一种结合微电子机械和铸造的金属沉积方法与流程

本发明属于半导体或者微电子制造领域，尤其涉及一种结合微电子机械和铸造的金属沉积方法。

背景技术：

厚金属层的目前没有严格的定义，一般厚度在1um以下，可以用蒸发或者溅射，在几个微米至几十甚至上百微米时，需要使用电镀。

厚金属层在微电子器件中有着广泛的应用，在先进封装领域，例如芯片倒装焊中，使用的凸点bumping，或者在过孔互连使用的tsv(through-siliconvia)和tgv(throughglassvia)，在集成无源器件中使用滤波器结构，延时器等均为厚金属结构，在mems器件领域，螺线型电感等结构。

目前厚金属的沉积主要依靠电镀实现。电镀填充可以分成四步，第一步是种子层沉积，一般采用溅射或者蒸发的方式，种子层厚度一般小于1微米。第二步是在电镀液中通过加场的方式进行电镀沉积。电镀过程是一个非常复杂的电化学过程，电镀的均匀性和成品率与电场分布，电解液的配比以及电解液中抑制剂，加速剂等的浓度有关。在填充完成后，如果是过孔互连的填充，因为种子层在孔中和表面都有，所以电镀时孔和表面都会有金属电镀沉积，表面的金属电镀需要通过第三步化学机械研磨(cmp)的方式去除。第四步是去种子层。在电镀的表面有些区域因为不需要电镀，所以在电镀前会用胶或者其他不导电材料进行覆盖。在电镀完成后，覆盖以及覆盖下面的种子层也需要去除。

电镀存在着下述缺陷：

1.电镀填充工艺过程复杂，因为电镀需要在导电表面实现，因此对于硅片，玻璃片等材料需要预先沉积种子层，并且填充完成后还需要去种子层；

2.电镀使用的电镀液有很强的毒害性，容易染污环境，随着环保意识的兴起，现在政府对电镀生产管制越来越严；

3.电镀的填充速度并不快，特别是用于过孔填充，通常需要几个甚至数十个小时。

除电镀外，化学镀也是一个厚金属沉积的方法。但是化学镀精度难控制，对材料也有较高的选择性。

人类使用铸造有着数千年的历史，金属铸造是一种广泛使用的金属制造方式，人类使用铸造的历史有5000多年。铸造的基本原理是将金属或者合金熔化后注入预制模具中，待固化后脱模取出成型铸件。mems技术能与铸造的结合，缘自它们一个共通点：两者都是机械部件制造技术，区别在于尺度上存在几个数量级。相对于其他机械加工方法，例如车，洗，抛等，铸造的长处在于可成型复杂结构的机械部件。而mems技术是近几十年从微电子技术中发展出来的一项微加工技术。通过在硅片或者其它基板上制造出微米尺度的机械部件，来实现传感，能量采集，执行等功能。mems与铸造结合的基本概念是通过体硅刻蚀工艺在硅片(或者其它材料基板)上制造出需要成型的微模具，然后将金属熔化注入填充并固化成型。

将新兴的mems技术与有数千年历史的铸造技术结合给微电子领域创造了一项全新的金属沉积方法，但是这个结合面临巨大的技术挑战。首先，对于宏观的铸件，存在的问题是铸件内部容易产生气泡或者空洞，这些气泡或者空洞的尺寸可以达到毫米级别，已经远超mems结构的尺寸。其次，铸造通常用于机械部件而不是电子元件的制造，mems铸件在电性能方面能否满足器件的要求也需要研究。最后，mems与铸造的结合，不仅仅是将宏观的模具换成体硅刻蚀的硅微模具这么简单，因为铸件尺寸缩小几个数量级带来的表面效应和温度效应等，在硅微模具的制造，合模，熔融合金的微流控填充，固化过程中的体积收缩问题以及脱模等方面均无法采用宏观铸造的解决方法。只有引入相关的微纳效应，才能真正意义上实现mems和铸造的结合。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种结合微电子机械和铸造的金属沉积方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种结合微电子机械和铸造的金属沉积方法，包括：

