TGV，愈發重要

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玻璃通孔 (TGV：Through-glass vias) 是玻璃基板上排列成特定圖案的高深寬比孔，用于形成金屬觸點。填充后，這些通孔可在集成電路的堆疊組件之間提供電連接，從而實現緊湊且高度集成的器件架構。這些連接在半導體行業的網狀玻璃晶圓和晶圓級封裝中發揮著至關重要的作用，因為不同幾何形狀的通孔和高深寬比通道必須共存于同一基板中。

TGV（玻璃金屬玻璃）的重要性日益凸顯，這與中介層技術密切相關。中介層技術能夠實現2.5D和3D集成電路中多個芯片的密集封裝。它允許將邏輯單元、存儲器和其他高性能計算單元集成到單個平臺上，并通過縮短互連距離和優化電源傳輸來降低功耗。每個中介層都必須進行電氣隔離以防止短路，而玻璃——非常適合高頻工作——為此提供了一種優異的介電介質。

TGV對于從智能手機和汽車傳感器到復雜MEMS等各種應用中的高密度互連至關重要。通過合理排列TGV，信號可以在層間清晰傳輸，從而實現緊湊的外形尺寸和可靠的性能。

隨著器件變得更小、更強大、更節能，TGV的制造已成為關鍵的制造步驟，為先進的圖形處理器（GPU）、中央處理器（CPU）和高頻電子器件提供支持。研究如何利用激光技術形成這些結構（圖 1），有助于深入了解如何在微電子器件中實現最高水平的集成和性能。

圖1.玻璃鉆孔示例，孔洞排列密集

玻璃加工的挑戰

與其他工業相關材料（例如硅和碳化硅）一樣，玻璃由于其脆性，加工難度依然很高。盡管玻璃具有良好的機械強度和化學穩定性，但這種脆性意味著在玻璃上制造通孔時，常常會出現裂紋或表面缺陷，從而降低晶圓的機械強度。因此，嚴格的工藝控制對于保持結構完整性至關重要，尤其因為孔的幾何形狀直接影響電路的頻率性能。更復雜的是，單個晶圓可能需要形成數十萬個孔，這促使人們不斷研究能夠同時實現高產量和質量一致性的生產方法。

目前已研究了多種制造方法，許多公司正在投入大量資源進行持續開發。在這些策略中，基于激光的方法脫穎而出，展現出極高的效率。例如，飛秒激光器非常適合用于制造玻璃通孔（TGV），因為它們可以實現最小的錐度、高縱橫比、光滑的內壁，并降低碎裂和開裂的風險。

目前，兩種用于制造玻璃通孔的基于激光的方法研究最為廣泛。第一種方法是直接激光燒蝕，即利用長吉赫茲 (GHz) 激光脈沖串在樣品上形成孔洞。該方法中，飛秒激光束由振鏡掃描器引導，并通過 f-θ 透鏡聚焦到樣品上。

第二種方法結合了激光改性和化學蝕刻，激光改變玻璃的內部結構，然后使用酸性或堿性溶液（例如氫氟酸或氫氧化鉀 (KOH)）去除改性區域。這種方法使用貝塞爾光束聚焦物鏡代替 f-θ 透鏡。

優化GHz脈沖串燒蝕

在單脈沖模式下，提高脈沖能量或平均功率可以加快鉆孔速度，但通常會犧牲工藝質量：材料容易開裂，整體效果較差。相比之下，脈沖串模式將單個激光脈沖分成多個子脈沖，子脈沖之間以可控的時間間隔間隔排列。在GHz頻段，這些子脈沖之間的間隔可達數百皮秒，具體間隔取決于配置。這種能量的時間重新分配使得GHz脈沖串加工的效率高于單脈沖燒蝕。

在工藝層面，脈沖串燒蝕效率的提升與鉆孔過程中材料去除的物理機制密切相關。當脈沖串到達表面時，會形成一個特征性的V形孔。由于子脈沖快速連續到達，熱量會沿著通道壁和底部積聚。在適當的條件下，底部區域可以達到熔融狀態。除了熱量積聚之外，等離子體動力學也起著決定性的作用。第一個子脈沖產生的等離子體在幾百皮秒內不會完全熄滅，這意味著后續脈沖會遇到較高的等離子體壓力。這種壓力有助于將熔融材料從通道向上排出，從而形成混合燒蝕-熔融去除機制（圖 2）。

