超声槽和均匀玻璃基板蚀刻方法与流程

分案申请说明

本申请系申请日为2015年07月28日、国际申请号为pct/us2015/042398、进入中国国家阶段后的国家申请号为201580041853.2、题为“超声槽和均匀玻璃基板蚀刻方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c.§119要求2014年7月30日提交的美国临时申请系列号62/030839的优先权，且基于其内容并通过引用将其内容整体结合于此。

背景

本公开内容整体涉及提供均匀玻璃基板蚀刻的超声槽设计以及使用此超声槽均匀蚀刻玻璃基板的方法。

背景技术：

插入器可用来在硅微芯片与有机基板之间按一定路线传送电信号，扇出密间距芯片与下面的较宽间距层之间的电连接，或者在二维或三维封装结构中连接多个硅芯片。对于这些类型的插入器来说，玻璃是有吸引力的选项，因为它的热膨胀系数(cte)可接近于硅芯片的热膨胀系数；它是电绝缘体；它的表面粗糙度可做得非常低，使得应用密电迹线成为可能；它具有高模量(刚度)，使得与有机选项如纤维增强聚合物相比，在大尺寸的情况下搬运更容易。而且，玻璃可形成大的薄板，不需要为得到所需尺寸或表面质量而进行后处理步骤，如减薄或抛光。用玻璃作为插入器的相关问题是形成具有所需尺寸、足够好的质量和所需内部过孔(viahole)轮廓的过孔。

概述

一种成功地在玻璃基板中制造过孔的方法称作激光破坏蚀刻法，该方法利用激光在玻璃基板中形成小的导孔(pilothole)，然后蚀刻玻璃基板，将孔扩大到所需尺寸。超声蚀刻是蚀刻玻璃的一个选项，因为超声能量搅拌蚀刻溶液，使其流入针孔，从而加快并完善孔的扩大，得到所需尺寸。超声蚀刻不是没有自身的问题；如果超声槽的整个工作区域的超声功率不均匀，玻璃基板就得不到均匀蚀刻。事实上，在工作区域可能存在会破坏玻璃的超声能热斑和蚀刻不充分的超声能冷斑。本公开内容描述了超声槽设计，详细说明了可实现更均匀的玻璃基板蚀刻的超声换能器的构造。

在一些实施方式中，超声槽包含容器、设置在该容器内的具有工作区域的蚀刻液槽和围绕蚀刻液槽周界布置的多个超声换能器，其构造使工作区域内的超声功率标准偏差小于约0.35。

在一些实施方式中，玻璃蚀刻系统包含玻璃基板、蚀刻液供给装置和超声槽。超声槽包含容器、设置在该容器内的蚀刻液槽和围绕蚀刻液槽周界布置的多个超声换能器，其中蚀刻液槽具有用于蚀刻玻璃基板的工作区域，该超声槽的构造使工作区域内的超声功率标准偏差小于约0.35。

在一些实施方式中，蚀刻玻璃基板的方法包括将玻璃基板置于超声槽内，在蚀刻持续时间内蚀刻玻璃基板，在蚀刻持续时间的一部分时段通过超声换能器对玻璃基板施加超声能。超声槽包含容器、设置在该容器内的具有工作区域的蚀刻液槽和围绕蚀刻液槽周界布置的多个超声换能器，其构造使工作区域内的超声功率标准偏差小于约0.35。

在一些实施方式中，超声槽的工作区域具有中心，该中心处的相对超声功率为1，工作区域内每个点的相对超声功率在约0.8至约1.8的范围内。

将在以下详细描述中阐述附加的特征和优点，这些特征和优点部分地对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的发明可认识到。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅仅是示例性的，旨在提供用于理解权利要求的本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了进一步的理解，结合在本说明书中并构成说明书的一部分。这些附图示出一个或多个实施例，且与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。

附图简要说明

图1示意性描述了用于均匀蚀刻玻璃基板的超声槽；

图2描述了造成非均匀蚀刻的超声槽的第一已知超声换能器的构造；

图3描述了造成非均匀蚀刻的超声槽的第二已知超声换能器的构造；

图4描述了造成非均匀蚀刻的超声槽的第三已知超声换能器的构造；

图5描述了造成非均匀蚀刻的超声槽的第四已知超声换能器的构造；

图6描述了得到均匀蚀刻的超声槽的超声换能器构造的第一示例性实施方式；

图7描述了得到均匀蚀刻的超声槽的超声换能器构造的第二示例性实施方式；

图8描述了得到均匀蚀刻的超声槽的超声换能器构造的第三示例性实施方式；

图9描述了得到均匀蚀刻的超声槽的超声换能器构造的第四示例性实施方式；

图10描述了得到均匀蚀刻的超声槽的超声换能器构造的第五示例性实施方式；

图11描述了得到均匀蚀刻的超声槽的超声换能器构造的第六示例性实施方式；

图12a示意性描述了根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式，具有盲孔导孔(blindviapilothole)的玻璃基板的横截面图；

