CN103700621B - 一种高深宽比垂直玻璃通孔的刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高密度和深宽比垂直玻璃通孔的刻蚀方法，以及包含上述刻蚀方法在内的一种刻蚀石英玻璃的系统。通过在玻璃晶圆工件沉积一层适当厚度的掩膜，然后进行反应离子刻蚀在整个工件区域的掩膜上开出一组通孔，随后沉积一层钝化层，因为玻璃的刻蚀速率远大于对掩膜的刻蚀速率，就能保证玻璃通孔的垂直度。刻蚀熔融石英玻璃的系统除包括反应腔，射频激励，气体交换系统阀门，反应腔真空控制阀门之外，还包含一个加热装置。加热装置位于反应腔内，通过其内置的加热部件和冷却部件，以及一个可以打开或折叠的小支架实现玻璃工件与加热装置的离合，使得玻璃工件可以在短时间内快速升温和降温。

Description

一种高深宽比垂直玻璃通孔的刻蚀方法
技术领域
本发明属于微电子领域一种专门适用于制造或处理半导体器件的方法，涉及利用互连在器件中的分离元件间传输电流时使用的玻璃通孔的制造方法，具体涉及一种玻璃基板快速刻蚀高深宽比垂直通孔的方法。
背景技术
随着三维封装技术的发展，对封装衬底材料的研究从传统的有机材料、陶瓷材料发展到新兴的硅材料以及玻璃材料。同时用户对芯片在小尺寸、高性能、低耗电方面的要求不断提高。在这种情况下，靠进一步缩小线宽来提高性能的方式受到材料物理特性和设备工艺的限制，二维互连线的电阻电容延迟逐渐成为限制半导体芯片性能提高的瓶颈。硅通孔（TSV）或玻璃通孔（TGV）技术通过在晶圆中形成金属立柱，并配以金属凸点，可以实现晶圆(芯片)之间或芯片与基板间直接的三维互连，这样可以弥补传统半导体芯片二维布线的局限性。这种互连方式与传统的堆叠技术如引线键合技术相比具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小等优点，大大提高芯片的速度并降低功耗,因此硅通孔（TSV）、玻璃通孔（TGV）技术已逐渐成为三维封装中一项关键技术。其中玻璃材料又因其良好的微加工性能，电学、热机械性能以及低廉的价格备受青睐。不同于已经发展相对成熟的硅通孔制作工艺，目前在玻璃基板上在较短的时间内以很高的精度刻蚀出高深宽比，小尺寸通孔的方法对于业界有很强的吸引力。
关于上述方法，现有的文献公开了两种方案。一种是K.H. Chen等人在2009年的《真空科学与技术》的B27刊的42页中提到的激光打孔方法，其对工件的光学特性有精确地要求，一次激光打孔只能处理一个大工件的非常小的一块区域，而且一个孔需要几个脉冲。这种方法刻蚀一个20微米直径200微米深的孔需要上千次激光脉冲，因此刻蚀一个200mm直径的玻璃基片需要很长时间。而且通过这种方法形成的孔有很高的侧壁倾斜角度。另一种方法是Khalid Hasan等人在《材料科学》期刊2013年48期5316页的文章中提到一种特殊的玻璃，如FORTURAN® 或者APEXTM，其采用特殊成分和添加物，以实现短波长情况下经过长时间的曝光获得能量，进行热处理，随后进行湿法刻蚀。通过短波长光和热处理后作为衬底进行刻蚀。这种方法在会造成侧壁倾斜和表面损伤等问题，同时无法形成小尺寸和高深宽比的孔。
上述两种方法都无法满足大批量生产情况下对尺寸的精确控制和处理速度的要求。同时，因为受制于功率，采用激光方式在玻璃基板上开凿通孔时，只能在一个小区域内同时生成数量有限的通孔，通孔的密度不能太大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在玻璃基板上的一个较大的区域内高精度、高效率加工出高密度和深宽比的垂直通孔的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
A. 提供一个表面平整的玻璃晶圆工件，表面平整，主要成分为二氧化硅；
B.在上述玻璃晶圆工件上的至少一个表面上沉积一层掩膜，掩膜可以为金属或半导体，且为适当的厚度；
C.在上述掩膜上整个工件区域内开出一组通孔；
D.对上述工件进行反应离子刻蚀，通过掩膜的通孔对玻璃进行刻蚀，玻璃的刻蚀速率远大于对掩膜的刻蚀速率；
E.通过气相沉积法在掩膜以及工件表面上沉积一层钝化层，该钝化层的主要成分为Al2O3；
F. 在侧壁钝化层形成后，钝化气体换成反应气体，重复步骤D和E，获得高精度垂直通孔，直到通孔深度达到所要求的深度。
在上述刻蚀过程中，水平方向的钝化层相比通孔壁上的钝化层受到的反应离子冲击更大，因此刻蚀速率也更快，而且随着刻蚀的深度增加，离子在通孔壁上的掠射角度变小，导致通孔壁上的刻蚀速率进一步降低，因此适当厚度的掩膜能确保通孔的高垂直性和侧壁的光滑度。与激光方式开凿通孔不同，本发明的刻蚀可以在整个晶圆工件区域内同时刻蚀出通孔的高密度阵列。
