本发明属于三维高密度封装互连技术领域，涉及一种硅转接板结构及其圆片级制作方法。
背景技术：
随着轻量化、薄型化、小型化、i/o端数的增加以及功能多样化的发展，传统的二维集成技术已不能满足高密度的要求，信号失真、延迟等问题日趋严重，系统集成设计师开始越来越多转向三维集成(3dintegration)、系统级集成技术。
硅是圆片级、三维集成中较为理想的衬底材料，具有良好的机械性能和热学性能，是重要的半导体材料。硅材料的加工工艺成熟，可进行各种微机械加工，可很容易通过多种方式加工出背槽结构和穿硅通孔。因此，硅转接板，就是利用硅通孔结构实现芯片间电信号的垂直互连，缩短了电信号的传输路径，并可通过淀积多层薄膜和基板堆叠的方式来提高系统集成度。
但是，普通硅材料的电阻率较低，在射频电路中应用时会在衬底内产生涡流，引起损耗，采用高阻硅材料可以改善损耗但成本相对较高。因此，工程运用上往往需要对硅晶圆厚度进行减薄，一般厚度减薄至200μm以下。对于这种超薄晶圆的拿持、后续工艺处理，尤其是6寸以上大面积晶圆，就需要进行临时键合与解键合工艺。首先在减薄晶圆的底部通过有机物胶与载片晶圆进行加热加压的临时性粘合，然后完成晶圆的减薄以及减薄晶圆表面的再布线工艺等，最后还需进行减薄晶圆与载片的分离，往往通过加热滑移分离的机械解键合或者激光解键合。临时键合和解键合工艺，需要比较昂贵的设备，同时增加了工艺步骤，另外有机物胶可能造成残留，污染晶圆背部。
技术实现要素：
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无需临时键合与解键合工艺的超薄硅转接板的制作方法，用于解决现有技术中设备成本高昂、工艺步骤多、胶体残留污染的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无需临时键合的超薄硅转接板的制作方法，具体包括如下步骤：
步骤1：准备一厚度为d的硅片晶圆；
步骤2：利用湿氧氧化工艺在所述步骤1制得的硅片晶圆的正反两面各沉积一层二氧化硅掩模，所述二氧化硅掩模的厚度为1μm；在所述硅片晶圆的正反两面的二氧化硅掩模上旋涂一层第一光刻胶掩模；根据所需的图案对所述硅片晶圆正面的第一光刻胶掩模进行光刻，形成光刻区域，所述光刻区域图案的宽度为w1；利用二氧化硅腐蚀液去除所述光刻区域覆盖的二氧化硅掩模，形成图案化的二氧化硅掩模；清除所述硅片晶圆正反两面残余的第一光刻胶掩模；
步骤3：利用湿法腐蚀硅工艺在所述步骤2制得的硅片晶圆的正面形成一硅腔；所述硅腔的截面呈倒梯形，所述硅腔的顶部开口宽度为w1，硅腔底面的宽度为w2；所述硅腔底面下方剩余的硅片晶圆形成厚度为d的转接板功能区域，未经湿法腐蚀硅工艺区域的硅片晶圆厚度仍为d；其中，厚度d的范围在50-200μm之间；宽度w1大于宽度w2，厚度d小于厚度d；
步骤4：采用皮秒激光加工工艺在所述硅腔底面形成倒梯形的硅通孔；
步骤5：利用等离子体增强的化学气相沉积技术在所述硅通孔的侧壁表面形成二氧化硅阻挡层；
步骤6：利用磁控溅射的物理沉积技术在所述二氧化硅阻挡层的表面形成正面金属层；步骤7：采用喷胶技术在所述硅片晶圆的正面，所述硅腔底面和硅腔侧壁的正面金属层表面喷涂所需图案的光刻胶；利用激光直写光刻技术对所述硅腔底面的光刻胶进行光刻，形成图案化的第二光刻胶掩模；
步骤8：采用电镀的方法对所述第二光刻胶掩模进行金属图形的加厚，在所述硅腔底面形成正面再布线层；
步骤9：利用去胶溶液去除所述第二光刻胶掩模，并利用干法刻蚀技术去除所述正面金属层；
步骤10：在所述硅片晶圆的背面，利用磁控溅射的物理沉积技术形成背面金属层；
步骤11：在所述硅片晶圆的背面，利用喷胶和对准光刻技术形成所需图案的背面光刻胶掩模；
步骤12：利用电镀的方法对所述背面光刻胶掩模进行金属图形的加厚，形成背面再布线层；
步骤13：利用去胶溶液去除所述背面光刻胶掩模，利用干法刻蚀技术去除所述背面金属层；
步骤14：在所述硅片晶圆的背面，利用晶圆植球技术形成转接板微球；
