圆片级封装用玻璃通孔晶片的减薄工艺-片头模版

杨　静，韩焕鹏，杨洪星，王雄龙，张伟才

（中国电子科技集团公司第四十六研究所）

择要：

对圆片级封装用玻璃通孔（ＴＧＶ）晶片的减薄加工工艺进行了研究并终极确定出工艺路线。
该减薄加工工艺紧张包括机器研磨及化学机器抛光（ＣＭＰ）过程。
通过机器研磨，玻璃通孔晶片的残余玻璃层及硅层得到有效去除，全体晶片的平整度显著提高，用平面度丈量仪测试该晶片研磨后的翘曲度与总厚度变革（ＴＴＶ）值分别为7.149μｍ与3.706μｍ。
ＣＭＰ过程使得ＴＧＶ晶片的表面粗糙度大幅度降落，经白光干涉仪测试抛光后ＴＧＶ晶片的表面粗糙度为4.275ｎｍ。
通过该减薄工艺加工的ＴＧＶ晶片能够较好知足圆片级封装时的气密性哀求。

０　引　言

目前，玻璃通孔（through glass via, TGA）晶片运用非常广泛，个中玻璃紧张指Pyrex7740下文简称玻璃），其热膨胀系数与硅较为靠近，适宜与硅片进行阳极键合，并添补硅孔。
ＴＧＶ晶片在微系统制造和封装中发挥着重要浸染，如一些微器件的制作中，ＴＧＶ晶片可以有效实现电隔离、提高器件的灵敏度。
本文所谈论的ＴＧＶ晶片紧张用于圆片封装，以期达到预期的气密性哀求。
此种ＴＧＶ晶片在前期制作中将带有特定腔体构造的硅片与玻璃进行阳极键合，然后在高温下使玻璃发生回流，并添补至硅片的既有腔体构造中，该过程中由于不同位置处玻璃流速不同，冷却至室温时，硅片表面的玻璃分布亦不同，造成ＴＧＶ晶片表面粗糙不平、厚度不均。
封装时，一方面哀求ＴＧＶ晶片表面添补斥玻璃的硅腔体构造露出，另一方面哀求ＴＧＶ晶片与构造硅片进行阳极键合，故ＴＧＶ晶片的平整度及表面粗糙度均应达到哀求。
综上所述，该种ＴＧＶ晶片须要进行减薄及平坦化加工才能达到利用哀求。

目前，关于硅－玻璃阳极键合的研究宣布较多，但关于硅－玻璃键合后的减薄工艺研究相对较少，焦点也多集中在硅－玻璃键合后硅片层的减薄，键合后玻璃层与硅层的同时减薄加工的研究较少。
硅－玻璃键合后进行减薄加工的紧张难点在于玻璃与硅两种材料的硬度及化学性子均不同，在相同的机器减薄及化学减薄过程中两种材料表现出不同的加工结果。
故而ＴＧＶ晶片的减薄加工需综合考虑两种材料的加工特点。
基于上述谈论，本文从实际运用角度出发，探索了ＴＧＶ晶片的减薄加工工艺，并对加工后的ＴＧＶ晶片的表面粗糙度及表面平整度进行了表征。

１　减薄工艺路径探索

实验样品为ＴＧＶ晶片，直径为100ｍｍ，硅层与玻璃层的厚度均为500μｍ，图１为ＴＧＶ晶片截面示意图，图２为其减薄前的实物图。
由于ＴＧＶ晶片厚度不均，本文首先用千分表测试多点厚度，晶片厚度变革范围为970～1050μｍ。
对付此种ＴＧＶ晶片减薄加工的整体思路是机器减薄与化学减薄相结合。
快速去除多余物质、露出硅腔构造的同时担保高的平整度及低的表面粗糙度。

1.1　机器减薄

根据硅片加工履历，机器减薄紧张包括磨削及研磨。
本文分别对上述两种机器减薄办法进行了研究。

1.1.1　机器磨削

表１为磨削条件及干系磨削结果。
采取如表１所示条件对ＴＧＶ晶片进行磨削。
由表１可知，采取不同条件进行磨削时，ＴＧＶ晶片表面均未露出预期的腔体图形。
这可能与两种材料的硬度不同有关，玻璃的努氏硬度为418ｋｇ／ｍｍ２，而硅的努氏硬度为850ｋｇ／ｍｍ２，磨削用金刚石砂轮的努氏硬度为7000～8000ｋｇ／ｍｍ２。
采取粒径较大的砂轮（型号为600＃）进行磨削时，由于撞击力较大而使晶片破碎；采取粒径稍小的砂轮（型号为1200＃和3000＃）进行磨削时，砂轮的磨粒与晶片间的贴合较紧密，粒径的减小使磨削力减小，砂轮高速旋转磨削产生的热量不能被及时排出致使温度迅速升高，玻璃在高温下变软、变黏，将砂轮“糊住”，砂轮的磨削性能进一步降落，如此恶性循环导致晶片表面涌现不同程度的“焦片”征象，故磨削不适宜ＴＧＶ晶片的机器加工。