进一步，本发明还提供了一种运用上述方法中进行各向异性刻蚀熔融石英玻璃的系统，包括反应腔，射频激励装置，气体交换系统阀，反应腔真空控制阀以及控制模块，气体交换系统阀与反应腔相连，在控制模块的控制下向反应腔输入气体，射频激励装置设置在反应腔的外部，在通入射频电流后在反应腔内部生成等离子体。反应腔内设置有玻璃晶圆工件加热装置。
上述加热装置包括玻璃晶圆工件，设置在玻璃工件的下方并与其紧贴的热交换装置，热交换装置下方是一个支撑装置，支撑装置的上端面为低辐射系数的反射面，其上设置有数个可折叠的小支架，该小支架打开时热交换装置与反射面不接触，小支架处于折叠状态时热交换装置与反射面直接接触，支撑装置的内部设置有内部设置有加热和冷却部件。
上述加热和冷却部件分别为用于加热的感应线圈以及用于冷却的液体，支撑装置上还设有冷却液体的入口和出口。
又进一步，上述热交换装置可以是一个硅圆盘，其电导率在0.001 S/m 到1000 S/m范围，可以被10MHz到3GHz范围的射频加热。
本熔融石英玻璃刻蚀系统通过控制反应气体、反应腔内的压力以及玻璃工件的温度参数来控制刻蚀的速率。加热装置能使玻璃工件在短时间内快速升温，需要降温时，将小支架折叠，使得热交换装置与其下方的低辐射系数的反射面直接接触，实现快速降温。
附图说明
图1为玻璃工件的加热装置的结构示意图；
图2为上述加热装置的支撑装置的内部结构示意图；
图3为各向异性刻蚀熔融石英玻璃系统的原理示意图；
图4为在玻璃工件上刻蚀出垂直通孔的工艺过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明，以下内容只是用于说明本发明的技术内容，不能被理解为对本发明实施范围的限制。
如图1所示，玻璃工件的加热装置包括待加热的玻璃工件110，该工件110可以由SiO2等材料组成。设置在玻璃工件110的下方并与其紧贴的是热交换装置120，其可以是一个小硅圆盘，其电导率在0.001 S/m 到1000 S/m范围，可以被10MHz到3GHz范围的射频加热，反射系数值属于中等。当热交换装置120靠近工件110并且温度高于工件110时，可以产生热辐射从而为工件110加热。热交换装置下方是一个支撑装置150，支撑装置的上端面为低辐射系数的反射面140，其上设置有数个可折叠的小支架130，该小支架打开时热交换装置与反射面不接触，小支架处于折叠状态时热交换装置与反射面直接接触，支撑装置的内部设置有用于加热的感应线圈以及用于冷却的液体，支撑装置上还设有冷却液体的入口160和出口170。支撑装置150由具有高导热系数性质的材料，如氧化铍组成。
如图2所示，所述支撑装置150包含下表面220、上表面230以及侧壁240，内部有感应线圈210。为实现降温的目的，支撑装置150还包含冷却液体的流入口160和流出口170。反射面140为低辐射系数，与支撑装置150接触，通过热量相互交换使反射面140保持低温，支撑装置150和反射面140的温度可以通过在支撑装置150内流动的冷却液体来控制。 小支架130有低热导率、可折叠的特性，具体点讲，有两个用途：当其处于打开状态时，热交换装置120与反射面140不接触，可在升温过程中减少热交换装置120与反射面140之间的热交换；当其处于折叠状态时，低温、低辐射表面140与热交换装置120相接触，可使玻璃工件110快速冷却。
图3为各向异性刻蚀熔融石英玻璃系统的原理结果图，包括反应腔470，射频激励装置460，气体交换系统阀410，420，430，反应腔真空控制阀440和450以及控制模块480，气体交换系统阀与反应腔相连，在控制模块480的控制下向反应腔470输入气体，射频激励装置设置460在反应腔的外部，在通入射频电流后在反应腔内部生成等离子体。反应腔内设置有图1和图2所示的玻璃晶圆工件加热装置。一个典型的上述模块之间相互配合的工作步骤如下：
1. 关闭反应腔真空控制阀440；
2. 打开真空控制阀450；
3. 通过气体交换系统阀420向反应腔470注入气体，如氩；
4. 通过气体交换系统阀410引入反应气体，如SF6, 气体引入的速率由控制模块480控制；
5.控制模块480控制经由系统阀420进入反应腔的稀释气体(如氩)的流速；
6.通过气体交换系统阀430引入其他反应气体，如O2, 气体引入的速率由控制模块480控制；
7.启动加热装置490；
8.调节进入射频激励装置设置460的电源，使得反应腔达到等离子态,并稳定下来；
