CN110379768B - 一种基于石墨烯浆料填充的tsv制作方法 - Google Patents

一种基于石墨烯浆料填充的tsv制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯浆料填充的TSV制作方法，其是以石墨烯复合油性导电浆料作为硅通孔填充材料。本发明的方法具有工艺简单、成本低的优点，可在低温下实现石墨烯浆料的填充，且石墨烯浆料具有良好的热分散性，特别适用于高温条件下导电器件的应用，具有高度产业利用的价值。

Description

一种基于石墨烯浆料填充的TSV制作方法
技术领域
本发明属于微电子工艺领域，具体涉及一种基于石墨烯浆料填充的TSV制作方法。
背景技术
随着便携式电子系统复杂性的增加，对VLSI集成电路用的低功率、轻型及小型封装的生产技术提出了越来越高的要求。传统的二维封装技术已经不能满足芯片的高密度集成，在成熟的二维封装基础上逐步向三维封装上发展，已成为芯片封装的新思路。近年来，以导线键合和倒装芯片堆叠形式的3D集成已经进入了主流半导体制造，以解决物理扩展的局限性，同时提供更好的性能和功能。TSV(Through Silicon Via，硅通孔)作为一种新兴技术，为设计人员提供了比引线键合和倒装芯片堆叠更自由、更高的密度和空间利用率。通过硅通孔 (TSV)铜互连的立体(3D)垂直整合，目前被认为是半导体行业最先进的技术之一。硅片通孔(TSV)是三维叠层硅器件技术的最新进展。
在TSV的制备过程中，填孔工序是关键工序，其填充质量直接影响着传输特性、热特性、集成特性，是研究中的重点。目前，Cu电阻率(1.678μΩ.cm)较小，成为TSV填充材料首选。但Cu作为一种金属，不适合作为高温条件下工作器件的硅通孔(TSV)填充材料，且 Cu的填充工艺涉及溅射、电镀等步骤，填充过程较为繁琐。
石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，这一迄今导电性能最强的新型材料，被认为是一种未来革命性的材料。若以石墨烯作为硅通孔(TSV)填充材料，实现半导体芯片的垂直连接，具有重要的研究意义。
发明内容
为解决Cu作为TSV填充材料所存在的诸多问题，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯浆料填充的TSV制作方法，使其适用于长期在高温下工作的导电器件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于石墨烯浆料填充的TSV制作方法，其是以石墨烯复合油性导电浆料作为硅通孔填充材料。
进一步地，所述石墨烯复合油性导电浆料的制作方法为：先将分散剂聚乙烯吡咯烷酮粉末均匀分散到N-甲基吡咯烷酮溶液中，再将石墨烯粉末和导电碳黑均匀分散在含有分散剂的 N-甲基吡咯烷酮溶液中，超声振荡均匀，得到固含量为5wt.％的初步石墨烯导电浆料，其中石墨烯粉末和导电碳黑的质量比为1:1～20、聚乙烯吡咯烷酮的质量与石墨烯粉末和导电碳黑总质量的比为1:4；然后将所述初步石墨烯导电浆料与PVDF粘结剂按体积比1～5:1均匀混合，即得到石墨烯复合油性导电浆料。
进一步地，所述的TSV制作方法，包括如下步骤：
(1)利用深反应离子刻蚀技术在Si基片正面中间形成孔径为5～50μm、深度为50～300μm 的盲孔；
(2)在Si基片正面沉积一层SiO2保护层，所述SiO2层覆盖基片的正面以及盲孔内壁；
(3)利用光刻技术在Si基片正面的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片正面中间位置形成一个正方形图案，且保证所述盲孔位于所述正方形图案区域内；
