基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法及装置

1.本发明涉及晶圆级三维异质集成封装工艺技术领域，具体地，涉及一种基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法及装置。


背景技术：

2.晶圆级三维异质集成封装工艺是直接在硅基晶圆上将芯片与各种无源器件集成进一个系统中，并对芯片表面进行再布线实现扇出效果。在工艺进行过程中直接利用微纳工艺设备，可将上百个甚至更多的芯片一次性的集成在大批量系统当中，并与滤波器、天线、巴伦等无源器件进行互连，大幅度提高了封装效率、降低了成本、提升系统整机性能，是实现系统级封装的重要方式。
3.tsv盲槽电镀是三维异质集成环节中的核心工艺，它针对于硅基表面的盲槽部分进行电镀生长金属，利用这种垂直互连的方案可以减小系统互连长度、减小传输延迟、并且改善电容电感效应，实现了器件的小型化与高密度集成化。
4.随着信息时代的飞速发展，雷达通信系统正在向小型化、高性能化与高集成度方向不断迭代更新，传统的摩尔定律已经无法适用于现阶段的二维平面内的高密度迭代过程，因此三维异质集成技术被广泛的发展起来。目前毫米波频段内的雷达通信系统向着小型化与高性能化发展，面临的首要问题就是互连方案的解决。传统的互连方案以平面过度为主，并且从芯片以微带线扇出，这样在同等厚度的基底上制作出来的系统尺寸大、扇出接口不易与波导等接口集成。缩小系统的整体尺寸，将平面转接结构改变成立体结构实现三维集成效果便成了一大研究热点。同时，将金属波导集成在硅基衬底中与芯片进行互连时，由芯片扇出微带线到矩形波导的转接结构的加工是一项极具挑战的难点。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法及装置。
6.根据本发明提供的一种基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法及装置，所述方案如下：
7.第一方面，提供了一种基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法，所述方法包括：
8.步骤s1：在硅基衬底上制作正面保护膜和背面保护膜；
9.步骤s2：在硅基衬底的背面制作波导金属侧壁，形成tsv盲槽；
10.步骤s3：在硅基衬底的正面制作转接结构的背腔结构，并填充光敏复合材料；
11.步骤s4：在背腔结构上方制备介质掩膜层，并在顶层介质层上方制作顶层金属图案；
12.步骤s5：利用光刻掩膜与干法刻蚀进行体硅刻蚀并划片，得到完整转接结构。
13.优选地，所述步骤s2包括：
14.步骤s2.1：在背面保护膜上旋涂光刻胶并显影制备掩膜；
15.步骤s2.2：利用光刻掩膜刻蚀背面保护膜；
16.步骤s2.3：利用干法刻蚀完成体硅刻蚀并除掉光刻胶；
17.步骤s2.4：在硅基衬底背面溅射一层金属种子层；
18.步骤s2.5：对体硅刻蚀后形成的深槽进行电镀并镀实；
19.步骤s2.6：在硅基衬底的背面，对电镀结束凸出的金属铜进行机械磨平。
20.优选地，所述步骤s2.3中，进行盲槽体硅刻蚀为421微米；
21.步骤s2.4的溅射过程中，先溅射一层金属铬；
22.步骤s2.5中，电镀液内添加表面金属原子活性抑制剂；
23.步骤s2.6中，采用600-bld04型号磨轮进行金属机械磨平。
24.优选地，所述步骤s3包括：
25.步骤s3.1：在正面保护膜上旋涂光刻胶并制备背腔图案；
26.步骤s3.2：干法刻蚀正面保护膜与硅基形成背腔结构，去胶清洗；
27.步骤s3.3：在硅基衬底的正面溅射一层地层种子层；
28.步骤s3.4：在地层种子层上旋涂光刻胶；
