金屬導線結構的形成方法與流程

2023-06-30 02:40:01

本發明關於一種3d列印技術，且特別關於一種金屬導線結構的形成方法。

背景技術：

由於3d列印具有成本低、工藝簡單等優點，近年來3d列印廣泛受到設計及製造業的注目。其中，選擇性雷射燒結(selectivelasersintering,sls)技術是目前列印技術中極為可靠且高強度的製作方法，其原理為在散布的金屬粉末上，以高強度的雷射將金屬粉末燒結成型，使其具有良好的機械強度。

然而，由於選擇性雷射燒結技術所使用的基材金屬只具有導電的特性而缺乏介電的特性，使得此工藝在半導體產業的應用上受到限制。

技術實現要素：

本發明提供一種金屬導線結構的形成方法，包括：形成金屬粉末層於基底上；對金屬粉末層的第一部分進行第一雷射燒結，以形成金屬層；及在氧氣的存在下，對金屬粉末層的第二部分進行第二雷射燒結，以形成金屬氧化物層，金屬氧化物層作為第一介電層。

本發明提供一種金屬導線結構的形成方法，包括：提供封裝體於基底上；形成金屬粉末層於基底上；對金屬粉末層的第一部分進行第一雷射燒結，以形成第一金屬層；在氧氣的存在下，對金屬粉末層的第二部分進行第二雷射燒結，以形成金屬氧化物層，金屬氧化物層作為第一介電層；及在第一金屬層及第一介電層上，重複上述形成金屬粉末層、第一雷射燒結及第二雷射燒結的步驟，以形成多個第一金屬層及多個第一介電層，其中，多個第一金屬層及多個第一介電層作為第一導線結構。

綜合上述，本發明通過在氧氣的環境下對金屬粉末層進行雷射燒結，可形成金屬氧化物層以作為介電結構，因此，可通過連續的雷射燒結形成金屬層以及金屬氧化物 層，以進一步形成半導體所需的金屬導線結構。

本實施例通過選擇性雷射燒結技術可在封裝體各個表面的任意位置上燒結出金屬結構及/或介電結構，並可得到各種不同的電路圖案，進而完成晶片等級的封裝，更具有工藝簡單及成本低等優點。另外，由於雷射燒結所形成的金屬結構具有極強的結構特性，故可提高封裝的穩定性；且通過雷射燒結所形成的金屬氧化物結構，其導熱效果較一般塑膠或高分子物質更佳，故可改善元件過熱的問題。

附圖說明

圖1是本發明實施例的金屬導線結構的形成方法的流程圖。

圖2a～圖2e是本發明第一實施例的金屬導線結構的形成方法的示意圖。

圖3a～圖3c是本發明第二實施例的金屬導線結構的形成方法的示意圖。

圖4a～圖4c是本發明第三實施例的金屬導線結構的形成方法的示意圖。

附圖標號：

100方法

102～112步驟

200、300、400金屬導線結構

210基底

220金屬粉末層

230、250雷射光源

240金屬層

260金屬氧化物層

320、334、354、434、454介電結構

330、350、430、450導線結構

332、352、432、452金屬結構

410載體

420封裝體

具體實施方式

為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施 例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1是本揭露實施例的金屬導線結構的形成方法100的流程圖。圖2a～圖2e是本發明第一實施例的金屬導線結構200的形成方法的示意圖。

請同時參照圖1及圖2a。首先，在一腔體(未繪示)中提供基底210(步驟102)。在一些實施例中，基底210可為半導體晶圓、裸晶、封裝體、封裝基底或電路板(pcb)。在一些實施例中，基底210可包括元素半導體材料、化合物半導體材料及/或合金半導體材料。元素半導體材料的實例可為單晶矽、多晶矽、非晶矽、鍺及/或鑽石；化合物半導體材料的實例可為碳化矽、砷化鎵、磷化銦、砷化銦及/或銻化銦；及合金半導體材料的實例可為矽化鍺、碳化鍺矽、磷化砷鎵及/或磷化銦鎵。在一些實施例中，基底210可包括各種硬質支撐基材，例如金屬、玻璃、陶瓷、高分子材料或上述的組合。在一些實施例中，腔體是控制在低真空的狀態，例如，腔體氣壓為約10-3mbar～10-5mbar。

請同時參照圖1及圖2b。接著，於基底210上形成金屬粉末層220(步驟104)。在一些實施例中，金屬粉末層的材料可為cu、al、cr、mo、ti、fe、不鏽鋼、鈷鉻合金、鍛鋼、ti-6al-4v合金或其他金屬材料。在一些實施例中，金屬粉末層的厚度為約1um～500um，例如，金屬粉末可為250um。若金屬粉末層的厚度太厚(大於500um)，可能造成燒結不完全；若金屬粉末層的厚度太薄(小於1um)，則燒結時可能破壞基底。

