SE537869C2 - Substratgenomgående vior - Google Patents

Abstract

Sammandrag Uppfinningen avser en metod att tillverka substratgenomgaende vior i glassubstrat. Ett forsta substrat (10) tillhandahalls pa vilket en uppsattning nalar (11) som skjuter ut vertikalt frail substratet tillverkas. Ett andra sub strat (14) tillverkat av glas tillhandahalls darefter. Substraten lokaliseras intill varandra sâ att nalarna pa det forsta substratet vetter mot det andra substratet. Varme tillfors till en temperatur dar glaset mjuknar, genom att varma glaset eller nalsubstratet eller bagge. En kraft (F) palaggs sà att nalarna pa det fOrsta substratet tranger in i glaset for att tillhandahalla intryckningar i glaset. Slutligen avlagsnas det forsta substratet och material tillhandahalls som fyller intryckningarna i det andra substratet tillverkat av glas.

Description

SUBSTRATGENOMGAENDE VIOR Denna uppfinning avser tillverkning av vior i substrat med lag dielektrisk konstant for MEMS-tillampningar. Speciellt avser den sadana tillampningar som har reducerad strokapacitans.

Bakgrund mom MEMS-teknologiomrklet foreligger en kontinuerlig stravan att reducera komponentstorleken och speciellt komponentemas tjocklek for aft majliggora exempelvis att mobiltelefoner Ors tunnare.

Idag innefattar de fiesta MEMS-komponenter s.k. vior for att fordela ut signaler fran ett signalgenererande element genom ett substrat for ytterligare utfordelning till elektroniska kretsar for signalbehandling. Speciellt s.k. TSV:er (Through Silicon Vias; kiselgenomgaende vior) är vanliga, och saledes foreligger otaliga teknologier som avser denna typ av vior.

Exempel pa de namnda signalgenererande elementen är accelerometrar, gyron, etc. Speciellt nar signalen baseras pa kapacitansforandringar kan den faktiska detekterade signalvariationen vara sâ liten som inom omradet femto- till atto-Farad (- till -18 F).

Detta bar beaktas i relation till de strokapacitanser som fororsakas av vioma sjalva, vilket vanligtvis for TSV:er baserade pa kisel kan ligga i omradet 1-5 pF, och for metallvior i intervallet 5-20 pF. Salunda inser man att det kravs mycket sofistikerad signalbehandling for att plocka ut relevanta delar av den totala signalen.

Det yore darfor onskvart att tillhandahalla en teknologi dar strokapacitansema hos viastrukturema skulle kunna reduceras vasentligt.

Eftersom strokapacitans beror pa ytan av vians omkrets yore det onskvart med reduktion av storleken, foretradesvis diametem, men aven en reduktion av vians langd skulle vara onskvard. Reduktionen i langd ges automatiskt av kravet att reducera substratets tjocklek.

Kapacitansen beror ocksâ pa materialet i substratet. Nar vior tillverkas i kiselskivor sâ att den faktiska vian är isolerad fran substratet medelst en oxid, kommer det att upptrada en 1 kapacitans over isolatorn, och nar vian är gjord av metall kommer det att upptrada en kapacitans Over substratet, dvs. mellan metallen och nagon jord.

En losning pa detta problem är att anvanda glassubstrat som är mycket mindre ledande an kisel.

En teknologi far tillverkning av vior i glas marknadsfors av Planoptik som havdar en patenterad process for detta. Denna process, beskriven i US-7,416,961 och US-7,259,080, omfattar tillhandahallande av intryckningar i en kiselskiva, anslutning av kiselskivan till en glasskiva med negativt tryck for att skapa ett undertryck i intryckningarna inuti kiselskivan, och i ett tempereringssteg som tillater en glasskiva att smalta och flyta in i intryckningarna. Avlagsnande av material fran bagge sidor av det sammansatta skivpaketet som pa detta satt skapats resulterar i en glasskiva som genomtrangts av en uppsattning halvledarperforeringar. Denna process kraver saledes att det skapats ett under negativ inuti intryckningarna.

Sammanfattning av uppfinningen I ljuset av kravet pa mindre dimensioner inom MEMS-omthdet och problem man darvid stater pa, är syftet med foreliggande uppfinning att tillhandahalla en forbattrad metod att 20 forma elektriska genomgaende anslutningar i substrat med lag dielektrisk konstant, sasom glas, vilket mojliggor tunnare substrat, och som reducerar strokapacitanser i avsevard utstrackning jamfor med kiselbaserad teknologi.

