石云波，趙思晗，趙永祺，李 飛，焦靜靜，李志強(qiáng)

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

近年來(lái)三維（3-D）集成電路和互聯(lián)堆疊的2.5維（2.5D）集成電路因其低功耗、性能好、功能密度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是克服摩爾定律局限性最有希望的技術(shù)之一[1]。3-D封裝就是半導(dǎo)體元件的堆疊，晶片之間采用垂直互聯(lián)技術(shù)[2]。意法半導(dǎo)體已將硅通孔技術(shù)引入MEMS器件的制造中，例如，多軸慣性模塊、智能傳感器等，用垂直短線互聯(lián)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)芯片間引線互聯(lián)，在降低了產(chǎn)品尺寸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的集成度，大大提高了產(chǎn)品的性能[3-5]。實(shí)現(xiàn)3-D和2.5-D集成電路的集成，關(guān)鍵技術(shù)有硅通孔（TSV）工藝、化學(xué)機(jī)械拋光工藝（CMP）、晶圓鍵合工藝、電化學(xué)沉積工藝（ECD）等，其中硅通孔工藝由于其縮短了芯片間的互聯(lián)路徑，同時(shí)具有更薄的封裝尺寸，被認(rèn)為是 3-D集成工藝中的核心技術(shù)[6-8]，可以廣泛應(yīng)用在MEMS、COMS圖像傳感器和存儲(chǔ)設(shè)備等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)，由于玻璃的熱膨脹系數(shù)可調(diào)、低插入損耗、高電阻率等優(yōu)點(diǎn)，由硅通孔工藝拓展的玻璃通孔工藝（TGV）已經(jīng)受到了人們的廣泛關(guān)注[9]。通孔內(nèi)的金屬填充一直是TGV工藝的難點(diǎn)，2017年K.Demir等人采用薄聚合物層壓和化學(xué)鍍的方式實(shí)現(xiàn)了玻璃通孔側(cè)壁上的金屬覆蓋[10]；Yu-Hsiang Tang等人在2016年采用硅做犧牲層，在硅片上濺射金屬做種子層，然后通過(guò)硅-玻璃鍵合和電鍍工藝實(shí)現(xiàn)了玻璃上通孔的金屬填充[11]，但這兩個(gè)工藝流程中分別包含了聚合物層壓和玻璃減薄工藝，加工過(guò)程復(fù)雜且成本較高。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于電化學(xué)反應(yīng)理論的填充工藝，只需要在種子層上做掩膜和兩次電鍍即可以實(shí)現(xiàn)玻璃通孔中金屬的快速填充。

1 電鍍理論分析

根據(jù)法拉第（Farady）的電解定律[12]，單位面積上鍍層厚度Q可以表示為

其中，M、n、ρ分別為沉積金屬的相對(duì)原子量、原子價(jià)和密度，t為時(shí)間，J是電流密度。

其中，y是陰陽(yáng)極板的表面距離，U為極板間的電壓，σ為電阻率。由式(1)(2)易知電鍍時(shí)沉積金屬層的厚度與電鍍的時(shí)間和電流密度成正比，電流密度又與兩個(gè)極板間距成反比。因此，在電化學(xué)中，如果電極表面不平整，在凸起的部位或者是邊角處就會(huì)有較高的電流密度，從而形成更厚的沉積層，如圖1所示[13]。

圖1 電極表面不平整時(shí)電流密度分布Fig.1 Current density distribution when electrode surface is not smooth

在水溶液體系的電解液中，電流的大小可以通過(guò)溶液電阻 Re、陰陽(yáng)極的極化電阻 RP和加在裝載電解液的鍍槽上的電壓E來(lái)判斷[14]，如公式(3)所示：

其中，溶液電阻 Re取決于電鍍?nèi)芤旱慕M成情況和極間距離，當(dāng)陰極電極表面不平整時(shí)電解液中陰-陽(yáng)極距離差異會(huì)導(dǎo)致溶液電阻的阻值不同，凹處的溶液電阻大于凸起處的電阻，同樣凹處的電流將會(huì)變小，金屬的沉積速度變慢；極化電阻 RP是由于電化學(xué)反應(yīng)速度緩慢而產(chǎn)生的，由式(3)可知，極化電阻 RP的增大可以縮減凹槽內(nèi)外電流大小的差值，形成更致密的電鍍層。

