一种液态合金快速填充垂直硅通孔的方法及装置与流程

本发明涉及微电子封装技术领域，特别涉及一种合金快速填充硅通孔的方法及装置。

背景技术：

摩尔定律自1965年以来一直指引着电子信息技术的发展方向，然而随着更小线宽技术的出现，人们意识到在单一芯片上集成更高密度的电路以及实现更多功能变得越来越困难，三维集成封装技术被认为是实现器件小型化多功能化的首选解决方案，而硅通孔(throughsiliconvia，tsv)技术是三维集成封装技术的核心，tsv技术可以实现堆叠芯片之间的垂直上下互连，这种结构可以起到信号导通和传热的作用，从而完成三维集成。

tsv的制作通常是由博世工艺在硅片上刻蚀出盲孔，之后在孔壁上沉积种子层以及阻挡层，其中通孔的填充是tsv制造工艺中最为关键且成本最高的一个环节，传统的填充方法一般使用电镀铜对tsv盲孔进行填充。tsv的孔径通常为几个微米到十几个微米，深度可达数十至数百微米。由于其高深宽比的结构，铜电镀过程一般需要数个小时到数十个小时，填充效率低下，且电解质和添加剂有毒，还会污染环境。

迫切需要一种新型填充方法来解决这一问题，目前大多数是改变电镀工艺参数来减少填充过程中缺陷的产生，但是耗时较长，生产成本高的问题依然没有得到解决。因此有必要开发一种更加快速，成本更加低廉的新型填充方法，提高生产效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种焊料合金快速填充tsv的方法与装置，其目的是为了提高tsv填充速度，提高生产效率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种液态合金快速填充tsv的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用光刻胶在硅片表面标记刻蚀区域，通过离子刻蚀形成盲孔；

(2)使用化学气相沉积在步骤(1)得到的硅片盲孔孔壁及硅片表面上沉积一层二氧化硅绝缘层，再通过物理气相沉积在孔壁的二氧化硅表面沉积一层钛阻挡层；之后在硅片表面的二氧化硅层表面化学电镀一层铜作为润湿层；

(3)将步骤(2)所得的硅片放入hno3溶液中清洗，取出酸洗过的硅片，再将硅片放在无水酒精中超声波清洗，去除表面污染物及杂质；

(4)将步骤(3)清洗后的硅片置于通风处晾干；

(5)将晾干后的硅片与填充所需合金块置于填充槽内，将填充槽置于填充装置中，此时填充装置真空出口，氮气入口阀门均处于关闭状态，密封反应室，打开真空出口以及氮气入口处阀门，打开真空泵，此时反应室以及氮气传输管道处于真空状态，关闭真空泵及阀门，反应室处于密封状态，确认反应室真空状态，此时打开加热装置将反应室温度加热至合金熔点以上，合金熔融后铺展在硅片表面，打开氮气入口处阀门，输入氮气后关闭氮气入口处的阀门，保持反应室内气体压力为0.2～0.5mpa用来克服表面张力，此时完成硅通孔tsv的填充，关闭加热装置，待温度冷却至室温后取出样品。

步骤(2)中的硅片为含有盲孔的硅片，硅片表面镀有铜，由于焊料合金与铜之间的润湿性，熔融合金能在硅片表面铺展开；

其孔壁上沉积有二氧化硅绝缘层以及钛阻挡层，并不包括铜种子层。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

(1)预处理酸洗以及超声波清洗可去除因长时间放置而tsv孔壁表面的氧化物以及杂质，使得填充更容易进行，不受杂质的影响，硅片表面镀有铜，提高了焊料合金与硅片之间的润湿性。

(2)在填充之前进行抽真空处理，避免了填充过程中挤压焊料合金对盲孔区域内空气的压缩，从而避免硅片的损坏，熔融合金在氮气压力下完成填充，实质上是个物理过程，填充过程快速，所需等待的时间即为升温至熔点，降温至室温的过程，填充过程1～2小时，填充过程简单，相比较于cu电镀消耗数小时甚至十几个小时，极大的提高了生产效率，降低了成本且不像cu电镀过程会污染环境。