Detta syfte uppfylls med en metod som definieras i krav 1.

Metodens huvudsakliga kannetecken är att nalar, i foredragna utforingsformer av kisel, skapas pa ett kiselsubstrat, valfritt belagda med metall, och dessa pressas under tryck in i glassubstrat som varms till en temperatur vid vilket det dr deformerbart. Valfritt varms ocksa substratet och nalarna pa detta, antingen induktivt eller med anvandning av en "het platta" i kontakt med substratet. Vidare kan nalarna vara helt av metall i alternativa utforingsformer. 2 Alternativa utforingsformer ges och dessa definieras i de beroende 'craven.

I en forsta utforingsform anvandes nalarna fOr att skapa en form i glaset genom att pressa dem in i det mjuknade glassubstratet och darefter dra ut dem. NIAlarna i denna 5 utforingsform kan vara av vilket lampligt material som heist som klarar av processbetingelserna. Darefter kan halen som gjorts av nalarna fyllas med smalt metall. Substratet slipas till planaritet for att tillhandahalla de vertikala genomgdende anslutningarna som ligger i plan med substratets yta.

I en andra utforingsform metalliseras nalarna, vilka lampligtvis är tillverkade av kisel, och pressas in i det mjuknade glassubstratet. Nar glaset stelnat avlagsnas bararsubstratet pa vilket nalarna är anordnade vilket lamnar kvar de metalliserade nalarna begravda i glaset. Efter slipning for att exponera nalarnas spetsar erhalls de onskade vertikala genomgdende anslutningarna.

I en tredje utforingsform anvands ett forsta substrat med nalar, nalarna pressas in i det mjuknande glaset och dras ut, varigenom hal tillverkas i glassubstratet. Darefter infors ett andra substrat med nalar som har en metallbelaggning i hâien. Darvid kan diametern vara en brakdel stone an halens diameter for att tillhandahalla en tat passning. I denna 20 utfOringsform reduceras risken fOr att metallbelaggningen lossnar under inforandet avsevart jamfort med den andra utforingsformen.

Kort beskrivning av bifogade ritningar Fig. la illustrerar schematiskt ett substrat med nalar och ett glassubstrat innan de pressas 25 samman; fig. lb är en SEM-bild av en faktisk nal; fig. 2 illustrerar schematiskt substratet som nu pressats in i glassubstratet; fig. 3a illustrerar en nal med en metallbelaggning; fig. 3b illustrerar hur metallbelaggningen kan skjuvas eller skalas av nalen dâ den pressas in i ett glassubstrat; fig. 4 illustrerar en utforingsform dar nalhuvudena har diameter vid huvudbasen som är nagot stone an sjalva nalens diameter. 3 fig. 5 illustrerar den slutliga strukturen som erhalles med metoden; fig. 6 illustrerar avskalning av metall under penetrering; fig. 7 illustrerar ett mellanliggande stadium i en utforingsform av metoden; fig. 8 illustrerar ett ytterligare steg i en utforingsform; och fig. 9 illustrerar en altemativ geometri av nalar som är anvandbara i en utfOringsform av metoden.

