(57)【要約】  半導体構造に半田付けするための界面に冷却チャネルを形成する方法。本方法は、基板の表面上に金属シード層を形成するステップと、金属シード層をパターニングして、基板の一部を覆い基板の他の部分を露出するパターン化メッキシード層とするステップと、パターン化メッキシード層を用いて、基板の露出された部分を通り抜けるチャネルを形成するステップと、パターン化メッキシード層を半田でメッキするステップとを含む。その中に冷却チャネルを備えた熱交換器が界面の片面に貼り付けられ、半導体構造が界面の反対面に半田付けされる。熱交換器の冷却チャネルは界面内のチャネルと位置合わせされる。
2016517184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面上にシード層を形成するステップと、
前記シード層をパターニングして、前記基板の一部を覆い前記基板の他の部分を露出するパターン化メッキシード層とするステップと、
前記パターン化メッキシード層を用いて前記基板の露出された部分を通るチャネルを形成するステップと、
前記パターン化メッキシード層を半田でメッキするステップと
を含む、半導体構造へ半田付けするための界面に冷却チャネルを形成するための方法。
【請求項２】
前記メッキシード層上で前記半導体構造への前記界面に前記半田を半田付けするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記界面を液体冷却熱交換器に貼り付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記熱交換器は中にチャネルを備え、前記熱交換器チャネルは前記界面チャネルと位置合わせされる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記熱交換器は前記界面の片面に貼り付けられ、前記半導体構造は前記界面の反対面に半田付けされる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記熱交換器は前記界面に半田付けされる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記熱交換器は前記界面にイオン結合される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
基板の表面上にシード層を形成するステップと、
前記シード層の選択された領域を露出する窓を備えた第１の材料のパターン化層をリソグラフィ形成するステップと、
前記第１の材料の前記窓における前記シード層の表面の一部にエッチング剤マスクを形成するステップと、
前記第１の材料を除去し前記シード層の前記表面の前記一部上に前記エッチング剤マスクを残すステップと、
前記エッチング剤マスクを使用して、メッキマスクを形成する前記シード層の露出部分をエッチングするため、および前記基板の基盤部分の下部を残しつつ前記基板の前記基盤部分の上部をエッチングするために、前記エッチング剤マスクにエッチング剤を付けるステップと、
エッチング剤マスクを使用して、前記基板の前記下部と前記エッチング剤マスクの下にある前記基板の隣接部分との間の前記基板の前記表面部分を除去し、前記基板の前記下部と前記エッチング剤マスクの下にある前記基板の前記隣接部分との間の前記基板を通り抜けるスロットを形成するステップと、
前記エッチング剤マスクを除去して、前記基板上に配置されたパターン化メッキシード層として前記シード層のメッキされていない部分を残すステップと、
前記パターン化メッキシード層に半田をメッキするステップと
を含む、半導体構造へ半田付けするための界面に冷却チャネルを形成するための方法。
【請求項９】
前記半導体構造への前記界面上で前記半田を半田付けするステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記界面を液体冷却熱交換器に貼り付けるステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱交換器は中にチャネルを備え、前記熱交換器チャネルは前記界面チャネルと位置合わせされる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記熱交換器は前記界面の片面に貼り付けられ、前記半導体構造は前記界面の反対面に半田付けされる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱交換器は前記界面に半田付けされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱交換器は前記界面にイオン結合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
半導体構造と、
複数の熱交換器冷却チャネルを備えた熱交換器と、
前記半導体構造と前記熱交換器との間に配置され、前記複数の熱交換器冷却チャネルと位置合わせされる複数の界面チャネルを備えた界面とを含み、前記界面は、
熱伝導性基板と、
前記熱伝導性基板上に配置されたシード層と、
前記シード層上にメッキされた半田の層とを含み、
前記界面チャネルは前記熱伝導性基板および前記シード層の基盤部分を通り抜ける、組合せ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は、一般に、集積回路冷却システムに関し、より詳細には、マイクロチャネル界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が半導体構造の裏側に半田付けされるマイクロチャネル冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]当技術分野で知られているように、集積回路を冷却するために使用される一技術は、その中に液体冷却剤（ｃｏｏｌａｎｔ）マイクロチャネルを備えた界面を形成し、例えばモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）または大電力半導体増幅器のような半導体構造の裏面に界面を半田付けするというものである。そのような界面を形成するために使用される１つの方法は、先ず界面にマイクロチャネルを形成し、その後、マイクロチャネルを形成する界面の側壁で終端する界面の端に半田を選択的に付着することである。エッチングされた特徴（ｅｔｃｈｅｄ  ｆｅａｔｕｒｅ）を画定した後に行われるこの選択的付着は、典型的には、エッチングされた特徴に含む全面に金属をスパッタリングまたは付着し、半田材料の付着を防止するためにそれを削除またはカバーすることにより達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの典型的な処理ステップは厚膜の複雑なリフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）または不要材料のエッチバックを必要とする。