通過將多孔矽轉變成多孔金屬或陶瓷來製作微結構的方法

2023-12-03 18:03:41

專利名稱：通過將多孔矽轉變成多孔金屬或陶瓷來製作微結構的方法
通過將多孔矽轉變成多孔金屬或陶瓷來製作微結構的方法技術領域
根據本發明實施例的解決方案涉及微結構。
技術背景
微結構(導電的或絕緣的)通常被用於許多應用中。典型實例是用於封裝半導體 材料的晶片(其中形成集成電路)的電路化(circuitized)襯底；通常，該襯底由用於支撐 導電連接元件的絕緣底部(base)製成。例如，在球柵陣列(BGA)類型的電子裝置中，晶片被 安裝在襯底的上表面上。然後將晶片的端子接合到相應的接觸件(contact)(諸如焊盤)， 其被設置在襯底的相同的上表面上(諸如用倒裝晶片技術)。通過穿過襯底的導通孔(或 簡稱為通孔(via))，從而將其上表面上的焊盤與設置在襯底的下表面上的相應的導電球連 接。然後將如此獲得的結構封閉在(例如，塑料材料的)保護層內，其僅僅讓球在襯底的下 表面上露出(實現電子裝置的外部端子)。
關於此點，問題是由於用於晶片的端子的接觸件的越來越高密度的需求而導致 的；實際上，集成電路的增長的複雜度要求晶片中龐大數量的端子(特別是用於多處理器 組件)，它們的間距相應地減少。然而，即使非常複雜的製造工藝(諸如基於微通孔技術的 製造工藝，也稱為連續構建Sequential Build-Up, SBU)或高密度互連(HDI))也不能獲得 具有小於50-80 μ m的直徑的通孔。
晶片的增大的端子密度也增加了對於耗散由晶片產生的熱量的大的問題；這可能 是非常關鍵的，特別是在晶片發熱集中的特定區域(熱點)處。
已知襯底的另一個問題是要求在晶片的端子和電子裝置的端子之間通過相應通 孔的連接的非常低電阻。例如，在複雜的晶片上系統(SOC)中，例如對於其中其幾乎所有的 功能都在少量晶片中實現的行動電話，每個連接的電阻不應該超過70-80Π1Ω。
另一方面，在一些應用中(例如，在電子裝置工作在高頻率下時)要求襯底的絕緣 底部的低介電常數，以便減少連接件的耦合雜散電容。此外，在功率應用中，也要求絕緣底 部應該表現出高擊穿電壓。
另一個問題涉及電子裝置的可靠性。實際上，在晶片的熱膨脹係數(TCE)和襯底 的熱膨脹係數之間的任何差別可能導致晶片上的機械應力(特別是在倒裝晶片技術中在 它們與襯底的接合處)。由於使用超低k電介質材料而進一步加重該問題，超低k電介質材 料要求襯底應該幾乎不引起晶片上的應力。
類似的考慮適用於堆疊式封裝O^ackage-On-Package，POP)結構，其中兩個或更 多個電子裝置(每一個具有相應的襯底)被一個在另一個之上地安裝。
微結構的另一個應用實例在微機電系統(MEMS)中。在該情況下，要求製作複雜形 狀的(導電或絕緣)微結構的能力；這些微結構的期望特性可以是高機械剛度、低重量和/ 或耐極端溫度(例如，低至-100°C或高達+1500°C )。
此外，微結構還可以被用在精密微機械的應用中(例如，在表中)。這可以要求 (導電或絕緣)微結構對於溫度非常穩定，具有低惰性和/或適合用於惡劣環境(例如，抗腐蝕)。
在要求使用微結構的其它技術領域中還經歷了等同的、另外的和/或不同的問 題。例如，這是磁電介質材料(例如在電磁天線中使用)、真空電子裝置(諸如微波管，或者 考慮到微結構的尺寸更好是在TeraHz頻率區域中)等等的情況。發明內容
在其一般方面中，根據本發明實施例的解決方案基於由多孔矽製作微結構的主辰、ο
具體地，本發明的不同的方面提供如在獨立權利要求中陳述的解決方案。在從屬 權利要求中陳述本發明的有利的實施例。
