這對(duì)電子封裝中的應(yīng)用是有用的。


圖1圖示了形成熱壓接合的現(xiàn)有技術(shù)方法；圖2圖示了具有多個(gè)焊料塊的現(xiàn)有技術(shù)的電子部件；圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的原理的用于說明的目的的納米結(jié)構(gòu)表面；圖4A和4B圖示了一個(gè)說明性的實(shí)施例，用以說明根據(jù)本發(fā)明的原理，如何使用諸如圖3所示的說明性的表面來建立壓力接合；圖5圖示了如何能夠在兩個(gè)部件之間形成多個(gè)互連，比如圖4B所示的互連；圖6A和6B圖示了一個(gè)說明性的實(shí)施例，用以說明如何使用分子間力來形成接合，以將圖3的表面接合到襯底上；圖7圖示了使用分子間力形成的接合的另一個(gè)說明性的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的原理的舉例的表面300，其中在襯底305，比如硅襯底上制造了多個(gè)納米結(jié)構(gòu)301，在這里是納米柱。制成了比如如圖3所示的圓柱形納米柱陣列，每一個(gè)納米柱的直徑小于10nm。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解，使用各種不同的方法，可以制造出納米柱的許多不同的布置(例如尺寸、節(jié)距和高度)，這樣的各種不同的直徑的納米柱可以形成不同程度的規(guī)則性。在美國(guó)專利6185961(題為″Nanopost arrays and process for making same″，授權(quán)日2001年2月13日，Tonucci等)中公開了制造納米柱的舉例的方法，該文獻(xiàn)再次整體引為參考?？梢允褂酶鞣N方法，比如使用模板形成柱，通過各種光刻手段，通過各種蝕刻方法，來制造納米柱。
按照一般的定義，“納米結(jié)構(gòu)”是這樣定義的結(jié)構(gòu)至少一個(gè)維度小于1微米；“微米結(jié)構(gòu)”是這樣定義的結(jié)構(gòu)至少一個(gè)維度小于1毫米。但是，雖然這里所公開的實(shí)施例提到的是納米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)表面，但是，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，很清楚，發(fā)明人想要表達(dá)的是，在許多情況下，可以替換成微米結(jié)構(gòu)。因此，發(fā)明人在這里將納米結(jié)構(gòu)定義為既包括至少一個(gè)維度小于1微米的結(jié)構(gòu)，又包括至少一個(gè)維度小于1毫米的結(jié)構(gòu)。術(shù)語“結(jié)構(gòu)圖案”指的是微米結(jié)構(gòu)的圖案或者納米結(jié)構(gòu)的圖案。
圖3的納米柱301例如是聚合物材料柱，涂有薄層的金或者其它適合用作電和/或熱導(dǎo)體的材料。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員完全能夠理解，可以選用許多合適的材料來使納米柱具有所需的導(dǎo)電和/或?qū)嵝浴＿@里，納米柱301例如具有200nm的直徑和例如2微米的高度303。納米柱301例如被設(shè)置在這樣的一個(gè)區(qū)域中該區(qū)域的橫截面寬度304(例如是圓的直徑或者方形區(qū)的邊長(zhǎng))為10微米。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還會(huì)認(rèn)識(shí)到，考慮到本說明書所提供的信息，可以有許多適當(dāng)?shù)牟贾梅桨妇哂型鹊膬?yōu)點(diǎn)。
圖4圖示了使用圖3的納米結(jié)構(gòu)建立的電或者熱互連的說明性的的實(shí)施例。具體地，見圖4A，表面401(例如是微處理器芯片的表面)上的納米柱402在方向403上移動(dòng)，使得它們與表面405上的納米柱404接觸。從圖4B可以看到，當(dāng)表面401上的納米柱402接觸納米柱404時(shí)，兩個(gè)表面上的納米柱會(huì)相互交錯(cuò)。如果納米柱之間的間隔距離比如圖3中的間隔距離302選得合適，則表面401上的所有的或者相當(dāng)大數(shù)量的納米柱402會(huì)接觸表面405上的一個(gè)或者多個(gè)納米柱404。因此，由于納米柱402和404是導(dǎo)熱和/或?qū)щ姷模恍枰谑覝鼗蛘呓咏覝赝ㄟ^施加最小程度的壓力使得所述兩個(gè)納米結(jié)構(gòu)區(qū)域相互接觸，就能建立熱或者電互連。這樣，例如，在電連接的情況下，信號(hào)能夠通過所述互連從表面405上的電路傳遞到表面401上的電路。類似地，如果每一個(gè)表面的納米柱是用合適的導(dǎo)熱材料制造的或者涂覆了合適的導(dǎo)熱材料(例如金鍍層)，則熱能能夠通過該互連傳遞。這樣，例如，熱能夠通過表面401和405的納米柱之間的互連而耗散。由于上述接觸而導(dǎo)致的粘附力比較高，這是因?yàn)閮蓚€(gè)表面上的納米結(jié)構(gòu)的大表面積相互接觸。這樣的高粘附力產(chǎn)生的原因有二納米柱之間產(chǎn)生的摩擦力，以及每一個(gè)表面的納米柱的分子之間的分子間力(分子間作用力)，比如公知的范德華力。這樣，就形成了適合用于在電子封裝中連接電子部件的粘附互連。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，這里所描述的互連可以類似于圖2所示的焊料塊的布置那樣被設(shè)置在部件或者襯底的表面上。具體地，可以在部件比如微處理器的表面上設(shè)置小面積的納米柱，以建立差不多象焊料塊電連接那樣的電連接。如圖5所示，可以在部件501(同樣，例如可以是微處理器)的表面上可以設(shè)置多個(gè)區(qū)域的納米柱502，它們可以與表面504(例如是印刷線路板的表面)上的多個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)域的納米柱503相接觸，以形成微處理器501的運(yùn)行所需的電互連。同樣，所述互連產(chǎn)生強(qiáng)大的連接力，這是由于部件501和表面504上的納米柱之間的摩擦力和/或分子間作用力。
