CN101849284A - 降低基板翘曲的结构 - Google Patents

Abstract

在此披露的本发明涉及用来降低基板翘曲的方法。

Description

降低基板翘曲的结构

技术领域

在此披露的本发明涉及一种控制基板翘曲的方法。

发明背景

对薄膜基工艺而言，这类产品在高产量时，如集成电路模块的产品，基板平坦度通常是一个重要因素。这种基板翘曲会在通孔堆叠对齐时和/或电容器或电感器值产生相当大的偏差，或者说有不利影响。所以，翘曲基板可能不适用于涉及细线条宽度/空间设计的薄膜工艺，诸如一个10微米/10微米设计。

附图说明

参照附图将描述非限制性和非排它性的实施例，其中在说明书的各个部分，相同参照码是指相同的组件，除非另外特别说明。

图1是本发明一个实施例的一个两侧具有表面改性层的基板示意图。

图2是本发明一个实施例的沿着图1所示多层基板结构的线A-A’的截面图。

图3是本发明一个实施例的一个预切基板结构的截面图。

图4是本发明另一个实施例的一个预切基板结构的截面图。

图5是本发明一个实施例的包括一种表面改性材料的基板结构的平面图。

图6是本发明一个实施例的描述第一基板的翘曲的试验数据图。

图7是本发明一个实施例的描述在基板一侧上包括单个表面改性材料层的第一基板的修正翘曲的试验数据图。

图8是本发明一个实施例的描述第二基板的翘曲的试验数据图。

图9是本发明一个实施例的描述在基板两侧上包括表面改性材料的第二基板的降低翘曲的试验数据图。

图10是本发明一个实施例的包括一种图案化表面改性材料的基板结构的平面图。

图11是本发明另一个实施例的包括一种图案化表面改性材料的基板结构的平面图。

图12是本发明另一个实施例的包括一种图案化表面改性材料的基板结构的平面图。

发明详述

在以下的详细描述里，阐述了许多具体细节以便能够完整地理解本发明。但是，本领域技术人员将会理解，不需要这些具体细节也可以实施本发明。另外，为了便于清晰地描述本发明，本领域技术人员所熟知的方法、装置或系统将不会被详细描述。

在说明书里，“一个实施例”是指包含在至少本发明一个实施例内的一个特别实施例里描述的一个特别特征、结构或特性。因此，在说明书的各个地方出现的“在一个实施例里”或“一个实施例”不一定意在是指同一实施例或描述的任何一个特别实施例。此外，将会理解，在一个或多个实施例里，所述的特别特征、结构或特性可以以各种方式进行组合。当然，通常这些问题将根据特定情境而不同。所以，描述特定情境和使用这些术语可以有助于提供有关从上下文引伸出来的指引。

同样，在此使用的“和”、“和/或”和“或”可以包括各种涵义，其同样至少部分取决于使用这些术语的情景。通常，使用“或”和“和/或”将与一个列表有关，如A、B或C，意在指A、B和C，是在包含意义上上使用，以及A、B或C，是在排它意义上使用。另外，在此使用的“一个或多个”可被用来描述单数的任何特征、结构或特性，或可被用来描述一些组合的特征、结构或特性。

在一个实施例里，一种表面改性(surface-modifying)材料，诸如氧化铝和氧化硅，被施加到一个半导体基板的一个或多个表面上，如一个烧结陶瓷(as-fired ceramic)基板(如Al203或AlN)，从而在薄膜相关工艺过程里降低基板表面的粗糙度。这种粗糙度可能是使用一个涉及烧结过程的相当廉价的工艺来制造基板而引起的。遗憾地，这种工艺过程会导致基板表面粗糙，在其上可能很难形成薄膜电路。但是，这种具有多结构的基板，例如许多这种多层结构，会在温度变化期间发生翘曲。如果遭受温度变化的多层结构包含的各层具有不同热膨胀系数(CTE)，翘曲即结构扭曲度，就会发生。例如，一个包含基板和表面改性材料的结构可能具有不同的CTE。在一个特别例子里，硅基板有一个2到4ppm/℃(百万分之一/摄氏度)的CTE，而SiO2有一个0.5到1ppm/℃的较低的CTE。在另一个特别例子里，一个具有96％铝的基板的CTE是7^▲8ppm/℃，而一种表面改性材料的CTE是5^▲10ppm/℃。因此，这种结构在从高温度状态到正常(即周围)温度状态的结构冷却过程期间发生翘曲。在一个特别例子里，如果在这种冷却过程期间，基板的热收缩(thermal contraction)比表面改性材料的更高，即如果基板的CTE高于表面改性材料的CTE，那么结构的基板一侧会发生凹翘曲，而表面改性材料一侧会发生凸翘曲。通过基板和其它表面改性材料的刚性和其它特性，也可以通过诸如膜厚度和/或形成温度的工艺和结构参数，可以确定这种翘曲的方向和度数。