圖 2. 吉赫茲 (GHz) 脈沖燒蝕下的材料去除動力學

這種機制使加工過程更快、更清潔：材料無需完全蒸發，部分材料可通過等離子體輔助噴射被置換和去除。即使在標準操作條件下，也能形成裂紋或結構損傷極小的潔凈孔。

平衡效率與質量

評估所加工的TGV的質量并非總是易事，圖像和指標可能會產生誤導。僅憑吞吐量和/或孔徑無法全面反映情況；兩種不同的加工配置可能產生尺寸相近的孔，但其內部機械應力卻可能存在顯著差異。例如，繪制鉆孔效率與脈沖串中子脈沖數量的關系圖，可能會在特定的脈沖數量和脈沖能量下出現峰值（圖3）。然而，這種看似最佳的狀態可能對應于一個裂紋、碎裂或燒蝕區域周圍高應力導致孔質量下降的區域。

圖 3. 孔徑與脈沖包總能量的關系（上圖）。不同顏色的線條對應不同的子脈沖數。虛線代表使用 200 毫米焦距透鏡獲得的燒蝕結果，實線代表使用 20 毫米焦距透鏡獲得的燒蝕結果。兩幅圖比較了在相同脈沖包總能量下，使用不同聚焦光學元件（200 毫米焦距透鏡（中圖）和 20 毫米焦距透鏡（下圖））鉆出的孔。

因此，真正的目標不僅在于最大化生產效率，還在于找到能夠持續生產高質量孔且無殘余應力或結構損傷的操作方案。評估孔深、直徑和整體形狀等參數，能夠更可靠地幫助我們理解微加工參數如何影響TGV的性能。

孔深與將激光束聚焦到樣品上的f-theta透鏡焦距之間的關系揭示了幾個趨勢。與深度明顯更大的孔相比，深度小于1毫米的淺孔在所有焦距下通常質量更高。對于淺孔，深度增加的速度也更快，尤其是在鉆孔的初始階段（圖4，上圖），焦距較短的透鏡（例如20毫米和100毫米）會加速這一過程。然而，在更深的深度下，使用短焦距透鏡形成的通道可能會變得不穩定，有時會在最初直線延伸后發生彎曲（圖4，右下圖）。雖然這種現象的確切原因尚未完全確定，但很可能與側壁熔化和熔體噴射有關，這會擾亂鉆孔方向。

圖 4. 孔深與聚焦光學元件焦距和入射脈沖數的關系（上圖）。該測試在熔融石英塊體上進行，以確定可達到的最大孔深。在較大深度下，使用短焦距透鏡形成的通道可能變得不穩定，有時會在最初直線傳播后發生彎曲（右下圖）。長焦距透鏡往往會產生更深的孔，深度幾乎呈線性增加，這與穩定鉆孔條件的一般預期一致。由此得到的通道輪廓圖（左下圖）也證實了這一點。

焦距較長的透鏡（例如 200 毫米）往往會產生更深的孔——深度超過 3 毫米。在這種情況下，深度幾乎呈線性增長，這與穩定鉆孔條件下的一般預期一致（圖 4，上圖），并且在最終的通道輪廓中也得到了體現（圖 4，左下圖）。這種特性表明，在一次操作中鉆穿堆疊的玻璃片或晶圓是可行的。這種方法對于 TGV 加工尤為重要，因為高通量制造在 TGV 加工中至關重要。

孔徑很大程度上取決于脈沖串的總能量。無論光學元件的焦距或脈沖串中的子脈沖數量如何，更高的脈沖串能量都會產生更寬的孔。總體而言，焦距在決定孔徑方面的作用相對較小。例如，如圖 3 所示，在相同的脈沖串能量下，20 毫米和 200 毫米的焦距產生的孔徑差異很小。這強調了脈沖串能量在決定孔徑方面比光學配置起著更重要的作用。

除了脈沖總能量外，孔徑的演變還取決于其他參數。增加脈沖串中的子脈沖數量通常會導致孔徑穩定增大，直至達到一定深度；超過該深度后，孔徑可能會出現不規則或不穩定的形狀。重復頻率是另一個關鍵因素。即使在平均功率恒定的情況下，重復頻率越高（例如 40 kHz，而 5 kHz 時則較低），孔徑的增大也越明顯。脈沖間熱量散失時間越短，熱積累越強，從而導致平均孔徑更大、深度略深。

總體而言，觀察到的深度、直徑和形狀之間的依賴關系表明，該過程在熱力學機制下進行。這些發現表明，可以通過調整脈沖參數和聚焦光學器件來調節孔的幾何形狀，同時在選擇合適的設置時也應考慮鉆孔深度。吉赫茲脈沖燒蝕對參數選擇非常敏感，但通過適當的優化，可以形成錐度最小、裂紋或熱損傷風險更低的穩定、高質量的孔（圖 5）。

