通过贝塞尔光束焦点偏移技术，在熔融石英中利用形态学特征实现透明材料的工程化处理

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Engineering through-glass via morphology in fused silica by bessel-beam focus offset

　　

安启昌|丁善军|霍书存|李曼|杨泽恒|江星健|于中尧|方志丹|吴晓萌|王启东

中国科学院微电子研究所，北京，100029，中国

摘要

玻璃通孔（TGV）的几何形状对基于玻璃的互连器的金属化产量、电气性能和热机械可靠性具有决定性影响，这对于先进的电子封装至关重要。基于超快贝塞尔光束改性的激光诱导深度蚀刻（LIDE）技术已成为在玻璃基板上制造高纵横比通孔的有前景的方法。然而，对于贝塞尔光束的轴向位置如何控制蚀刻通孔形态的定量理解仍然有限。在本研究中，我们系统地研究了贝塞尔光束焦点偏移对熔融石英中TGV关键形态参数（包括深度、等效直径、圆度和锥度角）的影响。通过调节贝塞尔光束焦点从前沿到后缘的偏移量，并在受控脉冲能量下进行蚀刻，我们实现了TGV形态的可控工程化。具体来说，中间的焦点偏移会产生较大但圆度较低的通孔，而靠近贝塞尔光束两端的偏移则有助于提高圆度并增加锥度角。偏振光显微镜和共聚焦拉曼显微光谱显示，中间的焦点偏移会产生更强且各向异性的残余应力，这与湿法蚀刻后TGV的椭圆度相关。对轴向强度分布的数值模拟与中间焦点偏移时近表面能量沉积增强相吻合，为这种非单调形态演变提供了定性的物理解释。这项工作确立了贝塞尔光束焦点偏移作为面向可制造性设计（DFM）的玻璃互连器优化的独立工艺参数，对于先进电子封装中TGV的可靠制造具有重要意义。

引言

由于玻璃基板和中介层具有低介电损耗、优异的尺寸稳定性和出色的化学/热稳定性，它们越来越多地被用于三维（3D）集成和射频（RF）封装[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。玻璃通孔（TGV）使得在这些平台上实现垂直互连成为可能，从而在异构集成中实现高I/O密度和低损耗信号路由[[7], [8], [9]]。为了实现可靠的TGV结构，精确控制通孔的形态（包括深度、圆度、直径和锥度角）对于确保最佳的电气和热机械性能至关重要[[10], [11], [12]]。

已经探索了多种TGV制造方法，包括喷砂[13,14]、光敏玻璃蚀刻[15,16]、电放电[17]、等离子体干法蚀刻[18]、激光钻孔[19,20]、电化学放电加工[21,22]和激光诱导深度蚀刻（LIDE）[23,24]。在这些技术中，LIDE在制造小直径、高纵横比（AR）且无损伤的TGV方面具有明显优势[[25], [26], [27]]。在LIDE过程中，超短脉冲激光修改了玻璃的局部微观结构，从而增强了激光修改区域与原始基体之间的蚀刻选择性[28,29]。

虽然LIDE中的激光参数（如脉冲能量、重复频率、脉冲持续时间和激光光斑直径）已被广泛研究[[30], [31], [32]]，但贝塞尔光束相对于玻璃表面的轴向定位却受到的关注较少。在贝塞尔光束处理中，扩展的非衍射区会产生深度分布的能量沉积剖面；因此，沿光轴移动贝塞尔光束预计会改变（i）峰值强度相对于玻璃表面的位置，（ii）应力场和结构修改的空间分布，以及（iii）湿法蚀刻过程中的后续蚀刻前沿演变。从封装的角度来看，这些效应直接转化为TGV直径、锥度角和圆度的变化——这些都是确保粘附层/种子连续性、无空洞填充和可靠性的关键计量指标。

在这项工作中，我们在受控脉冲能量下定量评估了贝塞尔光束焦点偏移对熔融石英中TGV形态（包括通孔深度、圆度、直径和锥度角）的影响。观察到的形态趋势与偏振光显微镜表征的残余应力特征以及共聚焦拉曼光谱捕获的结构特征相关，其机制解释进一步得到了贝塞尔光束轴向强度分布数值模拟的支持。这些结果为TGV形态工程和面向可制造性设计（DFM）的玻璃互连器优化提供了实用的工艺指南，这对表面修改和精密微制造具有重要意义。

章节摘录

实验

TGV是通过两步LIDE工艺制造的。首先，使用单脉冲贝塞尔光束对熔融石英基板进行局部修改，以创建蚀刻选择性通道。然后，通过湿法化学蚀刻选择性地去除激光修改区域，形成通孔。最终的通孔形状由激光修改的空间分布和随后的蚀刻动力学决定；因此，通孔的测量使用了多种几何描述符而不仅仅是直径。

玻璃通孔的形态

图2总结了在不同焦点偏移下制造的TGV的横截面和俯视图形态。尽管湿法蚀刻的配方和持续时间固定，但所得通孔的几何形状随偏移量显著变化，表明激光修改体积和蚀刻选择性强烈依赖于偏移量。TGV的形态通过四个关键参数（通孔深度、等效直径、圆度和锥度角）进行评估，这些参数都与后续的金属化过程直接相关

结论

总之，我们证明了贝塞尔光束焦点偏移是LIDE过程中精确工程化熔融石英中TGV形态的独立且有效的工艺参数。虽然TGV深度几乎与焦点偏移成线性增加，但等效直径、圆度和锥度角表现出强烈的非单调行为，这取决于贝塞尔光束相对于玻璃表面的轴向位置。中间的焦点偏移会增强近表面的激光能量沉积

CRediT作者贡献声明

安启昌：概念化、数据管理、正式分析、研究、方法论、验证、可视化、撰写——初稿。丁善军：研究、方法论、验证、可视化。霍书存：研究、方法论、可视化。李曼：数据管理、研究、验证。杨泽恒：数据管理、正式分析、研究。江星健：研究、方法论、可视化。于中尧：监督、验证、撰写——审阅

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国科学院集成电路制造技术国家重点实验室自部署项目和国际合作计划的财政支持，项目编号为102GJHZ2023002MI。作者感谢相关设施工作人员在光学显微镜、SEM/FIB和拉曼测量方面的协助，并感谢Jia Li博士和Song Gao女士（CARL ZEISS Inc.）在表征过程中的帮助。