盡管類似于現(xiàn)有技術(shù)中的焊料塊互連的功能，但是圖4B和圖5所示的舉例的互連更有優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的焊料塊連接相比，可以制造成更小的尺寸。例如，如上所述，一個(gè)納米柱區(qū)的橫截面寬度可以是例如10微米，可以由例如5微米的間距分開。這樣，對(duì)于例如微處理器的給定表面積，與焊料塊互連相比，可以實(shí)現(xiàn)大得多的密度的納米結(jié)構(gòu)。這樣，例如，使用根據(jù)本發(fā)明的原理的納米結(jié)構(gòu)互連，可以有利地制造要求更小的印刷線路板空間的更小的部件。
圖6A和6B圖示了使用類似于圖3所示的納米結(jié)構(gòu)表面的納米結(jié)構(gòu)表面可以實(shí)現(xiàn)的熱或者電連接的又一個(gè)用途舉例。如前所述，在電子部件比如芯片或者襯底之間形成導(dǎo)電或者導(dǎo)熱連接的典型的現(xiàn)有技術(shù)方法要求進(jìn)行焊接或者使用能夠傳導(dǎo)的粘合劑，如上所述，在小型器件比如MEMS器件中，焊接或者粘合劑是不利的。因此，見圖6A，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)明了一種在部件601(同樣，例如是微處理器)和表面603(例如是導(dǎo)熱金屬箔比如鋁箔的表面)之間建立熱或者電連接的方法。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接，對(duì)納米柱602和襯底603都要使用合適的導(dǎo)電材料。
在此說明性的例子當(dāng)中，為了形成導(dǎo)熱互連，在圖6A和6B的說明性的實(shí)施例中，納米柱602是用聚酰亞胺材料制造的，比如苯均四酸二酐氧二苯胺(pyromellitic dianhydride-oxydianiline)聚酰亞胺材料。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)本發(fā)明的原理，可以使用許多其它公知的聚酰亞胺材料來實(shí)現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)的納米柱。在A.K.Geim等人的″Microfabricated Adhesive Mimicking GeckoFoot-Hair，″Nature Materials，Volume 2，July 2003，p.461-463中總體上描述了適合根據(jù)本發(fā)明的原理使用的制造和使用納米結(jié)構(gòu)或者微米結(jié)構(gòu)表面的方法。該文章在此全文引為參考。如該文章所述，當(dāng)納米結(jié)構(gòu)表面比如圖6A中具有納米結(jié)構(gòu)602的表面601與合適的襯底比如圖解的導(dǎo)熱表面603接觸時(shí)，就可以在所述納米結(jié)構(gòu)和襯底之間實(shí)現(xiàn)相對(duì)較強(qiáng)的連接。如圖6B所示的這種連接是由納米結(jié)構(gòu)602的分子和圖解的襯底603的分支之間的毛細(xì)作用和分子間吸引力產(chǎn)生的。具體地，這樣的連接是這樣產(chǎn)生的選擇合適的納米結(jié)構(gòu)直徑、密度和間距，以產(chǎn)生所需的、由于納米結(jié)構(gòu)601對(duì)襯底的分子吸引力的集合而產(chǎn)生的吸引力。用這種方法產(chǎn)生的連接例如能夠產(chǎn)生例如3N每平方厘米納米結(jié)構(gòu)面積的吸引力。在現(xiàn)有技術(shù)中，分子間吸引力是公知的，在下述文章中有總體的描述″Intermolecular Bonding-VanDer Waals Forces″，在2004年3月25日或此之前公開于下述因特網(wǎng)址上http//www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html，該文獻(xiàn)在此全文引為參考。
再看圖6B，使用舉例的厚度在大約25和50微米之間的撓性箔襯底603，以允許納米結(jié)構(gòu)適應(yīng)襯底的不均一性質(zhì)，這樣，如Geim的文章所述，增強(qiáng)了納米結(jié)構(gòu)和襯底之間的吸引力。這樣，通過對(duì)圖6B中的納米柱602和襯底605使用合適的導(dǎo)熱或者導(dǎo)電材料，可以建立相對(duì)較強(qiáng)的互連。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以不在圖6A和6B中的部件上直接設(shè)置納米結(jié)構(gòu)，而是可以采用其它的布置方案。例如，如圖7所示，可以在部件701和襯底703之間設(shè)置一個(gè)納米結(jié)構(gòu)的中間層702。在這樣的布置方案中，可以在中間層702的兩個(gè)側(cè)面上制造納米結(jié)構(gòu)，然后可以使之同時(shí)與部件701和襯底703接觸，使得分子間作用力將部件和襯底接合到所述納米結(jié)構(gòu)上。這里所公開的實(shí)施例的教導(dǎo)內(nèi)容意圖覆蓋使用納米結(jié)構(gòu)建立熱或者電連接的所有方法。
