李 飛，石云波，趙思晗，王彥林，劉 俊

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

目前玻璃通孔(through glass via，TGV)晶片應(yīng)用十分廣泛，在微機(jī)械系統(tǒng)制造和圓片級(jí)封裝中發(fā)揮著重要作用，通過TGV晶片可以有效實(shí)現(xiàn)電隔離和提高器件性能，實(shí)現(xiàn)的縱向互連技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，寄生電容小，氣密性良好[1-2]。本文所討論的TGV晶片主要應(yīng)用于圓片級(jí)封裝，通過TGV晶片的批量化金屬填充，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)真空封裝的導(dǎo)線互連技術(shù)。TGV成孔技術(shù)目前已報(bào)道有多種方法，如有激光燒蝕、濕法刻蝕光敏玻璃、干法刻蝕、熔融玻璃回流法等[3-5]。其中通過激光刻蝕是實(shí)現(xiàn)TGV的主要手段，該方法制作的通孔邊緣存在熔渣、孔徑形貌差和側(cè)壁粗糙的現(xiàn)象，制作耗時(shí)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)后續(xù)金屬化和批量化造成一定困難[6-7]?；诠饷舨ＡУ腡GV工藝，只是對(duì)光敏玻璃的濕法腐蝕工藝，存在一定的局限性[8-9]?；诟袘?yīng)耦合等離子體(ICP)干法刻蝕技術(shù)控制精度高，刻蝕表面平整，垂直度高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的最高刻蝕速率為1.7 μm/min，各向異性刻蝕嚴(yán)重，在深孔刻蝕時(shí)需要一定的刻蝕選擇比[10]。熔融玻璃回流工藝是將玻璃回流到硅通孔中，利用硅的導(dǎo)通性實(shí)現(xiàn)電器互連，實(shí)際上是TSV的填充[11-12]。本文針對(duì)TGV的批量化和批量化通孔的填充工藝進(jìn)行了研究探索。采用噴砂工藝實(shí)現(xiàn)玻璃整片的批量化通孔，設(shè)計(jì)比較不同的電鍍工藝方案完成通孔的填充工藝。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 玻璃通孔制備

玻璃通孔的制備不同于單晶硅上通孔的加工，種類齊全、成本低廉且工藝成熟。因?yàn)椴Ａ儆诟飨蛲裕诟鞣N刻蝕方法中，濕法腐蝕“橫鉆”現(xiàn)象嚴(yán)重，且整個(gè)玻璃片腐蝕不均勻，無法得到理想的形貌；近年來新興的紫外激光技術(shù)，在刻蝕玻璃通孔上，控制精度高、垂直度高且形貌良好，此前的研究中表明這一方法可行，但是通孔的加工需要逐個(gè)設(shè)置，無法同時(shí)進(jìn)行，這種方式對(duì)于單個(gè)器件的加工可作為首選，但在器件加工中，由于成本過高，產(chǎn)品一致性無法保證等原因無法批量化生產(chǎn)；玻璃噴砂打孔是目前國(guó)內(nèi)常用的玻璃通孔加工方式，其工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且可以在晶圓上批量化加工。玻璃噴砂通孔如圖1所示，對(duì)于TGV工藝而言，噴砂工藝最為符合其批量化的要求。

圖1 噴砂打孔

1.2 金屬填充工藝設(shè)計(jì)

TGV工藝用于晶圓級(jí)封裝中實(shí)現(xiàn)器件內(nèi)外的電氣互聯(lián)，孔內(nèi)的金屬填充作為加工的關(guān)鍵工藝，均采用電鍍方式實(shí)現(xiàn)。由于噴砂通孔的孔徑過大(最小深寬比為1∶2)，且垂直度很低(約為65.8°)，增加了電鍍的難度，因此本文針對(duì)噴砂通孔的形貌設(shè)計(jì)了兩種用于實(shí)現(xiàn)金屬填充的方案。

基于垂直鍍的方式進(jìn)行孔內(nèi)金屬填充，電鍍裝置如圖2所示，陽(yáng)極接入恒流源，陰極接地，在電鍍液中銅板氧化失去Cu2+并在陰極還原聚集在玻璃表面。

