一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法技术

一种基于超声

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法。

技术介绍

[0002]近年来，传统二维芯片集成电路高密度和多功能等方面的提升已趋饱和，成本越来越高，于是更先进的3D(即三维)芯片集成技术便应运而生。3D集成电路将多个芯片在垂直方向上堆叠起来，并利用硅通孔(缩写TSV，全称Through-Silicon Via)实现不同层芯片间良好电学连接，无需键合引线，有效缩短互连线长度，减少信号传输延迟和损失，提高信号速度和宽带，降低功耗和封装体积，实现大幅优化集成电路的小型化、高密度与多功能。TSV技术是实现3D集成电路的最关键技术，而TSV技术的最大难点则是如何在TSV硅微孔内无缺陷地填充导电材料。
[0003]目前，工业生产中均采用电镀Cu工艺填充TSV，但费时很长，成本高，效率低，高深宽比电镀Cu微柱内易产生孔洞严重降低其电学性能和可靠性，尤其是无法填充不等孔径硅微孔TSV，以便大幅改善电信号传输性能与电损耗性能，因而亟需研发一种可实现高深宽比以及不等径TSV制备的高效率、低成本、高质量新型填充工艺。
[0004]为了克服电镀Cu填充TSV孔的不足，液态金属填充TSV法应运而生。液态金属填充TSV技术是近几年来新兴的先进技术，在外力作用下，将液态金属压入TSV孔的填充方式具有速度快、成本低、适用于各种长径比TSV孔、可一次填充不同孔径的优势，具有充填效率高，工艺简单等优点。迄今国内外均采用在重力场下，借助施加正压或负压实现液态金属填充TSV的硅微孔，但上述在重力场下的填充技术填充能力受限，均难以进一步提高所制备TSV的密度与深宽比。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是要解决现有TSV填充技术中的填充密度低以及不能填充高深宽比TSV的问题，提供一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法。
[0006]本专利技术一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法，按以下步骤实现：
[0007]一、将带有TSV的硅片固定在密封室内样品夹具中，超声装置的钛工具头下端与带有TSV的硅片的距离为1-2cm；
[0008]二、在密封室的坩埚中放入金属，然后对密封室进行抽真空处理，利用钼加热带对坩埚进行加热，待金属熔化成液态金属后，将带有TSV的硅片下降到液态金属液面上方进行烘烤；
[0009]三、将烘烤结束的带有TSV的硅片下移至液态金属中，超声装置的钛工具头同时下降并浸入液态金属中，然后开启超声波发生装置并向密封室内通入Ar气，液态金属在气压及超声的复合作用下填充至TSV中，填充过程完毕将带有TSV的硅片移出液态金属，待冷却
后即完成；
[0010]其中密封室分为升降室和填充室，升降室位于填充室上方，并与填充室连通；升降室内竖直设置滚珠丝杠，滚珠丝杠上设有滑块，升降室内壁上沿竖直方向开设有导轨，滑块与导轨滑动连接；密封室内还设有超声装置，超声装置由超声波变幅杆和钛工具头组成，超声波变幅杆顶端与滑块固定连接，底端固定连接钛工具头；超声波变幅杆上固定设置样品固定杆，样品固定杆底端设有样品夹具；
[0011]金属加热装置固定在填充室底部，金属加热装置和超声装置为相对设置；金属加热装置由钼隔热屏、钼加热带和坩埚组成，钼加热带缠绕在坩埚外壁，钼隔热屏包覆钼加热带和坩埚；
[0012]填充室上还设有观察窗和照明灯。
[0013]本专利技术通过超声功率和附加压力的匹配，能有效提高填充效果和填充质量。此外借助超声的机械空化作用急剧增加液态金属在凝固过程中的晶粒形核率，从而大幅细化TSV硅微孔内液态金属凝固形成的金属微柱的晶粒尺寸，确保金属微柱具有优异的力学性能。
[0014]本专利技术有益效果：
[0015]一、本专利技术率先提出超声场辅助液态金属填充TSV技术。
[0016]二、本专利技术将超声场引入液态金属填充TSV成形过程中，大幅提高微尺度下液态金属的充型流动能力，确保全部圆满充填TSV硅微孔。
[0017]三、本专利技术利用超声的机械空化作用细化合金组织，大幅优化TSV填充金属微柱的显微组织与力学性能，
[0018]四、本专利技术可实现高深宽比TSV硅微孔的高质量快速填充，孔径范围80-300μm，孔深范围200-500μm，填充率大于99％。
