一种TSV/TGV微通孔金属化方法

一种tsv/tgv微通孔金属化方法
技术领域
1.本发明属于晶圆级封装技术领域，具体涉及一种tsv/tgv微通孔金属化方法。


背景技术：

2.tsv/tgv技术通过在硅芯片/裸硅衬底上、或玻璃衬底上制作微通孔，提供贯穿两表面之间的电互连，在2.5d、mems晶圆级封装中应用前景广泛。但是tsv/tgv互连技术自身也面临一些瓶颈，最关键的便是tsv/tgv金属化问题。tsv/tgv孔金属化技术有三类：电镀、化学镀、填充电子浆料。其中化学镀和填充电子浆料方案存在填充效率、工艺难度、导电性能等问题，尚处于研究开发中。铜具有优异的延展性、电阻率、导热率等特性，电镀铜填充工艺可延续利用pcb、硅cmos大马士革工艺等技术积累，降低工艺开发难度，兼具性能和成本上的优势，是主流的通孔金属化方案。
3.目前，主要的tsv/tgv通孔电镀铜填充生长模式，有保形填充、实心填充和部分填充。保形填充可延续利用pcb板等通孔互连工艺制程，目前主要的研究机构有美国佐治亚理工大学、弗罗里达大学，日本dnp公司，国内的厦门大学、云天半导体等，但保形填充缺乏气密性，需要通过填充pi、bcb等介质材料进行改善，同时表面存在微孔凹陷限制其布线密度及精度。实心填充主要采用盲孔填充，具有优异的电学性能和良好的气密性，但是cte失配导致热力学可靠性原因，使得其直径一般小于50微米，深宽比小于10。也有学者提出通过将带通孔的晶圆键合至表面有种子层的晶圆上，接着进行电镀工艺，自下向上生长，实现实心填充，如：美国康宁公司、美国国家研究院、韩国东亚大学等机构。但实心填充的工艺难度大，对镀液和机台均有较高要求，还要结合cmp、临时键合等工艺，大大增加了电镀填充的成本。
4.为了综合实心填充气密性好和保形填充工艺难度低的优势，提出了电镀实现部分实心填充的概念，即在通孔内某些位置为实心填充，某些位置为保形填充，最大限度的降低电镀填充的成本和时间。主要的技术方法可以分为三种，一种是借助孔型，如采用激光诱导打孔工艺在af32型号玻璃中制作x形孔中，通过双面保形电镀在孔径较小的位置实现密封，如美国康宁公司等。该方法受限于激光诱导打孔工艺原理，在其他类型玻璃上难以实现x型加工；一种是开发新型电镀添加剂，改变孔内电位分布，加快孔中间铜层沉积速度，使通孔首先在中间交连，双面电镀两个盲孔加厚实心填充高度，如纽约州立大学。该方法对镀液性能要求高，部分添加剂需要国外进口，同时表面存在微孔凹陷限制了布线密度及精度；第三种是先双面保形电镀加厚通孔侧壁铜层，然后更换镀液利用开口表面及侧壁铜层横向生长填实孔口，如日本dnp公司。该方法虽然降低了对镀液性能的要求，但电镀工艺步骤复杂，需要2种镀液体系匹配，而且实心填充厚度小，气密性表现一般。
5.因此非常有必要开发一种新的部分实心填充的方法，以满足更高的2.5d、mems晶圆级封装要求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种tsv/tgv微通孔金属化方法。
7.为了实现以上目的，本发明的技术方案为：一种tsv/tgv微通孔金属化方法，具体包括如下步骤：
8.s1：对衬底材料进行清洗，去除表面的油污、灰尘等杂质，使衬底表面保持洁净；
9.s2：将清洗好的衬底材料进行烘干，根据设计的图案进行打孔；打孔完成后，用表面活性剂、乙醇、异丙醇等在超声条件下进行清洗，清洗完成后进行烘干；
10.s3：对衬底材料表面以及通孔进行绝缘层的沉积，防止电气信号泄露；
11.s4：对衬底材料表面以及通孔进行阻挡层和种子层的沉积；
12.s5：利用夹具夹持衬底材料，然后将衬底材料放入浸润槽中，然后对浸润槽进行抽真空，持续时间为20-60min,直至衬底表面没有气泡产生；由于衬底材料中通孔深宽比较大，通孔内部电镀液难以进入，容易产生孔洞等缺陷；通过抽真空可使去离子水进入通孔内部，便于下一步镀液的相互交换，减少填充缺陷；
13.s6：设置多段电流密度和时间进行电镀。
14.以上方法适合除玻璃衬底以外所有衬底材料。
15.进一步地，步骤s1中依次用丙酮、乙醇和去离子水在超声波的作用下对衬底材料进行清洗5-20min。
16.进一步地，所述步骤s3中tsv孔绝缘层材料主要有氧化硅、氮化硅、有机聚合物等，所述氧化硅可以通过氧化工艺、低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等工艺制作，所述氮化硅可以通过lpcvd、pecvd等工艺制作，所述有机聚合物可以通过物理气相沉积、旋转涂覆等方法制作。
17.进一步地，所述步骤s4中阻挡层的材料主要有ta、tan/ta、tin、tiw、cr、ti等中的一种或多种。
18.进一步地，步骤s4中，阻挡层和种子层的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、e-graft等中的一种。
