一种高效的硅通孔制备与填充方法

本申请属于半导体，尤其涉及一种高效的硅通孔制备与填充方法。

背景技术：

1、半导体作为当代信息技术产业高速发展的基石，半导体技术/产品广泛应用于智能电网、新能源汽车、家用电器、物联网、超级计算机、手机和5g等产业。伴随半导体器件不断朝着高密度集成、小型化和高性能方向发展，导致了“摩尔定律”受到较大的挑战。为了延续“摩尔定律”，利用先进的封装方式取代传统的引线连接，将一次流片的大芯片，更改为若干个小芯片立体连接，将平面化的连接方式更改为立体化，降低连接的占用面积，同时降低芯片面积，提高芯片的良品率。

2、当前三维封装主要采用硅通孔（through-silicon via，tsv）技术，其中，硅刻蚀（tsv通孔成型）和硅通孔铜填孔是硅通孔技术的重要组成部分。硅刻蚀部分需要保证通孔的垂直度、侧壁光滑度，避免出现刻蚀偏差、侧壁粗糙等问题，否则会影响后续绝缘层沉积和金属填充的良率；在硅通孔铜填孔时，深孔填充容易出现空洞、缝隙，需要较为复杂的工艺，才能保证铜填充的致密性和完整性，否则会导致互连失效。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本申请提供了一种高效的硅通孔制备与填充方法，包括以下步骤：

2、步骤s1、激光加工硅通孔：采用飞秒激光器输出脉冲光束，经光束整形单元与光束变焦系统处理生成具备长焦深无衍射特性的贝塞尔光束；将匹配于硅通孔整体布局的微透镜阵列布设于贝塞尔光束的传输光路上，贝塞尔光束经由微透镜阵列分束形成多路平行聚焦光束，同步对硅片实施并行打孔加工，成型硅通孔微孔；

3、步骤s2、硅通孔填充与原位烧结：向硅通孔微孔内部分次加注纳米铜浆料，全程维持步骤s1的激光传输光路以及硅片原有装夹定位状态不变，复用同束贝塞尔光束对微孔内纳米铜浆料实施激光烧结处理；循环执行浆料加注、激光烧结工序直至硅通孔微孔内部被完全填充，在孔内形成致密连续的铜柱互连结构。

4、在一些可选的实施方式中，步骤s1中，所述飞秒激光器输出脉冲宽度为100fs~500fs、重复频率为1khz~10khz，单脉冲最大能量为1mj~4mj，中心波长为800nm；所述微透镜阵列采用激光直写工艺制备，阵列内微透镜排布、数量与硅通孔孔位一一匹配；单次光束分束加工同步成型10~100个微孔，单颗微透镜孔径为100μm~500μm、焦距为50mm~100mm。

5、在一些可选的实施方式中，步骤s1中，光束整形单元包括光阑、扩束镜及相位调制器，对飞秒脉冲光束进行光斑整形、能量匀化及相位校正，确保输出光束的强度分布均匀；光束变焦系统采用电动变焦透镜组，实现焦深在50mm~200mm范围内的连续调节，适配不同厚度硅片的打孔需求。

6、在一些可选的实施方式中，步骤s2中，单次浆料加注剂量为0.1μl~1μl，每一轮烧结完成后依据微孔剩余空隙自适应调整下一轮浆料加注量，且后一轮烧结激光功率相较前一轮提升5%~10%，单次烧结持续10s~30s、烧结温度控制在250℃~350℃，填充与烧结循环总次数控制在2~5次。

7、在一些可选的实施方式中，步骤s2中，采用高速点胶机完成浆料加注，高速点胶机的点胶精度为±0.01mm、出胶速度为10~50滴/分钟，加工时点胶针头与硅片表面间距维持在0.1mm~0.5mm。

8、在一些可选的实施方式中，步骤s2中，所述纳米铜浆料包括按质量百分比配比的如下组分：纳米铜颗粒60%~80%、抗坏血酸5%~10%、石墨烯2%~5%、苯并咪唑3%~8%、乙二醇5%~15%；其中，纳米铜颗粒的平均粒径为200nm，粒径分布范围为100nm~300nm，石墨烯为单层或少层石墨烯，厚度为0.34nm~1.0nm。

9、本申请的高效的硅通孔制备与填充方法具有如下优点和积极效果：

10、（1）将飞秒贝塞尔超快激光与微透镜阵列结合实现硅片硅通孔并行打孔，打孔、烧结共用一套激光光路且硅片无需二次拆装对位，省去光路重新校准、工件重复装夹等工序，大幅提升硅通孔制备整体加工效率，简化三维封装硅通孔整套工艺流程，适配高密度集成电路规模化连续生产，有效降低设备调试与工件转运工时。

11、（2）采用微量分次加注、梯度功率激光烧结的循环填充方案，即便硅通孔侧壁存在粗糙度缺陷，也能逐层填补烧结收缩产生的微小空隙，避免铜柱内部空洞、分层等不良；搭配组分优化的纳米铜浆料，烧结后铜柱致密度、硅基底结合强度高，显著提升硅通孔垂直互连结构成型良率与三维集成电路长期工作可靠性。

1.一种高效的硅通孔制备与填充方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高效的硅通孔制备与填充方法，其特征在于，步骤s1中，所述飞秒激光器输出脉冲宽度为100fs~500fs、重复频率为1khz~10khz，单脉冲最大能量为1mj~4mj，中心波长为800nm；所述微透镜阵列采用激光直写工艺制备，阵列内微透镜排布、数量与硅通孔孔位一一匹配；单次光束分束加工同步成型10~100个微孔，单颗微透镜孔径为100μm~500μm、焦距为50mm~100mm。

3.根据权利要求1所述的高效的硅通孔制备与填充方法，其特征在于，步骤s1中，光束整形单元包括光阑、扩束镜及相位调制器，对飞秒脉冲光束进行光斑整形、能量匀化及相位校正，确保输出光束的强度分布均匀；光束变焦系统采用电动变焦透镜组，实现焦深在50mm~200mm范围内的连续调节，适配不同厚度硅片的打孔需求。

4.根据权利要求1所述的高效的硅通孔制备与填充方法，其特征在于，步骤s2中，单次浆料加注剂量为0.1μl~1μl，每一轮烧结完成后依据微孔剩余空隙自适应调整下一轮浆料加注量，且后一轮烧结激光功率相较前一轮提升5%~10%，单次烧结持续10s~30s、烧结温度控制在250℃~350℃，填充与烧结循环总次数控制在2~5次。

5.根据权利要求4所述的高效的硅通孔制备与填充方法，其特征在于，步骤s2中，采用高速点胶机完成浆料加注，高速点胶机的点胶精度为±0.01mm、出胶速度为10~50滴/分钟，加工时点胶针头与硅片表面间距维持在0.1mm~0.5mm。

6.根据权利要求1所述的高效的硅通孔制备与填充方法，其特征在于，步骤s2中，所述纳米铜浆料包括按质量百分比配比的如下组分：纳米铜颗粒60%~80%、抗坏血酸5%~10%、石墨烯2%~5%、苯并咪唑3%~8%、乙二醇5%~15%；其中，纳米铜颗粒的平均粒径为200nm，粒径分布范围为100nm~300nm，石墨烯为单层或少层石墨烯，厚度为0.34nm~1.0nm。