CN1412821A - 在硅基片上形成通孔或凹陷的方法 - Google Patents

在硅基片上形成通孔或凹陷的方法 Download PDF

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Abstract

通过向硅基片照射激光束而在其一面上形成有导电图形的硅基片中形成通孔或凹陷的方法，该方法包括以下步骤，在硅基片的一侧形成用于保护导电图形的防护膜，在包括防护膜顶部硅基片的整个表面上形成附着在防护膜上的金属电镀膜，向由防护膜及金属电镀膜覆盖的硅基片预定位置照射激光束，以便在硅基片中形成通孔或凹陷，剥离金属电镀膜并清除围绕通孔或凹陷开口周边金属电镀膜上的碎片，这些碎片是在通过激光束照射形成通孔或凹陷期间沉积在其上的，并使用不损坏防护膜的清除溶液，清除通孔或凹陷内壁上的沉积物，它们是在通过激光束照射形成通孔或凹陷期间沉积在其上的。

Description

在硅基片上形成通孔或凹陷的方法
本发明的背景
1.本发明的领域
本发明涉及一种在硅基片上形成通孔的方法。更具体来说，本发明涉及一种用于在硅基片上形成孔的方法，该方法使用激光束照射在其一面上形成有一种图形的硅基片，并形成通孔或凹陷。
2.相关技术的说明
近年来电子器件的性能变得更高而它们的尺寸已变得更小。伴随这一趋势，多个半导体芯片排布在一个外壳中的所谓“多芯片封装(MCP)”作为半导体器件已经被制造，以便改进器件的性能并降低器件的尺寸。图7中所示的三维MCP，其中多个半导体芯片在厚度的方向上叠置，特别具有与多个半导体芯片排布在一个平面方向的二维MCP相比对电子器件小型化更大的贡献，并因而受到积极的研究(例如参见日本未审查专利公开文献(Kokai)No.2001-94039 and 10-163411)。
在这种三维MCP中，这样叠置的半导体芯片必须彼此电连接。为此，称为“通路(via)”102的部件用来电连接如图7中所示彼此叠置的半导体芯片100，从集成效率和安装效率方面来说，该部件比使用导线彼此电连接半导体芯片100是更有利的。为了如图7所示通过通路102电和相互连接半导体芯片100，必须在半导体芯片100中形成通孔104。过去已经采用使用等离子加工的方法或使用激光加工的方法，在主要由用于半导体芯片100的硅形成的基片中，形成一个孔或多个孔，诸如用于形成通路的通孔。
在这些孔的形成方法中，使用等离子加工方法能够在硅基片中形成整洁的孔，只有极少量的碎片粘附在诸如通孔这样的孔的内表面。然而，使用等离子工艺的孔的形成方法不能消除形成孔诸如通孔的高成本，因而需要一种孔形成方法，该方法要能够在硅基片中以较低的成本形成孔。
与使用等离子加工的方法相比，通过激光加工在半导体基片中形成孔的方法能够以较低的成本在半导体基片中形成孔，诸如通孔，但是不能形成整洁的孔。在图8中所示的使用激光加工的孔的形成方法中，当激光束204照射到通过真空固定在工作台202上的硅基片200时，在硅基片200中形成的一个凹陷206a逐渐变深，并最后在硅基片200中形成通孔206。沉积物(激光渣)208，作为由于激光束204的照射所致从硅基片200散开并沉积的碎片，出现在激光束204的照射侧由此而形成的通孔206的开口周围附近部分。此外，碎片还粘附在通孔206的内壁及面向工作台202的硅基片的表面，如图9所示。
