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玻璃基三维光电同传器件及其制作方法

阅读:448发布:2024-01-09

专利汇可以提供玻璃基三维光电同传器件及其制作方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种玻璃基三维光电同传器件及其制作方法,其中光电同传器件玻璃 基板 ,玻璃基板上依次设置有 铜 层、 水 平 波导 层以及上包层;玻璃基板上垂直设置有垂直光通孔和垂直玻璃通孔,铜层上布设有RDL图形,垂直光通孔中的芯层与水平波导层连为一体,水平波导层上设置有光电互连孔以及倒三 角 形反射镜,上包层上设置有开口;所述光电互连孔和开口电 镀 有金属。所述制作方法主要包括在玻璃基板上制作垂直玻璃通孔、垂直光通孔、蒸镀铜层、 旋涂 水平波导层、制作光电互连孔及反射镜、制作上包层的步骤。本发明能够在同一玻璃基板上实现光波导的水平光互连和垂直互连、垂直方向和水平方向的电互连以及光电之间相互传导的目的,制作工艺简单,成本低廉。,下面是玻璃基三维光电同传器件及其制作方法专利的具体信息内容。

1.玻璃基三维光电同传器件,包括玻璃基板(1),其特征在于:所述玻璃基板(1)上依次设置有层(4)、波导层(5)以及上包层(6);所述玻璃基板(1)上垂直设置有垂直光通孔(9)和与铜层(4)连通的垂直玻璃通孔(7),所述铜层上布设有RDL图形(10),所述垂直光通孔中的芯层与水平波导层连为一体,所述水平波导层(5)上设置有光电互连孔(11)以及对应垂直光通孔(9)外侧壁的倒三形反射镜(13),所述上包层上设置有与光电互连孔(11)连通的开口(12);所述光电互连孔(11)和开口(12)电有铜液。
2.玻璃基三维光电同传器件的制作方法,其特征在于主要包括以下步骤:首先在玻璃基板上通过蚀刻工艺制造垂直光通孔和垂直玻璃通孔;其次在垂直玻璃通孔中填充波导材料以及电互连材料,在玻璃基板上方布置RDL图形并蒸镀铜层;然后通过甩胶或者喷涂和曝光工艺完成垂直光通孔芯层和水平波导层的制作;最后在水平波导层上方形成金属RDL层的互连。
3.根据权利要求2所述的玻璃基三维光电同传器件的制作方法,其特征在于具体包括以下步骤:
第一步,在玻璃基板(1)正面刻蚀若干垂直于玻璃基板的通孔,通孔包括成品的垂直玻璃通孔(7)和垂直光通孔(9);
第二步,涂敷干膜(2)作为光刻胶,在对应垂直光通孔的通孔上方的干膜处进行光刻形成通孔;
第三步,干膜光刻显影后,向裸露的垂直光通孔中填充波导材料形成外包层;
第四步,剥离干膜;
第五步,在垂直玻璃通孔的侧壁上采用PVD或者ALD技术沉积介质层(3);
第六步,向垂直玻璃通孔中电镀铜填充,并退火
第七步,在玻璃基板上方旋涂光刻胶或者干膜作为掩膜;
第八步,在掩膜上光刻、显影、坚膜,形成RDL图形(10),并保留垂直光通孔上方的掩膜;
第九步,在RDL图形中蒸镀一层底层金属,然后在底层金属上溅射铜形成铜层(4);
第十步,去除光刻胶或者干膜,保留RDL图形,去除多余的金属;
第十一步,旋涂波导材料,并在RDL上表面填充波导材料或者采用PECVD沉积掺杂锗的形成水平波导层(5);
第十二步,在水平波导层(5)刻蚀形成光电互连孔(11),并在对应垂直光通孔(9)外侧壁上方的水平波导层(5)上刻蚀倒三角形反射镜(13);
第十三步,向光电互连孔(11)电镀铜;
第十四步,在水平波导层(5)上方旋涂光敏PI材料制作上包层(6),并在上包层(6)上光刻、显影、固化并开设开口(12);
第十五步,在上包层(6)的开口(12)中电镀形成UBM;
第十六步,在玻璃基板背面重复第七步至第十五步,制作完成。
4.根据权利要求3所述的玻璃基三维光电同传器件的制作方法,其特征在于:第五步所述介质层包括自玻璃基板向上依次设置的扩散阻挡层、粘附层和种子层,扩散阻挡层、粘附层和种子层优选TiN/Ti/Cu组合,厚度取200nm/200nm/1000nm。
5.根据权利要求3所述的玻璃基三维光电同传器件的制作方法,其特征在于:第十二步中所述倒三角形反射镜(13)通过曝光、显影、固化得到需要的倒三角形波导形状,倒三角形反射镜的形状为倒立的等边三角形。