29.步骤s3.5：进行地层种子层的电镀并去胶清洗；
30.步骤s3.6：利用离子束刻蚀掉地层种子层，形成完整地层结构；
31.步骤s3.7：多次旋涂填充光敏介质bcb，固化后达到充分填充背腔效果；
32.步骤s3.8：机械磨平顶层bcb介质层。
33.优选地，所述步骤s3.2中，干法刻蚀硅基背腔结构为79微米；
34.步骤s3.5中，电镀正面结构过程中使用导热胶带将背面裸露金属粘住。
35.优选地，所述步骤s4包括：
36.步骤s4.1：在硅基衬底正面已经被机械磨平的bcb介质层上旋涂一层介质层作为背腔掩膜层；
37.步骤s4.2：利用介质刻蚀将背腔掩膜层外的光敏介质bcb刻蚀干净；
38.步骤s4.3：在硅基衬底正面的背腔掩膜层上方旋涂表层介质层并图案化；
39.步骤s4.4：在硅基衬底正面的表层介质层上方溅射顶层金属层；
40.步骤s4.5：在顶层金属层上旋涂光刻胶并图案化；
41.步骤s4.6：电镀顶层金属层并去除残胶；
42.步骤s4.7：离子束刻蚀去除未被电镀上的顶层金属层。
43.优选地，所述步骤s4.1中，介质掩膜层尺寸相较于背腔结构四周外扩200微米；
44.步骤4.2中，介质刻蚀后保留顶层介质掩膜层8微米的高度。
45.优选地，所述步骤s5包括：
46.步骤s5.1：在硅基衬底背面旋涂光刻胶并显影制备掩膜；
47.步骤s5.2：利用干法刻蚀完成体硅刻蚀并去除残胶；
48.步骤s5.3：对硅基衬底进行划片，完成转接结构制作。
49.优选地，所述正面保护膜和背面保护膜均为si3n4薄膜；
50.所述干法刻蚀均为电感耦合等离子体干法刻蚀。
51.第二方面，提供了一种装置，所述装置由所述基于光敏复合材料的三维硅基转接
结构加工方法制备而成。
52.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
53.1、本发明解决了光敏复合材料bcb在充当介质时的厚度限制，利用多次旋涂固化的方法增加了bcb的介质厚度；
54.2、本发明同时解决了bcb与不同的材料在热膨胀系数上的差异导致的边缘开裂现象，从而防止顶层金属走线出现断裂的风险；并且提出了一种在硅基衬底上制备金属波导的方案，通过制作tsv盲槽与干法刻蚀相结合的方法实现了金属波导集成在硅基衬底中的目的，减小了互连损耗，提升了晶圆级异质集成封装工艺的多样性与可靠性；
55.3、本发明立足于硅基系统级集成过程中芯片射频扇出互连问题，通过在硅基衬底上引入金属矩形波导形成三维互连结构，取代了传统平面扇出的互连方案，极大缩减了射频系统的整体尺寸，在实现小型化的同时提供了波导输出接口。
附图说明
56.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
57.图1是三维转接结构剖面图；
58.图2是采用本发明方法的基本流程图。
59.附图标记：
60.101四英寸高阻圆硅片
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102si3n4薄膜
61.103矩形波导金属侧壁
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104基片集成波导背腔结构
62.105金属地层
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106耦合窗口
63.107顶层介质层
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108顶层金属层
64.109空气腔体
具体实施方式
65.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
