CN101572231B - 半导体垂直通孔形成方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种半导体垂直通孔形成方法及装置，属特种加工范畴，基于微细电加工原理，以微细群电极作为工具电极，半导体材料(通常为硅、锗、砷化镓、蓝宝石、碳化硅等，电阻率＜100Ω·cm薄片形状)作为工件，依次通过微细电火花放电、微细电化学光整和侧壁钝化工艺，实现半导体垂直通孔(直径Φ＜50μm，深宽比＜10)的加工。实施本发明的装置是提供一种在同一台设备上可连续完成微细电火花放电、微细电化学光整和侧壁钝化工艺的装置，保证了工艺的完整性和定位的精确性；该装置还增设了能够产生激波效应的激波发生器，以利于加工具有大的深宽比的半导体通孔。此工艺方法及装置具有与材料晶向无关、侧壁垂直、热影响区小、加工精度高及工艺灵活等特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体微细加工技术领域，特别是涉及一种利用微细电加工技术对半导体进行加工的半导体垂直通孔形成方法及装置，此工艺方法及装置同样适用于难加工金属及金属基复合材料的垂直通孔加工。
背景技术
随着现代信息技术向高性能、低成本和智能化等方向飞速发展，半导体材料因其具有对光、热、电、磁等外界因素变化十分敏感而独特的电学性质，已成为尖端科学技术中应用最为活跃的先进材料，特别是在3D IC封装、MEMS封装、垂直结构LED和垂直集成传感器阵列(VISA)等研发需求十分迫切。硅通孔(TSV，Through-Silicon-Via)技术的发明，成为实现先进电气互连工艺的重要途径之一。TSV技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直通孔，经过导电处理后实现芯片之间互连。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和降低功耗，同时，接触孔也为管芯发出的焦耳热提供了散热通道。由于采用了TSV互连技术，不仅有效解决了布线难题，而且功耗大大降低。
针对不同应用目的，目前主要有四种TSV制作方法：湿法刻蚀、激光加工(LBM)、深层等离子体刻蚀(DRIE)和光辅助电化学刻蚀(PAECE)。比较而言，虽然湿法刻蚀加工成本很低，但通孔不垂直且深宽比小；激光加工存在热影响区(HAZ)，虽然可以通过改进光源和加工工艺改善上述问题，但又难以提高深宽比；深反应等离子体刻蚀加工成本极高，工艺能力的灵活性较差；光辅助电化学加工表面质量差，后续导电化等工艺性不好。此外，多数情况下，TSV制作都需要打通不同材料层，包括硅材料和其它薄膜层。上述方法对材料的选择也存在着一些局限性。因此，针对小尺寸、高性能信息功能器件的研制，为MEMS封装和IC的三维集成提供更优的解决方案，研究新型高效、精密、微细和低成本的硅通孔(TSV，Through-Silicon-Via)乃至半导体通孔(TSV，Through-Semiconductor-Via，本文下同)的制作方法，已经成为国内外相关技术前沿研究热点和亟待解决的瓶颈问题。
近年来，国内外针对半导体微细加工的需求，除了进行上述技术研究之外，也在寻找新的加工途径，微细电加工技术则是一种颇具竞争力的特种加工技术手段。近年来，国内外关于半导体材料(主要以第一代半导体材料硅为主)的微细电火花加工方法研究逐渐增多，比利时鲁汶大学的D.Reynaerts等人进行了硅微结构加工的理论和实验研究，实现了硅三维微细结构的加工；国内尤其是上海交通大学赵万生教授、哈尔滨工业大学王振龙教授等，率领研究人员开展了大量相关研究工作，拓展了微细电火花加工技术的应用领域，但是，在上述相关技术研究中，由于工艺方法的限制，电极损耗很大，加工效率很低，特别是仅能加工较低电阻率的半导体材料(＜5Ω·cm)，达不到高密度、大深宽比的半导体垂直通孔阵列加工要求，因此，目前尚不能应用于面向3D IC封装、MEMS封装、垂直结构LED和垂直集成传感器阵列(VISA)等技术领域的半导体垂直通孔的加工。
发明内容
本发明目的是针对现有TSV加工方法与半导体材料晶向有关，或存在热影响区，或侧壁不垂直，或工艺不灵活等问题，发明的一种基于微细电加工原理，实现高密度、大深宽比半导体垂直通孔加工的方法及装置，可以实现TSV的高效、精密、微细和低成本加工，具有与材料晶向无关、侧壁垂直、热影响区小、加工精度高及工艺灵活等特点。
为实现以上目的，本发明采用以下的技术方案：
一种半导体垂直通孔形成方法，其特征为包括如下工序：
