專利名稱：通過將多孔硅轉(zhuǎn)變成多孔金屬或陶瓷來制作微結(jié)構(gòu)的方法
通過將多孔硅轉(zhuǎn)變成多孔金屬或陶瓷來制作微結(jié)構(gòu)的方法技術(shù)領(lǐng)域
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的解決方案涉及微結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景
微結(jié)構(gòu)(導(dǎo)電的或絕緣的)通常被用于許多應(yīng)用中。典型實(shí)例是用于封裝半導(dǎo)體 材料的芯片(其中形成集成電路)的電路化(circuitized)襯底；通常，該襯底由用于支撐 導(dǎo)電連接元件的絕緣底部(base)制成。例如，在球柵陣列(BGA)類型的電子裝置中，芯片被 安裝在襯底的上表面上。然后將芯片的端子接合到相應(yīng)的接觸件(contact)(諸如焊盤)， 其被設(shè)置在襯底的相同的上表面上(諸如用倒裝芯片技術(shù))。通過穿過襯底的導(dǎo)通孔(或 簡稱為通孔(via))，從而將其上表面上的焊盤與設(shè)置在襯底的下表面上的相應(yīng)的導(dǎo)電球連 接。然后將如此獲得的結(jié)構(gòu)封閉在(例如，塑料材料的)保護(hù)層內(nèi)，其僅僅讓球在襯底的下 表面上露出(實(shí)現(xiàn)電子裝置的外部端子)。
關(guān)于此點(diǎn)，問題是由于用于芯片的端子的接觸件的越來越高密度的需求而導(dǎo)致 的；實(shí)際上，集成電路的增長的復(fù)雜度要求芯片中龐大數(shù)量的端子(特別是用于多處理器 組件)，它們的間距相應(yīng)地減少。然而，即使非常復(fù)雜的制造工藝(諸如基于微通孔技術(shù)的 制造工藝，也稱為連續(xù)構(gòu)建Sequential Build-Up, SBU)或高密度互連(HDI))也不能獲得 具有小于50-80 μ m的直徑的通孔。
芯片的增大的端子密度也增加了對于耗散由芯片產(chǎn)生的熱量的大的問題；這可能 是非常關(guān)鍵的，特別是在芯片發(fā)熱集中的特定區(qū)域(熱點(diǎn))處。
已知襯底的另一個問題是要求在芯片的端子和電子裝置的端子之間通過相應(yīng)通 孔的連接的非常低電阻。例如，在復(fù)雜的芯片上系統(tǒng)(SOC)中，例如對于其中其幾乎所有的 功能都在少量芯片中實(shí)現(xiàn)的移動電話，每個連接的電阻不應(yīng)該超過70-80Π1Ω。
另一方面，在一些應(yīng)用中(例如，在電子裝置工作在高頻率下時)要求襯底的絕緣 底部的低介電常數(shù)，以便減少連接件的耦合雜散電容。此外，在功率應(yīng)用中，也要求絕緣底 部應(yīng)該表現(xiàn)出高擊穿電壓。
另一個問題涉及電子裝置的可靠性。實(shí)際上，在芯片的熱膨脹系數(shù)(TCE)和襯底 的熱膨脹系數(shù)之間的任何差別可能導(dǎo)致芯片上的機(jī)械應(yīng)力(特別是在倒裝芯片技術(shù)中在 它們與襯底的接合處)。由于使用超低k電介質(zhì)材料而進(jìn)一步加重該問題，超低k電介質(zhì)材 料要求襯底應(yīng)該幾乎不引起芯片上的應(yīng)力。
類似的考慮適用于堆疊式封裝O^ackage-On-Package，POP)結(jié)構(gòu)，其中兩個或更 多個電子裝置(每一個具有相應(yīng)的襯底)被一個在另一個之上地安裝。
微結(jié)構(gòu)的另一個應(yīng)用實(shí)例在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中。在該情況下，要求制作復(fù)雜形 狀的(導(dǎo)電或絕緣)微結(jié)構(gòu)的能力；這些微結(jié)構(gòu)的期望特性可以是高機(jī)械剛度、低重量和/ 或耐極端溫度(例如，低至-100°C或高達(dá)+1500°C )。
此外，微結(jié)構(gòu)還可以被用在精密微機(jī)械的應(yīng)用中(例如，在表中)。這可以要求 (導(dǎo)電或絕緣)微結(jié)構(gòu)對于溫度非常穩(wěn)定，具有低惰性和/或適合用于惡劣環(huán)境(例如，抗腐蝕)。
在要求使用微結(jié)構(gòu)的其它技術(shù)領(lǐng)域中還經(jīng)歷了等同的、另外的和/或不同的問 題。例如，這是磁電介質(zhì)材料(例如在電磁天線中使用)、真空電子裝置(諸如微波管，或者 考慮到微結(jié)構(gòu)的尺寸更好是在TeraHz頻率區(qū)域中)等等的情況。發(fā)明內(nèi)容
在其一般方面中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的解決方案基于由多孔硅制作微結(jié)構(gòu)的主辰、ο
