CN117620440A - 一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种芯片或集成电路制造领域，尤其是涉及一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，包括，激光点光源阵列、扩束镜、倍频组件、聚焦透镜和加工台。激光点光源阵列用于发出纳秒脉冲激光点光源，扩束镜、倍频组件、聚焦透镜沿着纳秒脉冲激光点光源的传播路径依次安装，加工台用于放置待加工圆晶，待加工圆晶位于聚焦透镜的焦点位置。扩束镜能够将激光点光源扩束为准平行光，倍频组件用于对准平行光进行倍频，聚焦透镜用于将倍频后的准平行光聚焦为与纳秒脉冲激光点光源相对应的点光源阵列。本发明在保证加工精度的条件下，与光刻加等离子体刻蚀的方法相比，过程更简单、加工更快，与超快激光诱导刻蚀方法相比，设备更便宜、加工更快。

Description

一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统及方法

技术领域

本发明涉及一种芯片或集成电路制造领域，尤其是涉及一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统及方法。

背景技术

目前芯片产业的发展已经迈入了后摩尔时代。在后摩尔时代，芯片的发展演化出不同的技术方向，其中之一是超越摩尔方向，先进封装是超越摩尔技术方向的一种重要实现路径。既然制造芯片的传统平面工艺快走到头了，因此通过3D堆叠封装的先进技术构成三维结构的芯片就成为产业界的关注重点，其中硅通孔（Through-Silicon Via, TSV）转接板是3D封装的关键。

硅通孔转接板打通孔时通常用等离子体深度刻蚀工艺制作，优点是孔径小、孔壁垂直，但工艺流程长、刻蚀速度慢。近年来，关于硅通孔的专利申请很多，例如，专利CN112908933A《硅通孔的制造方法》、专利CN216563077U《晶圆级硅通孔封装结构》、专利CN116387242A《硅通孔加工方法》、专利CN111968953A《硅通孔结构及其制备方法》、专利CN112908933A《硅通孔的制作方法》、专利CN115172270A《一种硅通孔结构及其制作方法》、专利CN115148594A《一种双面对准刻蚀的硅通孔制作工艺》、专利CN116264183A《一种硅通孔结构的形成方法》。这些专利围绕硅通孔转接板的结构与形状、绝缘层和阻挡层材料，以及电镀、化学机械抛光等工艺过程，从不同方面来展开，关于打通孔的方法都是等离子体深度刻蚀，因此打通孔时工艺流程长、刻蚀速度慢的问题依然存在。

发明内容

本发明提供了一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统及方法，以解决背景技术中提及的等离子体深度刻蚀工艺流程长、刻蚀速度慢的问题。

本发明的一个技术方案如下：一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，包括：激光点光源阵列、扩束镜、倍频组件、聚焦透镜和加工台；

所述激光点光源阵列用于发出纳秒脉冲激光点光源，所述扩束镜、倍频组件、聚焦透镜沿着纳秒脉冲激光点光源的传播路径依次安装，所述加工台用于放置待加工圆晶，所述待加工圆晶位于所述聚焦透镜的焦点位置；

所述扩束镜能够将纳秒脉冲激光点光源扩束为准平行光，所述倍频组件用于对所述准平行光进行倍频，所述聚焦透镜用于将倍频后的准平行光聚焦为与纳秒脉冲激光点光源相对应的点光源阵列，所述加工台能够调整所述待加工圆晶的位置。

进一步地，所述激光点光源阵列包括纳秒脉冲光纤激光器以及与纳秒脉冲光纤激光器连接的光纤阵列。

进一步地，所述光纤阵列中的光纤阵列排布或者对应通孔位置进行排布。

进一步地，所述倍频组件包括KDP晶体、KTP晶体、BBO晶体、LBO晶体、SBBO晶体中的一种或多种。

进一步地，还包括反射镜，所述反射镜位于所述倍频组件与聚焦透镜之间，所述反射镜用于将倍频后的准平行光反射至聚焦透镜。

进一步地，还包括密封盒体，所述密封盒体设置在加工台上，所述待加工圆晶设置在密封盒体内，所述密封盒体的顶部设置有窗口，所述窗口位于聚焦透镜与待加工圆晶之间，所述密封盒体的两侧分别设置介质入口和介质出口，所述介质入口用于输入加工介质，所述介质出口用于密封盒体内加工介质的流出。

进一步地，所述加工介质包括助燃气体、反应气体、保护性气体、聚焦液体和易气化液体中的一种。

进一步地，所述助燃气体包括氧气，所述反应气体包括氯气或六氟化硫，所述保护性气体包括氩气，所述聚焦液体包括水，所述易气化液体包括乙醇。

本发明的另一个技术方案如下：一种用于上述任一所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统的刻蚀方法，包括：

