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摘要
通過(guò)使用多級(jí)等離子體蝕刻實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、用于蝕刻后光致抗蝕劑去除的替代方法，以及開(kāi)發(fā)自動(dòng)蝕刻后遮蓋物去除順序；一種可再現(xiàn)的基板通孔處理方法被集成到大批量GaAs制造中。對(duì)于等離子體蝕刻部分，使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)來(lái)確定缺陷密度和通孔尺寸。使用光學(xué)顯微鏡、SEM和俄歇電子能譜(AES)完成對(duì)蝕刻后去除的分析。通過(guò)一系列評(píng)估，來(lái)自通用化學(xué)公司的化學(xué)物質(zhì)被確定為能有效地同時(shí)去除光刻膠掩模和蝕刻殘留物。開(kāi)發(fā)的最終工藝產(chǎn)生了具有大約80度的單斜面?zhèn)缺谳喞拇┻^(guò)襯底的通孔，該通孔清除了蝕刻后的掩膜材料。
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介紹
背面砷化鎵(GaAs)通過(guò)基板的加工是一個(gè)高度機(jī)械化、非自動(dòng)化的過(guò)程，需要大量的操作員干預(yù)。1制造商一直在努力使這一過(guò)程更具可制造性、穩(wěn)健性和成本效益。襯底通孔制造包括將晶片安裝到支撐襯底(圖1)、機(jī)械和化學(xué)晶片減薄、光刻、等離子體蝕刻、光致抗蝕劑去除、蝕刻后殘留物去除、金屬化，以及最后將晶片從其支撐襯底上拆下。雖然每一個(gè)都是獨(dú)立的過(guò)程，但它們確實(shí)相互影響。綜上所述，成功的過(guò)孔的生產(chǎn)需要考慮整個(gè)背面工藝的材料和條件。
通過(guò)等離子體蝕刻在GaAs上形成穿過(guò)襯底的通孔已經(jīng)有一段時(shí)間了，2但是最近被重新評(píng)估以減少草的形成，并減少后蝕刻殘留物(面紗)。3，4，5草狀物和面紗會(huì)產(chǎn)生不良缺陷，影響導(dǎo)電性和可靠性。這項(xiàng)工作的目的是改善通孔剖面，同時(shí)降低這些缺陷的可能性。理想的通孔輪廓是延伸到通孔底部的稍微傾斜的壁，沒(méi)有銳邊或底切(圖2-左)。
最初的過(guò)孔形狀類(lèi)似于香檳酒杯，其中過(guò)孔具有傾斜的上部區(qū)域和垂直的下部區(qū)域(圖2-右)。出于幾個(gè)原因，完全傾斜的通孔設(shè)計(jì)是有益的，包括生產(chǎn)具有大基底的一致的通孔尺寸以保持低電感連接，用于均勻金屬階梯覆蓋和電連續(xù)性的一致的側(cè)壁輪廓，以及最小的頂部通孔尺寸以允許用于當(dāng)前設(shè)計(jì)和未來(lái)尺寸減小的穩(wěn)健布局。
建立蝕刻工藝后，需要開(kāi)發(fā)合適的面紗清潔。對(duì)于清潔工藝來(lái)說(shuō)，重要的是要穩(wěn)健，并處理任何自然的蝕刻工藝變化。利用從蝕刻后殘留物的AES獲得的知識(shí)，嘗試確定哪種化學(xué)物質(zhì)將提供干凈的通孔。更具挑戰(zhàn)性的是，加工溫度必須嚴(yán)格控制在熱塑性安裝粘合劑的軟化點(diǎn)以下。最后，必須仔細(xì)考慮與粘合劑的化學(xué)相互作用。
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蝕刻修改
使用熱塑性材料在安裝在載體襯底上的150 mm (100) GaAs晶片上進(jìn)行蝕刻實(shí)驗(yàn)。將晶片減薄到90 mm.的目標(biāo)厚度。用80 mm直徑的通孔和金蝕刻停止層涂覆在晶片的正面。所有實(shí)驗(yàn)都使用相同的掩模板。
此外，為了篩選通孔輪廓，SEM以30度的傾斜角用于晶片中心和邊緣的自上而下的測(cè)量。然后測(cè)量頂部和底部通孔直徑以及通孔側(cè)壁垂直部分的長(zhǎng)度。最后，通過(guò)自上而下的SEM工作篩選的晶片被剖切，并確定垂直與傾斜的比率。