具體地，本發(fā)明的不同的方面提供如在獨(dú)立權(quán)利要求中陳述的解決方案。在從屬 權(quán)利要求中陳述本發(fā)明的有利的實(shí)施例。
更具體地說，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的解決方案的一個方面提出了用于制作微結(jié)構(gòu)的 方法。該方法從提供硅襯底(具有主表面)的步驟開始。然后形成從主表面延伸到硅襯底 中的多孔硅層。通過選擇性地刻蝕多孔硅層以獲得一組多孔硅的突出的微元件而繼續(xù)該方 法；每個突出的微元件從硅襯底的剩余部分突出，由此露出相應(yīng)的外表面。然后處理突出的 微元件以便獲得一組相應(yīng)的導(dǎo)電或絕緣微元件；通過將多孔硅的至少普遍的(prevalent) 部分(從外表面延伸到相應(yīng)的突出的微元件中)分別轉(zhuǎn)變成多孔金屬或陶瓷來獲得每個導(dǎo) 電或絕緣微元件。
根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例的解決方案的其它方面提出了用于制作磁電介質(zhì)結(jié)構(gòu)、 互連結(jié)構(gòu)、封裝的電子裝置、封裝到封裝的(package-to-package)電子裝置、功率電子裝 置、真空電子裝置和微機(jī)械裝置的方法。


參考與附圖一起閱讀的僅僅地通過非限制性指示給出的以下詳細(xì)描述將更好明 白根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的解決方案以及其另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。在這方面，明確地意圖附圖不 是必須要按比例繪制的并且除非另有指明，它們僅僅意圖概念上示出在本申請中描述的結(jié) 構(gòu)和過程。具體地
圖1A-1D'示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制作微結(jié)構(gòu)的制造工藝的各個階段，
圖2A-2G示出根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的用于制作微結(jié)構(gòu)的制造工藝的各個階 段，
圖3A-3D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制作互連結(jié)構(gòu)的制造工藝的附加的階段，
圖3A' -3D'示出根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的用于制作相同的互連結(jié)構(gòu)的制造 工藝的附加的階段，
圖4A-4C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制作封裝的電子裝置的制造工藝的附加 的階段，
圖4A' -4C'示出根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的用于制作相同的封裝的電子裝置 的制造工藝的附加的階段，
圖5A-5C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制作不同的封裝的電子裝置的制造工藝 的附加的階段，
圖5A' -5C'示出根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的用于制作同一個不同的封裝的電6子裝置的制造工藝的附加的階段，
圖6是可以用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的解決方案獲得的另外的示例性的封裝的電子裝置，
圖7是可以用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的解決方案獲得的示例性的堆疊式封裝的電子裝置，
圖8是可以用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的解決方案獲得的示例性的功率電子裝置，
圖9A-9D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制作真空電子裝置的制造工藝的附加的 階段，以及
圖10A-10F示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制作微機(jī)械裝置的制造工藝的附加的 階段。
具體實(shí)施方式
特別參考圖1A-1D'，其示出了用于制作根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的導(dǎo)電或絕緣微結(jié)構(gòu) (在圖ID和圖ID'中分別用附圖標(biāo)記100和附圖標(biāo)記100'表示)的制造工藝的各個階段。