将工具电极安装在能实现三坐标运动亚微米进给的运动控制平台上，半导体工件固定在激波发生器端面并置于工具电极的上方，工具电极、半导体工件浸入工作液中进行加工过程，首先采用微能脉冲电源在液体介质中产生微能、瞬时火花放电，并利用激波效应迅速排除极间产物，从而实现半导体垂直通孔的微细电火花加工；微细电火花加工完毕后，关闭微能脉冲电源，更换工作液，继续将工具电极进给一定距离(大于一个孔深)，打开微能脉冲电源，使用纳秒超短脉冲，对已形成的垂直通孔进行微细电化学腐蚀光整加工，使半导体垂直通孔表面粗糙度达到半导体器件的工艺要求；最后，将工作液更换为有机钝化液，对上述半导体垂直通孔进行原位侧壁电化学钝化处理，使得半导体垂直通孔侧壁钝化后具有绝缘特性。
本发明以金属微细群电极(单个电极截面为任意形状，通常为方或圆形等)作为工具电极，半导体材料(通常为硅、锗、砷化镓、蓝宝石、碳化硅等，电阻率＜100Ω·cm，片厚＜1mm)作为工件，依次通过微细电火花放电、微细电化学光整和侧壁钝化工艺，实现半导体垂直通孔(直径Φ＜50μm，深宽比＜10)的加工；
在上述加工过程中，通过采用激波压力扰动和工件倒置的方法，促进极间产物的迅速排除，保持加工状态稳定，从而减少工具电极损耗，提高加工效率和加工精度；在微细电火花加工过程中，采用微能脉冲电源，严格控制单脉冲能量；在微细电化学光整过程中，采用纳秒超短脉冲和对应的电解液，提高电化学腐蚀的定域性；侧壁钝化还可采用传统的化学气相沉积工艺或其他钝化工艺。
一种用于实施上述半导体垂直通孔形成方法的装置，包括：机床和与机床相连的微能脉冲电源、控制平台，置于控制平台上的用以容纳工作液的工作液槽，还包括可根据不同的工序阶段有选择地向工作液槽内注入不同的工作液的工作液循环装置、激波发生器、与激波发生器电连接激波电源，所述激波发生器安装在上述机床的主轴头上，工具电极安装在上述控制平台上，半导体工件固定在激波发生器端面并置于工具电极的上方。
本发明的有益效果：
1)本发明通过严格控制微细电火花单脉冲放电能量，实现了半导体材料的微量蚀除；通过三坐标亚微米运动控制台装置，保证了微细电极的进给分辨率和定位精度；通过半导体垂直通孔的原位微细电化学腐蚀光整和侧壁钝化，提高了通孔侧壁表面完整性和绝缘特性。
2)本发明通过倒置半导体工件、激波压力辅助扰动和工作液循环等方法，尤其是利用激波效应，既不影响工艺装置加工稳定性，又有利于迅速排除极间产物，可以实现工具电极的少、无损耗，提高半导体通孔的深宽比指标。
3)本发明通过半导体垂直通孔的原位微细电化学腐蚀光整和侧壁钝化，避免了重新定位而造成的加工误差，提高了半导体工件通孔加工的精密性。
因此，本发明提出的半导体垂直通孔形成方法及装置，可以实现具有大深宽比的TSV的高效、精密、微细和低成本加工，具有与材料晶向无关、侧壁垂直、热影响区小、加工精度高及工艺灵活等特点。
附图说明
图1是本发明半导体材料垂直通孔加工原理图；
图2是本发明中使用的工作液循环装置结构示意图；
图3是本发明中使用的激波发生器结构示意图。
图中1.工作液循环装置，2.微能脉冲电源，3.激波电源，4.激波发生器，5.半导体工件，6.工作液槽，7.工具电极，8.控制平台，9.工作液，10.潜水泵，11.有机钝化液，12.电解液，13.离子交换树脂，14.过滤网，15.节流阀，16.电火花工作液，17.换能器端盖，18.压电陶瓷，19.绝缘套，21.进电片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
由图1可知，本发明的一种实施方式采用的装置包括可根据不同加工工序有选择的向工作液槽6注入不同工作液的工作液循环装置1，两个输出端分别连接工件5和工具7的微能脉冲电源2，与激波发生器4电连接的激波电源3，激波发生器4安装在机床主轴头上，其中半导体工件5固定在激波发生器4上，工具电极7置于工作液槽6中并固定在三坐标亚微米控制平台8(重复定位精度＜0.5μm，进给分辨率＜0.2μm)上。
如图2所示，本发明一种实施方式所采用工作液循环装置1可根据不同加工工序有选择的向工作液槽6注入不同工作液，该工作液循环装置1包括储液箱，储液箱顶部设置出、回液管路，底部设置供液管路，管路分别由节流阀15控制流量，在储液箱箱体内设置工作液容纳箱9、有机钝化液容纳箱11，电解液容纳箱12，电火花工作液容纳箱16，其中工作液容纳箱9内有潜水泵10，电解液容纳箱12顶部有离子交换树脂13，有机钝化液容纳箱11和电火花工作液容纳箱16顶部有过滤网14。
如图3所示，半导体工件5固定在激波发生器的进电片21电夹具中，本激波发生器主要通过激波电源3对装在换能器端盖17上的压电陶瓷18施加脉冲激励产生激波扰动效应。
实施例1：
以单晶硅材料的垂直通孔加工为例：