請同時參照圖1及圖2c。然後，對金屬粉末層220的第一部份周邊提供高濃度的惰性氣體g(例如氮氣、氬氣)，並通過移動雷射光源230對金屬粉末220的第一部分進行雷射燒結，以形成金屬層240(步驟106)。其中，第一部份的形狀可根據設計需求而形成不同形狀的金屬層240。在一些實施例中，也可直接在腔體中提供超過腔體內氣體的比例至少約90％的惰性氣體g(例如氮氣、氬氣)在一些實施例中，雷射光源230可為yb光纖雷射、co2紅外線雷射或電子束，且雷射光源230的強度為約50w～5000w，例如，使用yb光纖雷射的強度可為400w。若雷射光源230的強度太強(大於5000w)，可能會破壞基底；若雷射光源230的強度太弱(小於50w)，則可能造成燒結不完全。

請同時參照圖1及圖2d。接著，對金屬粉末層220的第二部分的周邊提供高濃度的氧氣，並通過移動雷射光源230對金屬粉末220的第二部分進行雷射燒結，以形 成金屬氧化物層260(步驟108)。在一些實施例中，第二部分為金屬層240的周邊，以將金屬層240與其他元件電性隔離。在一些實施例中，也可直接在腔體中提供超過腔體內氣體的比例至少約90％的氧氣。在一些實施例中，雷射光源250可為yb光纖雷射、co2紅外線雷射或電子束，且雷射光源250的強度為約50w～5000w，例如，使用yb光纖雷射的強度可為400w。在一些實施例中，金屬氧化物層260的介電常數εr為約3～200。

請同時參照圖1及圖2e。接著，在金屬層240及金屬氧化物層260上，重複圖2b～圖2d中形成金屬粉末層220、第一雷射燒結及第二雷射燒結的步驟，一層完成後再進行下一層燒結，以形成多個金屬層240及多個金屬氧化物層260的多層金屬導線結構200。在一些實施例中，多個金屬層240之間以電性互相連接。並且，各金屬層240的形狀並不限於直線或塊狀圖案，而可視設計需求各自具有不同的圖案。另外，值得注意的是，由於金屬層240及金屬氧化物層260皆從金屬粉末層220燒結而來，因此兩者具有相同的金屬元素。

最後，於進行第一雷射燒結及第二雷射燒結之後，移除未被燒結的金屬粉末層220(步驟112)。例如，在一些實施例中，可通過壓縮空氣以除去殘留的金屬粉末。值得注意的是，可在重複完成所有第一及第二雷射燒結步驟之後，移除所有未被燒結的金屬粉末層220；亦可在每次進行第一及第二雷射燒結之後，逐次移除未被燒結的金屬粉末層220。

雖然上述方法是先進行無氧的第一雷射燒結，再進行有氧的第二雷射燒結，但應當理解的是，第一雷射燒結亦可進行於第二雷射燒結之後。另外，在本發明的實施例中，在第一雷射燒結及第二雷射燒結重複交替進行時，可通過僅於燒結處周邊提供高濃度的氣體，而無須替換整體環境的氣體來進行雷射燒結；例如，於第一雷射燒結處周邊提供高濃度的惰性氣體g(例如氮氣、氬氣)及於第二雷射燒結處濃度提供高比例的氧氣。因此，可大幅減少形成本發明金屬導線結構所需的時間。

根據上述，本發明形成的金屬導線結構包括：由多個金屬層240連接而形成的金屬結構，以及由多個金屬氧化物層260堆疊而成的介電結構。其中，由於本發明是通過於一腔體內連續對金屬粉末進行有氧及無氧的雷射燒結，因此可大幅降低傳統需多道沉積、光刻、沉積工藝方可形成的金屬導線結構的成本及時間。另外，通過於對金屬粉末進行雷射燒結的同時，提供高濃度的氧氣，可形成金屬氧化物層，進而克服傳 統選擇性雷射燒結技術中無法形成介電材料的問題，進而將此技術應用至半導體或其它產業中。

此外，值得注意的是，傳統金屬導線結構的垂直部分，須通過先在介電層中形成插塞通孔，並填入金屬來形成。因此，其可形成的高度會受到深寬比及金屬填洞能力的限制。然而，由於本發明是逐層的形成金屬導線結構，其垂直的部分不會受到上述因素的影響，可以需求而形成想要的高度。

雖然上述所發明的方法是用一系列的步驟來進行說明，但應當理解的是，上述步驟的說明順序並非以限制的意義進行解釋。例如，一些步驟可以不同的順序發生及/或與這些說明以外的其它步驟同時進行。例如，第一雷射燒結可進行於第二雷射燒結之前，也可進行於第二雷射燒結之後；例如，移除未被燒結的金屬粉末層可進行於第一及第二雷射燒結重複完成之後，亦可進行於第一及第二雷射燒結逐次完成之後。此外，並非所有描述的步驟都需要在一或多方面的實施例進行，且可以一或多個分開的步驟及/或階段進行一或多個描述於此的步驟。

