CN106252276A - 基于tsv技术开关矩阵射频单元的制造方法 - Google Patents

基于tsv技术开关矩阵射频单元的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于基于TSV技术在双面抛光的硅基片上，通过深硅刻蚀、电镀、研磨抛光、堆叠等工艺，获得开关矩阵的射频单元。本发明所述的开关矩阵射频单元，具有集成度高、损耗小、通用化程度高的优点。该方法加工一致性好，特别适用于微波、毫米波通信、雷达等系统/子系统的小型化应用，属于实现小型化、高性能微波通信、雷达系统/子系统的关键技术。

Description

基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法
技术领域
本发明属于实现小型化、高性能、通用化程度高的微波通信、雷达系统/子系统的关键技术领域，具体涉及一种基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法。
背景技术
随着通信系统、相控阵雷达系统中的T/R组件、微波/毫米波模块的小型化需求日益突出，电子装备逐渐向小型化、高性能等方向发展，模块、组件的集成度和性能相应提高。开关矩阵是系统中实现通路转换的关键部件，其性能和体积直接影响通信、雷达系统/子系统的性能和集成度。
传统的开关矩阵多使用PCB板，采用平面组装的方式实现传输线之间的交叉互连；或由于工艺限制，使得设计复杂且成品率低，体积庞大、集成度不高，制约了关键部件在小型化系统中的应用。个别开关矩阵射频单元使用LTCC基板，该技术使开关矩阵的体积在一定程度上减小，但由于LTCC最细线条和精度的加工能力有限，限制了开关矩阵的进一步小型化和性能的提升。现采用TSV技术制造开关矩阵射频单元，其线条更细、精度更高，既能进一步减小体积，又能获得更好的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，用于解决体积大、集成度低、通用化程度低、损耗高的技术难题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)使用有机清洗液对硅基片进行清洗；
(2)对步骤(1)中清洗后的硅基片正面进行光刻，在硅基片正面上形成深孔刻蚀掩膜图形；
(3)对步骤(2)中光刻后的硅基片正面进行深硅刻蚀，在硅基片正面上形成深孔图形；
(4)对步骤(3)中刻蚀后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(5)对步骤(4)中去胶后的硅基片正面进行绝缘层生长；
(6)对步骤(5)中生长有绝缘层的硅基片正面进行磁控溅射，在硅基片正面上形成钛粘附层和铜种子层；
(7)对步骤(6)中磁控溅射后的硅基片正面进行电镀铜，形成TSV填充孔；
(8)对步骤(7)中填镀孔后的硅基片正面进行化学机械抛光，将硅基片正面的钛粘附层和铜种子层进行去除，形成平整表面；
(9)对步骤(8)中化学机械抛光后的硅基片正面进行磁控溅射，在硅基片正面上形成钛钨粘附层和金层；
(10)对步骤(9)中磁控溅射后的硅基片正面进行光刻，在硅基片种子层上形成凸点电镀用掩膜图形；
(11)对步骤(10)中光刻后的硅基片正面进行凸点电镀，形成凸点；
(12)对步骤(11)中电镀凸点后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(13)对步骤(12)中去胶后的硅基片正面进行光刻，在硅基片正面金层上形成刻蚀用掩膜图形；
(14)对步骤(13)中光刻后的硅基片正面进行刻蚀，在硅基片金层上形成电路图形；
(15)对步骤(14)中刻蚀后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(16)对步骤(15)去胶后的硅基片正面进行临时键合，形成对图形面的临时保护；
(17)对步骤(16)中临时键合后的硅基片背面进行减薄、化学机械抛光处理，使TSV孔内的铜裸露且平整；
