用于密封衬底中的过孔的方法

专利名称：用于密封衬底中的过孔的方法
用于密封衬底中的过孔的方法
技术领
本发明一般涉及衬底的制造处理，更具体地，涉及用于密封衬底中的 一个或多个过孔的方法。
背景技术：
包括一个或多个部件的电子电路可以被设置在大体平坦的衬底上。衬 底提供用于电子电路的支撑结构，并且可以包括用于使电流从一个部件流 向另一个部件的一个或多个的导电路径。具有孔的过孔也可以形成在这些 衬底中，以提供衬底的上表面到下表面的电连接。过孔也可以提供衬底到 载体的结构连接，该载体例如是散热器或其它具有用于安装衬底的表面的 装置。

发明内容
根据本发明的一个实施例，用于密封一个或多个过孔的方法包括提 供具有过孔的第一衬底，在过孔的内表面上形成粘着层，将焊料层夹在第 一衬底和第二衬底之间，并且将第一衬底、第二衬底和焊料层升高到高于 焊料层的共晶点并低于其熔点的温度。将焊料层的温度升高到高于焊料层 的共晶点并低于其熔点的动作使焊料层以大体一致的方式流入过孔中。
根据本发明的另一个实施例， 一种用于密封过孔的方法包括以下动 作提供具有过孔的第一衬底，在过孔的内表面上形成粘着层，将焊料层 夹在第一衬底和第二衬底之间。然后将第一衬底、第二衬底和焊料层升高 到一定的温度和压力，该压力可操作地促使第一衬底靠近第二衬底以使焊 料层以大体一致的方式流入过孔中。
本发明的一些实施例可以提供许多技术优点。 一个实施例的技术优点 可以包括使用相对便宜的制造处理将如散热器或接地层的第二衬底附加到第一衬底的下表面。本发明的某些实施例还可以提供一种用于密封过孔 的方法，其减轻了对相对较贵的传统过孔密封系统的需要。本发明的一个 实施例提供了一种过孔密封方法，其可以使用传统可利用的焊料材料，并 可以通过如压热器的容易获得的设备来处理。压热器是适于提供具有升高 的压力和升高的温度的周围环境这样类型的设备。可以利用压热器以成本 有效的方式提供升高的压力和温度用于密封衬底中的过孔。
示出的另一个优点是采用根据本发明的方法可以使多个衬底粘接起 来。在一个实施例中，可以多次施行该方法，从而以堆叠的方式将多个衬 底粘结在彼此的顶部上。在另一个实施例中，在焊料层夹在每对相邻的衬 底之间的情况下，可以通过将多个衬底堆叠在彼此的顶部上来将多个衬底 同时粘接在一起。
尽管上述公开了具体的优点，然而应该理解，各种实施例可能包括所 公开的优点的全部、部分，或不包括所公开的优点。此外，参照附图及其 相关的详细描述，没有被具体指明的其它技术优点对于本领域相关技术人 员可以变得明显。


从参照附图进行详细的描述中，对本发明实施例的更全面的理解将变 得明显，其中
图la至ld是半导体结构的侧面截面图，示出了为实现根据本发明的 一个实施例而被执行的系列动作的结果；
图2是图1的半导体结构的可选实施例的侧面图3a至图3c是示出在参照图ld升高温度的动作之后过孔内的焊料的 不同充填程度的侧面截面图4是微机电系统示(MEMS)电路的部分透视截面图，示出了可以 如上述参照图la至ld被充填的过孔；
图5a和5b是可选实施例的侧面截面图，示出了形成为图案的焊料层 可以被用于充填过孔并将第二衬底粘接到第一衬底的系列动作的结果；
图6a和6b是另一个可选实施例的侧面截面图，示出了形成为图案的焊料层可以被用于充填过孔并将第二衬底从第一衬底释放的系列动作的结
果；
图7a至7c半导体衬底的侧面截面图，示出了可以被执行以在半导体 衬底上形成凸缘的系列动作的结果；以及
图8a和8b分别是半导体衬底的可选实施例的平面视图和侧面视图， 其中，半导体衬底具有可以如上述参照图la至ld被充填的不同尺寸的过 孔。
具体实施例方式
在以下的描述中，参照示出本发明几个实施例的附图。应理解，在不 背离本发明的精神和范围的情况下，可以实现其它的实施例，并进行结构 上和操作上的改变。
图la至图ld是在制造半导体器件的不同阶段期间所示的截面图，示 出了可以被执行以密封过孔12的动作顺序的一个实施例。用于密封过孔 12的方法一般包括几步，其结果在图la至图ld所示。如图la所示，提 供了具有一个或多个过孔12的衬底11。然后，如图lb所示，在每个过孔 12的内表面16上形成粘着层13。然后，如图lc所示，将焊料层14夹在 衬底ll和衬底15之间。如图ld所示，对衬底ll和衬底15施加足以在衬 底11和衬底15之间施加压力的力，同时升高衬底11和15的温度以允许 焊料层14流入过孔12中。
