專利名稱：在基板中嵌入金屬材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子行業(yè)的封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在基板中嵌入金屬材料的方法。
背景技術(shù)：
近幾年來,先進(jìn)的封裝技術(shù)已在IC制造行業(yè)開始出現(xiàn),特別是三維(3Dimension)封裝突破傳統(tǒng)的平面封裝的概念，組裝效率高達(dá)200%以上。通過垂直堆疊芯片建立3D封裝結(jié)構(gòu)，通過硅片通道(Through Silicon Vias，簡稱TSV)能夠提供更高地封裝集成度。3DTSV互連可以減小物理尺寸節(jié)省有用的空間，縮短互連長度減小信號延遲來加快運(yùn)行速度。2008國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖確立的最終目標(biāo)是在單一系統(tǒng)上進(jìn)行異質(zhì)集成，TSV 互連在這個(gè)目標(biāo)中扮演著重要角色，它可以提供低成本、可靠的通孔制備技術(shù)，適合的通孔填充材料的選擇，新穎的電學(xué)和熱學(xué)問題設(shè)計(jì)解決方案。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，用于系統(tǒng)級封裝(System in Package,簡稱SiP)技術(shù)的娃基轉(zhuǎn)接板在高密度3D封裝領(lǐng)域變得越來越重要了。同時(shí)由于玻璃、陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，玻璃基轉(zhuǎn)接板、陶瓷基轉(zhuǎn)接板等也廣泛的用于各種特定集成封裝中。目前，TSV硅基板主要采用的是DRIE干法刻蝕打孔，填空主要采取的是電鍍填銅，效率不高，而且對高深寬比的孔，電鍍?nèi)菀壮霈F(xiàn)空洞，影響可靠性。類似地，玻璃基轉(zhuǎn)接板的制作主要為減成法。減成法技術(shù)制作轉(zhuǎn)接板的步驟包括首先在玻璃基板上形成孔的結(jié)構(gòu)，然后在孔中電鍍導(dǎo)電材料形成電互連，其中電鍍的工藝相當(dāng)復(fù)雜。申請人:意識到現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)缺陷采用打孔結(jié)合電鍍的方法在基板中嵌入金屬材料的工藝復(fù)雜，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題為解決上述缺陷，本發(fā)明提供了一種在基板中嵌入金屬材料的方法，以降低工藝復(fù)雜度和成本。( 二 )技術(shù)方案本發(fā)明公開了一種在基板中嵌入金屬材料的方法。該方法包括在基板上制作孔或槽；在孔或槽中填充金屬材料的粉料或漿料；利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱孔或槽的區(qū)域，使孔或槽中填充的金屬材料燒結(jié)；冷卻固化孔或槽的區(qū)域，使金屬材料呈塊狀嵌入到基板中。本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法中，在孔或槽中填充金屬材料的粉料或漿料的步驟之前還包括在孔或槽的內(nèi)壁形成用于增加金屬材料與基板潤濕性或絕緣性的涂層。優(yōu)選地，涂層為氧化物層或玻璃層。在孔或槽的內(nèi)壁形成氧化物涂層的方法為熱氧化、物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積。本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法中，利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱孔或槽的區(qū)域的步驟同時(shí)還包括利用惰性氣體保護(hù)被加熱的孔或槽的區(qū)域。本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法中，金屬材料為以下材料中的一種或由以下材料中的兩種或兩種以上構(gòu)成的合金鎳，鐵，銅，鋁，鉬，金，鈀，鈦，鎢或銀。金屬材料的粉料為金屬材料粒度小于20 μ m的粉末或納米級顆粒；金屬材料的漿料為金屬材料的導(dǎo)體電子漿料。本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法中，微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置為激光器或等離子體火炬。本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法中，利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱孔或槽的區(qū)域的步驟中微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置與孔或槽位于基板的同側(cè)或兩側(cè)。
