[发明专利]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

说明书

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，本发明涉及一种基于超声‑压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法。本发明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，本发明方法为：将带有TSV硅片固定在液态金属液面上方进行烘烤；然后下移至液态金属液中，超声变幅杆工具头同时下降并浸入金属液中，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。本发明可实现高深宽比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％。本发明应用于硅通孔填充领域。

技术领域

本发明涉及一种基于超声-压力复合工艺将液态金属快速填充至TSV的方法。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明一种基于超声-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：

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；

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；

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；

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；

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；

填充室上还设有观察窗和照明灯。