CN117747544B - 一种硅通孔的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种硅通孔的形成方法，具体步骤包括：(1)在硅片表面进行第一次掩膜；(2)通过激光加工在硅片上形成粗通孔；(3)去除第一次掩膜的残留物；(4)再次掩膜，确定精准的通孔位置和尺寸；(5)使用高能离子束对非掩膜区域进行刻蚀；(6)在氧化剂中浸泡去除第二次掩膜残留物。本申请方案将离子束刻蚀和激光通孔技术相结合，可以在保持较高精度的同时，减少刻蚀的加工时间和能量消耗，提高整体加工效率，提高硅通孔的表面质量和平坦度，从而得到理想的硅通孔效果，二次掩膜技术可以进一步提高细节结构的精度和分辨率，在二次掩膜过程中可以对这些问题进行修正，从而得到更加准确和精细的图案。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种硅通孔的形成方法。
背景技术
硅通孔技术是一种用于在硅基片上形成通孔结构的工艺技术，它可以用于实现不同层之间的电连接、信号传输和3D集成等应用，能够实现高密度的3D集成和可靠的电连接，适用于集成电路、MEMS器件、LED封装、传感器等领域，在提高器件性能和减小封装体积方面具有重要意义，并且可以促进先进封装和系统级封装技术的发展。
硅通孔技术的实现方式主要包括湿法蚀刻、干法蚀刻、激光钻孔、电化学腐蚀、电化学沉积、离子束刻蚀等方法，其中，比较常用的方式主要是激光钻孔和离子束刻蚀。现有技术中在使用这两种常用方式时都只会运用单一的技术进行通孔，但每种技术都具有一定的缺陷，激光加工会在通孔周围产生热影响区，可能引起材料畸变导致形状大小不符合预期，而离子束刻蚀因为复杂的工艺流程，加工速度较慢。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种通过二次掩膜将激光通孔和离子束刻蚀相结合的通孔形成方法是很有必要的。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种硅通孔的形成方法，包括以下步骤：
(1)使用光刻技术在硅片表面进行第一次掩膜；
(2)通过激光加工在所述硅片上形成粗通孔；
(3)在有机溶剂中浸泡去除所述硅片表面的第一次掩膜的残留物；
(4)使用光刻技术在所述硅片表面再次掩膜，确定精准的通孔位置和尺寸；
(5)在掩膜的保护下，使用高能离子束对所述硅片的非掩膜区域进行刻蚀；
(6)在氧化剂中浸泡去除所述硅片表面的第二次掩膜残留物。
优选地，所述步骤（1）和步骤（4）中，所述光刻技术包括在所述硅片表面涂覆光刻胶后进行预烘烤，曝光后进行后烘烤。
更优选地，所述预烘烤时间为10min~20min，预烘烤温度为70~90℃，所述后烘烤时间为60~90min，后烘烤温度为100~120℃。
优选地，所述步骤（2）中，激光为超短脉冲激光。
优选地，所述步骤（2）中，激光能量的计算公式为：
其中，d为孔径大小（μm），E为激光能量（J），LB为材料的汽化比能（J/cm2），LM为材料的熔化热比能（J/cm2）。
激光能量增大时，硅片吸收的能量增多，产生更多硅蒸汽，蒸汽向外喷射带走熔融硅，使孔洞增大，随着激光能量的增大，孔在更短的时间被打穿，更多的硅蒸汽带走出熔融硅；如果激光能量过小，聚焦在材料表面的激光能量低，只能熔化大量的硅，少量硅被汽化，激光结束后熔融态的硅在坑四周重新凝结，不能形成通孔，而对于同一种材料的LB和LM是固定的，在激光脉冲频率固定时，激光能量越高，孔径越大，但这会使孔四周的热影响区域增大，损伤更严重，因此需要根据孔径大小和可允许的损伤要求计算适当的激光能量打孔，清洗区损伤区域后能满足要求尺寸，即满足可允许的损伤要求。
优选地，所述步骤（3）中，有机溶剂选自丙酮、异丙酮、甲苯中的一种，浸泡时间为15~30min。
优选地，所述步骤（5）中，高能离子束选自氩离子束、氩氟离子束中的一种。
优选地，所述步骤（5）中，离子刻蚀的射频功率为280~300W，刻蚀速率为2~2.5μm·min-1。
