MEMS傳感器制備中的玻璃通孔金屬填充工藝設(shè)計

石云波，趙思晗，趙永祺，李 飛，焦靜靜，李志強

（中北大學 電子測試技術(shù)重點實驗室，太原 030051）

近年來三維（3-D）集成電路和互聯(lián)堆疊的2.5維（2.5D）集成電路因其低功耗、性能好、功能密度高等優(yōu)點，被認為是克服摩爾定律局限性最有希望的技術(shù)之一[1]。3-D封裝就是半導(dǎo)體元件的堆疊，晶片之間采用垂直互聯(lián)技術(shù)[2]。意法半導(dǎo)體已將硅通孔技術(shù)引入MEMS器件的制造中，例如，多軸慣性模塊、智能傳感器等，用垂直短線互聯(lián)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)芯片間引線互聯(lián)，在降低了產(chǎn)品尺寸的同時實現(xiàn)了更高的集成度，大大提高了產(chǎn)品的性能[3-5]。實現(xiàn)3-D和2.5-D集成電路的集成，關(guān)鍵技術(shù)有硅通孔（TSV）工藝、化學機械拋光工藝（CMP）、晶圓鍵合工藝、電化學沉積工藝（ECD）等，其中硅通孔工藝由于其縮短了芯片間的互聯(lián)路徑，同時具有更薄的封裝尺寸，被認為是 3-D集成工藝中的核心技術(shù)[6-8]，可以廣泛應(yīng)用在MEMS、COMS圖像傳感器和存儲設(shè)備等諸多領(lǐng)域。近年來，由于玻璃的熱膨脹系數(shù)可調(diào)、低插入損耗、高電阻率等優(yōu)點，由硅通孔工藝拓展的玻璃通孔工藝（TGV）已經(jīng)受到了人們的廣泛關(guān)注[9]。通孔內(nèi)的金屬填充一直是TGV工藝的難點，2017年K.Demir等人采用薄聚合物層壓和化學鍍的方式實現(xiàn)了玻璃通孔側(cè)壁上的金屬覆蓋[10]；Yu-Hsiang Tang等人在2016年采用硅做犧牲層，在硅片上濺射金屬做種子層，然后通過硅-玻璃鍵合和電鍍工藝實現(xiàn)了玻璃上通孔的金屬填充[11]，但這兩個工藝流程中分別包含了聚合物層壓和玻璃減薄工藝，加工過程復(fù)雜且成本較高。因此，本文設(shè)計了一種基于電化學反應(yīng)理論的填充工藝，只需要在種子層上做掩膜和兩次電鍍即可以實現(xiàn)玻璃通孔中金屬的快速填充。

1 電鍍理論分析

根據(jù)法拉第（Farady）的電解定律[12]，單位面積上鍍層厚度Q可以表示為

其中，M、n、ρ分別為沉積金屬的相對原子量、原子價和密度，t為時間，J是電流密度。

其中，y是陰陽極板的表面距離，U為極板間的電壓，σ為電阻率。由式(1)(2)易知電鍍時沉積金屬層的厚度與電鍍的時間和電流密度成正比，電流密度又與兩個極板間距成反比。因此，在電化學中，如果電極表面不平整，在凸起的部位或者是邊角處就會有較高的電流密度，從而形成更厚的沉積層，如圖1所示[13]。

圖1 電極表面不平整時電流密度分布Fig.1 Current density distribution when electrode surface is not smooth

在水溶液體系的電解液中，電流的大小可以通過溶液電阻 Re、陰陽極的極化電阻 RP和加在裝載電解液的鍍槽上的電壓E來判斷[14]，如公式(3)所示：

其中，溶液電阻 Re取決于電鍍?nèi)芤旱慕M成情況和極間距離，當陰極電極表面不平整時電解液中陰-陽極距離差異會導(dǎo)致溶液電阻的阻值不同，凹處的溶液電阻大于凸起處的電阻，同樣凹處的電流將會變小，金屬的沉積速度變慢；極化電阻 RP是由于電化學反應(yīng)速度緩慢而產(chǎn)生的，由式(3)可知，極化電阻 RP的增大可以縮減凹槽內(nèi)外電流大小的差值，形成更致密的電鍍層。