说明书全文

玻璃基三维光电同传器件及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电子技术领域,特别是一种三维光电同传器件及其制作方法。

背景技术

[0002] 现有的集成电路多为二维集成电路,二位集成电路是指将集成电路的各种元器件一个挨一个的分布在一个平面上。随着集成度不断提高,每片上的器件单元数量急剧增加,芯片面积增大,单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积,严重影响集成电路进一步提高集成度和工作速度。于是产生三维集成的新技术思路。三维集成电路多层器件重叠结构可成倍提高芯片集成度,重叠结构使单元连线缩短,并使并行信号处理成为可能,从而实现电路的高速操作,具有诸多优点;然而由于多层电路的设计,存在较复杂的电互连传导,必然会在带宽限制、电磁干扰、延迟、能耗方面出现难以克服的技术难题,使得信息输入输出的增长速度无法匹配信息的处理速度。光互连技术具有极大的带宽资源和可以轻易实现信息交叉及复用优势,可使单个传输通道实现海量数据的传输,并且不同信道光信号之间彼此独立,不会出现交叉和串扰现象,因此是替代电互连的理想技术。目前在光互连技术的应用,多是体现在基于基interposer的通过平光波导实现光学信号的二维互连以及通过垂直光波导和TSV一体化制造的光电垂直互连的研究,并且由于硅基interposer本身的半导体特性,在传输高速信号上存在损耗大、串扰严重等问题。
[0003] 另外,即使采用光互连技术,由于线路板的表面需要焊接电子元器件,因此线路板在设计过程中也需要考虑光信号转换电信号以及电信号转换光信号的因素。目前对于光电互传技术在三维集成中应用仅仅是基于光interposer和电interposer分开集成的方式,无法实现三维集成中光电互传的真正融合。

