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玻璃通孔 (TGV：Through-glass vias) 是玻璃基板上排列成特定图案的高深宽比孔，用于形成金属触点。填充后，这些通孔可在集成电路的堆叠组件之间提供电连接，从而实现紧凑且高度集成的器件架构。这些连接在半导体行业的网状玻璃晶圆和晶圆级封装中发挥着至关重要的作用，因为不同几何形状的通孔和高深宽比通道必须共存于同一基板中。
TGV（玻璃金属玻璃）的重要性日益凸显，这与中介层技术密切相关。中介层技术能够实现2.5D和3D集成电路中多个芯片的密集封装。它允许将逻辑单元、存储器和其他高性能计算单元集成到单个平台上，并通过缩短互连距离和优化电源传输来降低功耗。每个中介层都必须进行电气隔离以防止短路，而玻璃——非常适合高频工作——为此提供了一种优异的介电介质。
TGV对于从智能手机和汽车传感器到复杂MEMS等各种应用中的高密度互连至关重要。通过合理排列TGV，信号可以在层间清晰传输，从而实现紧凑的外形尺寸和可靠的性能。
随着器件变得更小、更强大、更节能，TGV的制造已成为关键的制造步骤，为先进的图形处理器（GPU）、中央处理器（CPU）和高频电子器件提供支持。研究如何利用激光技术形成这些结构（图 1），有助于深入了解如何在微电子器件中实现最高水平的集成和性能。
图1.玻璃钻孔示例，孔洞排列密集
玻璃加工的挑战
与其他工业相关材料（例如硅和碳化硅）一样，玻璃由于其脆性，加工难度依然很高。尽管玻璃具有良好的机械强度和化学稳定性，但这种脆性意味着在玻璃上制造通孔时，常常会出现裂纹或表面缺陷，从而降低晶圆的机械强度。因此，严格的工艺控制对于保持结构完整性至关重要，尤其因为孔的几何形状直接影响电路的频率性能。更复杂的是，单个晶圆可能需要形成数十万个孔，这促使人们不断研究能够同时实现高产量和质量一致性的生产方法。
目前已研究了多种制造方法，许多公司正在投入大量资源进行持续开发。在这些策略中，基于激光的方法脱颖而出，展现出极高的效率。例如，飞秒激光器非常适合用于制造玻璃通孔（TGV），因为它们可以实现最小的锥度、高纵横比、光滑的内壁，并降低碎裂和开裂的风险。
目前，两种用于制造玻璃通孔的基于激光的方法研究最为广泛。第一种方法是直接激光烧蚀，即利用长吉赫兹 (GHz) 激光脉冲串在样品上形成孔洞。该方法中，飞秒激光束由振镜扫描器引导，并通过 f-θ 透镜聚焦到样品上。
第二种方法结合了激光改性和化学蚀刻，激光改变玻璃的内部结构，然后使用酸性或碱性溶液（例如氢氟酸或氢氧化钾 (KOH)）去除改性区域。这种方法使用贝塞尔光束聚焦物镜代替 f-θ 透镜。
优化GHz脉冲串烧蚀
在单脉冲模式下，提高脉冲能量或平均功率可以加快钻孔速度，但通常会牺牲工艺质量：材料容易开裂，整体效果较差。相比之下，脉冲串模式将单个激光脉冲分成多个子脉冲，子脉冲之间以可控的时间间隔间隔排列。在GHz频段，这些子脉冲之间的间隔可达数百皮秒，具体间隔取决于配置。这种能量的时间重新分配使得GHz脉冲串加工的效率高于单脉冲烧蚀。
在工艺层面，脉冲串烧蚀效率的提升与钻孔过程中材料去除的物理机制密切相关。当脉冲串到达表面时，会形成一个特征性的V形孔。由于子脉冲快速连续到达，热量会沿着通道壁和底部积聚。在适当的条件下，底部区域可以达到熔融状态。除了热量积聚之外，等离子体动力学也起着决定性的作用。第一个子脉冲产生的等离子体在几百皮秒内不会完全熄灭，这意味着后续脉冲会遇到较高的等离子体压力。这种压力有助于将熔融材料从通道向上排出，从而形成混合烧蚀-熔融去除机制（图 2）。
图 2. 吉赫兹 (GHz) 脉冲烧蚀下的材料去除动力学
