近來，為提高IC芯片性能，倒裝芯片鍵合被廣泛采用。要實現(xiàn)倒裝芯片鍵合，需要大量的通孔。因此，硅通孔（TSV）被應用。然而，硅有幾個缺點，例如其價格相對較高以及在高射頻下會產(chǎn)生電噪聲。另一方面，玻璃具有適合用作中介層材料的獨特性質(zhì)，即低介電常數(shù)、高透明度和可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù)。由于其介電常數(shù)低，可避免信號噪聲；由于其透明度，可輕松實現(xiàn)三維對準；由于其熱膨脹可與Si晶片匹配，可防止翹曲。因此，玻璃通孔（TGV ）正成為一種越來越受歡迎的TSV替代方案。

在玻璃上打孔的方法有很多種：機械鉆孔、粉末噴砂、磨料漿噴射加工（ASJM）、激光鉆孔、深反應離子刻蝕（DRIE）、等離子刻蝕、火花輔助化學雕刻（SACE）、振動輔助微加工、激光誘導等離子微加工（LIPMM）、水輔助微加工和選擇性激光蝕刻。大規(guī)模生產(chǎn)中要考慮的最重要的參數(shù)是均勻性，盡管也應考慮加工時間。選擇性激光蝕刻（SLE）可以創(chuàng)建均勻的孔，但目前需要相對較長的加工時間。

選擇性激光蝕刻 (SLE) 是一種廣泛使用的方法，用于在各種材料上創(chuàng)建精確而復雜的圖案。該方法由 A. Marcinkevi?ius 于 2001 年首次提出 。該技術使用激光和蝕刻劑選擇性地去除基底上的材料，從而產(chǎn)生復雜的圖案和形狀。它還可用于在各種材料中打孔，包括金屬、陶瓷、二氧化硅和玻璃。它利用激光照射樣品產(chǎn)生局部改變，然后進行蝕刻過程。與非改性區(qū)域相比，改性區(qū)域的蝕刻速率大約高出 333 倍。這是因為改性區(qū)域的物理和化學性質(zhì)都發(fā)生了變化，并且改性區(qū)域與蝕刻劑反應迅速。物理和化學變化包括納米光柵形成、體積膨脹和折射率變化。這些變化使得玻璃內(nèi)部的通道生成具有極高的精度。SLE 目前用于生物技術、納米技術、光學和 IT 技術等各個領域。前期的研究展示了如何通過改變局部改性方法來提高工藝速度。建議在初始脈沖后幾百皮秒添加額外的脈沖能量可以提高局部改性區(qū)域的蝕刻速率。在本研究中，嘗試使用蝕刻劑本身來提高蝕刻速率。為此，測試了四種不同的蝕刻劑，即HF 溶液、NaOH 溶液、KOH 溶液和 NH?F 溶液。為了定量比較，采用了選擇性。結(jié)果表明，NH?F 溶液具有最高的選擇性，用該溶液蝕刻 3 小時內(nèi)即可形成 TGV。這比之前使用 KOH 溶液的研究快三倍。

由于可以調(diào)整錐角，因此通過 SLE 生成的玻璃孔還可應用于各個領域。玻璃孔的錐角是多種工業(yè)應用中的關鍵因素。例如，在半導體工業(yè)中，噴頭用于清潔過程，噴頭孔的錐角決定了清潔液的速度和方向。同樣，在生物技術領域，帶有錐形孔的微針用于輸送藥物或從體內(nèi)提取液體。孔的錐角會影響微針的流速和穿透深度。孔的錐角還會影響噴霧模式。這也可用于磨料工藝。因此，對錐角的研究對各種工業(yè)應用都很有用。在本項研究中，發(fā)現(xiàn)錐角隨蝕刻劑本身及其濃度而變化。根據(jù)研究可以暫時斷言，可以根據(jù)蝕刻劑的選擇來提高生產(chǎn)率并調(diào)整孔的錐角。

圖 本項研究中HF、NaOH、KOH 和 NH?F 溶液的錐角范圍。

本研究中將采用選擇性激光蝕刻 (SLE) 技術進行實驗，找到一種適合 TGV 形成的蝕刻劑，比較了四種不同的蝕刻劑 (HF、KOH、NaOH 和 NH?F)，以提高蝕刻速度。下面是實驗內(nèi)容。