(18)对步骤(17)中减薄、化学机械抛光处理后的硅基片背面进行绝缘层生长；
(19)对步骤(18)中生长绝缘层后的硅基片背面进行光刻，在硅基片背面绝缘层上形成刻蚀用掩膜图形；
(20)对步骤(19)中光刻后的硅基片背面进行刻蚀，使硅基片背面TSV孔部分的绝缘层被刻蚀掉；
(21)对步骤(20)中刻蚀后的硅基片背面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(22)对步骤(21)中去胶处理后的硅基片背面进行磁控溅射，在硅基片背面上形成钛粘附层和铜种子层电路；
(23)对步骤(22)中磁控溅射后的硅基片背面进行光刻，在硅基片背面钛粘附层和铜种子层上形成电镀用掩膜图形；
(24)对步骤(23)中溅射后的硅基片背面进行凸点电镀铜，形成凸点；
(25)对步骤(24)中电镀后的硅基片背面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(26)对步骤(25)中去胶后的硅基片进行刻蚀，在硅基片背面上形成电路图形；
(27)对步骤(26)中刻蚀后的硅基片进行解键合，去除临时键合层；
(28)重复上述步骤(1)至步骤(27)，进行各层TSV硅基片制作；
(29)对步骤(1)至步骤(28)中制作的各层TSV硅基片进行堆叠，形成开关矩阵射频单元。
其中，步骤(7)中，在电镀前对硅基片进行抽真空和冲水处理，电镀填充饱满度为100％。
其中，步骤(11)中，凸点电镀具体为：先进行镀铜，再进行镀锡，形成铜/锡结构的凸点。
其中，步骤(18)中绝缘层材料为氮化硅。
其中，步骤(19)中，掩膜图形中与TSV填充孔位置相对应处的孔径小于TSV填充孔的孔径。
其中，步骤(20)中绝缘层刻蚀气体为四氟化碳与氧气的混合气体。
其中，步骤(26)中是采用湿法刻蚀来去除钛粘附层和铜种子层的，钛粘附层的刻蚀溶液为双氧水，铜种子层的刻蚀溶液为三氯化铁。
其中，如果步骤(1)至(29)中堆叠的TSV硅基片含有多个开关矩阵射频单元，则进行激光划片。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
本发明采用TSV技术实现开关矩阵的射频单元制造，加工精度更高、线宽更细、布线密度更高，进一步缩小开关矩阵的体积，提高开关矩阵的集成度。
附图说明
图1是基于TSV技术的开关矩阵射频单元制造工艺流程图。
图2是基于TSV的开关矩阵射频单元加工过程示意图。
具体实施方式
下面，结合图1和图2对本发明作进一步说明。
一种基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其制备工艺流程如图1所示，关键过程示意如图2所示，具体包括以下步骤：
(1)使用有机清洗液对硅基片进行清洗。
将直径为100mm、厚度为0.4mm、双面抛光的硅基片放置于盛有丙酮的烧杯中，使用超声波清洗5分钟～10分钟，然后将硅基片取出放置于盛有酒精的烧杯中，使用超声波清洗5分钟～10分钟，以清洗硅基片表面污物，清洗结束后取出备用。
(2)对步骤(1)中清洗后的硅基片正面进行光刻，在硅基片正面上形成深孔刻蚀掩膜图形；
对清洗后的硅基片正面进行涂覆光刻胶层，光刻胶层厚度为6μm～7μm，然后在100℃下烘干2分钟～5分钟，之后将带有孔图形的掩膜版覆盖在光刻胶层上进行曝光处理，曝光后的硅基片放入配套的显影液中进行显影处理，去除硅基片上与孔图形位置相对应处的光刻胶层，形成孔图形。
(3)对步骤(2)中光刻后的硅基片正面进行深硅刻蚀，在硅基片正面上形成深孔图形；
将光刻后的硅基片正面放入深硅刻蚀设备中，其中，刻蚀通孔最小尺寸为40μm～50μm，硅基片刻蚀深度为180μm～200μm。
(4)对步骤(3)中刻蚀后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
将刻蚀后的硅基片放入丙酮去胶液中，去除硅基片上剩余的光刻胶。