图12b示意性描述了根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式，图12a所示玻璃基板在经过蚀刻之后的横截面图；

图13a示意性描述了根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式，具有通孔导孔(throughviapilothole)的玻璃基板的横截面图；

图13b示意性描述了根据本申请所图示和描述的一个或多个实施方式，图12a所示玻璃基板在经过蚀刻之后的横截面图；

图14显示了具有图2所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图15显示了具有图3所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图16显示了具有图4所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图17显示了具有图5所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图18显示了具有图6所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图19显示了具有图7所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图20显示了具有图8所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图21显示了具有图9所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；

图22显示了具有图10所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图；以及

图23显示了具有图11所示的超声换能器构造的超声槽在工作区域的相对超声功率密度分布图。

详细描述

下面结合本公开内容的优选实施方式进行详细描述，所述优选实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中都用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。

在一些实施方式中，用于均匀蚀刻玻璃基板的超声蚀刻系统可包含超声蚀刻槽、待蚀刻玻璃基板供给装置和蚀刻液供给装置。图1示意性描述了示例性蚀刻槽100，其可包含外容器110、水槽120、蚀刻液槽130、样品架140、超声换能器150和超声发生器160。在一些实施方式中，蚀刻液槽130设置在水槽120内，水槽120设置在外容器110内。在一些实施方式中没有水槽。超声换能器150可设置在外容器110内并与水槽120交界，使得超声能可被提供给装在水槽120内的水125，然后提供给装在蚀刻液槽130内的蚀刻液135，最终提供给蚀刻液槽130内的样品架140所支承的一个或多个玻璃基板170。在不含水槽的实施方式中，超声换能器150直接与蚀刻液槽130交界，将超声能提供给蚀刻液135。图1中的超声换能器150的布置(在水槽底部和侧面)仅仅是示例；应当理解，超声换能器150可相对于蚀刻液槽130在任何位置、以任何取向布置，例如布置在蚀刻液槽130的侧面和/或蚀刻液槽130的底部，这将在下面进一步详细描述。在蚀刻液槽130中通过蚀刻液135蚀刻玻璃基板170的同时对玻璃基板170施加超声能，促进了玻璃基板170的蚀刻，方便形成具有所需特性的过孔，这将在下面进一步详细描述。

外容器110可以是超声蚀刻槽的外壳，可用不透过超声换能器150产生的超声能的材料制成，包括但不限于抗高频金属合金，如400合金和c-276合金(nidi技术系列第10074号)。

水槽120可由能将超声能从超声换能器150传递给水125的材料形成，包括但不限于304不锈钢。水125可注入至足够高的水平面，以确保超声换能器150产生的超声能被转移到浸没在蚀刻液槽130内的玻璃基板170。在一些实施方式中，水125是去离子水，其可包含几毫米的洗涤剂，以减小表面张力。但应当理解，在其他实施方式中，水125可以是去离子水以外的其他类型的水并且/或者可不含洗涤剂。此外，应当理解，可用水以外的其他液体将超声能从超声换能器150转移到蚀刻液槽130内的蚀刻液135。一些实施方式可能不含水槽120，如在超声换能器150直接搅拌蚀刻液槽130内的蚀刻液135的实施方式中。

蚀刻液槽130可由耐酸材料形成，如塑料，例如聚丙烯或高密度聚乙烯。蚀刻液槽130包含蚀刻液135，该蚀刻液135由蚀刻液供给装置提供，注入至足够高的液面，以确保超声换能器150产生的超声能被转移到玻璃基板170。在一些实施方式中，蚀刻液135是包含去离子水、主酸和次酸的水溶液。主酸可以是氢氟酸，次酸可以是硝酸、盐酸或硫酸。在一些实施方式中，蚀刻液135可包含氢氟酸以外的主酸和/或硝酸、盐酸或硫酸以外的次酸。此外，在一些实施方式中，蚀刻液135可仅包含主酸。在一些实施方式中，蚀刻液135可包含20体积％的主酸(例如氢氟酸)、10体积％的次酸(例如硝酸)和70体积％的去离子水。在其他实施方式中，蚀刻液135可包含不同比例的主酸、次酸和去离子水。在一些实施方式中，蚀刻液135可包含表面活性剂，如5-10ml的市售表面活性剂。

