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Abstract

一种用射流穿透并填充通孔的方法，包括生成高温射流、射流穿透面板、射流扩大孔径和射流凝固填充通孔，现有三维集成电路中堆叠芯片实现互联的穿透硅通孔技术中，其关键步骤通孔的形成和导电金属分两步进行，步骤复杂，设备种类多。本发明通过通过生成高温射流后，一次性实现穿透面板、扩大孔径和填充通孔。不但简化了步骤，并且孔壁在射流高温下氧化下能形成需要的绝缘层。步骤简单，设备种类少，是一种新颖、便捷的通孔形成和填充方法，有利于集成电路的小型化和高速化。

Description

一种用射流穿透并填充通孔的方法
技术领域
本发明属于立体封装技术领域，具体涉及一种用射流穿透并填充通孔的方法。
背景技术
穿透硅通孔技术（through silicon via，简称TSV）是三维集成电路中堆叠芯片实现互联的一种技术。通孔的形成和导电金属在上述通孔中的填充均是TSV的关键步骤，现有技术中要分两步进行。中国专利（申请号201810416195.6）公开了一种硅通孔结构及其制备方法，通孔通过刻蚀工艺完成，导电金属的填充通过溅射和电镀工艺完成，步骤复杂，设备种类多。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通孔形成和导电金属填充分两步进行时，步骤复杂，设备种类多，为解决上述问题，本发明提供一种用射流穿透并填充通孔的方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种用射流穿透并填充通孔的方法，具体步骤如下：
（1）生成高温射流：熔化射流材料，并生成截面形状可控、速度可控的持续高温射流；
（2）穿透面板：高温射流前端穿透第一层面板后，再穿透第二层面板……直至穿透第N层面板；N大于等于2，且N为正整数，面板被穿透后留有通孔；
（3）扩大孔径：高温射流后端紧随高温射流前端穿透面板，扩大面板上的通孔孔径至工艺尺寸；
（4）填充通孔：高温射流前端和高温射流后端穿透至第N层面板后，动能消耗完，留在通孔中，高温射流和孔壁共同凝固、共同收缩，使通孔达到设计尺寸。
所述射流材料为金属单质，合金，导电陶瓷或高分子导电材料。
所述步骤（3）中工艺尺寸为通孔孔壁在射流的冲击和加热下形成的尺寸，步骤（4）中的设计尺寸为通孔孔壁在射流凝固收缩后的尺寸，设计尺寸小于工艺尺寸。
所述面板为元素半导体或化合物半导体，元素半导体为硅、锗、硒、硼或碲，化合物半导体为砷化镓、磷化锢、碲化锢、碳化硅或硫化镉。
所述高温射流与每一层面板正面接触时，因在面板表面驻留凝固后形成竹节，通孔以及通孔之间的高温射流凝固后形成填充柱。
所述高温射流为至少两股，至少两股高温射流并行穿透面板和填充通孔，高温射流截面尺寸前小后大，高温射流温度为900–1300℃，射流初速200–350m/s。
所述通孔的孔壁在高温射流的氧化下形成绝缘层。
所述生成高温射流的方法为加热熔化加压射出法或药型罩射流法。
所述加热熔化加压射出法的具体步骤为：
1）把射流材料块放入熔化炉，选择可变直径的喷嘴型号；
2）接通电源，电流通过加热环感应加热，使射流材料块熔化到材料液相线温度以上150℃-200℃；
3）通过活塞作用于液态的射流材料，通过可变直径的喷嘴射出形状可控、速度可控的持续稳定射流。
所述药型罩射流法的具体步骤为：
1）把射流材料制成药型罩的形状；
2）把药型罩连同壳体、炸药和引爆装置组成战斗部；