圖3a～圖3c是本發明第二實施例的金屬導線結構300的形成方法的示意圖。本實施例主要利用燒結以外的沉積方式，額外設置一介電結構作為導線結構的支撐物件，以減少重複燒結的步驟並簡化工藝。

請參照圖3a，於基底210上方形成介電結構320。基底210的材料與上述相同，在此不再詳述。在一些實施例中，介電結構320的材料可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或上述的組合。在一些實施例中，可使用化學氣相沉積(cvd)工藝、原子層沉積(ald)工藝、物理氣相沉積(pvd)工藝、或其他可適用的工藝或其組合來沉積介電結構320。

請參照圖3b，利用圖1所揭露的方法100沿介電結構320的一側面形成具有金屬結構332及介電結構334的導線結構330。在一些實施例中，金屬結構332的材料可為cu、al、cr、mo、ti、fe、不鏽鋼、鈷鉻合金、鍛鋼、ti-6al-4v合金或其他金屬材料。在一些實施例中，介電結構334的材料為金屬結構332的材料的氧化物(即，金屬結構332與介電結構334具有相同的金屬元素)。其中，金屬結構332的各金屬層可視需求具有各種不同的電路圖案。

請參照圖3c，在一些實施例中，可繼續於介電結構320及導線結構330之上形成具有金屬結構352及介電結構354的導線結構350。其中，金屬結構352可視需求 具有各種不同的電路圖案，並電性連接至金屬結構332。至此，完成本實施例的金屬導線結構。

在本實施例中，金屬導線結構是由介電結構320、導線結構330以及導線結構350所構成，且介電結構320是作為導線結構350的支撐元件。通過另行形成介電結構320，可使得形成金屬導線結構時，能夠不需燒結大量的介電結構334就能支撐導線結構350，降低所需的時間及成本。另外，在一些實施例中，亦可先形成導線結構330之後，再形成介電結構320。

在一般的封裝工藝中，於封裝體的不同表面製作各種電路圖案時，通常需要利用多個不同的掩膜，造成工藝複雜及花費成本高等問題。本發明的第三實施例提供一種金屬導線結構的形成方法，可應用於製造封裝體表面的電路圖案，並具有工藝簡單及成本低等優點。

圖4a～圖4c是本發明第三實施例的金屬導線結構400的形成方法的示意圖。本實施例將前述金屬導線結構的形成方法100應用於各種封裝體420中，且前述的基底在此處即為各種封裝載體。

請參照圖4a，在載體410上方設置封裝體420。在一些實施例中，載體410的材料可為各種硬質支撐基材，例如金屬、玻璃、陶瓷、高分子材料或上述的組合。在一些實施例中，封裝體420可為發光二極體(led)封裝體、太陽能封裝體、微機電(mem)封裝體或其它半導體封裝體。

請參照圖4b，利用圖1所揭露的方法100沿封裝體420的一側面形成具有金屬結構432及介電結構434的導線結構430。在一些實施例中，金屬結構432的材料可為cu、al、cr、mo、ti、fe、不鏽鋼、鈷鉻合金、鍛鋼、ti-6al-4v合金或其他金屬材料。在一些實施例中，介電結構434的材料為金屬結構432的材料的氧化物(即，金屬結構432與介電結構434具有相同的金屬元素)。其中，金屬結構432的各金屬層可視需求具有各種不同的電路圖案。

請參照圖4c，在一些實施例中，可於封裝體420及導線結構430之上形成具有金屬結構452及介電結構454的導線結構450。其中，金屬結構452可視設計需求具有各種不同的電路圖案，並電性連接至金屬結構432。

在先前技術中，必須使用多個掩膜才能在封裝體各個表面製作電路圖案而造成工藝複雜且成本高等問題；相較之下，本實施例通過選擇性雷射燒結技術可在封裝體各 個表面的任意位置上燒結出金屬結構及/或介電結構，並可得到各種不同的電路圖案，進而完成晶片等級的封裝，更具有工藝簡單及成本低等優點。另外，由於雷射燒結所形成的金屬結構具有極強的結構特性，故可提高封裝的穩定性；且通過雷射燒結所形成的金屬氧化物結構，其導熱效果較一般塑膠或高分子物質更佳，故可改善元件過熱的問題。

前述內文概述了許多實施例的特徵，使本技術領域中相關技術人員可以更佳的了解本發明的各個方面。本技術領域中相關技術人員應該可理解，他們可以很容易的以本發明為基礎來設計或修飾其它工藝及結構，並以此達到相同的目的及/或達到與本發明介紹的實施例相同的優點。本技術領域中相關技術人員也應該了解這些相等的結構並不會背離本發明的發明精神與範圍。本發明可以作各種改變、置換、修改而不會背離本發明的發明精神與範圍。