圖 5. 采用 GHz 脈沖直接激光燒蝕法在熔融石英中制備的近乎無錐度孔。從上到下依次為：入口表面、通道輪廓和出口表面。

激光改性與可控蝕刻

通孔的尺寸、形狀和金屬填充直接影響器件特性，例如頻率響應。因此，許多應用需要定制TGV的幾何形狀，例如沙漏形輪廓或陡峭壁面。

然而，從激光改性的角度來看，直接調整幾何形狀的選擇有限。貝塞爾光束可以產生貫穿玻璃的連續狹窄通道。通過在4F裝置中使用縮小光學元件創建貝塞爾區，可以根據TGV制造所用玻璃基板的厚度，將區域長度調整在0.5至1毫米之間。這使得單次激光脈沖即可在整個玻璃厚度范圍內形成細長的通道。對于幾毫米厚的樣品，所需的脈沖能量范圍從幾十微焦耳到幾毫焦耳不等。具體數值很大程度上取決于玻璃類型，通常需要精確調整脈沖能量、脈沖串中的子脈沖數量，在某些情況下，還需要調整脈沖串包絡的形狀，以使早期和后期子脈沖的相對振幅適應材料的響應。

從根本上講，僅靠材料改性難以實現復雜的形狀（例如沙漏形輪廓）。控制蝕刻工藝可以提供更大的靈活性。例如，使用不同濃度和溫度（80 至 110 °C）的 KOH 溶液進行的實驗證實，蝕刻條件對結果有顯著影響2。較低的溫度和蝕刻劑濃度會減慢蝕刻速度，但由于未改性區域的蝕刻速度要慢得多，因此這些參數會產生縱橫比更高的通道。較高的濃度和溫度會加速蝕刻，但會降低深寬比，從而形成更寬、更錐形的特征。例如，在高溫高濃度下，根據玻璃類型的不同，蝕刻可以在 1 小時內完成——有時甚至只需 30 分鐘——從而在微米級深度上形成數百個孔。

這種特性為定制TGV幾何形狀提供了一種靈活多樣的方法。在高濃度和高溫條件下可以形成沙漏形通孔，而在較溫和的蝕刻條件下則可以形成錐度較小、側壁更陡的通道。

此外，蝕刻還能精確控制孔徑。最初在xy平面上僅有幾微米寬、在z方向上延伸超過一毫米的激光修飾區域，可以擴展成直徑從約10微米到大于100微米的通道。這種靈活性使得只需改變蝕刻條件（圖6），即可在同一激光修飾區域內獲得不同尺寸和輪廓的孔。

圖 6. 直邊玻璃通孔 (TGV) 的橫截面（上）和沙漏形 TGV 的橫截面（下）。

選擇合適的方法

上述兩種TGV制造方法都能對通道幾何形狀進行精確控制，但它們在加工速度、設備要求以及對不同類型玻璃的適用性方面有所不同。基于蝕刻的改性方法通常只需一次激光脈沖即可形成通道，最終的尺寸和形狀在蝕刻步驟中確定。雖然這種方法在幾何形狀的定制方面提供了極大的靈活性，但蝕刻過程本身可能需要數小時才能完成。相比之下，基于燒蝕的鉆孔方法每個孔需要數百或數千次脈沖，但無需蝕刻。根據玻璃類型的不同，一個1毫米深的孔可以在遠低于1秒的時間內形成——在某些情況下甚至快至20毫秒。這意味著可以在不到1小時內處理包含數百萬個孔的晶圓——這種吞吐量完全符合工業需求。

設備方面的考慮進一步區分了這兩種方法。基于燒蝕的鉆孔方法通常與振鏡掃描器結合使用，以實現快速光束定位和高速加工。另一方面，使用貝塞爾光束進行改性通常需要高精度平移臺來移動樣品，從而增加整體加工周期。

最終，燒蝕和改性蝕刻之間的選擇取決于材料體系和具體的應用需求。燒蝕展現出良好的前景和競爭力，尤其是在工藝簡便性和直接結構化方面。然而，考慮到對孔質量、尺寸控制和整體加工速度的實際要求，激光改性后的蝕刻工藝可能仍然是高質量TGV制造的首選方案。

盡管如此，這些方法并非必然相互排斥。在某些制造場景下，混合策略可能具有明顯的優勢。例如，可以使用基于燒蝕的方法制造一部分通孔，而使用改性輔助蝕刻工藝制造大部分通孔，從而確保均勻性和可擴展性。這些方法共同凸顯了飛秒激光作為下一代半導體封裝關鍵工具的多功能性。

（來源：編譯自photonics）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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