尽管表面改性材料可以被施加到一个半导体基板的一个或多个表面来降低基板翘曲，如一个烧结铝陶瓷基板，如上所述，这种材料也可以被合适地施加到基板上而形成一个多层结构，其对一个给定温度变化可能发生相对较小的翘曲。在一个实施例里，这种施加到一个基板表面的表面改性材料可能包括一个特别图案，以便降低基板在温度变化期间可能发生的翘曲程度。模拟和/或仿真基板和表面改性材料的材料属性可被用来确定这种可以降低翘曲的图案相对于基板的形状和/或尺寸。这种属性包含CTE、材料物理尺寸、温度变化、拉伸和压缩力、以及这种压力方向等。其它材料属性可以包含弹性模数(elastic modulus)、泊松比率、以及组合的基板和表面改性材料的CTE。这些材料属性可以是与温度有关的。这种多层结构可以包括一个基板和在基板一侧或两侧上的一种表面改性材料，其中在基板一侧或两侧上的表面改性材料可被图案化以便能够在温度变化期间降低、控制、限制和/或最小化翘曲。这种多层结构也可以包含一个具有在顶面或底面上的预切(pre-cut)结构的基板和在预切基板一侧或两侧上的一种表面改性材料。表面改性材料可以被施加到一个基板，并通过诸如光刻工艺和/或印刷工艺被图案化。

图1是本发明一个实施例的一个多层基板结构100的示意图，而图2是沿着图1所示多层基板结构的线A-A’的截面图。这种结构包括一个基板110，第一表面改性材料120施加到其中一个表面，第二表面改性材料130被施加到相反表面，其中这种表面改性层在基板110一个或两个表面上可以是一个设计图案。第一和第二表面改性材料120和130可以包括相同的或不同的材料。这种材料可以包括陶瓷基材料，如氧化铝和氧化硅、聚合物基材料、如BCB，其包括一种类型的聚合物基材料，可被用作有关晶圆级封装工艺的电介质材料，以及导热氧化物、和/或金属基材料，如电镀铜和焊料等。同样，第一表面改性材料120的图案、厚度、结构、和/或形状可以与第二表面改性材料130的相同或不同。例如，表面改性材料120可能包括一个恒定厚度，而表面改性材料130可能包括一个变化的厚度，沿着其边缘有最大的厚度，而在其中央有最小的厚度。当然，这种厚度分布仅是一个示例，而本发明并不受此限制。如上所述，利用模拟和/或仿真基板和表面改性材料的材料属性，可以选择表面改性材料的材料和/或厚度，以便能够降低翘曲。例如，第一表面改性材料120可能包括一个具有一个或多个凹陷140的图案。从基板的一部分到基板的另一个部分，在这种图案特征的在基板上的尺寸和位置可能发生变化。例如，在基板一个边缘上的凹陷140的尺寸可能不同于在基板另一个边缘上的凹陷140，尽管本发明并不受此限制。

施加表面改性材料到一个基板的过程可以包括化学气相沉积(CVD)、光刻、印刷、和/或喷墨印刷等。通过在基板上覆盖表面改性材料，然后使用诸如反应离子蚀刻(RIE)有选择性地掩膜和蚀刻掉部分表面改性材料，可以实现表面改性材料的图案化。另一方面，使用采用抗蚀剂掩膜的湿蚀刻也可以实现图案化。返回图1，这种施加第一和第二表面改性材料120和130到基板110的过程可能是相同的或者是不同的。

图3是本发明一个实施例的一个预切基板结构300的截面图。这种结构，其包括一个基板310，第一表面改性材料320施加到一个表面，第二表面改性材料330施加到具有凹槽325的另一个表面，这被称为预切基板结构。凹槽可以在基板310的一侧上形成，相反一测则形成薄膜结构(图中未显示)，如微电路。第一和第二表面改性材料320和330的材料可以是相同的，或者是不同的。同样，第一和第二表面改性材料320和330的图案、厚度、结构、和/或形状可以是相同的，或者是不同的。在一个特别实施例里，基板310可以通过一个或多个过程而形成凹槽325，诸如掩膜和蚀刻，然后第二表面改性材料330被施加以注满和/或覆盖凹槽325。一个具有凹槽的基板会降低基板的刚性，其有助于控制相对较软材料的翘曲，如BCB，其被涂敷到一个相对刚性的基板上，诸如铝陶瓷基板。举例而言，这种凹槽的尺寸可以包括50微米的深度和/或宽度。当然，本发明并不受此限制。当然，这样凹槽325的描述仅是一个示例，而本发明并不受此限制。图4是本发明另一个实施例的一个预切基板结构400的截面图，其中凹槽425在基板410的一侧上形成，其上可以形成薄膜结构(图中未显示)，如微电路。如图3所示的实施例，第一和第二表面改性材料420和430的材料可以是相同的，或者是不同的。同样，第一和第二表面改性材料420和430的图案、厚度、结构、和/或形状可以是相同的，或者是不同的。在一个特别实施例里，基板410可以通过一个或多个过程形成凹槽425，诸如掩膜和蚀刻，然后施加第一表面改性材料420以注满和/或覆盖凹槽425。

