芯耀
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超越摩爾通過三維堆疊來實現(xiàn)多個芯片在平面和垂直方向的互連，用系統(tǒng)集成的策略來大幅度提升空間利用率。垂直互連技術(shù)從縱向維度進(jìn)一步擴(kuò)展，促進(jìn)了系統(tǒng)級集成的不斷進(jìn)步。轉(zhuǎn)接板形式的通孔技術(shù)是最有前景的互連方案之一，已成為全球先進(jìn)封裝的研究熱點。
早期，對于設(shè)計師和用戶端，玻璃的成孔效果難以被接受，這是制約玻璃在先進(jìn)封裝應(yīng)用的主要原因。對于代工廠而言，這一工藝技術(shù)仍需要長足的進(jìn)步。
為了實現(xiàn)玻璃的高密度和高精度加工，人們已經(jīng)開始地探索更優(yōu)良的結(jié)構(gòu)化方法，如機(jī)械微加工法、玻璃回流法、聚焦放電法、光敏玻璃紫外曝光法、激光燒蝕法、激光誘導(dǎo)法。
下面對這幾類加工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)：
1）機(jī)械微加工法
機(jī)械微加工是最為傳統(tǒng)和直接的制造工藝，使用微型刀具或磨劑來去除工件上的暴露區(qū)域。普遍認(rèn)為，如果切割深度遠(yuǎn)低于臨界值，脆性材料更有可能表現(xiàn)出韌性流動，而不會發(fā)生脆性斷裂。受這種模式的啟發(fā)，已經(jīng)開發(fā)了各種以韌性變形為主的機(jī)械微加工技術(shù)，如微車削、銑削、鉆孔和微磨削及其組合，用于制造表面/次表面損傷盡可能小的精密玻璃零件。
磨料射流加工是常見的一種靈活微加工方法，能夠以相對經(jīng)濟(jì)的代價加工多種材料，包括硅、玻璃、氧化鋁和復(fù)合材料等。高速磨料射流通過沖擊侵蝕，從堅硬工件上去除多余的材料。微磨料由水或空氣射流攜帶，具有更高的韌性、更低的接觸力和更小的熱損傷。沖擊角、噴嘴距離、射流壓力、噴嘴內(nèi)徑和磨料的物化屬性及其在射流中的質(zhì)量百分比為關(guān)鍵工藝參數(shù)。采用掃描路徑可控的磨料射流，可以在不使用掩膜的情況下按預(yù)設(shè)圖紙進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工。
然而，這種方式所實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)其橫向分辨率受到噴嘴直徑的限制。因此，為了獲得更高橫向分辨率的微結(jié)構(gòu)，高精度的金屬或光刻膠掩模是常采用方法。研究者報道了分別以SU-8光刻膠為掩膜和Al2O3為磨料，分兩次進(jìn)行射流對準(zhǔn)加工，成功在厚度為500μm的Pyrex 7740玻璃基板上制備出平均孔徑為600μm的TGV。如下圖展示的的俯視圖和截面圖可以看出，機(jī)械微加工技術(shù)得到的TGV一致性較差，表現(xiàn)為通孔的有效直徑大小不一。另外，通孔表面和截面邊緣起伏較大，這會影響傳輸信號的完整性。
磨料可以在超聲輔助下實現(xiàn)更高效的加工。陣列分布的尖端刀具在超聲波振動環(huán)境下，通過碰撞與磨料顆粒的相互作用進(jìn)行加工。這些能量較高的磨料顆粒撞擊玻璃基板，使得通孔的形成時間更短、深徑比更高。如下圖采用粒徑為1μm的碳化硅磨料顆粒，設(shè)計了一種具有方形6×6陣列尖端的定制不銹鋼刀具，在1.1mm厚度的玻璃基板上實現(xiàn)了尺寸為260μm×270μm且平均深徑比達(dá)到5:1的錐形方孔。該工藝的刻蝕速率為6μm/s，通孔形成所需時間接近4分鐘。單次實現(xiàn)的通孔數(shù)量雖然可以通過定制更多尖端的刀具來實現(xiàn)，但該策略所增加的效率始終有限。
