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摘要
通過使用多級等離子體蝕刻實驗設計、用于蝕刻后光致抗蝕劑去除的替代方法，以及開發(fā)自動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。對于等離子體蝕刻部分，使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)來確定缺陷密度和通孔尺寸。使用光學顯微鏡、SEM和俄歇電子能譜(AES)完成對蝕刻后去除的分析。通過一系列評估，來自通用化學公司的化學物質被確定為能有效地同時去除光刻膠掩模和蝕刻殘留物。開發(fā)的最終工藝產生了具有大約80度的單斜面?zhèn)缺谳喞拇┻^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)通過基板的加工是一個高度機械化、非自動化的過程，需要大量的操作員干預。1制造商一直在努力使這一過程更具可制造性、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)、機械和化學晶片減薄、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。雖然每一個都是獨立的過程，但它們確實相互影響。綜上所述，成功的過孔的生產需要考慮整個背面工藝的材料和條件。
通過等離子體蝕刻在GaAs上形成穿過襯底的通孔已經有一段時間了，2但是最近被重新評估以減少草的形成，并減少后蝕刻殘留物(面紗)。3，4，5草狀物和面紗會產生不良缺陷，影響導電性和可靠性。這項工作的目的是改善通孔剖面，同時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，沒有銳邊或底切(圖2-左)。
最初的過孔形狀類似于香檳酒杯，其中過孔具有傾斜的上部區(qū)域和垂直的下部區(qū)域(圖2-右)。出于幾個原因，完全傾斜的通孔設計是有益的，包括生產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)性的一致的側壁輪廓，以及最小的頂部通孔尺寸以允許用于當前設計和未來尺寸減小的穩(wěn)健布局。
建立蝕刻工藝后，需要開發(fā)合適的面紗清潔。對于清潔工藝來說，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，嘗試確定哪種化學物質將提供干凈的通孔。更具挑戰(zhàn)性的是，加工溫度必須嚴格控制在熱塑性安裝粘合劑的軟化點以下。最后，必須仔細考慮與粘合劑的化學相互作用。
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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晶片上進行蝕刻實驗。將晶片減薄到90 mm.的目標厚度。用80 mm直徑的通孔和金蝕刻停止層涂覆在晶片的正面。所有實驗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量。然后測量頂部和底部通孔直徑以及通孔側壁垂直部分的長度。最后，通過自上而下的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氣體化學的電感耦合等離子體(ICP)通孔蝕刻工藝被用于實驗。該蝕刻機具有靜電卡盤(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。晶片中心測得的最終工藝溫度為43℃，邊緣為48℃。
蝕刻過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化學物質的突破步驟。對于主蝕刻步驟，使用BCl3/Cl2化學混合物。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。進行初始篩選實驗以確定光刻和蝕刻參數(shù)對通孔輪廓的影響。探索曝光后烘烤溫度、下電極功率、源功率、壓力、卡盤溫度和氣流。響應是通過頂部直徑，底部直徑和垂直側壁長度。從頂部和底部通孔直徑計算側壁角度對于單斜率剖面(圖2-左)。結果顯示，較低的曝光后烘烤溫度是產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。完全傾斜的過孔的角度被計算為75度
85度。沒有尖角的完全傾斜的通孔改善了在去除面紗期間濕化學物質的滲透。干凈、完全傾斜的過孔形狀還允許改善臺階覆蓋和更薄的金屬涂層，從而降低成本(圖2-左)。
表面輪廓術用于計算蝕刻過程的蝕刻速率和選擇性。在沒有曝光后烘烤步驟的情況下，在用光致抗蝕劑圖案化的GaAs晶片上測量臺階高度。優(yōu)化的蝕刻速率條件產生了5.7 mm/minute.的蝕刻速率因此，新的蝕刻工藝產生了完全傾斜的通孔輪廓。關于過蝕刻量的實驗表明，過蝕刻越短，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
當用水沖洗時，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。在沖洗過程中與去離子水混合后，表面張力降低。表面張力不會上升，直到水沖洗達到90%以上。用GenCleanTM清洗時，表面張力不會明顯上升。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蝕刻量對通孔清潔度的影響。該實驗保證了通孔在正常工藝變化范圍內保持清潔。最終的通孔如圖7所示。
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圖7 完全傾斜且無屏蔽的過孔
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結論
通過一系列的實驗設計，開發(fā)了穿過襯底的通孔蝕刻工藝。該工藝產生入射角為75至85度的完全傾斜的通孔輪廓。生產的面紗材料的量減少了。等離子灰化過程被取消，由于金濃度降低，可以更容易地去除面紗。開發(fā)的面紗清潔工藝利用了溶劑配方(GenSolveTM)、預漂洗(GenCleanTM)和短時間金屬浸出步驟的組合。這種優(yōu)化產生了一種可制造的模塊，并且產生了一致的干凈過孔。