Detaljerad beskrivning Generellt avser uppfinningen en metod for att tillverka substratgenomgaende vior i substrat som har lag dielektrisk konstant, sasom glas eller syntetiska polymerer, innefattande steget att tillhandahalla ett forsta substrat pd vilken en uppsattning vertikalt utskjutande nalar är anordnade (dvs. som skjuter ut vertikalt fran substratet); att tillhandahalla ett andra substrat tillverkat av glas; att lokalisera substraten intill varandra sâ att nalarna pa det forsta substratet vetter mot det andra substratet; att varma det andra substratet som är tillverkat av glas till en temperatur ddr det mjuknar, foretradesvis utan att smalta; att ldgga pa en kraft pa det forsta substratet sa att nalama darpa tranger in i glaset for att skapa intryckningar i glaset; och att avldgsna ett forsta substrat och tillhandahalla material som fyller intryckningar i det andra substratet tillverkat av glas. Lampligen slipas det andra substratet pd bagge sidor for att tillhandahalla plana ytor sâ att det material som fyller intryckningama exponeras. Foretriidesvis är materialet som fyller intryckningama kisel, valfritt dopat ochieller innefattar vidare metallskikt vid gransytan mot glasmaterialet i substratet. I en utforingsform avlagsnas hela det forsta substratet med sina nalar fran glassubstratet sâ att det lamnas kvar ett strukturerat substrat med en uppsdttning intryckningar formade ddri, och intryckningarna fylls med metall. Altemativt avlagsnas hela det forsta substratet med sina nalar fran glassubstratet och ldmnar kvar ett strukturerat substrat som har en uppsdttning intryckningar formade dad; ett tredje substrat tillhandahalles med nalar anordnade darpa; nalarna infors i intryckningarna; substratet avldgsnas men ndlarna bryts av och ldmnar kvar ndlarna inuti intryckningama; och bdgge sidor av glassubstratet slipas for att tillhandahalla plana ytor sa att nalarna som fyller 30 intryckningarna exponeras. I denna utforingsform har ndlarna lampligen en nagot stone diameter an intryckningama. I ytterligare en utforingsform innefattas steget att avldgsna substratet att substratet separeras fran nalama sa att nalarna stannar kvar i intryckningarna; 4 och bagge sidor av glassubstratet slipas for att tillhandahalla plana ytor sâ att nalarna som fyller intryckningarna exponeras.

En utforingsform av metoden illustreras schematiskt i fig. 1 och 2, och det bar noteras att strukturerna som visas inte är skalenliga. Saledes tillhandahalles ett kiselsubstrat 10 med en uppsattning nalar 11 som skjuter ut vertikalt fran substratets yta, och som har en nalstam 12 och ett avfasat eller spetsigt huvud 13. Emellertid maste huvudena vara tillräckligt robusta for att motsta krafterna under penetrering utan att fragment lossnar. Saledes är de former som visas i figurerna schematiska och i realiteten skulle de foretradesvis se ut mer som den infallda detaljen i fig. la. Ett verkligt exempel i form av en SEM-bild av en nal som faktiskt tillverkats visas i fig. lb. Har kan man se att spetsarna är spetsiga men har en plan yta alldeles vid sina spetsar, for att undvika att den faktiska spetsdelen bryts av under penetrering. I fig. lc visas en individuell nat. Hdr kan man se att spetsen är "lag" och "bred" och saledes robust aven om den fortfarande har en tamligen spetsig spets. Denna nals dimensioner är typiska, dvs. de har en hojd i intervallet ungefar 2-300 pm, med en diameter i intervallet ungefar 100 pm. Sadana nalar kan tillverkas med vilken metod som helst som är tillganglig for fackmannen. Lampliga metoder beskrivs i sokandens egen WO 2007/070004 A2.

Ett glassubstrat 14 tillhandahalls ocksa. Eimpliga glaskvaliteter är borsilikatglas, fosforbaserat glas. Glassubstratet varms med lampliga medel, t.ex. genom att placera det pa en het platta 16, till ungefar 650°C, sa att det blir deformerbart. Det bOr inte varmas till den punkt ndr det borjar smalta dock. Den faktiska temperaturen är naturligtvis materialberoende, och ju renare glaset är desto hOgre kan temperaturen vara. Dessutom 25 satter den faktiska metallen som anvands begransningar pa de anvandbara temperaturerna. Saledes är temperaturer i intervallet 400-1000°C mojliga. Det är naturligtvis ocksa mojligt att varma nalsubstratet ocksa, i vilket fall det kan vara anordnat en het platta 16' i kontakt darmed. Fordelen med att inte smalta glaset är att glasstrukturen bevaras.

Kiselsubstratet 10 med sina nalar 11 placeras ovanfor glassubstratet (sasom man ser i figuren) i en uppstallning som medger att kiselsubstratet rors mot glassubstratet och det finns ocksa anordnat lampliga organ for att medge palaggning av en tryckkraft F pa kiselsubstratet. Naturligtvis skulle substratens orientering kunna vara motsatt. Medlen for att lagga pa tryck skulle kunna vara vilken mekanisk anordning som heist, sasom pneumatisk, hydraulisk eller rent mekanisk, sa lange som det är mOjligt att lagga pa och kontrollera en konstant kraft som far nalarna att penetrera in i glassubstratet pa ett kontrollerat satt.

