一种用于熔融钎料填充硅通孔的方法与流程

本发明涉及半导体器件制造技术领域，具体涉及为2.5d或3d堆叠硅晶片上周期性排列的硅通孔钎料填充的一种方法。

背景技术：

随着微电子技术的快速发展，一直遵循着摩尔定律发展的二维平面技术由于物理极限的存在已不再适用。三维封装技术由于其能够实现更高密度的封装，被认为是可以超越摩尔定律发展的新技术。其中，硅通孔的填充技术是三维集成的核心关键技术。目前硅通孔填充材料以铜为主，但是铜的成本高，另外铜的热膨胀系数与基板不匹配，容易在热的作用下产生可靠性问题，需要寻找新的填充材料。而钎料填充工艺不仅成本低廉、填充速度快、技术自由度大，而且材料本身热膨胀系数适宜，具有研究潜力。目前钎料填充硅通孔的相关研究相对匮乏，在本专利中，为低成本通孔填充工艺开发了一种新型熔融钎料填充设备，即一种新型熔融钎料填充硅通孔方法和装置。

技术实现要素：

为了克服现有合金(以铜为主)填充硅通孔技术的不足，本发明提供了一种制作成本低廉、安装方便、操作便利的设备，采用真空技术将熔化的钎料通过压差产生的毛细作用力吸入到通孔中，实现瞬时填充。

钎料填充硅通孔方法具体为利用加热使金属融化，然后通过真空压差产生的毛细作用力将熔融的金属吸入到硅通孔中。这种方法具有极高的填充速度，几秒内即能完成对硅通孔的钎料填充，同时成本低廉，具有研究价值。

一种用于钎料填充硅通孔的方法，其特征在于：加热块加热使钎料熔融，调整升降结构高度使tsv硅晶圆通孔一端刚好与熔融钎料相接触，另一侧由于真空产生压差使熔融钎料通过毛细作用力进入通孔或盲孔，完成填充。

应用如下装置，该装置包括密封罐罐体和tsv硅晶圆升降结构以及加热块9、真空计、真空泵和冷却水循环系统；密封罐罐体上设置有密封盖16，密封盖16上设置有两个法兰罐口，一个罐口为真空计测试口3，另一个为真空泵吸气口14，密封罐侧壁设置有出气口6，出气口6通过手动球阀控制开关；密封盖16与密封罐罐体之间的密封采用翼型螺杆1压合，翼型螺杆1通过连接曲柄2，圆柱形销4与密封罐罐体实现连接，热电偶15位于密封盖16上，用于测量加热块9的温度；在罐体底部设有熔融钎料池8，熔融钎料池8位于密封罐底部中心位置；tsv硅晶圆升降结构包括升降螺杆操作杆13以及硅晶圆平台，硅晶片的升降通过升降螺杆操作杆13控制硅晶圆平台的升降。

将升降螺杆与密封盖通过螺纹配合，同时将真空泵与真空计通过法兰罐口和与密封罐相连接，将陶瓷绝热垫片置于密封罐底部，将加热块放在绝热垫片上，熔融钎料池放在加热块上，将水泵两端与冷却水进水口和冷却水出水口相连接，将tsv硅晶圆置于硅晶圆平台处；盖上密封盖，调整连接曲柄的位置，拧紧翼型螺杆，安装过程完成；

首先将所需钎料倒入密封罐底部熔融钎料池，打开冷却水循环系统，使加热块通电，将钎料加热到熔融状态后，将所要填充的tsv硅晶圆按要求固定于升降系统底部硅晶圆平台处，将螺杆与密封盖螺纹配合，然后通过旋转螺杆上方把手，调整螺杆高度，使得tsv硅晶圆的通孔处与钎料熔池液面刚好接触，固定tsv硅晶圆位置，盖上密封盖，拧紧翼型螺杆，确认后通过法兰扣连接密封盖上两个法兰罐口，与真空计和真空泵完成连接，再次检查各处的密封性，检查完毕后立刻打开真空泵，抽真空后关闭真空泵，关闭加热块，调整操作把手，使tsv硅晶圆与熔融钎料池分离，待其冷却后取出，关闭冷却水系统，完成熔融钎料对tsv硅晶圆的填充。

钎料包括sn-ag-cu系、sn-cu系、sn-bi系、sn-zn系、sn-in系等。

根据新型熔融钎料填充技术的原理，设计的平台是一个内部设有加热块和可抽真空的仪器。装置包括密封罐罐体、加热块、抽真空系统、冷却水循环系统、真空计、密封盖、真空计测试口、热电偶、真空泵吸气口、出气口、熔融钎料池、翼型螺杆、连接曲杆、圆柱形销、可载试样的升降螺杆、tsv硅晶圆平台、陶瓷绝热垫片。所述的密封罐罐体上设置有密封盖，密封盖上设置有两个法兰罐口，一个罐口为真空计测试口，另一个为真空泵吸气口，密封罐侧壁设置有出气口，出气口通过手动球阀控制开关，密封罐为中空结构，上下各有一个进水口和出水口，用于降低密封罐温度。

