一種高深寬比垂直玻璃通孔的刻蝕方法
2023-06-02 00:37:46
一種高深寬比垂直玻璃通孔的刻蝕方法
【專利摘要】本發明公開了一種高密度和深寬比垂直玻璃通孔的刻蝕方法，以及包含上述刻蝕方法在內的一種刻蝕石英玻璃的系統。通過在玻璃晶圓工件沉積一層適當厚度的掩膜，然後進行反應離子刻蝕在整個工件區域的掩膜上開出一組通孔，隨後沉積一層鈍化層，因為玻璃的刻蝕速率遠大於對掩膜的刻蝕速率，就能保證玻璃通孔的垂直度。刻蝕熔融石英玻璃的系統除包括反應腔，射頻激勵，氣體交換系統閥門，反應腔真空控制閥門之外，還包含一個加熱裝置。加熱裝置位於反應腔內，通過其內置的加熱部件和冷卻部件，以及一個可以打開或摺疊的小支架實現玻璃工件與加熱裝置的離合，使得玻璃工件可以在短時間內快速升溫和降溫。
【專利說明】一種高深寬比垂直玻璃通孔的刻蝕方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於微電子領域一種專門適用於製造或處理半導體器件的方法，涉及利用互連在器件中的分離元件間傳輸電流時使用的玻璃通孔的製造方法，具體涉及一種玻璃基板快速刻蝕高深寬比垂直通孔的方法。
【背景技術】
[0002]隨著三維封裝技術的發展，對封裝襯底材料的研究從傳統的有機材料、陶瓷材料發展到新興的矽材料以及玻璃材料。同時用戶對晶片在小尺寸、高性能、低耗電方面的要求不斷提高。在這種情況下，靠進一步縮小線寬來提高性能的方式受到材料物理特性和設備工藝的限制，二維互連線的電阻電容延遲逐漸成為限制半導體晶片性能提高的瓶頸。矽通孔(TSV)或玻璃通孔(TGV)技術通過在晶圓中形成金屬立柱，並配以金屬凸點，可以實現晶圓(晶片)之間或晶片與基板間直接的三維互連，這樣可以彌補傳統半導體晶片二維布線的局限性。這種互連方式與傳統的堆疊技術如弓I線鍵合技術相比具有三維方向堆疊密度大、封裝後外形尺寸小等優點，大大提高晶片的速度並降低功耗，因此矽通孔(TSV)、玻璃通孔(TGV)技術已逐漸成為三維封裝中一項關鍵技術。其中玻璃材料又因其良好的微加工性能，電學、熱機械性能以及低廉的價格備受青睞。不同於已經發展相對成熟的矽通孔製作工藝，目前在玻璃基板上在較短的時間內以很高的精度刻蝕出高深寬比，小尺寸通孔的方法對於業界有很強的吸引力。
[0003]關於上述方法，現有的文獻公開了兩種方案。一種是K.H.Chen等人在2009年的《真空科學與技術》的B27刊的42頁中提到的雷射打孔方法，其對工件的光學特性有精確地要求，一次雷射打孔只能處理一個大工件的非常小的一塊區域，而且一個孔需要幾個脈衝。這種方法刻蝕一個20微米直徑200微米深的孔需要上千次雷射脈衝，因此刻蝕一個200mm直徑的玻璃基片需要很長時間。而且通過這種方法形成的孔有很高的側壁傾斜角度。另一種方法是Khalid Hasan等人在《材料科學》期刊2013年48期5316頁的文章中提到一種特殊的玻璃，如F0RTURAN?或者APEX?，其採用特殊成分和添加物，以實現短波長情況下經過長時間的曝光獲得能量，進行熱處理，隨後進行溼法刻蝕。通過短波長光和熱處理後作為襯底進行刻蝕。這種方法在會造成側壁傾斜和表面損傷等問題，同時無法形成小尺寸和高深寬比的孔。
[0004]上述兩種方法都無法滿足大批量生產情況下對尺寸的精確控制和處理速度的要求。同時，因為受制於功率，採用雷射方式在玻璃基板上開鑿通孔時，只能在一個小區域內同時生成數量有限的通孔，通孔的密度不能太大。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種在玻璃基板上的一個較大的區域內高精度、高效率加工出高密度和深寬比的垂直通孔的方法。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案包括以下步驟: A.提供一個表面平整的玻璃晶圓工件，表面平整，主要成分為二氧化矽；