I fig. 2 visas situationen dar nalarna under tryck har penetrerat glaset 14 i viss utstrackning, har visas ungefar halften av nalarnas langd inpressade i glaset. Idealt bar emellertid hela nalens langd tranga in i glaset, men det är i praktiken omojfigt. Darefter avlagsnas substratet frau nalarna med lampliga tekniker, i vilket fall glassubstratet kommer att fungera som en barare. A andra sidan, om sâ onskas, kan glaset slipas for att exponera nalarna innan kiselsubstratet avlagsnas, i vilket fall kiselsubstratet kommer att fungera sasom barare.

I fig. 3 liar substratet avlagsnats och som indikerats schematiskt finns intryckningar Ii glassubstratet omkring nalarna 11. En SEM-bild av ett faktiskt experiment visas i fig. 4 dar dessa intryckningar tydligt syns.

Den struktur som erhalls och som visas i figurerna 3 och 4 slipas pa bagge sidor for att planarisera skivan. Bottensidan (sett i fig. 3) slipas till en punkt dar nalamas 11 spetsar har avlagsnats, varvid slutresultatet, som visas i fig. 5, är en tunn glasskiva med kiselvior med en metallbelaggning for att tillhandahalla hoggradigt ledande anslutningar genom glaset. Naturligtvis är ledningsformagan beroende av materialet i nalarna 11, och lampligtvis är kislet dopat for att oka konduktiviteten. En resistans om ned till 1 I kan erhallas med anvandning av dopat kisel.

For att tillhandahalla hogre konduktivitet metalliseras nalarna 11 lampligen. Sadan metallisering kan erhallas med olika metoder, sasom platering (bade elektroplatering och kemisk platering), deponering av metall med fysikaliska tekniker (PVD), kemiska metoder 30 (CVD), ALD, evaporering, vatkemi, dvs. deponering fran losningar. 6 Foredragna material är metaller eller metallegeringar, en foredragen metall är koppar (C Alternativ till koppar skulle kunna vara Au, Ag, Pt, Ru. Ibland är det for vissa metaller Onskvart att tillhandahalla en barriar mot diffusion av metallen in i kislet. En sadan barriar kan vara ett lager av nickel (Ni), som kan deponeras med liknande metoder som namnts 5 ovan. Andra material som är mojliga är volfram (W), Ti, TiN, Ni, Ru, TA och legeringar darav.

Emellertid foreligger ett potentiellt problem med metallbelagda nalar som illustreras i fig. 6. Fig. 6a visar en nal 11 belagd med metallbelaggning 16. Om nu vidhaftningen av metallen mot kislet inte är tillrackligt bra, kan en "avskalning" av metallbelaggningen upptrada nar nalen pressas in i glassubstratet. Detta illustreras schematiskt i fig. 6b, dar det visas hur metallbelaggningen 16 har lossnat fran den del av nalen 11 som har trangt in i glaset 14 och blivit "rynkad" langs med nalstammen 12.

Eft satt att atgarda detta är som foljer.

Metoden utfors namligen i tva steg, ett forsta steg dar ett nalbarande substrat, likt det som visas i fig. 1 och 2, pressas in i ett glassubstrat. I detta fall kan substratet och nalarna tillverkas av andra material an kisel, aven om kisel foredras. Istallet for att lamna kvar nalama inuti glaset dras istallet nalsubstratet tillbaka sa att det kommer att fOreligga hal formade i glaset. Altemativt, om nalarna är tillverkade av t.ex. kisel kan de etsas bort med anvandning av vatets sasom KOH eller liknande, eller med anvandning av DRIE. Detta visas i fig. 7, dar halen som erhallits efter avlagsnande genom etsning eller mekaniskt avlagsnande av dem betecknas med hanvisningssiffran 18. Darefter tillhandahalls ett andra nalsubstrat med metalliserade nalar 12' (metallisering visas ej) med en diameter som är bara en brakdel stone an halets 18 diameter och linjeras upp Over halen (se fig. 8). Nar dessa nalar pressas in i halen kommer friktionen inte att vara sa hog att metalliseringen skalas ay.

I ytterligare en utforingsform tillverkas nalarna 11 sasom visas i fig. 9a, namligen sa att det spetsiga eller avfasade nalhuvudet 13 har en diameter 0 = D2 vid sin bas 13' som är 7 store an diameter 0 = D1 for nalstammen 12. Lampligtvis är D2 atminstone 3 % stone an Dl.