图5是本发明一个实施例的的基板结构500的平面图，该结构包括一个施加到基板510的图案化的表面改性材料520。表面改性材料520包括一个图案，其包括一个或多个凹陷部分540和545。从基板的一部分到基板的另一个部分，这个图案特征在基板上的尺寸和位置会有所不同。例如，凹陷部分540的尺寸不同于凹陷545，尽管本发明并不受此限制。在一个特别实施例里，一个或多个凹陷不一定要限制在沿着基板510的边沿设置。例如，一个或多个凹陷可以位于基板510的中央区。可以选择凹陷540和545的尺寸，如相对于基板尺寸A的长度B和深度C，以便降低、控制、和/或限制基板结构500的翘曲。如上所述，这种选择可以通过使用各种模拟过程而进行。例如，这种模拟过程可以考虑基板510和表面改性材料520的CTE、在制造过程期间基板结构500可能遭受的温度等。模拟过程也可以考虑凹陷形状、凹陷数目和/或制造过程之前的基板初始翘曲。除了表面改性材料520包括的几何图案，表面改性材料520也包括在基板510不同部分上的一个或多个厚度。例如，在靠近基板510的边缘，表面改性材料520的厚度是50微米，而在基板510的中心部分上厚度为30微米。这种在距离上的厚度变化可以是阶段逐步的、线性的、和/或非线性的。而且，也可以使用模拟过程来确定这个厚度，以便在制造过程的预期温度变化期间控制基板结构500的翘曲。当然，表面改性材料的这种几何图形和尺寸仅是示例，本发明并不受此限制。

图6是本发明一个实施例的试验数据图600，描述了没有表面改性材料的第一基板610的翘曲。在图中所示的这种数据表示基板的表面拓扑。在试验中，基板610包括一个0.4毫米厚度的96％铝基板。在试验温度变化之后，数据600显示基板610沿着Y方向发生凹翘曲并在X方向发生凸翘曲。如果基板610被用于集成电路制造，这种翘曲度会产生一个相对较低的制造产量。

图7是本发明一个实施例的试验数据图700，描述了在基板一侧上有单个表面改性材料层(图中未显示)的第一基板610的翘曲。这个翘曲特性不同于那些没有表面改性材料的第一基板610。例如，在试验温度变化之后，数据700显示基板610在Y方向发生凸翘曲。而且，如果基板610被用于集成电路制造，这种翘曲度会产生一个相对较低的制造产量。所以，在基板610一侧上的单个表面改性材料层，尽管改变了基板翘曲方向和翘曲度，但也不会降低到一个可接受的翘曲度。

图8是本发明一个实施例的试验数据图800，描述了没有表面改性材料的第二基板810的翘曲。在附图上显示的这些数据显示了基板的一个表面拓扑。在试验中，基板810包括一个0.4毫米厚度的96％铝基板。在试验温度变化之后，数据800显示基板810沿着X方向发生凹翘曲和Y方向发生凸翘曲。如果基板810被用于制造集成电路，这种翘曲度会产生一个相对较低的制造产量。

图9是本发明一个实施例的试验数据图900，描述了在基板两侧上都有表面改性材料层的第二基板810的修正翘曲。在试验温度改变之后，数据900显示基板810的翘曲已经有相当大的降低，其在X和Y方向上发生相对较小的凹翘曲。如果基板810，在其两侧都有表面改性材料层，而用于制造集成电路，这种降低的翘曲度可以提供相对较高的制造产量。所以，在基板810两侧上的表面改性材料层可以降低和/或修正基板的翘曲程度。当然，这种实验数据仅是基板和表面改性材料层的可能行为的示例，本发明并不受此限制。

图10、11和12是本发明一个实施例的包括一个图案化表面改性材料的基板结构的平面图。这种基板结构，在温度变化期间，可能会以一种特别方式发生翘曲，与这些特别的表面改性材料图案有关。这些不同的图案可被选择用于特别的翘曲方向和翘曲度。在图10，基板结构1000包括被施加到基板1010的表面改性材料1020。表面改性材料1020包括一个沿着基板1010的四侧有一个或多个凹陷1040的图案。在图11，基板结构1100包括被施加到基板1110的表面改性材料1120。表面改性材料1120包括一个沿着基板1110的两侧有一个或多个凹陷1140的图案。在图12，基板结构1200包括被施加到基板1210的表面改性材料1220。表面改性材料1220包括一个沿着基板1210的侧边有一个或多个三角形凹穴1240的图案。当然，这些图案仅是基板结构设计的示例，本发明并不受此限制。此外，表面改性材料1020、1120和1220的厚度可以是恒定的，或分别在基板1010、1110和1210上的位置发生变化。尽管在附图里显示了正方形基板，但基板可以是任何形状或外观，如圆形、矩形等。当然，基板和表面改性材料的这些形状和图案仅是示例，本发明并不受此限制。