S10：根据待加工圆晶上的芯片布局和光纤阵列的规格，将光纤阵列的每根光纤与待加工圆晶上的芯片进行对应；

S20：根据芯片中的硅通孔结构版图的轮廓，确定加工激光光束的加工路径，使得加工激光光束在运动路径上外切于轮廓；

S30：将待加工圆晶放置在高速激光刻蚀系统的加工台上，让每根光纤发射的激光光束根据所述加工路径进行同步加工。

本发明的有益效果：本发明采用技术成熟且产量大的纳秒脉冲光纤激光器，大幅降低了激光器的价格，增加了装置的经济性，使阵列加工成为可能，通过光纤阵列将许多光纤激光器的光点排列成特定图像，采用并行加工方式，显著加快了硅通孔的加工速度；采用倍频技术以及特定加工介质中的激光加工，减小了加工孔的直径，提高了加工孔的精度。本发明在保证加工精度的条件下，与光刻加等离子体刻蚀的方法相比，过程更简单、加工更快，与超快激光诱导刻蚀方法相比，设备更便宜、加工更快。

附图说明

图1是本发明中立式结构的激光刻蚀系统的结构示意图。

图2是本发明中卧式结构的激光刻蚀系统的结构示意图。

图3是本发明中光纤阵列的结构示意图。

图4是本发明中密封盒体的结构示意图。

图5是本发明中刻蚀方法的流程图。

图6是本发明中刻蚀方法的示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的一个技术方案中，图1是根据本发明的一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统的具体结构提供的结构示意图，如图1所示，本发明具体包括：激光点光源阵列、扩束镜3、倍频组件4、聚焦透镜6和加工台8。

其中，激光点光源阵列、扩束镜3、倍频组件4、聚焦透镜6和加工台8均从上至下水平设置形成立式结构的激光刻蚀系统。

所述激光点光源阵列用于发出纳秒脉冲激光点光源，所述扩束镜3、倍频组件4、聚焦透镜6沿着纳秒脉冲激光点光源的传播路径依次安装，所述加工台8用于放置待加工圆晶7，所述待加工圆晶7位于所述聚焦透镜的焦点位置。

所述扩束镜3能够将纳秒脉冲激光点光源扩束为准平行光，所述倍频组件4用于对所述准平行光进行倍频，所述聚焦透镜6用于将倍频后的准平行光聚焦为与纳秒脉冲激光点光源相对应的点光源阵列，所述加工台8能够调整所述待加工圆晶7的位置。

其中，所述激光点光源阵列包括纳秒脉冲光纤激光器1以及与纳秒脉冲光纤激光器1连接的光纤阵列2。纳秒脉冲光纤激光器为红外波段的激光器，常见的有1064nm、1060nm、1070nm、1080nm等波长，该激光器在光学谐振腔内通过主动调Q或被动调Q获得纳秒脉冲，脉冲长度为几纳秒至几十纳秒，输出光纤为单模光纤或多模光纤，输出激光的平均功率为几瓦至几十瓦。

光纤阵列2通过光纤与纳秒脉冲光纤激光器1连接，形成点光源阵列，光纤阵列2所用光纤与纳秒脉冲光纤激光器1的输出光纤同型号，所述光纤阵列2中的光纤阵列排布或者对应通孔位置进行排布。光纤阵列2内的光纤排列方式既可以是规则的阵列排列，以适应不同图形硅通孔的需要，也可以是与某种硅通孔图形一致的特定形状排布，光纤阵列2可以根据使用需要进行替换，只需要在光纤中间插入光纤连接器即可完成替换。光纤阵列具体如图3左侧所示，光纤阵列端面40上光纤规则排布的情况，M*N根光纤排列成M行、N列，其中M、N为正整数，光纤41、光纤42等排成一行，光纤43、光纤44排成另外一行，光纤41、光纤43排成一列，光纤42、光纤44排成另外一列。如图3右侧所示，光纤阵列端面45上光纤按照硅通孔图形排布的情况，光纤46、光纤47、光纤48、光纤49等排成一个特定图形，其余光纤也是排列成特定的图形。

