CN103280435A - 实现高密度硅通孔互联的微电子芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现高密度硅通孔互联的微电子芯片，在硅裸芯片上密集制造硅通孔，形成高密度硅通孔阵列，将碳纳米管材料加工成致密碳纳米管束，将不同的致密碳纳米管束分别对应插入不同的硅通孔，形成致密碳纳米管束阵列，在硅通孔和致密碳纳米管束之间的间隙内填充密实绝缘材料，通过致密碳纳米管束的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子元器件封装制造。还公开了本发明微电子芯片的制造方法，利用碳纳米管填充硅片通孔，实现了硅片上的高密度硅通孔互联，提高了微电子系统面积利用率，缩短了芯片互联距离，减低局部和全局的时延，提高了始终频率，减低了系统功耗、减少了输入/输出驱动器数量，在众多工业领域拥有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子系统及其制造方法，特别是涉及一种应用于三维大规模集成的封装工艺的微电子器件及其制造方法，属于微电子机械加工技术领域。
背景技术
随着集成电路的发展，封装技术也在不断向着小型化和更可靠的方向发展。高密度硅通孔是封装领域出现的一种用于三维大规模集成的封装技术。三维硅通孔技术是一项非常有发展潜力的下一代高密度多功能微电子系统解决方案。三维硅通孔互联技术不但能够减少系统总面积，提高宝贵的面积利用率，还能缩短芯片互联距离，减低局部和全局的时延。不仅如此，三维硅通孔互联技术还有着提高始终频率，减低系统功耗，和减少输入/输出驱动器的数量等优点。
基于以上述的关于三维硅通孔互联的诸多优点，使用何种材料填充通孔就变得非常重要了。传统金属，例如铜，钨，多晶硅，金和导电聚合物，是目前比较常用的通孔填充材料。但是这些材料都有着各自在生产，封装和测试方面的局限，不利于对电学，热学和机械学性能要求很高的微电子元器件封装制造和应用。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种实现高密度硅通孔互联的微电子芯片及其制造方法，利用具有优秀的电学，热学和机械学性能的碳纳米管填充硅片通孔，实现了硅片上的高密度硅通孔互联，为微电子器件的三维大规模集成的封装提供了保障，在众多工业领域拥有广泛的应用前景。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种实现高密度硅通孔互联的微电子芯片，在硅裸芯片上密集制造硅通孔，形成高密度硅通孔阵列，将碳纳米管材料加工成致密碳纳米管束，将不同的致密碳纳米管束分别对应插入不同的硅通孔，形成致密碳纳米管束阵列，在硅通孔和致密碳纳米管束之间的间隙内填充密实绝缘材料，使高密度硅通孔阵列和致密碳纳米管束阵列固定组装为一体，并使在硅裸芯片两侧的致密碳纳米管束的端部暴露出来，通过致密碳纳米管束的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子元器件封装制造。密实绝缘材料优选为聚合物绝缘材料。
本发明实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的制造方法，包括如下步骤：
a. 在一片硅裸芯片上旋涂上一层剥离胶，加热这层剥离胶后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光10秒，MF319显影液45秒之后，剥离胶形成底切结构，对硅裸芯片进行蒸镀催化剂工艺后，再使硅裸芯片置于光刻胶去除剂中，然后去除剥离胶，光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜在硅裸芯片上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由10nm厚的Al2O3和1nm厚的Fe组成；
b. 将载有催化剂薄膜图案的硅裸芯片置入石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以 600 cm3/min的氢气，加热整个化学气相沉积系统至700℃，稳定5分钟后，再加以200 cm3/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体，反应10分钟后，切断乙炔供应，并停止加热，再将氩气以900 cm3/min的速率通入石英管中，保持氩气的气流供应直至石英管中冷却至接近200°C，从而在硅裸芯片上垂直密集生长一系列致密碳纳米管束，形成按照在上述步骤a中制备的催化剂图案定向生长的致密碳纳米管束阵列；
c. 将得到的带有致密碳纳米管束阵列的硅裸芯片倒置于纸上，使致密碳纳米管束的端面直接与纸面接触，随后在纸上喷洒异丙醇液体，并等待异丙醇液体挥发消失；
d. 将致密碳纳米管束与纸分离，得到带有致密碳纳米管束阵列的硅芯片样件；
e. 再另取一块硅裸芯片，在硅裸芯片上密集制造硅通孔，形成高密度硅通孔阵列，得到具有高密度硅通孔阵列的硅芯片；优选使用与在上述步骤a中相同的方法制作出光刻胶掩模图形，使用深度反应离子刻蚀方法在硅裸芯片上密集制造硅通孔；