当激光渣208和碎片这样被留下时，它们在后继的工艺步骤中剥离硅基片200，转变为其它物质并可能招致产品可靠性的降低。当硅基片200在苛性钾(KOH)溶液等中被洗涤时，激光渣208和碎片能够被清除，但是在硅基片200上的一侧形成的导电图形210在洗涤期间有可能被苛性钾溶液损坏。而且，当激光束形成通孔206时，在形成通孔206期间热量在硅基片200内聚集，且导电图形210也可能被热损伤。因而，过去在工业上还没有采用使用激光加工在硅基片中成孔的方法。
然而，与使用等离子加工的成孔方法相比，通过激光加工在硅基片中成孔的方法能够以较低的成本形成诸如通孔这样的孔。因而，如果激光加工期间硅基片200的热消散性质能够被改进，并如果围绕在诸如通孔这样所形成的孔开口周围形成的激光渣208和沉积在孔内壁上的碎片能够易于被清除，则使用激光加工的成孔方法能够有利地在工业上使用。
本发明的概述
于是本发明的目的是要提供一种通过激光加工硅基片的成孔方法，该方法能够解决上述各问题，能够改进加工期间热消散性质，并能够易于清除围绕在所形成的孔诸如通孔的开口周围形成的渣滓，及沉积在孔的内壁表面上的碎片。
为了解决上述的问题，发明人首先在硅基片的导电图形形成面上形成了对苛性钾稳定的二氧化硅(SiO2)防护膜，然后在包括这一防护膜的上表面的硅基片整个表面上形成镍(Ni)镀膜，并然后照射激光束从而形成通孔。结果是，发明人已发现，能够消除由激光加工的热量对导电图形可能的损坏，由激光加工形成的通孔能够易于被清洗，并能够形成整洁的通孔。这样发明人完成了本发明。
根据本发明的一个方面，提供了通过向硅基片照射激光束，在其一面上形成有导电图形的硅基片中形成通孔或凹陷的方法，该方法包括以下步骤，在硅基片的一侧(图形形成侧)形成用于防护导电图形的防护膜，在包括防护膜顶部的硅基片的整个表面上形成附着在防护膜上的金属电镀膜，向由防护膜及金属电镀膜覆盖的硅基片预定位置照射激光束，以便在硅基片中形成通孔或凹陷，剥离金属电镀膜并清除围绕通孔或凹陷开口周边金属电镀膜上的沉积物，这些沉积物是在通过激光束照射形成通孔或凹陷期间沉积的，并使用不损坏防护膜的清除溶液，清除沉积在通孔或凹陷内壁上的诸如碎片等沉积物，这些沉积物是在通过激光束照射形成通孔或凹陷期间沉积的。
在上述发明中，可以形成二氧化硅(SiO2)膜作为防护膜，以便允许它也能用作为绝缘膜。当镀镍(Ni)膜作为金属镀膜形成时，能够改进与作为防护膜的二氧化硅(SiO2)膜的附着性。
当苛性钾(KOH)溶液用作为清除通孔或凹陷内壁上的沉积物的清除溶液时，沉积物能够易于被清除。除了KOH溶液之外，NaOH或HF溶液也可以使用。
在照射激光束以便在硅基片中连续形成多个通孔或凹陷的情形下，先前的通孔或凹陷形成之后，后继的通孔或凹陷可以在基片上一位置形成，该位置的选择要使得，通过向基片照射激光束形成前一个通孔或凹陷所产生的热量在后继的通孔或凹陷形成期间基本上不聚集在基片中。另外，在前一个通孔或凹陷形成之后，也可以在形成前一个与后一个通孔或凹陷之间的时间间隔形成后继的通孔或凹陷，该时间间隔的选择要使得向基片照射激光束形成前一个通孔或凹陷所产生的热量，在后一个通孔或凹陷形成期间基本上不聚集在基片中。这样，能够防止由于激光束的照射热量在硅基片中的聚集。
而且在上述的本发明中，当硅基片被放置在工作台上，且激光束被照射在其上并穿过硅基片而形成通孔时，由激光束的照射所形成的碎片被工作台面反射并且沉积在硅基片表面。然而使用具有碎片反射-防护装置的工作台，就能够防止碎片被工作台表面反射及沉积在硅基片上。
在硅基片中形成多个通孔之后，通过向各通孔再次照射激光束能够清除通孔内的碎片。
当在硅基片中形成通孔时，如果激光束18从硅基片不具有导电图形的另一侧照射以形成通孔，则能够减少在硅基片图形形成侧上形成的激光渣滓。
