玻璃基三維集成技術(shù)領(lǐng)域系列研究新進展

三維集成是后摩爾時代集成電路發(fā)展的主要技術(shù)途徑。玻璃通孔（TGV）技術(shù)與傳統(tǒng)的三維封裝技術(shù)相比，有著成本低、高頻損耗小、集成度高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等顯著優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外研究的熱點，被英特爾譽為“新的游戲規(guī)則改變者”。電子科技大學(xué)張繼華教授團隊在國內(nèi)率先開啟三維集成玻璃通孔材料和集成技術(shù)研究，聯(lián)合成都邁科科技有限公司在新型可光刻玻璃基板、超細(xì)玻璃通孔及超高深徑比通孔填充等方面取得了一系列新進展。

一、可光刻玻璃材料介電損耗控制方法

針對光敏玻璃介電損耗與可光刻性難以兼顧的技術(shù)難點，團隊發(fā)明了低損耗的可光刻玻璃基板及生產(chǎn)方法，利用中和堿效應(yīng)、壓制效應(yīng)和穩(wěn)定效應(yīng)，減小光敏玻璃介電損耗，在低損耗玻璃材料設(shè)計、熱匹配設(shè)計與制備工藝等方面取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，開發(fā)出兼具良好介電性能和刻蝕選擇性的可光刻玻璃。研制的光敏玻璃介電損耗為1‰～2‰@500 MHz，感光波長范圍為310～320 nm，與國際上唯一一款商用光敏玻璃肖特Foturan II 相比介電損耗降低一半以上，光敏性顯著增強，并實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。

二、高質(zhì)量超細(xì)孔徑玻璃通孔形成技術(shù)

團隊在總結(jié)TGV 技術(shù)發(fā)展特征的基礎(chǔ)上，提出了TGV 的劃代標(biāo)準(zhǔn)及第三代TGV 技術(shù)（TGV3.0），利用激光成絲誘導(dǎo)局域多光子吸收原理結(jié)合濕法腐蝕方法，擺脫了第二代TGV 技術(shù)（光敏玻璃）對單一玻璃材料的限制。研究了可光刻玻璃中光、熱、化學(xué)對玻璃的作用機理，掌握了基于可光刻玻璃的高密度通孔形成技術(shù)，研制出最小孔徑為5 μm、最大深徑比可達80∶1、最大通孔密度為250 000 cm-2的超細(xì)孔徑玻璃通孔基板。提出了一種考慮到側(cè)壁粗糙度的精確RLGC電氣模型，掌握了孔內(nèi)壁粗糙度對微波性能的影響規(guī)律，通過控制激光誘導(dǎo)濕法蝕刻工藝，使側(cè)壁粗糙度從1.257 μm 降低到25 nm，從而提高了玻璃三維集成電路中信號傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?，?yōu)化結(jié)果如圖1 所示，TGV 孔內(nèi)壁粗糙度對信號完整性的影響如圖2所示。

圖1 6 組TGV 樣品均方根粗糙度測試結(jié)果

圖2 TGV 孔內(nèi)壁粗糙度對信號完整性的影響

三、超高深徑比玻璃通孔金屬化技術(shù)及應(yīng)用

傳統(tǒng)通孔種子層必須采用設(shè)備昂貴的深孔濺射PVD 設(shè)備，且深徑比不超過10∶1。團隊提出一種玻璃深孔內(nèi)壁鎳磷金屬種子層制備的化學(xué)鍍方法，擺脫了對成本高、深徑比小的深孔濺射PVD 設(shè)備的依賴，實現(xiàn)了最大50∶1 的超高深徑比玻璃通孔孔壁種子層制備，大幅減小種子層制作成本。優(yōu)化了超高深徑比玻璃通孔電鍍液配方和工藝，發(fā)明了通孔側(cè)壁附著、晶圓級深孔電鍍、玻璃/厚銅復(fù)合層精密拋光以及中間向兩端生長的通孔金屬填充方法。攻克了三維集成TGV集成度低的堡壘，兼顧了集成度和微波性能。通孔金屬化及其不同形貌、間距對傳輸特性的影響規(guī)律如圖3 所示。

圖3 通孔金屬化結(jié)構(gòu)及其不同形貌、間距對傳輸特性的影響

此外，團隊提出了一種用于提取雙曲線TGV 寄生特性的通用分析方法，以便更有效地評估微波器件的電氣性能；面對具有低基板損耗的玻璃通孔存在信號失真的問題，提出了一個寬帶可擴展模型，用于評估信號可靠性和合理化玻璃穿孔器中的三維集成設(shè)計；基于先前研究，利用TGV 技術(shù)，開發(fā)了使用集成的左右手雙復(fù)合（ID-CRLH）諧振器單元實現(xiàn)小型化帶通濾波器的合成方法；在高Q 芯片電感、新型濾波器、封裝天線等應(yīng)用領(lǐng)域也取得了重要進展，為高性能微波器件提供了新的解決方案。

未來，團隊研究內(nèi)容將向一“大”一“小”發(fā)展，“大”就是將TGV 基板由晶圓級擴展到面板級，“小”則是進一步將亞10 μm 縮小到亞μm，突破通孔孔徑極限，擴展更多應(yīng)用場景。基于TGV 的三維結(jié)構(gòu)化玻璃材料還可以擴展應(yīng)用到微流控芯片、MicroLED 基板、折疊顯示屏、電子霧化芯等。