这种机制使加工过程更快、更清洁：材料无需完全蒸发，部分材料可通过等离子体辅助喷射被置换和去除。即使在标准操作条件下，也能形成裂纹或结构损伤极小的洁净孔。
平衡效率与质量
评估所加工的TGV的质量并非总是易事，图像和指标可能会产生误导。仅凭吞吐量和/或孔径无法全面反映情况；两种不同的加工配置可能产生尺寸相近的孔，但其内部机械应力却可能存在显著差异。例如，绘制钻孔效率与脉冲串中子脉冲数量的关系图，可能会在特定的脉冲数量和脉冲能量下出现峰值（图3）。然而，这种看似最佳的状态可能对应于一个裂纹、碎裂或烧蚀区域周围高应力导致孔质量下降的区域。
图 3. 孔径与脉冲包总能量的关系（上图）。不同颜色的线条对应不同的子脉冲数。虚线代表使用 200 毫米焦距透镜获得的烧蚀结果，实线代表使用 20 毫米焦距透镜获得的烧蚀结果。两幅图比较了在相同脉冲包总能量下，使用不同聚焦光学元件（200 毫米焦距透镜（中图）和 20 毫米焦距透镜（下图））钻出的孔。
因此，真正的目标不仅在于最大化生产效率，还在于找到能够持续生产高质量孔且无残余应力或结构损伤的操作方案。评估孔深、直径和整体形状等参数，能够更可靠地帮助我们理解微加工参数如何影响TGV的性能。
孔深与将激光束聚焦到样品上的f-theta透镜焦距之间的关系揭示了几个趋势。与深度明显更大的孔相比，深度小于1毫米的浅孔在所有焦距下通常质量更高。对于浅孔，深度增加的速度也更快，尤其是在钻孔的初始阶段（图4，上图），焦距较短的透镜（例如20毫米和100毫米）会加速这一过程。然而，在更深的深度下，使用短焦距透镜形成的通道可能会变得不稳定，有时会在最初直线延伸后发生弯曲（图4，右下图）。虽然这种现象的确切原因尚未完全确定，但很可能与侧壁熔化和熔体喷射有关，这会扰乱钻孔方向。
图 4. 孔深与聚焦光学元件焦距和入射脉冲数的关系（上图）。该测试在熔融石英块体上进行，以确定可达到的最大孔深。在较大深度下，使用短焦距透镜形成的通道可能变得不稳定，有时会在最初直线传播后发生弯曲（右下图）。长焦距透镜往往会产生更深的孔，深度几乎呈线性增加，这与稳定钻孔条件的一般预期一致。由此得到的通道轮廓图（左下图）也证实了这一点。
焦距较长的透镜（例如 200 毫米）往往会产生更深的孔——深度超过 3 毫米。在这种情况下，深度几乎呈线性增长，这与稳定钻孔条件下的一般预期一致（图 4，上图），并且在最终的通道轮廓中也得到了体现（图 4，左下图）。这种特性表明，在一次操作中钻穿堆叠的玻璃片或晶圆是可行的。这种方法对于 TGV 加工尤为重要，因为高通量制造在 TGV 加工中至关重要。
孔径很大程度上取决于脉冲串的总能量。无论光学元件的焦距或脉冲串中的子脉冲数量如何，更高的脉冲串能量都会产生更宽的孔。总体而言，焦距在决定孔径方面的作用相对较小。例如，如图 3 所示，在相同的脉冲串能量下，20 毫米和 200 毫米的焦距产生的孔径差异很小。这强调了脉冲串能量在决定孔径方面比光学配置起着更重要的作用。
除了脉冲总能量外，孔径的演变还取决于其他参数。增加脉冲串中的子脉冲数量通常会导致孔径稳定增大，直至达到一定深度；超过该深度后，孔径可能会出现不规则或不稳定的形状。重复频率是另一个关键因素。即使在平均功率恒定的情况下，重复频率越高（例如 40 kHz，而 5 kHz 时则较低），孔径的增大也越明显。脉冲间热量散失时间越短，热积累越强，从而导致平均孔径更大、深度略深。
总体而言，观察到的深度、直径和形状之间的依赖关系表明，该过程在热力学机制下进行。这些发现表明，可以通过调整脉冲参数和聚焦光学器件来调节孔的几何形状，同时在选择合适的设置时也应考虑钻孔深度。吉赫兹脉冲烧蚀对参数选择非常敏感，但通过适当的优化，可以形成锥度最小、裂纹或热损伤风险更低的稳定、高质量的孔（图 5）。