如圖IA所示，制造工藝從硅襯底102(例如，包括單晶硅的晶圓(wafer))開始；可 以在整個晶圓上形成單個微結(jié)構(gòu)，或者可以在晶圓(然后在工藝結(jié)束時被切成小塊)的幾 個同樣的區(qū)域中重復(fù)相同的微結(jié)構(gòu)。在硅襯底102中形成多孔硅層103 ；多孔硅層103從 硅襯底102的前(上)表面延伸，從而留下無孔的或致密的硅的其剩余部分(用附圖標(biāo)記 106表示)。
出于此目的，硅襯底102受到陽極過程(anodic process)(作用于其前表面)。特 別地，硅襯底102被用作電化學(xué)電池(包括富含氫氟酸的電解質(zhì)，或HF)中的陽極。當(dāng)陽極 過程的電流密度低于臨界值JPS (取決于多個實(shí)驗(yàn)因素)時，電解質(zhì)僅僅與到達(dá)硅襯底102 的前表面的空穴反應(yīng)(使得反應(yīng)受空穴的供給的限制而不受它們到電解質(zhì)中的離子擴(kuò)散 的限制)。當(dāng)然，這要求在硅襯底102的前表面處的(自由)空穴的可用性。如果硅襯底 102是P型的，空穴的可用性是明顯的。相反地，如果硅襯底102是N型的，則界面硅電解 質(zhì)用作反轉(zhuǎn)偏置的肖特基結(jié)(即，具有耗盡區(qū)的寬度隨著硅襯底102中雜質(zhì)濃度增大而減 小)。當(dāng)硅襯底102具有高雜質(zhì)濃度(N+)時，在硅襯底102中的自由空穴能夠通過量子力 學(xué)隧穿穿過該結(jié)的勢壘；相反，必須為空穴提供能量(例如，通過在其前表面上和/或在其 后(下)表面上照亮硅襯底102)以允許它們通過勢壘。
多孔硅(PQ根據(jù)其孔(pore)的直徑被分類為納米孔多孔硅(nanoPQ (或微孔多 孔硅(microPS))、中等孔多孔硅(mesoPQ和宏孔多孔硅(macroPQ ；特別地，孔的直徑在 納米孔多孔硅中低于2nm，在中等孔多孔硅中在2nm與50nm之間，而在宏孔多孔硅中高于 50nm。原則上，在每個硅襯底中與其摻雜無關(guān)地形成納米孔多孔硅；然而，可以在具有低雜 質(zhì)濃度的P型的硅襯底中僅僅獲得純的納米孔多孔硅。在具有高雜質(zhì)(N型的或P型的) 濃度的硅襯底中改為獲得納米孔多孔硅和中等孔多孔硅的混合。最后，在具有低雜質(zhì)濃度 的硅襯底中可以獲得宏孔多孔硅(當(dāng)硅襯底是N型的時納米孔多孔硅被發(fā)現(xiàn)覆蓋孔)。
多孔硅的特性取決于其形態(tài)，該形態(tài)又是由不同的參數(shù)(例如，硅的長度、濃度和 雜質(zhì)類型，電流密度，電解質(zhì)類型等)限定的陽極過程的條件(regime)的函數(shù)。關(guān)于此點(diǎn)，多孔硅有關(guān)的特性是其孔隙度( % )，對于(致密)硅其被定義為
權(quán)利要求
1.一種用于制作微結(jié)構(gòu)(100)的方法，該方法包括以下步驟提供硅襯底(102)，該硅襯底具有主表面，形成從主表面延伸到硅襯底中的多孔硅層(103)，選擇性地刻蝕多孔硅層以獲得一組多孔硅的突出的微元件(112)，每個突出的微元件 從硅襯底的剩余部分(106)突出，由此露出相應(yīng)的外表面，以及處理突出的微元件以便獲得一組相應(yīng)的導(dǎo)電微元件(11 或絕緣微元件(115')，通 過將多孔硅的從外表面延伸到相應(yīng)的突出的元件中的至少普遍的部分分別轉(zhuǎn)變成多孔金 屬或陶瓷來獲得每個導(dǎo)電微元件或絕緣微元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲得一組對應(yīng)的導(dǎo)電微元 件(115)的步驟包括將突出的微元件(11 浸入包括至少一種金屬元素的溶液中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲得一組對應(yīng)的絕緣微元 件(115')的步驟包括使突出的微元件(11 經(jīng)受在第一溫度下的第一熱過程以便將多孔硅的至少普遍的 部分轉(zhuǎn)變成多孔陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲得一組對應(yīng)的絕緣微元 件(115')的步驟還包括使突出的微元件(11 經(jīng)受在比第一溫度高的第二溫度下的第二熱過程，以便將多孔 陶瓷的至少部分轉(zhuǎn)變成致密的陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中每個熱過程被在包括氧、碳和/或氮的氣氛中 執(zhí)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求3到5中的任一權(quán)利要求所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲 得一組對應(yīng)的絕緣微元件(115')的步驟還包括，在使突出的微元件(11 經(jīng)受第一熱過 程之前將突出的微元件浸入包括納米顆粒的溶液中，以便使溶液至少部分地穿透到多孔硅 中，以及使穿透的溶液蒸發(fā)以便讓穿透的溶液的納米顆粒的至少部分留在多孔硅內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3到6中的任一權(quán)利要求所述的方法，其中處理突出的微元件以便獲 得一組對應(yīng)的絕緣微元件(115')的步驟還包括，在使微元件(11 在包括至少一種第一 元素的氣氛中經(jīng)受第一熱過程之前用基于至少一種第二元素的材料表面地處理多孔硅以便讓材料穿透到多孔硅的至少 普遍部分的外層中而不穿透到其剩余的內(nèi)層中，第一熱過程將外層轉(zhuǎn)變成基于至少一種第 一元素和至少一種第二元素的多孔陶瓷，并且將內(nèi)層轉(zhuǎn)變成基于至少一種第一元素的多孔 陶瓷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一權(quán)利要求所述的方法，其中形成多孔硅層(10 的步 驟包括使硅襯底(10 經(jīng)受具有適于調(diào)整多孔硅層(10 的孔隙度的條件的至少一個陽極過程。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使硅襯底(10 經(jīng)受至少一個陽極過程的步驟包括使硅襯底經(jīng)受具有第一條件的第一陽極過程以便獲得具有第一孔隙度的多孔硅層的 外面部分(10 ),以及使硅襯底經(jīng)受具有第二條件的第二陽極過程以便獲得具有比第一孔隙度高的第二孔 隙度的多孔硅層的內(nèi)在部分(103i)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中的任一權(quán)利要求所述的方法，還包括以下步驟用致密的金屬層(115p)覆蓋每個導(dǎo)電微元件(115)，和/或用導(dǎo)電層(115p')覆蓋 每個絕緣微元件(115')和硅襯底的剩余部分(106)的自由表面，該絕緣微元件從硅襯底 的剩余部分(106)突出。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中的任一權(quán)利要求所述的方法，其中選擇性地刻蝕多孔硅層 的步驟包括提供在主表面上堆疊的多個刻蝕掩模(209a-209e)，以及 重復(fù)以下步驟直到去除所有掩模 通過掩?？涛g多孔硅層O03)的一部分直到刻蝕掉對應(yīng)的 部分厚度，該對應(yīng)的部分厚度低于多孔硅層的初始厚度，以及 去除疊層中的最外層的掩模。
12.一種用于制作磁電介質(zhì)結(jié)構(gòu)(300;300')的方法，該方法包括以下步驟通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一權(quán)利要求所述的方法的步驟來制作微結(jié)構(gòu) (100 ；100')，將電介質(zhì)材料(318)施加到硅襯底的剩余部分(306)上以便包埋由多孔的磁性金屬制 成的導(dǎo)電微元件(11 的至少部分，或者將磁性材料(318')施加到硅襯底的剩余部分上 以便讓磁性材料的每個部分的至少部分被嵌入在絕緣微元件(115')之中，以及 去除硅襯底的剩余部分(306)。
13.一種用于制作互連結(jié)構(gòu)(300;300')的方法，該方法包括以下步驟通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一權(quán)利要求所述的方法的步驟來制作微結(jié)構(gòu) (100 ；100')，將電介質(zhì)材料(318)施加到硅襯底的剩余部分(306)上以便包埋導(dǎo)電微元件(115)，或 者將導(dǎo)電材料(318')施加到硅襯底的剩余部分上以便讓導(dǎo)電材料的每個部分嵌入在絕 緣微元件(115')之中，由此獲得分別穿過電介質(zhì)材料或絕緣微元件的相應(yīng)的通孔，每個 通孔露出前接觸件和后接觸件，以及 去除硅襯底的剩余部分(306)。
14.一種用于制作封裝的電子裝置GOO ;400' ；500 ；500' ；600)的方法，該方法包括 以下步驟通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法的步驟來制作互連結(jié)構(gòu)(300 ；300')， 在互連結(jié)構(gòu)上安裝至少一個包括集成電路的芯片GM ;似4' ；524；524' ；6 )，該芯 片具有一組內(nèi)部端子，每一個內(nèi)部端子被連接到通孔；515；518' ；615)中的對 應(yīng)的第一通孔的前接觸件，以及形成一組外部端子G30 ;430' ；530 ；530' ；630)，用于訪問互連結(jié)構(gòu)上的封裝的電子 裝置，每個外部端子被連接到對應(yīng)的第一通孔的后接觸件。3
