石英和 D263 玻璃中玻璃通孔 (TGV) 的制备：采用皮秒激光加工与化学蚀刻的对比参数研究

《Optics & Laser Technology》：Through-glass via (TGV) fabrication in quartz and D263 glass using picosecond laser processing and chemical etching: A comparative parametric study

　　• 在石英玻璃中形成玻璃通孔（TGV）时，10 ps脉冲优于7 ps脉冲。• D263玻璃在7 ps脉冲下可获得更好的通孔质量。• 在D263中采用7 ps脉冲时，通过四分之一波片实现的圆偏振可减少锥度并改善通孔深度。• 正Z轴偏移因贝塞尔光束的传播力学而可获得更深的通孔。引言垂直互连穿越绝缘基板构成了现代三维电子封装的结构核心。玻璃通孔（TGV）是在玻璃中钻出的小型通孔，随后进行金属化，已成为该基础设施的核心元素，支撑着系统级封装（SiP）组件、微机电系统（MEMS）器件封装、传感器集成平台以及高频射频前端模块[1]、[2]、[3]、[4]。采用玻璃而非硅作为中介层材料，是出于硅无法同时提供的多种特性组合：高电阻率、微波和毫米波频段下的低介电损耗正切、可调热膨胀系数、化学惰性以及光学透明性[2]、[5]。在射频和无线通信系统中，即使温和的基板引入的信号损耗也会降低链路余量，玻璃的低损耗特性相比基于硅的硅通孔（TSV）架构提供了可量化的性能优势[6]。对于共封装光子组件，玻璃的透明性提供了额外的推动力，使光学和电子功能能够在单一中介层上共存而无需不透明基板屏障[7]。2021年异质集成路线图正式将带有TGV的玻璃中介层确定为下一代晶圆级封装战略的关键组件[5]，自那以后，工业采用范围已扩展至晶圆级和面板级的结构化玻璃基板[8]、[9]。除消费电子外，玻璃的热稳定性和低损耗特性使基于TGV的中介层在航空航天和国防封装领域日益相关，特别是对于相控阵天线模块、卫星通信子系统和高可靠性MEMS惯性传感器，其中基板寄生参数和热鲁棒性是主要设计约束[6]、[7]。TGV的横截面形状并非次要考量因素，因为它直接决定了金属化良率、热循环下的热机械应力分布以及电学性能[10]。实际中常见三种形态，每种形态产生于不同的工艺条件，适用于不同的终端应用。直孔型通孔在整个基板厚度方向上保持均匀直径，具有最高的导电横截面积，适用于细间距、高密度互连阵列[11]、[12]。沙漏形通孔关于基板中平面呈对称分布，中央腰部收窄，产生于激光能量从入射面和出射面对称分布的情况，通常适用于双面金属化工作流程[13]。等腰或锥形轮廓源于沿通孔深度方向的不对称能量沉积，其中入口直径明显大于或小于出口，在密集型设计中通常不太理想，但在较低通孔密度下可以接受[13]、[14]。能够预测在给定工艺条件下哪种形态将出现，并在样品之间可重复地进行测量，是制造级TGV形成的前提条件。在本研究中，锥角定义为通孔最大半径与最小半径之差除以基板厚度的反正切值，提供了一个单一的可比较指标，可以在所有条件和材料之间进行一致追踪。激光微加工与选择性化学蚀刻相结合，已确立为玻璃中TGV形成最可扩展且最精确的途径，在很大程度上取代了早期的机械钻孔、喷砂、超声加工和等离子蚀刻等方法，后者难以同时实现细间距、低侧壁粗糙度和晶圆级通量[15]、[16]。该工艺分两个顺序步骤运行：聚焦超短激光脉冲沿预定通孔路径对玻璃进行结构改性，形成化学活性升高的区域，随后在氢氟酸（HF）或氢氧化钾（KOH）中进行湿法蚀刻，优先溶解激光影响的区域以打开通孔[17]、[18]。准贝塞尔光束的应用在此背景下尤为有价值，通过锥形透镜生成。贝塞尔光束的延长非衍射焦区允许在单次轴向扫描中完成整个基板厚度的改性，消除了深度扫描的必要性，显著提高了工艺通量[13]、[11]。该方法已在硼硅酸盐玻璃[19]、[20]、熔融石英[18]、[21]以及其他硅酸盐组成[14]、[22]、[23]上得到验证，结果一致表明通孔深度、入口和出口直径以及锥角是所选激光参数的敏感函数。在这些参数中，脉冲持续时间起着特别重要的作用，因为它决定了激光-玻璃相互作用的基本特征。在飞秒量级，能量沉积通过本质上非热热的多光子电离和隧道电离进行，将结构改性限制在紧密定义的体积内，产生边界锐利的改性区域[24]。