专利名称：通过将多孔硅转变成多孔金属或陶瓷来制作微结构的方法
通过将多孔硅转变成多孔金属或陶瓷来制作微结构的方法技术领域
根据本发明实施例的解决方案涉及微结构。
技术背景
微结构(导电的或绝缘的)通常被用于许多应用中。典型实例是用于封装半导体 材料的芯片(其中形成集成电路)的电路化(circuitized)衬底；通常，该衬底由用于支撑 导电连接元件的绝缘底部(base)制成。例如，在球栅阵列(BGA)类型的电子装置中，芯片被 安装在衬底的上表面上。然后将芯片的端子接合到相应的接触件(contact)(诸如焊盘)， 其被设置在衬底的相同的上表面上(诸如用倒装芯片技术)。通过穿过衬底的导通孔(或 简称为通孔(via))，从而将其上表面上的焊盘与设置在衬底的下表面上的相应的导电球连 接。然后将如此获得的结构封闭在(例如，塑料材料的)保护层内，其仅仅让球在衬底的下 表面上露出(实现电子装置的外部端子)。
关于此点，问题是由于用于芯片的端子的接触件的越来越高密度的需求而导致 的；实际上，集成电路的增长的复杂度要求芯片中庞大数量的端子(特别是用于多处理器 组件)，它们的间距相应地减少。然而，即使非常复杂的制造工艺(诸如基于微通孔技术的 制造工艺，也称为连续构建Sequential Build-Up, SBU)或高密度互连(HDI))也不能获得 具有小于50-80 μ m的直径的通孔。
芯片的增大的端子密度也增加了对于耗散由芯片产生的热量的大的问题；这可能 是非常关键的，特别是在芯片发热集中的特定区域(热点)处。
已知衬底的另一个问题是要求在芯片的端子和电子装置的端子之间通过相应通 孔的连接的非常低电阻。例如，在复杂的芯片上系统(SOC)中，例如对于其中其几乎所有的 功能都在少量芯片中实现的移动电话，每个连接的电阻不应该超过70-80Π1Ω。
另一方面，在一些应用中(例如，在电子装置工作在高频率下时)要求衬底的绝缘 底部的低介电常数，以便减少连接件的耦合杂散电容。此外，在功率应用中，也要求绝缘底 部应该表现出高击穿电压。
另一个问题涉及电子装置的可靠性。实际上，在芯片的热膨胀系数(TCE)和衬底 的热膨胀系数之间的任何差别可能导致芯片上的机械应力(特别是在倒装芯片技术中在 它们与衬底的接合处)。由于使用超低k电介质材料而进一步加重该问题，超低k电介质材 料要求衬底应该几乎不引起芯片上的应力。
类似的考虑适用于堆叠式封装O^ackage-On-Package，POP)结构，其中两个或更 多个电子装置(每一个具有相应的衬底)被一个在另一个之上地安装。
微结构的另一个应用实例在微机电系统(MEMS)中。在该情况下，要求制作复杂形 状的(导电或绝缘)微结构的能力；这些微结构的期望特性可以是高机械刚度、低重量和/ 或耐极端温度(例如，低至-100°C或高达+1500°C )。
此外，微结构还可以被用在精密微机械的应用中(例如，在表中)。这可以要求 (导电或绝缘)微结构对于温度非常稳定，具有低惰性和/或适合用于恶劣环境(例如，抗腐蚀)。
在要求使用微结构的其它技术领域中还经历了等同的、另外的和/或不同的问 题。例如，这是磁电介质材料(例如在电磁天线中使用)、真空电子装置(诸如微波管，或者 考虑到微结构的尺寸更好是在TeraHz频率区域中)等等的情况。发明内容
在其一般方面中，根据本发明实施例的解决方案基于由多孔硅制作微结构的主辰、ο
具体地，本发明的不同的方面提供如在独立权利要求中陈述的解决方案。在从属 权利要求中陈述本发明的有利的实施例。
更具体地说，根据本发明实施例的解决方案的一个方面提出了用于制作微结构的 方法。该方法从提供硅衬底(具有主表面)的步骤开始。然后形成从主表面延伸到硅衬底 中的多孔硅层。通过选择性地刻蚀多孔硅层以获得一组多孔硅的突出的微元件而继续该方 法；每个突出的微元件从硅衬底的剩余部分突出，由此露出相应的外表面。然后处理突出的 微元件以便获得一组相应的导电或绝缘微元件；通过将多孔硅的至少普遍的(prevalent) 部分(从外表面延伸到相应的突出的微元件中)分别转变成多孔金属或陶瓷来获得每个导 电或绝缘微元件。
根据本发明的特定实施例的解决方案的其它方面提出了用于制作磁电介质结构、 互连结构、封装的电子装置、封装到封装的(package-to-package)电子装置、功率电子装 置、真空电子装置和微机械装置的方法。
