选择性激光蚀刻中蚀刻剂对玻璃通孔锥角和选择性有什么影响

近来，为提高IC芯片性能，倒装芯片键合被广泛采用。要实现倒装芯片键合，需要大量的通孔。因此，硅通孔（TSV）被应用。然而，硅有几个缺点，例如其价格相对较高以及在高射频下会产生电噪声。另一方面，玻璃具有适合用作中介层材料的独特性质，即低介电常数、高透明度和可调节的热膨胀系数。由于其介电常数低，可避免信号噪声；由于其透明度，可轻松实现三维对准；由于其热膨胀可与Si晶片匹配，可防止翘曲。因此，玻璃通孔（TGV ）正成为一种越来越受欢迎的TSV替代方案。

在玻璃上打孔的方法有很多种：机械钻孔、粉末喷砂、磨料浆喷射加工（ASJM）、激光钻孔、深反应离子刻蚀（DRIE）、等离子刻蚀、火花辅助化学雕刻（SACE）、振动辅助微加工、激光诱导等离子微加工（LIPMM）、水辅助微加工和选择性激光蚀刻。大规模生产中要考虑的最重要的参数是均匀性，尽管也应考虑加工时间。选择性激光蚀刻（SLE）可以创建均匀的孔，但目前需要相对较长的加工时间。

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。前期的研究展示了如何通过改变局部改性方法来提高工艺速度。建议在初始脉冲后几百皮秒添加额外的脉冲能量可以提高局部改性区域的蚀刻速率。在本研究中，尝试使用蚀刻剂本身来提高蚀刻速率。为此，测试了四种不同的蚀刻剂，即HF 溶液、NaOH 溶液、KOH 溶液和 NH₄F 溶液。为了定量比较，采用了选择性。结果表明，NH₄F 溶液具有最高的选择性，用该溶液蚀刻 3 小时内即可形成 TGV。这比之前使用 KOH 溶液的研究快三倍。

由于可以调整锥角，因此通过 SLE 生成的玻璃孔还可应用于各个领域。玻璃孔的锥角是多种工业应用中的关键因素。例如，在半导体工业中，喷头用于清洁过程，喷头孔的锥角决定了清洁液的速度和方向。同样，在生物技术领域，带有锥形孔的微针用于输送药物或从体内提取液体。孔的锥角会影响微针的流速和穿透深度。孔的锥角还会影响喷雾模式。这也可用于磨料工艺。因此，对锥角的研究对各种工业应用都很有用。在本项研究中，发现锥角随蚀刻剂本身及其浓度而变化。根据研究可以暂时断言，可以根据蚀刻剂的选择来提高生产率并调整孔的锥角。

图 本项研究中HF、NaOH、KOH 和 NH₄F 溶液的锥角范围。

本研究中将采用选择性激光蚀刻 (SLE) 技术进行实验，找到一种适合 TGV 形成的蚀刻剂，比较了四种不同的蚀刻剂 (HF、KOH、NaOH 和 NH₄F)，以提高蚀刻速度。下面是实验内容。

实验内容

1. 基底材料

TGV 工艺采用厚度为 0.1 mm 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。

2. 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。

3. 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 通过超短脉冲激光进行局部改性的实验装置示意图。

4. 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 5.8 μm（FWHM），光束长度为 180 μm。

5. 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 10 M 溶液；（b）NaOH 3 M 溶液；（c）KOH 8 M 溶液；（d）NH₄F 8 M 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 5 M 溶液；（b）NH₄F 5 M 溶液；（c）NaOH 5 M 溶液；（d）KOH 5 M 溶液。

结论

（1）结果表明，最有效的蚀刻剂是NH₄F，在85°C下用8 M 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。

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来源：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