由以上分析可知，在帶通孔基片的一側(cè)濺射種子層進(jìn)行電鍍，通孔可以改變周遭電流的流向，電流密度少量增加，改變了沉積層的生長(zhǎng)方向和生長(zhǎng)速率，但由于通孔直徑較大，填滿金屬需要的時(shí)間很長(zhǎng)，會(huì)造成成本過(guò)高、生長(zhǎng)在玻璃表面過(guò)厚的電鍍層難以去除等問(wèn)題。電流分布可由圖2表示。

圖2 陰極電極通孔的電流密度分布Fig.2 Current density distribution of cathode electrode with through via

將光刻膠覆蓋在陰極玻璃基片上通孔外側(cè)大面積種子層沉積的區(qū)域，即可大大提高通孔周邊的電流密度，如圖3所示。在減少電鍍時(shí)間、節(jié)約成本的同時(shí)解決了基片上形成過(guò)厚的種子層而造成金屬刻蝕困難的問(wèn)題。

圖3 帶掩模時(shí)通孔周圍電流密度分布Fig.3 Current density distribution around the through via with mask

2 工藝流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用的主要工藝是銅的電鍍，根據(jù)電解原理，在導(dǎo)電層表面進(jìn)行金屬的沉積之前要在電鍍的位置濺射種子層。整體工藝流程如圖4所示。

圖4 玻璃通孔（TGV）填充工藝Fig.4 Filling process of through glass vias

首先，進(jìn)行備片，對(duì)玻璃基片進(jìn)行常規(guī)清洗；然后，采用紫外納秒激光對(duì)玻璃基片進(jìn)行燒灼打孔，用98%的濃硫酸與30%的雙氧水（體積比是7︰3）清洗玻璃片去除激光打孔過(guò)程中玻璃融化濺射的雜質(zhì)；隨后，依次濺射粘附層Cr和種子層Cu，并在種子層上勻膠進(jìn)行光刻圖形化處理，在種子層上電鍍銅直至將孔的入口處填滿，去掉掩膜用的光刻膠，重新在電鍍層上勻一層膠，最后，以孔口處的電鍍銅為種子層再次電鍍，直至通孔完全填充。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 激光打孔和磁控濺射

本次實(shí)驗(yàn)首先對(duì)激光打孔和濺射金屬這兩個(gè)工藝的先后順序進(jìn)行了分析，以觀察激光刻蝕玻璃通孔的表面形貌，兩種不同先后順序的刻蝕結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可明顯看出，先打孔時(shí)金屬在玻璃表面的覆蓋平整度優(yōu)于先濺射時(shí)的平整度，這是由于紫外激光刻蝕過(guò)程中會(huì)釋放熱量，高溫熔融的金屬包裹住部分飛濺的融化玻璃，一起沉積在基片表面。而先打孔后濺射工藝形貌良好，金屬表面平整，有利于通孔入口的填充。故本實(shí)驗(yàn)的第一步工藝是在裸玻璃片上進(jìn)行激光打孔，然后用磁控濺射機(jī)依次濺射金屬Cr和Cu。

圖5 調(diào)整順序后的激光打孔效果圖Fig.5 Effect of laser drilling after the sequence is adjusted

3.2 電鍍銅

降低成本是 TGV技術(shù)研究和探索的重要目標(biāo)之一，因此進(jìn)行電鍍的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)；另外電流增大會(huì)加快金屬層沉積的速率，使得電鍍后形貌變差，導(dǎo)致電鍍層的致密性不好[15]，最終造成后續(xù)工藝的真空度受損或是通孔無(wú)法導(dǎo)電。綜上所述，在同一玻璃片上選取 4 個(gè)激光入口直徑分別為 60 μm、100 μm、150 μm和200 μm的孔，進(jìn)行磁控濺射，濺射完成后利用劃片機(jī)劃開，觀察孔內(nèi)壁的形貌，如圖6所示。通過(guò)觀察確定最優(yōu)的玻璃通孔直徑。

從圖 6中可以看出，激光打孔的垂直度很高[16]，經(jīng)測(cè)量其垂直度約88.7°，濺射的金屬在不同直徑的玻璃孔內(nèi)壁上都有部分淀積。當(dāng)入口直徑為60 μm時(shí)，通孔如圖 6(a)所示，孔底未完全穿通；入口直徑大于100 μm 時(shí)，如圖6(b)、6(c)和 6(d)所示，玻璃完全穿通。