66.本发明实施例针对光敏复合材料bcb在充当介质时无法做到大厚度的问题；针对bcb与不同的材料在热膨胀系数上的差异导致在加工过程中出现边缘开裂的现象，从而导致介质顶层金属的走线在开裂处断裂的问题；针对改进传统的平面互连结构，将金属矩形波导集成在硅基衬底中实现三维集成架构时出现的方案问题，提供了一种基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法，参照图1所示，该方法具体包括：
67.步骤s1：在硅基衬底上制作正面保护膜和背面保护膜(即双面保护膜)。
68.步骤s2：利用干法刻蚀，在硅基衬底的背面制作波导金属侧壁，形成tsv盲槽。
69.其中，步骤s2具体包括如下步骤：
70.步骤s2.1：在背面保护膜上旋涂光刻胶并显影制备掩膜。
71.步骤s2.2：利用光刻掩膜刻蚀背面保护膜。
72.步骤s2.3：利用干法刻蚀完成体硅刻蚀并除掉光刻胶，其中，进行盲槽体硅刻蚀为421微米。
73.步骤s2.4：在硅基衬底背面溅射一层金属种子层，该步骤的溅射过程中，先溅射一层金属铬，有助于增加金属铜的粘附性。
74.步骤s2.5：tsv盲槽电镀，即对体硅刻蚀后形成的深槽进行电镀并镀实；该步骤中的电镀液内添加表面金属原子活性抑制剂，保证槽内槽外电镀各向异性。
75.步骤s2.6：在硅基衬底的背面，对电镀结束凸出的金属铜进行机械磨平。该步骤采用600-bld04型号磨轮进行金属机械磨平。
76.步骤s3：在硅基衬底的正面制作转接结构的背腔结构，并填充光敏复合材料。
77.在步骤s3中，该步骤具体包括：
78.步骤s3.1：在正面保护膜上旋涂光刻胶并制备背腔图案。
79.步骤s3.2：干法刻蚀正面保护膜与硅基形成背腔结构，去胶清洗，该步骤中的干法刻蚀硅基背腔结构为79微米。
80.步骤s3.3：在硅基衬底的正面溅射一层地层种子层；
81.步骤s3.4：在地层种子层上旋涂光刻胶。
82.步骤s3.5：进行地层种子层的电镀并去胶清洗，该步骤中的电镀正面结构过程中使用导热胶带将背面裸露金属粘住。
83.步骤s3.6：利用离子束刻蚀掉地层种子层，形成完整地层结构。
84.步骤s3.7：多次旋涂填充光敏介质bcb，固化后达到充分填充背腔效果。
85.步骤s3.8：机械磨平顶层bcb介质层。
86.步骤s4：在背腔结构上方制备介质掩膜层，并在顶层介质层上方制作顶层金属图案。
87.在步骤s4中，具体步骤包括：
88.步骤s4.1：在硅基衬底正面已经被机械磨平的bcb介质层上旋涂一层介质层作为背腔掩膜层，该步骤中，介质掩膜层尺寸相较于背腔结构四周外扩200微米。
89.步骤s4.2：利用介质刻蚀将背腔掩膜层外的光敏介质bcb刻蚀干净，该步骤中，介质刻蚀后保留顶层介质掩膜层8微米的高度。
90.步骤s4.3：在硅基衬底正面的背腔掩膜层上方旋涂表层介质层并图案化。
91.步骤s4.4：在硅基衬底正面的表层介质层上方溅射顶层金属层；
92.步骤s4.5：在顶层金属层上旋涂光刻胶并图案化。
93.步骤s4.6：电镀顶层金属层并去除残胶。
94.步骤s4.7：离子束刻蚀去除未被电镀上的顶层金属层。
95.步骤s5：利用光刻掩膜与干法刻蚀进行体硅刻蚀并划片，得到完整转接结构。
96.在步骤s5中，具体包括：
97.步骤s5.1：在硅基衬底背面旋涂光刻胶并显影制备掩膜。
98.步骤s5.2：利用干法刻蚀完成体硅刻蚀并去除残胶。
99.步骤s5.3：对硅基衬底进行划片，完成转接结构制作。
100.本发明中的正面保护膜和背面保护膜(即双面保护膜)均为si3n4薄膜102，所有的工艺流程中涉及到的干法刻蚀均为电感耦合等离子体干法刻蚀。具体地，所用到的干法刻