B.在上述玻璃晶圓工件上的至少一個表面上沉積一層掩膜，掩膜可以為金屬或半導體，且為適當的厚度；
C.在上述掩膜上整個工件區域內開出一組通孔；
D.對上述工件進行反應離子刻蝕，通過掩膜的通孔對玻璃進行刻蝕，玻璃的刻蝕速率遠大於對掩膜的刻蝕速率；
E.通過氣相沉積法在掩膜以及工件表面上沉積一層鈍化層，該鈍化層的主要成分為Al2O3 ；
F.在側壁鈍化層形成後，鈍化氣體換成反應氣體，重複步驟D和E，獲得高精度垂直通孔，直到通孔深度達到所要求的深度。
[0007]在上述刻蝕過程中，水平方向的鈍化層相比通孔壁上的鈍化層受到的反應離子衝擊更大，因此刻蝕速率也更快，而且隨著刻蝕的深度增加，離子在通孔壁上的掠射角度變小，導致通孔壁上的刻蝕速率進一步降低，因此適當厚度的掩膜能確保通孔的高垂直性和側壁的光滑度。與雷射方式開鑿通孔不同，本發明的刻蝕可以在整個晶圓工件區域內同時刻蝕出通孔的高密度陣列。
[0008]進一步，本發明還提供了一種運用上述方法中進行各向異性刻蝕熔融石英玻璃的系統，包括反應腔，射頻激勵裝置，氣體交換系統閥，反應腔真空控制閥以及控制模塊，氣體交換系統閥與反應腔相連，在控制模塊的控制下向反應腔輸入氣體，射頻激勵裝置設置在反應腔的外部，在通入射頻電流後在反應腔內部生成等離子體。反應腔內設置有玻璃晶圓工件加熱裝置。
[0009]上述加熱裝置包括玻璃晶圓工件，設置在玻璃工件的下方並與其緊貼的熱交換裝置，熱交換裝置下方是一個支撐裝置，支撐裝置的上端面為低輻射係數的反射面，其上設置有數個可摺疊的小支架，該小支架打開時熱交換裝置與反射面不接觸，小支架處於摺疊狀態時熱交換裝置與反射面直接接觸，支撐裝置的內部設置有內部設置有加熱和冷卻部件。
[0010]上述加熱和冷卻部件分別為用於加熱的感應線圈以及用於冷卻的液體，支撐裝置上還設有冷卻液體的入口和出口。
[0011]又進一步，上述熱交換裝置可以是一個矽圓盤，其電導率在0.001 S/m到1000 S/m範圍，可以被IOMHz到3GHz範圍的射頻加熱。
[0012]本熔融石英玻璃刻蝕系統通過控制反應氣體、反應腔內的壓力以及玻璃工件的溫度參數來控制刻蝕的速率。加熱裝置能使玻璃工件在短時間內快速升溫，需要降溫時，將小支架摺疊，使得熱交換裝置與其下方的低輻射係數的反射面直接接觸，實現快速降溫。
[0013]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為玻璃工件的加熱裝置的結構示意圖；
圖2為上述加熱裝置的支撐裝置的內部結構示意圖；
圖3為各向異性刻蝕熔融石英玻璃系統的原理示意圖；
圖4為在玻璃工件上刻蝕出垂直通孔的工藝過程示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合具體附圖對本發明作進一步說明，以下內容只是用於說明本發明的技術內容，不能被理解為對本發明實施範圍的限制。
[0015]如圖1所示，玻璃工件的加熱裝置包括待加熱的玻璃工件110，該工件110可以由Si02等材料組成。設置在玻璃工件110的下方並與其緊貼的是熱交換裝置120，其可以是一個小矽圓盤，其電導率在0.001 S/m到1000 S/m範圍，可以被IOMHz到3GHz範圍的射頻加熱，反射係數值屬於中等。當熱交換裝置120靠近工件110並且溫度高於工件110時，可以產生熱輻射從而為工件110加熱。熱交換裝置下方是一個支撐裝置150，支撐裝置的上端面為低輻射係數的反射面140，其上設置有數個可摺疊的小支架130，該小支架打開時熱交換裝置與反射面不接觸，小支架處於摺疊狀態時熱交換裝置與反射面直接接觸，支撐裝置的內部設置有用於加熱的感應線圈以及用於冷卻的液體，支撐裝置上還設有冷卻液體的入口 160和出口 170。支撐裝置150由具有高導熱係數性質的材料，如氧化鈹組成。
