隨著三維集成封裝（3D IC）技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)接板材料在高頻、高密度封裝中的性能瓶頸日益凸顯。鋰鋁硅（Li?O-Al?O?-SiO?）光敏微晶玻璃因其優(yōu)異的光敏性、高頻介電性能和可控微納加工能力，成為新一代轉(zhuǎn)接板材料的理想選擇。Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究系統(tǒng)探究了該材料在玻璃通孔（TGV）和微透鏡陣列（MLA） 制備中的工藝優(yōu)化機(jī)制，重點分析了紫外曝光、熱處理與濕法刻蝕等關(guān)鍵工藝參數(shù)對材料性能與結(jié)構(gòu)形貌的影響，提出了多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方案，為高性能微納器件的開發(fā)提供了理論與技術(shù)支持。

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實驗設(shè)計

flexfilm

實驗內(nèi)容

左：TGV陣列制備流程圖；右：光刻膠熱熔法制備微透鏡陣列

研究分為兩部分：

TGV陣列制備：研究紫外曝光、熱處理（核化/晶化）、濕法刻蝕等工藝參數(shù)對通孔形貌的影響。

微透鏡陣列制備：研究曝光波長、熱處理參數(shù)（核化時間、升溫速率）和晶圓厚度對透鏡形貌的影響。

實驗流程

樣品預(yù)處理：切割、清洗、干燥；

紫外曝光：使用320nm/350nm光源，配合掩模進(jìn)行區(qū)域曝光；

高溫?zé)崽幚恚喊ê嘶c晶化兩個階段，控制溫度與時間；

濕法刻蝕：使用不同濃度HF溶液進(jìn)行選擇性刻蝕；

性能表征：采用XRD、光學(xué)顯微鏡、XRM、臺階儀等手段分析結(jié)構(gòu)與形貌。

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TGV制備工藝優(yōu)化

flexfilm

曝光工藝

320nm光源曝光下不同曝光時間樣品（a）核化后和（b）晶化后的XRD曲線

左a-f（320nm）和右a-f（350nm）波長光源不同曝光時間（10min、20min、30min）樣品刻蝕表面形貌圖

320nm光源曝光20分鐘效果最佳，可誘導(dǎo)Ag晶核沿（200）晶面生長，促進(jìn)Li?SiO?晶體形成，刻蝕后通孔形貌規(guī)則；

350nm光源雖形貌良好，但無法形成貫穿通孔；

曝光時間過長（如30分鐘）會導(dǎo)致過曝光，引起通孔側(cè)壁擴(kuò)散。

熱處理工藝

核化溫度530℃ + 核化時間1.5h：促進(jìn)Li?SiO?沿（112）晶面生長，刻蝕選擇比提升至15；

晶化溫度590℃ + 晶化時間1.5h：進(jìn)一步提高刻蝕速率與通孔質(zhì)量；

溫度或時間偏離優(yōu)化區(qū)間會導(dǎo)致晶體生長不均或刻蝕效率下降。

刻蝕工藝

HF濃度4%–6%時，通孔形貌均勻性最佳；

側(cè)向腐蝕導(dǎo)致通孔直徑大于掩模設(shè)計值，形成“束腰圓柱”結(jié)構(gòu)；

小孔徑（如15μm）因紫外衰減與刻蝕液擴(kuò)散受限無法形成通孔，但可用于制備盲孔。

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微透鏡陣列制備工藝優(yōu)化

flexfilm

左：光敏微晶玻璃制備透鏡原理；右：光敏微晶玻璃制備的微透鏡

曝光波長與間距

320nm波長光源曝光制備的透鏡臺階儀測試結(jié)果，(a)原始直徑1mm，間距 1mm；(b)原始直徑 1mm，間距 2mm；(c)原始直徑 2mm，間距 1mm；(d)原始直徑 2mm，間距 2mm

350nm波長光源曝光制備的透鏡臺階儀測試結(jié)果，樣品尺寸：原始直徑1mm，間距1mm

320nm光源優(yōu)于350nm，光子能量與Ce3?能級匹配，晶核分布均勻；

曝光間距2mm可降低鄰近應(yīng)力耦合，直徑誤差 < 5.7%。

熱處理參數(shù)

透鏡直徑 1mm，間距為 1mm，不同升溫速率樣品表面形貌圖，升溫速率為，(a)0.5℃/min；(b)1℃/min；(c)2℃/min；(d)3℃/min

核化時間2h：晶核密度最優(yōu)，Li?SiO?晶體分布均勻，透鏡厚度達(dá)17.2μm；

升溫速率：采用階梯升溫（3℃/min → 1℃/min）可平衡尺寸精度與熱應(yīng)力控制。

晶圓厚度

厚度為 0.5mm 的光敏微晶玻璃晶圓制備的透鏡樣品臺階儀測試結(jié)果，(a)原始直徑 1mm，間距 1mm；(b)原始直徑 1mm，間距 2mm；(c)原始直徑 2mm，間距 1mm；(d)原始直徑 2mm，間距 2mm

厚度為 1mm 的光敏微晶玻璃晶圓制備的透鏡樣品臺階儀測試結(jié)果，(a)原始直徑 1mm，間距 1mm；(b)原始直徑 1mm，間距 2mm；(c)原始直徑 2mm，間距 1mm；(d)原始直徑 2mm，間距 2mm

晶圓厚度對微透鏡尺寸影響微弱，但顯著影響表面形貌穩(wěn)定性。臺階儀測試結(jié)果顯示，1mm 厚晶圓憑借較高基板剛度，可有效抑制熱處理過程中的非均勻形變，使表面塌陷率降低，尤其適用于高密度陣列制備；而 0.5mm 薄晶圓因熱傳導(dǎo)路徑短，局部溫度梯度導(dǎo)致非均勻應(yīng)力分布，在透鏡間距 1mm 的高密度陣列中易出現(xiàn)褶皺缺陷。兩種厚度晶圓制備的透鏡平均直徑差異較小，但1mm 厚晶圓的透鏡表面形態(tài)更優(yōu)，適合打磨拋光加工。

優(yōu)化工藝方案

綜合實驗數(shù)據(jù)，建立了光敏微晶玻璃微結(jié)構(gòu)制備的優(yōu)化工藝組合：

TGV 陣列：320nm 光源曝光 20min，硅片作為載具減少光散射；核化溫度 530℃/1.5h，晶化溫度 590℃/1.5h；采用 5% HF 溶液刻蝕，可實現(xiàn)垂直度偏差角小于 1.2°、深寬比 8:1 的高精度通孔。

MLA：320nm 紫外光源配合 2mm 以上曝光間距；核化時間 2h，核化溫度 510℃階段 3℃/min 快速升溫，晶化溫度 610℃階段 1℃/min 緩速升溫；選擇 1mm 厚晶圓作為基板，可制備出表面光滑、形貌規(guī)則的微透鏡陣列，直徑誤差小于 5.7%，厚度達(dá) 17.2μm。

本研究系統(tǒng)揭示了Li?O-Al?O?-SiO?光敏微晶玻璃在TGV與MLA制備中的工藝-性能關(guān)系，提出了光-熱-蝕協(xié)同優(yōu)化策略，實現(xiàn)了高精度、高深寬比的微結(jié)構(gòu)加工；為三維集成、微光學(xué)等領(lǐng)域的材料應(yīng)用提供了理論與技術(shù)支撐。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃》

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