3）引爆装置包括撞针、底火、底火帽和炸药，撞针撞击底火，引爆药型罩圆锥后方壳体中的炸药，产生的冲击波冲击药型罩的外表面，射流材料被压缩堆积，圆锥的顶点应力最为集中，射流由顶点开始射出，形成持续的高温射流，由壳体导流射出，其形状、速度由药型罩形状、炸药和壳体共同决定。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：射流不但把通孔形成和导电金属填充两步简化成一步，并且孔壁在射流高温下氧化能形成需要的绝缘层。步骤简单，设备种类少。充分利用了表面驻留现象，在面板上一定范围内发生圆形的扩散，扩散的部分在凝固后形成竹节，无需制定溅射或电镀工艺。本发明提供了一种新颖、便捷的通孔形成和填充方法，有利于集成电路的小型化和高速化。
附图说明
图1是本发明的射流穿透并填充通孔方法的流程图。
图2是本发明的射流形态示意图。
图3是前端射流穿透第一层面板示意图。
图4是后端射流扩大第一层面板孔径示意图。
图5是射流凝固填充通孔示意图。
图6是熔化炉的结构示意图。
图7是射流凝固填充通孔示意图。
图中：1、金属射流；2、第一层面板；3、第二层面板；4、通孔；5、绝缘层；6、竹节；7、填充柱；11、加热环；12、熔化炉；13、喷嘴；21、药型罩；22、壳体；23、炸药；24、撞针；25、底火；26、底火帽。
具体实施方式
一种用射流穿透并填充通孔的方法，具体步骤如下：
（1）生成高温射流：熔化射流材料，并生成截面形状可控、速度可控的持续高温射流1，射流材料为金属单质，合金，导电陶瓷或高分子导电材料，生成高温射流1的方法为加热熔化加压射出法或药型罩射流法，高温射流1为至少两股，至少两股高温射流并行穿透面板和填充通孔，如图1中所示，高温射流1截面尺寸前小后大，高温射流1温度为900–1300℃，射流初速200–350m/s；
（2）穿透面板：在射流前端侵彻、动能冲击和高温加热下，面板被穿透，高温射流1前端穿透第一层面板2后，再穿透第二层面板3……直至穿透第N层面板，N大于等于2，且N为正整数，面板被穿透后留有通孔4，通孔4的孔壁在高温射流的氧化下形成绝缘层5；
面板为元素半导体或化合物半导体，元素半导体为硅、锗、硒、硼或碲，化合物半导体为砷化镓、磷化锢、碲化锢、碳化硅或硫化镉，高温射流1与第一层面板2、第二层面板3、……、第N层面板正面接触时，因面板表面驻留现象，高温射流1前端在与面板正面接触之初，不能立即穿透，而是在面板上一定范围内发生圆形的扩散，扩散的部分在凝固后形成竹节6，如图5中所示，竹节的作用是固定填充金属与面板，通孔4以及通孔4之间的高温射流凝固后形成填充柱7，达到连接面板的目的；
（3）扩大孔径：高温射流1后端紧随高温射流前端穿透面板，在后续射流动能冲击和高温加热下，被贯穿部分的径向尺寸继续扩大，扩大面板上的通孔4孔径至工艺尺寸；
（4）填充通孔：高温射流前端和高温射流后端穿透至第N层面板后，动能消耗完，留在通孔中，高温射流和孔壁共同凝固、共同收缩，使通孔达到设计尺寸；
步骤（3）中工艺尺寸为通孔4孔壁在射流的冲击和加热下形成的尺寸，是射流凝固收缩前的尺寸，步骤（4）中的设计尺寸为通孔4孔壁在射流凝固收缩后的尺寸，设计尺寸小于工艺尺寸。
如图6中所示，加热熔化加压射出法为加热熔化用以穿通孔的材料，从固体成为液体，通过加压使液体向面板射出，持续高温射流的截面形状和速度由加压的压力和喷嘴的直径控制，具体步骤为：
1）把射流材料块放入熔化炉12中，选择可变直径的喷嘴13型号；