优选地，所述步骤（6）中，氧化剂为过氧化氢，过氧化氢溶液体积百分比为8~10%，浸泡时间为15~20min。
一种硅通孔的形成方法可以应用在微电子器件、传感器或光学器件等领域。
有益效果：
1、本申请方案将离子束刻蚀和激光通孔技术相结合，激光通孔具有快速加工的优点，而离子束刻蚀则可以实现更高的精准度，但离子束刻蚀的加工速度较慢，在激光加工后利用离子束进行孔壁的平整化、去除残留物，可以在保持较高精度的同时，减少刻蚀的加工时间和能量消耗，提高整体加工效率。
2、本申请方案通过结合两种通孔技术，激光打孔时，被加工材料的熔化和汽化是形成孔的基本要素，激光束会将能量转化为热能，在硅片周围形成一个热影响区域，这个区域可能会导致一定程度的热应力和热变形，硅片表面可能会出现一些微小的不光滑和粗糙区域，而离子束刻蚀通常具有较高的刻蚀精度，可以实现纳米级别的精细刻蚀，因此先利用激光通孔形成初始孔洞，然后使用离子束刻蚀进行精细调整和改善，提高硅通孔的表面质量和平坦度，从而得到理想的硅通孔效果。
3、本申请方案采用了二次掩膜技术，可以进一步提高细节结构的精度和分辨率，一次掩膜可能存在一些制造偏差或光刻误差，在二次掩膜过程中可以对这些问题进行修正，从而得到更加准确和精细的图案。
4、本申请在光刻技术上增加了预烘烤和后烘烤步骤，预烘烤使光刻胶变得稍微粘稠，以减少在后续掩膜对准和曝光过程中的光刻胶流动和形变，底胶在涂覆过程中会引入内部应力，预烘烤能够帮助释放或减小这些应力，提高图案的分辨率和形状的保真度；后烘烤可以进一步固化底胶层，提高其稳定性和耐久性，引发光刻胶中的化学或物理反应，使其产生交联或聚合，从而提高光刻胶的机械强度、耐化学性和热稳定性，有助于减少底胶层在显影、刻蚀等后续工艺步骤中的损伤和变形。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本申请硅通孔的形成方法流程图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种硅通孔的形成方法，包括以下步骤：
(1)使用光刻技术在硅片表面进行第一次掩膜，在硅片上均匀涂覆光刻胶，涂覆光刻胶后在70℃下预烘烤10min，将掩膜（也称为掩模或掩膜版）与涂覆有光刻胶的硅片对准，通过紫外线光源进行曝光，通过掩膜的透明区域将光转移到光刻胶上，曝光后在100℃下后烘烤60min，使用显影剂处理硅片，将曝光后的光刻胶图案显现出来；
(2)通过超短脉冲激光在硅片上形成粗略的通孔，激光能量的计算公式为；
(3)在异丙酮中浸泡15min去除第一次掩膜的残留物；
(4)使用光刻技术再次掩膜，在硅片上均匀涂覆光刻胶，涂覆光刻胶后在70℃下预烘烤10min，将掩膜（也称为掩模或掩膜版）与涂覆有光刻胶的硅片对准，通过紫外线光源进行曝光，通过掩膜的透明区域将光转移到光刻胶上，曝光后在100℃下后烘烤60min，使用显影剂处理硅片，将曝光后的光刻胶图案显现出来，并确定精准的通孔位置和尺寸；
(5)在掩膜的保护下，使用氩离子束对非掩膜区域进行刻蚀，射频功率为280W，刻蚀速率为2μm·min-1；
(6)在体积百分比为8%的过氧化氢中浸泡15min去除第二次掩膜残留物。
实施例2
一种硅通孔的形成方法，包括以下步骤：
(1)使用光刻技术在硅片表面进行第一次掩膜，在硅片上均匀涂覆光刻胶，涂覆光刻胶后在80℃下预烘烤15min，将掩膜（也称为掩模或掩膜版）与涂覆有光刻胶的硅片对准，通过紫外线光源进行曝光，通过掩膜的透明区域将光转移到光刻胶上，曝光后在110℃下后烘烤80min，使用显影剂处理硅片，将曝光后的光刻胶图案显现出来；
(2)通过超短脉冲激光在硅片上形成粗略的通孔，激光能量的计算公式为；
(3)在丙酮中浸泡20min去除第一次掩膜的残留物；
(4)使用光刻技术再次掩膜，在硅片上均匀涂覆光刻胶，涂覆光刻胶后在80℃下预烘烤15min，将掩膜（也称为掩模或掩膜版）与涂覆有光刻胶的硅片对准，通过紫外线光源进行曝光，通过掩膜的透明区域将光转移到光刻胶上，曝光后在110℃下后烘烤80min，使用显影剂处理硅片，将曝光后的光刻胶图案显现出来；