Denna geometri kommer effektivt att fungera som att den "plojer" genom glaset 14, och skyddar darvid metalliseringen pa stammen 12 fran att skalas ay. Detta illustreras schematiskt i fig. 9b, ddr det framgar att glasmaterialet forskjuts men flyter over den kant som bildas vid basen av nalspetsen utan att utova nagon kraft pa nalstammen (schematiskt illustrerat med pilar), och forhindrar darigenom aft metallen skalas ay. Naturligtvis är det mojligt att metallen pa det faktiska nalhuvudpartiet kommer att skalas av, men detta är inte 10 viktigt eftersom slipning for att astadkomma en plan yta kommer att avlagsna nalhuvudet och eventuell metall som skalas bort fran huvudet. 8

Claims (13)

PATENTKRAV:

1. En metod Mr att era substratgenomgdende vior i substrat, innefattande stegen: att tillhandahalla ett fOrsta substrat (10) pa vilket det fOreligger en uppsattning nalar (11) som skjuter ut vertikalt fran substratet; att tillhandahdlla ett andra substrat (14) av ett material med lag dielektricitetskonstant; att placera substraten (10, 14) intill varandra sa att nalarna (11) pa det fOrsta substratet (10) vetter mot det andra substratet (14); att tillfora varme vid en temperatur ddr materialet med lag dielektricitetskonstant mjuknar; att lagga pa en kraft sa att ndlarna (11) pa det fOrsta substratet tranger in i materialet med lag dielektricitetskonstant fOr att Astadkomma intryckningar i materialet; att avldgsna det forsta substratet (11) och tillhandahdlla material som fyller intryckningarna i det andra substratet av material med lag dielektricitetskonstant; att slipa det andra substratet pd bagge sidor for att astadkomma plana ytor sâ att materialet som fyller intryckningarna exponeras.

2. Metod enligt krav 1, dar materialet som fyller intryckningarna dr kisel, valfritt dopat och/ eller ytterligare innefattande metall (16) i ett skikt eller gransyta mot materialet i substratet.

3. Metod enligt krav 1, ddr det fOrsta substratet och ndlar är gjorda av kisel.

4. Metod enligt krav 1, innefattande att hela det fOrsta substratet och dess nalar avldgsnas frdn det andra substratet sâ att ett strukturerat substrat kvarlamnas 9 med en uppsattning intryckningar formade dari, och att dessa intryckningar fylls med metall.

5. Metod enligt krav 4, ddr substratet och ndlarna avlagsnas medelst etsning.

6. Metod enligt krav 4, ddr substratet och nalarna avlagsnas genom att nalarna dras tillbaka ur det andra substratet.

7. Metod enligt krav 1, innefattande att hela det fOrsta substratet med sina nalar avldgsnas fran det andra substratet sâ att ett strukturerat substrat kvarlamnas med en uppsattning intryckningar formade dari: att ett tredje substrat tillhandahalles med nalar (12') anordnade darpa; att nalarna fors in i intryckningarna; att substratet avlagsnas men lamnar nalarna kvar i intryckningarna; och att bagge sidor av det andra substratet slipas fOr att tillhandahalla plana ytor sa att nalarna som fyller intryckningarna exponeras.

8. Metod enligt krav 7, ddr nalarna (12') pa det tredje substratet har nagot stOrre diameter an intryckningarna.

9. Metod enligt krav 7 eller 8, ddr nalarna (12') pa det tredje substratet ãr fOrsedda med en metallbelaggning.

10. Metod enligt krav 1, ddr substratet avldgsnas men nalarna kvarlaninas i det andra substratet, och dar bagge sidor av det andra substratet slipas fOr att tillhandahalla plana ytor sá att nalarna som fyller intryckningarna exponeras.

11. Metod enligt krav 10, ddr nalarna an forsedda med en metallbeldggning.

12. Metod enligt nagot av foregaende krav, ddr varmen tillfors genom att det andra substratet varms eller genom att det fOrsta substratet som bar nalarna varms, eller en kombination av bagge.

13. Metod enligt nagot av foregaende krav, dar materialet med lag dielektricitetskonstant an glas. N N N N N N N-I v-I