f. 将在上述步骤d中制得的硅芯片样件至于平坦表面上，将在上述步骤e中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片置于硅芯片样件之上，使硅芯片样件上的碳纳米管和具有硅通孔阵列的硅芯片的通孔位置一一对准，使带有碳纳米管阵列的硅片上的碳纳米管同时插入具有硅通孔阵列的硅芯片的硅通孔中，获得层叠硅芯片；
g. 在层叠硅芯片上，硅通孔和致密碳纳米管束之间的间隙内被密实绝缘材料填充，使高密度硅通孔阵列和致密碳纳米管束阵列固定组装为一体，得到固定连接的层叠芯片；所填充的密实绝缘材料优选为聚合物，即使用悬涂工艺在上述步骤f中制得的层叠芯片上涂上一层BCB光刻胶，经过加热使BCB光刻胶交联形成聚合物，使硅通孔和致密碳纳米管束之间的间隙内被聚合物密实填充；
h. 反转在上述步骤g中制得的固定连接的层叠芯片，使用深度反应离子刻蚀方法去除在上述步骤d中制得的硅芯片样件，留下具有高密度硅通孔阵列的硅芯片；
i. 去除在上述步骤h中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片上的致密碳纳米管束的束头上的多余部分，使得在硅裸芯片两侧的致密碳纳米管束的端部暴露出来，最终获得用于碳纳米管互联的具有致密碳纳米管的硅芯片器件，即通过致密碳纳米管束的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子器件封装制造；当所填充的密实绝缘材料为聚合物时，使用离子刻蚀方法，去除在上述步骤h中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片上的碳纳米管束的束头上的多余BCB光刻胶聚合物，即能使得致密碳纳米管束的端部暴露出来。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明实现高密度硅通孔互联的微电子芯片利用具有优秀的电学，热学和机械学性能的碳纳米管填充硅片通孔，实现了硅片上的高密度硅通孔互联，为微电子器件的三维大规模集成的封装提供了保障，能够制造高性能和高密度的三维电子封装器件，基于碳纳米管束的硅通孔技术能够为各种电子电路提供集成解决方案，在众多工业领域拥有广泛的应用前景；
2. 本发明创造性提出了使用光刻胶聚合物填充孔隙，来辅助制造高密度硅通孔互联的微电子芯片，具有工艺简单，封装和测试方便的优点。
附图说明
图1 是本发明实施例一实现高密度硅通孔互联的微电子芯片在封装前的结构示意图。
图2 是利用本发明实施例一实现高密度硅通孔互联的微电子芯片构造LED发光电子系统的示意图。
图3是本发明实施例一的生长并致密后的碳纳米管扫描电子显微镜图像照片。
图4是本发明实施例一的通过深度反应离子刻蚀出的硅通孔的扫描电子显微镜图像照片。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～图3，一种实现高密度硅通孔互联的微电子芯片，在硅裸芯片1上密集制造硅通孔，形成高密度硅通孔阵列，如图3所示，将碳纳米管材料加工成致密碳纳米管束2，将不同的致密碳纳米管束2分别对应插入不同的硅通孔，形成致密碳纳米管束阵列，如图2所示，在硅通孔和致密碳纳米管束2之间的间隙内填充密实绝缘材料3，采用聚合物绝缘材料作为密实绝缘材料3，使高密度硅通孔阵列和致密碳纳米管束阵列固定组装为一体，如图1所示，并使在硅裸芯片1两侧的致密碳纳米管束2的端部暴露出来，通过致密碳纳米管束2的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子元器件封装制造。本实施例利用具有优秀的电学，热学和机械学性能的碳纳米管填充硅片通孔，实现了硅片上的高密度硅通孔互联，能够制造高性能和高密度的三维电子封装器件，基于碳纳米管束的硅通孔技术为各种电子电路提供集成解决方案，使三维大规模集成微电子芯片的封装和测试更加方便。如图4所示，将本实施例实现高密度硅通孔互联的微电子芯片用于构造LED发光电子系统，将本实施例微电子芯片和平面LED发光功能器件5一起，使用表面贴装方法封装在PCB基板上，即封装于由基板4和封盖形成的密封体内，在本实施例实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的致密碳纳米管束2的端部组装平面LED发光功能器件5，使致密碳纳米管束2端部互联，也即为将LED发光器件使用标准表面贴装置于本实施例微电子芯片上，构造互联电极，制造出高性能和高密度的三维LED电子封装构造，减少了微电子系统总面积，提高了面积利用率，缩短了芯片互联距离，减低局部和全局的时延。不仅如此，本实施例基于三维垂直碳纳米管互联的硅通孔互联方法还有着提高始终频率，减低系统功耗和减少输入/输出驱动器的数量等优点。
本实施例实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的制造方法，包括如下步骤：
