选择性激光蚀刻中蚀刻剂对玻璃通孔锥角和选择性的影响
选择性激光蚀刻中蚀刻剂对玻璃通孔锥角和选择性的影响
随着倒装芯片键合技术的广泛应用，硅通孔（TSV）技术因其价格较高、在高射频下产生电噪声等缺点而受到限制。相比之下，玻璃具有低介电常数、高透明度和可调节的热膨胀系数等独特性质，使其成为一种理想的中介层材料。因此，玻璃通孔（TGV）技术正逐渐成为TSV技术的替代方案。本文将介绍选择性激光蚀刻（SLE）技术在TGV制造中的应用，重点研究不同蚀刻剂对TGV锥角和选择性的影响。
选择性激光蚀刻技术
选择性激光蚀刻（SLE）是一种广泛使用的方法，用于在各种材料上创建精确而复杂的图案。该方法由A. Marcinkevičius于2001年首次提出。该技术使用激光和蚀刻剂选择性地去除基底上的材料，从而产生复杂的图案和形状。它还可用于在各种材料中打孔，包括金属、陶瓷、二氧化硅和玻璃。它利用激光照射样品产生局部改变，然后进行蚀刻过程。与非改性区域相比，改性区域的蚀刻速率大约高出333倍。这是因为改性区域的物理和化学性质都发生了变化，并且改性区域与蚀刻剂反应迅速。物理和化学变化包括纳米光栅形成、体积膨胀和折射率变化。这些变化使得玻璃内部的通道生成具有极高的精度。SLE目前用于生物技术、纳米技术、光学和IT技术等各个领域。
实验内容
基底材料
TGV工艺采用厚度为0.1mm的硼硅酸盐玻璃基板。这种玻璃是一种使用环保清洁剂代替砷和锑物质的材料，具有出色的耐化学性、热稳定性和热膨胀特性。
超短脉冲激光
超短脉冲激光器是指脉冲持续时间为一百皮秒或更短的激光器。超短脉冲激光器在玻璃加工中具有多种优势。首先，它在热扩散发生之前将能量转移到玻璃中，最大限度地减少特定热过程中的残留物，并允许无需后处理步骤即可进行微加工。其次，由于脉冲持续时间短，峰值功率高，这使其可用于加工具有大能带隙的材料，例如玻璃。超短脉冲激光器的高峰值功率在玻璃中诱发非线性吸收感应，从而实现玻璃的内部加工。
超短脉冲激光局部改性
本研究采用贝塞尔光束来提高生产率。贝塞尔光束具有焦深长的优点。因此，单脉冲贝塞尔光束可以在玻璃中产生全厚度局部改性。图1是超短脉冲激光局部改性实验装置示意图。
图1：超短脉冲激光局部改性实验装置示意图
贝塞尔光束整形
从高斯光束到贝塞尔光束的光束整形经历两个阶段。首先，将相位图像应用于LCOS-SLM调制器，以将光束形状从高斯光束更改为甜甜圈光束。接下来，用平凸透镜（焦距25.4毫米）聚焦甜甜圈形光束。最终形成贝塞尔光束并用光束分析仪测量，其中贝塞尔光束宽度为5.8μm（FWHM），光束长度为180μm。
选择性激光蚀刻
在本研究中使用SLE技术来生成TGV。测试溶液（HF、KOH、NaOH和NH₄F溶液）。根据阿伦尼乌斯方程，提高蚀刻剂的温度会增加碰撞频率并加速化学反应。使用超短激光进行局部改性过程后，将改性玻璃样品浸入装满蚀刻剂的聚四氟乙烯罐中。蚀刻过程如图2。
图2：蚀刻工艺示意图
结果与讨论
蚀刻剂和选择性
本研究目的是提高TGV的生产率，采用SLE工艺。通过超短脉冲激光对玻璃内部进行局部改性，并应用化学蚀刻。图4是4种蚀刻剂形成的通孔。
图4：每种蚀刻剂形成的通孔。（a-d）光学显微镜图像。（a）HF 10M溶液；（b）NaOH 3M溶液；（c）KOH 8M溶液；（d）NH₄F 8M溶液
蚀刻剂和孔锥角
如图4所示，每种蚀刻剂的锥角都不同。因此尝试通过蚀刻剂及其浓度改变锥角的可行性。得出结论，锥角可以通过4种蚀刻剂的摩尔浓度来确定。测量结果如图5所示。
图5：通过每种蚀刻剂形成的通孔。（a-d）光学显微镜图像。（a）HF 5M溶液；（b）NH₄F 5M溶液；（c）NaOH 5M溶液；（d）KOH 5M溶液
结论
（1）结果表明，最有效的蚀刻剂是NH₄F，在85°C下用8M NH₄F溶液蚀刻3小时内即可产生TGV。如上所述，可以比以前的研究快3倍产生TGV。此外，还发现选择性是表征蚀刻效率最可靠的参数。
（2）结果还表明，盲孔的锥角受蚀刻剂的影响。蚀刻剂本身决定了锥角。HF、NH₄F、NaOH和KOH溶液分别产生41°-53°、47°-60°、53°-62°和58°-66°的锥角。这项研究可能对那些想要生成具有特定角度的孔的人有所帮助。
参考文献
The Effects of Etchant on via Hole Taper Angle and Selectivity in Selective Laser Etching
PMCID: PMC10971941 PMID: 38542567
doi: 10.3390/mi15030320
网址：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10971941/#micromachines-15-00320-f004
文章来源
本文原文来自艾邦半导体网，原文标题为《选择性激光蚀刻中蚀刻剂对玻璃通孔锥角和选择性的影响》。