(3)采用本填充方法的样品不需要在孔壁沉积铜种子层，进一步节约了成本。

(4)本填充方法在足够的压力下可以实现盲孔tsv的无孔洞填充。

附图说明

图1为本发明利用合金填充tsv的过程示意图；

图2为样品结构图；

图3为本发明的合金快速填充装置的结构示意图；

图4实施例2合金填充硅片后的电镜图

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题，技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实例进行详细描述。

一种液态合金快速填充tsv的方法，包括如下步骤：

1)预处理

使用光刻胶在硅片表面标记刻蚀区域，通过深反应离子刻蚀形成盲孔；之后使用化学气相沉积在硅片盲孔孔壁及硅片表面上沉积一层二氧化硅绝缘层，再通过物理气相沉积在孔壁二氧化硅表面沉积一层钛阻挡层。之后在硅片表面的二氧化硅层表面化学电镀一层铜作为润湿层；

2)填充合金

将清洗后的硅片晾干，将硅片与填充所需合金块置于填充槽内，将填充槽置于填充装置中，此时填充装置真空出口，氮气入口阀门均处于关闭状态，密封反应室，打开真空出口以及氮气入口处阀门，打开真空泵，此时反应室以及氮气传输管道处于真空状态，关闭真空泵及阀门，反应室处于密封状态，观察压力表读数，一段时间后读数没有变化，确认反应室真空状态，此时打开加热装置将反应室加热至合金熔点以上，由于焊料合金与硅片表面铜的润湿性，合金熔融后铺展在硅片表面，打开氮气入口处阀门，输入氮气后关闭氮气入口处的阀门，保持反应室内气体压力，此时完成硅通孔tsv的填充，关闭加热装置，待温度冷却至室温后取出样品。

优选地，步骤1)中硅片孔壁并未沉积铜种子层。

优选地，步骤1)中的硅片为含有盲孔的硅片，在填充样品前，硅片表面镀有一层铜。

优选地，步骤2)中预先抽真空处理可以避免在填充过程中盲孔内部气体产生的反作用力。

优选地，步骤2)中的密封反应室以及阀门，氮气传输管道耐压应满足氮气压力要求，一般为5mpa。

优选地，步骤2)中的压力表量程为-0.1mpa～4mpa。

优选地，步骤2)中的加热装置，量程在合金熔点以上。

本发明还提供一种快速填充装置，包括密封反应室，真空泵，氮气输入装置，真空出口控制阀门，氮气入口控制阀门，填充槽，加热装置，温度传感器。

实施例1

本发明提供的合金填充tsv的快速填充装置，如图3所示，密封反应室，真空泵，氮气输入装置，真空出口控制阀门，氮气入口控制阀门，填充槽，加热装置，温度传感器。

实施例2

本实施例提供的tsv快速填充方法，包括如下步骤：

第一步：本实例选取的样品直径为10μm，深度为100μm，深宽比为10的表面镀铜的tsv盲孔硅片，将硅片利用激光切成成5mm*5mm的小片，将切下来的小片放到20％hno3溶液中浸泡20s，然后用镊子取出，放到盛有无水乙醇的烧杯中，利用超声波清洗仪清洗10min。

第二步：将sn3.0ag0.5cu焊料合金用砂纸打磨后去除表面氧化膜，然后放入盛有无水乙醇的烧杯中超声波清洗去除表面杂质后晾干

第三步：将盛有焊料合金及样品的样品槽放置于填充装置的反应室内，密封反应室，此时真空出口及氮气入口处阀门均处于关闭状态。

第四步：抽真空及检查气密性，打开真空出口处阀门，打开真空泵开关，观察压力表读数，关闭真空泵及真空出口处阀门，一段时间后再次观察压力表读数，若读数无变化则气密性良好。

第五步：熔化焊料合金：通过加热装置将反应室温度加热到焊料合金熔点以上，本实例焊料合金熔点为217℃，故加热温度为250℃。

第六步：施加氮气压力：步骤五中的焊料合金此时处于熔融状态，打开氮气入口处阀门，施加0.5mpa的氮气压力后关闭阀门，此时压力表读数为0.5mpa。

第七步：凝固焊料合金：关闭加热装置，待反应室温度空冷至室温，打开反应室，取出tsv样品。