圖2 電鍍裝置

根據(jù)電解電鍍?cè)?，鍍層的厚度與電流密度和電鍍時(shí)間成正比，因?yàn)殡婂兯俾蕵O為緩慢，要想在玻璃通孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣密性良好的金屬填充，就要通過改變種子層沉積位置來改變電流的流向進(jìn)而增大電流密度來實(shí)現(xiàn)。據(jù)此，在玻璃通孔內(nèi)進(jìn)行電鍍之前對(duì)種子層的沉積位置進(jìn)行了2種不同的方案設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 2種電鍍方案

電鍍方案一和方案二均在通孔大孔徑一側(cè)進(jìn)行了粘附層和種子層的濺射(Cr/Cu，20 nm/200 nm)，并粘附上一層熱剝離膜，目的是防止電鍍時(shí)電流通過孔內(nèi)流向玻璃的非電鍍面，影響電鍍效果。兩種方案都僅在通孔附近進(jìn)行種子層覆蓋，實(shí)現(xiàn)了通孔處電流密度的最大化，理論上均可以實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)金屬填充。

因?yàn)閲娚巴椎拇怪倍群艿停瑑H在大孔徑一側(cè)分別磁控濺射粘附層和種子層就可以實(shí)現(xiàn)方案一的設(shè)計(jì)，對(duì)于方案二中小孔徑處周邊金屬層的制備由圖4所示工藝實(shí)現(xiàn)。

圖4 方案二中種子層的制備工藝

首先在玻璃通孔大孔徑一側(cè)磁控濺射粘附層和種子層，然后在背面旋涂光刻膠AZ6130并進(jìn)行光刻圖形化處理，再次濺射粘附層和種子層，最后在丙酮溶液中剝離去掉多余的金屬，剝離效果如圖5所示。

圖5 剝離工藝制備電鍍種子層

2 工藝加工

本次實(shí)驗(yàn)選用材料為Plan-optik Borofloat 33，厚度是300 μm的玻璃進(jìn)行噴砂打孔，經(jīng)測(cè)量噴砂的入口直徑是300 μm，出口直徑為150 μm，2種種子層沉積的方案均在同一玻璃基片上完成，濺射金屬之后進(jìn)行劃片處理再分別電鍍，以確保噴砂孔徑和沉積金屬的一致性。

在實(shí)驗(yàn)過程中2種方案采用的電流大小均按25 mA/cm2計(jì)算，考慮到通孔直徑和電鍍速率的問題，第一次電鍍時(shí)間設(shè)為60 min，電鍍完成之后在共聚焦光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，分別如圖6、圖7所示。

圖6 60 min后方案一的電鍍面金屬形貌

(a)電鍍面(b)非電鍍面圖7 60 min后方案二的金屬形貌

從圖中可以看出電鍍60 min之后方案一的通孔周圍存在許多不規(guī)則生長(zhǎng)的金屬，且通孔孔徑有所減小但沒有完全填充；方案二的通孔完全被金屬填充，孔口密封并且形貌光滑、圓潤(rùn)。繼續(xù)電鍍方案一玻璃片60 min，電鍍后如圖8所示，可以看出此時(shí)通孔完全閉合。

圖8 120 min后電鍍面金屬形貌

對(duì)比上述2種方案，方案一的電流全部集中在孔內(nèi)，金屬要實(shí)現(xiàn)密封，首先要從通孔內(nèi)部生長(zhǎng)到孔口周圍，再由周圍的金屬繼續(xù)生長(zhǎng)封閉孔口；而方案二則通過濺射金屬省略了孔周邊的金屬生長(zhǎng)過程，加快了孔口的封閉速度，并且孔口周圍濺射的粘附層和種子層也會(huì)保證電鍍后的形貌及附著力。2種方案均可以實(shí)現(xiàn)玻璃通孔的金屬填充，但方案一電鍍時(shí)間久，形貌差，為實(shí)現(xiàn)良好的電鍍效果，降低工藝成本可以采用方案二的金屬沉積方式，其批量化制備的玻璃片如圖9所示。通過2種方案電鍍的形貌和時(shí)間對(duì)比可以看出方案二沉積的銅形貌更加圓潤(rùn)，質(zhì)地良好，效率也顯著提高。