参考与附图一起阅读的仅仅地通过非限制性指示给出的以下详细描述将更好明 白根据本发明实施例的解决方案以及其另外的特征和优点。在这方面，明确地意图附图不 是必须要按比例绘制的并且除非另有指明，它们仅仅意图概念上示出在本申请中描述的结 构和过程。具体地
图1A-1D'示出根据本发明实施例的用于制作微结构的制造工艺的各个阶段，
图2A-2G示出根据本发明另一个实施例的用于制作微结构的制造工艺的各个阶 段，
图3A-3D示出根据本发明实施例的用于制作互连结构的制造工艺的附加的阶段，
图3A' -3D'示出根据本发明另一个实施例的用于制作相同的互连结构的制造 工艺的附加的阶段，
图4A-4C示出根据本发明实施例的用于制作封装的电子装置的制造工艺的附加 的阶段，
图4A' -4C'示出根据本发明另一个实施例的用于制作相同的封装的电子装置 的制造工艺的附加的阶段，
图5A-5C示出根据本发明实施例的用于制作不同的封装的电子装置的制造工艺 的附加的阶段，
图5A' -5C'示出根据本发明另一个实施例的用于制作同一个不同的封装的电6子装置的制造工艺的附加的阶段，
图6是可以用根据本发明实施例的解决方案获得的另外的示例性的封装的电子装置，
图7是可以用根据本发明实施例的解决方案获得的示例性的堆叠式封装的电子装置，
图8是可以用根据本发明实施例的解决方案获得的示例性的功率电子装置，
图9A-9D示出根据本发明实施例的用于制作真空电子装置的制造工艺的附加的 阶段，以及
图10A-10F示出根据本发明实施例的用于制作微机械装置的制造工艺的附加的 阶段。
具体实施方式
特别参考图1A-1D'，其示出了用于制作根据本发明实施例的导电或绝缘微结构 (在图ID和图ID'中分别用附图标记100和附图标记100'表示)的制造工艺的各个阶段。
如图IA所示，制造工艺从硅衬底102(例如，包括单晶硅的晶圆(wafer))开始；可 以在整个晶圆上形成单个微结构，或者可以在晶圆(然后在工艺结束时被切成小块)的几 个同样的区域中重复相同的微结构。在硅衬底102中形成多孔硅层103 ；多孔硅层103从 硅衬底102的前(上)表面延伸，从而留下无孔的或致密的硅的其剩余部分(用附图标记 106表示)。
出于此目的，硅衬底102受到阳极过程(anodic process)(作用于其前表面)。特 别地，硅衬底102被用作电化学电池(包括富含氢氟酸的电解质，或HF)中的阳极。当阳极 过程的电流密度低于临界值JPS (取决于多个实验因素)时，电解质仅仅与到达硅衬底102 的前表面的空穴反应(使得反应受空穴的供给的限制而不受它们到电解质中的离子扩散 的限制)。当然，这要求在硅衬底102的前表面处的(自由)空穴的可用性。如果硅衬底 102是P型的，空穴的可用性是明显的。相反地，如果硅衬底102是N型的，则界面硅电解 质用作反转偏置的肖特基结(即，具有耗尽区的宽度随着硅衬底102中杂质浓度增大而减 小)。当硅衬底102具有高杂质浓度(N+)时，在硅衬底102中的自由空穴能够通过量子力 学隧穿穿过该结的势垒；相反，必须为空穴提供能量(例如，通过在其前表面上和/或在其 后(下)表面上照亮硅衬底102)以允许它们通过势垒。
多孔硅(PQ根据其孔(pore)的直径被分类为纳米孔多孔硅(nanoPQ (或微孔多 孔硅(microPS))、中等孔多孔硅(mesoPQ和宏孔多孔硅(macroPQ ；特别地，孔的直径在 纳米孔多孔硅中低于2nm，在中等孔多孔硅中在2nm与50nm之间，而在宏孔多孔硅中高于 50nm。原则上，在每个硅衬底中与其掺杂无关地形成纳米孔多孔硅；然而，可以在具有低杂 质浓度的P型的硅衬底中仅仅获得纯的纳米孔多孔硅。在具有高杂质(N型的或P型的) 浓度的硅衬底中改为获得纳米孔多孔硅和中等孔多孔硅的混合。最后，在具有低杂质浓度 的硅衬底中可以获得宏孔多孔硅(当硅衬底是N型的时纳米孔多孔硅被发现覆盖孔)。
多孔硅的特性取决于其形态，该形态又是由不同的参数(例如，硅的长度、浓度和 杂质类型，电流密度，电解质类型等)限定的阳极过程的条件(regime)的函数。关于此点，多孔硅有关的特性是其孔隙度( % )，对于(致密)硅其被定义为
权利要求
