超越摩尔通过三维堆叠来实现多个芯片在平面和垂直方向的互连，用系统集成的策略来大幅度提升空间利用率。垂直互连技术从纵向维度进一步扩展，促进了系统级集成的不断进步。转接板形式的通孔技术是最有前景的互连方案之一，已成为全球先进封装的研究热点。

 

早期，对于设计师和用户端，玻璃的成孔效果难以被接受，这是制约玻璃在先进封装应用的主要原因。对于代工厂而言，这一工艺技术仍需要长足的进步。

 

为了实现玻璃的高密度和高精度加工，人们已经开始地探索更优良的结构化方法，如机械微加工法、玻璃回流法、聚焦放电法、光敏玻璃紫外曝光法、激光烧蚀法、激光诱导法。

 

下面对这几类加工技术进行系统的归纳和总结： 

 

1）机械微加工法

 

机械微加工是最为传统和直接的制造工艺，使用微型刀具或磨剂来去除工件上的暴露区域。普遍认为，如果切割深度远低于临界值，脆性材料更有可能表现出韧性流动，而不会发生脆性断裂。受这种模式的启发，已经开发了各种以韧性变形为主的机械微加工技术，如微车削、铣削、钻孔和微磨削及其组合，用于制造表面/次表面损伤尽可能小的精密玻璃零件。

 

磨料射流加工是常见的一种灵活微加工方法，能够以相对经济的代价加工多种材料，包括硅、玻璃、氧化铝和复合材料等。高速磨料射流通过冲击侵蚀，从坚硬工件上去除多余的材料。微磨料由水或空气射流携带，具有更高的韧性、更低的接触力和更小的热损伤。冲击角、喷嘴距离、射流压力、喷嘴内径和磨料的物化属性及其在射流中的质量百分比为关键工艺参数。采用扫描路径可控的磨料射流，可以在不使用掩膜的情况下按预设图纸进行微结构加工。

 

然而，这种方式所实现的结构其横向分辨率受到喷嘴直径的限制。因此，为了获得更高横向分辨率的微结构，高精度的金属或光刻胶掩模是常采用方法。研究者报道了分别以SU-8光刻胶为掩膜和Al2O3为磨料，分两次进行射流对准加工，成功在厚度为500μm的Pyrex 7740玻璃基板上制备出平均孔径为600μm的TGV。如下图展示的的俯视图和截面图可以看出，机械微加工技术得到的TGV一致性较差，表现为通孔的有效直径大小不一。另外，通孔表面和截面边缘起伏较大，这会影响传输信号的完整性。

 

 

磨料可以在超声辅助下实现更高效的加工。阵列分布的尖端刀具在超声波振动环境下，通过碰撞与磨料颗粒的相互作用进行加工。这些能量较高的磨料颗粒撞击玻璃基板，使得通孔的形成时间更短、深径比更高。如下图采用粒径为1μm的碳化硅磨料颗粒，设计了一种具有方形6×6阵列尖端的定制不锈钢刀具，在1.1mm厚度的玻璃基板上实现了尺寸为260μm×270μm且平均深径比达到5:1的锥形方孔。该工艺的刻蚀速率为6μm/s，通孔形成所需时间接近4分钟。单次实现的通孔数量虽然可以通过定制更多尖端的刀具来实现，但该策略所增加的效率始终有限。

 

 

机械微加工技术适合于在厚玻璃基板上加工低深径比的通孔。对于单个玻璃晶圆上动则几十上百万通孔的先进封装来讲，该方法不管是从精度还是效率来看都不是一个合理的策略。

 

2）玻璃回流法

 

玻璃回流法的工艺流程主要分为微型硅柱模具的制备、阳极键合和玻璃热熔回流三个阶段。硅基模具的制备类似于 TSV 的制造，主要采用Bosch工艺进行深硅刻蚀。由于侧壁保护和纵向刻蚀在脉冲模式下交替进行，该工序可以实现高深宽比的微结构。形貌可由掩模、射频功率、频率和脉冲参数来精细控制。

 

玻璃和硅之间采用的阳极键合是MEMS中常用的微组装方法。在高温和高电场的驱动下，接负极的玻璃与接正极的硅在界面处形成富氧层，使得硅氧结合，从而实现高强度的键合效果。键合好的晶圆被放置在高温环境下，使得玻璃回流至硅基模具中，实现硅玻基板。随后，采用化学机械抛光(Chemico-Mechanical Polishing, CMP)来得到平整度良好的硅玻转接板。为实现电互连，通常采用低阻硅为传输载体进行信号传输。

 