根据本发明，激光加工是在在其上已形成有导电图形的硅基片的整个表面上形成有金属镀膜的条件下进行的。因而，能够改进硅基片的热消散性质，并在激光加工期间所产生的热量能够从硅基片快速消散。因而，能够消除激光加工期间硅基片中的热聚集对导电图形可能的热损坏。
由于在激光加工之后金属电镀膜被剥离，故能够清除在激光加工期间在诸如通孔等孔的开口周边附近形成的沉积物(激光渣等)。
防护膜对用于清除激光加工期间沉积在硅基片上的沉积物的清除溶液是稳定的，这种防护膜保护了硅基片的图形形成面。因而当激光加工之后以清除液清洗硅基片以便清除通孔或凹陷的内壁时，能够消除对硅基片上导电图形可能的损坏。
如上所述，本发明能够改进激光加工期间硅基片的热消散性质，能够易于清除在由激光加工形成的通孔或凹陷开口周边附近部分沉积或堆积的激光渣，以及沉积在通孔或凹陷的内壁上的碎片，并能够通过激光加工易于形成整洁的通孔或凹陷。
附图的简要说明
从考虑以下参照附图所进行的详细说明，业内一般专业人员能够很好地理解和领会本发明以上和其它目的及优点。
图1A到1K表示根据本发明用于在硅基片中成孔的方法；
图2示出使用具有通孔通路和形成的导电图形的多个硅基片所形成三维MCP；
图3表示在硅基片中形成通孔的方法的另一实施例；
图4A到4B示出在硅基片中形成通孔的方法的另一实施例；
图5A和5B示出硅基片中形成通孔方法的又一实施例；
图6A到6C示出根据本发明在硅基片中形成凹陷的方法；
图7示意表示一个三维MCP；
图8表示通过照射激光束在硅基片中形成通孔的一种现有方法；以及
图9示出通过图8所示的现有方法形成的通孔。
优选实施例的说明
图1示出根据本发明在硅基片上形成通孔或凹陷的方法的一个实施例。这一实施例在一硅基片中形成一通孔。
开始，在硅基片10上形成导电图形12(图1A和1B)的一侧(导电图形形成侧)形成二氧化硅(SiO2)膜14作为防护膜。可以通过CVD工艺，使用旋转(涂)器(spinner)施涂SiO2溶液的涂敷方法等，在硅基片10(这以下不时仅称为“基片10”)的图形形成侧上形成这一SiO2膜14。SiO2膜14具有足以覆盖图形12的厚度。
硅基片10的另一侧被打磨以得到一给定的50到300μm厚度。然后，在基片的整个表面上，包括硅基片10上形成的SiO2膜14的顶部及基片10的另一侧，形成镍(Ni)镀膜16(图1C)。能够通过非电镀Ni形成Ni镀膜16，并必要时可以进一步施加电镀Ni。Ni镀膜16的厚度最好从大约0.1到大约1.0μm。
以下，激光束18照射到基片10的导体形成侧预定的位置以形成凹陷20a(图1D)。在这一例子中，如以上参照图8所述，基片10由真空固定在工作台(未示出)上并进行激光束18的照射。能够使用YAG，激发物，二氧化碳激光等产生激光束18。
当激光束18这样照射到硅基片10的一侧时，在照射部分处的Ni镀膜16和SiO2膜14被去除，并然后基片10的硅(Si)被激光束18的能量驱散，从而形成凹陷20a。当激光束18连续地被照射到凹陷20a的底部时，凹陷20a的底部被掘出且凹陷20a逐渐变深。在凹陷20a底部这样被掘出的硅(Si)被激光束18的能量作为碎片驱散，并沉积在凹陷20a开口周边附近部分，形成沉积物(激光渣)22。在凹陷22a变深时激光渣22增高。
当激光束18向硅基片10的一侧同一位置继续照射时，凹陷20a逐渐变深，并最后激光束18突破凹陷20a的底部从而生成通孔20(图1E)。