s1，提供硅微模具，所述硅微模具上设置有孔槽结构；

s2，把需要填充的所述硅微模具夹在上盖板和下盖板之间，组成一个三明治结构，所述下盖板上的喷嘴孔与所述孔槽结构垂直对应；

s3，往所述孔槽结构内填充高温融化的液态金属；

s4，将所述孔槽结构和所述喷嘴孔的液态金属切割分离；

s5，快速冷却均匀固化所述孔槽结构内的液态金属；

s6，将所述上盖板和所述下盖板与所述硅微模具分离。

较佳的，在步骤s6之后还包括：

s7，对所述硅微模具进行化学机械研磨。

较佳的，步骤s2中，所述下盖板和/或所述上盖板与所述硅微模具之间留有通气间隙。

较佳的，所述下盖板和/或所述上盖板表面上设有形成所述通气间隙的凸点或条形槽。

较佳的，步骤s3中，将整个三明治结构放置在熔融状态的液态金属池表面。

较佳的，假设所述喷嘴孔、所述孔槽结构及通气间隙内连通空间的气压为pi，金属池表面的压力为p0，压力差δp＝p0-pi，则：步骤s3中，通过增大压力差δp使得液态金属通过所述喷嘴孔填充入所述孔槽结构中。

较佳的，步骤s4中，通过减小压力差δp来切割所述喷嘴孔中的液态金属。

较佳的，步骤s3中，对所述孔槽结构抽真空，液态金属在外部气压作用下从所述喷嘴孔中填充进入处于真空环境的所述孔槽结构内。

较佳的，步骤s5中，对暴露在外面的所述上盖板吹冷气。

较佳的，步骤s6中，针对低温合金时，在上盖板和下盖板的表面沉积能减少其表面能的纳米分子层材料；针对高温合金时，在上盖板和下盖板表面沉积一层脱模材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现了微电子机械和铸造的结合，给厚金属沉积提供了一种全新的金属层积方法，利用毛细现象和液桥夹断现象通过喷嘴孔实现液态金属在孔槽结构的填充，该技术避免了常用的电镀填充方法所需要的种子层沉积以及化学机械研磨等工艺，通过快速冷却来提高固化过程中的形核数，达到均匀固化的效果。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明的微电子机械和铸造相结合的厚金属沉积工艺流程图；

图2为本发明一实施例的填充方法结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

请综合参考图1和图2，一种结合微电子机械和铸造的金属沉积方法，包括以下步骤：

s1，提供硅微模具1，硅微模具1上设置有孔槽结构5；

硅微模具1采用硅体加工工艺，主要有两种：深硅刻蚀和koh刻蚀。其中深硅刻蚀可以实现较高的深宽比。一般通过光刻来确定图形，精度可以控制在1微米以内。

与宏观铸造相比，本发明除了把模具换成硅微模具1外，还将硅微模具1变成扁平状。该厚金属沉积方法可以将传统铸造的尺寸缩小到数微米。

孔槽结构5的类型包括通孔、盲孔和腔体结构。图1中的孔槽结构5是由多个连通在一起的通孔构成，图2中的孔槽结构5由单一通孔构成。

优选的，孔槽结构5阵列式地布置在硅微模具上。

s2，把需要填充的硅微模具1夹在上盖板2和下盖板3之间，组成一个三明治结构，下盖板3上的喷嘴孔4与孔槽结构5垂直对应；

如图2所示，下盖板3上设置多个喷嘴孔4，多个喷嘴孔4与多个孔槽结构5一一垂直对应；更进一步地，如图1所示，下盖板3上设置一个喷嘴孔4，通过孔槽结构5的入口处，金属液体流入各个相互连通的贯穿硅微模具1的通孔内。

在下盖板3和/或上盖板2与硅微模具1之间留有通气间隙7。由于通气间隙7足够小，液态金属不会从间隙中溢出。

可选的，下盖板3和/或上盖板2表面上设有形成通气间隙7的凸点8或条形槽。

可选的，上盖板2和下盖板3均可以是硅片或者玻璃片。

s3，往孔槽结构5内填充高温融化的液态金属；

高温熔化的金属在微米尺度的微槽中流动填充虽然类似于微流控，但是因为合金的表面张力，粘滞系数，以及与硅微模具1的浸润性等因素，相较于传统微流控中的水溶液不一样，所以产生了特殊的流动填充机理。