上面只是舉例說明了本發(fā)明的原理。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解，可以設(shè)計(jì)出各種各樣的布置方案，這些方案盡管沒有在此明確地圖示或者描述，但是體現(xiàn)了本發(fā)明的原理，因此仍在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)。例如，考慮到這里對(duì)各種實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的原理可以用于范圍廣泛的各種不同的領(lǐng)域和應(yīng)用。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)出本發(fā)明的內(nèi)在原理的許多類似的應(yīng)用，它們都應(yīng)被包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，盡管在這里的實(shí)施例中說明性地圖示了摩擦力和分子間吸引力，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，在建立和維持納米結(jié)構(gòu)和表面之間的互連方面(無論這些表面是否具有納米結(jié)構(gòu))，可以使用許多不同的吸引力，比如電磁力、離子力和/或量子力。
這里所記載的所有的例子和條件式語言只是用于教學(xué)的目的，以幫助讀者理解本發(fā)明的原理。因此，這里的說明不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制于這里所具體描述的例子和條件。相反，這里有關(guān)本發(fā)明的各個(gè)方面和實(shí)施例的陳述，以及其具體例子，都應(yīng)包括功能上的等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于電學(xué)部件的互連，包括第一表面；第二表面；設(shè)置在所述第一表面和所述第二表面的至少一個(gè)上的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)；以及連接所述第一表面和第二表面的裝置，使得所述納米結(jié)構(gòu)形成所述第一表面和所述第二表面之間的至少一個(gè)第一傳導(dǎo)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的互連，其中，所述傳導(dǎo)連接包括熱連接。
3.如權(quán)利要求1所述的互連，其中，所述傳導(dǎo)連接包括電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的互連，其中，所述多個(gè)納米結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在所述第一表面的至少一個(gè)第一區(qū)域上的第一組納米結(jié)構(gòu)；設(shè)置在所述第二表面的至少一個(gè)第一區(qū)域中的第二組納米結(jié)構(gòu)；其中，所述第一組納米結(jié)構(gòu)和所述第二組納米結(jié)構(gòu)適合從所述第一組納米結(jié)構(gòu)向所述第二組納米結(jié)構(gòu)傳遞熱能或者電能。
5.如權(quán)利要求1所述的互連，其中，所述第一表面包括多個(gè)納米結(jié)構(gòu)，這些納米結(jié)構(gòu)適合借由所述第二表面和所述多個(gè)納米結(jié)構(gòu)中的至少一部分所述納米結(jié)構(gòu)的分子之間的吸引力粘附所述第二表面。
6.如權(quán)利要求5所述的互連，其中，所述吸引力包括分子間吸引力。
7.如權(quán)利要求6所述的互連，其中，所述分子間力包括范德華力。
8.一種跨越互連傳遞熱能或者電能的方法，該方法包括使第一組傳導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)與第二組傳導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)接觸；其中，至少所述第一組中的一部分所述納米結(jié)構(gòu)和所述第二組中的一部分所述納米結(jié)構(gòu)包括傳導(dǎo)材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述傳導(dǎo)材料是導(dǎo)熱材料。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述傳導(dǎo)材料是導(dǎo)電材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及高密度納米結(jié)構(gòu)互連。具體地，公開了用于形成導(dǎo)電和/或?qū)峄ミB的方法和設(shè)備，其中，使第一表面和第二表面通過設(shè)置在所述表面中的至少一個(gè)上的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)相互接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)的第一組區(qū)域被設(shè)置在電子封裝的部件例如微處理器上。然后使所述第一組區(qū)域與襯底上的納米結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)的第二組區(qū)域接觸，從而產(chǎn)生強(qiáng)的摩擦接合。在另一個(gè)說明性的實(shí)施例中，在部件比如微處理器上設(shè)置多個(gè)納米結(jié)構(gòu)，然后使納米結(jié)構(gòu)與襯底接觸。納米結(jié)構(gòu)的分子和襯底的分子之間的吸引力產(chǎn)生分子間作用力，從而在納米結(jié)構(gòu)和襯底之間形成接合。
文檔編號(hào)H01L23/49GK1775656SQ20051006285
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月1日
發(fā)明者納戈什·R.·巴薩萬哈利, 雷蒙德·A.·司瑞利, 奧瑪·D.·絡(luò)皮茲 申請(qǐng)人:朗迅科技公司