当激光束18这样连续照射直到通孔20形成时，基片10被加热，但是热量通过Ni镀膜16迅速消散。因而，基片10不会聚集热量到对导电图形12构成很大影响的程度。激光渣22在基片10一侧上通孔开口周边附近形成，且沉积物或碎片22a沉积在通孔20的内壁上以及基片10另一侧其开口周边附近。这种碎片22a在激光束18的能量驱散凹陷20a的底部的硅时形成，并然后这种碎片沉积在基片10的另一侧及通孔20的内壁。
如果激光渣22和碎片22a这样被留下，它们在后继的工艺步骤中从基片10上剥离，转变为其它物质并可能导致产品的可靠性降低。然而，当覆盖基片10的包括SiO2膜14顶部的整个的表面的Ni镀膜16被剥离时，能够一起清除掉在基片10的一侧上形成的激光渣22及沉积在基片10另一侧上的碎片22a(图1F)。能够使用现有技术中通常所使用的Ni镀膜剥离溶液剥离Ni镀膜16。
然而，即使通过用于Ni镀膜16的剥离溶液，沉积在通孔20内壁表面上的碎片22a也不能被充分清除。因而，使用用于清除基片10另一侧上的碎片22a清除溶液，诸如苛性钾(KOH)溶液，来清除碎片22a。这样，能够形成整洁的通孔20(图1G)。当基片10浸入到这种清除溶液中时，导体12不会被损坏，因为SiO2膜14作为防护膜对它进行保护。SiO2膜14不必被剥离，因为它能够在后继工艺步骤中用作为绝缘膜。
为了使这样在基片中生成的整洁的通孔20形成一个通路，在包括通孔20的内壁表面和SiO2膜14表面的基片10整个表面上，通过诸如CVD形成比SiO2膜14薄的另一SiO2膜14a(图1H)。进而，向SiO2膜14a表面施加非电镀铜以形成薄的铜膜32a(图1I)。然后，在薄铜膜32a上形成抗蚀剂图形34，此后使用该抗蚀剂图形34作为掩模进行铜电镀，且将薄的铜膜32a作为电力馈送层以形成通孔20内壁表面上及硅基片10两侧上的铜层32，从而形成通孔-通路及导电图形(图1J)。
然后清除抗蚀剂图形34，并蚀刻掉暴露出的铜膜32a。这样获得具有在其中形成的通孔通路及在其上形成的导电图形的硅基片50(图1k)。
每一个具有通孔-通路和导电图形的多个硅基片50a，50b彼此这样叠置，使得由焊料或金制成的凸起34夹在基片50a，50b之间及最下面硅基片50a与安装基片36之间，以建立它们之间的电连接，从而提供了如图2所示的三维多芯片封装(MCP)。
以上描述的方法借助于(电)镀形成通孔-通路，但是该通路也可以通过向孔20填充导电糊剂形成。
再来参见图1E，如图所示，当形成通孔20时，碎片22a还沉积在基片10的另一侧上通孔20开口周边附近的部分上。如图8所示，当基片10由真空固定在工作台上且激光束18照射到基片时发生这一现象。更具体来说，当激光束突破凹陷20a的底部并生成向基片10的另一侧开放的通孔20时，由激光束18向凹陷20a的底部照射产生的碎片由工作台面反射并沉积在基片10的另一侧上。
如果使用装有碎片反射防护装置的工作台作为支撑在其上的基片10的工作台，则能够防止碎片沉积到基片10的另一侧。如图3所示，由在对应于硅基片10的通孔位置穿过工作台的孔的内壁限定了空间部分26，具有这一空间部分26的工作台24能够用作为装有碎片反射防护装置的工作台。通过将基片10放置在这种工作台24上，并向对应于工作台24空间部分26的基片10预定的位置照射激光束18，以形成通孔20，当激光束18突破凹陷部分20a的底部时，凹陷20a内的碎片被吹到工作台24的空间部分26，于是防止其沉积到基片10的另一侧。