機(jī)械微加工技術(shù)適合于在厚玻璃基板上加工低深徑比的通孔。對于單個玻璃晶圓上動則幾十上百萬通孔的先進(jìn)封裝來講，該方法不管是從精度還是效率來看都不是一個合理的策略。
2）玻璃回流法
玻璃回流法的工藝流程主要分為微型硅柱模具的制備、陽極鍵合和玻璃熱熔回流三個階段。硅基模具的制備類似于?TSV?的制造，主要采用Bosch工藝進(jìn)行深硅刻蝕。由于側(cè)壁保護(hù)和縱向刻蝕在脈沖模式下交替進(jìn)行，該工序可以實現(xiàn)高深寬比的微結(jié)構(gòu)。形貌可由掩模、射頻功率、頻率和脈沖參數(shù)來精細(xì)控制。
玻璃和硅之間采用的陽極鍵合是MEMS中常用的微組裝方法。在高溫和高電場的驅(qū)動下，接負(fù)極的玻璃與接正極的硅在界面處形成富氧層，使得硅氧結(jié)合，從而實現(xiàn)高強(qiáng)度的鍵合效果。鍵合好的晶圓被放置在高溫環(huán)境下，使得玻璃回流至硅基模具中，實現(xiàn)硅?；?。隨后，采用化學(xué)機(jī)械拋光(Chemico-Mechanical Polishing, CMP)來得到平整度良好的硅玻轉(zhuǎn)接板。為實現(xiàn)電互連，通常采用低阻硅為傳輸載體進(jìn)行信號傳輸。
研究者通過Bosch工藝制備了刻蝕深度為230μm的P型硅基模具。隨后，在400℃溫度和800 V電壓條件下，圖案化硅晶圓和鋼化玻璃進(jìn)行鍵合。該過程在0.01Pa的真空室中進(jìn)行，以消除硅模具空腔中的空氣。然后，將鍵合好的硅玻晶圓在大氣爐中以750℃的高溫處理10小時。然后，通過CMP對玻璃面和硅面進(jìn)行研磨和拋光，得到如下圖所示的硅玻轉(zhuǎn)接板。
玻璃回流法省掉了孔內(nèi)金屬化步驟，且可實現(xiàn)高深寬比的微納結(jié)構(gòu)。然而，這一技術(shù)所涉及的工序長且成本高，對于先進(jìn)封裝來講不是一種經(jīng)濟(jì)的加工方式。另外，其加工方法也伴隨著很明顯的局限性。所選擇的玻璃材料必須含堿金屬離子、熔融溫度不能太高且CTE與硅接近。正如前述，玻璃中堿金屬離子越多，其損耗正切角越大，信號傳輸?shù)氖д媛室簿驮酱?。因此，玻璃回流法僅適用于一些特定的應(yīng)用場景。
3）聚焦放電法
KuraFuji在1968年提出了聚焦放電法，是一種包含電火花加工和電化學(xué)加工的混合制造技術(shù)。在聚焦放電法工藝中，伴隨著刀具和能量交互，基材會發(fā)生熱熔化、蒸發(fā)、化學(xué)蝕刻和熱剝落，從而實現(xiàn)去除材料的目的。微結(jié)構(gòu)的最小尺寸取決于刀具尖端的尺寸和工藝參數(shù)。在加工過程中，氫氣和氧氣分別在電化學(xué)電池的陰極和陽極產(chǎn)生。這些氫氣相互接觸，然后變成氣膜，將刀具包圍起來。這種氫氣膜的形成是通過電化學(xué)過程和焦耳加熱實現(xiàn)的。
聚焦放電法的工藝機(jī)理主要取決于氣膜形成機(jī)理。在電解過程中，氣膜的生成速度隨電解液的導(dǎo)電率增大而加快，也隨電解液溫度的升高而變快。氫氣膜在工具電極附近形成絕緣層，在氣膜上產(chǎn)生高達(dá)107 V/m的高電場。
氣膜的電擊穿伴隨大量電子的碰撞從而引起熱放電，導(dǎo)致工件材料熔化脫落。研究者采用聚焦放電法在300μm厚的玻璃基板上實現(xiàn)了60μm的通孔。如下圖中可以觀察到頂部和底部的直徑分別為60μm和40μm。聚焦放電法常被用于實現(xiàn)脆性和硬質(zhì)材料在MEMS和微流體器件中的應(yīng)用。該技術(shù)雖然所需的投入成本低，但加工速度緩慢且通孔錐度大，對于高精度、無規(guī)律且高密度的通孔版圖是不適用的。