圖9 方案二批量化金屬填充形貌

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)上述方案二的通孔填充實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證通孔內(nèi)金屬的導(dǎo)電性和填充效果。通過使用數(shù)字萬用表測(cè)量多個(gè)單孔兩側(cè)的導(dǎo)通性和阻值。測(cè)量過程如圖10所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 數(shù)字萬用表測(cè)量導(dǎo)通性與阻值

表1 通孔填充后導(dǎo)通性和阻值

測(cè)試數(shù)據(jù)表明經(jīng)過噴砂通孔和方案二的金屬填充工藝得到的玻璃通孔金屬化導(dǎo)電性能良好，由于使用萬用表測(cè)試時(shí)表筆與測(cè)試點(diǎn)不能穩(wěn)定接觸，測(cè)量阻值誤差較大，因此使用半導(dǎo)體特性分析儀來精確測(cè)量其阻值，測(cè)試設(shè)備如圖11所示。

圖11 半導(dǎo)體特性分析儀

在測(cè)試時(shí)對(duì)半導(dǎo)體分析儀進(jìn)行了限壓設(shè)置，將測(cè)試電壓的范圍設(shè)置為±0.1 V，通過分析儀測(cè)試得到的通孔的電流-電壓數(shù)據(jù)繪制出如圖12所示的I-V特性曲線。在厚度為300 μm的玻璃上相鄰兩孔之間的阻值為0.483 7 Ω。因此單孔的阻值約為0.241 9 Ω?？梢缘贸鐾ㄟ^該工藝得到的玻璃通孔填充導(dǎo)電性達(dá)到導(dǎo)線互連的要求。

圖12 測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

為了對(duì)通孔內(nèi)金屬填充形貌進(jìn)行測(cè)試，將填充后的通孔進(jìn)行劃片處理，使得通孔的橫截面便于電子顯微鏡檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖13所示，觀察可以看出在孔內(nèi)金屬填充呈漸變效果。在通孔的電鍍一側(cè)Cu的金屬沉積較多，實(shí)現(xiàn)了通孔的全封，往另一側(cè)金屬沉積量逐漸減少，致密性逐漸降低。且在電鍍一側(cè)的玻璃表面長(zhǎng)出一定高度的金屬。通過共聚焦顯微鏡測(cè)試可以得出金屬凸臺(tái)高度為130 μm。

在通孔內(nèi)填充效果較好的深度為122 μm，約占孔深的40.6%，靠近非電鍍面的位置填充效果逐漸變差。由于電鍍時(shí)金屬呈垂直生長(zhǎng)方式，在電鍍面一側(cè)將通孔封死后孔內(nèi)金屬將不再繼續(xù)生長(zhǎng)，因此可以通過控制電鍍電流或者采用雙面電鍍的方式對(duì)通孔內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步填充。

圖13 通孔剖面形貌圖

4 結(jié)束語

為進(jìn)行批量化的玻璃通孔金屬填充工藝，本文首先對(duì)比了濕法腐蝕、激光打孔和噴砂打孔3種刻蝕玻璃通孔的方法，最終確定了噴砂作為通孔制備工藝。考慮到噴砂通孔的孔徑過大和垂直度低的情況，設(shè)計(jì)了2種不同的種子層沉積方案進(jìn)行垂直電鍍，均實(shí)現(xiàn)了金屬對(duì)通孔的密封。對(duì)比了2種方案的電鍍時(shí)間和形貌，最終確定采用雙面濺射種子層的方式進(jìn)行電鍍效果更好，測(cè)試了相鄰?fù)组g的I-V特性，得出通孔間電阻具有較高的一致性。本文實(shí)現(xiàn)了通孔內(nèi)金屬的批量化填充，為進(jìn)行圓片級(jí)真空封裝的導(dǎo)線互連技術(shù)提供了參考依據(jù)。