9.按照预先设置的时间进行SF6等离子体的刻蚀, 之后关闭系统阀410和430，在控制模块480控制下，通过系统阀420排出反应腔内的反应气体；
10.改变系统阀410和430的输入气体或使用另一组独立的系统阀进行下面11至16部的操作；
11. 通过气体交换系统阀410引入前驱气体，如三甲基铝[Al2(CH3)6], 气体引入的速率由控制模块480控制. 前驱气体可以配有载气，如氩 Ar；
12. 通过气体交换系统阀430引入氧化气体，如一氧化二氮[N2O],引入的速率由控制模块480控制；
13.控制模块480控制稀释气体(如氩)的流速；
14.玻璃工件的温度在来自于前驱气体的三氧化二铝的自燃沉积过程中维持很高的温度；
15.钝化层三氧化二铝的沉积因为等离子体的激励和反应而得到加速；
16.完成规定时间的钝化层沉积后, 关闭系统阀410和430，在控制模块480控制下，通过系统阀420排出反应腔内的反应气体；
17.重复步骤3至16；
18. 通孔的深度达到一定深度后, 切断感应线圈210的电源，折叠小支架，以冷却玻璃工件；
19. 切断等离子体电源, 关闭系统阀410、430和真空控制阀450，通过系统阀420使得反应腔470内的氩气体的气压为一个大气压；
20.取出玻璃工件。
图4为在SiO2玻璃上通过各向异性刻蚀形成垂直侧壁的工艺流程图，详细步骤如下：
A.提供一个平板状的玻璃晶圆工件320，要求表面平整，主要成分为二氧化硅；
B.在上述玻璃晶圆工件上的至少一个表面上，如上表面，沉积一层掩膜310，掩膜可以为金属或半导体，且为适当的厚度；
C.在上述掩膜上整个工件区域内开出一组通孔330；
D.对上述工件进行反应离子刻蚀，通过掩膜的通孔对玻璃进行刻蚀，玻璃的刻蚀速率远大于对掩膜的刻蚀速率；
E.通过气相沉积法在掩膜以及工件表面上沉积一层钝化层340，该钝化层的主要成分为Al2O3；
F. 在侧壁钝化层形成后，钝化气体换成反应气体，重复步骤D和E，获得高精度垂直通孔，并且直到达到所要求的深度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高密度和深宽比垂直玻璃通孔的刻蚀方法，其特征是包括以下步骤：
A. 提供一个平板状的玻璃晶圆工件，表面平整，主要成分为二氧化硅；
B.在上述玻璃晶圆工件上的至少一个表面上沉积一层掩膜；
C.在上述掩膜上整个工件区域内开出一组通孔；
D.对上述工件进行反应离子刻蚀，通过掩膜的通孔对玻璃进行刻蚀，玻璃的刻蚀速率远大于对掩膜的刻蚀速率；
E.通过气相沉积法在掩膜以及工件表面上沉积一层钝化层；
F.在侧壁钝化层形成后，钝化气体换成反应气体，重复步骤D和E，获得高精度垂直通孔，直到通孔深度达到所要求的深度。
2.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征是所述掩膜为金属或半导体，且为适当的厚度。
3.如权利要求1或2所述的刻蚀方法，其特征是所述钝化层的主要成分为Al2O3。
4.一种用于实现权利要求1所述刻蚀方法的刻蚀石英玻璃的系统，包括反应腔，射频激励装置，气体交换系统阀，反应腔真空控制阀以及控制模块，其中气体交换系统阀与反应腔相连，在控制模块的控制下向反应腔输入气体，射频激励装置设置在反应腔的外部，在通入射频电流后在反应腔内部生成等离子体，其特征是反应腔内设置有玻璃晶圆工件的加热装置。
5.如权利要求4所述的刻蚀石英玻璃的系统，其特征是所述加热装置包括玻璃晶圆工件（110），设置在玻璃工件的下方并与其紧贴的热交换装置（120），热交换装置下方是一个支撑装置（150），支撑装置的上端面为低辐射系数的反射面（140），其上设置有数个可折叠的小支架（130），该小支架打开时热交换装置与反射面不接触，小支架处于折叠状态时热交换装置与反射面直接接触，支撑装置的内部设置有加热和冷却部件。
6.如权利要求5所述的刻蚀石英玻璃的系统，其特征是所述热交换装置（120）是一个硅圆盘，其电导率在0.001 S/m 到1000 S/m范围，被10MHz到3GHz范围的射频加热。
7.如权利要求6所述的刻蚀石英玻璃的系统，其特征是所述支撑装置（150）包含下表面（220）和上表面（230），下表面（220）和上表面（230）都与侧壁（240）相连，所述加热部件为感应线圈（210），冷却部件是冷却液体，支撑装置上设有冷却液体的入口（160）和出口（170）。
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