图 5. 采用 GHz 脉冲直接激光烧蚀法在熔融石英中制备的近乎无锥度孔。从上到下依次为：入口表面、通道轮廓和出口表面。
激光改性与可控蚀刻
通孔的尺寸、形状和金属填充直接影响器件特性，例如频率响应。因此，许多应用需要定制TGV的几何形状，例如沙漏形轮廓或陡峭壁面。
然而，从激光改性的角度来看，直接调整几何形状的选择有限。贝塞尔光束可以产生贯穿玻璃的连续狭窄通道。通过在4F装置中使用缩小光学元件创建贝塞尔区，可以根据TGV制造所用玻璃基板的厚度，将区域长度调整在0.5至1毫米之间。这使得单次激光脉冲即可在整个玻璃厚度范围内形成细长的通道。对于几毫米厚的样品，所需的脉冲能量范围从几十微焦耳到几毫焦耳不等。具体数值很大程度上取决于玻璃类型，通常需要精确调整脉冲能量、脉冲串中的子脉冲数量，在某些情况下，还需要调整脉冲串包络的形状，以使早期和后期子脉冲的相对振幅适应材料的响应。
从根本上讲，仅靠材料改性难以实现复杂的形状（例如沙漏形轮廓）。控制蚀刻工艺可以提供更大的灵活性。例如，使用不同浓度和温度（80 至 110 °C）的 KOH 溶液进行的实验证实，蚀刻条件对结果有显著影响²。较低的温度和蚀刻剂浓度会减慢蚀刻速度，但由于未改性区域的蚀刻速度要慢得多，因此这些参数会产生纵横比更高的通道。较高的浓度和温度会加速蚀刻，但会降低深宽比，从而形成更宽、更锥形的特征。例如，在高温高浓度下，根据玻璃类型的不同，蚀刻可以在 1 小时内完成——有时甚至只需 30 分钟——从而在微米级深度上形成数百个孔。
这种特性为定制TGV几何形状提供了一种灵活多样的方法。在高浓度和高温条件下可以形成沙漏形通孔，而在较温和的蚀刻条件下则可以形成锥度较小、侧壁更陡的通道。
此外，蚀刻还能精确控制孔径。最初在xy平面上仅有几微米宽、在z方向上延伸超过一毫米的激光修饰区域，可以扩展成直径从约10微米到大于100微米的通道。这种灵活性使得只需改变蚀刻条件（图6），即可在同一激光修饰区域内获得不同尺寸和轮廓的孔。
图 6. 直边玻璃通孔 (TGV) 的横截面（上）和沙漏形 TGV 的横截面（下）。
选择合适的方法
上述两种TGV制造方法都能对通道几何形状进行精确控制，但它们在加工速度、设备要求以及对不同类型玻璃的适用性方面有所不同。基于蚀刻的改性方法通常只需一次激光脉冲即可形成通道，最终的尺寸和形状在蚀刻步骤中确定。虽然这种方法在几何形状的定制方面提供了极大的灵活性，但蚀刻过程本身可能需要数小时才能完成。相比之下，基于烧蚀的钻孔方法每个孔需要数百或数千次脉冲，但无需蚀刻。根据玻璃类型的不同，一个1毫米深的孔可以在远低于1秒的时间内形成——在某些情况下甚至快至20毫秒。这意味着可以在不到1小时内处理包含数百万个孔的晶圆——这种吞吐量完全符合工业需求。
设备方面的考虑进一步区分了这两种方法。基于烧蚀的钻孔方法通常与振镜扫描器结合使用，以实现快速光束定位和高速加工。另一方面，使用贝塞尔光束进行改性通常需要高精度平移台来移动样品，从而增加整体加工周期。
最终，烧蚀和改性蚀刻之间的选择取决于材料体系和具体的应用需求。烧蚀展现出良好的前景和竞争力，尤其是在工艺简便性和直接结构化方面。然而，考虑到对孔质量、尺寸控制和整体加工速度的实际要求，激光改性后的蚀刻工艺可能仍然是高质量TGV制造的首选方案。
尽管如此，这些方法并非必然相互排斥。在某些制造场景下，混合策略可能具有明显的优势。例如，可以使用基于烧蚀的方法制造一部分通孔，而使用改性辅助蚀刻工艺制造大部分通孔，从而确保均匀性和可扩展性。这些方法共同凸显了飞秒激光作为下一代半导体封装关键工具的多功能性。
（来源：编译自photonics）
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