发明内容

[0004] 本发明解决的技术问题是提供一种三维集成中基于玻璃interposer的光电互传器件以及制作方法,以在同一封装体内实现光波导的水平光互连和垂直互连、垂直方向和水平方向的电互连以及光电之间相互传导的目的。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案如下。
[0006] 玻璃基三维光电同传器件,包括玻璃基板,所述玻璃基板上依次设置有层、水平波导层以及上包层;所述玻璃基板上垂直设置有垂直光通孔和与铜层连通的垂直玻璃通孔,所述铜层上布设有RDL图形,所述垂直光通孔中的芯层与水平波导层连为一体,所述水平波导层上设置有光电互连孔以及对应垂直光通孔外侧壁的倒三形反射镜,所述上包层上设置有与光电互连孔连通的开口;所述光电互连孔和开口电有铜液。
[0007] 玻璃基三维光电同传器件的制作方法,主要包括以下步骤:首先在玻璃基板上通过蚀刻工艺制造垂直光通孔和垂直玻璃通孔;其次在垂直玻璃通孔中填充波导材料以及电互连材料,在玻璃基板上方布置RDL图形并蒸镀铜层;然后通过甩胶或者喷涂和曝光工艺完成垂直光通孔芯层和水平波导层的制作;最后在水平波导层上方形成金属RDL层的互连。
[0008] 玻璃基三维光电同传器件的制作方法,具体包括以下步骤:第一步,在玻璃基板正面刻蚀若干垂直于玻璃基板的通孔,通孔包括成品的垂直玻璃通孔和垂直光通孔;
第二步,涂敷干膜作为光刻胶,在对应垂直光通孔的通孔上方的干膜处进行光刻形成通孔;
第三步,干膜光刻显影后,向裸露的垂直光通孔中填充波导材料形成外包层;
第四步,剥离干膜;
第五步,在垂直玻璃通孔的侧壁上采用PVD或者ALD技术沉积介质层;
第六步,向垂直玻璃通孔中电镀铜填充,并退火
第七步,在玻璃基板上方旋涂光刻胶或者干膜作为掩膜;
第八步,在掩膜上光刻、显影、坚膜,形成RDL图形,并保留垂直光通孔上方的掩膜;
第九步,在RDL图形中蒸镀一层底层金属,然后在底层金属上溅射铜形成铜层;
第十步,去除光刻胶或者干膜,保留RDL图形,去除多余的金属;
第十一步,旋涂波导材料,并在RDL上表面填充波导材料或者采用PECVD沉积掺杂锗的化硅形成水平波导层;
第十二步,在水平波导层刻蚀形成光电互连孔,并在对应垂直光通孔外侧壁上方的水平波导层上刻蚀倒三角形反射镜;
第十三步,向光电互连孔电镀铜;
第十四步,在水平波导层上方旋涂光敏PI材料制作上包层,并在上包层上光刻、显影、固化并开设开口;
第十五步,在上包层的开口中电镀形成UBM;
第十六步,在玻璃基板背面重复第七步至第十五步,制作完成。
[0009] 本发明第五步所述介质层包括自玻璃基板向上依次设置的扩散阻挡层、粘附层和种子层,扩散阻挡层、粘附层和种子层优选TiN/Ti/Cu组合,厚度取200nm/200nm/1000nm。
[0010] 本发明第十二步中所述倒三角形反射镜通过曝光、显影、固化得到需要的倒三角形波导形状,倒三角形反射镜的形状为倒立的等边三角形。
[0011] 由于采用了以上技术方案,本发明所取得技术进步如下。
[0012] 本发明能够在玻璃interposer中完成水平光波导和垂直光波导的同时制造,在同一封装体内实现了光波导的水平光互连和垂直互连、垂直方向和水平方向的电互连以及光电之间相互传导的目的,制作工艺简单,成本低廉。
[0013] 采用本发明制作的光电同传器件,具有以下优点:其一,减少了封装层次,大量在传统集成方式下只能以片间通信方式实现的逻辑互连能够变成片内互连,显著缩减管脚尺寸,提高集成度;其二,三维光电集成允许以立体方式对电路、光路模进行空间布线,从而大幅度缩短片上连线长度,改善传输速度并减少功耗;其三,采用玻璃作为interposer,由于玻璃是绝缘体,相对于硅基interposer损耗更小,能够支持更高速的电学互连,并且玻璃interposer自身可作为下包层,减少了下包层工序,也可以采用掺杂锗的二氧化硅作为水平波导层,兼容更多的平面光路的设计。同时可直接将第一层RDL制作的玻璃interposer上,提高了工作效率。附图说明
[0014] 图1为本发明所述光电同传器件的结构示意图。
[0015] 图2为本发明制作光电同传器件的工艺流程图
[0016] 其中:1.玻璃基板,2.干膜, 3. 介质层,4.铜层,5.水平波导层,6.上包层,7.垂直玻璃通孔,9.垂直光通孔,10.RDL图形,11.光电互连孔,12.开口,13.反射镜,14.光刻胶。

