CN102070120B - 用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，包括以下步骤：第一步，制备定向生长的碳纳米管束阵列，碳纳米管束的直径为0.5-30微米，间距为0.8-100微米，长度为40-500微米；第二步，在上述的定向生长碳纳米管束表面沉积金属钨形成导体阵列；第三步，使得硼硅玻璃与导体阵列在硼硅玻璃熔融状态下形成复合体，第四步，对于形成的复合体的上下表面进行磨抛使得沉积金属钨的碳纳米管束端部暴露，从而得到用于系统级封装的高密度转接板。该发明采用的材料的热膨胀系数低，工艺方法耗时短，因而具有高密度、可靠性高、低成本的优点。

Description

用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子制造技术，尤其涉及一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法。 

背景技术

微电子系统中，芯片上线宽通常是几十个纳米，而PCB板上通常是几十个至几百个微米。通常利用各种转接板(该转接板即英文中的interposer，包括基板)将芯片与PCB板互连，实现纳米至微米尺度的过渡。对转接板的要求有很多，例如要求有较低的热膨胀系数，高的密度，高刚度和低的介电常数等。 

现有的有机材料转接板的问题在于其热膨胀系数较高，与芯片的热失配较大，而且其模量较低，使基板的翘曲度较高，因此难以实现高密度互连。 

现有的硅通孔(TSV)工艺是目前发展的主要方向，它首先是在硅上采用干法(DRIE)或者激光加工等方法制作尺度较小的通孔，然后再采用电镀的方法将孔金属化，但是效率较低，成本较高；目前采用将硅片减薄至50微米以下甚至更薄，大大降低了成本，但是整个过程需要几十个小时，可靠性也难以满足工业界的要求。 

采用玻璃作为转接板正成为关注的方向。在玻璃上加工通孔是一个难题。采用DRIE的方法利用气体对玻璃进行刻蚀，刻蚀速率仅为750nm/min，不仅所刻的结构形状和尺寸局限性大，无法实现大高宽比，而且加工效率低，成本高。目前主要采用激光加工的方法来制备通孔，但是激光加工的成本较高，而且加工的孔形状也不规则，加工3-10微米的小孔时，其速度更慢，加工以后仍然需要采用电化学方法进行金属化，在要求高密度、小尺寸引线互连时，效率较低，成本较高。 

因此，目前急需发展一种低成本、高效率、高密度的转接板。 

发明内容

本发明主要提供一种低成本、高效率的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法。 

本发明采用如下技术方案： 

一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，包括以下步骤：

第一步，制备定向生长的碳纳米管束阵列2，碳纳米管束的直径为0.5-30微米，间距为0.8-100微米，长度为40-500微米；

第二步，在上述的定向生长碳纳米管束表面沉积金属钨1形成导体阵列；

第三步，使得硼硅玻璃与导体阵列在硼硅玻璃熔融状态下形成复合体，

第四步，对于形成的复合体的上下表面进行磨抛使得沉积金属钨的碳纳米管束端部暴露，从而得到用于系统级封装的高密度转接板。

上述技术方案中，第三步采用负压法使得导体阵列与玻璃形成复合体，具体步骤为：首先将上述所述的金属阵列转移到预先准备的硅腔中，并将硼硅玻璃与硅在真空中进行阳极键合，使得硅腔密封；再将上述键合好的两圆片在一个大气压下加热到玻璃的软化温度以上，熔融玻璃在负压的作用下进入硅腔与所述碳纳米管束阵列形成复合体，冷却，退火。通过等离子增强化学气相沉积的方法合成所述的碳纳米管束阵列。碳纳米管束表面沉积金属钨的厚度为0.5-2微米。在碳纳米管束表面沉积金属钨的方法为电子束蒸发的方式。所述硼硅玻璃为Pyrex7740玻璃，所述第四步的加热温度为850℃-900℃。所述硼硅玻璃为BOROFLOAT33玻璃。所述第五步的磨抛方法为化学机械腐蚀。 