焊料层14可以包含任意适当的材料，该材料在预定的温度下呈现相 变且具有对粘着层13的足够的粘着特性。在一个实施例中，焊料层14可 以包含合金焊料，该合金焊料含有两种或两种以上的元素，其中至少一种 元素是金属。在这种情况下，其中一种元素可以具有比其它元素低的熔 点，使得合金焊料可以具有低于合金悍料的熔点的共晶点。因此，升高的 温度可以是高于合金焊料的共晶点而低于其熔点的预定温度。当温度高于 合金焊料的共晶点而低于其熔点时，合金焊料可以被认为部分熔化。以此 方式，利用施加到衬底11和15上的力，部分熔化的合金焊料的稠密度可 以被允许流入过孔12中。在一个实施例中，合金焊料可以包含金-锡合金。在另一个实施例中，合金焊料可以包含其它合金焊料，如金-硅、金-锗、铜-锡或钯-硅。
为了促使部分熔化的焊料层14进入过孔12中，可以向衬底11和15 施加力。施加该力有几种途径。在一个实施例中，该力是重力。在另一个 实施例中，该力可以由促使衬底11靠近衬底15的机械结构来施加。在另 一个实施例中，该力可以通过增大衬底11和15周围的环境压力来施加。 在一个实施例中，可以同时施加升高的温度和增大的压力，使得增大的压 力促使衬底15靠近衬底11。在另一个实施例中，升高的温度和增大的压 力可以由压热器来提供。
在温度升高之后，衬底15可以被连接到衬底ll或从衬底ll释放。在 衬底15由适于在升高温度的动作之后粘着到焊料层的材料形成的情况 下，衬底15可以由对熔化或部分熔化的焊料层14呈现较强的表面张力或 呈现较好的润湿特性的材料形成。在这种情况下，衬底15的热膨胀系数 可以基本上相似于衬底11的热膨胀系数。在一个实施例中，衬底15可以 是导电的，以形成用于衬底11上的电路的接地层。此外，衬底15可以是 导热的，使得热量可以从衬底11导出，从而用作为散热器。在另一个实 施例中，可以在衬底15上形成一个或多个电路。在这种情况下，焊料层 14可以可操作地将衬底11上的一个或多个电节点电连接到衬底15上的一 个或多个电节点。
或者，衬底15可以由对于焊料层14呈现较弱的表面张力的或呈现较 差的润湿特性的材料形成。以此方式，衬底15可以在温度升高之后从衬 底11移开。在这种情况下，衬底15的热膨胀系数相对于衬底11是不相关 的。在一个实施例中，衬底15可以由比较柔性的材料形成，以允许采用 剥离式的动作而弯曲离开衬底11。如果采用柔性衬底15并同时施加增大 的压力，则本发明的某些实施例的优点在于压力可以用来在衬底11和衬 底15之间平均地分布压縮力。
如上所述，粘着层13可以被设置在过孔12内，以用于为过孔12提供 对焊料层14的充足的表面张力。以此方式，利用粘着层13对焊料层14的 表面张力，可以进一步促进部分熔化的合金焊料14进入过孔12中。如果衬底11本身是导体，则过孔12在施加粘着层13之前可以使用传统的热氧 化或化学气相沉积(CVD)技术而被镀上绝缘或介电材料。然而，如果衬 底11本身是固有绝缘的，则将不必沉积介电材料。在一个实施例中，粘 着层13可以由钛-钨合金形成，焊料层14可以由金-锡合金制成。在另一 个实施例中，粘着层13可以由其它金属或金属合金形成，如锡、铬、硝 酸锡合金或硝酸钽合金。
在另一个实施例中，本发明的方法IO可以如上所述参照图la至图ld 被执行了附加数量次。在本具体实施例中，如图2所示，附加的衬底116 可以被粘着在衬底111上。抑或，可以同时处理附加的衬底116，使得在 之前描述的方法IO进行的一系列动作过程中衬底111、衬底115和附加的 衬底116受到升高的温度。
图3a至图3c示出了如上所述参照图la至图ld被充填的具有不同充 填程度的几个过孔212 (如完全充填、过充填或欠充填过孔)。图3a中所 示的过孔212a具有完全充填的充填程度，因为焊料材料214大体上延伸到 衬底211的上表面222。图3b中所示的过孔212b具有过充填的充填程 度，因为焊料材料214延伸到上表面222以上。图3c中所示的过孔212c 具有欠充填的充填程度，因为焊料材料延伸到上表面222以下。
在一些情况下，可能希望形成具有特定充填程度的密封的过孔212。 本发明的教导给出了几种改变过孔212的有效充填程度的方法。在一个实 施例中，过孔212的充填程度可以通过各种物理磨损技术来改变，各种物 理磨损技术例如研磨、抛光、湿法刻蚀、干法刻蚀或打磨。例如，通过对 突出的焊料部分进行传统的抛光、湿法刻蚀或干法刻蚀，可以使过充填的 过孔212的由焊料材料组成的过充填部分被移除。在另一个实施例中，如 果焊料材料较难被移除，则可以在相对较厚的衬底211上执行密封过孔的 方法10。然后，在升高温度完成之后，可以向下研磨上表面222，直到过 孔212具有完全充填的充填程度。在另一个实施例中，可以通过对粘着层 213施加表面张力改性剂来进一步操纵过孔212的充填程度。表面张力改 性剂可以包含相对较薄的介电涂层，其用来减弱或增强焊料层214对粘着 层213的表面张力。该介电涂层可以被均匀地施加在衬底211上，或者可以被施加到衬底211的选择区域上。可以使用传统途径来沉积该介电涂