1.1.2　机器研磨

分多步对ＴＧＶ晶片进行研磨。
将氧化铝、水和助磨剂按一定比例稠浊配制研磨剂，所用氧化铝粒径约为8.5μｍ，初始压力约为61ｇ／ｃｍ２。
每步研磨结束后用千分表进行厚度监测，并目测上表面玻璃层及下表面硅层的去除情形，待玻璃层即将完备去除时，适当降落研磨压力及底盘转速。
待硅片正、背表面均露出填满玻璃的硅腔构造时，结束研磨过程。
加工中ＴＧＶ晶片的表面如图３和图４所示。
由图４可知，在研磨初始阶段，晶片表面中央部位的硅腔构造最先露出，呈现出“矩形”与“圆环形”两种。
随着研磨韶光（ｔ）的增加，添补有玻璃的硅腔构造相继露出，表现为研磨每增加10min，就多露出外围约一周的腔体构造。
由于机器研磨本身为纯机器的平坦化加工，且玻璃的硬度小于硅，此时可认为该表面两种材料去除速率靠近。
越靠近外侧的硅腔构造露出越晚，表明外侧硅腔深度较小。
硅腔深度的分布呈现出从晶片中央到边缘依次减小的规律，该规律对前道的干法刻蚀工艺有一定辅导意义。

为便于后续加工及测试，利用标准ＳＣ１＃液对研磨后的ＴＧＶ晶片进行洗濯，韶光约10ｓ。
采取平面度丈量仪测试ＴＧＶ晶片的几何参数，结果如图５所示，ＴＧＶ晶片的翘曲度与总厚度变革（ＴＴＶ）值分别为7.149μｍ与3.706μｍ，表明经由研磨的ＴＧＶ晶片正、背表面虽都存在添补有玻璃的硅腔构造，但晶片表面较为平坦，玻璃与硅没有明显的高度差，故此种研磨工艺适宜ＴＧＶ晶片的加工。

1.2　化学机器抛光

由于玻璃与硅的化学性子不同，在同种化学试剂中堕落时两者去除速率不一致，且反应速率难以掌握，故本文采取化学机器抛光（ＣＭＰ）技能而非纯挚的化学减薄方法对ＴＧＶ晶片进行进一步的加工。
抛光分粗抛与精抛过程，均在兰州瑞德公司生产的X62-815型抛光机上进行，压力为0.1ＭＰａ，转速为40ｒ／ｍｉｎ，抛光液选用含有ＳｉＯ２胶粒的商用抛光液，抛光液流量设置为2.38ｍＬ／ｓ。
粗抛后的晶片表面如图６所示。

从图６中可以看出，ＴＧＶ晶片表面呈现出光亮的“镜面”。
用台阶仪分别测试“矩形”及“圆环”状玻璃与硅表面的高度差，结果如图７所示，图７中Ｌ为测试间隔，ｈ为高度差。
由图７可以看出，两者高度差值约为4.2μｍ，这紧张是由于所用抛光液呈弱碱性，在机器摩擦去除速率靠近的情形下，化学堕落硅的速率大于玻璃，终极导致高度差的涌现。
为肃清玻璃与硅的高度差，需加强玻璃的化学堕落浸染。
为摸索得当的堕落工艺，本文将粗抛后的ＴＧＶ晶片分别放置在不同配比、不同温度的ＨＦ酸水溶液中进行堕落，末了创造ＴＧＶ晶片在常温下的ＨＦ酸水溶液（ＶＨＦ∶ＶＨ２Ｏ＝１∶２）中进行堕落4min后可肃清粗抛后的高度差，接着再进行精抛光。
用白光干涉仪测试精抛后ＴＧＶ晶片的表面粗糙度，得到如图８所示结果，由图可知该ＴＧＶ晶片的表面粗糙度为4.275ｎｍ。

2　结果剖析

2.1　ＴＧＶ晶片表面显微剖析

在显微镜下不雅观察ＴＧＶ晶片表面的硅腔构造，如图９所示。
由图可知，矩形与圆环形玻璃的宽度均为200μｍ，表面玻璃没有因化学堕落浸染或机器碰撞浸染而发生破损，这有利于担保封装时的气密性。
故从该角度讲，本文的减薄加工工艺适宜此种ＴＧＶ晶片的加工。

2.2　ＴＧＶ晶片断面腔体深度剖析

由图４可知，ＴＧＶ晶片边缘处圆环形玻璃腔体的深度最小。
用数字式影像丈量机测其断面（图10）可知，该腔体深度约为229μｍ，与晶片终极加工厚度同等。
经客户反应，将该种ＴＧＶ晶片用于圆片封装时，能够较好知足气密性封装的哀求。
故本文提出的减薄加工工艺适宜圆片封装用ＴＧＶ晶片的加工。

3　结　论

本文紧张研究了ＴＧＶ晶片的减薄加工工艺。
在机器减薄过程中，分别探索了磨削与研磨两种加工办法的可行性。
研究结果表明，机器磨削不适宜同时具有玻璃与硅两种材质的ＴＧＶ晶片的加工，而采取机器研磨技能可快速将ＴＧＶ晶片表面玻璃层及硅层去除、实现硅腔构造露出的同时担保平整度；为降落表面粗糙度，采取化学机器抛光技能对ＴＧＶ晶片进行再次减薄加工，抛光结束后ＴＧＶ表面呈现出光亮的“镜面”，粗糙度大大降落。
用该ＴＧＶ晶片进行圆片级封装实验，较好地知足了气密性哀求。