蚀均为反应耦合等离子体刻蚀，借助于气体辉光放电后产生的等离子体对硅基衬底进行各向异性的刻蚀。刻蚀过程中采用刻蚀与保护交替进行的环节，采用氟基活性自由基对硅基进行刻蚀，紧接着采用氟基气体对侧壁进行钝化。在各向同性刻蚀后，由于纵向方向的基底侧壁有气体轰击产生的钝化膜，在下一次的刻蚀周期时侧壁的钝化层不会被刻蚀掉，氟基活性自由基气体仅对刻蚀槽底部进行刻蚀。刻蚀与钝化如此反复下来，提升干法刻蚀各向异性效果，最终结构的倾斜角近90
°
，并且可以制作出高深宽比的结构，保证了后续如tsv盲槽的干法刻蚀制备。
101.本发明还提供了一种装置，该装置由上述的基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法制备而成。
102.接下来，对本发明进行更为具体的说明。
103.本发明提供了一种基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法，先在硅基衬底背部刻蚀出tsv盲槽，并在背面溅射上种子层进行盲槽电镀，待槽内镀实金属后进行机械磨平；在硅基晶圆正面干法刻蚀一个带柱矩形槽，溅射金属层后光刻图案化，电镀出目标图形；通过多次旋涂固化的方法将bcb填充进槽内，并在硅基晶圆顶层做一层bcb掩膜盖住槽边缘；随后完成顶层介质层107和金属图形化，以及背面矩形波导的刻蚀。通过该方案的确定与实施，克服了将矩形金属波导集成在硅基晶圆中的困难，并实现了从接地共面波导线到金属波导的转换，为三维异质集成提供了一个高效可靠的转接方案。在工艺流程中，通过改进介质旋涂工艺参数与掩膜方案，达到了制作大厚度介质层并无开裂的效果。
104.具体工艺步骤为：
105.(1)在硅片上正反面上制备保护膜；
106.(2)在硅基背面旋涂光刻胶、烘烤光刻显影后刻蚀保护膜与硅基；
107.(3)去除光刻胶，溅射金属种子层后进行盲槽电镀，随后机械磨平；
108.(4)在硅基正面旋涂光刻胶、烘烤光刻显影后刻蚀保护膜与硅基达到指定深度；
109.(5)去除光刻胶，溅射金属种子层并利用光刻胶图案化表面，实施金属电镀；
110.(6)去除光刻胶与种子层，形成完整底层结构；
111.(7)多次填充光敏介质bcb，充分固化后将顶层磨平；
112.(8)旋涂新一层光敏介质bcb充当背腔掩膜层，对整体结构进行介质刻蚀；
113.(9)旋涂顶层光敏介质bcb层，并溅射金属种子层；
114.(10)完成顶层金属层图案化，去除金属种子层；
115.(11)在硅基背面旋涂光刻胶，完成金属盲槽中间硅基的刻蚀，形成金属矩形波导；
116.(12)对硅基晶圆进行划片，得到完整的转接结构单元。
117.参照图1和图2所示，本发明中的方法，如下操作：
118.(a)以双面抛光的厚度为500um的四英寸高阻圆硅片101作为硅基衬底，在清洁后使用，如图2(a)所示。
119.(b)通过lpcvd工艺，在高阻圆硅片双面沉积si3n4薄膜102，如图2(b)所示。
120.(c)在硅片背面旋涂光刻胶，显影出矩形波导侧壁图形，如图2(c)所示。
121.(d)以光刻胶为掩膜，对保护膜si3n4进行介质刻蚀，裸露出保护膜下面的硅基表面，如图2(d)所示。
122.(e)继续以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀对裸露出的硅基进行深硅刻蚀，刻蚀出盲
槽，如图2(e)所示。
123.(f)用丙酮去胶，溅射上cr/cu种子层，直接进行tsv盲槽电镀，形成矩形波导金属侧壁103，如图2(f)所示。
124.(g)采用型号为disco-bg810减薄机以及600-bld04型号磨轮，对硅片背面的金属进行机械磨平并抛光，如图2(g)所示。
125.(h)在硅片正面旋涂光刻胶，显影出基片集成波导背腔图形，如图2(h)所示。