超声发生器160通过电缆180与超声换能器150电连接。超声发生器160致使超声换能器150产生一个或多个频率的超声能。超声换能器150可产生各种频率的超声能。在一些实施方式中，超声能具有40khz与192khz之间的频率。在一些实施方式中，超声能具有80khz与132khz之间的频率。

如上文所讨论，超声功率在蚀刻液槽130内的整个蚀刻液135中的分布并不总是均匀的——存在“热斑”(超声能高于平均值的区域，这些区域发生的玻璃破坏或蚀刻可比其他区域快)和“冷斑”(超声能低于平均值的区域，这些区域发生的蚀刻可比其他区域慢)。热斑和冷斑的存在是不利的，因为它造成玻璃基板170的非均匀蚀刻。玻璃基板170对应于蚀刻液槽130中热斑的区域会遭到破坏(例如成穴、开裂和/或形成痕迹)，而玻璃基板170对应于蚀刻液槽130中冷斑的区域可能蚀刻不充分。玻璃基板170的均匀蚀刻可通过围绕蚀刻液槽130周界适当布置超声换能器150来实现。

在一些实施方式中，当超声换能器150以这样的构造布置，也就是使蚀刻液槽130工作区域的超声功率标准偏差小于约0.35、小于约0.3或小于约0.25时，玻璃基板170可实现均匀蚀刻。本文定义的蚀刻液槽工作区域是由假想边界形成的内部区域，该假想边界是从蚀刻液槽纵向横截面的周界向内间隔10％。例如，若蚀刻液槽具有正方形横截面，则工作区域将由从0.1倍宽度至0.9倍宽度和从0.1倍高度至0.9倍高度的区域限定。应当理解，正方形横截面仅仅是示例，蚀刻液槽的纵向横截面可以是其他形状，包括但不限于长方形、梯形、六边形和八边形。

工作区域内超声功率的标准偏差可通过以下步骤确定：在工作区域内的一系列等距数据点测量超声功率，然后利用下式确定标准偏差：

其中

其中：

σ＝标准偏差；

n＝数据点数量；

xi＝单个数据点；以及

μ＝单个数据点的平均值。

在一些实施方式中，与上面所列标准偏差范围组合或不与上面所列标准偏差范围组合，当超声换能器150按照下述构造布置时可实现玻璃基板的均匀蚀刻，该构造使蚀刻液槽130工作区域内每个点的相对超声功率在约0.8-1.8、约0.8-1.7、约0.8-1.6、约0.9-1.8、约0.9-1.7、约0.9-1.6、约1-1.8、约1-1.7、约1-1.6的范围内。

超声功率可基于超声功率按照“1/d²”下降率降低的原理建模，其中d是相对于超声换能器的距离。若构造中包含两个或更多个换能器，则考虑到每个换能器功率的差异，来自每个换能器的功率可加在一起。将每个点的超声功率除以工作区域中心处的超声功率，可确定工作区域中每个点的相对超声功率。因此，工作区域中心处的相对超声功率为1。

图2-11呈现了具有各种超声换能器构造的蚀刻液槽130的纵向横截面图。在图2-11中，蚀刻液槽130是四边形的，具有底表面和从底表面竖直延伸的四个侧表面，其中所述四个侧表面中的每个侧表面包含两条竖直边缘和两条水平边缘，并且所述四个侧表面包含两对相对表面。图2-11中的纵向横截面图显示了蚀刻液槽130的底表面132和一对相对侧表面134,136。超声换能器150可以是换能器的线性阵列，其布置成沿着蚀刻液槽130的表面132,134或136的长度或宽度延伸。图2-5是已知超声换能器构造的例子，它们得到如下面的实施例所讨论的非均匀蚀刻；图5-10是预期得到玻璃基板170的均匀蚀刻的示例性构造，如下面的实施例所讨论。图2示出了具有单一超声换能器150的构造，该换能器沿着底表面132的长度延伸，大致位于底表面132的中心宽度处。图3示出了超声换能器沿着底表面132的宽度连续间隔分布并沿着底表面132的长度延伸的构造。图4示出了超声换能器150沿着底部角落的长度延伸的构造。图5示出了每个侧表面134,136具有单一超声换能器150的构造，所述换能器沿着侧表面134,136的长度延伸，大致位于其中心高度处。图6示出了超声换能器150沿着底部两个角和顶部两个角的长度(即沿着侧表面134,136的水平边缘长度)延伸的构造。图7示出了超声换能器150沿着侧表面134,136的高度连续间隔分布并且沿着侧表面134,136的长度延伸，以及沿着底表面132的宽度连续间隔分布并且沿着底表面132的长度延伸的构造。图8示出了超声换能器150沿着侧表面134,136的上部80％高度连续间隔分布并且沿着侧表面134,136的长度延伸，以及沿着底表面132的中间60％宽度连续间隔分布并且沿着底表面132的长度延伸的构造。图9示出了超声换能器150沿着侧表面134,136的上部70％高度连续间隔分布并且沿着侧表面134,136的长度延伸，以及沿着底表面132的中间40％宽度连续间隔分布并且沿着底表面的长度延伸的构造。图10示出了超声换能器150沿着侧表面134,136的高度连续间隔分布并且沿着侧表面134,136的长度延伸的构造。图11示出了超声换能器150沿着每个侧表面134,136的上部40％高度连续间隔分布并且沿着134,136的长度延伸，沿着每个侧表面134,136的下部20％高度连续间隔分布并且沿着侧表面134,136的长度延伸，沿着底表面132的左侧20％宽度连续间隔分布并且沿着底表面132的长度延伸，沿着底表面132的右侧20％宽度连续间隔分布并且沿着底表面132的长度延伸的构造。

