非線性雷射改質高深寬比玻璃成孔技術

摘要：因 IC 發展需求，玻璃成孔 (Through Glass Via, TGV) 技術將展現更多優勢。在 TGV 製程中，玻璃經由雷射多光子改質，可提高蝕刻效率且形成超高深寬比之玻璃成孔。本文將探討以非線性改質進行選擇性蝕刻之玻璃成孔技術。

Abstract：To meet the demands of integrated circuit development, the through glass via (TGV) fabrication
technology shows more advantages. In the TGV process, the glass is modified by laser multi-photon, which can
improve the etching efficiency and form TGV with ultra-high aspect ratio. This article will discuss the technology
of TGV fabrication process by nonlinear multi-photon modification for selective etching.

關鍵詞 : 玻璃成孔、非線性、改質

Keywords：Through glass via, Nonlinear, Modification

前言
根據 YOLE 預測至 2025 年，全球電信、通訊設施以及國防市場將超過 11% 之複合年增長率 (CAGR) 增長 [1]。此外，未來任何世代下封裝產品將需要更短的訊號互連距離 (interconnectdistances) 和優越的電信號延遲，然而三維集成電路 (Three-dimensional integrated circuit, 3D-IC) 的開發設計便是根據上述需求進行多晶片異體集成於單一晶片上，3D-IC 目前已廣泛運用於智能無人車、微機電系統、大數據分析計算、軍事技術和全球導航衛星系統等應用等等。在過去幾年來，研究人員持續提出了各種材料運用於 3D-IC 封裝中的互連，在這些材料中，以矽晶圓為基底的矽通孔 (through silicon vias, TSV) 具有封裝空間有效
減小、提高輸入 / 輸出 (I/O) 端口數量以及優異且相容的連接性等特點。但 TSV 鑽孔技術於微小化過程上成本高昂，常需使用到離子布值、電漿等高昂設備，且矽的絕緣性相對其他絕緣材差。因此，它不易應用於晶圓級封裝和系統單晶片 [2-3]。

對於次世代無線系統，中介層需提高厚度變化、材料電熱特性、通孔深寬比等方面的靈活性，根據研究表示，玻璃基板是目前及未來於晶圓封裝等級應用下最有力的候選者 [4-5]。其不僅具有成本競爭力，還可藉由參雜元素效調節熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion, CTE)、提升高頻應用中插入損失、具備濕式蝕刻耐久性、大面積基材製作及加工且於可見光範圍內具有高光學透明度。

根據目前各類型成孔技術應用於 IC 封裝中，較常見的方法包含 : 溝槽蝕刻、反應離子蝕刻、機械鑽孔、集中放電和光敏性蝕刻處理 [4,6-8]。然而，這些技術當中皆帶有明顯的缺點，包括通孔內部粗糙度較高、尺寸精度差、產量低、可靠性差和生產成本高等。如，集中放電法雖提供通孔內部良好的表面粗糙度，但仍無法滿足每秒超過2,500 個孔的基本工業產能需求。同樣，以準分子雷射進行玻璃通孔雖可利用汽化效應快速於玻璃上成孔，但相對帶來的熱影響區將降低玻璃微孔的品質而無法應用於高速電子訊號傳輸上。一般來說，雷射加工往往會產生顯著的熱累積效應，其熱影響區從幾微米到幾十微米不等。因此，對具有高尺寸精度和小表面粗糙度的高頻玻璃通孔陣列圖案化是一項重大挑戰。在此，本文將探討以非線性改質進行選擇性蝕刻之玻璃成孔技術。

雷射玻璃成孔光路技術
1. 雷射成孔光路設計
目前採用的玻璃改質通孔方法為運用一Bessel 長景深光路，進行一次性全域厚度雷射改質後，再以蝕刻手法有效形成玻璃通孔。在雷射玻璃成孔光學技術上，旋轉三稜鏡元件 (Axicon)具備產生深寬比超過 500： 1 的 Bessel 長景深光路特性，如圖 1 所示。圖中橫軸單位為 m 而縱軸為 mm，可同時達成小焦點及長景深光路之目的，適合應用於玻璃通孔技術中。Bessel 長景深光路之模組設計，可由近場繞射傅氏傳播理論所分析 [9]，一般先利用旋轉三稜鏡產生一干涉之 Bessel 光束，再搭配一擴束鏡組，

圖1 Axicon 元件產生深寬比超過 500：1 的長景深光型