a. 在一片硅裸芯片1上旋涂上一层剥离胶，加热这层剥离胶后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光10秒，MF319显影液45秒之后，剥离胶形成底切结构，对硅裸芯片1进行蒸镀催化剂工艺后，再使硅裸芯片1置于光刻胶去除剂中，然后去除剥离胶，光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜在硅裸芯片1上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由10nm厚的Al2O3和1nm厚的Fe组成；
b. 将载有催化剂薄膜图案的硅裸芯片1置入石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以 600 cm3/min的氢气，加热整个化学气相沉积系统至700℃，稳定5分钟后，再加以200 cm3/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体，反应10分钟后，切断乙炔供应，并停止加热，再将氩气以900 cm3/min的速率通入石英管中，保持氩气的气流供应直至石英管中冷却至接近200°C，从而在硅裸芯片1上垂直密集生长一系列致密碳纳米管束2，形成按照在上述步骤a中制备的催化剂图案定向生长的致密碳纳米管束阵列，如图2所示；
c. 将得到的带有致密碳纳米管束阵列的硅裸芯片1倒置于纸上，使致密碳纳米管束2的端面直接与纸面接触，随后在纸上喷洒异丙醇液体，并等待异丙醇液体挥发消失；
d. 将致密碳纳米管束2与纸分离，得到带有致密碳纳米管束阵列的硅芯片样件；
e. 再另取一块硅裸芯片1，使用与在上述步骤a中相同的方法制作出光刻胶掩模图形，使用深度反应离子刻蚀方法在硅裸芯片1上密集制造硅通孔，形成高密度硅通孔阵列，得到具有高密度硅通孔阵列的硅芯片，如图3所示；
f. 将在上述步骤d中制得的硅芯片样件至于平坦表面上，将在上述步骤e中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片置于硅芯片样件之上，使硅芯片样件上的碳纳米管和具有硅通孔阵列的硅芯片的通孔位置一一对准，使带有碳纳米管阵列的硅片上的碳纳米管同时插入具有硅通孔阵列的硅芯片的硅通孔中，获得层叠硅芯片；
g. 在层叠硅芯片上，硅通孔和致密碳纳米管束2之间的间隙内被密实绝缘材料3填充，使高密度硅通孔阵列和致密碳纳米管束阵列固定组装为一体，得到固定连接的层叠芯片；
h. 反转在上述步骤g中制得的固定连接的层叠芯片，使用深度反应离子刻蚀方法去除在上述步骤d中制得的硅芯片样件，留下具有高密度硅通孔阵列的硅芯片；
i. 去除在上述步骤h中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片上的致密碳纳米管束2的束头上的多余部分，使得在硅裸芯片1两侧的致密碳纳米管束2的端部暴露出来，最终获得用于碳纳米管互联的具有致密碳纳米管的硅芯片器件，如图1所示，即通过致密碳纳米管束2的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子器件封装制造。
实施例二：
本实例与实施例一基本相同，特别之处在于：
本实施例实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的制造方法，包括如下步骤：
a. 与实施例一相同；
b. 与实施例一相同；
c. 与实施例一相同；
d. 与实施例一相同；
e. 与实施例一相同；
f. 与实施例一相同；
g. 在层叠硅芯片上，硅通孔和致密碳纳米管束2之间的间隙内被密实绝缘材料3填充，所填充的密实绝缘材料3为聚合物，使用悬涂工艺在上述步骤f中制得的层叠芯片上涂上一层BCB光刻胶，经过加热使BCB光刻胶交联形成聚合物，使硅通孔和致密碳纳米管束2之间的间隙内被聚合物密实填充，将高密度硅通孔阵列和致密碳纳米管束阵列固定组装为一体，得到固定连接的层叠芯片；
h. 与实施例一相同；
i. 使用离子刻蚀方法，去除在上述步骤h中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片上的碳纳米管束2的束头上的多余BCB光刻胶聚合物，使得在硅裸芯片1两侧的致密碳纳米管束2的端部暴露出来，最终获得用于碳纳米管互联的具有致密碳纳米管的硅芯片器件，即通过致密碳纳米管束2的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子器件封装制造。在本实施例实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的制造方法中，所填充的密实绝缘材料3为光刻胶聚合物，使用光刻胶聚合物辅助制造本实施例微电子芯片，即通过交联固定连接组装微电子芯片，通过离子刻蚀方法清除多余光刻胶聚合物，工艺简单，便于规模化生产和制造，应用前景好。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明实现高密度硅通孔互联的微电子芯片及其制造方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种实现高密度硅通孔互联的微电子芯片，在硅裸芯片（1）上密集制造硅通孔，形成高密度硅通孔阵列，其特征在于：将碳纳米管材料加工成致密碳纳米管束（2），将不同的所述致密碳纳米管束（2）分别对应插入不同的硅通孔，形成致密碳纳米管束阵列，在所述硅通孔和所述致密碳纳米管束（2）之间的间隙内填充密实绝缘材料（3），使高密度硅通孔阵列和致密碳纳米管束阵列固定组装为一体，并使在硅裸芯片（1）两侧的致密碳纳米管束（2）的端部暴露出来，通过致密碳纳米管束（2）的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子元器件封装制造。