更具體地說，根據本發明實施例的解決方案的一個方面提出了用於製作微結構的 方法。該方法從提供矽襯底(具有主表面)的步驟開始。然後形成從主表面延伸到矽襯底 中的多孔矽層。通過選擇性地刻蝕多孔矽層以獲得一組多孔矽的突出的微元件而繼續該方 法；每個突出的微元件從矽襯底的剩餘部分突出，由此露出相應的外表面。然後處理突出的 微元件以便獲得一組相應的導電或絕緣微元件；通過將多孔矽的至少普遍的(prevalent) 部分(從外表面延伸到相應的突出的微元件中)分別轉變成多孔金屬或陶瓷來獲得每個導 電或絕緣微元件。
根據本發明的特定實施例的解決方案的其它方面提出了用於製作磁電介質結構、 互連結構、封裝的電子裝置、封裝到封裝的(package-to-package)電子裝置、功率電子裝 置、真空電子裝置和微機械裝置的方法。


參考與附圖一起閱讀的僅僅地通過非限制性指示給出的以下詳細描述將更好明 白根據本發明實施例的解決方案以及其另外的特徵和優點。在這方面，明確地意圖附圖不 是必須要按比例繪製的並且除非另有指明，它們僅僅意圖概念上示出在本申請中描述的結 構和過程。具體地
圖1A-1D'示出根據本發明實施例的用於製作微結構的製造工藝的各個階段，
圖2A-2G示出根據本發明另一個實施例的用於製作微結構的製造工藝的各個階 段，
圖3A-3D示出根據本發明實施例的用於製作互連結構的製造工藝的附加的階段，
圖3A' -3D'示出根據本發明另一個實施例的用於製作相同的互連結構的製造 工藝的附加的階段，
圖4A-4C示出根據本發明實施例的用於製作封裝的電子裝置的製造工藝的附加 的階段，
圖4A' -4C'示出根據本發明另一個實施例的用於製作相同的封裝的電子裝置 的製造工藝的附加的階段，
圖5A-5C示出根據本發明實施例的用於製作不同的封裝的電子裝置的製造工藝 的附加的階段，
圖5A' -5C'示出根據本發明另一個實施例的用於製作同一個不同的封裝的電6子裝置的製造工藝的附加的階段，
圖6是可以用根據本發明實施例的解決方案獲得的另外的示例性的封裝的電子裝置，
圖7是可以用根據本發明實施例的解決方案獲得的示例性的堆疊式封裝的電子裝置，
圖8是可以用根據本發明實施例的解決方案獲得的示例性的功率電子裝置，
圖9A-9D示出根據本發明實施例的用於製作真空電子裝置的製造工藝的附加的 階段，以及
圖10A-10F示出根據本發明實施例的用於製作微機械裝置的製造工藝的附加的 階段。
具體實施方式
特別參考圖1A-1D'，其示出了用於製作根據本發明實施例的導電或絕緣微結構 (在圖ID和圖ID'中分別用附圖標記100和附圖標記100'表示)的製造工藝的各個階段。
如圖IA所示，製造工藝從矽襯底102(例如，包括單晶矽的晶圓(wafer))開始；可 以在整個晶圓上形成單個微結構，或者可以在晶圓(然後在工藝結束時被切成小塊)的幾 個同樣的區域中重複相同的微結構。在矽襯底102中形成多孔矽層103 ；多孔矽層103從 矽襯底102的前(上)表面延伸，從而留下無孔的或緻密的矽的其剩餘部分(用附圖標記 106表示)。
出於此目的，矽襯底102受到陽極過程(anodic process)(作用於其前表面)。特 別地，矽襯底102被用作電化學電池(包括富含氫氟酸的電解質，或HF)中的陽極。當陽極 過程的電流密度低於臨界值JPS (取決於多個實驗因素)時，電解質僅僅與到達矽襯底102 的前表面的空穴反應(使得反應受空穴的供給的限制而不受它們到電解質中的離子擴散 的限制)。當然，這要求在矽襯底102的前表面處的(自由)空穴的可用性。如果矽襯底 102是P型的，空穴的可用性是明顯的。相反地，如果矽襯底102是N型的，則界面矽電解 質用作反轉偏置的肖特基結(即，具有耗盡區的寬度隨著矽襯底102中雜質濃度增大而減 小)。當矽襯底102具有高雜質濃度(N+)時，在矽襯底102中的自由空穴能夠通過量子力 學隧穿穿過該結的勢壘；相反，必須為空穴提供能量(例如，通過在其前表面上和/或在其 後(下)表面上照亮矽襯底102)以允許它們通過勢壘。