(5)在掩膜的保护下，使用氩氟离子束对非掩膜区域进行刻蚀，射频功率为290W，刻蚀速率为2.5μm·min-1；
(6)在体积百分比为8%的过氧化氢中浸泡15min去除第二次掩膜残留物。
实施例3
一种硅通孔的形成方法，包括以下步骤：
(1)使用光刻技术在硅片表面进行第一次掩膜，在硅片上均匀涂覆光刻胶，涂覆光刻胶后在90℃下预烘烤20min，将掩膜（也称为掩模或掩膜版）与涂覆有光刻胶的硅片对准，通过紫外线光源进行曝光，通过掩膜的透明区域将光转移到光刻胶上，曝光后在120℃下后烘烤90min，使用显影剂处理硅片，将曝光后的光刻胶图案显现出来；
(2)通过超短脉冲激光在硅片上形成粗略的通孔，激光能量的计算公式为；
(3)在甲苯中浸泡30min去除第一次掩膜的残留物；
(4)使用光刻技术再次掩膜，在硅片上均匀涂覆光刻胶，涂覆光刻胶后在90℃下预烘烤20min，将掩膜（也称为掩模或掩膜版）与涂覆有光刻胶的硅片对准，通过紫外线光源进行曝光，通过掩膜的透明区域将光转移到光刻胶上，曝光后在120℃下后烘烤90min，使用显影剂处理硅片，将曝光后的光刻胶图案显现出来；
(5)在掩膜的保护下，使用氩氟离子束对非掩膜区域进行刻蚀，射频功率为300W，刻蚀速率为2.5μm·min-1；
(6)在体积百分比为8%的过氧化氢中浸泡20min去除第二次掩膜残留物。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，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实质和范围。
Claims (7)
1.一种硅通孔的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用光刻技术在硅片表面进行第一次掩膜；
(2)通过激光加工在所述硅片上形成粗通孔；激光能量的计算公式为：；
其中，d为孔径大小（μm），E为激光能量（J），LB为材料的汽化比能（J/cm2），LM为材料的熔化热比能（J/cm2）；
(3)在有机溶剂中浸泡去除所述硅片表面的第一次掩膜的残留物；其中，有机溶剂选自异丙酮、甲苯中的一种，浸泡时间为15~30min；
(4)使用光刻技术在所述硅片表面再次掩膜，并确定精准的通孔位置和尺寸；
(5)使用高能离子束对所述硅片表面的非掩膜区域进行刻蚀；其中，离子刻蚀的射频功率为280~300W，刻蚀速率为2~2.5μm·min-1；
(6)在氧化剂中浸泡去除所述硅片表面的第二次掩膜残留物。
2.根据权利要求1所述的一种硅通孔的形成方法，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（4）中，所述光刻技术包括在所述硅片表面涂覆光刻胶后进行预烘烤，曝光后进行后烘烤。
3.根据权利要求2所述的一种硅通孔的形成方法，其特征在于，所述预烘烤时间为10min~20min，预烘烤温度为70~90℃，所述后烘烤时间为60~90min，后烘烤温度为100~120℃。
4.根据权利要求1所述的一种硅通孔的形成方法，其特征在于，所述步骤（2）中，激光为超短脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的一种硅通孔的形成方法，其特征在于，所述步骤（5）中，高能离子束选自氩离子束、氩氟离子束中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种硅通孔的形成方法，其特征在于，所述步骤（6）中，氧化剂为过氧化氢，过氧化氢溶液体积百分比为8~10%，浸泡时间为15~20min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种硅通孔的形成方法，其特征在于，所述硅通孔技术应用在微电子器件、传感器或光学器件领域。
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