本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法中，基板為玻璃基板、陶瓷基板或硅基板。本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法中，冷卻固化孔或槽的區(qū)域，使金屬材料呈塊狀嵌入到基板中的步驟之后還包括利用機(jī)械研磨減薄結(jié)合機(jī)械拋光，或機(jī)械研磨減薄結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光，使基板減薄到所需厚度，并使嵌入到基板中的塊狀金屬材料的兩端暴露出來。(三)有益效果本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中玻璃轉(zhuǎn)接板、陶瓷轉(zhuǎn)接板和硅基轉(zhuǎn)接板等金屬通孔基板制備中填孔工藝復(fù)雜，成本高等問題，工藝簡單，成本低廉，并且提高了在基板中嵌入金屬材料的均勻性。利用該方法制作的金屬通孔基板可以廣泛用于微電子封裝、MEMS器件封裝，生物和醫(yī)療等領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法的流程2為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法中利用激光法在基板上加工盲孔后的基板不意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法中將金屬漿料填入基板上盲孔中后的基板不意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法中用激光瞬間加熱電子漿料進(jìn)行燒結(jié)后的基板示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法中玻璃基板上所有盲孔中電子漿料用激光燒結(jié)后的基板示意圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法中對基板兩面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后的基板不意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法中在金屬通孔基板上制作再分布層和凸點(diǎn)后的基板不意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法中在金屬通孔基板上進(jìn)行器件三維集成后的基板示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。為了避免電鍍效率低，成本高；絕緣基板上不易電鍍等問題，本發(fā)明采用先將金屬粉末或漿料填入基板上的孔或者槽中，再采用微區(qū)加熱方式，將金屬燒結(jié)凝固。利用這個(gè)方法，結(jié)合封裝工藝來進(jìn)一步來制作金屬通孔基板，如TGV玻璃轉(zhuǎn)接板、TSV硅基板、玻璃基板
坐寸οMEMS封裝用玻璃，如Borofloat 33玻璃的軟化溫度很高，加工溫度超過1000度，不易變形。其他基板，例如陶瓷基板、硅基板也有類似的性質(zhì)。激光、等離子體火炬等瞬時(shí)加熱裝置，可以在瞬間發(fā)出巨大熱量，使得聚焦加熱的微區(qū)達(dá)到上千度的溫度，而且可以保證非加熱區(qū)處于一個(gè)較低溫度下，從而不會破壞整個(gè)基板的或非加熱區(qū)的狀態(tài)，形貌以及性質(zhì)。一般情況下，金屬納米顆?；蛘邼{料的燒結(jié)溫度并不高，調(diào)節(jié)激光器的功率至1-100W就能夠?qū)⑵錈Y(jié)。微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置與所述孔或槽可以位于所述基板的同側(cè)或兩偵U。激光器與孔的最佳距離即是激光的焦距。在具體實(shí)施例中，根據(jù)待嵌入金屬粉末和漿料的材料、位置，可以通過調(diào)整激光功率、焦距來調(diào)節(jié)加熱微區(qū)的尺寸和溫度，從而保證金屬材料的燒結(jié)。并且，金屬材料并不一定是完全熔化，而可以僅是表面熔化。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，公開了一種在基板中嵌入金屬材料的方法。圖I為本發(fā)明實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料方法的流程圖。如圖I所示，本實(shí)施例包括以下步驟步驟S102，利用機(jī)械或激光等方法在玻璃板上制作出孔或槽，將金屬粉末或漿料放入；·步驟S104，利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置分別瞬間加熱基板放入金屬粉末或漿料的多個(gè)微小區(qū)域，使該區(qū)域內(nèi)金屬粉料或漿料燒結(jié)；步驟S106，燒結(jié)區(qū)域冷卻固化，金屬材料嵌入到基板中；步驟S108，使基板減薄到指定厚度，并使嵌入基板的至少一個(gè)金屬材料的材料的兩端在玻璃基板上下表面分別暴露出來。