1.一种用于制作微结构(100)的方法，该方法包括以下步骤提供硅衬底(102)，该硅衬底具有主表面，形成从主表面延伸到硅衬底中的多孔硅层(103)，选择性地刻蚀多孔硅层以获得一组多孔硅的突出的微元件(112)，每个突出的微元件 从硅衬底的剩余部分(106)突出，由此露出相应的外表面，以及处理突出的微元件以便获得一组相应的导电微元件(11 或绝缘微元件(115')，通 过将多孔硅的从外表面延伸到相应的突出的元件中的至少普遍的部分分别转变成多孔金 属或陶瓷来获得每个导电微元件或绝缘微元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中处理突出的微元件以便获得一组对应的导电微元 件(115)的步骤包括将突出的微元件(11 浸入包括至少一种金属元素的溶液中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中处理突出的微元件以便获得一组对应的绝缘微元 件(115')的步骤包括使突出的微元件(11 经受在第一温度下的第一热过程以便将多孔硅的至少普遍的 部分转变成多孔陶瓷。
4.根据权利要求3所述的方法，其中处理突出的微元件以便获得一组对应的绝缘微元 件(115')的步骤还包括使突出的微元件(11 经受在比第一温度高的第二温度下的第二热过程，以便将多孔 陶瓷的至少部分转变成致密的陶瓷。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中每个热过程被在包括氧、碳和/或氮的气氛中 执行。
6.根据权利要求3到5中的任一权利要求所述的方法，其中处理突出的微元件以便获 得一组对应的绝缘微元件(115')的步骤还包括，在使突出的微元件(11 经受第一热过 程之前将突出的微元件浸入包括纳米颗粒的溶液中，以便使溶液至少部分地穿透到多孔硅 中，以及使穿透的溶液蒸发以便让穿透的溶液的纳米颗粒的至少部分留在多孔硅内。
7.根据权利要求3到6中的任一权利要求所述的方法，其中处理突出的微元件以便获 得一组对应的绝缘微元件(115')的步骤还包括，在使微元件(11 在包括至少一种第一 元素的气氛中经受第一热过程之前用基于至少一种第二元素的材料表面地处理多孔硅以便让材料穿透到多孔硅的至少 普遍部分的外层中而不穿透到其剩余的内层中，第一热过程将外层转变成基于至少一种第 一元素和至少一种第二元素的多孔陶瓷，并且将内层转变成基于至少一种第一元素的多孔 陶瓷。
8.根据权利要求1到7中的任一权利要求所述的方法，其中形成多孔硅层(10 的步 骤包括使硅衬底(10 经受具有适于调整多孔硅层(10 的孔隙度的条件的至少一个阳极过程。
9.根据权利要求8所述的方法，其中使硅衬底(10 经受至少一个阳极过程的步骤包括使硅衬底经受具有第一条件的第一阳极过程以便获得具有第一孔隙度的多孔硅层的 外面部分(10 ),以及使硅衬底经受具有第二条件的第二阳极过程以便获得具有比第一孔隙度高的第二孔 隙度的多孔硅层的内在部分(103i)。
10.根据权利要求1到9中的任一权利要求所述的方法，还包括以下步骤用致密的金属层(115p)覆盖每个导电微元件(115)，和/或用导电层(115p')覆盖 每个绝缘微元件(115')和硅衬底的剩余部分(106)的自由表面，该绝缘微元件从硅衬底 的剩余部分(106)突出。
11.根据权利要求1到10中的任一权利要求所述的方法，其中选择性地刻蚀多孔硅层 的步骤包括提供在主表面上堆叠的多个刻蚀掩模(209a-209e)，以及 重复以下步骤直到去除所有掩模 通过掩模刻蚀多孔硅层O03)的一部分直到刻蚀掉对应的 部分厚度，该对应的部分厚度低于多孔硅层的初始厚度，以及 去除叠层中的最外层的掩模。
12.一种用于制作磁电介质结构(300;300')的方法，该方法包括以下步骤通过执行根据权利要求1到11中的任一权利要求所述的方法的步骤来制作微结构 (100 ；100')，将电介质材料(318)施加到硅衬底的剩余部分(306)上以便包埋由多孔的磁性金属制 成的导电微元件(11 的至少部分，或者将磁性材料(318')施加到硅衬底的剩余部分上 以便让磁性材料的每个部分的至少部分被嵌入在绝缘微元件(115')之中，以及 去除硅衬底的剩余部分(306)。
13.一种用于制作互连结构(300;300')的方法，该方法包括以下步骤通过执行根据权利要求1到11中的任一权利要求所述的方法的步骤来制作微结构 (100 ；100')，将电介质材料(318)施加到硅衬底的剩余部分(306)上以便包埋导电微元件(115)，或 者将导电材料(318')施加到硅衬底的剩余部分上以便让导电材料的每个部分嵌入在绝 缘微元件(115')之中，由此获得分别穿过电介质材料或绝缘微元件的相应的通孔，每个 通孔露出前接触件和后接触件，以及 去除硅衬底的剩余部分(306)。