本发明获得如下效果： 

1. 本发明采用定向生长的碳纳米管束阵列作为模板，采用钨作为导电金属和浸润金属，制备了玻璃转接板，其中碳纳米管阵列与钨的复合体作为导体材料。由于本发明采用定向生长的碳纳米管束阵列，因此可制备高密度的通孔互连线。现有碳纳米管束可实现微米至亚微米直径，线宽为微米至亚微米，长度为亚微米至几毫米的制造，因此采用玻璃与定向生长的碳纳米管束的复合可望实现高密度的互连，导体直径、线宽、长度精确可调，可实现几十微米至亚微米直径，线宽为几百微米至亚微米，长度为亚微米至几毫米范围的制造。本发明采用钨金属与硼硅玻璃具有优异的润湿性，因此很容易复合；此外，钨与碳纳米管阵列粘结性好，能够促进玻璃与钨的复合程度，从而提高复合体的可靠性；钨金属(约百万分之5)及碳纳米管具有较低的热膨胀系数，热稳定性好，因此制备得到的复合体在承受较高的热循环载荷时，具有较高的可靠性；钨的导电性较好，碳纳米管束也具有较高的导电性，钨与碳纳米管束的复合体也具有较好的导电性，而且能够实现电互连功能；此外，钨与碳纳米管束的复合体在端部很容易与其它金属，例如铜、锡合金等形成良好的键合，形成的焊盘连接点具有较高的可靠性，这是单一采用碳纳米管互连所不具备的。

2. 硼硅玻璃(包括BOROFLOAT33，Pyrex7740-美国康宁公司生产)能润湿钨表面。它具有着高透光率、较高的强度、高模量和低介电常数等特点，使得转接板具有良好的光、电、机械性能，并具有较高的可靠性。此外，由于碳纳米管阵列与钨形成的复合导体表面粗糙度比较低(几纳米至几十纳米)，因此制备的导的玻璃转接板尤其适用于高频应用。由于碳纳米管束、硼硅玻璃以及钨均可承受高温，因此该玻璃转接板也适合于高温应用。 

3. 本发明中是将玻璃熔融直接浇铸到金属阵列中，制备速度快，效率高，大大降低了成本；由于定向生长碳纳米管阵列已经可以进行圆片级制造(采用品牌为Blackmagic气相沉积设备制造)，本发明还可以制备圆片级的玻璃转接板，因此制备的成本能够得到进一步降低。 

4. 本发明中的玻璃的模量比硅的模量高，而且加工过程中不需要将玻璃基片减薄，因此玻璃基板的防翘曲的能力比硅好基板。 

5. 本发明中使用的玻璃的介电常数比硅的低，因此较硅基板减少了电容耦合和信号串扰。本发明中的硅腔与玻璃的阳极键合具有很高的强度，密闭性好的特点，在加热过程中不易发生泄漏而导致玻璃在与金属阵列结合的过程中产生气泡。在温度400°C，电压直流600V的键合条件下，阳极键合能够达到最好的密封效果。 

6. 本发明中采用的退火工艺可以有效的消除玻璃承受高温与金属阵列结合过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高。退火温度为550℃～570℃范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温。在该条件下退火，能有效退去应力，而过低的退火温度则无法有效去除玻璃内部应力。 

7. 本发明中可采用浓度为25%的TMAH溶液去除生长碳纳米管的硅，这样可以有效地去除硅片而不腐蚀玻璃，选择硅片、玻璃比为1000:1。 

本发明具有金属通孔密度高，导热性好，制备周期短的特点，也可以广泛应用于MEMS制造中的玻璃基板的制备。 

附图说明

图1为碳纳米管束阵列的截面示意图。 

图2为碳纳米管束阵列金属化后的截面示意图。 

图3为固体金属通孔的玻璃基板示意图。 

图4为上下磨抛后露出固体金属通孔(中心为碳管)端面的玻璃转接板截面示意图。

图5为固体金属通孔的玻璃基板俯视示意图。

具体实施方式

实施例1

一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，包括以下步骤：

第一步，制备定向生长的碳纳米管束阵列2，碳纳米管束的直径为0.5-30微米，例如为0.8微米，2微米，3微米，5微米，10微米，20微米，间距为0.8-100微米，例如为1微米，3微米，5微米，8微米，10微米，20微米，30微米，50微米，80微米，长度为40-500微米，例如可以为45微米，60微米，100微米，200微米，300微米，400微米；

第二步，在上述的定向生长碳纳米管束表面沉积金属钨1形成导体阵列；钨的厚度为0.1-20微米，例如可以为0.2微米，0.8微米，1微米，5微米，10微米，15微米。