[0019]五、本专利技术解决了TSV填充技术的关键瓶颈问题，实现高密度、高深宽比、不等径TSV技术，低成本、高效率、大批量、高质量制备3D集成电路。
附图说明
[0020]图1为80μm孔径TSV硅微孔转接板液态金属填充孔形貌俯视图；
[0021]图2为80μm孔径TSV硅微孔转接板中单一液态金属填充孔形貌图；
[0022]图3为150μm孔径TSV硅微孔转接板中液态金属填充孔形貌俯视图；
[0023]图4为150μm孔径TSV硅微孔转接板中单一液态金属填充孔形貌图；
[0024]图5为150μm孔径TSV转接板的X射线三维显微镜图像；
[0025]图6为150μm孔径TSV转接板的液态金属完整填充硅孔形貌侧面剖视图；
[0026]图7为本专利技术密封室的结构示意图。
具体实施方式
[0027]具体实施方式一：本实施方式一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法，按以下步骤实现：
[0028]一、将带有TSV的硅片15固定在密封室内样品夹具8中，超声装置的钛工具头6下端与带有TSV的硅片15的距离为1-2cm；
[0029]二、在密封室的坩埚11中放入金属，然后对密封室进行抽真空处理，利用钼加热带10对坩埚11进行加热，待金属熔化成液态金属12后，将带有TSV的硅片下降到液态金属12液面上方进行烘烤；
[0030]三、将烘烤结束的带有TSV的硅片15下移至液态金属12中，超声装置的钛工具头6同时下降并浸入液态金属12中，然后开启超声波发生装置并向密封室内通入Ar气，液态金属12在气压及超声的复合作用下填充至TSV中，填充过程完毕将带有TSV的硅片15移出液态金属12，待冷却后即完成；
[0031]其中密封室分为升降室1和填充室2，升降室1位于填充室2上方，并与填充室2连通；升降室1内竖直设置滚珠丝杠3，滚珠丝杠3上设有滑块4，升降室1内壁上沿竖直方向开设有导轨，滑块4与导轨滑动连接；密封室内还设有超声装置，超声装置由超声波变幅杆5和钛工具头6组成，超声波变幅杆5顶端与滑块4固定连接，底端固定连接钛工具头6；超声波变幅杆5上固定设置样品固定杆7，样品固定杆7底端设有样品夹具8；
[0032]金属加热装置固定在填充室2底部，金属加热装置和超声装置为相对设置；金属加热装置由钼隔热屏9、钼加热带10和坩埚11组成，钼加热带10缠绕在坩埚11外壁，钼隔热屏9包覆钼加热带10和坩埚11；
[0033]填充室上还设有观察窗13和照明灯14。
[0034]本实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：一、将带有TSV的硅片(15)固定在密封室内的样品夹具(8)中，超声装置的钛工具头(6)下端与带有TSV的硅片(15)的距离为1-2cm；二、在密封室的坩埚(11)中放入金属，然后对密封室进行抽真空处理，利用钼加热带(10)对坩埚(11)进行加热，待金属熔化成液态金属(12)后，将带有TSV的硅片下降到液态金属(12)液面上方进行烘烤；三、将烘烤结束的带有TSV的硅片(15)下移至液态金属(12)中，超声装置的钛工具头(6)同时下降并浸入液态金属(12)中，然后开启超声波发生装置并向密封室内通入Ar气，液态金属(12)在气压及超声的复合作用下填充至TSV中，填充过程完毕将带有TSV的硅片(15)移出液态金属(12)，待冷却后即完成；其中密封室分为升降室(1)和填充室(2)，升降室(1)位于填充室(2)上方，并与填充室(2)连通；升降室(1)内竖直设置滚珠丝杠(3)，滚珠丝杠(3)上设有滑块(4)，升降室(1)内壁上沿竖直方向开设有导轨，滑块(4)与导轨滑动连接；密封室内还设有超声装置，超声装置由超声波变幅杆(5)和钛工具头(6)组成，超声波变幅杆(5)顶端与滑块(4)固定连接，底端固定连接钛工具头(6)；超声波变幅杆(5)上固定设置样品固定杆(7)，样品固定杆(7)底端设有样品夹具(8)；金属加热装置固定在填充室(2)底部，金属加热装置和超声装置为相对设置；金属加热装置由钼隔热屏(9)、钼加热带(10)和坩埚(11)组成，钼加热带(10)缠绕在坩埚(11)外壁，钼隔热屏(9)包覆钼加热带(10)和坩埚(11)；填充室(2)上还设有观察窗(13)和照明灯(14)。2.根据权利要求1所述的一种基于超声-压力复合工...

【专利技术属性】
技术研发人员：李邦盛，晋玺，杨尧，梁玉鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：