[发明专利]一种高深宽比垂直玻璃通孔的刻蚀方法

说明书

技术领域

 本发明属于微电子领域一种专门适用于制造或处理半导体器件的方法，涉及利用互连在器件中的分离元件间传输电流时使用的玻璃通孔的制造方法，具体涉及一种玻璃基板快速刻蚀高深宽比垂直通孔的方法。

背景技术

随着三维封装技术的发展，对封装衬底材料的研究从传统的有机材料、陶瓷材料发展到新兴的硅材料以及玻璃材料。同时用户对芯片在小尺寸、高性能、低耗电方面的要求不断提高。在这种情况下，靠进一步缩小线宽来提高性能的方式受到材料物理特性和设备工艺的限制，二维互连线的电阻电容延迟逐渐成为限制半导体芯片性能提高的瓶颈。硅通孔（TSV）或玻璃通孔（TGV）技术通过在晶圆中形成金属立柱，并配以金属凸点，可以实现晶圆(芯片)之间或芯片与基板间直接的三维互连，这样可以弥补传统半导体芯片二维布线的局限性。这种互连方式与传统的堆叠技术如引线键合技术相比具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小等优点，大大提高芯片的速度并降低功耗,因此硅通孔（TSV）、玻璃通孔（TGV）技术已逐渐成为三维封装中一项关键技术。其中玻璃材料又因其良好的微加工性能，电学、热机械性能以及低廉的价格备受青睐。不同于已经发展相对成熟的硅通孔制作工艺，目前在玻璃基板上在较短的时间内以很高的精度刻蚀出高深宽比，小尺寸通孔的方法对于业界有很强的吸引力。

关于上述方法，现有的文献公开了两种方案。一种是K.H. Chen等人在2009年的《真空科学与技术》的B27刊的42页中提到的激光打孔方法，其对工件的光学特性有精确地要求，一次激光打孔只能处理一个大工件的非常小的一块区域，而且一个孔需要几个脉冲。这种方法刻蚀一个20微米直径200微米深的孔需要上千次激光脉冲，因此刻蚀一个200mm直径的玻璃基片需要很长时间。而且通过这种方法形成的孔有很高的侧壁倾斜角度。另一种方法是Khalid Hasan等人在《材料科学》期刊2013年48期5316页的文章中提到一种特殊的玻璃，如FORTURAN? 或者APEX^TM，其采用特殊成分和添加物，以实现短波长情况下经过长时间的曝光获得能量，进行热处理，随后进行湿法刻蚀。通过短波长光和热处理后作为衬底进行刻蚀。这种方法在会造成侧壁倾斜和表面损伤等问题，同时无法形成小尺寸和高深宽比的孔。

上述两种方法都无法满足大批量生产情况下对尺寸的精确控制和处理速度的要求。同时，因为受制于功率，采用激光方式在玻璃基板上开凿通孔时，只能在一个小区域内同时生成数量有限的通孔，通孔的密度不能太大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在玻璃基板上的一个较大的区域内高精度、高效率加工出高密度和深宽比的垂直通孔的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

A. 提供一个表面平整的玻璃晶圆工件，表面平整，主要成分为二氧化硅；

B.在上述玻璃晶圆工件上的至少一个表面上沉积一层掩膜，掩膜可以为金属或半导体，且为适当的厚度；

C.在上述掩膜上整个工件区域内开出一组通孔；

D.对上述工件进行反应离子刻蚀，通过掩膜的通孔对玻璃进行刻蚀，玻璃的刻蚀速率远大于对掩膜的刻蚀速率；

E.通过气相沉积法在掩膜以及工件表面上沉积一层钝化层，该钝化层的主要成分为Al₂O₃；

F. 在侧壁钝化层形成后，钝化气体换成反应气体，重复步骤D和E，获得高精度垂直通孔，直到通孔深度达到所要求的深度。

在上述刻蚀过程中，水平方向的钝化层相比通孔壁上的钝化层受到的反应离子冲击更大，因此刻蚀速率也更快，而且随着刻蚀的深度增加，离子在通孔壁上的掠射角度变小，导致通孔壁上的刻蚀速率进一步降低，因此适当厚度的掩膜能确保通孔的高垂直性和侧壁的光滑度。与激光方式开凿通孔不同，本发明的刻蚀可以在整个晶圆工件区域内同时刻蚀出通孔的高密度阵列。

进一步，本发明还提供了一种运用上述方法中进行各向异性刻蚀熔融石英玻璃的系统，包括反应腔，射频激励装置，气体交换系统阀，反应腔真空控制阀以及控制模块，气体交换系统阀与反应腔相连，在控制模块的控制下向反应腔输入气体，射频激励装置设置在反应腔的外部，在通入射频电流后在反应腔内部生成等离子体。反应腔内设置有玻璃晶圆工件加热装置。