第三步，使得硼硅玻璃与导体阵列在硼硅玻璃熔融状态下形成复合体， 

第四步，对于形成的复合体的上下表面进行磨抛使得沉积金属钨的碳纳米管束端部暴露，从而得到用于系统级封装的高密度转接板。

上述技术方案中，第三步可以采用正的压力驱动将玻璃渗入导体阵列之间，也可以采用负压力抽吸熔融玻璃形成玻璃与导体阵列的复合体，再将玻璃冷却，退火。本发明可通过等离子增强化学气相沉积的方法合成所述的碳纳米管束阵列。在碳纳米管束表面沉积金属钨的方法为电子束蒸发的方式。所述硼硅玻璃为Pyrex7740玻璃，对应的所述加热熔化温度为850℃-900℃，例如860℃，880℃。所述硼硅玻璃也可以BOROFLOAT33玻璃。所述第五步的磨抛方法为化学机械腐蚀。 

实施例2

一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，包括以下步骤：

第一步，制备定向生长的碳纳米管束阵列，碳纳米管束的直径为3微米，间距为5微米，长度为200微米；生长方法是等离子增强气相沉积方法等，

第二步，在上述所述的碳纳米管束表面沉积金属钨；可以在碳纳米管表面制备一层钨，钨的厚度为3微米，制备的方法可以是溅射或者电子束蒸发或者电镀等方法，电子束蒸发(Ebeam)能使碳纳米管阵列的表面覆盖厚度均匀的钨，且具有较低的表面粗糙度。

第三步，将上述的金属化后的碳纳米管束转移到预先准备的硅腔中，并将Pyrex7740玻璃与硅在真空中进行阳极键合，使得硅腔密封；真空度小于1Pa，例如0.1Pa，0.01Pa，阳极键合；工艺条件为：温度400℃，电压：600V。 

第四步，将上述键合好的两圆片在一个大气压下加热到850℃-900℃下，玻璃在腔内负压的作用下进入硅腔，并与所述金属化后的碳纳米管束复合，冷却，退火， 

第五步，对于形成的复合体的上下表面进行磨抛使得沉积金属钨的碳纳米管束端部暴露，从而得到用于系统级封装的高密度转接板，在将沉积金属钨的碳纳米管束端部暴露后，可在其表面制作用于引线互连的金属焊盘，由于钨的存在，钨与金属形成的焊点的可靠性较高，从而克服了现有碳纳米管与金属的电连接可靠性差的缺点。

上述技术方案中，通过等离子增强化学气相沉积的方法合成所述的碳纳米管束阵列，碳纳米管束表面沉积金属钨的厚度为0.5-2微米，在碳纳米管束表面沉积金属钨的方法为电子束蒸发的方式，所述第五步的磨抛方法为化学机械腐蚀。   

实施例3

一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，包括以下步骤：第一步，采用在硅圆片上生长碳纳米管束阵列；第二步，对上述所述的碳纳米管束阵列金属化；第三步，将上述所述的金属阵列放入预先准备的硅腔中，并将BOROFLOAT33玻璃与硅腔进行阳极键合；第四步，将上述键合好的两圆片在一个大气压下，对BOROFLOAT33玻璃加热，使其熔融，使其与上述的金属阵列很好的结合在一起，冷却，将上述圆片退火消除应力；第五步，去除生长碳纳米管的硅，最终得到用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法。

上述技术方案中，制备所述的碳纳米管束阵列的方法为，对洁净的硅圆片进行表面氧化，然后采用原子层淀积的方法淀积一定厚度的铝氧化层并且采用电子束蒸发的方法制作一层铁催化剂层，并对其进行光刻，最后通过CVD方法合成碳纳米管束阵列。制备出一批直径为5微米、20微米、50微米、100微米，间距为15微米、50微米、100微米、300微米的碳纳米管束阵列、第二步所述的对纳米碳管束金属化的方法为，首先将碳纳米管氧化，然后将碳纳米管放入活化液后，表面形成一层极薄的胶状体保护层，保护层下是催化活性晶核，将保护层去掉，暴露出催化活性层，最后将碳纳米管放入化学镀液中进行相应的金属镀覆。第四步将上述键合好的片子在一个大气压下加热至1270°C左右，例如选取为1200°C、1270°C、1240°C，保温3-8分钟，例如可以选取为：4 min，5 min，6 min，使玻璃与金属阵列结合起来，冷却，再在常温下退火消除应力，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第五步所述的去除生长碳纳米管的硅的方法为将退火过后的浸泡25%TMAH溶液中，以大于90°C的温度水浴加热，直至完全去除硅层。第三步所述的阳极键合过程中，硅片与玻璃基片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗。 