2.根据权利要求1所述的实现高密度硅通孔互联的微电子芯片，其特征在于：所述密实绝缘材料（3）为聚合物绝缘材料。
3.一种实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 在一片硅裸芯片（1）上旋涂上一层剥离胶，加热这层剥离胶后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光10秒，MF319显影液45秒之后，剥离胶形成底切结构，对硅裸芯片（1）进行蒸镀催化剂工艺后，再使硅裸芯片（1）置于光刻胶去除剂中，然后去除剥离胶，光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜在硅裸芯片（1）上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由10nm厚的Al2O3和1nm厚的Fe组成；
b. 将载有催化剂薄膜图案的硅裸芯片（1）置入石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以 600 cm3/min的氢气，加热整个化学气相沉积系统至700℃，稳定5分钟后，再加以200 cm3/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体，反应10分钟后，切断乙炔供应，并停止加热，再将氩气以900 cm3/min的速率通入石英管中，保持氩气的气流供应直至石英管中冷却至接近200°C，从而在硅裸芯片（1）上垂直密集生长一系列致密碳纳米管束（2），形成按照在上述步骤a中制备的催化剂图案定向生长的致密碳纳米管束阵列；
c. 将得到的带有致密碳纳米管束阵列的硅裸芯片（1）倒置于纸上，使致密碳纳米管束（2）的端面直接与纸面接触，随后在纸上喷洒异丙醇液体，并等待异丙醇液体挥发消失；
d. 将致密碳纳米管束（2）与纸分离，得到带有致密碳纳米管束阵列的硅芯片样件；
e. 再另取一块硅裸芯片（1），在硅裸芯片（1）上密集制造硅通孔，形成高密度硅通孔阵列，得到具有高密度硅通孔阵列的硅芯片；
f. 将在上述步骤d中制得的硅芯片样件至于平坦表面上，将在上述步骤e中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片置于硅芯片样件之上，使硅芯片样件上的碳纳米管和具有硅通孔阵列的硅芯片的通孔位置一一对准，使带有碳纳米管阵列的硅片上的碳纳米管同时插入具有硅通孔阵列的硅芯片的硅通孔中，获得层叠硅芯片；
g. 在层叠硅芯片上，硅通孔和致密碳纳米管束（2）之间的间隙内被密实绝缘材料（3）填充，使高密度硅通孔阵列和致密碳纳米管束阵列固定组装为一体，得到固定连接的层叠芯片；
h. 反转在上述步骤g中制得的固定连接的层叠芯片，使用深度反应离子刻蚀方法去除在上述步骤d中制得的硅芯片样件，留下具有高密度硅通孔阵列的硅芯片；
i. 去除在上述步骤h中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片上的致密碳纳米管束（2）的束头上的多余部分，使得在硅裸芯片（1）两侧的致密碳纳米管束（2）的端部暴露出来，最终获得用于碳纳米管互联的具有致密碳纳米管的硅芯片器件，即通过致密碳纳米管束（2）的端部互联实现高密度硅通孔互联，用于下一步微电子器件封装制造。
4.根据权利要求3所述的实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的制造方法，其特征在于：在上述步骤e中，使用与在上述步骤a中相同的方法制作出光刻胶掩模图形，使用深度反应离子刻蚀方法在硅裸芯片（1）上密集制造硅通孔。
5.根据权利要求3或4所述的实现高密度硅通孔互联的微电子芯片的制造方法，其特征在于：在上述步骤g中，所填充的密实绝缘材料（3）为聚合物，使用悬涂工艺在上述步骤f中制得的层叠芯片上涂上一层BCB光刻胶，经过加热使BCB光刻胶交联形成聚合物，使所述硅通孔和所述致密碳纳米管束（2）之间的间隙内被聚合物密实填充；而在上述步骤i中，使用离子刻蚀方法，去除在上述步骤h中制得的具有高密度硅通孔阵列的硅芯片上的碳纳米管束（2）的束头上的多余BCB光刻胶聚合物，使得致密碳纳米管束（2）的端部暴露。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160113 |
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