本實(shí)施例中，可以采用的嵌入基板內(nèi)的金屬材料可以為以下材料中的一種或由以下材料中的兩種以上構(gòu)成的合金鎳，鐵，銅，招，鉬，金，紀(jì)，鈦，鶴，銀或其它易于燒結(jié)的金屬。金屬材料的粉料優(yōu)選為金屬材料的納米級顆粒，粒度在20 μ m以下的金屬粉料也可以滿足應(yīng)用的需要；金屬材料的漿料為金屬材料的導(dǎo)體電子漿料。微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置可以為等離子體火炬或其它任一可以瞬間加熱的裝置，優(yōu)選為激光器。為了增強(qiáng)金屬材料與基板的粘結(jié)性，在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，步驟S102在孔或槽中填充金屬材料的粉料或漿料之前還包括在孔或槽的內(nèi)壁形成用于增加金屬材料與基板潤濕性和絕緣性的涂層。該涂層可以是氧化物或玻璃等材料，但不限于這兩種。該氧化物可以是氧化鎳，氧化鐵，氧化銅，氧化鈦，氧化鎢、氧化硅等。一般來說可以選擇所填充金屬的氧化物，如填充金屬材料為鎢時(shí)，涂層材料可以選擇五氧化二鎢。當(dāng)基板材料是硅時(shí)，通常采用氧化硅作為提高絕緣性和潤濕性的涂層。制備該涂層的方法可以為熱氧化法、物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積。上述步驟S104中，為了盡可能的減小微區(qū)加熱對所填充金屬顆粒造成氧化，在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱孔或槽的區(qū)域的步驟同時(shí)還包括利用惰性氣體保護(hù)被加熱的孔或槽的區(qū)域。隨著電子器件的小型化，薄形化，有時(shí)候基板需要減薄到指定厚度，如50 μ m-500 μ m。同時(shí)由于金屬材料的嵌入，基板表面會變得粗糙不平，因此表面的整平必不可少。上述步驟S108中，基板減薄并使金屬材料的兩端在基板上下表面分別暴露出來的方法可以是機(jī)械減薄+機(jī)械拋光或機(jī)械減薄+化學(xué)機(jī)械拋光等。表面平整后，才能進(jìn)一步制作再分布層，以及凸點(diǎn)制備等后續(xù)可能要求的工藝，并最終得到所需的金屬通孔基板。以下將在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，給出本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例。需要說明的，該最優(yōu)的實(shí)施例僅用于理解本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。并且，最優(yōu)實(shí)施例中的特征，在無特別注明的情況下，均同時(shí)適用于上述各實(shí)施例，在相同或不同實(shí)施例中出現(xiàn)的技術(shù) 特征在不相互沖突的情況下可以組合使用。本實(shí)施例在基板中嵌入金屬材料的方法包括以下步驟步驟SOl :選擇Corning Pyrex 7740玻璃作為基板材料101，大小為4英寸圓片，厚度為2毫米。選用含有銅納米粒子的電子漿料作為嵌入的金屬材料。其中，此處孔或槽的直徑一般介于20微米至200微米之間；步驟S02 :在玻璃基板101上利用激光加工方式，加工出直徑100微米，深700微米的盲孔102，加工盲孔的方法還可以為精密機(jī)械的方法，加工盲孔后的基板如圖2所示；步驟S03 :將金屬漿料201放入玻璃基板上的盲孔102中，在盲孔中加入電子漿料的基板如圖3所不；步驟S04 :采用Nd = YAG激光器，調(diào)節(jié)激光功率和焦距，通過光學(xué)系統(tǒng)，使半導(dǎo)體激光器301對準(zhǔn)玻璃基板101的盲孔中的電子漿料201，進(jìn)行加熱燒結(jié)，當(dāng)然也可以采用CO2激光器；步驟S05 :激光器301停止加熱，201經(jīng)過燒結(jié)變成凝固的銅柱，從而得到一垂直互連線202，嵌入冷卻后的塊狀銅柱的基板如圖4所示；步驟S06 :重復(fù)步驟S04和S05直到完成所要求數(shù)量的銅柱的嵌入，嵌入多塊銅柱的基板如圖5所不；步驟S07 :通過化學(xué)機(jī)械拋光整平玻璃基板嵌入銅柱一面401，使玻璃基板達(dá)到所要求的平整度。通過機(jī)械減薄和化學(xué)機(jī)械拋光減薄并整平玻璃基板另一面402，使嵌有銅柱玻璃基板的厚度約為300微米，且使玻璃基板達(dá)到所要求的平整度，平整后的基板如圖6所示；步驟S08 :采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作再分布層501和凸點(diǎn)502，完成玻璃金屬通孔轉(zhuǎn)接板的制作，制作完成的玻璃金屬通孔轉(zhuǎn)接板如圖7所示；其中，再分布層501的制備過程為首先在基板上生長或涂覆絕緣層(可能是氧化硅，氮化硅，聚酰亞胺，BCB等)，然后用光刻方法將電極引出到需要的位置，從而形成再分布層501。而凸點(diǎn)502的制備過程為首先在基板上進(jìn)行多層金屬化，以形成粘附層、阻擋層和導(dǎo)體層；然后進(jìn)行電鍍形成具有一定高度所需的金屬凸點(diǎn)；最后再進(jìn)行回流形成凸點(diǎn)502 ；步驟S09 :進(jìn)行MEMS器件三維集成，完成如圖7所示三維堆疊結(jié)構(gòu)的MEMS器件的集成。