[發(fā)明專利]一種基于超聲-壓力復(fù)合工藝將液態(tài)金屬快速填充至TSV的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011345025.7
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112331613B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李邦盛;晉璽;楊堯;梁玉鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L23/48
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

一種基于超聲?壓力復(fù)合工藝將液態(tài)金屬快速填充至TSV的方法，本發(fā)明涉及一種基于超聲?壓力復(fù)合工藝將液態(tài)金屬快速填充至TSV的方法。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有TSV填充技術(shù)中的填充密度低以及不能填充高深寬比TSV的問題，本發(fā)明方法為：將帶有TSV硅片固定在液態(tài)金屬液面上方進行烘烤；然后下移至液態(tài)金屬液中，超聲變幅桿工具頭同時下降并浸入金屬液中，后開啟超聲波發(fā)生裝置并向密封室內(nèi)通入Ar氣，液態(tài)金屬在氣壓及超聲的復(fù)合作用下填充至TSV中。本發(fā)明可實現(xiàn)高深寬比TSV硅微孔的高質(zhì)量快速填充，孔徑范圍80?300μm，孔深范圍200?500μm，填充率大于99％。本發(fā)明應(yīng)用于硅通孔填充領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于超聲-壓力復(fù)合工藝將液態(tài)金屬快速填充至TSV的方法。

背景技術(shù)

近年來，傳統(tǒng)二維芯片集成電路高密度和多功能等方面的提升已趨飽和，成本越來越高，于是更先進的3D(即三維)芯片集成技術(shù)便應(yīng)運而生。3D集成電路將多個芯片在垂直方向上堆疊起來，并利用硅通孔(縮寫TSV，全稱Through-Silicon Via)實現(xiàn)不同層芯片間良好電學(xué)連接，無需鍵合引線，有效縮短互連線長度，減少信號傳輸延遲和損失，提高信號速度和寬帶，降低功耗和封裝體積，實現(xiàn)大幅優(yōu)化集成電路的小型化、高密度與多功能。TSV技術(shù)是實現(xiàn)3D集成電路的最關(guān)鍵技術(shù)，而TSV技術(shù)的最大難點則是如何在TSV硅微孔內(nèi)無缺陷地填充導(dǎo)電材料。

目前，工業(yè)生產(chǎn)中均采用電鍍Cu工藝填充TSV，但費時很長，成本高，效率低，高深寬比電鍍Cu微柱內(nèi)易產(chǎn)生孔洞嚴(yán)重降低其電學(xué)性能和可靠性，尤其是無法填充不等孔徑硅微孔TSV，以便大幅改善電信號傳輸性能與電損耗性能，因而亟需研發(fā)一種可實現(xiàn)高深寬比以及不等徑TSV制備的高效率、低成本、高質(zhì)量新型填充工藝。

為了克服電鍍Cu填充TSV孔的不足，液態(tài)金屬填充TSV法應(yīng)運而生。液態(tài)金屬填充TSV技術(shù)是近幾年來新興的先進技術(shù)，在外力作用下，將液態(tài)金屬壓入TSV孔的填充方式具有速度快、成本低、適用于各種長徑比TSV孔、可一次填充不同孔徑的優(yōu)勢，具有充填效率高，工藝簡單等優(yōu)點。迄今國內(nèi)外均采用在重力場下，借助施加正壓或負(fù)壓實現(xiàn)液態(tài)金屬填充TSV的硅微孔，但上述在重力場下的填充技術(shù)填充能力受限，均難以進一步提高所制備TSV的密度與深寬比。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有TSV填充技術(shù)中的填充密度低以及不能填充高深寬比TSV的問題，提供一種基于超聲-壓力復(fù)合工藝將液態(tài)金屬快速填充至TSV的方法。

本發(fā)明一種基于超聲-壓力復(fù)合工藝將液態(tài)金屬快速填充至TSV的方法，按以下步驟實現(xiàn)：

一、將帶有TSV的硅片固定在密封室內(nèi)樣品夾具中，超聲裝置的鈦工具頭下端與帶有TSV的硅片的距離為1-2cm；

二、在密封室的坩堝中放入金屬，然后對密封室進行抽真空處理，利用鉬加熱帶對坩堝進行加熱，待金屬熔化成液態(tài)金屬后，將帶有TSV的硅片下降到液態(tài)金屬液面上方進行烘烤；

三、將烘烤結(jié)束的帶有TSV的硅片下移至液態(tài)金屬中，超聲裝置的鈦工具頭同時下降并浸入液態(tài)金屬中，然后開啟超聲波發(fā)生裝置并向密封室內(nèi)通入Ar氣，液態(tài)金屬在氣壓及超聲的復(fù)合作用下填充至TSV中，填充過程完畢將帶有TSV的硅片移出液態(tài)金屬，待冷卻后即完成；

其中密封室分為升降室和填充室，升降室位于填充室上方，并與填充室連通；升降室內(nèi)豎直設(shè)置滾珠絲杠，滾珠絲杠上設(shè)有滑塊，升降室內(nèi)壁上沿豎直方向開設(shè)有導(dǎo)軌，滑塊與導(dǎo)軌滑動連接；密封室內(nèi)還設(shè)有超聲裝置，超聲裝置由超聲波變幅桿和鈦工具頭組成，超聲波變幅桿頂端與滑塊固定連接，底端固定連接鈦工具頭；超聲波變幅桿上固定設(shè)置樣品固定桿，樣品固定桿底端設(shè)有樣品夾具；

金屬加熱裝置固定在填充室底部，金屬加熱裝置和超聲裝置為相對設(shè)置；金屬加熱裝置由鉬隔熱屏、鉬加熱帶和坩堝組成，鉬加熱帶纏繞在坩堝外壁，鉬隔熱屏包覆鉬加熱帶和坩堝；

填充室上還設(shè)有觀察窗和照明燈。