步骤15：保留所述硅腔底面所在区域的硅片晶圆，去除周边区域的硅片晶圆，制得超薄硅转接板。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1.与现有的基于临时键合与解键合制作的超薄硅通孔转接板相比，本发明具有低成本、高可靠性的优势，无需临时键合和解键合技术必须的昂贵设备。
2.本发明的超薄硅转接板形成在普通硅片的硅腔内，拿持及后续再布线层工艺、芯片贴装均可像普通硅晶圆一样进行操作，免去临时键合和解键合昂贵而繁杂的工艺步骤。
3.本发明基于湿法腐蚀制作的硅腔底部平面具有光滑的表面，无须进行表面研磨抛光工艺步骤，结合喷胶和激光直写光刻工艺可以完成再布线层的制作，大大降低了工艺成本。4.本发明基于激光加工制作的硅通孔具有倾斜侧壁，有利于在硅通孔侧壁表面形成高质量的通孔阻挡层，并有利于在通孔内形成覆盖完整、连续的通孔侧壁金属层。
5.划切的超薄硅转接板，尺寸面积较小，可以直接拿持进行后续的堆叠键合操作，实现更高密度、小体积的系统集成；本发明的超薄硅转接板结构的晶圆级制作方法还具有工艺难度低、适合于工业化生产的优点。
附图说明
图1为本发明的超薄硅转接板制作方法中步骤1的硅片晶圆的示意图。
图2为步骤2中制作二氧化硅掩模和第一光刻胶掩模的示意图。
图3为步骤3中制作硅腔的示意图。
图4为步骤4中制作硅通孔的示意图。
图5为步骤5中制作二氧化硅阻挡层的示意图。
图6为步骤6中制作正面金属层的示意图。
图7为步骤7中制作第二光刻胶掩模的示意图。
图8为步骤8中制作正面再布线层的示意图。
图9为步骤9中去除第二光刻胶掩模和正面金属层的示意图。
图10为步骤10中制作背面金属层的示意图。
图11为步骤11中制作背面光刻胶掩模的示意图。
图12为步骤12中制作背面再布线层的示意图。
图13为步骤13中去除背面光刻胶掩模和背面金属层的示意图。
图14为步骤14中形成转接板微球的结构示意图。
图15为划切前划片街区硅片晶圆的俯视示意图。
图16为制得的超薄硅转接板的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：
硅片晶圆1，二氧化硅掩模2，第一光刻胶掩模3，硅腔4，硅腔侧壁5，硅腔底面6，硅通孔7，二氧化硅阻挡层8，正面金属层9，第二光刻胶掩模10，正面再布线层11，背面金属层12，背面光刻胶掩模13，背面再布线层14，转接板微球15，划片街区16，超薄硅转接板17，芯片18。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种无需临时键合的超薄硅转接板的制作方法，适用于制作超薄硅转接板，制得的超薄硅转接板的厚度范围在50-200μm之间，面积25mm×25mm，布线线宽1μm以上，具有孔径30μm以上的硅通孔，所述硅通孔只作侧壁金属化、无实心孔特征。
作为具体的实施例，在本实施例中，以制作厚度150μm，面积25mm×25mm，布线线宽20μm，硅通孔孔径60μm的超薄硅转接板为实例进行说明。
在本实施例中，超薄硅转接板硅片布置芯片线路的一面称为正面，与芯片线路相背的另一面称为反面。
超薄硅转接板的制作方法具体包括如下步骤：
如图1所示，步骤1：准备一厚度为d的硅片晶圆1。
具体的，取一晶向为100的矩形硅片晶圆1，对所述硅片晶圆1进行双面抛光，抛光后的硅片晶圆1厚度为d。抛光前的硅片晶圆1作为最佳的技术方案，厚度d可选定为380μm。抛光后的硅片晶圆1可进行进行标准清洗、烘干。
硅片晶圆1的尺寸可以根据需要制作的超薄硅转接板的面积和数量进行选择。在本实施例中，硅片晶圆1选用4英寸晶圆，可以采用划片设计，在一块硅片晶圆1上制作多块超薄硅转接板，本实施例需要制作面积25mm×25mm的超薄硅转接板，因此，以在硅片晶圆1上同时制作3×3即9块超薄硅转接板为例进行说明。
如图2所示，步骤2：利用湿氧氧化工艺在所述步骤1制得的硅片晶圆1的正反两面各沉积一层二氧化硅掩模2，所述二氧化硅掩模2的厚度为1μm。在所述硅片晶圆1的正反两面的二氧化硅掩模2上旋涂一层第一光刻胶掩模3；根据所需的图案对所述硅片晶圆1正面的第一光刻胶掩模3进行光刻，形成光刻区域，所述光刻区域图案的宽度为w1。利用二氧化硅腐蚀液去除所述光刻区域覆盖的二氧化硅掩模2，形成图案化的二氧化硅掩模2；再清除所述硅片晶圆1正反两面残余的第一光刻胶掩模3。