圖6 磁控濺射后孔的內(nèi)壁形貌Fig.6 Morphology of the inner wall of pores after magnetron sputtering

將打透的玻璃孔濺射完成后進(jìn)行電鍍，采用掛鍍的方式，通過(guò)計(jì)算濺射金屬層的面積，設(shè)置電流為25 mA/cm2，電壓為0.3 V，電鍍時(shí)間為45 min。隨后觀察不同直徑的玻璃孔在入口處形貌，如圖7所示。圖7(a)中顯示激光打孔的入口直徑為100 μm時(shí)，電鍍45 min之后孔口已經(jīng)封住，并且有一定的垂直生長(zhǎng)；而圖7(b)和 7(c)顯示入口直徑為 150 μm 和 200 μm 的玻璃通孔在45 min電鍍后孔口未被填滿。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到通孔直徑與電鍍填充完全的時(shí)間關(guān)系，如表1所示。

圖7 不同入口直徑的孔電鍍銅后的形貌Fig.7 Morphology of copper electroplated holes with different inlet diameters

表1 不同孔徑通孔的封口和電鍍時(shí)間的關(guān)系Tab.1 Relationship between the sealing and electroplating time of through holes with different pore sizes

增加電鍍的時(shí)間會(huì)加大工藝成本，因此，選取激光入口直徑100 μm的通孔進(jìn)行第二步電鍍工藝，在玻璃濺射金屬的一側(cè)加上掩膜，確保第二步電鍍時(shí)銅只能在通孔內(nèi)垂直生長(zhǎng)。為了方便測(cè)試，增加了電鍍的時(shí)間，使金屬銅長(zhǎng)到通孔的外面，最終從玻璃的下表面觀察到通孔形貌，如圖8所示。

圖8 第二次電鍍后從通孔中長(zhǎng)出的金屬Fig.8 The metal that grows out of a through hole after the second electroplating

4 導(dǎo)電性測(cè)試

為了驗(yàn)證電鍍之后玻璃通孔是否具有導(dǎo)電性能，采用數(shù)字萬(wàn)用表（Agilent4001A）對(duì)通孔兩側(cè)金屬的通斷進(jìn)行測(cè)式，測(cè)量過(guò)程如圖 9所示。結(jié)果顯示通孔導(dǎo)電性良好；為檢驗(yàn)通孔的一致性，利用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量每個(gè)通孔的阻值，測(cè)試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明通孔間的電阻均約為0.347 ?，最大誤差不超過(guò)2.59%。

圖9 用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)電阻Fig.9 Resistance measured with a digital multi-meter

表2 通孔電阻大小Tab.2 Resistance size of the through hole

最后，利用劃片機(jī)（DISCO）將測(cè)試后的通孔劃開，在掃描電子顯微鏡下觀察填充金屬后通孔形貌，如圖10所示，可以看出金屬致密性良好。為保證實(shí)驗(yàn)的一致性，所有通孔均是在同一片玻璃片上制備。對(duì)200 μm直徑的通孔封口，由于電鍍時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通孔上表面有較厚的電鍍層沉積。通孔下方存在金屬凸點(diǎn)，在劃片過(guò)程中造成部分金屬缺失。這些問(wèn)題均可通過(guò)控制電鍍時(shí)間以及拋光工藝得到改善。

圖10 電鍍后通孔形貌Fig.10 Morphology of through via after electroplating

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的玻璃穿透導(dǎo)線制備工藝，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，在試驗(yàn)中對(duì)比了激光打孔和磁控濺射的先后順序?qū)ΣＡП砻嫘蚊驳挠绊懸约安煌睆降耐讓?duì)電鍍時(shí)間的影響。結(jié)果表明，300 μm 厚的玻璃最優(yōu)通孔直徑為 100 μm，兩次電鍍后通孔內(nèi)填充金屬致密均勻、形貌良好，孔間電阻約為0.347 Ω，最大誤差為2.59%。這一方法有效地減少了工藝步驟，降低了加工成本。在實(shí)現(xiàn)低成本、批量化的MEMS傳感器晶圓級(jí)真空封裝中，該方法具有很好的應(yīng)用價(jià)值。