由以上分析可知，在帶通孔基片的一側(cè)濺射種子層進行電鍍，通孔可以改變周遭電流的流向，電流密度少量增加，改變了沉積層的生長方向和生長速率，但由于通孔直徑較大，填滿金屬需要的時間很長，會造成成本過高、生長在玻璃表面過厚的電鍍層難以去除等問題。電流分布可由圖2表示。

圖2 陰極電極通孔的電流密度分布Fig.2 Current density distribution of cathode electrode with through via

將光刻膠覆蓋在陰極玻璃基片上通孔外側(cè)大面積種子層沉積的區(qū)域，即可大大提高通孔周邊的電流密度，如圖3所示。在減少電鍍時間、節(jié)約成本的同時解決了基片上形成過厚的種子層而造成金屬刻蝕困難的問題。

圖3 帶掩模時通孔周圍電流密度分布Fig.3 Current density distribution around the through via with mask

2 工藝流程設(shè)計

設(shè)計中采用的主要工藝是銅的電鍍，根據(jù)電解原理，在導(dǎo)電層表面進行金屬的沉積之前要在電鍍的位置濺射種子層。整體工藝流程如圖4所示。

圖4 玻璃通孔（TGV）填充工藝Fig.4 Filling process of through glass vias

首先，進行備片，對玻璃基片進行常規(guī)清洗；然后，采用紫外納秒激光對玻璃基片進行燒灼打孔，用98%的濃硫酸與30%的雙氧水（體積比是7︰3）清洗玻璃片去除激光打孔過程中玻璃融化濺射的雜質(zhì)；隨后，依次濺射粘附層Cr和種子層Cu，并在種子層上勻膠進行光刻圖形化處理，在種子層上電鍍銅直至將孔的入口處填滿，去掉掩膜用的光刻膠，重新在電鍍層上勻一層膠，最后，以孔口處的電鍍銅為種子層再次電鍍，直至通孔完全填充。

3 實 驗

3.1 激光打孔和磁控濺射

本次實驗首先對激光打孔和濺射金屬這兩個工藝的先后順序進行了分析，以觀察激光刻蝕玻璃通孔的表面形貌，兩種不同先后順序的刻蝕結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可明顯看出，先打孔時金屬在玻璃表面的覆蓋平整度優(yōu)于先濺射時的平整度，這是由于紫外激光刻蝕過程中會釋放熱量，高溫熔融的金屬包裹住部分飛濺的融化玻璃，一起沉積在基片表面。而先打孔后濺射工藝形貌良好，金屬表面平整，有利于通孔入口的填充。故本實驗的第一步工藝是在裸玻璃片上進行激光打孔，然后用磁控濺射機依次濺射金屬Cr和Cu。

圖5 調(diào)整順序后的激光打孔效果圖Fig.5 Effect of laser drilling after the sequence is adjusted

3.2 電鍍銅

降低成本是 TGV技術(shù)研究和探索的重要目標之一，因此進行電鍍的時間不宜過長；另外電流增大會加快金屬層沉積的速率，使得電鍍后形貌變差，導(dǎo)致電鍍層的致密性不好[15]，最終造成后續(xù)工藝的真空度受損或是通孔無法導(dǎo)電。綜上所述，在同一玻璃片上選取 4 個激光入口直徑分別為 60 μm、100 μm、150 μm和200 μm的孔，進行磁控濺射，濺射完成后利用劃片機劃開，觀察孔內(nèi)壁的形貌，如圖6所示。通過觀察確定最優(yōu)的玻璃通孔直徑。