(4)在Si基片正面重复填充石墨烯复合油性导电浆料，使得盲孔内填满石墨烯复合油性导电浆料，并在盲孔上方、Si基片正面形成所需厚度的石墨烯复合油性导电浆料层；然后去除外围光刻胶，即在正面的正方形图案区域内形成石墨烯焊盘；
(5)对Si基片背面进行研磨、抛光处理，直至露出填充有石墨烯复合油性导电浆料的盲孔，然后清洗背面并烘干；再在背面非盲孔区域生长SiO2层；
利用光刻技术在Si基片背面的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片背面中间位置形成一个与步骤(3)尺寸相同、位置相对应的正方形图案；再在Si基片背面重复填充石墨烯复合油性导电浆料，使得Si基片背面形成所需厚度的石墨烯复合油性导电浆料层；然后去除外围光刻胶，即在背面的正方形图案区域内形成石墨烯焊盘。
进一步地，步骤(4)与步骤(5)所述填充石墨烯复合油性导电浆料的方法为：将Si基片放在烧杯中，在基片表面滴上几滴石墨烯复合油性导电浆料，再将烧杯放入超声清洗机中超声振荡30min，最后将Si基片取出并放在80℃的干燥箱中干燥10min。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用石墨烯复合油性导电浆料作为TSV工艺的填充材料，与现有技术相比，省略了溅射、电镀等繁琐过程，工艺简单、容易实现，且工艺成本较低。
2、与现有填充材料相比，石墨烯浆料具有良好的导电性，能够满足绝大多数导电器件，而且石墨烯浆料是一种耐高温材料，特别适用于超高温条件下导电器件的应用，具有高度产业利用的价值。
总之，本发明的方法简单易行，不需要额外复杂工艺，更能满足高温条件下导电器件的需求，是对现有技术的一个大的突破。
附图说明
图1是经步骤1刻蚀盲孔后的TSV孔示意图；
图2是经步骤2在Si基片正面和孔内壁沉积一层SiO2绝缘层后的TSV孔示意图；
图3是经步骤3在Si基片正面形成正方形光刻图案后的TSV孔示意图；
图4是经步骤4在Si基片正面完成浆料填充后的TSV孔示意图；
图5是经步骤4在Si基片正面制成石墨烯焊盘后的TSV孔示意图；
图6是经步骤5在Si基片背面形成石墨烯焊盘后的TSV孔示意图；
图中标号：1为Si基片；2为盲孔；3为SiO2保护层；4为光刻胶；5为石墨烯复合油性导电浆料。
具体实施方式
下面，结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至6所示，一种基于石墨烯浆料填充的TSV制作方法，具体包括以下步骤：
(1)利用深反应离子刻蚀技术在Si基片正面中间形成孔径为50μm、深度为200μm的盲孔，处理后的结构如图1所示；其中，深反应离子刻蚀技术为现有常规技术手段，大概流程为：
首先利用光刻技术在Si基片表面形成盲孔图案，然后周期性交替导入刻蚀气体SF6和钝化气体C4F8，刻蚀气体SF6刻蚀硅衬底，而钝化气体C4F8则沉积在孔表面起保护作用，避免已刻蚀区域再被刻蚀，从而得到具有高宽深比的通孔。
(2)在Si基片正面沉积一层SiO2保护层，SiO2层覆盖基片的正面以及盲孔内壁，处理后的结构如图2所示。
(3)利用光刻技术在Si基片正面的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片正面中间位置形成一个正方形图案，且保证盲孔位于正方形图案区域内，处理后的结构如图3所示。
(4)在Si基片正面重复填充石墨烯复合油性导电浆料，使得盲孔内填满石墨烯复合油性导电浆料，并在盲孔上方、Si基片正面形成所需厚度的石墨烯复合油性导电浆料层；然后去除外围光刻胶(通过丙酮清洗去胶)，即在正面的正方形图案区域内形成石墨烯焊盘，处理后的结构如图4和5所示。