4）光敏玻璃紫外曝光法
光敏玻璃是一種特殊類型的玻璃，依靠紫外光、退火和腐蝕液來實現(xiàn)各向異性刻蝕，從而完成微結(jié)構(gòu)的制備。
微結(jié)構(gòu)的特征尺寸取決于光刻掩膜，使得在玻璃基板上制造小尺寸、高深徑比的TGV更容易，這是傳統(tǒng)的機(jī)械微加工技術(shù)難以實現(xiàn)的。
早期，Schott公司發(fā)布的牌號為Forturan玻璃產(chǎn)品是大家熟知的光敏玻璃。這是一種鋰鋁硅酸鹽玻璃，其中摻雜了Ce氧化物作為光敏劑、Sb氧化物作為還原劑和Ag氧化物作為成核劑，使玻璃具備可光刻的特性。
光敏玻璃基板首先通過通常由石英為基底的掩膜板，暴露在波長范圍為260至?360 nm?的紫外光下。
研究人員報道了在厚度為500μm的Forturan?II玻璃上制備孔徑為46μm的TGV。采用波長為320μm的紫外光通過預(yù)制掩模版照射玻璃基板，其光強(qiáng)設(shè)置為8W/cm2。隨后將樣品放置在退火爐中進(jìn)行去光敏化，先將爐體溫度升高到500℃，然后在500℃下保溫2小時。之后，逐漸升溫至600℃，再在600℃下保溫2小時。
在達(dá)到400℃之前，溫度的上升速度為10℃/min，然后降至2℃/min。最后，采用10% HF?水溶液在室溫下蝕刻光敏玻璃15分鐘，并通過超聲波去除沉積在孔底部會減慢濕法蝕刻速度的不溶性成分。
下圖展示了TGV的表面和截面顯微鏡照片。依賴于成熟的掩膜光刻技術(shù)，該方法可以靈活實現(xiàn)各種各樣的高深寬比微結(jié)構(gòu)。然而，該成孔技術(shù)僅適用于光敏玻璃，這對玻璃基板的應(yīng)用拓展是致命的。此外，玻璃基板在退火后會存在變形，這對會引發(fā)后續(xù)應(yīng)用的可靠性問題。
5）激光燒蝕法
激光燒蝕通過高能定向激光束與玻璃襯底之間的燒蝕效應(yīng)制備通孔。激光的光子能量傳遞到玻璃上是具有挑戰(zhàn)性的。因為玻璃在很寬的波長范圍內(nèi)是透明的，尤其在可見光范圍內(nèi)的吸收率一般較低，這需要產(chǎn)生很高的峰值能量來觸發(fā)非線性吸收效應(yīng)。為了提高效率，激光燒蝕直接成孔一般使用紅外線或紫外線波長的激光光束，如紅外范圍內(nèi)的CO2激光、波長為355nm和266nm的UV YAG激光以及ArF準(zhǔn)分子激光。
下圖展示了在激光入射側(cè)和激光出射側(cè)使用ArF準(zhǔn)分子激光形成的TGV。通孔直徑在光束入射側(cè)約為60-65μm，在出射側(cè)約為30-35μm。圖中TGV在金屬化之后的截面圖，可觀察到通孔的錐度非常大。
激光鉆孔不需要掩模，可適應(yīng)各類有規(guī)律或無規(guī)律的通孔排布，具有很高的靈活性。對于信號傳輸，理想的孔形貌應(yīng)是高圓度和低錐度。僅通過優(yōu)化工藝很難消除高功率激光導(dǎo)致的熱影響區(qū)和重鑄層。并且，由于需要直接去除孔內(nèi)材料，導(dǎo)致成孔效率慢，不適用于高集成度的封裝場景。
6）激光誘導(dǎo)法
激光誘導(dǎo)濕法成孔技術(shù)可規(guī)避上文提到的效率慢、精度低、材料兼容性差、孔壁粗糙、錐度失控和一致性差等問題，被認(rèn)為是制備TGV的主流技術(shù)，已在先進(jìn)半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域中嶄露頭角。