具体实施方式

[0017] 下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
[0018] 一种玻璃基三维光电同传器件,包括玻璃基板1,所述玻璃基板1上依次设置有铜层4、水平波导层5以及上包层6;所述玻璃基板1上垂直设置有垂直光通孔9和与铜层4连通的垂直玻璃通孔7,所述铜层上布设有RDL图形10,所述垂直光通孔中的芯层与水平波导层连为一体,所述水平波导层5上设置有光电互连孔11以及对应垂直光通孔9外侧壁的倒三角形反射镜13,所述上包层上设置有与光电互连孔11连通的开口12;所述光电互连孔11和开口12电镀有铜液。
[0019] 上述玻璃基三维光电同传器件的制作方法,主要包括在玻璃基板上制作垂直玻璃通孔、垂直光通孔、蒸镀铜层、旋涂水平波导层、制作光电互连孔及反射镜、制作上包层的步骤。首先在玻璃基板上通过蚀刻工艺制造垂直光通孔和垂直玻璃通孔;其次在垂直玻璃通孔中填充波导材料以及电互连材料,在玻璃基板上方布置RDL图形并蒸镀铜层;然后通过甩胶或者喷涂和曝光工艺完成垂直光通孔芯层和水平波导层的制作;最后在水平波导层上方形成金属RDL层的互连。
[0020] 由于玻璃interposer 存在双面的互连工艺,本发明仅针对单面工艺进行阐述,另一面的单面工艺有相同的结构和制备方法,不再赘述。单面工艺流程图如图2所示,具体包括以下步骤:第一步,在玻璃基板1上通过蚀刻形成若干垂直于玻璃基板的通孔,通孔包括成品的垂直玻璃通孔7和垂直光通孔9。
[0021] 通孔的孔径和玻璃基板的厚度相关。一般情况下,垂直玻璃通孔刻蚀的孔径深宽比为10:1或者5:1,垂直光通孔的直径和垂直玻璃通孔直径可以不同,取决于光通孔传输的光学模式设计。以100μm厚的玻璃interposer、垂直玻璃通孔的孔径深宽比5:1为例,垂直玻璃通孔的孔径大小为20μm。
[0022] 在本实施例中并排设置四个通孔,其中左边三个为垂直玻璃通孔,最右侧为垂直光通孔。通孔的蚀刻可以采用干法蚀刻,比如DRIE等,也可以采用准分子激光或者飞秒激光蚀刻,大孔径的通孔,可采用机械方法制作。
[0023] 第二步,涂敷干膜2作为光刻胶,在对应垂直光通孔的通孔上方的干膜处进行光刻形成通孔。干膜是一种光敏的PI材料,作为临时的掩膜。干膜的厚度可以分为四类:0.8mil、1.2mil、1.5mil、2.0mil,干膜越薄,制作的线路越精细。优选0.8mil干膜,曝光精度高。
[0024] 本实施例中,在玻璃基板的最右侧通孔对应的干膜上光刻出与垂直光通孔对应的通孔。
[0025] 第三步,干膜光刻(紫外曝光)显影后,向裸露的垂直光通孔中填充波导材料形成外包层,填充后进行烘烤使外包层材料固化成型,烘烤温度为50~80°。外包层材料优选PMMA材料,填充的方法可以是旋涂或者喷涂。
[0026] 第四步,剥离干膜,然后将垂直光通孔磨平。
[0027] 第五步, 在垂直玻璃通孔的侧壁上采用PVD或者ALD技术沉积介质层3。介质层包括自玻璃基板向上依次设置的扩散阻挡层、粘附层和种子层,扩散阻挡层、粘附层和种子层优选TiN/Ti/Cu组合,厚度取200nm/200nm/1000nm。
[0028] 在向垂直玻璃通孔中沉积介质层之前,还可以选择在玻璃基板的底部临时键合一个载板,在第六步电镀铜填充铜厚去除。
[0029] 第六步,向垂直玻璃通孔中电镀铜填充,并退火。优化铜镀液成份配比,优化电流控制波形,实现高深宽比优异填充。
[0030] 使用化学机械抛光(CMP)或者刻蚀的方法去除表面多余金属层,即去除表面的铜和介质层。优选CMP工艺,因为铜刻蚀的成本比CMP高。
[0031] 第七步,在玻璃基板上方旋涂光刻胶14或者干膜作为掩膜。
[0032] 第八步,在掩膜上光刻、显影、坚膜,形成RDL图形10,并保留垂直光通孔上方的掩膜。
[0033] 第九步,在RDL图形10中使用PVD技术蒸镀一层底层金属,比如TiW,厚度几百个nm;然后在底层金属上溅射铜形成铜层4,铜层厚度为几个微米。
[0034] 第十步,去除光刻胶或者干膜,保留RDL图形,去除多余的金属。
[0035] 第十一步,旋涂波导材料,并在RDL上表面填充波导材料形成水平波导层5,或者采用PECVD沉积掺杂锗的二氧化硅形成水平波导层5,水平波导层的厚度在几个微米到十几个微米。水平波导层5与垂直光通孔9中的波导材料连为一体,填充的方法可以是旋涂或者喷涂。波导材料优选BCB材料。
[0036] 第十二步,在水平波导层5刻蚀形成光电互连孔11,并在对应垂直光通孔9外侧壁上方的水平波导层5上刻蚀倒三角形反射镜13。
[0037] 水平波导层5可以是光敏的PI材料,通过曝光、显影、固化得到需要的倒三角形波导形状,或者使用激光切割形成倒三角形波导形状,也可以通过压印的方式形成波导。如果采用PECVD沉积掺杂锗的二氧化硅形成水平波导层,波导端面的倒三角形波导形状采用干法刻蚀形成。
[0038] 倒三角形反射镜的形状优选倒立的等边三角形。
[0039] 第十三步,向光电互连孔11电镀铜,实现电学的跨层连接。掩膜曝光光刻,蚀刻正面铜,形成布线层,使用减成法,保留布线,取出多余的金属,制作第二层RDL。
[0040] 第十四步,在水平波导层5上方旋涂光敏PI材料制作上包层6,实现表面的钝化;并在上包层6上光刻、显影、固化并开设开口12,最小开口为10μm。光敏的PI材料种类很多,折射率比BCB低。
[0041] 第十五步,在上包层6的开口12中电镀金属形成UBM ,UBM厚度在几个微米。
[0042] 第十六步,重复第一步至第十五步,制作玻璃基板的背面。
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