2）接通电源，电流通过加热环11感应加热，使射流材料块熔化到材料液相线温度以上150℃-200℃；
3）通过活塞作用于液态的射流材料，通过可变直径的喷嘴13射出形状可控、速度可控的持续稳定射流。
如图7中所示，药型罩射流法为通过聚能效应，使用以穿通孔的材料从固体变为流体并向面板射出，通过火药和药型罩的形状控制持续高温射流的截面形状和速度，具体步骤为：
1）把射流材料制成药型罩的形状；
2）把药型罩21连同壳体22、炸药23和引爆装置组成战斗部；
3）引爆装置包括撞针24、底火25、底火帽26和炸药23，撞针24撞击底火25，引爆药型罩圆锥后方壳体22中的炸药，产生的冲击波冲击药型罩的外表面，射流材料被压缩堆积，圆锥的顶点应力最为集中，射流由顶点开始射出，形成持续的高温射流，由壳体导流射出，其形状、速度由药型罩形状、炸药和壳体共同决定。
其中，底火为装在枪弹或炮弹药筒底部，靠输入机械能或电能刺激发火的火工品，用于输出火焰引燃发射药装药或传火药。底火中含起爆药，其敏感度高，在撞针撞击时底火时，起爆药迅速燃烧，能够引爆壳体中的炸药。
实施例1
实现三维集成电路中堆叠芯片互联的技术穿透硅通孔技术的射流材料是单质金属铜，面板材料是12英寸Si晶圆片，生成射流的方法采用加热溶化后加压射出法，具体步骤为，
（1）生成高温射流：熔化射流材料Cu，生成截面形状可控、速度可控的持续高温射流1，高温射流1具有4股，高温射流并行穿透面板和填充通孔，高温射流1截面尺寸前小后大，高温射流1的温度1200℃，射流初速200m/s；
（2）穿透面板：面板层数为2层，高温射流1侵彻贯穿了第一层面板2，被贯穿的部分轴向截面为楔形，从第一层面板背面穿出射流前端，射向第二层面板3并穿透第二层面板3，面板被穿透后留有通孔4，通孔4的孔壁在高温射流的氧化下形成SiO2绝缘层5，壁厚为50nm，无需利用硅烷（SiH4）或硅酸乙酯（TEOS）通过化学气相沉积（CVD）工艺沉积获得SiO2绝缘层；
（3）扩大孔径：高温射流1后端紧随高温射流前端穿透面板，在后续射流动能冲击和高温加热下，被贯穿部分的径向尺寸继续扩大，Si面板的通孔4孔径扩大至⌀20.5μm的工艺尺寸；
（4）填充通孔：高温射流前端和高温射流后端穿透至第2层面板后，动能消耗完，留在通孔中，高温射流和孔壁共同凝固、共同收缩，使通孔达到设计尺寸⌀20μm。射流填充通孔后凝固形成填充柱7，其直径尺寸等于通孔的设计直径20μm，射流在第一层面板2和第二层面板3表面驻留形成的竹节6，直径为24μm，厚度2μm。
实施例2
实现三维集成电路中堆叠芯片互联的技术穿透硅通孔技术的射流材料是铜锡合金，面板材料是8英寸Si晶圆片，生成射流的方法采用加热溶化后加压射出法，具体步骤为，
（1）生成高温射流：熔化射流材料Cu、Sn合金，生成截面形状可控、速度可控的持续高温射流1，高温射流1具有2股，高温射流并行穿透面板和填充通孔，高温射流1截面尺寸前小后大，高温射流1的温度1300℃，射流初速300m/s；
（2）穿透面板：面板层数为4层，高温射流1侵彻贯穿了第一层面板2，被贯穿的部分轴向截面为楔形，从第一层面板背面穿出射流前端，射向第二层面板3并穿透第二层面板3……直至穿透第4层面板，面板被穿透后留有通孔4，通孔4的孔壁在高温射流的氧化下形成SiO2绝缘层5，壁厚为40nm；
（3）扩大孔径：高温射流1后端紧随高温射流前端穿透面板，在后续射流动能冲击和高温加热下，被贯穿部分的径向尺寸继续扩大，Si面板的通孔4孔径扩大至⌀31μm的工艺尺寸；