层，传统途径例如化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)。在另一 个实施例中，过孔212可以具有垫223 (图3b)，用于进一步控制其相关 过孔212的充填程度。垫223用于限制悍料材料214移动经过垫223的径 向范围。垫223可以与粘着层213 —体地形成，并且在上表面222上向外 延伸至规定的直径。因为衬底211的相对较低的表面张力不允许焊料材料 214移动超过垫223，所以垫223直径的改变可以用于进一步操纵过孔212 的充填程度。
之前所描述的用于密封衬底中的过孔的方法10可以具有众多有用的 应用。例如，可以采用上述方法IO来密封在微机电系统(MEMS) 300的 电路中形成的过孔。图4示出了采用本发明的方法10充填的过孔312的透 视剖视图。衬底311和315分别由氧化铝和铜-钼合金形成。氧化铝衬底 311和铜-钼合金衬底315之间可能具有焊料层314。为了提高表面张力， 在使用焊料层314连接之前，可以在衬底311或315上沉积钛或其它类似 材料的粘着层。在另一个实施例中，含有镍的焊料合金可以被用来在衬底 311和315之间提供必要的粘着程度。在这个示例中，衬底315被粘接到 焊料层314，并用于给微机电系统电路300提供电气接地层以及结构刚 度。
本发明的某些实施例能够利用已知的薄化过程(如研磨或抛光)选择 性地改变衬底311的厚度。S卩，密封过孔的方法10可以提供充足的结构 刚度，以将衬底311研磨或抛光为相对较薄的层。在一个实施例中，衬底 311可以被减薄到任意期望的厚度。在另一个实施例中，衬底311可以被 减薄到总厚度约为50微米。
其它有用的实施例可以采用本发明的用于密封过孔的方法10。图5a 和6a示出了焊料层如何可以只包含衬底415和515的被选择的部分或区域 414和514。当被设置在第二块衬底415和515上时，区域414和514的每 个可以称为图案。图5b示出了图5a的衬底411和415升高温度的结果。 在此具体的示例中，衬底415被连接到衬底411。图6b示出了图6a的衬 底511和515升高温度的结果。在此具体的示例中，衬底515已经从衬底511移开。如图5a所示，过孔412被设置在区域414的上方。在图5b 中，密封已经被设置在区域414上方的过孔412。除了过孔412被密封， 衬底415经由软熔区域(reflowed region) 414连接到衬底411。如图6a和 6b所示，区域514可以通过类似于上述的方式被设置在衬底515上。在图 6b中，衬底515相对于区域514具有较弱的表面张力，使得在温度升高之 后衬底515可以从衬底511移开。
在另一个实施例中，密封衬底中的过孔的方法10可以被用来促进在 衬底上形成突出或凸缘。图7a至7c是在制造的不同阶段过程中所示的截 面视图，并示出了与这个过程相关的各种动作的结果。在一个实施例中， 凸缘615a可以被用作用于将衬底611布置成距离另一个物体(例如，包装 空腔的内表面)预定距离的定距件。在图7a中，示出焊料层614被夹在衬 底611和衬底615之间。接着在图7b中，以类似于上述图1中的方式将衬 底611、衬底615和焊料层614升高到足以允许焊料层614流入过孔612 中的预定温度。如图7c所示，通过切去了衬底中不需要的部分615b形成 凸缘615a。因此，未被切去的部分形成凸缘615a。区域615b示出衬底 615的为形成凸缘615a而被切去的部分。
图8a和8b示出本发明的教导如何可以被用于充填不同尺寸的过孔 712。所示的衬底711具有几个过孔712a和712b，它们彼此被间隔地设 置。过孔712a和712b以形成公知的"法拉弟屏蔽"的方式构成。然而， 应理解，使用本发明的教导，可以密封具有不同尺寸的过孔712的任意适 当组合。
如在此具体的示例中所示，过孔712a的尺寸大于其余过孔712b的尺 寸。以类似于上述参照图la至ld的方式密封过孔712a。因此，升高的温 度与物理力的组合用来允许焊料714流入不同尺寸的过孔712中，达到相 对恒定的充填程度。
尽管以上描述了具体的优点，然而应该理解，各种实施例可能包含所 公开的优点中的全部、部分或不包含这些优点。此外，参照附图及其相应 的详细描述，其它没有具体指出的优点对本领域的技术人员是显而易见 的。
权利要求
