CN111834234B - 通孔填充方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通孔填充方法及结构，方法包括：利用胶体填充通孔，并使胶体半固化；去除基底表面上的胶体，其中通孔内的胶体向内凹陷；使胶体固化；在固化胶体上进行打孔，形成标准孔，标准孔的孔径小于通孔的孔径；进行金属沉积，形成过渡结构，过渡结构包覆标准孔侧壁、基底表面以及固化胶体的外表面；通过金属电镀工艺形成电镀金属层，填充标准孔；以及去除基底上下表面上的过渡结构和电镀金属层，上述通孔填充方法形成的结构避免了大孔径高深宽比孔出现空洞及表面镀层过厚等问题，良率高，成本低且可实现性好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别涉及一种通孔填充方法及结构。
背景技术
在基板(如有机基板、玻璃基板或陶瓷基板)制造过程中，通常需要在厚基底上进行通孔处理，并镀金属以实现上下表面电性能的互连。小孔径孔采用电镀方式进行全孔电镀可获得性能良好的填充效果，而对于大孔径(≥50um)高深宽比的孔若采用类似工艺则容易出现空洞及表面镀层过厚等问题，良率低，成本高，且可实现性差。因此通常采用先淀积薄壁金属后塞孔工艺或是仅淀积薄壁金属无填充工艺实现。无填充的通孔无法实现垂直叠孔，此外在高频信号传输应用领域受到限制。此外，由于厚基底打孔技术惯常使用喷砂、激光钻孔或机械钻孔等方式，成型后的孔壁粗糙度较大且存在局部缺陷，这将导致先淀积薄壁金属后填孔(金属)工艺在实施过程中存在淀积厚度不均匀，连续性差的问题，即使引入侧壁处理清洁等工艺技术，也将造成扩孔，上下表面损伤、可控性低以及因金属与基板材料参数不匹配导致热失配(因为各层间材料的CTE不同，在受热时会产生不同比例的膨胀或收缩，导致材料间产生应力，甚至开裂)等降低可靠性的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通孔填充方法及结构，以解决现有的大孔径高深宽比通孔基底上的通孔填充良率低问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种通孔填充方法，包括：
利用胶体填充通孔，并使胶体半固化；
去除所述基底表面上的胶体，其中所述通孔内的胶体向内凹陷；
使胶体固化；
在所述固化胶体上进行打孔，形成标准孔，所述标准孔的孔径小于所述通孔的孔径；
进行金属沉积，形成过渡结构，所述过渡结构包覆标准孔侧壁、基底表面以及固化胶体的外表面；
通过金属电镀工艺形成电镀金属层，填充所述标准孔；以及
去除基底上下表面上的过渡结构和电镀金属层。
可选的，在所述的通孔填充方法中，利用胶体填充通孔并使胶体半固化包括：
采用加热、减压或震动的方式将胶体填入所述通孔；
采用加热或减压方法，使所述胶体半固化。
可选的，在所述的通孔填充方法中，去除所述基底表面上的胶体包括：
采用溶剂涂擦所述基底表面上的胶体，所述基底阻挡所述通孔中的胶体被去除；或
将所述基底表面上的胶体浸泡在溶剂中，所述溶液的表面张力作用使通孔中的胶体保留，
其中去除所述基底表面上的胶体后，通孔的部分侧壁露出，所述标准孔的侧壁长度小于所述通孔的侧壁长度。
可选的，在所述的通孔填充方法中，
根据所述胶体的性能调节温度进行加热固化、对所述半固化胶体进行UV固化，或向所述半固化胶体中注入离子进行固化，然后进行等离子清洗，对残余杂质进行优化清洗。
可选的，在所述的通孔填充方法中，所述过渡结构的材料包括铬、铜、钛、金及银中的一种或几种。
可选的，在所述的通孔填充方法中，通过金属电镀工艺形成电镀金属层，完全填充所述标准孔包括：
电镀金属直至所述标准孔被完整填充，形成金属电镀层，所述金属电镀层覆盖所述标准孔的侧壁、以及所述过渡结构，形成金属填料体。
可选的，在所述的通孔填充方法中，通过化学机械抛光去除基底上下表面上的过渡结构和电镀金属层，在通孔内形成外层以胶体固化后为支撑，内层完全金属填充且上下表面均被金属覆盖成哑铃状的导电转接结构。