在一个实施例中，将整个三明治结构放置在熔融状态的液态金属池6表面，使液态金属压入孔槽结构5。该填充方式具有速度快、成本低的优势，因此非常实用。

假设喷嘴孔4、孔槽结构5及通气间隙7内连通空间的气压为pi，金属池6表面的压力为p0，则压力差δp＝p0-pi。其中，液态金属对于喷嘴孔4和孔槽结构5的表面都是不浸润的。该步骤中，通过增大压力差δp使得液态金属通过喷嘴孔4填充入孔槽结构5中。δp的增大可以通过减小pi获得。若当pi降到真空为零时，δp还不足以克服喷嘴孔4的毛细压力时，则可以考虑加大p0的值。

在另一个实施例中，对孔槽结构5抽真空，液态金属在外部气压作用下从喷嘴孔4中填充进入处于真空环境的孔槽结构5内。由于液态金属在填充孔槽结构5时会产生填充压力，此时需要在上盖板2和下盖板3上施加一定的压力夹紧硅微模具1。

s4，将孔槽结构5和喷嘴孔4的液态金属切割分离；

液态金属通过喷嘴孔4填满孔槽结构5后，孔槽结构5中的液态金属与金属池6是通过喷嘴孔4相连的。液态金属会在喷嘴孔4中形成一个液桥。液桥是需要一定的压力来维持的，当液桥的压力低于其断裂压力时，液桥会因表面张力夹断。

在一个实施例中，通过减小压力差δp来切割喷嘴孔4中的液态金属，而δp的减小可以通过增大pi和/或减小p0获得。步骤s3和步骤s4中孔槽结构5填充液态金属以及液态金属在喷嘴孔4的切割分离(液桥夹断)是基于微米尺度上巨大的表面张力来实现的。

在另一个实施例中，由于孔槽结构5处于真空环境下，此时可以通过减小液态金属的填充压力实现液桥夹断的效果，即将孔槽结构5和喷嘴孔4内的液态金属进行切割分离。

s5，均匀固化孔槽结构5内的液态金属；

绝大部分金属在从液相到固相的固化过程中，体积会经历一个收缩，收缩量约在2％～7％之间。在宏观铸造中，体积收缩的问题是靠补偿的方式来实现的。即通过控制铸件从下往上冷却，在顶部冒口处的金属最后融化，这样在冷却过程中可以一直补偿其下方的合金固化收缩。但是在本实施例中，因为晶圆的扁平结构加上硅材料本身的高热导性，补偿需要的温度梯度无法实现。

该步骤中，优选通过快速冷却的方式来提高固化过程中的形核数，以达到均匀固化的目的。具体地，可以是将上盖板2暴露在外面，并对上盖板2吹冷气进行快速冷却，冷气可以是液化的低温氮气，在此不做限制。

s6，将上盖板2和下盖板3与硅微模具1分离；

因为合金是融化后进行填充的，固化后容易出现上盖板2和下盖板3被合金粘住无法分离的情况。针对低温合金，本实施例优选通过在盖板的表面沉积特种纳米分子层材料以减少其表面能，从而实现轻松的分片。针对高温合金，因为纳米分子层在高温下会分解，本实施例优选用物理或者化学沉积的方式在上盖板2和下盖板3表面沉积一层脱模材料，以辅助脱模。

s7，对硅微模具1进行化学机械研磨。

步骤s7不是必须步骤。根据实际情况，脱模后可能需要进行化学机械研磨(cmp)来平整化，或者在铸件表面进行薄层电镀的方式来达到某些具体应用要求。

本发明提供的厚金属沉积方法可以应用于以下三个微电子领域：1)半导体先进封装的硅过孔互连tsv/玻璃过孔互连tgv；2)mems器件，例如mems磁通门，电磁式能量采集器等；3)三维堆叠微波组件及集成无源器件ipd。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。