其中，所述硅片晶圆1背面的第一光刻胶掩模3能够对背面的二氧化硅掩模2进行保护，防止二氧化硅腐蚀液对硅片晶圆1背面的二氧化硅掩模2进行腐蚀。
具体的，在本实施例中，光刻区域图案宽度w1和长度均为25.325mm，略大于超薄硅转接板的尺寸。
作为较佳的实施方式，本实施例中的二氧化硅腐蚀液可选用6:1boe腐蚀液(49％hf水溶液和40％nh4f水溶液的混合液)。
如图3所示，步骤3：利用湿法腐蚀硅工艺在所述步骤2制得的硅片晶圆1的正面形成一硅腔4；所述硅腔4的截面呈倒梯形，所述硅腔4的顶部开口宽度为w1，硅腔底面6的宽度为w2；所述硅腔底面6下方剩余的硅片晶圆1形成厚度为d的转接板功能区域，未经湿法腐蚀硅工艺区域的硅片晶圆1厚度仍为d；其中，厚度d的范围在50-200μm之间；宽度w1大于宽度w2，厚度d小于厚度d。形成硅腔4时采用所述湿法腐蚀硅工艺沿着晶向推进，制得的硅腔侧壁5和硅腔底面6均为光滑表面。所述硅腔底面6为矩形，硅腔底面6宽度为w2，硅腔4腐蚀深度为d-d；其中，宽度w2满足：
在本实施例中，宽度w2为25mm，即硅腔底面6的尺寸形状与超薄硅转接板一致；厚度d为150μm，与超薄硅转接板的厚度一致。具体的，本步骤中的湿法腐蚀硅工艺采用重量比为40％的koh腐蚀液，得到的硅腔4深度为130μm。
如图4所示，步骤4：采用皮秒激光加工工艺在所述硅腔底面6形成倒梯形的硅通孔7。所述硅通孔7的截面形状为倒梯形，所述硅通孔7的侧面与所述硅通孔7顶部开口所在平面的夹角为85度。皮秒激光加工的工艺条件具体为：激光波长532nm，脉冲宽度≤10ps，激光平均功率30w，频率100-200khz。
如图5所示，步骤5：利用等离子体增强的化学气相沉积技术在所述硅通孔7的侧壁表面形成二氧化硅阻挡层8。同时，在所述硅片晶圆1的正面，所述硅腔底面6和硅腔侧壁5的表面形成二氧化硅阻挡层8，作为硅晶圆正面布线时的绝缘钝化层。其中，二氧化硅阻挡层8的厚度优选为500nm，优选的热氧化工艺条件为湿氧，工艺温度为1050度，工艺时间30分钟。
如图6所示，步骤6：利用磁控溅射的物理沉积技术在所述二氧化硅阻挡层8的表面形成正面金属层9。正面金属层9的具体布置位置包括：所述硅片晶圆1的正面，所述硅腔底面6和硅腔侧壁5，以及所述硅通孔7的侧壁表面的二氧化硅阻挡层8的表面，作为后续步骤8的电镀种子层。优选的金属层包括tiw层及形成其上的cu层，厚度优选分别为50nm和300nm。
如图7所示，步骤7：采用喷胶技术在所述硅片晶圆1的正面，所述硅腔底面6和硅腔侧壁5的正面金属层9表面喷涂所需图案的光刻胶；利用激光直写光刻技术对所述硅腔底面6的光刻胶进行光刻，形成图案化的第二光刻胶掩模10。
作为优选方案，可采用氮气环保护超声波加强的喷胶方式进行多次喷胶，直至形成一层厚度均匀的光刻胶。在实际应用中，喷胶系统可选用evg101，采用氮气环保护超声波加强的喷胶方式对具有一定深度的硅腔底部进行多次喷胶，喷胶使用的光刻胶特定稀释为的az4620(az4620:mek:pgmea＝1:8:2)，喷胶厚度为7μm；激光直写光刻系统为国产atd1800。
如图8所示，步骤8：采用电镀的方法对所述第二光刻胶掩模10进行金属图形的加厚，在所述硅腔底面6形成正面再布线层11；同时，对所述硅通孔7的侧壁处的正面金属层9进行加厚。本步骤中加厚的金属可选用cu，厚度优选为5μm。
如图9所示，步骤9：利用丙酮或相应的az正型光刻胶剥离液azremover100/200等去胶溶液去除所述第二光刻胶掩模10，并利用离子束干法刻蚀技术(工艺条件：ar+离子刻蚀，刻蚀功率200w，离子束流270ma)去除所述正面金属层9。
如图10所示，步骤10：在所述硅片晶圆1的背面，利用磁控溅射的物理沉积技术形成背面金属层12。优选的金属层包括tiw层及形成其上的cu层，厚度优选为50nm和300nm。