本发明还提供一种通孔填充结构，包括：
基底，所述基底具有贯穿基底顶面和底面的一个或多个通孔；
设置在通孔内的支撑结构，所述支撑结构填充所述通孔，所述支撑结构具有顶面和底面，所述支撑结构的顶面相对于所述基底顶面向基底内部凹陷，且所述支撑结构的底面相对于所述基底底面向基底内部凹陷；
贯穿所述支撑结构的标准孔；
过渡结构，所述过渡结构覆盖支撑结构的顶面和底面以及标准孔的侧壁；以及
电镀金属层，所述电镀金属层填充标准孔、覆盖过渡结构并且至少部分或完全填充支撑结构相对于基底的凹陷部分。
可选的，在所述的通孔填充结构中，所述支撑结构的顶面相对于所述基底顶面向基底内部凹陷且所述支撑结构的底面相对于所述基底底面向基底内部凹陷，使得至少部分通孔侧壁暴露，暴露的通孔侧壁的高度在0至基底厚度范围内。
可选的，在所述的通孔填充结构中，在通孔内形成外层以胶体固化后为支撑，内层完全金属填充且上下表面均被金属覆盖成哑铃状的导电转接结构。
可选的，在所述的通孔填充结构中，所述支撑结构为固化胶体，所述过渡结构的材料包括铬、铜、钛、金及银中的一种或几种，所述电镀金属层的材料包括铜、金及银中的一种或几种。
可选的，在所述的通孔填充结构中，所述通孔为圆柱体、长方体、腰鼓体、圆台体或多边柱体，
所述电镀金属层的上下表面为圆台或方台结构，所述电镀金属层的中间为圆柱体、长方体、腰鼓体、圆台体或多边柱体。
在本发明提供的通孔填充方法及结构中，通过将通孔用热熔性胶填充，在固化填料体上打孔形成孔径更小的标准孔，可以在后续的金属沉积和金属电镀工艺中，完全填充标准孔，获得性能良好的填充效果，避免了大孔径高深宽比孔出现空洞及表面镀层过厚等问题，良率高，成本低且可实现性好。
具体的，不同于其它填充材料同时做介质层，该结构中有机填充(如热熔胶)仅存在于孔内。除孔内金属外，基底的上下表面无其他结构，经磨剖后能够保证原基底材料的原始特性(如硬度，平整度，介电常数等)。相对薄壁金属互联方式，提供了全孔填充并形成大直径通孔的金属互联结构。该结构为大孔径垂直叠孔，大电流和高频信号传输等需求提供解决办法，尤其是具有高密度孔阵列的基底。降低了大孔径全部金属填充的药液耗损，改善了后续表层厚金属去除工艺，降低成本。该技术可实现同一基板或不同基板上大小不同的孔形成统一可稳定填充的孔型大小。为适应各种个性设计问题提供了转换为可操作的稳定工艺模型的办法，降低工艺成本，提高良率。先显影再曝光，不需要掩膜板，非常规设计。填充料的材料组分可根据外层基底与内部金属性能进行调配，对金属与基底因伸缩效应导致的热失配起到缓冲与释放作用，适合高可靠性要求。根据基底决定配比，以适应基底的热性能或适应金属的热性能。
附图说明
图1是本发明一实施例通孔填充结构的结构示意图；
图2～8是本发明一实施例通孔填充方法的流程示意图；
图中所示：1-基底；2-通孔；4-半固化填料体/支撑结构；5-通孔的部分侧壁/内陷区域；6-内凹结构；7-标准孔/激光孔；8-过渡沉积层/过渡结构；9-金属电镀层/金属填料体。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的通孔填充方法及结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种通孔填充方法及结构，以满足玻璃、陶瓷或基板等多层布线线路板通孔金属填充金属化技术难题；同时，为在具备不同孔径的同一基板上实现一次性全部填充提供解决办法。
为实现上述思想，本发明提供了一种通孔填充方法及结构，如图2～8所示，包括：在基底1上形成一个或多个通孔2；将所述通孔2用热熔性胶填充，形成半固化填料体4；去除所述基底1表面上的热熔性胶；将所述半固化填料体4进行固化然后清洗，形成固化填料体；在所述固化填料体上打孔，形成标准孔7，所述标准孔7的孔径小于所述通孔2的孔径；进行过渡层沉积，形成过渡结构8；通过金属电镀工艺填充所述标准孔7。
