應(yīng)用于TGV的ICP玻璃刻蝕工藝研究
玻璃通孔( TGV) 技術(shù)被認(rèn)為是下一代三維集成的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的核心為深孔形成工藝。感應(yīng)耦合等離子體(ICP) 刻蝕技術(shù)是半導(dǎo)體領(lǐng)域中深孔形成的重要手段之一。本文通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究ICP 石英玻璃刻蝕工藝中工作壓強(qiáng)、C4F8流量、Ar 流量三個(gè)工藝參數(shù)對深孔刻蝕的影響，探索提高刻蝕速率的優(yōu)化組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，C4F8流量對玻璃刻蝕速率有顯著影響，并且隨著C4F8 /Ar 流量比減小，側(cè)壁角度垂直性越好。實(shí)驗(yàn)為TGV 技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
隨著半導(dǎo)體制造工藝向深亞微米及納米級發(fā)展，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)逐漸接近極限，集成電路晶體管數(shù)目的增加和特征尺寸的縮小越發(fā)緩慢和困難，“摩爾定律”的延續(xù)面臨巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，傳統(tǒng)封裝中信號傳輸距離長帶來的互連延遲問題日益嚴(yán)重，難以滿足芯片高速和低功耗的要求。為克服集成電路和傳統(tǒng)封裝面臨的難題，三維集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中硅通孔( Through Silicon Via，TSV) 技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)三維集成最有前景的技術(shù)。
TSV 技術(shù)通過在芯片與芯片、晶圓與晶圓之間制作垂直通孔，實(shí)現(xiàn)芯片之間的直接互連。它能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、芯片間的互連線最短、外形尺寸最小，顯著提高芯片速度，降低芯片功耗，因此成為目前電子封裝技術(shù)中最引人注目的一種技術(shù)。然而，硅是一種半導(dǎo)體材料，TSV 周圍的載流子在電場或磁場作用下可以自由移動，對鄰近的電路或信號產(chǎn)生影響，影響芯片性能。玻璃材料沒有自由移動的電荷，介電性能優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)( CTE) 與硅接近，以玻璃替代硅材料的玻璃通孔( Through Glass Via，TGV) 技術(shù)可以避免TSV的問題，是理想的三維集成解決方案。此外，TGV 技術(shù)無需制作絕緣層，降低了工藝復(fù)雜度和加工成本。TGV 及相關(guān)技術(shù)在光通信、射頻、微波、微機(jī)電系統(tǒng)、微流體器件和三維集成領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
TGV 技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題是沒有類似硅的“Bosch”深刻蝕工藝，難以快速制作高深寬比的玻璃深孔或溝槽。傳統(tǒng)的噴砂法、濕法刻蝕法和激光鉆孔法等均存在一定的局限性。感應(yīng)耦合等離子體( ICP) 干法刻蝕技術(shù)控制精度高，刻蝕表面平整光滑，垂直度好，常用于刻蝕高深寬比結(jié)構(gòu)。近年來，國內(nèi)外的研究單位在等離子體玻璃刻蝕方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。氣體成分主要采用碳氟氣體、SF6與Ar、He 等不同惰性氣體的組合。文獻(xiàn)報(bào)道的最高刻蝕速率可以達(dá)到1. 7 μm/min，但各向同性刻蝕嚴(yán)重。由于玻璃襯底上掩膜沉積工藝的限制，在深孔刻蝕時(shí)，需要一定的刻蝕選擇比。在保證側(cè)壁垂直性與刻蝕選擇比的同時(shí)提高玻璃刻蝕速率成為目前研究的難點(diǎn)。針對這一情況，本文基于ICP干法刻蝕原理，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究關(guān)鍵因素對石英玻璃深孔刻蝕速率( Etch Rate，ER) 的影響，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，探索在較好的側(cè)壁垂直度下提高玻璃刻蝕速率的方法。