19.进一步地，步骤s6中电流密度主要分为三个阶段，第一阶段为保形填充阶段，增加铜层厚度，第二阶段为通孔内部桥连阶段，通过调整电流密度精准控制实心填充位置，第三阶段为“v”型或“自下而上”填充阶段，实现实心填充端的完全填充。
20.进一步地，所述步骤s4沉积阻挡层和种子层后对衬底材料进行检测确保其导电，衬底材料导电，即可保证种子层完全覆盖通孔内壁，确保后续通电后，镀铜能够完全充满玻璃通孔；可采用万用欧姆表检测衬底材料是否导电。
21.进一步地，步骤s5中电镀所用的电镀液的组成包括30-200g/l铜离子、5-300g/l硫酸、20-150mg/l氯离子、1-30m1/l光亮剂、1-50m1/l抑制剂和1-30m1/l整平剂。
22.更进一步地，所述光亮剂是含硫化合物,包含聚二硫二丙烷磺酸钠、醇硫基丙烷磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、二甲基甲酷胺基丙烷磺酸钠3-(苯骈唾-2-硫基)丙烷磺酸钠、3-硫基-1-丙磺酸钠盐以及二甲基-二硫甲胺磺酸中的一种或几种的组合。
23.更进一步地，所述抑制剂是含氧化合物,包含分子量分别为400、1000、6000和20000的聚乙二醇,脂肪醇烷氧基化物、氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物中的一种或几种的
组合。
24.更进一步地，所述整平剂为硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物、烟鲁绿中的一种或几种的组合,与不同分子量脂肪醇聚氧乙烯醚系列、醚系列、乳化剂系列中的一种或几种的组合。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
26.1、本发明通过设置多段电流密度和时间，调整通孔两端的电力线密度，精准控制桥连位置，完成多种方法的部分实心填充；
27.2、本发明方法简单、实施难度低，适用于多种镀液，气密性好。
附图说明
28.图1为本发明的原理示意图；
29.图2为本发明实施例1填充玻璃转接板后的截面示意图；
30.图3为本发明实施例1填充玻璃转接板后的x-ray示意图；
31.图4为本发明实施例2填充玻璃转接板后的截面示意图；
32.图5为本发明实施例3填充硅转接板后的截面示意图；
33.图6为本发明实施例3填充硅转接板后的x-ray示意图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。文中相同的附图标记始终代表相同的元件，相似的附图标记代表相似的元件。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横”、“竖”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图中的立体图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.实施例1
37.通过电镀的方式对玻璃通孔进行填充的具体方法为：
38.根据要求选择合适的透明玻璃基板，分别用丙酮、酒精和去离子水在一定强度的超声下清洗，共清洗30分钟。将已清洗的玻璃基板烘干，根据所需图案利用激光对玻璃基板进行激光打孔，得到多个玻璃通孔。打完孔后的玻璃基板用表面活性剂、乙醇、异丙醇等在超声条件下清洗，清洗完成并进行烘干。
39.用体积浓度为5％-20％的氢氟酸腐蚀通孔，使玻璃通孔的直径扩大到40um左右，在腐蚀的同时可以利用一定的超声波场辅助腐蚀，使腐蚀更均匀，避免产生炸裂等情况。
40.玻璃基板进行通孔ti-cu溅射。
41.将溅射好之后的试片放入夹具中，用万用表测试是否导通，确定导电之后用去离子水冲洗夹具。
42.将固定好的夹具及试片一起放入浸润槽中，开启抽真空按钮，持续时间为20-60min,直至衬底表面没有气泡产生。
43.将含试片的夹具从浸润槽中取出后，用去离子水冲洗后放入电镀阴极槽中，确定
与电镀槽卡紧，然后再设置电流大小及时间，最后开启冷却循环系统。
44.电镀电流主要分为3个阶段。第一阶段为保形填充阶段，在0.08asd电流密度下电镀30min，然后在0.15asd电流密度下电镀110min；第二阶段为通孔内部桥连阶段，在0.18asd电流密度下电镀30min，然后在0.25asd电流密度下电镀1.5h；第三阶段为“自下而上”填充阶段，电流密度为0.27asd，电镀时间为5h。
45.电镀液的成分为：60g/l的硫酸、40g/l的铜离子、50mg/l的氯离子；5ml/l改性聚醚、3ml/l有机硫化物、10ml/l聚乙烯亚胺类化合物以及5ml/l烟鲁绿。
46.采用本实施例对玻璃转接板通孔填充后的截面示意图见图2，x-ray示意图见图3。从图3可以看出，玻璃转接板通孔内填充的铜柱形状规则，不存在孔洞等缺陷，填充质量较高，能够较好地满足器件性能要求。
47.实施例2
48.该具体实施例的电镀液的成分及操作步骤同实施例1，区别在于改变了第二、第三阶段电流密度及时间，其中第二阶段在0.18asd电流密度下电镀30min，然后在0.4asd电流密度下电镀1h；第三阶段“v型”填充阶段，电流密度为0.4asd，电镀时间为4h。采用本实施例对玻璃转接板通孔填充后截面示意图见图4。