现有方法无论是全部填充后进行CMP露出基底与填充，还是直接用胶体充当上下表面介电层，形成的结构在基底高度范围内的铜柱均为圆柱体或与圆柱体相接近的纺锤体(其结构都依赖于原基体的孔型)。本发明结构中金属电镀层为哑铃状结构：优点在于上下除基体(玻璃)外暴露在外面的仅有金属(铜)，使该结构的应用范围得到提升(如医疗与高能探测等对本底基材与裸漏材料有特殊要求的领域)，如1图所示(图1中8，9均为金属，胶体填充部分全被金属与基底包覆，而现有结构中均有胶体裸漏在外表面)。本发明与现有方法最大不同在于它所形成的结构与其完全不同，胶体的完全包覆与胶体的正反面完全裸漏使得他们在使用及后续工艺加工中所处的限制条件有所差别。
不同于其它填充材料同时做介质层，该结构中有机填充(如热熔胶)仅存在于孔内。除孔内金属外，基底1的上下表面无其他结构，经磨剖后能够保证原基底材料的原始特性(如硬度，平整度，介电常数等)。相对薄壁金属互联方式，提供了全孔填充并形成大直径通孔的金属互联结构。该结构为大孔径垂直叠孔，大电流和高频信号传输等需求提供解决办法，尤其是具有高密度孔阵列的基底。降低了大孔径全部金属填充的药液耗损，改善了后续表层厚金属去除工艺，降低成本。该技术可实现同一基板或不同基板上大小不同的孔形成统一可稳定填充的孔型大小。为适应各种个性设计问题提供了转换为可操作的稳定工艺模型的办法，降低工艺成本，提高良率。通过先显影再曝光，在改变孔的数量、位置或形状时，不需要更换掩膜板；也可以实现孔的非常规设计，例如方形、椭圆形等不常规的特殊形状。填充料的材料组分可根据外层基底与内部金属性能进行调配，对金属与基底因伸缩效应导致的热失配起到缓冲与释放作用，适合高可靠性要求。根据基底决定配比，以适应基底的热性能或适应金属的热性能。
在本发明的实施例中，如图2所示，可通干法或湿法刻蚀工艺、激光钻孔等工艺在基底1上形成多个通孔2。基底1可包括多种多样的半导体材料、如硅、锗、砷化镓、磷化铟等。可替代地，基底1也可由电学非导电材料，如玻璃、塑料、陶瓷或蓝宝石晶片制成。通孔2可以是相同或不同的通孔。
如图3所示，在所述的通孔填充方法中，将所述通孔2用热熔性胶填充，形成半固化填料体4包括：采用加热、减压或震动的方式将热熔性胶填入所述通孔2，根据所述热熔性胶的性能调节震动参数；采用加热或减压方式，使所述热熔性胶形成所述半固化填料体4。
进一步的，在所述的通孔填充方法中，如图4所示，去除所述基底1表面上的热熔性胶包括：采用溶剂涂擦所述基底表面上的热熔性胶4，所述基底1阻挡所述通孔2中的热熔性胶4被去除；或将所述基底1表面上的热熔性胶4浸泡在溶剂中，所述溶液的表面张力作用使通孔2中的热熔性胶4保留；去除所述基底1表面上的热熔性胶4后，所述半固化填料体4在所述通孔内形成内凹结构6，以使所述标准孔的侧壁长度小于所述通孔的侧壁长度；去除所述基底1表面上的热熔性胶4后，通孔的部分侧壁5露出。部分侧壁5的长度在0至基地厚度的范围内。
在本发明的另一个实施例中，在所述的通孔填充方法中，如图5所示，将所述半固化填料体4进行固化，然后清洗，形成标准孔7包括：根据所述热熔性胶4的性能调节温度进行加热固化、对所述半固化填料体4进行UV固化，或向所述半固化填料体4中注入离子进行固化；进行等离子清洗，对残余杂质进行优化清洗；在所述固化填料体上进行激光打孔。如图6所示，形成过渡结构8包括：对所述固化填料体加偏压进行粘附层种子层金属溅射，过渡结构8的材料包括铬、铜、钛、金及银中的一种或几种；所述过渡结构8包覆所述标准孔7的侧壁，以及固化填料体的表面，包括内凹结构6，露出的所述通孔的部分侧壁5，以及基底1的上表面。
在本发明的另一个实施例中，如图7所示，在所述的通孔填充方法中，通过金属电镀工艺填充所述标准孔7包括：电镀金属直至所述标准孔被完整填充，形成金属电镀层9，所述金属电镀层9的厚度为10～20微米，所述金属电镀层9覆盖所述标准孔7的侧壁、以及所述过渡结构8，形成金属填料体9。