所述扩束镜3将光纤出来的发散光整形为光束宽度增大的准平行光，一方面是确保光束传播时光束变化小，另外一方面是减小传播过程中倍频组件4、聚焦透镜6上的激光功率密度，防止激光损伤倍频组件4和聚焦透镜6。所述倍频晶体4将入射的红外激光倍频为波长更短的激光，二倍频时为绿光，三倍频时为紫外光，例如入射激光是1064nm的红外光，二倍频后就是532nm的绿光，三倍频后就是355nm的紫外光，常见的倍频组件为倍频晶体，倍频组件包括KDP晶体、KTP晶体、BBO晶体、LBO晶体、SBBO晶体一种或多种。所述聚焦透镜6用于将宽光束的准平行光聚焦为与光纤阵列2相对应的点光源阵列。所述待加工晶圆7为硅片，处于聚焦透镜6的焦点位置，形成阵列激光加工点，进行群孔加工，根据需要加工台8中的运动平台可以支撑待加工晶圆7上下运动，以便激光焦点沿着待加工晶圆7的厚度方向扫描，获得垂直度高的柱孔。所述加工台8用于承载待加工晶圆7，加工台8中的运动平台平移就可以改变待加工晶圆7上加工点的位置，以便加工待加工晶圆7的不同区域。

其中，加工台8连接有控制设备9，控制设备9可以是计算机，计算机用于控制加工台8中的运动平台进行移动，以调整待加工圆晶7的位置，运动平台可以是四轴运动平台，该技术为本领技术人员所熟知，故在此不再赘述。

在本发明的一个实施实施例中，如图2所示，与上述实施例不同的是，激光点光源阵列、扩束镜3、倍频组件4从左至右竖直设置，聚焦透镜6和加工台8水平设置，在所述反射镜5位于所述倍频组件4与聚焦透镜6之间设置反射镜5，所述反射镜5用于改变倍频后的准平行光的传播方向，所述反射镜5用于将倍频后的准平行光反射至聚焦透镜6，从而形成卧式结构的激光刻蚀系统。

在本发明的一个实施实施例中，如图4所示，还包括密封盒体51，所述密封盒体51设置在加工台8上，所述待加工圆晶7设置在密封盒体51内，所述密封盒体51的顶部设置有窗口52，所述窗口52位于聚焦透镜6与待加工圆晶7之间，所述密封盒体51的两侧分别设置介质入口53和介质出口54，所述介质入口53用于输入加工介质，所述介质出口用于密封盒体51内加工介质的流出。

所述加工介质包括助燃气体、反应气体、保护性气体、聚焦液体和易气化液体中的一种。具体的，所述助燃气体包括氧气，如果通入比空气氧化性更强的氧气，激光加工更加剧烈，加工速度更快，加工的孔径更大。所述反应气体包括氯气或六氟化硫，如果通入氯气或六氟化硫，硅与氯气或六氟化硫的反应产物为气体，不会出现激光加工后的颗粒物沉降在孔壁或硅片表面的问题。所述保护性气体包括氩气，如果通入保护性气体，例如氩气，激光加工更平缓，加工的孔径小，但加工速度也慢。所述聚焦液体包括水，如果通水，激光产生的等离子体被水压缩，等离子体温度更高、范围更小，加工更精细。所述易气化液体包括乙醇。如果通乙醇，乙醇受到激光加热更容易气化，将刻蚀产物带走，通孔内壁更加干净。需要注意的是，可以通乙醇与水的混合物，可以通过调节乙醇的浓度来改变激光加工的效果。

本发明通过光纤阵列将许多光纤激光器的光点排列成特定图像，采用并行加工方式，显著加快了硅通孔的加工速度，采用平均功率数瓦乃至数十瓦、脉冲功率高达数千瓦的纳秒脉冲光纤激光器，这类激光器技术成熟且产量大，大幅降低了激光器的价格，增加了光纤阵列的经济性，采用倍频技术，并针对硅通孔的深孔加工特点，在特定加工介质（特定气体或液体）中进行硅通孔的深孔加工，增强了刻蚀产物的排除，避免了其冷凝后沉积在孔壁或硅片表面，减小了加工孔的直径，提高了加工孔的精度。

在本发明的另一个技术方案中，图5和图6是根据本发明一种用于上述任一所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统的刻蚀方法提供的流程图和加工示意图，如图5和图6所示，本发明包括：

S10：根据待加工圆晶7上的芯片布局和光纤阵列2的规格，将光纤阵列2的每根光纤与待加工圆晶上的芯片进行对应。

如图6所示，一根光纤出来的激光光束对应于若干芯片的加工，中心区域的一根光纤对应于8个芯片，边上区域的一根光纤对应于1个、3个、4个、5个、7个芯片不等。

S20：根据芯片中的硅通孔结构版图的轮廓，确定加工激光光束的加工路径，使得加工激光光束在运动路径上外切于轮廓。

将一个芯片内的硅通孔结构版图图形变为线条轮廓，并根据线条轮廓形貌，设置加工激光光束的运动路径，使得加工激光光束在运动路径上外切于线条轮廓。如图6所示，一个芯片包含4个通孔，每个通孔的版图图形变为一个圆环轮廓，一个光束沿着圆周运动，形成的光束轨迹外切于圆环轮廓。