在一些实施方式中，蚀刻液槽30的纵向横截面具有1:1的宽高比。不过，在一些实施方式中，也可采用其他宽高比，包括但不限于2:1,1.5:1,1:1.5或1:2。对于不同的宽高比，可通过计算总标准偏差来确定给定构造的超声换能器150是否会使玻璃基板170得到均匀蚀刻。通过取对于宽高比1:1,1:1.5,1:2,1.5:1和2:1的各标准偏差的标准偏差，可计算总标准偏差。因此，在一些实施方式中，当超声换能器150被布置成这样的构造，也就是使蚀刻液槽130的工作区域中超声功率的总标准偏差小于约0.08，小于约0.07，小于约0.06，小于约0.05或小于约0.04时，可实现玻璃基板170的均匀蚀刻。在一些实施方式中，超声换能器的构造得到上面所列的相对超声功率范围、标准偏差范围和总标准偏差范围的任意组合。

如上文所讨论，系统可包含将要在超声槽100中蚀刻的玻璃基板的供给装置。玻璃基板可由各种玻璃组合物形成，包括但不限于硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃和钠钙玻璃。此外，玻璃基板可经过强化(例如通过离子交换工艺)或未经过强化。示例性的玻璃基板可包括但不限于康宁eagle玻璃，化学强化或非强化的康宁玻璃。

在一些实施方式中，在蚀刻过程之后，玻璃基板可具有一个或多个通孔或盲孔。本文所用的术语“通孔”是指玻璃基板中完全延伸通过玻璃基板整个厚度的孔。本文所用的术语“盲孔”是指玻璃基板中的开口，该开口从玻璃基板表面延伸穿过玻璃基板的一部分厚度至一定深度，但没有完全延伸穿透玻璃基板的厚度。在一些实施方式中，供应装置中的一片或多片玻璃基板具有一个或多个导孔，该导孔在蚀刻过程中转变成盲孔或通孔。在一些实施方式中，利用激光钻孔技术，通过激光形成导孔，所述激光钻孔技术是例如但不限于激光烧蚀、环钻、冲击钻等。在一些实施方式中，激光源可以是固态紫外激光器(如nd:yag激光器)，它发射波长为355nm的脉冲激光束。但应当理解，在其他实施方式中，也可使用具有其他波长的激光源对玻璃基板170进行激光钻孔。用来在玻璃基板170中形成针孔的其他示例性工艺和系统见述于美国公开第2013/0247615号和美国申请第61/917,179号，以美国公开第2015-0166395号公开的美国申请第14/535,754号和以美国公开第2015-0166396号公开的美国申请第14/535,800号要求其的权益，上述每篇文献通过引用完整结合于此。

下面结合图12a-12b描述通过超声增强蚀刻在玻璃基板中形成盲孔的方法。现在参考图12a，取自玻璃基板供给装置的玻璃基板170可置于蚀刻液槽130中，并浸没在蚀刻液135内。玻璃基板170可具有通过激光钻入玻璃基板170的一部分厚度的导孔，用于形成盲孔1210。导孔在玻璃基板170中延伸，从入口表面172的入口开孔1211进入玻璃基板170。用于形成盲孔1210的导孔没有完全延伸穿透玻璃基板170的厚度。

在蚀刻玻璃基板170的同时，通过超声换能器150施加超声能。用蚀刻液将玻璃基板170蚀刻一段蚀刻持续时间，增大盲孔1210的入口开孔1211的直径和沿着盲孔1210的整个深度的直径，如图12b所示。