（4）填充通孔：高温射流前端和高温射流后端穿透至第4层面板后，动能消耗完，留在通孔中，高温射流和孔壁共同凝固、共同收缩，使通孔达到设计尺寸⌀30μm。射流填充通孔后凝固形成填充柱7，其直径尺寸等于通孔的设计直径⌀30μm，射流在每一层面板表面驻留形成的竹节6，直径为⌀25μm，厚度2.5μm。
实施例3
实现三维集成电路中堆叠芯片互联的技术穿透硅通孔技术的射流材料是单质铜，面板材料是6英寸Si晶圆片，生成射流的方法采用加热溶化后加压射出法，具体步骤为，
（1）生成高温射流：熔化射流材料单质铜，生成截面形状可控、速度可控的持续高温射流1，高温射流1具有6股，高温射流并行穿透面板和填充通孔，高温射流1截面尺寸前小后大，高温射流1的温度1100℃，射流初速350m/s；
（2）穿透面板：面板层数为3层，高温射流1侵彻贯穿了第一层面板2，被贯穿的部分轴向截面为楔形，从第一层面板背面穿出射流前端，射向第二层面板3并穿透第二层面板3……直至穿透第3层面板，面板被穿透后留有通孔4，通孔4的孔壁在高温射流的氧化下形成SiO2绝缘层5，壁厚为45nm；
（3）扩大孔径：高温射流1后端紧随高温射流前端穿透面板，在后续射流动能冲击和高温加热下，被贯穿部分的径向尺寸继续扩大，Si面板的通孔4孔径扩大至⌀25.8μm的工艺尺寸；
（4）填充通孔：高温射流前端和高温射流后端穿透至第3层面板后，动能消耗完，留在通孔中，高温射流和孔壁共同凝固、共同收缩，使通孔达到设计尺寸⌀25μm。射流填充通孔后凝固形成填充柱7，其直径尺寸等于通孔的设计直径⌀30μm。射流在每一层面板的表面驻留形成竹节6，竹节直径为⌀25μm，厚度2.3μm。
现有技术中通孔需要刻蚀设备完成，导电金属的填充通过溅射设备和电镀设备完成，步骤复杂，设备种类多，本发明将通孔形成和导电金属填充两步简化成一步，使用一种设备，设备种类减少，简化了步骤。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用射流穿透并填充通孔的方法，具体步骤如下：
（1）生成高温射流：熔化射流材料，并生成截面形状可控、速度可控的持续高温射流（1）；
（2）穿透面板：高温射流（1）前端穿透第一层面板（2）后，再穿透第二层面板（3）……直至穿透第N层面板；N大于等于2，且N为正整数，面板被穿透后留有通孔（4）；
（3）扩大孔径：高温射流（1）后端紧随高温射流前端穿透面板，扩大面板上的通孔（4）孔径至工艺尺寸；
（4）填充通孔：高温射流前端和高温射流后端穿透至第N层面板后，动能消耗完，留在通孔中，高温射流和孔壁共同凝固、共同收缩，使通孔达到设计尺寸，其特征在于：所述步骤（3）中工艺尺寸为通孔（4）孔壁在射流的冲击和加热下形成的尺寸，步骤（4）中的设计尺寸为通孔（4）孔壁在射流凝固收缩后的尺寸，设计尺寸小于工艺尺寸。
2.根据权利要求1所述的用射流穿透并填充通孔的方法，其特征在于：所述高温射流（1）与每一层面板正面接触时，因在面板表面驻留凝固后形成竹节（6），通孔（4）以及通孔（4）之间的高温射流凝固后形成填充柱（7）。
3.根据权利要求1所述的用射流穿透并填充通孔的方法，其特征在于：所述高温射流（1）为至少两股，至少两股高温射流并行穿透面板和填充通孔，高温射流（1）截面尺寸前小后大，高温射流（1）温度为900–1300℃，射流初速200–350m/s。
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