为了在基片10中形成多个通孔20，使用具有碎片反射防止装置的工作台，以尽可能防止碎片沉积到基片10的另一侧，该装置装有用于沿工作台24上表面移动基片10的驱动器单元42，并装有控制器单元44用于控制驱动器单元42并这样移动基片10，使得基片10上每一通孔20的形成位置与工作台24的空间部分26重合。当基片10中每一通孔形成的位置与工作台24的空间部分26重合时，在工作台24中形成的小孔25连接到真空，以便向工作台24抽吸基片10，并然后照射激光束18形成通孔20。
在形成多个通孔的情形下，当在已经形成的通孔20附近形成新的通孔时，通过激光束18的照射驱散的碎片可能进入到已经形成的通孔20中。这种情形下，在所有通孔20形成之后，激光束18可以再次向每一通孔20照射以清除进入通孔20的碎片，这能够使得在形成通孔20之后易于清洁。
参见图4A，当通过照射激光束形成通孔20时，如果在相同的方向(图4A中由箭头指示的方向)多个通孔20连续形成，即使基片10以Ni镀膜覆盖以改进其热消散性质，某些情形下在基片10内部仍会聚集热量。
这种情形下，如图4B所示，在基片10中通过照射激光束形成第一通孔20(1)。然后，在基本上不受第一通孔20(1)形成期间在基片10中聚集的热量影响的位置处，形成第二通孔20(2)。图4B中的虚线分别表示由于形成通孔20(1)和20(2)而产生的热的影响的散布范围。当下一个通孔在基本上不受先前形成的通孔热量影响的位置形成时，能够防止基片10中热量的聚集问题。
当必须要在基本上受到先前形成通孔的热量影响的位置形成下一个通孔时，最好延迟到先前形成的通孔20的热量被驱散后才开始这下一个通孔的形成。
在参照图1，3和4说明的实施例中，是通过向具有在其上形成的导电图形12的基片一侧(导电图形形成侧)照射激光束18形成通孔20。因而，在基片10的导电图形形成侧形成激光渣22，且这一侧比碎片22a沉积的基片的另一侧被污染得多。当Ni镀膜16被剥离时，在基片10的图形形成侧上形成的激光渣22被清除，但是在其上形成有激光渣22的通孔20的开口周边附近中的部分可能比其它部分被污染得多。
如图5A所示，通过向基片10没有形成导电图形12的另一侧照射激光束18，能够在基片10中形成通孔而不在基片10的图形形成侧上形成激光渣22。当以这种方式向基片10没有在其上形成图形12的另一侧照射激光束18以便形成通孔时，还能够减轻对基片的图形形成侧上已形成的图形12的热影响。
为了从基片10的另一侧照射激光束18并形成在基片10图形形成侧预定位置处通孔开口，必须在基片10的另一侧上对通孔形成进行定位。因而最好在围绕基片10的部分的框架部件28上，在对应于基片10的要向其照射激光束18侧的一侧的预定的位置处，形成用于定位的通孔30a，30b，并之后与基片分开并离开基片10，如图5B所示。通过使用这种定位通孔30a，30b，在基片10另一侧的要形成通孔20的位置也能够立即设置在激光束照射部分之下。
如图5A所示，当激光束18照射到基片10另一侧，并形成开口在基片10图形形成侧预定位置的通孔20时，还最好使用在对应于基片10中通孔形成位置的位置处带有空间部分26作为碎片防止装置的工作台24-如图3所示。
而且在这种情形下，也使用碎片反射防止装置，该装置具有驱动器单元42用于沿工作台24移动基片10，及一个控制单元44用于控制驱动器单元42，并这样移动基片使得每一通孔20在基片10中的形成的位置能够与工作台24的空间部分26相一致，这能够有效地形成多个通孔20。
虽然参照图1到5这样描述了通孔20的形成，但本发明还能够用于基片10中凹陷的形成。