使用BCl3/Cl2氣體化學(xué)的電感耦合等離子體(ICP)通孔蝕刻工藝被用于實(shí)驗(yàn)。該蝕刻機(jī)具有靜電卡盤(pán)(ESC)和氦背面冷卻。在等離子體條件下，將晶片表面的溫度保持在100℃以下以防止光致抗蝕劑碳化至關(guān)重要。保持晶片溫度也是防止熱塑性安裝材料分解所希望的。晶片中心測(cè)得的最終工藝溫度為43℃，邊緣為48℃。
蝕刻過(guò)程中的第一步是原位去渣步驟，以去除任何潛在的光刻膠浮渣。去渣之后是使用BCl3/Cl2化學(xué)物質(zhì)的突破步驟。對(duì)于主蝕刻步驟，使用BCl3/Cl2化學(xué)混合物。去渣和突破步驟通常用于最大限度地減少因污染、殘留光刻膠或基板不均勻性而形成的柱狀物或草狀物。進(jìn)行初始篩選實(shí)驗(yàn)以確定光刻和蝕刻參數(shù)對(duì)通孔輪廓的影響。探索曝光后烘烤溫度、下電極功率、源功率、壓力、卡盤(pán)溫度和氣流。響應(yīng)是通過(guò)頂部直徑，底部直徑和垂直側(cè)壁長(zhǎng)度。從頂部和底部通孔直徑計(jì)算側(cè)壁角度對(duì)于單斜率剖面(圖2-左)。結(jié)果顯示，較低的曝光后烘烤溫度是產(chǎn)生較窄的上部通孔直徑的主要影響。曝光后烘烤溫度增加20 ℃,通孔直徑增加約15微米。底部通孔直徑不受任何蝕刻或光參數(shù)的影響。完全傾斜的過(guò)孔的角度被計(jì)算為75度
85度。沒(méi)有尖角的完全傾斜的通孔改善了在去除面紗期間濕化學(xué)物質(zhì)的滲透。干凈、完全傾斜的過(guò)孔形狀還允許改善臺(tái)階覆蓋和更薄的金屬涂層，從而降低成本(圖2-左)。
表面輪廓術(shù)用于計(jì)算蝕刻過(guò)程的蝕刻速率和選擇性。在沒(méi)有曝光后烘烤步驟的情況下，在用光致抗蝕劑圖案化的GaAs晶片上測(cè)量臺(tái)階高度。優(yōu)化的蝕刻速率條件產(chǎn)生了5.7 mm/minute.的蝕刻速率因此，新的蝕刻工藝產(chǎn)生了完全傾斜的通孔輪廓。關(guān)于過(guò)蝕刻量的實(shí)驗(yàn)表明，過(guò)蝕刻越短，減少了面紗的數(shù)量(圖3)。
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圖3 清洗處理前新通孔的SEM圖像
當(dāng)用水沖洗時(shí)，普通抗蝕劑剝離劑如NMP(n-甲基-2-吡咯烷酮)的表面張力將繼續(xù)上升，直到所有的溶劑都被混合并除去。GenSolveTM含有表面活性劑，有助于沖洗。在沖洗過(guò)程中與去離子水混合后，表面張力降低。表面張力不會(huì)上升，直到水沖洗達(dá)到90%以上。用GenCleanTM清洗時(shí)，表面張力不會(huì)明顯上升。同樣，為了有效沖洗溶解的固體和顆粒，攪拌需要乳化和低表面張力特性。在傾倒沖洗或其他去離子水浸泡后，殘留的GenCleanTM很容易從表面上去除，使通孔易于干燥。
一種工藝優(yōu)化著眼于襯底通孔蝕刻處的過(guò)蝕刻量對(duì)通孔清潔度的影響。該實(shí)驗(yàn)保證了通孔在正常工藝變化范圍內(nèi)保持清潔。最終的通孔如圖7所示。
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圖7 完全傾斜且無(wú)屏蔽的過(guò)孔
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結(jié)論
通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了穿過(guò)襯底的通孔蝕刻工藝。該工藝產(chǎn)生入射角為75至85度的完全傾斜的通孔輪廓。生產(chǎn)的面紗材料的量減少了。等離子灰化過(guò)程被取消，由于金濃度降低，可以更容易地去除面紗。開(kāi)發(fā)的面紗清潔工藝?yán)昧巳軇┡浞?GenSolveTM)、預(yù)漂洗(GenCleanTM)和短時(shí)間金屬浸出步驟的組合。這種優(yōu)化產(chǎn)生了一種可制造的模塊，并且產(chǎn)生了一致的干凈過(guò)孔。