研究者通过Bosch工艺制备了刻蚀深度为230μm的P型硅基模具。随后，在400℃温度和800 V电压条件下，图案化硅晶圆和钢化玻璃进行键合。该过程在0.01Pa的真空室中进行，以消除硅模具空腔中的空气。然后，将键合好的硅玻晶圆在大气炉中以750℃的高温处理10小时。然后，通过CMP对玻璃面和硅面进行研磨和抛光，得到如下图所示的硅玻转接板。

 

 

玻璃回流法省掉了孔内金属化步骤，且可实现高深宽比的微纳结构。然而，这一技术所涉及的工序长且成本高，对于先进封装来讲不是一种经济的加工方式。另外，其加工方法也伴随着很明显的局限性。所选择的玻璃材料必须含碱金属离子、熔融温度不能太高且CTE与硅接近。正如前述，玻璃中碱金属离子越多，其损耗正切角越大，信号传输的失真率也就越大。因此，玻璃回流法仅适用于一些特定的应用场景。

 

3）聚焦放电法

 

KuraFuji在1968年提出了聚焦放电法，是一种包含电火花加工和电化学加工的混合制造技术。在聚焦放电法工艺中，伴随着刀具和能量交互，基材会发生热熔化、蒸发、化学蚀刻和热剥落，从而实现去除材料的目的。微结构的最小尺寸取决于刀具尖端的尺寸和工艺参数。在加工过程中，氢气和氧气分别在电化学电池的阴极和阳极产生。这些氢气相互接触，然后变成气膜，将刀具包围起来。这种氢气膜的形成是通过电化学过程和焦耳加热实现的。

 

聚焦放电法的工艺机理主要取决于气膜形成机理。在电解过程中，气膜的生成速度随电解液的导电率增大而加快，也随电解液温度的升高而变快。氢气膜在工具电极附近形成绝缘层，在气膜上产生高达107 V/m的高电场。

 

气膜的电击穿伴随大量电子的碰撞从而引起热放电，导致工件材料熔化脱落。研究者采用聚焦放电法在300μm厚的玻璃基板上实现了60μm的通孔。如下图中可以观察到顶部和底部的直径分别为60μm和40μm。聚焦放电法常被用于实现脆性和硬质材料在MEMS和微流体器件中的应用。该技术虽然所需的投入成本低，但加工速度缓慢且通孔锥度大，对于高精度、无规律且高密度的通孔版图是不适用的。

 

 

4）光敏玻璃紫外曝光法

 

光敏玻璃是一种特殊类型的玻璃，依靠紫外光、退火和腐蚀液来实现各向异性刻蚀，从而完成微结构的制备。

 

微结构的特征尺寸取决于光刻掩膜，使得在玻璃基板上制造小尺寸、高深径比的TGV更容易，这是传统的机械微加工技术难以实现的。

 

早期，Schott公司发布的牌号为Forturan玻璃产品是大家熟知的光敏玻璃。这是一种锂铝硅酸盐玻璃，其中掺杂了Ce氧化物作为光敏剂、Sb氧化物作为还原剂和Ag氧化物作为成核剂，使玻璃具备可光刻的特性。

 

光敏玻璃基板首先通过通常由石英为基底的掩膜板，暴露在波长范围为260至 360 nm 的紫外光下。

 

研究人员报道了在厚度为500μm的Forturan®II玻璃上制备孔径为46μm的TGV。采用波长为320μm的紫外光通过预制掩模版照射玻璃基板，其光强设置为8W/cm2。随后将样品放置在退火炉中进行去光敏化，先将炉体温度升高到500℃，然后在500℃下保温2小时。之后，逐渐升温至600℃，再在600℃下保温2小时。

 

在达到400℃之前，温度的上升速度为10℃/min，然后降至2℃/min。最后，采用10% HF 水溶液在室温下蚀刻光敏玻璃15分钟，并通过超声波去除沉积在孔底部会减慢湿法蚀刻速度的不溶性成分。

 

下图展示了TGV的表面和截面显微镜照片。依赖于成熟的掩膜光刻技术，该方法可以灵活实现各种各样的高深宽比微结构。然而，该成孔技术仅适用于光敏玻璃，这对玻璃基板的应用拓展是致命的。此外，玻璃基板在退火后会存在变形，这对会引发后续应用的可靠性问题。

 

 

5）激光烧蚀法

 

激光烧蚀通过高能定向激光束与玻璃衬底之间的烧蚀效应制备通孔。激光的光子能量传递到玻璃上是具有挑战性的。因为玻璃在很宽的波长范围内是透明的，尤其在可见光范围内的吸收率一般较低，这需要产生很高的峰值能量来触发非线性吸收效应。为了提高效率，激光烧蚀直接成孔一般使用红外线或紫外线波长的激光光束，如红外范围内的CO2激光、波长为355nm和266nm的UV YAG激光以及ArF准分子激光。