實驗內(nèi)容

1. 基底材料

TGV 工藝采用厚度為 0.1 mm 的硼硅酸鹽玻璃基板。這種玻璃是一種使用環(huán)保清潔劑代替砷和銻物質(zhì)的材料，具有出色的耐化學性、熱穩(wěn)定性和熱膨脹特性。

2. 超短脈沖激光

超短脈沖激光器是指脈沖持續(xù)時間為一百皮秒或更短的激光器。超短脈沖激光器在玻璃加工中具有多種優(yōu)勢。首先，它在熱擴散發(fā)生之前將能量轉(zhuǎn)移到玻璃中，最大限度地減少特定熱過程中的殘留物，并允許無需后處理步驟即可進行微加工。其次，由于脈沖持續(xù)時間短，峰值功率高，這使其可用于加工具有大能帶隙的材料，例如玻璃。超短脈沖激光器的高峰值功率在玻璃中誘發(fā)非線性吸收感應，從而實現(xiàn)玻璃的內(nèi)部加工。

3. 超短脈沖激光局部改性

本研究采用貝塞爾光束來提高生產(chǎn)率。貝塞爾光束具有焦深長的優(yōu)點。因此，單脈沖貝塞爾光束可以在玻璃中產(chǎn)生全厚度局部改性。圖1是超短脈沖激光局部改性實驗裝置示意圖。

圖1 通過超短脈沖激光進行局部改性的實驗裝置示意圖。

4. 貝塞爾光束整形

從高斯光束到貝塞爾光束的光束整形經(jīng)歷兩個階段。首先，將相位圖像應用于 LCOS-SLM 調(diào)制器，以將光束形狀從高斯光束更改為甜甜圈光束。接下來，用平凸透鏡（焦距 25.4 毫米）聚焦甜甜圈形光束。最終形成貝塞爾光束并用光束分析儀測量，其中貝塞爾光束寬度為 5.8 μm（FWHM），光束長度為 180 μm。

5. 選擇性激光蝕刻

在本研究中使用 SLE 技術來生成 TGV。測試溶液(HF、KOH、NaOH 和 NH?F溶液)。根據(jù)阿倫尼烏斯方程，提高蝕刻劑的溫度會增加碰撞頻率并加速化學反應。使用超短激光進行局部改性過程后，將改性玻璃樣品浸入裝滿蝕刻劑的聚四氟乙烯罐中。蝕刻過程如圖 2。

圖2 蝕刻工藝示意圖。

結(jié)果與討論

蝕刻劑和選擇性

本研究目的是提高 TGV 的生產(chǎn)率，采用 SLE 工藝。通過超短脈沖激光對玻璃內(nèi)部進行局部改性，并應用化學蝕刻。圖4是4種蝕刻劑形成的通孔。

圖4 每種蝕刻劑形成的通孔。（a – d）光學顯微鏡圖像。（a）HF 10 M 溶液；（b）NaOH 3 M 溶液；（c）KOH 8 M 溶液；（d）NH?F 8 M 溶液。

蝕刻劑和孔錐角

如圖4所示，每種蝕刻劑的錐角都不同。因此嘗試通過蝕刻劑及其濃度改變錐角的可行性。得出結(jié)論，錐角可以通過4種蝕刻劑的摩爾濃度來確定。測量結(jié)果如圖 5所示。

圖5 通過每種蝕刻劑形成的通孔。（a – d）光學顯微鏡圖像。（a）HF 5 M 溶液；（b）NH?F 5 M 溶液；（c）NaOH 5 M 溶液；（d）KOH 5 M 溶液。

結(jié)論

（1）結(jié)果表明，最有效的蝕刻劑是NH?F，在85°C下用8 M NH?F溶液蝕刻3小時內(nèi)即可產(chǎn)生TGV。如上所述，可以比以前的研究快3倍產(chǎn)生TGV。此外，還發(fā)現(xiàn)選擇性是表征蝕刻效率最可靠的參數(shù)。

（2）結(jié)果還表明，盲孔的錐角受蝕刻劑的影響。蝕刻劑本身決定了錐角。HF、NH?F、NaOH 和 KOH 溶液分別產(chǎn)生 41°–53°、47°–60°、53°–62° 和 58°–66° 的錐角。這項研究可能對那些想要生成具有特定角度的孔的人有所幫助。

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來源：The Effects of Etchant on via Hole Taper Angle and Selectivity in Selective Laser Etching

PMCID: PMC10971941 PMID: 38542567

doi: 10.3390/mi15030320

網(wǎng)址：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10971941/#micromachines-15-00320-f004