15.一種用于制作封裝到封裝的電子裝置(700)的方法，該方法包括以下步驟通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法的步驟來制作多個封裝的電子裝置000; 400' ；500 ；500' ；600)，將封裝的電子裝置安裝成疊層，其中不同于疊層中的最后一個封裝的電子裝置的每個 封裝的電子裝置具有一組第二通孔(71fe、715b、715c)，每一個第二通孔具有被連接到對應(yīng) 的外部端子(730b、730c、730d)的或被連接到在疊層中先前的電子封裝裝置的對應(yīng)的第二 通孔的后接觸件的前接觸件，并且第一電子封裝裝置包括用于訪問其它封裝的電子裝置的 芯片的另外的外部端子(730a)，每一個另外的外部端子被連接到對應(yīng)的第二通孔的后接觸 件。
16.一種用于制作功率電子裝置(800)的方法，該方法包括以下步驟通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一權(quán)利要求所述的方法的步驟來制作具有導(dǎo)電 微元件的微結(jié)構(gòu)(100)，將至少一個功率組件(836)集成到硅襯底的剩余部分(806)中，導(dǎo)電微元件(815)限 定用于至少一個功率組件的熱沉。
17.一種用于制作真空電子裝置(900)的方法，該方法包括以下步驟通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一權(quán)利要求所述的方法的步驟來制作具有導(dǎo)電 微元件的微結(jié)構(gòu)(100)，在硅襯底的剩余部分(906)上形成側(cè)面保護(hù)元件(915p)，該側(cè)面保護(hù)元件包圍導(dǎo)電微 元件(915ο)，將第一保護(hù)元件(939)接合在側(cè)面保護(hù)元件和與硅襯底的剩余部分相對的每個導(dǎo)電 微元件的第一自由端上，去除硅襯底的剩余部分，以及在基本上真空狀態(tài)下將第二保護(hù)元件(94 接合在側(cè)面保護(hù)元件和與其第一自由端 相對的每個導(dǎo)電微元件的另外的自由端上，該側(cè)面保護(hù)元件、第一保護(hù)元件和第二保護(hù)元 件密封導(dǎo)電微元件。
18.一種用于制作微機(jī)械裝置(1000)的方法，該方法包括以下步驟通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一權(quán)利要求所述的方法的步驟來制作起始微結(jié) 構(gòu)(1000a)，重復(fù)包括以下的至少一次接合工藝通過執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一權(quán)利要求所述的方法的步驟來制作另外的微 結(jié)構(gòu)(1000b)，將另外的微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電或絕緣微元件(1015b)的至少部分與先前的微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電或 絕緣微元件(1015a)的至少部分接合，該先前的微結(jié)構(gòu)包括在接合工藝的第一重復(fù)處的起 始微結(jié)構(gòu)(1000a)或者包括由接合工藝的先前的重復(fù)引起的復(fù)合的微結(jié)構(gòu)(IOOOab)，以及 去除另外的微結(jié)構(gòu)或先前的微結(jié)構(gòu)的硅襯底的剩余部分(1006b)，以及 在接合工藝的最后的重復(fù)之后去除先前的微結(jié)構(gòu)的硅襯底的剩余部分(1006a)。
全文摘要
提出了一種用于制作微結(jié)構(gòu)(100)的方法。該方法從提供具有主表面的硅襯底(102)的步驟開始。然后形成從主表面延伸到硅襯底中的多孔硅層(103)。通過選擇性地刻蝕多孔硅層以獲得一組多孔硅的突出的微元件(112)而繼續(xù)該方法；每個突出的微元件從硅襯底的剩余部分(106)突出，由此露出相應(yīng)的外表面。然后處理突出的微元件以便獲得一組相應(yīng)的導(dǎo)電微元件(115)或絕緣微元件(115′)；通過將多孔硅的至少普遍的部分(從外表面延伸到相應(yīng)的突出的元件中)分別轉(zhuǎn)變成多孔金屬或陶瓷來獲得每個導(dǎo)電微元件或絕緣微元件。
文檔編號H01L21/68GK102037560SQ200980117012
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者M·布魯卡尼 申請人:Rise技術(shù)有限責(zé)任公司