14.一种用于制作封装的电子装置GOO ;400' ；500 ；500' ；600)的方法，该方法包括 以下步骤通过执行根据权利要求13所述的方法的步骤来制作互连结构(300 ；300')， 在互连结构上安装至少一个包括集成电路的芯片GM ;似4' ；524；524' ；6 )，该芯 片具有一组内部端子，每一个内部端子被连接到通孔；515；518' ；615)中的对 应的第一通孔的前接触件，以及形成一组外部端子G30 ;430' ；530 ；530' ；630)，用于访问互连结构上的封装的电子 装置，每个外部端子被连接到对应的第一通孔的后接触件。3
15.一种用于制作封装到封装的电子装置(700)的方法，该方法包括以下步骤通过执行根据权利要求14所述的方法的步骤来制作多个封装的电子装置000; 400' ；500 ；500' ；600)，将封装的电子装置安装成叠层，其中不同于叠层中的最后一个封装的电子装置的每个 封装的电子装置具有一组第二通孔(71fe、715b、715c)，每一个第二通孔具有被连接到对应 的外部端子(730b、730c、730d)的或被连接到在叠层中先前的电子封装装置的对应的第二 通孔的后接触件的前接触件，并且第一电子封装装置包括用于访问其它封装的电子装置的 芯片的另外的外部端子(730a)，每一个另外的外部端子被连接到对应的第二通孔的后接触 件。
16.一种用于制作功率电子装置(800)的方法，该方法包括以下步骤通过执行根据权利要求1到11中的任一权利要求所述的方法的步骤来制作具有导电 微元件的微结构(100)，将至少一个功率组件(836)集成到硅衬底的剩余部分(806)中，导电微元件(815)限 定用于至少一个功率组件的热沉。
17.一种用于制作真空电子装置(900)的方法，该方法包括以下步骤通过执行根据权利要求1到11中的任一权利要求所述的方法的步骤来制作具有导电 微元件的微结构(100)，在硅衬底的剩余部分(906)上形成侧面保护元件(915p)，该侧面保护元件包围导电微 元件(915ο)，将第一保护元件(939)接合在侧面保护元件和与硅衬底的剩余部分相对的每个导电 微元件的第一自由端上，去除硅衬底的剩余部分，以及在基本上真空状态下将第二保护元件(94 接合在侧面保护元件和与其第一自由端 相对的每个导电微元件的另外的自由端上，该侧面保护元件、第一保护元件和第二保护元 件密封导电微元件。
18.一种用于制作微机械装置(1000)的方法，该方法包括以下步骤通过执行根据权利要求1到11中的任一权利要求所述的方法的步骤来制作起始微结 构(1000a)，重复包括以下的至少一次接合工艺通过执行根据权利要求1到11中的任一权利要求所述的方法的步骤来制作另外的微 结构(1000b)，将另外的微结构的导电或绝缘微元件(1015b)的至少部分与先前的微结构的导电或 绝缘微元件(1015a)的至少部分接合，该先前的微结构包括在接合工艺的第一重复处的起 始微结构(1000a)或者包括由接合工艺的先前的重复引起的复合的微结构(IOOOab)，以及 去除另外的微结构或先前的微结构的硅衬底的剩余部分(1006b)，以及 在接合工艺的最后的重复之后去除先前的微结构的硅衬底的剩余部分(1006a)。
全文摘要
提出了一种用于制作微结构(100)的方法。该方法从提供具有主表面的硅衬底(102)的步骤开始。然后形成从主表面延伸到硅衬底中的多孔硅层(103)。通过选择性地刻蚀多孔硅层以获得一组多孔硅的突出的微元件(112)而继续该方法；每个突出的微元件从硅衬底的剩余部分(106)突出，由此露出相应的外表面。然后处理突出的微元件以便获得一组相应的导电微元件(115)或绝缘微元件(115′)；通过将多孔硅的至少普遍的部分(从外表面延伸到相应的突出的元件中)分别转变成多孔金属或陶瓷来获得每个导电微元件或绝缘微元件。
文档编号H01L21/68GK102037560SQ200980117012
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月21日
发明者M·布鲁卡尼 申请人:Rise技术有限责任公司