(5)对步骤(4)中去胶后的硅基片正面进行绝缘层生长；
将去除光刻胶的硅基片放入氧化设备中进行SiO2绝缘层生长，其中，绝缘层厚度为1.5μm～2.5μm。
(6)对步骤(5)中生长有绝缘层的硅基片正面进行磁控溅射，在硅基片正面上形成钛粘附层和铜种子层；
将生长有绝缘层后的硅基片放入磁控溅射设备中，在硅基片上依次溅射钛粘附层和铜种子层，其中，钛粘附层厚度为50nm～100nm，铜种子层厚度为1.5μm～2.5μm。
(7)对步骤(6)中磁控溅射后的硅基片正面进行电镀，形成TSV填充孔；
将磁控溅射后的硅基片放入电镀设备中，在硅基片正面的孔内填镀铜，其中，为确保铜填充率达到100％，在电镀前对硅基片进行冲水30分钟预处理。
(8)对步骤(7)中填镀孔后的硅基片正面进行化学机械抛光，形成平整表面；
将填镀孔后的硅基片正面放在化学机械抛光机上进行研磨抛光，使硅片表面平整。
(9)对步骤(8)中化学机械抛光后的硅基片正面进行磁控溅射，在硅基片正面上形成钛钨粘附层和金层；
将化学机械抛光后的硅基片正面放入磁控溅射设备中，在硅基片上依次溅射钛钨粘附层和金层，其中，钛钨粘附层厚度为100nm～200nm，金层厚度为500nm～800nm。
(10)对步骤(9)中磁控溅射后的硅基片正面进行光刻，在硅基片种子层上形成凸点电镀用掩膜图形；
对磁控溅射后的硅基片正面进行涂覆光刻胶层，光刻胶层厚度为15μm～20μm，然后在120℃下烘干2分钟～5分钟，之后将带有凸点电镀图形的掩膜版覆盖在光刻胶层上进行曝光处理，曝光后的硅基片正面放入配套的显影液中进行显影处理，去除硅基片上与凸点电镀图形位置相对应处的光刻胶层，形成凸点电镀图形。
(11)对步骤(10)中光刻后的硅基片正面进行凸点电镀，形成凸点；
将光刻后的硅基片放入电镀设备中，在硅基片正面电镀凸点，其中，微凸点材料为铜/锡，铜高度为2μm～3μm，铜高度为10μm～12μm。
(12)对步骤(11)中电镀凸点后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
将凸点电镀后的硅基片放入丙酮去胶液中，去除硅基片正面上剩余的光刻胶。
(13)对步骤(12)中去胶后的硅基片正面进行光刻，在硅基片正面金层上形成刻蚀用掩膜图形；
对去胶后的硅基片正面进行涂覆光刻胶层，光刻胶层厚度为6μm～7μm，然后在100℃下烘干2分钟～5分钟，之后将带有电路图形的掩膜版覆盖在光刻胶层上进行曝光处理，曝光后的硅基片正面放入配套的显影液中进行显影处理，保留硅基片上与电路图形位置相对应处的光刻胶层，形成电路图形的刻蚀保护。
(14)对步骤(13)中光刻后的硅基片正面进行刻蚀，在硅基片金层上形成电路图形；
将光刻后的硅基片放入刻蚀溶液中对其进行湿法刻蚀，其中，钛钨粘附层的刻蚀溶液为双氧水，金种子层的刻蚀溶液为碘化钾。
(15)对步骤(14)中刻蚀后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
将刻蚀后的硅基片放入丙酮去胶液中，去除硅基片正面上剩余的光刻胶。
(16)对步骤(15)去胶后的硅基片正面进行临时键合，形成对图形面的临时保护；
对去胶后的硅基片正面进行临时键合胶旋涂，厚度为6μm～7μm，键合衬底为玻璃，将硅基片和玻璃键合衬底放入键合台中，进行键合，键合温度为200℃，键合压力为2000mBar。
(17)对步骤(16)中临时键合后的硅基片背面进行减薄、化学机械抛光处理，使TSV孔内的铜裸露且平整；
对临时键合后的硅基片背面进行减薄、化学机械抛光，直至背面露出TSV均匀的铜电镀层。
(18)对步骤(17)中减薄、化学机械抛光处理后的硅基片背面进行绝缘层生长；
将抛光的硅基片背面放入化学气相沉积设备中进行氮化硅层生长，其中，氮化硅层厚度为300nm～500nm。
(19)对步骤(18)中生长绝缘层后的硅基片背面进行光刻，在硅基片背面绝缘层上形成刻蚀用掩膜图形；