其中，石墨烯复合油性导电浆料的制作方法为：先将分散剂聚乙烯吡咯烷酮粉末均匀分散到N-甲基吡咯烷酮溶液中，再将石墨烯粉末和导电碳黑均匀分散在含有分散剂的N-甲基吡咯烷酮溶液中，超声振荡均匀，得到固含量为5wt.％的初步石墨烯导电浆料，其中石墨烯粉末和导电碳黑的质量比为1:5、聚乙烯吡咯烷酮的质量与石墨烯粉末和导电碳黑总质量的比为 1:4；然后将初步石墨烯导电浆料与PVDF粘结剂按体积比1:1均匀混合，即得到石墨烯复合油性导电浆料。
填充石墨烯复合油性导电浆料的方法为：将Si基片放在烧杯中，在基片表面滴上几滴石墨烯复合油性导电浆料，再将烧杯放入超声清洗机中超声振荡30min，最后将Si基片取出并放在80℃的干燥箱中干燥10min。
(5)对Si基片背面进行研磨、抛光处理，直至露出填充有石墨烯复合油性导电浆料的盲孔，然后清洗背面并烘干；再在背面非盲孔区域生长SiO2层；
利用光刻技术在Si基片背面的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片背面中间位置形成一个与步骤(3)尺寸相同、位置相对应的正方形图案；再在Si基片背面重复填充石墨烯复合油性导电浆料，使得Si基片背面形成所需厚度的石墨烯复合油性导电浆料层；然后去除外围光刻胶，即在背面的正方形图案区域内形成石墨烯焊盘，处理后的结构如图6所示。
本发明的方法具有工艺简单、实用性强等优点，且特别适用于高温条件下导电器件的应用，具有高度产业利用的价值。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯浆料填充的TSV制作方法，其特征在于：是以石墨烯复合油性导电浆料作为硅通孔填充材料，所述石墨烯复合油性导电浆料的制作方法为：先将分散剂聚乙烯吡咯烷酮粉末均匀分散到N-甲基吡咯烷酮溶液中，再将石墨烯粉末和导电碳黑均匀分散在含有分散剂的N-甲基吡咯烷酮溶液中，超声振荡均匀，得到固含量为5wt.％的初步石墨烯导电浆料，其中石墨烯粉末和导电碳黑的质量比为1:1～20、聚乙烯吡咯烷酮的质量与石墨烯粉末和导电碳黑总质量的比为1:4；然后将所述初步石墨烯导电浆料与PVDF粘结剂按体积比1～5:1均匀混合，即得到石墨烯复合油性导电浆料；所述制作方法包括如下步骤：
(1)利用深反应离子刻蚀技术在Si基片正面中间形成孔径为5～50μm、深度为50～300μm的盲孔；
(2)在Si基片正面沉积一层SiO2保护层，所述SiO2层覆盖基片的正面以及盲孔内壁；
(3)利用光刻技术在Si基片正面的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片正面中间位置形成一个正方形图案，且保证所述盲孔位于所述正方形图案区域内；
(4)在Si基片正面重复填充石墨烯复合油性导电浆料，使得盲孔内填满石墨烯复合油性导电浆料，并在盲孔上方、Si基片正面形成所需厚度的石墨烯复合油性导电浆料层；然后去除外围光刻胶，即在正面的正方形图案区域内形成石墨烯焊盘；
(5)对Si基片背面进行研磨、抛光处理，直至露出填充有石墨烯复合油性导电浆料的盲孔，然后清洗背面并烘干；再在背面非盲孔区域生长SiO2层；
利用光刻技术在Si基片背面的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片背面中间位置形成一个与步骤(3)尺寸相同、位置相对应的正方形图案；再在Si基片背面重复填充石墨烯复合油性导电浆料，使得Si基片背面形成所需厚度的石墨烯复合油性导电浆料层；然后去除外围光刻胶，即在背面的正方形图案区域内形成石墨烯焊盘。
2.根据权利要求1所述的TSV制作方法，其特征在于：步骤(4)与步骤(5)所述填充石墨烯复合油性导电浆料的方法为：将Si基片放在烧杯中，在基片表面滴上几滴石墨烯复合油性导电浆料，再将烧杯放入超声清洗机中超声振荡30min，最后将Si基片取出并放在80℃的干燥箱中干燥10min。
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