在本发明的另一个实施例中，在所述的通孔填充方法中，所述通孔2的孔径大于50微米，所述半固化填料体4的形状为圆柱体、长方体、腰鼓体、圆台体和多边柱体中的一种或多种，所述金属填料体9的形状为圆柱体、长方体、腰鼓体、圆台体和多边柱体中的一种或多种。在所述的通孔填充方法中，如图8所示，所述通孔填充方法还包括：通过金属电镀工艺填充所述标准孔7后，对所述基底1表面进行化学抛光或机械抛光，去除基底顶面电镀金属层9和过渡结构8，仅保留通孔内部的电镀金属层9和过渡结构8，从而在通孔内部形成外层以胶体变性后为支撑，内层完全金属填充且上下表面均被金属覆盖成哑铃状的导电转接结构，作为导电通孔结构。
本实施例还提供一种由以上方法形成的通孔填充结构。如图1所示，该结构的主体共有四个部分，分别为：带有通孔2结构的基底1，紧贴于通孔2内壁并形成带有比基底通孔2直径更小通孔的沿径向向基底中间层内凹的支撑结构4(，包裹支撑结构4与部分通孔2侧壁的过渡结构8，可用于实现阻挡，黏附等作用，例如Cr/Cu/Ni/Au等一种或多种金属的组合，填充剩余通孔结构的上下两头大于中部的哑铃状金属电镀层9，可为Cu、Au、Ag等。基底1可包括多种多样的半导体材料、如硅、锗、砷化镓、磷化铟等。可替代地，基底1也可由电学非导电材料，如玻璃、塑料、陶瓷或蓝宝石晶片制成。支撑结构4可以通过干膜或液态胶固化后形成。支撑结构4在通孔2的顶部和底部向通孔内容部凹陷，并且露出通孔的部分侧壁5。
金属电镀层9的上表面与基底1的上表面齐平或其中的一个结构略有凹陷(尺寸介于0～基底厚度/2)，9的下表面与1的下表面齐平或其中的一个结构略有凹陷(尺寸介于0～基底厚度)。从而，在通孔内部形成外层以胶体变性后为支撑，内层完全金属填充且上下表面均被金属覆盖成哑铃状的导电转接结构，作为导电通孔结构。
基底1上的通孔2可为圆柱形、长方体、腰鼓形、圆台形、多边柱等各种形状，金属电镀层9的上下两头可为圆台或方台等结构，中间可为圆柱形、长方体、腰鼓形、圆台形、多边柱等各种形状。
过渡结构8的材料及加工方式可与金属电镀层9相同也可不同。
过渡结构8中的尺寸11范围介于0到孔径；尺寸12范围介于0到基底厚度。
在本发明提供的通孔填充方法及结构中，通过将通孔用热熔性胶填充，在固化填料体上打孔形成孔径更小的标准孔，可以在后续的金属沉积和金属电镀工艺中，完全填充标准孔，获得性能良好的填充效果，避免了大孔径高深宽比孔出现空洞及表面镀层过厚等问题，良率高，成本低且可实现性好。
制造方法包括：带有通孔2的平板：(1为基底；通孔2可为大小不同的通孔)；热熔性胶填充通孔。可采用震动方式填充，以保证较好填充效果，采用加热或减压方式，使胶体实现半固化(4为填充的胶体)。
选用溶剂涂擦或浸泡方式去除表面胶体。由于通孔中胶体有玻璃保护(擦拭时直接阻挡作用，或者浸泡时液体表面张力作用)，通孔中半固化胶主体不会被显影液或溶剂去除，孔中胶被保留下来，形成略有内凹特点的结构(5为内陷区域，尺寸范围为0～基底厚度，6为因溶剂带走部分孔内胶体形成的内凹结构)。
固化，选用孔内填充胶体适合的温度进行加热固化或UV固化或注入离子改性，并进行等离子清洗，对残余杂质进行优化清洗。
激光打孔。由于打孔参数一致，基板原有所有的孔均被转换为形貌统一的高深宽比小孔(7为激光孔)。
金属淀积。加偏压进行粘附层种子层金属溅射，如Cr/Cu,Ti/Cu,Cr/Au等(8为溅射层金属)。形成包覆在结构外侧的薄层金属层。
小孔电镀(9为电镀层金属)。形成通孔完整填充，且上下表面有一定厚度的电镀金属层，其中金属完全包覆孔口。
化学机械抛光，形成外层以胶体变性后为支撑，内层完全金属填充且上下表面均被金属覆盖成哑铃状的导电转接结构。形成导电通孔结构。
综上，上述实施例对通孔填充方法及结构的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (12)
1.一种通孔填充方法，其特征在于，包括：
利用胶体填充通孔，并使胶体半固化；
去除基底表面上的胶体，其中所述通孔内的胶体向内凹陷；
使胶体固化；
在固化胶体上进行打孔，形成标准孔，所述标准孔的孔径小于所述通孔的孔径，同一基板或不同基板上大小不同的孔形成统一可稳定填充的孔型大小；