1.一种用于密封多个过孔的方法，包括提供具有所述多个过孔的第一衬底；在所述多个过孔的内表面上形成粘着层；将焊料层夹在所述第一衬底和第二衬底之间，所述焊料层的共晶点低于所述焊料层的熔点；并且将所述第一衬底、所述第二衬底和所述焊料层升高到升高的温度和升高的压力，所述升高的温度在所述共晶点和所述熔点之间，所述升高的压力可操作地促使所述第一衬底靠近所述第二衬底以使所述焊料层流入所述多个过孔中。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊料层包括从以下各项组 成的组中选择的两种元素金-锡、金-硅、金-锗、铜-锡和钯-硅。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，升高温度和压力包括使用压热 器升高周围环境的温度和压力。
4. 一种用于密封至少一个过孔的方法，包括提供具有所述至少一个过孔的第一衬底； 在所述至少一个过孔的内表面上形成粘着层；将焊料层夹在所述第一衬底和第二衬底之间，所述焊料层的共晶点低 于所述焊料层的熔点；并且将所述第一衬底、所述第二衬底和所述焊料层升高到共晶点和熔点之 间的温度，使得所述焊料层流入所述至少一个过孔中。
5. 根据权利要求4所述的方法，还包括在升高温度的同时在所述第 一衬底和所述第二衬底上施加足以促使所述第一衬底靠近所述第二衬底的 力。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，施加所述力包括通过压热器 升高其中设置所述第一衬底、所述第二衬底和所述焊料层的环境的周围压 力。
7. 根据权利要求4所述的方法，其中，夹着所述焊料层还包括将所述焊料层夹在所述第一衬底和所述第二衬底的一部分之间。
8. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个过孔包括了多个过孔。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个过孔中的至少一个过 孔的尺寸不同于所述多个过孔中的另一个过孔的尺寸。
10. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一衬底适于包括电子 电路。
11. 根据权利要求4所述的方法，还包括提供具有另外过孔的第三 衬底，并且重复形成所述粘着层、夹着所述焊料层和升高温度以使所述焊 料层流入所述另外过孔的动作。
12. 根据权利要求4所述的方法，其中，升高温度不会引起所述焊料 层粘着到所述第二衬底。
13. 根据权利要求12所述的方法，还包括在升高温度之后将所述第 二衬底从所述第一衬底上移开。
14. 根据权利要求4所述的方法，其中，升高温度使所述第二衬底粘 着到所述焊料层。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一衬底和所述第二衬 底各自的热膨胀系数基本上彼此相似。
16. 根据权利要求14所述的方法，还包括移除所述第二衬底的被选 择的部分，使得在所述第一衬底的下表面上形成至少一个凸缘。
17. —种用于密封至少一个过孔的方法，包括 提供具有所述至少一个过孔的第一衬底； 在所述至少一个过孔的内表面上形成粘着层； 将焊料层夹在所述第一衬底和第二衬底之间；并且 将所述第一衬底、所述第二衬底和所述焊料层升高到一定的温度和压力，所述压力可操作地促使所述第一衬底靠近所述第二衬底，使得所述焊 料层流入所述至少一个过孔中。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，升高温度包括将所述第一 衬底、所述第二衬底和所述焊料层升高到焊料层的共晶点和其熔点之间的温度
19. 根据权利要求17所述的方法，其中，升高温度和压力包括使用 压热器升高温度和压力。
20. 根据权利要求17所述的方法，还包括改变所述至少一个过孔的充填程度。
全文摘要
根据本发明的一个实施例，用于密封一个或多个过孔的方法包括提供具有过孔的第一衬底，在过孔的内表面上形成粘着层，将焊料层夹在第一衬底和第二衬底之间，并且将第一衬底、第二衬底和焊料层升高到高于焊料层的共晶点而低于其熔点的温度。将焊料层升高到高于共晶点而低于熔点的温度使得焊料层以大体一致的方式流入过孔中。
文档编号H01L21/768GK101529579SQ200780040327
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月2日 优先权日2006年10月31日
发明者弗朗西斯·J·莫里斯, 散克林甘·拉詹兰, 普兰吉特·查哈, 比利·D·爱波斯 申请人:雷斯昂公司