本领域技术人员将会认识到，对以上描述作出各种改变是可能的，所以示例和附图仅是意在描述一个或多个特别实施。

虽然已经详细说明了本发明的示例实施例，本领域技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的条件下可以作出各种改变，替换和变化。此外，在不脱离在此所述的中心概念的前提下可以做出许多改变以将特别情况适用到本发明的教义。所以，本发明意在不受限于披露的特别实施例，也可以包括所有符合附加权利要求范围内的实施例及其等同物。

Claims (26)

1.一种方法，包括：

设置第一表面改性材料在基板的第一表面上，所述第一表面改性材料有第一图案，该第一图案包括一个或多个厚度以控制所述基板的翘曲。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

设置第二表面改性材料在所述基板的第二表面上，所述第二表面改性材料有第二图案，该第二图案包括一个或多个厚度以控制所述基板的翘曲，其中所述第一表面与所述第二表面相反。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一表面改性材料和所述第二表面改性材料是否包括相同材料或不同材料，至少部分取决于翘曲控制的程度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述设置所述第一表面改性材料还包括：

通过一个喷墨工艺施加所述第一表面改性材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述设置所述第一表面改性材料还包括：

通过一个印刷工艺施加所述第一表面改性材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述设置所述第一表面改性材料还包括：

通过一个光刻工艺施加所述第一表面改性材料。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

通过一个光刻工艺施加所述第二表面改性材料。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述设置所述第一表面改性材料之前，在所述基板的所述第一表面上形成凹槽。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一表面改性材料有第一热膨胀系数(CTE)，而所述基板有第二CTE。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二表面改性材料有一个CTE，其数值与所述第一CTE相同。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二表面改性材料有一个CTE，其数值与所述第一CTE不同。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板包括一个陶瓷基板。

13.一种装置，包括：

一个具有第一热膨胀系数(CTE)的基板；和

一个具有第二CTE的第一表面改性材料，所述第一表面改性材料被设置在所述基板的第一表面上，其中

在所述装置的温度变化期间，所述基板翘曲量的变化至少部分对应于所述第一CTE和所述第二CTE之间的差异，和

所述第一表面改性材料以第一图案的形式被设置在所述基板的所述第一表面上，露出所述基板的部分所述第一表面，使得所述翘曲量有一个降低的翘曲量。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一图案包括所述第一表面改性材料有一个或多个不同厚度。

15.根据权利要求13所述的装置，其中所述基板包括一种陶瓷基板。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一表面改性材料包括聚合物基材料。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一表面改性材料包括一种陶瓷基材料和/或一种金属基材料。

18.根据权利要求13所述的装置，还包括：

具有第三CTE的第二表面改性材料，所述第二表面改性材料被设置在所述基板的第二表面上，其中

所述第二表面与所述基板的所述第一表面相反，

在所述装置的所述温度变化期间，所述基板的所述翘曲量变化至少部分对应于所述第三CTE和所述第二CTE之间的差异，和

所述第二表面改性材料以第二图案的形式被设置在所述基板的所述第二表面上，露出所述基板的部分所述第二表面，使得所述翘曲量包括所述降低的翘曲量。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述第二图案包括所述第二表面改性材料有一个或多个不同厚度。

20.根据权利要求18所述的装置，其中所述第三CTE的数值与所述第二CTE相同或者不相同。

21.一种装置，包括：

将第一表面改性材料设置在基板第一表面上的装置，所述第一表面改性材料有包括一个或多个厚度的第一图案以控制所述基板的翘曲。

22.根据权利要求21所述的装置，还包括：

将第二表面改性材料设置在所述基板第二表面上的装置，所述第二表面改性材料有包括一个或多个厚度的第二图案以控制所述基板的翘曲，其中所述第一表面与所述第二表面相反。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述第一表面改性材料和所述第二表面改性材料包括相同的材料或者包括不相同的材料。

24.根据权利要求21所述的装置，还包括：

在所述设置所述第一表面改性材料之前，在所述基板的所述第一表面上形成凹槽的装置。

25.根据权利要求21所述的装置，其中所述第一表面改性材料有第一热膨胀系数(CTE)，而所述基板有第二CTE。

26.根据权利要求21所述的装置，其中所述安排所述第一表面改性材料还包括：

通过喷墨印刷工艺施加所述第一表面改性材料的装置。

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