1、實(shí)驗(yàn)
1.1、ICP 玻璃刻蝕基本原理
實(shí)驗(yàn)采用北方微電子公司的GSE200C 刻蝕機(jī)臺。系統(tǒng)有兩路頻率均為13.56 MHz 的射頻功率源。射頻源功率連接真空反應(yīng)腔室上方的線圈來激發(fā)腔室內(nèi)的刻蝕氣體，射頻偏壓功率連接真空反應(yīng)腔室內(nèi)的靜電卡盤來控制離子能量和方向。石英玻璃的主要成分為SiO2，Si-O 鍵的鍵強(qiáng)為200 kcal /mol( 約8 eV) ，大于Si-Si 鍵80 kcal /mol( 約3.4 eV) 鍵強(qiáng)的2 倍，這是SiO2的ER 慢于Si 的主要原因。因此，SiO2刻蝕以物理刻蝕為主，化學(xué)刻蝕為輔，通常采用碳氟氣體，如CF4、CHF3、C4F8等，并加入一定量的惰性氣體。一般來說，碳原子數(shù)與氟原子數(shù)的比越高，就能形成越多的聚合物和越高的刻蝕選擇比，有利于深孔刻蝕，故本實(shí)驗(yàn)碳氟氣體選用C4F8。惰性氣體中He、Ar 為半導(dǎo)體工藝常用氣體，且成本較其他惰性氣體有優(yōu)勢。而相比于He，Ar 具有用于物理刻蝕的相對大的質(zhì)量，有利于提高SiO2的ER，故本實(shí)驗(yàn)惰性氣體選用Ar。C4F8在等離子體放電過程中主要離解為C2F4，C2F4進(jìn)一步離解為更小的CFx自由基。在CFx( CF，CF2，CF3) 自由基中，CF2含量最多。
工藝過程中主要反應(yīng)為：
1.2、實(shí)驗(yàn)方法
影響石英玻璃ER 的因素主要有射頻源功率、射頻偏壓功率、工作壓強(qiáng)、氣體流量和冷卻器( chiller)溫度等。本文主要通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究壓強(qiáng)、C4F8流量、Ar 氣流量三個(gè)因素對石英玻璃ER 的影響。采用L9 (34 ) 正交表安排實(shí)驗(yàn)，取壓強(qiáng)、C4F8流量、Ar 氣流量三個(gè)因素，每個(gè)因素取三個(gè)水平，做三因素三水平實(shí)驗(yàn)，第四列空列作為誤差項(xiàng)，忽略因素間的交互作用。實(shí)驗(yàn)中三因素所取水平依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道和前期經(jīng)驗(yàn)選取，如表1 所示。其他工藝參數(shù)固定，源功率為2500 W，偏壓功率為600 W，Chiller溫度T = 20℃，刻蝕時(shí)間為100 min。
表1 ICP 玻璃刻蝕因素和水平分布表
正交實(shí)驗(yàn)安排如表2。為了消除或減小人為因素引起的系統(tǒng)誤差的影響，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中對表中實(shí)驗(yàn)次序進(jìn)行隨機(jī)化處理。
表2 L9( 34 ) 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)正交表
1.3、樣品制備
實(shí)驗(yàn)樣品為雙面拋光石英玻璃，純度為SiO2 >99.995%，厚度為500 μm。玻璃掩膜制作采用物理氣相沉積(PVD) Al 層，Al 層厚6 μm; 采用Cl2 /BCl3干法刻蝕進(jìn)行圖形化，獲得孔徑為50 μm，節(jié)距( pitch) 為70 μm 的TGV 通孔陣列。
3、結(jié)論
本文基于ICP 等離子體干法刻蝕原理，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了壓強(qiáng)、C4F8流量、Ar 氣流量三個(gè)因素對石英玻璃直徑50 μm 深孔ER 的影響及其顯著性，獲得了較好側(cè)壁角度下最大758 nm/min的ER。進(jìn)一步還需考慮各個(gè)因素之間的交互作用，全面優(yōu)化工藝參數(shù)組合，在保證較好側(cè)壁垂直性的前提下，獲得更快的ER。玻璃ICP 刻蝕工藝研究是TGV 技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，在光通信、射頻、微波、微機(jī)電系統(tǒng)、微流體器件和三維集成領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