126.(i)以光刻胶为掩膜，对保护膜si3n4进行介质刻蚀，裸露出保护膜下面的硅基表面，如图2(i)所示。
127.(j)继续以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀对裸露出的硅基进行深硅刻蚀，刻蚀出基片集成波导背腔结构104，如图2(j)所示。
128.(k)利用丙酮将光刻胶洗掉，并利用超声波进行二次清洗，达到彻底清除残胶的效果，如图2(k)所示。
129.(l)在硅片正面溅射上cr/cu种子层，如图2(l)所示。
130.(m)在硅片正面旋涂光刻胶，并在基片集成波导背腔内光刻显影出金属地层图案，如图2(m)所示。
131.(n)以槽内的光刻胶为掩膜，电镀金属地层105，利用丙酮洗去光刻胶，利用离子束刻蚀将被光刻胶遮盖住的金属种子层刻蚀干净，露出耦合窗口106，如图2(n)所示。
132.(o)旋涂多次bcb，经过曝光、显影与固化后完全填充基片集成波导背腔结构104，如图2(o)所示。
133.(p)利用型号为disco-bg810减薄机对硅片正面凹凸不平的bcb层进行打磨，保证顶层bcb处于同一平面内，如图2(p)所示。
134.(q)在硅片正面旋涂一层bcb用于充当背腔介质填充的掩膜，并对正面整体结构进行介质刻蚀，保证最终掩膜部分比硅基表面高，如图2(q)所示。
135.(r)旋涂一层bcb作为顶层介质层107，经过前烘、曝光、显影与硬固化后，刻蚀顶层至相应的厚度，如图2(r)所示。
136.(s)在顶层介质层107上面溅射上cr/cu种子层，如图2(s)所示。
137.(t)在种子层上方旋涂光刻胶，光刻显影后得到顶层金属图案，如图2(t)所示。
138.(u)以种子层上方的光刻胶为掩膜，电镀顶层金属层108，利用丙酮洗去光刻胶，利用离子束刻蚀将被光刻胶遮盖住的金属种子层刻蚀干净，如图2(u)所示。
139.(v)在硅片背面旋涂光刻胶，显影出矩形波导腔体内图形，如图2(v)所示。
140.(w)以光刻胶为掩膜，对裸露出的硅基进行干法刻蚀，即将金属矩形波导腔体内的所有硅基刻蚀干净，形成空气腔体109，如图2(w)所示。
141.(x)用丙酮清洗残胶，并使用型号为disco-dad3650划片机对硅片进行划片，得到每一个转接结构单元，如图2(x)所示。
142.本发明中采用在电镀液中添加活性抑制剂、加速剂与整平剂的混合液体，达到了电镀过程中自底向上的电镀效果，最终得到了槽内基本镀实，表面被抑制的结构。拥有强吸附能力的抑制剂在铜原子表面抑制衬底表面金属的生长、加速剂在槽底汇聚增加了不同深宽比的盲槽内的金属电镀速度、整平剂抑制了衬底表面由于电流不均产生的金属凸块。
143.本发明实施例提供了一种基于光敏复合材料的三维硅基转接结构加工方法及装
置，解决了光敏复合材料bcb在充当介质时的厚度限制，利用多次旋涂固化的方法增加了bcb的介质厚度；同时解决了bcb与不同的材料在热膨胀系数上的差异导致的边缘开裂现象，从而防止顶层金属走线出现断裂的风险；并且提出了一种在硅基衬底上制备金属波导的方案，通过制作tsv盲槽与干法刻蚀相结合的方法实现了金属波导集成在硅基衬底中的目的，减小了互连损耗，提升了晶圆级异质集成封装工艺的多样性与可靠性。本发明立足于硅基系统级集成过程中芯片射频扇出互连问题，通过在硅基衬底上引入金属矩形波导形成三维互连结构，取代了传统平面扇出的互连方案，极大缩减了射频系统的整体尺寸，在实现小型化的同时提供了波导输出接口，提升了互连自由度与灵活度。
144.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
145.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。