多孔矽(PQ根據其孔(pore)的直徑被分類為納米孔多孔矽(nanoPQ (或微孔多 孔矽(microPS))、中等孔多孔矽(mesoPQ和宏孔多孔矽(macroPQ ；特別地，孔的直徑在 納米孔多孔矽中低於2nm，在中等孔多孔矽中在2nm與50nm之間，而在宏孔多孔矽中高於 50nm。原則上，在每個矽襯底中與其摻雜無關地形成納米孔多孔矽；然而，可以在具有低雜 質濃度的P型的矽襯底中僅僅獲得純的納米孔多孔矽。在具有高雜質(N型的或P型的) 濃度的矽襯底中改為獲得納米孔多孔矽和中等孔多孔矽的混合。最後，在具有低雜質濃度 的矽襯底中可以獲得宏孔多孔矽(當矽襯底是N型的時納米孔多孔矽被發現覆蓋孔)。
多孔矽的特性取決於其形態，該形態又是由不同的參數(例如，矽的長度、濃度和 雜質類型，電流密度，電解質類型等)限定的陽極過程的條件(regime)的函數。關於此點，多孔矽有關的特性是其孔隙度( % )，對於(緻密)矽其被定義為
權利要求
1.一種用於製作微結構(100)的方法，該方法包括以下步驟提供矽襯底(102)，該矽襯底具有主表面，形成從主表面延伸到矽襯底中的多孔矽層(103)，選擇性地刻蝕多孔矽層以獲得一組多孔矽的突出的微元件(112)，每個突出的微元件 從矽襯底的剩餘部分(106)突出，由此露出相應的外表面，以及處理突出的微元件以便獲得一組相應的導電微元件(11 或絕緣微元件(115')，通 過將多孔矽的從外表面延伸到相應的突出的元件中的至少普遍的部分分別轉變成多孔金 屬或陶瓷來獲得每個導電微元件或絕緣微元件。
2.根據權利要求1所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲得一組對應的導電微元 件(115)的步驟包括將突出的微元件(11 浸入包括至少一種金屬元素的溶液中。
3.根據權利要求1所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲得一組對應的絕緣微元 件(115')的步驟包括使突出的微元件(11 經受在第一溫度下的第一熱過程以便將多孔矽的至少普遍的 部分轉變成多孔陶瓷。
4.根據權利要求3所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲得一組對應的絕緣微元 件(115')的步驟還包括使突出的微元件(11 經受在比第一溫度高的第二溫度下的第二熱過程，以便將多孔 陶瓷的至少部分轉變成緻密的陶瓷。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其中每個熱過程被在包括氧、碳和/或氮的氣氛中 執行。
6.根據權利要求3到5中的任一權利要求所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲 得一組對應的絕緣微元件(115')的步驟還包括，在使突出的微元件(11 經受第一熱過 程之前將突出的微元件浸入包括納米顆粒的溶液中，以便使溶液至少部分地穿透到多孔矽 中，以及使穿透的溶液蒸發以便讓穿透的溶液的納米顆粒的至少部分留在多孔矽內。