如图11所示，步骤11：在所述硅片晶圆1的背面，利用喷胶和对准光刻技术形成所需图案的背面光刻胶掩模13。优选的，喷胶系统为evg101，激光直写光刻系统为国产atd1800，喷胶使用的光刻胶为特定稀释的az4620(az4620:mek:pgmea＝1:8:2)，喷胶厚度为7μm。
如图12所示，步骤12：利用电镀的方法对所述背面光刻胶掩模13进行金属图形的加厚，同时，对所述硅通孔7的侧壁处的背面金属层12进行加厚，形成背面再布线层14。其中，电镀cu厚度优选为5μm。
如图13所示，步骤13：利用丙酮或相应的az正型光刻胶剥离液azremover100/200等去胶溶液去除所述背面光刻胶掩模13，利用离子束干法刻蚀技术(工艺条件：ar+离子刻蚀，刻蚀功率200w，离子束流270ma)去除所述背面金属层12。
如图14所示，步骤14：在所述硅片晶圆1的背面，利用晶圆植球技术形成转接板微球15。本步骤的晶圆植球工艺具体可利用100-500μm的钎料微球(例如锡银铜305系列微球，直径100μm)完成硅转接板微球15的置球。
如图15所示，步骤15：保留所述硅腔底面6所在区域的硅片晶圆1，去除周边区域的硅片晶圆1，制得超薄硅转接板17。具体的，通过划片工艺，将9块超薄硅转接板17分离出来。制得的超薄硅转接板17即可分别完成芯片18的贴装，如图16所示。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：对步骤3和步骤10的工艺方法进行了调整，其他步骤均与实施例1相同。相对于实施例1，本实施例更适用于制作厚度小于100μm的超薄硅转接板。
作为具体的实施例，在本实施例中，以制作厚度50μm，面积25mm×25mm，布线线宽20μm，硅通孔孔径60μm的超薄硅转接板为实例进行说明。
本实施例的步骤3中制得深度为180μm的硅腔4，即获得的转接板功能区域的厚度d为100μm。
本实施例的步骤10具体包括：
在所述的硅片晶圆1的正面，进行喷胶形成光刻胶保护层；在所述的硅片晶圆1的背面，去除表面的二氧化硅层，并利用电感耦合等离子体深硅刻蚀设备对硅片晶圆1的背面进行减薄，使得硅腔底面6下方剩余的硅片晶圆1厚度为50μm，形成厚度为50μm的转接板功能区域，而未腐蚀的硅片区域厚度为330μm。并在减薄后的硅片晶圆1背面通过低气压的化学气相沉积(lpcvd)一层二氧化硅(厚度：200nm)。再去除硅片晶圆1正面的光刻胶保护层；在所述的硅晶圆背面，利用磁控溅射的物理沉积技术形成背面金属层12，见图10。
结合上述内容可知，对于所需的超薄转接板厚度在100μm以下(不含100μm)，其厚度实现可以分两步进行。首先在步骤3，通过湿法腐蚀工艺，初步得到硅腔底面6下方的硅晶圆厚度(本实施例中厚度为100μm)；完成相关的硅晶圆正面工艺后，在步骤10中通过硅晶圆背面减薄方法，得到最终所需的超薄转接板厚度(在本实施例中，厚度为50μm)。本实施例采用分步减薄的实施方式，相对于实施例1能够进一步提高制作超薄转接板的可靠性。
综上所述，本发明的无需临时键合与解键合的超薄硅转接板的制作方法，具有以下有益效果：与主流的基于临时键合与解键合制作的超薄硅通孔转接板相比，本发明具有低成本、高可靠性的优势；本发明的超薄硅转接板形成在普通硅片的硅腔内，拿持及后续再布线层工艺、芯片贴装均可像普通硅晶圆一样进行操作，免去临时键合和解键合昂贵而繁杂的工艺步骤；本发明基于湿法腐蚀制作的硅腔具有光滑的表面，无须进行表面研磨抛光工艺步骤，结合喷胶和激光直写光刻可以完成再布线层的制作，大大降低了工艺成本；本发明基于激光加工制作的硅通孔具有倾斜侧壁，有利于在硅通孔侧壁表面形成高质量的通孔阻挡层，并有利于在通孔内形成覆盖完整、连续的通孔侧壁金属层；划切的超薄硅转接板，尺寸面积较小，可以直接拿持进行后续的堆叠键合操作，实现更高密度、小体积的系统集成；本发明的超薄硅转接板结构的晶圆级制作方法还具有工艺难度低、适合于工业化生产的优点。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。