基于MEMS器件的玻璃通孔內(nèi)金屬批量化填充制備

李 飛，石云波，趙思晗，王彥林，劉 俊

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，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)用于圓片級封裝，通過TGV晶片的批量化金屬填充，實(shí)現(xiàn)晶圓級真空封裝的導(dǎo)線互連技術(shù)。TGV成孔技術(shù)目前已報道有多種方法，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，這對實(shí)現(xiàn)后續(xù)金屬化和批量化造成一定困難[6-7]。基于光敏玻璃的TGV工藝，只是對光敏玻璃的濕法腐蝕工藝，存在一定的局限性[8-9]。基于感應(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

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。因為玻璃屬于各向同性，在各種刻蝕方法中，濕法腐蝕“橫鉆”現(xiàn)象嚴(yán)重，且整個玻璃片腐蝕不均勻，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設(shè)置，無法同時進(jìn)行，這種方式對于單個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內(nèi)常用的玻璃通孔加工方式，其工藝簡單，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

TGV工藝用于晶圓級封裝中實(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，因此本文針對噴砂通孔的形貌設(shè)計了兩種用于實(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)電解電鍍原理，鍍層的厚度與電流密度和電鍍時間成正比，因為電鍍速率極為緩慢，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)行電鍍之前對種子層的沉積位置進(jìn)行了2種不同的方案設(shè)計，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。

因為噴砂通孔的垂直度很低，僅在大孔徑一側(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，對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)驗過程中2種方案采用的電流大小均按25 mA/cm2計算，考慮到通孔直徑和電鍍速率的問題，第一次電鍍時間設(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。繼續(xù)電鍍方案一玻璃片60 min，電鍍后如圖8所示，可以看出此時通孔完全閉合。

圖8 120 min后電鍍面金屬形貌

對比上述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)部生長到孔口周圍，再由周圍的金屬繼續(xù)生長封閉孔口；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間對比可以看出方案二沉積的銅形貌更加圓潤，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)驗測試

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

圖10 數(shù)字萬用表測量導(dǎo)通性與阻值

表1 通孔填充后導(dǎo)通性和阻值

測試數(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，由于使用萬用表測試時表筆與測試點(diǎn)不能穩(wěn)定接觸，測量阻值誤差較大，因此使用半導(dǎo)體特性分析儀來精確測量其阻值，測試設(shè)備如圖11所示。

圖11 半導(dǎo)體特性分析儀

在測試時對半導(dǎo)體分析儀進(jìn)行了限壓設(shè)置，將測試電壓的范圍設(shè)置為±0.1 V，通過分析儀測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 測試數(shù)據(jù)曲線

為了對通孔內(nèi)金屬填充形貌進(jìn)行測試，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。檢測結(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)的玻璃表面長出一定高度的金屬。通過共聚焦顯微鏡測試可以得出金屬凸臺高度為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。由于電鍍時金屬呈垂直生長方式，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，因此可以通過控制電鍍電流或者采用雙面電鍍的方式對通孔內(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?？紤]到噴砂通孔的孔徑過大和垂直度低的情況，設(shè)計了2種不同的種子層沉積方案進(jìn)行垂直電鍍，均實(shí)現(xiàn)了金屬對通孔的密封。對比了2種方案的電鍍時間和形貌，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)行圓片級真空封裝的導(dǎo)線互連技術(shù)提供了參考依據(jù)。