实施例4

 一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用在硅圆片上生长碳纳米管束阵列；在硅衬底上旋涂一层20纳米的钛作为缓冲层，然后再钛上制备一层铝，再通过电子束蒸发的方法电极一层镍催化层，光刻，最后将上述衬底放入一个腔内，并且用40SCCM氢气和10SCCM氮气等离子体在850度条件下对上述衬底加工1分钟，备出一批直径为5微米、20微米、50微米、100微米，间距为15微米、50微米、100微米的碳纳米管束阵列。

第二步，对上述所述的碳纳米管束阵列金属化；首先将碳纳米管氧化，然后将碳纳米管放入活化液后，表面形成一层极薄的胶状体保护层，保护层下是催化活性晶核，将保护层去掉，暴露出催化活性层，最后将碳纳米管放入化学镀液中进行相应的金属镀覆。 

第三步，将上述所述的金属阵列放入预先准备的硅腔中，并将BOROFLOAT33玻璃与硅腔进行阳极键合；工艺条件为：温度400℃，电压：600V。 

第四步，将上述键合好的片子在一个大气压下加热至1270°C左右，例如选取为1200°C、1270°C、1240°C，保温3-8分钟，例如可以选取为：4 min，5 min，6 min，使玻璃与金属阵列结合起来，冷却，再在常温下退火消除应力，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。 

第五步，去除生长碳纳米管的硅，最终得到用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法。退火过后的浸泡25%TMAH溶液中，以大于90°C的温度水浴加热，直至完全去除硅层。 

上述技术方案中，制备所述的碳纳米管束阵列的方法为，对洁净的硅圆片进行表面氧化，然后淀积一定厚度的铝氧化层和铁催化剂层，并对其进行光刻，最后通过CVD方法合成如图所示的碳纳米管束阵列。淀积铝氧化层的方法为原子层淀积，所述的制作铁催化剂层的方法为电子束蒸发，所述的CVD方法合成碳纳米管的工艺条件为：温度750°C，气流比率运用水蒸气辅助。第二步所述的对纳米碳管束金属化的方法为，首先将碳纳米管氧化，然后将碳纳米管活化，最后用化学镀的方法镀金属。第四步所述的玻璃加热温度为1270℃，退火温度为560℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第五步所述的去除生长碳纳米管的硅的方法为将退火过后的浸泡25%TMAH溶液中，以大于90°C的温度水浴加热，直至完全去除硅层。第三步所述的阳极键合过程中，硅片与玻璃基片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗。 

Claims (2)

1. 一种用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，制备定向生长的碳纳米管束阵列(2)，碳纳米管束的直径为0.5-30微米，间距为0.8-100微米，长度为40-500微米；

第二步，在上述的定向生长碳纳米管束表面沉积金属钨(1)形成导体阵列；

第三步，使得硼硅玻璃(3)与导体阵列在硼硅玻璃熔融状态下形成复合体，

第四步，对于形成的复合体的上下表面进行磨抛使得沉积金属钨的碳纳米管束端部暴露，从而得到用于系统级封装的高密度转接板。

2.根据权利要求1所述的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于第三步采用负压法使得导体阵列与玻璃形成复合体，具体步骤为：首先将上述所述的导体阵列转移到预先准备的硅腔中，并将硼硅玻璃与硅在真空中进行阳极键合，使得硅腔密封；再将上述键合好的两圆片在一个大气压下加热到玻璃的软化温度以上，熔融玻璃在负压的作用下进入硅腔与所述碳纳米管束阵列形成复合体，冷却，退火。

3. 根据权利要求1所述的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于，通过等离子增强化学气相沉积的方法合成所述的碳纳米管束阵列。

4. 根据权利要求1或2所述的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于，碳纳米管束表面沉积金属钨的厚度为0.5-2微米。

5. 根据权利要求1或2所述的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于，在碳纳米管束表面沉积金属钨的方法为电子束蒸发的方式。

6. 根据权利要求2所述的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于，所述硼硅玻璃为Pyrex7740玻璃，所述第三步的加热温度为850℃-900℃。

7. 根据权利要求1所述的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于，所述硼硅玻璃为BOROFLOAT33玻璃。

8. 根据权利要求1所述的用于微电子系统级封装的高密度转接板的制备方法，其特征在于，所述第四步的磨抛方法为化学机械腐蚀。

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