研究小組開發出一種能以全球最高速度在玻璃上形成超高縱橫比且高品質的微細通孔的技術。
近年來，將大規模積體電路分割為多個小型晶片再進行整合的芯粒技術備受關注，而高密度連接晶片的中介層（Interposer）在其中發揮著重要作用。在下一代半導體器件中，玻璃中介層被認為是一種有力候選，而實現這一技術則離不開在玻璃基板上快速形成高縱橫比且高品質的微細通孔的技術。
此次，研究小組通過將一種新型振盪方式——GHz突發模式超短脈衝雷射——整形為貝塞爾光束的GHz突發模式超短貝塞爾脈衝，成功在厚度為1.1mm的玻璃基板上形成了孔徑1.1微米（μm）、縱橫比達1000的通孔，形成時間1納秒以下，速度比傳統方法快2萬倍以上。
通過GHz突發模式超短貝塞爾脈衝形成玻璃通孔並通過刻蝕控制孔徑
背景
近年來，隨著人們在半導體性能提升方面越來越意識到微細化的極限，高密度整合多個晶片的芯粒技術和3D封裝技術正迅速引起人們的關注。這些技術的一大優勢在於，通過最佳化組合不同功能的半導體晶片，可同時實現高性能、低功耗及開發效率的提升。
在這些先進封裝技術中，扮演核心角色的是中介層。中介層是高密度、高速連接多個晶片的基板，其訊號傳輸特性、熱特性和尺寸穩定性在很大程度上決定了整個系統的性能。因此，亟需開發一種可替代傳統矽或有機材料、實現更高性能的新型材料。
在此背景下，玻璃被看作是下一代中介層材料的有力候選。玻璃兼具低介電損耗帶來的優異高頻特性、極高的平坦度以及低熱膨脹係數帶來的尺寸穩定性，是一種適合大規模、高密度封裝的材料。然而，要實現玻璃中介層的實用化，必須擁有一種能夠高精度、高速地形成微細且高縱橫比通孔電極（TGV：Through-Glass Via）的加工技術。
目前，玻璃鑽孔加工使用雷射加工和機械加工等方法，但存在每秒只能加工幾百個孔的速度限制，會出現裂紋或缺口，加工品質不均以及成本較高等問題。特別是在下一代封裝所要求的微細、高密度通孔形成上，傳統技術難以兼顧生產效率和質量，因此，亟需建立一種新型加工技術。
研究方法與成果
研究小組使用由波長為1030奈米（nm、時間間隔為205皮秒（1皮秒為兆分之一秒）的脈衝串構成的GHz突發模式超短脈衝雷射器，對玻璃進行鑽孔加工。此外，研究小組使用圓錐形軸錐透鏡將雷射束整形為貝塞爾光束。研究小組將由5個脈衝構成的突發脈衝（圖1(a)）一次性（1發）照射到厚度為1.1mm的硼矽酸鹽玻璃上，結果成功形成了一個孔徑為1.1μm、縱橫比為1000且無錐度的通孔（圖1(b)）。在所形成的通孔周圍未觀察到裂紋等損傷，實現了高品質加工。相當於雷射照射時間的突發脈衝寬度不到1納秒，以全球最快速度形成通孔。
(a)GHz突發脈衝的波形。突發脈衝內脈衝串之間的間隔為205皮秒，突發脈衝的寬度小於1納秒。縱軸的arb.unit為任意單位。此處以最大強度進行歸一化；
(b)由一次性（1發）GHz突發模式超短貝塞爾脈衝形成的玻璃通孔陣列的光學顯微鏡照片。通過高速掃描玻璃基板，以50μm的間距加工了大量孔。右側為部分通孔的放大圖。研究發現，當浸入乙醇後，乙醇滲入孔中，形成了通孔。
在高密度封裝微型半導體晶片時，控制中介層中的孔徑至關重要。最新的TGV技術要求在幾微米至幾百微米的範圍內高精度地控制孔徑。通過使用具有溶解玻璃特性的氫氧化鈉溶液蝕刻（腐蝕）已形成通孔的玻璃基板，可將孔徑從1.1μm擴大（圖2(a)）。由於孔徑會隨蝕刻時間線性增長，因此可以通過調整蝕刻時間來形成所需孔徑的通孔（圖2(b)）。此外，玻璃基板表面、背面和中心部位的孔徑相同，即使蝕刻後也能形成無錐度的通孔。
(a)玻璃通孔形成後，使用氫氧化鈉溶液進行蝕刻後的通孔陣列橫截面的光學顯微鏡照片。右側為蝕刻後通孔的局部放大圖；
(b)孔徑對蝕刻時間的依賴性。橫軸為蝕刻參數（時間、濃度等），縱軸為所形成的通孔孔徑。
為評估所形成通孔的質量，研究小組將經氫氧化鈉溶液蝕刻的樣品沿通孔切開，並使用雷射顯微鏡進行了觀察（圖3）。結果發現，通孔壁面的平均表面粗糙度為0.072μm，表面非常平整。
(a)二維雷射顯微鏡圖像；(b)三維雷射顯微鏡圖像；(c)孔壁面在深度方向上的表面形狀輪廓。橫軸為從孔底任意位置沿(a)中箭頭所示線的距離，縱軸為孔的深度。
在下一代半導體封裝的量產中，高速形成TGV是至關重要的因素，需要每秒數千個孔及以上的加工速度。為了高速加工大量孔，必須高速掃描雷射束。如果加工一個孔所需的雷射照射時間為1微秒（1微秒為百萬分之一秒），那麼以每秒1米的速度掃描雷射束（或移動玻璃基板）時會導致雷射照射位置在雷射照射完成前移動1微米，從而無法形成直徑為幾微米及更小的精細孔。
與之相比，研究小組開發的方法可在小於1納秒的雷射照射時間內形成通孔，因此即使以每秒1米的速度掃描雷射，雷射照射位置在此期間的移動距離也小於1奈米，完全不會影響加工。通過移動玻璃基板相對於雷射束的位置，目前已經實現了每秒3000個孔的加工速度（圖4）。此外，通過使用高性能加工平台，有望實現每秒10000個孔及以上的加工速度。
以每秒3000個孔的加工速度形成的二維玻璃通孔陣列的光學顯微鏡照片。
①間距20μm，635,000個孔；②間距100μm，25,000個孔；③間距500μm，1,000個孔。
未來展望
新開發的GHz突發模式超短貝塞爾脈衝加工技術，可以在玻璃上以超高速形成超高縱橫比且高品質的微細通孔。此外，通過結合使用氫氧化鈉的蝕刻，可以靈活地控制孔徑。該技術不僅適用於硼矽酸鹽玻璃，也適用於其他類型的玻璃，例如石英和鋁矽酸鹽玻璃。這項加工技術有望革新玻璃中介層製造工藝，並為下一代半導體器件的製造做出重大貢獻。
除了先進半導體器件的製造外，本技術還有望應用於電子裝置、醫療和生物晶片以及工業元件等領域。(AIpatent 科技資訊平台)