 

下图展示了在激光入射侧和激光出射侧使用ArF准分子激光形成的TGV。通孔直径在光束入射侧约为60-65μm，在出射侧约为30-35μm。图中TGV在金属化之后的截面图，可观察到通孔的锥度非常大。

 

 

激光钻孔不需要掩模，可适应各类有规律或无规律的通孔排布，具有很高的灵活性。对于信号传输，理想的孔形貌应是高圆度和低锥度。仅通过优化工艺很难消除高功率激光导致的热影响区和重铸层。并且，由于需要直接去除孔内材料，导致成孔效率慢，不适用于高集成度的封装场景。

 

6）激光诱导法

 

激光诱导湿法成孔技术可规避上文提到的效率慢、精度低、材料兼容性差、孔壁粗糙、锥度失控和一致性差等问题，被认为是制备TGV的主流技术，已在先进半导体封装领域中崭露头角。

 

这一精密加工技术可分为激光诱导和湿法刻蚀两个阶段。激光诱导所采用的光源为超短脉冲激光，其脉冲持续时间可达到皮秒、飞秒甚至是阿秒。这一作用时间远小于材料中电子能量耦合到晶格所需时间，因而热扩散效应可以忽略不记，赋予该技术“冷”加工特性。大幅度降低热影响区的特点，进一步把激光技术推进到更高精度的微纳加工领域。

 

 

除了超快激光器，激光诱导系统还集成了定制化光束整形系统、高精度导轨平台和高集成度图形解析算法。整形后的光束具备超过1020W/cm2的峰值功率密度，可在极小区域内完成精准诱导。此外，不同于传统激光烧蚀中线性变化为主的能量传递过程，这一先进诱导技术的能量传递过程是非线性的，可以达到任意材料的损伤阈值，从而在特定位置激发材料多光子吸收，进而可实现几乎所有透明材料的加工。

 

由于加工原理与传统方法不同，是新一代成孔技术，被人称为TGV3.0。

 

无需掩膜板，激光诱导系统即可按照所设计的版图在玻璃晶圆上对应位置进行改性诱导。随后，改性好的玻璃基板被放入配置好的刻蚀溶液中。改性区域和非改性区域的刻蚀速率相差两个数量级。控制刻蚀时间，得到目标尺寸的三维微结构。

 

激光诱导过程主要由焦距、脉冲能量、脉冲宽度、脉冲数量和重复频率等关键变量来调控。

 

选择性湿法刻蚀所采用的刻蚀液为酸性体系或者碱性体系，其中涉及主刻蚀剂的浓度、刻蚀温度以及过程中所采用的添加剂等。另外，激光参数和湿法刻蚀配方是强关联的。如此多相关联的工艺变量使得该技术具有超高的自由度，但也带来了极大的工艺挑战性。

 

 

 

下图是厦门大学于大全教授组通过红外飞秒激光和氢氟酸溶液在硼硅玻璃和无碱玻璃上制备出形貌良好的TGV。通过调节氢氟酸浓度可以显著改善硼硅玻璃通孔的锥度。此外，Xu等人报道了工艺配方对通孔锥度的影响，揭示了氢氟酸浓度是最关键的参数变量。

 

图(b)展示了表面孔径为60μm时，通孔的剖面最小直径为28.4 μm，但未进一步分析通孔的圆度。电子科技大学张继华教授组研究了超快激光与玻璃基板的作用机理，提出了自聚焦效应控制技术，几乎可适用于任意透明玻璃材料的通孔加工，所制备的TGV展示在图(c)中。

 

 

综上所述，激光诱导刻蚀技术明显优于其他加工方法，是实现玻璃基三维集成的关键技术。

 

如上文提到，组成玻璃的元素以及组分具有非常高的自由度，由此可衍生出应用于各类场景的基板。高自由度的激光诱导刻蚀工艺技术对于玻璃来讲是必要的。很显然，每一款玻璃所对应的工艺配方不一定可相互套用，甚至是完全不一样。因此，每一款玻璃的导入都需要很长的开发周期，这对于玻璃基三维集成的应用是一个巨大的考验。目前还未有文献报道如何科学高效的完成一款玻璃的微结构加工。并且，在改性过程中，激光与玻璃材料的作用机理仍未被揭示。

 

参考文献：

(1)李文磊 玻璃通孔的结构控制方法及电磁特性研究[D].

 

(2)朱伟军 三维集成电路中硅通孔电源分配网络分析与设计[D].

 

(3)张力 三维芯片堆叠封装中的电感耦合互连技术研究[D].

来源：半导体全解

关键词： 芯片 3D封装玻璃通孔