本发明通过以下技术方案得以实现：通过加热块加热使钎料熔化，调整升降结构的高度使硅晶圆一端刚好与熔融钎料相接触，由于真空压差，熔融的钎料通过毛细作用力进入通孔，完成瞬时填充。主要设备为密封罐以及升降机构。升降结构为螺杆螺母机构。密封罐上的密封盖上有两个法兰罐口，两个法兰罐口分别与真空计以及真空泵互连。采用加热炉加热密封罐体，可以控制加热钎料的温度与加热速度。除此之外，通过罐体上方密封盖与真空泵控制罐内压力大小，通过此设备可以完成8寸兼容12寸tsv硅晶圆钎料填充。

采用加热炉加热密封罐体，加热温度范围280摄氏度到400摄氏度，真空压力范围0.02pa-0.8mpa，时间由具体产品的型号规格确定即可。

真空泵与密封罐上部相连，钎料熔池位于密封罐底部，使得真空压差产生的毛细作用力使熔融钎料进入通孔更为容易。由于将密封罐置于加热块上方，因此，熔融钎料池位于密封罐底部，完成钎料的熔融工作。

本发明具有以下有益效果：

(1)填充装置可以实现钎料在真空状态下通过压差产生的毛细作用力填充通孔或盲孔。

(2)结构简单，便于安装，易于实施，同时该装置可以控制填充时熔融钎料温度，建立了一种新型tsv硅晶圆钎料填充的试验平台，有效地解决了如何使用钎料高效填充tsv的问题，完善钎料填充tsv工艺。

附图说明

图1钎料sac305填充tsv腐蚀显微图

图2(a)钎料填充硅通孔方法示意图

图2(b)钎料填充硅盲孔方法示意图

图3熔融钎料填充硅通孔装置示意图

(a)主视图(b)俯视图(c)透视图

1-翼型螺杆、2-连接曲柄、3-真空计测试口、4-圆柱形销、5-连接口、6-出气口、7-硅晶圆平台、8-熔融钎料池、9-加热块、10-冷却水出水口、11-陶瓷绝热片、12-开盖把手、13-升降螺杆操作杆、14-真空泵吸气口、15-热电偶、16-密封盖、17-冷却水进水口、18-升降螺杆、19密封罐冷却水层

具体实施方式

1.一种用于钎料填充硅通孔的装置，其特征在于：包括密封罐罐体和tsv硅晶圆升降结构以及加热块9、真空计、真空泵和冷却水循环系统；密封罐罐体上设置有密封盖16，密封盖16上设置有两个法兰罐口，一个罐口为真空计测试口3，另一个为真空泵吸气口14，密封罐侧壁设置有出气口6，出气口6通过手动球阀控制开关；

在罐体底部设有熔融钎料池8，熔融钎料池8位于密封罐底部中心位置。

2.进一步，密封罐罐体与密封盖(16)之间设置有密封圈。

3.进一步，密封盖16与密封罐罐体之间的密封采用翼型螺杆1压合，翼型螺杆1通过连接曲柄2、圆柱形销4与密封罐罐体实现连接，热电偶15位于密封盖16上，用于测量加热块9的温度。

4.进一步，在硅晶片的升降通过升降螺杆操作杆13控制硅晶圆平台的升降。

5.进一步，在所述密封罐主体为圆柱形，其直径在200mm～1000mm。

6.进一步，在冷却水进水口17位于密封罐罐体上部，冷却水出水口10位于密封罐下部，通过水泵连接冷却水进水口17与冷却水出水口10，冷却水通过密封罐冷却水层19完成循环降温。

7.tsv硅晶圆通孔直径为10～30μm，厚度为100～200μm，一端与硅晶圆平台7相接触,另一端通孔或盲孔方向面向熔融钎料池8。

8.进一步，将升降螺杆与密封盖通过螺纹配合，同时将真空泵与真空计通过法兰罐口和与密封罐相连接，将陶瓷绝热垫片置于密封罐底部，将加热块放在绝热垫片上，熔融钎料池放在加热块上，将水泵两端与冷却水进水口和冷却水出水口相连接，将tsv硅晶圆置于硅晶圆平台处。

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图3(a)，安装过程如下所示，将升降螺杆18与密封盖16通过螺纹配合，同时将真空泵与真空计通过法兰罐口3和14与密封罐相连接，将陶瓷绝热垫片11置于密封罐底部，将加热块9放在绝热垫片11上，熔融钎料池8放在加热块9上，将水泵两端与冷却水进水口15和冷却水出水口10相连接，将tsv硅晶圆置于硅晶圆平台7处，盖上密封盖16，调整连接曲柄2的位置，拧紧翼型螺杆1，安装过程完成。

利用本发明可实现钎料填充硅通孔，具体工作过程如下：

首先将所需钎料倒入密封罐底部熔融钎料池，打开冷却水循环系统，使加热块通电，将钎料加热到熔融状态后，将所要填充的tsv硅晶圆按要求固定于升降系统底部硅晶圆平台处，将螺杆与密封盖螺纹配合，然后通过旋转螺杆上方把手，调整螺杆高度，使得tsv硅晶圆的通孔处与钎料熔池液面刚好接触，固定tsv硅晶圆位置，盖上密封盖，拧紧翼型螺杆，确认后通过法兰扣连接密封盖上两个法兰罐口，与真空计和真空泵完成连接，再次检查各处的密封性，检查完毕后立刻打开真空泵，一段时间后关闭真空泵，关闭加热块，调整操作把手，使tsv硅晶圆与熔融钎料池分离，待其冷却后取出，关闭冷却水系统，完成熔融钎料对tsv硅晶圆的填充。