对氮化硅生长后的硅基片背面进行涂覆光刻胶层，光刻胶层厚度为6μm～7μm，然后在100℃下烘干2分钟～5分钟，之后将带有绝缘层孔图形的掩膜版覆盖在光刻胶层上进行曝光处理，曝光后的硅基片放入配套的显影液中进行显影处理，去掉硅基片背面与绝缘层孔图形位置相对应处的光刻胶层，形成绝缘层孔图形的刻蚀保护。其中，光刻后形成的孔图形的孔径小于TSV孔径10μm，约为30μm～50μm。
(20)对步骤(19)中光刻后的硅基片背面进行刻蚀，使硅基片背面TSV孔部分的绝缘层被刻蚀掉；
将光刻后的硅基片背面放入干法刻蚀设备中，采用四氟化碳与氧气的混合气体进行氮化硅层的刻蚀；
(21)对步骤(20)中刻蚀后的硅基片背面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
将刻蚀后的硅基片放入丙酮去胶液中，去除硅基片背面上剩余的光刻胶。
(22)对步骤(21)中去胶处理后的硅基片背面进行磁控溅射，在硅基片背面上形成钛粘附层和铜种子层电路；
将去胶后的硅基片放入磁控溅射设备中，在硅基片背面上依次溅射钛粘附层和铜种子层，其中，钛粘附层厚度为50nm～100nm，铜种子层厚度为1.5μm～2.5μm。
(23)对步骤(22)中磁控溅射后的硅基片背面进行光刻，在硅基片背面钛粘附层和铜种子层上形成电镀用掩膜图形；
对磁控溅射后的硅基片背面进行涂覆光刻胶层，光刻胶层厚度为6μm～7μm，然后在100℃下烘干2分钟～5分钟，之后将带有电镀图形的掩膜版覆盖在光刻胶层上进行曝光处理，曝光后的硅基片放入配套的显影液中进行显影处理，去掉硅基片背面与电镀图形位置相对应处的光刻胶层，形成电镀图形的保护。
(24)对步骤(23)中溅射后的硅基片背面进行凸点电镀，形成凸点；
将光刻后的硅基片放入电镀设备中，在硅基片背面电镀凸点，其中，微凸点材料为铜，铜高度为2μm～3μm。
(25)对步骤(24)中电镀后的硅基片背面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
将去胶后的硅基片放入丙酮去胶液中，去除硅基片背面上剩余的光刻胶。
(26)对步骤(25)中去胶后的硅基片进行刻蚀，在硅基片背面上形成电路图形；
将去胶后的硅基片放入刻蚀溶液中对其进行湿法刻蚀，其中，钛粘附层的刻蚀溶液为双氧水，铜种子层的刻蚀溶液为三氯化铁。
(27)对步骤(26)中刻蚀后的硅基片进行解键合，去除临时键合层；
将背面电镀有锡凸点的硅基片放置在丙酮中进行解键合，直至表面键合胶去除为止。
(28)重复上述步骤(1)至步骤(27)，进行各层TSV硅基片制作；
(29)对步骤(1)至步骤(28)中制作的各层TSV硅基片进行堆叠；
将多层TSV硅基片放入堆叠键合机中进行堆叠，对准精度为5μm～10μm。
(30)TSV硅基片含有多个开关矩阵射频单元，则进行激光划片。
完成基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造。

Claims (8)

1.基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)使用有机清洗液对硅基片进行清洗；
(2)对步骤(1)中清洗后的硅基片正面进行光刻，在硅基片正面上形成深孔刻蚀掩膜图形；
(3)对步骤(2)中光刻后的硅基片正面进行深硅刻蚀，在硅基片正面上形成深孔图形；
(4)对步骤(3)中刻蚀后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(5)对步骤(4)中去胶后的硅基片正面进行绝缘层生长；
(6)对步骤(5)中生长有绝缘层的硅基片正面进行磁控溅射，在硅基片正面上形成钛粘附层和铜种子层；
(7)对步骤(6)中磁控溅射后的硅基片正面进行电镀铜，形成TSV填充孔；
(8)对步骤(7)中填镀孔后的硅基片正面进行化学机械抛光，将硅基片正面的钛粘附层和铜种子层进行去除，形成平整表面；
(9)对步骤(8)中化学机械抛光后的硅基片正面进行磁控溅射，在硅基片正面上形成钛钨粘附层和金层；