下面结合图13a-13b描述通过超声增强蚀刻在玻璃基板中形成通孔的方法。现在参考图13a，取自玻璃基板供给装置的玻璃基板170可置于蚀刻液槽130中，并浸没在蚀刻液135内。玻璃基板170可具有通过激光钻入玻璃基板170的一部分厚度的导孔，用于形成通孔1310。导孔经玻璃基板170延伸，从入口表面172的入口开孔1311穿过玻璃基板170的厚度，到达出口表面174的出口开孔1312。入口开孔1311的直径可大于出口开孔1312的直径。

在蚀刻玻璃基板170的同时，通过超声换能器150施加超声能。用蚀刻液将玻璃基板170蚀刻一段蚀刻持续时间，增大盲孔1310的入射开口1311的直径和沿着盲孔1310的整个深度的直径，如图13b所示。

在一些实施方式中，在上面结合图12a-12b和13a-13b描述的蚀刻持续时间的至少一部分时间内对玻璃基板170施加的超声能频率范围是40khz至192khz或者80khz至132khz。在蚀刻过程中施加40khz至192khz或者80khz至132khz的超声频率促进玻璃从导孔壁上的蚀刻和溶解，从而将盲孔1210的入口开孔1211的直径增大到所需直径和/或将入口开孔1311和出口开孔1312的直径增大到所需直径。40khz至192khz范围或者80khz至132khz范围的超声频率可最大程度减少对玻璃基板170的表面损伤，所述表面损伤可发生在超声能频率较低的情况下。此外，40khz至192khz或者80khz至132khz范围的超声频率能够实现以可接受的相对恒定的蚀刻速率蚀刻过孔。80khz至132khz的范围比更宽的40khz至192khz的范围更为可取，因为此范围对于防止表面损伤来说足够高，而对于确保有效蚀刻来说足够低。但应当理解，在其他实施方式中，超声频率范围可不同于40khz至192khz或者80khz至132khz。对玻璃基板进行超声蚀刻的其他示例性工艺见述于美国申请第61/871,440号(以美国公开第2015-0060402号公开的美国申请第14/464,851号要求其权益)和美国申请第61/917,179号(以美国公开第2015-0166395号公开的美国申请第14/535,754号和以美国公开第2015-0166396号公开的美国申请第14/535,800号要求其的权益)，上述每篇文献通过引用完整结合于此。

实施例

通过以下实施例进一步阐明各种实施方式。

如上文所讨论，已知的超声换能器构造具有热斑和冷斑，它们导致玻璃基板蚀刻不均匀。据信是超声槽整个工作区域的相对超声功率密度的变动导致热斑和冷斑。模拟了超声换能器围绕着蚀刻液槽周界的九种构造(构造1-9)，以确定超声功率密度分布图。构造1-10分别对应于图2-11，其中图2-5代表已知的超声构造。图14-23分别示出了构造1-10的超声功率密度分布图。图14-23中的模型基于宽高比为1:1的工作区域。超声功率可基于超声功率按照“1/d²”下降率降低的原理计算，其中d是相对于超声换能器的距离。若槽构造含有两个或更多个换能器，则基于每个换能器的功率相等的假设，将来自每个换能器的功率线性相加到一起。槽中的总功率相对于工作区域中心的功率归一化，使每种构造在工作区域中心具有相等的功率。下表1列出了基于1:1宽高比模型的每种构造的相对超声功率范围，以及基于1:1宽高比的工作区域内超声功率的标准偏差。表1还列出了每种构造的总标准偏差，它是基于计算相对于1:1,1:1.5,1:2,1.5:1和2:1的宽高比的各标准偏差的标准偏差。

表1

从表1可以看出，已知构造1-4具有较大的相对功率密度范围、标准偏差和总标准偏差，导致玻璃基板的非均匀蚀刻。相反，预期构造5-10可实现均匀蚀刻，因为它们落在能够实现均匀蚀刻的超声槽的参数范围内，即功率密度范围约为0.8-1.8，标准偏差低于约0.35，且/或总标准偏差低于约0.08。通过实验方法，将构造2(示于图3)用于在大部件上蚀刻通孔和盲孔，所述大部件占据蚀刻槽130的大部分工作容积。我们在过孔中观察到损伤，这与功率密度高于1.8的区域中超声功率过大相一致。我们还在过孔轮廓中观察到缺陷，这与功率密度低于0.8的区域中超声功率不足相一致。

对本领域的技术人员来说很明显，可进行各种更改和改变而不背离本发明的精神和范围。