7.根據權利要求3到6中的任一權利要求所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲 得一組對應的絕緣微元件(115')的步驟還包括，在使微元件(11 在包括至少一種第一 元素的氣氛中經受第一熱過程之前用基於至少一種第二元素的材料表面地處理多孔矽以便讓材料穿透到多孔矽的至少 普遍部分的外層中而不穿透到其剩餘的內層中，第一熱過程將外層轉變成基於至少一種第 一元素和至少一種第二元素的多孔陶瓷，並且將內層轉變成基於至少一種第一元素的多孔 陶瓷。
8.根據權利要求1到7中的任一權利要求所述的方法，其中形成多孔矽層(10 的步 驟包括使矽襯底(10 經受具有適於調整多孔矽層(10 的孔隙度的條件的至少一個陽極過程。
9.根據權利要求8所述的方法，其中使矽襯底(10 經受至少一個陽極過程的步驟包括使矽襯底經受具有第一條件的第一陽極過程以便獲得具有第一孔隙度的多孔矽層的 外面部分(10 ),以及使矽襯底經受具有第二條件的第二陽極過程以便獲得具有比第一孔隙度高的第二孔 隙度的多孔矽層的內在部分(103i)。
10.根據權利要求1到9中的任一權利要求所述的方法，還包括以下步驟用緻密的金屬層(115p)覆蓋每個導電微元件(115)，和/或用導電層(115p')覆蓋 每個絕緣微元件(115')和矽襯底的剩餘部分(106)的自由表面，該絕緣微元件從矽襯底 的剩餘部分(106)突出。
11.根據權利要求1到10中的任一權利要求所述的方法，其中選擇性地刻蝕多孔矽層 的步驟包括提供在主表面上堆疊的多個刻蝕掩模(209a-209e)，以及 重複以下步驟直到去除所有掩模 通過掩模刻蝕多孔矽層O03)的一部分直到刻蝕掉對應的 部分厚度，該對應的部分厚度低於多孔矽層的初始厚度，以及 去除疊層中的最外層的掩模。
12.一種用於製作磁電介質結構(300;300')的方法，該方法包括以下步驟通過執行根據權利要求1到11中的任一權利要求所述的方法的步驟來製作微結構 (100 ；100')，將電介質材料(318)施加到矽襯底的剩餘部分(306)上以便包埋由多孔的磁性金屬制 成的導電微元件(11 的至少部分，或者將磁性材料(318')施加到矽襯底的剩餘部分上 以便讓磁性材料的每個部分的至少部分被嵌入在絕緣微元件(115')之中，以及 去除矽襯底的剩餘部分(306)。
13.一種用於製作互連結構(300;300')的方法，該方法包括以下步驟通過執行根據權利要求1到11中的任一權利要求所述的方法的步驟來製作微結構 (100 ；100')，將電介質材料(318)施加到矽襯底的剩餘部分(306)上以便包埋導電微元件(115)，或 者將導電材料(318')施加到矽襯底的剩餘部分上以便讓導電材料的每個部分嵌入在絕 緣微元件(115')之中，由此獲得分別穿過電介質材料或絕緣微元件的相應的通孔，每個 通孔露出前接觸件和後接觸件，以及 去除矽襯底的剩餘部分(306)。
14.一種用於製作封裝的電子裝置GOO ;400' ；500 ；500' ；600)的方法，該方法包括 以下步驟通過執行根據權利要求13所述的方法的步驟來製作互連結構(300 ；300')， 在互連結構上安裝至少一個包括集成電路的晶片GM ;似4' ；524；524' ；6 )，該芯 片具有一組內部端子，每一個內部端子被連接到通孔；515；518' ；615)中的對 應的第一通孔的前接觸件，以及形成一組外部端子G30 ;430' ；530 ；530' ；630)，用於訪問互連結構上的封裝的電子 裝置，每個外部端子被連接到對應的第一通孔的後接觸件。3