從圖 6中可以看出，激光打孔的垂直度很高[16]，經(jīng)測量其垂直度約88.7°，濺射的金屬在不同直徑的玻璃孔內(nèi)壁上都有部分淀積。當入口直徑為60 μm時，通孔如圖 6(a)所示，孔底未完全穿通；入口直徑大于100 μm 時，如圖6(b)、6(c)和 6(d)所示，玻璃完全穿通。

圖6 磁控濺射后孔的內(nèi)壁形貌Fig.6 Morphology of the inner wall of pores after magnetron sputtering

將打透的玻璃孔濺射完成后進行電鍍，采用掛鍍的方式，通過計算濺射金屬層的面積，設(shè)置電流為25 mA/cm2，電壓為0.3 V，電鍍時間為45 min。隨后觀察不同直徑的玻璃孔在入口處形貌，如圖7所示。圖7(a)中顯示激光打孔的入口直徑為100 μm時，電鍍45 min之后孔口已經(jīng)封住，并且有一定的垂直生長；而圖7(b)和 7(c)顯示入口直徑為 150 μm 和 200 μm 的玻璃通孔在45 min電鍍后孔口未被填滿。通過多次實驗得到通孔直徑與電鍍填充完全的時間關(guān)系，如表1所示。

圖7 不同入口直徑的孔電鍍銅后的形貌Fig.7 Morphology of copper electroplated holes with different inlet diameters

表1 不同孔徑通孔的封口和電鍍時間的關(guān)系Tab.1 Relationship between the sealing and electroplating time of through holes with different pore sizes

增加電鍍的時間會加大工藝成本，因此，選取激光入口直徑100 μm的通孔進行第二步電鍍工藝，在玻璃濺射金屬的一側(cè)加上掩膜，確保第二步電鍍時銅只能在通孔內(nèi)垂直生長。為了方便測試，增加了電鍍的時間，使金屬銅長到通孔的外面，最終從玻璃的下表面觀察到通孔形貌，如圖8所示。

圖8 第二次電鍍后從通孔中長出的金屬Fig.8 The metal that grows out of a through hole after the second electroplating

4 導(dǎo)電性測試

為了驗證電鍍之后玻璃通孔是否具有導(dǎo)電性能，采用數(shù)字萬用表（Agilent4001A）對通孔兩側(cè)金屬的通斷進行測式，測量過程如圖 9所示。結(jié)果顯示通孔導(dǎo)電性良好；為檢驗通孔的一致性，利用數(shù)字萬用表測量每個通孔的阻值，測試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明通孔間的電阻均約為0.347 ?，最大誤差不超過2.59%。

圖9 用數(shù)字萬用表測電阻Fig.9 Resistance measured with a digital multi-meter

表2 通孔電阻大小Tab.2 Resistance size of the through hole

最后，利用劃片機（DISCO）將測試后的通孔劃開，在掃描電子顯微鏡下觀察填充金屬后通孔形貌，如圖10所示，可以看出金屬致密性良好。為保證實驗的一致性，所有通孔均是在同一片玻璃片上制備。對200 μm直徑的通孔封口，由于電鍍時間過長，通孔上表面有較厚的電鍍層沉積。通孔下方存在金屬凸點，在劃片過程中造成部分金屬缺失。這些問題均可通過控制電鍍時間以及拋光工藝得到改善。

圖10 電鍍后通孔形貌Fig.10 Morphology of through via after electroplating

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種新型的玻璃穿透導(dǎo)線制備工藝，并通過試驗驗證了其可行性，在試驗中對比了激光打孔和磁控濺射的先后順序?qū)ΣＡП砻嫘蚊驳挠绊懸约安煌睆降耐讓﹄婂儠r間的影響。結(jié)果表明，300 μm 厚的玻璃最優(yōu)通孔直徑為 100 μm，兩次電鍍后通孔內(nèi)填充金屬致密均勻、形貌良好，孔間電阻約為0.347 Ω，最大誤差為2.59%。這一方法有效地減少了工藝步驟，降低了加工成本。在實現(xiàn)低成本、批量化的MEMS傳感器晶圓級真空封裝中，該方法具有很好的應(yīng)用價值。