在微细电火花加工过程中，通过微能脉冲电源2，严格控制单脉冲放电能量(＜50μJ)及其极间分配，保证亚微米级放电间隙，实现半导体材料(电阻率＜100Ω·cm)的微量蚀除和微细电极的少、无损耗，通过三坐标亚微米运动控制平台8保证微细电极的定位精度和进给分辨率，加工出半导体通孔。
为改善半导体垂直通孔加工过程中的产物排除状况，一方面采用倒置半导体工件5、工具电极7的亚微米级工作进给量和快速回退等措施，减少短路拉弧现象；另一方面，通过增加激波发生器，即利用激波电源3对装在换能器端盖17上的压电陶瓷18施加脉冲激励，脉冲频率为100KHz-1000KHz中的某一固定频率，激励电压为0-100V可调，产生脉冲超声波，并透过工件，对加工区产生瞬时压力扰动，进一步加速产物排除，减少微细电极损耗和拉弧现象；此外，通过附加工作液循环装置1等措施，对电火花工作液16(电阻率＞106Ω·cm)起到冷却净化的效果。
针对微细电火花加工后的垂直通孔，实施微细电化学光整，消除由于微细电火花加工中的表面微裂纹、凸起、凹坑等缺陷，提高半导体通孔的表面完整性。为保证亚微米级的定域腐蚀精度，可以利用微能脉冲电源2，通过选取合适电参数(如：脉冲频率2MHz、脉冲宽度50ns、脉冲电压幅值3V)和合适的电解液12(如：1％HF溶液)，并施加激波压力扰动，促进新鲜电解液的补充和腐蚀产物的排除。
对经过光整处理的半导体垂直通孔采取原位钝化的方式，在含KNO3的乙二醇溶液中加入少量1mol·L-1C2H5OH形成有机钝化液，采用幅值为100V的脉冲电压对半导体垂直通孔侧壁进行电化学钝化处理，得到均匀而耐压的钝化膜，使得光整后的半导体垂直通孔侧壁钝化而具有绝缘特性。
在上述各个加工过程中，当需要更换不同工作液时，采用去离子水冲洗工作液槽和工作液循环装置，以防在各个加工过程中的溶液污染。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种半导体垂直通孔形成方法，其特征为该方法包括如下工序：
将工具电极安装在精密进给控制平台上，半导体工件固定在激波发生器端面并置于工具电极的上方；
1)首先，采用微能脉冲电源，并控制工具电极向上产生亚微米级进给，与半导体工件在电火花工作液介质中产生微能、瞬时火花放电，实现半导体垂直通孔的微细电火花加工，加工完毕后，关闭微能脉冲电源；
2)保持半导体工件、工具电极位置不变，更换工作液为电解液，然后，为使通孔内的工具电极为未加工状态，将工具电极进给大于一个孔深距离，打开微能脉冲电源，使用纳秒超短脉冲，对已形成的垂直通孔进行微细电化学腐蚀光整加工，最终使半导体垂直通孔表面粗糙度达到半导体器件的工艺要求；
3)最后，将工作液更换为有机钝化液，对上述半导体垂直通孔进行原位侧壁电化学钝化处理，使得半导体垂直通孔侧壁钝化后具有绝缘特性。
2.根据权利要求1所述的半导体垂直通孔形成方法，其特征是：在权利要求1所述的三个步骤中，均采用激波效应实现对加工区产生瞬时压力扰动，从而促进产物排除和新鲜工作液的进入，激波由脉冲频率为100KHz-1000KHz中的某一固定频率脉冲超声波产生，脉冲超声波的激励电压为0-100V可调。
3.根据权利要求1所述的半导体垂直通孔形成方法，其特征是：所述工具电极为金属微细群电极，通常为铜、铜钨合金材料。
4.根据权利要求1所述的半导体垂直通孔形成方法，其特征是：所述半导体工件电阻率＜100Ω·cm，片厚＜1mm，形成的半导体通孔直径Φ＜50μm，深宽比＜10，表面粗糙度Ra＜0.1μm。
5.一种实施权利要求1所述半导体垂直通孔形成方法的装置，包括：机床和与机床相连的微能脉冲电源(2)、控制平台(8)，置于控制平台(8)上的用以容纳工作液的工作液槽(6)，与微能脉冲电源(2)相连的工具电极(7)，其特征是：还包括根据不同的工序阶段有选择地向工作液槽(6)内注入不同工作液的工作液循环装置(1)、激波发生器(4)、与激波发生器(4)电连接激波电源(3)、所述激波发生器(4)安装在上述机床的主轴头上，所述工具电极(7)安装在上述控制平台(8)上，半导体工件(5)固定在激波发生器(4)端面并置于工具电极(7)的上方。
6.根据权利要求5所述的半导体垂直通孔形成方法的装置，其特征是：所述的工作液循环装置(1)包括储液箱，储液箱顶部设置出、回液管路，底部设置供液管路，管路分别由节流阀(15)控制流量，在储液箱箱体内设置工作液容纳箱(9)、有机钝化液容纳箱(11)，电解液容纳箱(12)，电火花工作液容纳箱(16)，其中工作液容纳箱(9)内有潜水泵(10)，电解液容纳箱(12)顶部有离子交换树脂(13)，有机钝化液容纳箱(11)和电火花工作液容纳箱(16)顶部有过滤网(14)。
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