随着脉冲持续时间延伸至皮秒范围，如本研究所示，电子-声子耦合的开始会拓宽能量沉积轮廓，改变改性区域的空间范围和其后续的蚀刻响应[21]、[25]。光束偏振态引入了额外的自由度：线偏振光束在石英玻璃中诱导各向异性纳米光栅结构，产生偏振相关的蚀刻速率；而圆偏振（通过四分之一波片QWP实现）则倾向于产生各向同性的改性和改善的蚀刻均匀性[17]、[21]。聚焦偏移，定义为光束焦区相对于标称基板表面的轴向位移，决定了沿通孔深度方向改性最强烈的位置，对穿透深度和所产生的锥度对称性有直接影响[13]、[23]。尽管针对该参数空间各个方面的文献日益增多，但尚未报道在相同激光和蚀刻条件下，同时在两种组成不同的玻璃类型上改变脉冲持续时间、聚焦偏移和偏振态的对照比较研究。大多数现有的参数研究仅限于单一玻璃组成，导致研究结果和最优设置如何转移到具有不同网络结构、带隙能量和蚀刻动力学的基板上尚不清楚。本文通过系统参数研究弥补了这一空白，研究了合成石英（熔融石英，带隙≈9 eV）和D263含碱硅酸盐浮法玻璃（带隙≈3–4 eV）中的TGV形成。准贝塞尔光束以340 μJ的相同脉冲能量，在7 ps和10 ps两种脉冲持续时间下，于六个Z轴聚焦偏移（范围从+0.3 mm到-0.2 mm）进行处理，随后在10% HF中进行蚀刻。对于D263玻璃，额外表征了线偏振与圆偏振光束的影响。使用一致的几何表征框架并结合截面光学显微镜，报告了每种条件下的通孔深度、入口和出口直径、最小腰径和锥角。结果提供了材料特定的工艺图谱，阐明了在切换不同组成的玻璃基板时如何调整激光参数，为高级封装应用中更具可迁移性和可预测性的TGV制造提供了实用指导。章节摘要玻璃基板表征本对比研究基于两种玻璃：合成石英（JGS2熔融石英）和含碱硅酸盐浮法玻璃（D263，SCHOTT AG），均以200 mm晶圆形式提供。第三种硼硅酸盐玻璃（BF33，SCHOTT AG）在初步筛选阶段被纳入，但在主研究之前被搁置，原因如下。表1总结了三种玻璃的关键物理特性。带隙值为从已发表文献中获取的近似值。结果与讨论以下各节呈现了石英和D263玻璃在全部12种加工条件下的通孔几何形状、深度和结构均匀性的对比分析。结果按材料组织，并进一步按所考察的参数分类。在本节中，通孔深度、入口直径、出口直径和最小腰径均按照2.6节所述方法从截面和光学显微镜图像中提取。锥角θ由测量的……计算得出结论本研究使用准贝塞尔光束，在7 ps和10 ps皮秒脉冲下，跨六个Z轴聚焦偏移，研究了合成石英和D263碱硅酸盐玻璃中的TGV形成，所有条件均在10% HF中进行蚀刻。对于D263，额外比较了两种光束偏振态（线偏振和圆偏振）。结果建立了材料特定的工艺图谱，并确定了控制每种基板中通孔深度、锥角和形态的主导参数。石英在……条件下产生了最佳效果生成式人工智能在科学写作中的使用声明在本研究的准备过程中，作者使用了Claude（Anthropic）来提高手稿的语言和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了审查和必要的编辑，并对出版物的内容承担全部责任。CRediT作者贡献声明Salah ud Din：撰写——初稿、可视化、方法论。Jusam Byeon：资金获取、概念构思。Hafiz Muhammad Ashraf：软件、资源。Mujeeb Ur Rehman：验证。Yeon-Wha Oh：调查。Jung-Ryul Lee：撰写——审阅与编辑、监督。利益冲突声明作者声明他们不存在已知的、可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢作者衷心感谢韩国国家研究基金会（NRF，由韩国政府MSIT资助，项目编号RS-2025-02213804）和大田韩国国家纳米制造中心（NNFC）半导体业务创新发展项目的资金支持。作者还感谢韩国仁川的Kortherm Science Co., Ltd.公司提供用于样品表征的光学显微镜设施。Salah ud Din | Jusam Byeon | Hafiz Muhammad Ashraf | Mujeeb Ur Rehman | Yeon-Wha Oh | Jung-Ryul Lee