S30：将待加工圆晶7放置在高速激光刻蚀系统的加工台8上，让每根光纤发射的激光光束根据所述加工路径进行同步加工。

图6所示的2个光束做圆周运动，形成两个通孔，通过加工台中运动平台的步进运动，形成4个通孔，完成了步骤S20中一个芯片的加工。光纤阵列有很多光纤，这些光纤根据设定的运动路径进行同步运动，就实现了高速激光刻蚀加工。

在本发明的实施例中，图6所示的芯片版图用圆孔来表示，且一个圆孔对应于一根光纤，圆孔尺寸大于光纤加工的光斑，在该实施例中，采用工件台在X轴和Y轴上协调运动，使得光纤出来的光斑沿着圆周运动，从而加工出尺寸较大的圆孔。如果圆孔的尺寸与光纤出来的光斑尺寸相当，工件台不需要运动就可以完成圆孔的加工。如果芯片版图中是异形孔，且异形孔的尺寸比光纤出来的光斑尺寸大，通过工件台X轴和Y轴的协调运动，使得光纤出来的光斑沿着异形孔的边缘运动，或者采用填充模式使得光纤出来的光斑完全覆盖异形孔的整个面积，也可以得到所需要的异形孔。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，包括：激光点光源阵列、扩束镜（3）、倍频组件（4）、聚焦透镜（6）和加工台（8）；

所述激光点光源阵列用于发出纳秒脉冲激光点光源，所述扩束镜（3）、倍频组件（4）、聚焦透镜（6）沿着纳秒脉冲激光点光源的传播路径依次安装，所述加工台（8）用于放置待加工圆晶（7），所述待加工圆晶（7）位于所述聚焦透镜的焦点位置；

所述扩束镜（3）能够将纳秒脉冲激光点光源扩束为准平行光，所述倍频组件（4）用于对所述准平行光进行倍频，所述聚焦透镜（6）用于将倍频后的准平行光聚焦为与纳秒脉冲激光点光源相对应的点光源阵列，所述加工台（8）能够调整所述待加工圆晶（7）的位置。

2.如权利要求1所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，所述激光点光源阵列包括纳秒脉冲光纤激光器（1）以及与纳秒脉冲光纤激光器（1）连接的光纤阵列（2）。

3.如权利要求2所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，

所述光纤阵列（2）中的光纤阵列排布或者对应通孔位置进行排布。

4.如权利要求1所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，所述倍频组件（4）包括KDP晶体、KTP晶体、BBO晶体、LBO晶体、SBBO晶体中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，还包括反射镜（5），所述反射镜（5）位于所述倍频组件（4）与聚焦透镜（6）之间，所述反射镜（5）用于将倍频后的准平行光反射至聚焦透镜（6）。

6.如权利要求1所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，还包括密封盒体（51），所述密封盒体（51）设置在加工台（8）上，所述待加工圆晶（7）设置在密封盒体（51）内，所述密封盒体（51）的顶部设置有窗口（52），所述窗口（52）位于聚焦透镜（6）与待加工圆晶（7）之间，所述密封盒体（51）的两侧分别设置介质入口（53）和介质出口（54），所述介质入口（53）用于输入加工介质，所述介质出口用于密封盒体（51）内加工介质的流出。

7.如权利要求6所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，所述加工介质包括助燃气体、反应气体、保护性气体、聚焦液体和易气化液体中的一种。

8.如权利要求7所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统，其特征在于，所述助燃气体包括氧气，所述反应气体包括氯气或六氟化硫，所述保护性气体包括氩气，所述聚焦液体包括水，所述易气化液体包括乙醇。

9.一种用于权利要求1-8任一所述的用于硅通孔加工的高速激光刻蚀系统的刻蚀方法，其特征在于，包括：

S10：根据待加工圆晶（7）上的芯片布局和光纤阵列（2）的规格，将光纤阵列（2）的每根光纤与待加工圆晶上的芯片进行对应；

S20：根据芯片中的硅通孔结构版图的轮廓，确定加工激光光束的加工路径，使得加工激光光束在运动路径上外切于轮廓；

S30：将待加工圆晶（7）放置在高速激光刻蚀系统的加工台（8）上，让每根光纤发射的激光光束根据所述加工路径进行同步加工。