這一精密加工技術(shù)可分為激光誘導(dǎo)和濕法刻蝕兩個階段。激光誘導(dǎo)所采用的光源為超短脈沖激光，其脈沖持續(xù)時間可達(dá)到皮秒、飛秒甚至是阿秒。這一作用時間遠(yuǎn)小于材料中電子能量耦合到晶格所需時間，因而熱擴(kuò)散效應(yīng)可以忽略不記，賦予該技術(shù)“冷”加工特性。大幅度降低熱影響區(qū)的特點，進(jìn)一步把激光技術(shù)推進(jìn)到更高精度的微納加工領(lǐng)域。
除了超快激光器，激光誘導(dǎo)系統(tǒng)還集成了定制化光束整形系統(tǒng)、高精度導(dǎo)軌平臺和高集成度圖形解析算法。整形后的光束具備超過1020W/cm2的峰值功率密度，可在極小區(qū)域內(nèi)完成精準(zhǔn)誘導(dǎo)。此外，不同于傳統(tǒng)激光燒蝕中線性變化為主的能量傳遞過程，這一先進(jìn)誘導(dǎo)技術(shù)的能量傳遞過程是非線性的，可以達(dá)到任意材料的損傷閾值，從而在特定位置激發(fā)材料多光子吸收，進(jìn)而可實現(xiàn)幾乎所有透明材料的加工。
由于加工原理與傳統(tǒng)方法不同，是新一代成孔技術(shù)，被人稱為TGV3.0。
無需掩膜板，激光誘導(dǎo)系統(tǒng)即可按照所設(shè)計的版圖在玻璃晶圓上對應(yīng)位置進(jìn)行改性誘導(dǎo)。隨后，改性好的玻璃基板被放入配置好的刻蝕溶液中。改性區(qū)域和非改性區(qū)域的刻蝕速率相差兩個數(shù)量級?？刂瓶涛g時間，得到目標(biāo)尺寸的三維微結(jié)構(gòu)。
激光誘導(dǎo)過程主要由焦距、脈沖能量、脈沖寬度、脈沖數(shù)量和重復(fù)頻率等關(guān)鍵變量來調(diào)控。
選擇性濕法刻蝕所采用的刻蝕液為酸性體系或者堿性體系，其中涉及主刻蝕劑的濃度、刻蝕溫度以及過程中所采用的添加劑等。另外，激光參數(shù)和濕法刻蝕配方是強(qiáng)關(guān)聯(lián)的。如此多相關(guān)聯(lián)的工藝變量使得該技術(shù)具有超高的自由度，但也帶來了極大的工藝挑戰(zhàn)性。
下圖是廈門大學(xué)于大全教授組通過紅外飛秒激光和氫氟酸溶液在硼硅玻璃和無堿玻璃上制備出形貌良好的TGV。通過調(diào)節(jié)氫氟酸濃度可以顯著改善硼硅玻璃通孔的錐度。此外，Xu等人報道了工藝配方對通孔錐度的影響，揭示了氫氟酸濃度是最關(guān)鍵的參數(shù)變量。
圖(b)展示了表面孔徑為60μm時，通孔的剖面最小直徑為28.4 μm，但未進(jìn)一步分析通孔的圓度。電子科技大學(xué)張繼華教授組研究了超快激光與玻璃基板的作用機(jī)理，提出了自聚焦效應(yīng)控制技術(shù)，幾乎可適用于任意透明玻璃材料的通孔加工，所制備的TGV展示在圖(c)中。
綜上所述，激光誘導(dǎo)刻蝕技術(shù)明顯優(yōu)于其他加工方法，是實現(xiàn)玻璃基三維集成的關(guān)鍵技術(shù)。
如上文提到，組成玻璃的元素以及組分具有非常高的自由度，由此可衍生出應(yīng)用于各類場景的基板。高自由度的激光誘導(dǎo)刻蝕工藝技術(shù)對于玻璃來講是必要的。很顯然，每一款玻璃所對應(yīng)的工藝配方不一定可相互套用，甚至是完全不一樣。因此，每一款玻璃的導(dǎo)入都需要很長的開發(fā)周期，這對于玻璃基三維集成的應(yīng)用是一個巨大的考驗。目前還未有文獻(xiàn)報道如何科學(xué)高效的完成一款玻璃的微結(jié)構(gòu)加工。并且，在改性過程中，激光與玻璃材料的作用機(jī)理仍未被揭示。
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參考文獻(xiàn)：
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