进行金属沉积，形成过渡结构，所述过渡结构包覆标准孔侧壁、基底表面以及固化胶体的外表面；
通过金属电镀工艺形成电镀金属层，填充所述标准孔；以及
去除基底上下表面上的过渡结构和电镀金属层，形成的结构用于大孔径垂直叠孔，大电流和高频信号传输，和/或具有高密度孔阵列的基底；
为适应各种个性设计问题提供转换为可操作的稳定工艺模型的办法，先显影再曝光，不需要掩膜板，填充料的材料组分根据外层基底与内部金属性能进行调配，对金属与基底因伸缩效应导致的热失配起到缓冲与释放作用，适合高可靠性要求；根据基底决定配比，以适应基底的热性能或适应金属的热性能。
2.如权利要求1所述的通孔填充方法，其特征在于，利用胶体填充通孔并使胶体半固化包括：
采用加热、减压或震动的方式将胶体填入所述通孔；
采用加热或减压方法，使所述胶体半固化。
3.如权利要求1所述的通孔填充方法，其特征在于，去除所述基底表面上的胶体包括：
采用溶剂涂擦所述基底表面上的胶体，所述基底阻挡所述通孔中的胶体被去除；或
将所述基底表面上的胶体浸泡在溶剂中，所述溶剂的表面张力作用使通孔中的胶体保留，
其中去除所述基底表面上的胶体后，通孔的部分侧壁露出，所述标准孔的侧壁长度小于所述通孔的侧壁长度。
4.如权利要求1所述的通孔填充方法，其特征在于，
根据所述胶体的性能调节温度进行加热固化、对半固化胶体进行UV固化，或向半固化胶体中注入离子进行固化，然后进行等离子清洗，对残余杂质进行优化清洗。
5.如权利要求1所述的通孔填充方法，其特征在于，所述过渡结构的材料包括铬、铜、钛、金及银中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的通孔填充方法，其特征在于，通过金属电镀工艺形成电镀金属层，完全填充所述标准孔包括：
电镀金属直至所述标准孔被完整填充，形成金属电镀层，所述金属电镀层覆盖所述标准孔的侧壁、以及所述过渡结构，形成金属填料体。
7.如权利要求6所述的通孔填充方法，其特征在于，通过化学机械抛光去除基底上下表面上的过渡结构和电镀金属层，在通孔内形成外层以胶体固化后为支撑，内层完全金属填充且上下表面均被金属覆盖成哑铃状的导电转接结构。
8.一种基于如权利要求1所述的方法形成的通孔填充结构，包括：
基底，所述基底具有贯穿基底顶面和底面的一个或多个通孔；
设置在通孔内的支撑结构，所述支撑结构填充所述通孔，所述支撑结构具有顶面和底面，所述支撑结构的顶面相对于所述基底顶面向基底内部凹陷，且所述支撑结构的底面相对于所述基底底面向基底内部凹陷；
贯穿所述支撑结构的标准孔；
过渡结构，所述过渡结构覆盖支撑结构的顶面和底面以及标准孔的侧壁；以及
电镀金属层，所述电镀金属层填充标准孔、覆盖过渡结构并且至少部分或完全填充支撑结构相对于基底的凹陷部分；
上述结构使得所述通孔填充结构能够用于大孔径垂直叠孔，大电流和高频信号传输，和/或具有高密度孔阵列的基底。
9.如权利要求8所述的通孔填充结构，其特征在于，所述支撑结构的顶面相对于所述基底顶面向基底内部凹陷且所述支撑结构的底面相对于所述基底底面向基底内部凹陷，使得至少部分通孔侧壁暴露，暴露的通孔侧壁的高度在0至基底厚度范围内。
10.如权利要求8所述的通孔填充结构，其特征在于，在通孔内形成外层以胶体固化后为支撑，内层完全金属填充且上下表面均被金属覆盖成哑铃状的导电转接结构。
11.如权利要求8所述的通孔填充结构，其特征在于，所述支撑结构为固化胶体，所述过渡结构的材料包括铬、铜、钛、金及银中的一种或几种，所述电镀金属层的材料包括铜、金及银中的一种或几种。
12.如权利要求8所述的通孔填充结构，其特征在于，所述通孔为圆柱体、长方体、腰鼓体、圆台体或多边柱体，
所述电镀金属层的上下表面为圆台或方台结构，所述电镀金属层的中间为圆柱体、长方体、腰鼓体、圆台体或多边柱体。
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