[0016]如圖2所示，所述支撐裝置150包含下表面220、上表面230以及側壁240，內部有感應線圈210。為實現降溫的目的，支撐裝置150還包含冷卻液體的流入口 160和流出口170。反射面140為低輻射係數，與支撐裝置150接觸，通過熱量相互交換使反射面140保持低溫，支撐裝置150和反射面140的溫度可以通過在支撐裝置150內流動的冷卻液體來控制。小支架130有低熱導率、可摺疊的特性，具體點講，有兩個用途:當其處於打開狀態時，熱交換裝置120與反射面140不接觸，可在升溫過程中減少熱交換裝置120與反射面140之間的熱交換；當其處於摺疊狀態時，低溫、低輻射表面140與熱交換裝置120相接觸，可使玻璃工件110快速冷卻。
[0017]圖3為各向異性刻蝕熔融石英玻璃系統的原理結果圖，包括反應腔470，射頻激勵裝置460，氣體交換系統閥410，420，430，反應腔真空控制閥440和450以及控制模塊480，氣體交換系統閥與反應腔相連，在控制模塊480的控制下向反應腔470輸入氣體，射頻激勵裝置設置460在反應腔的外部，在通入射頻電流後在反應腔內部生成等離子體。反應腔內設置有圖1和圖2所示的玻璃晶圓工件加熱裝置。一個典型的上述模塊之間相互配合的工作步驟如下:
1.關閉反應腔真空控制閥440;
2.打開真空控制閥450;
3.通過氣體交換系統閥420向反應腔470注入氣體，如氬；
4.通過氣體交換系統閥410引入反應氣體，如SF6，氣體引入的速率由控制模塊480控制；
5.控制模塊480控制經由系統閥420進入反應腔的稀釋氣體(如氬)的流速；
6.通過氣體交換系統閥430引入其他反應氣體，如02，氣體引入的速率由控制模塊480控制；
7.啟動加熱裝置490；
8.調節進入射頻激勵裝置設置460的電源，使得反應腔達到等離子態，並穩定下來；
9.按照預先設置的時間進行SF6等離子體的刻蝕，之後關閉系統閥410和430，在控制模塊480控制下，通過系統閥420排出反應腔內的反應氣體；
10.改變系統閥410和430的輸入氣體或使用另一組獨立的系統閥進行下面11至16部的操作；
11.通過氣體交換系統閥410引入前驅氣體，如三甲基鋁[A12(CH3)6]，氣體引入的速率由控制模塊480控制.前驅氣體可以配有載氣，如氬Ar;
12.通過氣體交換系統閥430引入氧化氣體，如一氧化二氮[N2O],引入的速率由控制模塊480控制；
13.控制模塊480控制稀釋氣體(如氬)的流速；
14.玻璃工件的溫度在來自於前驅氣體的三氧化二鋁的自燃沉積過程中維持很高的溫
度；
15.鈍化層三氧化二鋁的沉積因為等離子體的激勵和反應而得到加速；
16.完成規定時間的鈍化層沉積後，關閉系統閥410和430，在控制模塊480控制下，通過系統閥420排出反應腔內的反應氣體；
17.重複步驟3至16;
18.通孔的深度達到一定深度後，切斷感應線圈210的電源，摺疊小支架，以冷卻玻
璃工件；
19.切斷等離子體電源，關閉系統閥410、430和真空控制閥450，通過系統閥420使得反應腔470內的氬氣體的氣壓為一個大氣壓；
20.取出玻璃工件。
[0018]圖4為在Si02玻璃上通過各向異性刻蝕形成垂直側壁的工藝流程圖，詳細步驟如下:
A.提供一個平板狀的玻璃晶圓工件320，要求表面平整，主要成分為二氧化矽；
B.在上述玻璃晶圓工件上的至少一個表面上，如上表面，沉積一層掩膜310，掩膜可以為金屬或半導體，且為適當的厚度；
C.在上述掩膜上整個工件區域內開出一組通孔330;
D.對上述工件進行反應離子刻蝕，通過掩膜的通孔對玻璃進行刻蝕，玻璃的刻蝕速率遠大於對掩膜的刻蝕速率；
E.通過氣相沉積法在掩膜以及工件表面上沉積一層鈍化層340，該鈍化層的主要成分為 Al2O3 ；
F.在側壁鈍化層形成後，鈍化氣體換成反應氣體，重複步驟D和E，獲得高精度垂直通孔，並且直到達到所要求的深度。
[0019]以上所述僅是本發明的優選實施方式。應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干變型和改進，這些也應視為屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種高密度和深寬比垂直玻璃通孔的刻蝕方法，其特徵是包括以下步驟: A.提供一個平板狀的玻璃晶圓工件，表面平整，主要成分為二氧化矽； B.在上述玻璃晶圓工件上的至少一個表面上沉積一層掩膜； C.在上述掩膜上整個工件區域內開出一組通孔； D.對上述工件進行反應離子刻蝕，通過掩膜的通孔對玻璃進行刻蝕，玻璃的刻蝕速率遠大於對掩膜的刻蝕速率； E.通過氣相沉積法在掩膜以及工件表面上沉積一層鈍化層； F.在側壁鈍化層形成後，鈍化氣體換成反應氣體，重複步驟D和E，獲得高精度垂直通孔，直到通孔深度達到所要求的深度。
2.如權利要求1所述的刻蝕方法，其特徵是所述掩膜可以為金屬或半導體，且為適當的厚度。
3.如權利要求2所述的刻蝕方法，其特徵是所述掩膜沉積在工件整個表面上，沉積過程可以是在等離子輔助下在很高的溫度環境中完成的。
4.如權利要求1或2所述的刻蝕方法，其特徵是所述鈍化層的主要成分為A1A。
5.—種包含上述權利要求1所述刻蝕方法在內的刻蝕石英玻璃的系統，包括反應腔，射頻激勵裝置，氣體交換系統閥，反應腔真空控制閥以及控制模塊，其中氣體交換系統閥與反應腔相連，在控制模塊的控制下向反應腔輸入氣體，射頻激勵裝置設置在反應腔的外部，在通入射頻電流後在反應腔內部生成等離子體，其特徵是反應腔內設置有玻璃晶圓工件的加熱裝置。
6.如權利要求5所述的刻蝕石英玻璃的系統，其特徵是所述加熱裝置包括玻璃晶圓工件110，設置在玻璃工件的下方並與其緊貼的熱交換裝置120，熱交換裝置下方是一個支撐裝置150，支撐裝置的上端面為低輻射係數的反射面140，其上設置有數個可摺疊的小支架130，該小支架打開時熱交換裝置與反射面不接觸，小支架處於摺疊狀態時熱交換裝置與反射面直接接觸，支撐裝置的內部設置有加熱和冷卻部件。
7.如權利要求6所述的刻蝕石英玻璃的系統，其特徵是所述熱交換裝置120可以是一個矽圓盤，其電導率在0.001 S/m到1000 S/m範圍，可以被IOMHz到3GHz範圍的射頻加熱。
8.如權利要求6所述的刻蝕熔融石英玻璃的系統，其特徵是所述支撐裝置150包含下表面220和上表面230，下表面220和上表面230都與側壁240相連，所述加熱部件為感應線圈210，冷卻部件是冷卻液體，支撐裝置上設有冷卻液體的入口 160和出口 170。
【文檔編號】H01L21/768GK103700621SQ201310734714
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】丹尼爾·吉多蒂, 靖向萌, 張名川 申請人:華進半導體封裝先導技術研發中心有限公司