更具体来说，如图1D所示，激光束18照射到基片10的一侧，并在形成具有预定深度的凹陷20a的点停止激光束18的照射。这样，能够在基片10中形成如图6A所示的凹陷20a。然而，在这样形成的凹陷20a的开口周边附近形成激光渣22，且碎片22a沉积到凹陷20a的内壁面和底部。通过把基片10浸入Ni镀膜剥离溶液并剥离Ni镀膜16，能够清除在凹陷部分20a的开口周边附近形成的激光渣22(图6B)。在清除激光渣22之后，通过把基片10浸入到用于激光渣22的清除溶液，诸如苛性钾(KOH)溶液中，能够清除沉积到凹陷20a内壁表面和底部的碎片22a，以提供一整洁的凹陷20a(图6C)。
在本发明上述任一实施例中，能够使用碳化硅膜，金刚石状碳膜或树脂膜，诸如聚酰亚胺膜，代替SiO2膜14作为防护膜。除了镍之外铜(Cu)和铝(Al)能够用作为金属镀膜材料。
当通过照射激光束在硅基片中形成通孔或凹陷时，本发明能够改进加工期间基片的热消散性质，能够易于清除在形成的通孔开口周边的沉积物及孔或凹陷内壁上的碎片，并能够形成整洁的通孔或凹陷。结果是，本发明使用比等离子加工更为经济的激光加工能够形成整洁的通孔或凹陷，并能够通过例如在厚度方向叠置多个半导体芯片而易于制造三维MCP。

Claims (13)

1.通过向硅基片照射激光束而在其一侧上有形成的导电图形的硅基片中形成通孔或凹陷的方法，该方法包括以下步骤：
在硅基片的一侧形成用于防护导电图形的防护膜，
在包括防护膜顶部的硅基片的整个表面上形成附着在防护膜上的金属镀膜，
向由防护膜及金属镀膜覆盖的硅基片预定位置照射激光束，以便在硅基片中形成通孔或凹陷，
剥离金属镀膜并清除围绕通孔或凹陷开口周边的金属镀膜上的碎片，这些碎片是在通过激光束照射形成通孔或凹陷期间沉积在其上的，以及
使用不损坏防护膜的清除溶液，清除沉积在通孔或凹陷内壁上的沉积物，这些沉积物是在通过激光束照射形成通孔或凹陷期间沉积在其上的。
2.按权利要求1的方法，其中防护膜由二氧化硅，氮化硅，金刚石状碳，或树脂形成。
3.按权利要求1的方法，其中其中防护膜由二氧化硅形成。
4.按权利要求1的方法，其中金属镀膜由镍，铜或铝形成。
5.按权利要求1的方法，其中金属镀膜由镍形成。
6.按权利要求1的方法，其中通孔或凹陷内壁上的沉积物由KOH，NaOH或HF溶液清除。
7.按权利要求1的方法，其中通孔或凹陷内壁上的沉积物由KOH溶液清除。
8.按权利要求1的方法，其中在硅基片中形成多个通孔或凹陷的情形下，在先前的通孔或凹陷形成之后，后来的通孔或凹陷在基片上一位置形成，该位置的选择要使得通过向基片照射激光束形成前一个通孔或凹陷所产生的热量在后继的通孔或凹陷形成期间基本上不聚集在基片中。
9.按权利要求1的方法，其中在硅基片中形成多个通孔或凹陷的情形下，在前一个通孔或凹陷形成之后，后继的通孔或凹陷在前一个与后一个通孔或凹陷形成之间的时间间隔形成，该时间间隔的选择要使得向基片照射激光束形成前一个通孔或凹陷所产生的热量，在后一个通孔或凹陷形成期间基本上不聚集在基片中。
10.按权利要求1的方法，其中当激光束穿过硅基片而生成通孔时，为了防止碎片由硅基片放置在其上以形成通孔的工作台面的反射，并防止碎片沉积在硅基片上，使用一个具有碎片反射-防护装置的工作台。
11.按权利要求11的方法，其中工作台具有在其一个位置穿过它的孔，通孔在该位置生成。
12.按权利要求1的方法，其中形成多个通孔之后，通过向各通孔照射激光束清除形成的通孔内的沉积物。
13.按权利要求1的方法，其中在形成通孔的情形下，激光束从硅基片不具有导电图形的另一侧照射，以形成通孔。
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