其中，601是器件芯片，602是焊料凸點(diǎn)，603為PCB板。本步驟中，首先在PCB603板上進(jìn)行電鍍UBM(凸點(diǎn)下金屬)和焊料，再進(jìn)行回流，形成焊料凸點(diǎn)602 ;而后將601芯片安裝在轉(zhuǎn)接板上，而后將芯片上的焊盤與微凸點(diǎn)相連，通過回流焊焊在轉(zhuǎn)接板上；綜上所述，本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中玻璃轉(zhuǎn)接板和硅基轉(zhuǎn)接板等金屬通孔基板制備中填孔工藝復(fù)雜，成本高等問題，工藝簡單，成本低廉，并且提高了在基板中嵌入金屬材料的均勻性。利用該方法制作的玻璃轉(zhuǎn)接板、硅基轉(zhuǎn)接板等金屬通孔基板可以廣泛用于微電子封裝、MEMS器件封裝，生物和醫(yī)療等領(lǐng)域。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，該方法包括 在基板上制作孔或槽； 在所述孔或槽中填充所述金屬材料的粉料或漿料； 利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱所述孔或槽的區(qū)域，使所述孔或槽中填充的金屬材料燒結(jié)； 冷卻固化所述孔或槽的區(qū)域，使所述金屬材料呈塊狀嵌入到所述基板中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述在孔或槽中填充金屬材料的粉料或漿料的步驟之前還包括 在所述孔或槽的內(nèi)壁形成用于增加所述金屬材料與所述基板潤濕性和絕緣性的涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述涂層的材料為以下材料中的一種氧化物層或玻璃材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述在孔或槽的內(nèi)壁形成氧化物涂層的方法為熱氧化、物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱孔或槽的區(qū)域的步驟同時(shí)還包括 利用惰性氣體保護(hù)所述被加熱的孔或槽的區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述金屬材料為以下材料中的一種或由以下材料中的兩種或兩種以上構(gòu)成的合金鎳，鐵，銅，鋁，鉬，金，紀(jì)，欽，鶴或銀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述金屬材料的粉料為金屬材料的粒度小于20 μ m的粉末或納米級顆粒；所述金屬材料的漿料為所述金屬材料的導(dǎo)體電子漿料。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置為激光器或等離子體火炬。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱孔或槽的區(qū)域的步驟中 所述微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置與所述孔或槽位于所述基板的同側(cè)或兩側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述基板為玻璃基板、陶瓷基板或硅基板。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10中任一項(xiàng)所述的在基板中嵌入金屬材料的方法，其特征在于，所述冷卻固化孔或槽的區(qū)域，使金屬材料呈塊狀嵌入到基板中的步驟之后還包括 利用機(jī)械研磨減薄結(jié)合機(jī)械拋光，或機(jī)械研磨減薄結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光，使所述基板減薄到所需厚度，并使嵌入到基板中的塊狀金屬材料的兩端暴露出來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在基板中嵌入金屬材料的方法。該方法包括在基板上制作孔或槽；在孔或槽中填充金屬材料的粉料或漿料；利用微區(qū)瞬時(shí)加熱裝置加熱孔或槽的區(qū)域，使孔或槽中填充的金屬材料燒結(jié)；冷卻固化孔或槽的區(qū)域，使金屬材料呈塊狀嵌入到基板中。本發(fā)明在基板中嵌入金屬材料的方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中玻璃轉(zhuǎn)接板、陶瓷轉(zhuǎn)接板和硅基轉(zhuǎn)接板等金屬通孔基板制備中填孔工藝復(fù)雜，成本高等問題，工藝簡單，成本低廉。
文檔編號H01L21/768GK102915949SQ20111021855
公開日2013年2月6日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者于大全, 孫瑜, 戴風(fēng)偉 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所