15.一種用於製作封裝到封裝的電子裝置(700)的方法，該方法包括以下步驟通過執行根據權利要求14所述的方法的步驟來製作多個封裝的電子裝置000; 400' ；500 ；500' ；600)，將封裝的電子裝置安裝成疊層，其中不同於疊層中的最後一個封裝的電子裝置的每個 封裝的電子裝置具有一組第二通孔(71fe、715b、715c)，每一個第二通孔具有被連接到對應 的外部端子(730b、730c、730d)的或被連接到在疊層中先前的電子封裝裝置的對應的第二 通孔的後接觸件的前接觸件，並且第一電子封裝裝置包括用於訪問其它封裝的電子裝置的 晶片的另外的外部端子(730a)，每一個另外的外部端子被連接到對應的第二通孔的後接觸 件。
16.一種用於製作功率電子裝置(800)的方法，該方法包括以下步驟通過執行根據權利要求1到11中的任一權利要求所述的方法的步驟來製作具有導電 微元件的微結構(100)，將至少一個功率組件(836)集成到矽襯底的剩餘部分(806)中，導電微元件(815)限 定用於至少一個功率組件的熱沉。
17.一種用於製作真空電子裝置(900)的方法，該方法包括以下步驟通過執行根據權利要求1到11中的任一權利要求所述的方法的步驟來製作具有導電 微元件的微結構(100)，在矽襯底的剩餘部分(906)上形成側面保護元件(915p)，該側面保護元件包圍導電微 元件(915ο)，將第一保護元件(939)接合在側面保護元件和與矽襯底的剩餘部分相對的每個導電 微元件的第一自由端上，去除矽襯底的剩餘部分，以及在基本上真空狀態下將第二保護元件(94 接合在側面保護元件和與其第一自由端 相對的每個導電微元件的另外的自由端上，該側面保護元件、第一保護元件和第二保護元 件密封導電微元件。
18.一種用於製作微機械裝置(1000)的方法，該方法包括以下步驟通過執行根據權利要求1到11中的任一權利要求所述的方法的步驟來製作起始微結 構(1000a)，重複包括以下的至少一次接合工藝通過執行根據權利要求1到11中的任一權利要求所述的方法的步驟來製作另外的微 結構(1000b)，將另外的微結構的導電或絕緣微元件(1015b)的至少部分與先前的微結構的導電或 絕緣微元件(1015a)的至少部分接合，該先前的微結構包括在接合工藝的第一重複處的起 始微結構(1000a)或者包括由接合工藝的先前的重複引起的複合的微結構(IOOOab)，以及 去除另外的微結構或先前的微結構的矽襯底的剩餘部分(1006b)，以及 在接合工藝的最後的重複之後去除先前的微結構的矽襯底的剩餘部分(1006a)。
全文摘要
提出了一種用於製作微結構(100)的方法。該方法從提供具有主表面的矽襯底(102)的步驟開始。然後形成從主表面延伸到矽襯底中的多孔矽層(103)。通過選擇性地刻蝕多孔矽層以獲得一組多孔矽的突出的微元件(112)而繼續該方法；每個突出的微元件從矽襯底的剩餘部分(106)突出，由此露出相應的外表面。然後處理突出的微元件以便獲得一組相應的導電微元件(115)或絕緣微元件(115′)；通過將多孔矽的至少普遍的部分(從外表面延伸到相應的突出的元件中)分別轉變成多孔金屬或陶瓷來獲得每個導電微元件或絕緣微元件。
文檔編號H01L21/68GK102037560SQ200980117012
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月18日 優先權日2008年3月21日
發明者M·布魯卡尼 申請人:Rise技術有限責任公司