(10)对步骤(9)中磁控溅射后的硅基片正面进行光刻，在硅基片种子层上形成凸点电镀用掩膜图形；
(11)对步骤(10)中光刻后的硅基片正面进行凸点电镀，形成凸点；
(12)对步骤(11)中电镀凸点后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(13)对步骤(12)中去胶后的硅基片正面进行光刻，在硅基片正面金层上形成刻蚀用掩膜图形；
(14)对步骤(13)中光刻后的硅基片正面进行刻蚀，在硅基片金层上形成电路图形；
(15)对步骤(14)中刻蚀后的硅基片正面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(16)对步骤(15)去胶后的硅基片正面进行临时键合，形成对图形面的临时保护；
(17)对步骤(16)中临时键合后的硅基片背面进行减薄、化学机械抛光处理，使TSV孔内的铜裸露且平整；
(18)对步骤(17)中减薄、化学机械抛光处理后的硅基片背面进行绝缘层生长；
(19)对步骤(18)中生长绝缘层后的硅基片背面进行光刻，在硅基片背面绝缘层上形成刻蚀用掩膜图形；
(20)对步骤(19)中光刻后的硅基片背面进行刻蚀，使硅基片背面TSV孔部分的绝缘层被刻蚀掉；
(21)对步骤(20)中刻蚀后的硅基片背面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(22)对步骤(21)中去胶处理后的硅基片背面进行磁控溅射，在硅基片背面上形成钛粘附层和铜种子层电路；
(23)对步骤(22)中磁控溅射后的硅基片背面进行光刻，在硅基片背面钛粘附层和铜种子层上形成电镀用掩膜图形；
(24)对步骤(23)中溅射后的硅基片背面进行凸点电镀铜，形成凸点；
(25)对步骤(24)中电镀后的硅基片背面进行去胶处理，去除作为掩膜的光刻胶；
(26)对步骤(25)中去胶后的硅基片进行刻蚀，在硅基片背面上形成电路图形；
(27)对步骤(26)中刻蚀后的硅基片进行解键合，去除临时键合层；
(28)重复上述步骤(1)至步骤(27)，进行各层TSV硅基片制作；
(29)对步骤(1)至步骤(28)中制作的各层TSV硅基片进行堆叠，形成开关矩阵射频单元。
2.根据权利要求1所述的基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于：步骤(7)中，在电镀前对硅基片进行抽真空和冲水处理，电镀填充饱满度为100％。
3.根据权利要求1所述的基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于：步骤(11)中，凸点电镀具体为：先进行镀铜，再进行镀锡，形成铜/锡结构的凸点。
4.根据权利要求1所述的基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于：步骤(18)中绝缘层材料为氮化硅。
5.根据权利要求1所述的基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于：步骤(19)中，掩膜图形中与TSV填充孔位置相对应处的孔径小于TSV填充孔的孔径。
6.根据权利要求1所述的基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于：步骤(20)中绝缘层刻蚀气体为四氟化碳与氧气的混合气体。
7.根据权利要求1所述的基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于：步骤(26)中是采用湿法刻蚀来去除钛粘附层和铜种子层的，钛粘附层的刻蚀溶液为双氧水，铜种子层的刻蚀溶液为三氯化铁。
8.根据权利要求1所述的基于TSV技术开关矩阵射频单元的制造方法，其特征在于：如果步骤(1)至(29)中堆叠的TSV硅基片含有多个开关矩阵射频单元，则进行激光划片。
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