49.从图4可以看出，玻璃转接板大小通孔内填充的铜柱形状规则，不存在孔洞等缺陷，填充质量较高，能够较高地满足器件性能要求。
50.实施例3
51.该具体实施例的操作步骤同实施例1，区别在于硅通孔的类型为阶梯型大小孔。采用本实施例对硅转接板通孔填充后的r-ray示意图见图6，截面示意图见图5。
52.从图5可以看出，硅转接板通孔内填充的铜柱形状规则，不存在孔洞等缺陷，填充质量较高，能够较高地满足器件性能要求。
53.通过上述实施例1-3，图1至图6可知本发明通过设置3个阶段的电流密度和时间，调整通孔两端的电力线密度，实现通孔桥连位置的精准控制，完成通孔多种方法的部分实心填充。保证了玻璃或硅通孔不出现孔隙等缺陷下，具有良好的填充质量和气密性。
54.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：清洗衬底材料保持衬底表面洁净；s2：将步骤s1清洗好的衬底材料烘干后打孔，打孔完成后再进行清洗烘干；s3：对衬底材料表面以及通孔进行绝缘层的沉积；s4：对衬底材料表面以及通孔进行阻挡层和种子层的沉积；s5：将衬底材料放入浸润槽中，对浸润槽进行抽真空，持续时间为20-60min,直至衬底表面没有气泡产生；s6：设置多段电流密度和时间进行电镀。2.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s1中清洗依次用丙酮、乙醇和去离子水在超声波的作用下进行，清洗时间为5-20min。3.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s2中采用表面活性剂、乙醇、异丙醇中的一种或多种进行清洗。4.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s3中tsv孔绝缘层材料包括氧化硅、氮化硅、有机聚合物中的一种，所述氧化硅通过氧化工艺、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积制作，所述氮化硅通过lpcvd或pecvd工艺制作，所述有机聚合物通过物理气相沉积或旋转涂覆方法制作。5.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s4中阻挡层的材料包括ta、tan/ta、tin、tiw、cr、ti中的一种或多种。6.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s4中阻挡层和种子层的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、e-graft中的一种。7.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s6中电流密度主要分为三个阶段，第一阶段为保形填充阶段，第二阶段为通孔内部桥连阶段，第三阶段为“v”型或“自下而上”填充阶段。8.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s4沉积阻挡层和种子层后对衬底材料进行检测确保其导电。9.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s5中电镀所用的电镀液的组成包括30-200g/l铜离子、5-300g/l硫酸、20-150mg/l氯离子、1-30m1/l光亮剂、1-50m1/l抑制剂和1-30m1/l整平剂。10.如权利要求9所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述光亮剂是含硫化合物，所述抑制剂是含氧化合物，所述整平剂为硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物、烟鲁绿中的一种或几种,或不同分子量脂肪醇聚氧乙烯醚系列、醚系列、乳化剂系列中的一种或几种。

技术总结
本发明属于晶圆级封装技术领域，具体公开了一种TSV/TGV微通孔金属化方法，具体包括：清洗衬底材料保持衬底表面洁净；将衬底材料烘干后打孔，打孔完成后再进行清洗烘干；对衬底材料表面以及通孔进行绝缘层的沉积；对衬底材料表面以及通孔进行阻挡层和种子层的沉积；将衬底材料放入浸润槽中，然后对浸润槽进行抽真空，持续时间为20-60min,直至衬底表面没有气泡产生；设置多段电流密度和时间进行电镀。本发明通过设置多段电流密度和时间，调整通孔两端的电力线密度，精准控制桥连位置，完成多种方法的部分实心填充。方法的部分实心填充。方法的部分实心填充。


技术研发人员：马盛林 王翌旭 王燕 陈路明
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/10/20