これは複雑な厚露光（ｔｈｉｃｋ  ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）ステップ、または制御が難しいエッチングステップを必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0003]本開示によれば、半導体構造へ半田付けするための界面に冷却チャネルを形成するための方法が提供される。本方法は、基板の表面上にシード層を形成するステップと、シード層をパターニングして、基板の一部を覆い基板の他の部分を露出するパターン化メッキシード層（パターン化被覆シード層、ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  ｐｌａｔｉｎｇ  ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）とするステップと、パターン化メッキシード層を用いて基板の露出された部分を通るチャネルを形成するステップと、パターン化メッキシード層上で半田メッキするステップとを含む。その中に冷却チャネルを備えた熱交換器が界面の片面に貼り付けられ、半導体構造が界面の反対面に半田付けされる。熱交換器の冷却チャネルは界面のチャネルと位置合わせされる。
【０００５】
[0004]このような方法により、パターン化メッキシード層がエッチング剤（ｅｔｃｈａｎｔ）マスクの形成と同時に形成される。
[0005]一実施形態では、本方法は、基板の表面上にシード層を形成するステップと、その中にシード層の選択された領域を露出する窓を備えた第１の材料のパターン化層をリソグラフィ的に（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ）形成するステップと、第１の材料の窓におけるシード層の表面の一部にエッチング剤マスクを形成するステップと、シード層の表面の一部の上にエッチング剤マスクを残して第１の材料を除去するステップとを含む。本方法は、その後、エッチング剤マスクを使用して、パターン化メッキシード層を形成するシード層の露出部分をエッチングするため、および基板の基盤部分（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ  ｐｏｒｔｉｏｎｓ）の下部を残しつつ基板の基盤部分の上部をエッチングするために、エッチング剤マスクにエッチング剤を付けるステップを含む。そして、本方法は、エッチング剤マスクを使用して、基板の下部とエッチング剤マスクの下にある（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ）基板の隣接部分との間の基板の表面の一部を除去するステップと、基板の下部とエッチング剤マスクの下にある基板の隣接部分との間に基板を通るスロットを形成するステップと、エッチング剤マスクを除去し基板上に配置されたメッキシード層としてシード層のエッチングされていない部分を残すステップと、基板上に配置されたシード層を半田でメッキするステップとを含む。
【０００６】
[0006]一実施形態では、熱交換器は界面に半田付けされる。
[0007]一実施形態では、熱交換器は界面にイオン結合される。
[0008]一実施形態では、半導体構造と、複数の熱交換器冷却チャネルを備えた熱交換器と、半導体構造と熱交換器との間に配置された界面とを含む構造が提供される。
【０００７】
[0009]界面は、複数の熱交換器冷却チャネルと位置合わせされた複数の界面チャネルを備える。界面は、熱伝導性基板と、熱伝導性基板上に配置されたシード層とを備える。界面チャネルは熱伝導性基板および基盤シード層を通り抜ける。界面は、シード層上に半田メッキ層を含む。
【０００８】
[0010]本開示の１つまたは複数の実施形態の詳細が添付図面および記述により以下に説明されている。本開示の他の特徴、目的、および利点は、記述と図面から、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】[0011]本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｂ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｃ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｄ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｅ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｆ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｇ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｈ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図１Ｉ】本開示による製造中の様々なステップにおける冷却界面の簡略化された断面見取り図である。
【図２Ａ】[0012]本開示によるＭＭＩＣと熱交換器の間に配置された図１Ｈの冷却界面の分解組立図である。
【図２Ｂ】[0013]本開示によるＭＭＩＣと熱交換器とに対してより大胆な（ｂｏｌｄｅｒ）図１Ｈの冷却界面の断面見取り図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0014]様々な図面の類似参照記号は類似の要素を示す。
[0015]図１Ａを参照すると、ここでは例えばダイヤモンドやＳｉＣやＳｉである熱伝導性基板１２が準備されている。ここでは金属シード層であるシード層１４は、例えばチタンとタングステンとの合金の下層および金の上層を備えた二層構造（ＴｉＷ／Ａｕ）、またはチタンとタングステンとの合金の下層、ニッケルの中間層および金の上層を備えた三層構造（ＴｉＷ／Ｎｉ／Ａｕ）であって、図１Ｂに示すように、基板１２の上面に、ここでは例えばスパッタまたは蒸発させて付着される。同様な金属シード層１４’は、図１Ｂに示すように、基板１２の底面に、ここで例えばスパッタまたは蒸発させて付着される。シード層１４、１４’は、後述される方法で、パターン化シード層を半田でメッキするために電流を流すメッキシード層（被覆シード層）にパターン化されるということに留意されたい。メッキは電気メッキであっても無電解メッキであってもよいことに留意されたい。次に、フォトレジスト層１６が、基板１２の上面の金属シード層１４上に付着され、ここでは例えば、図示されない従来のマスクを使用してリソグラフィ的に処理され、光リソグラフィが、図１Ｃに示されるように金属シード層１４の表面の一部を露出させる窓１８でフォトレジスト層１６をパターン化すると言うことだけに留めておく。
【００１１】
[0016]ここではニッケルであるエッチング剤マスク材料２０が、図１Ｄに示されるように、金属シード層１４の露出部分の上に、ここでは例えば電気メッキすることにより、金属シード層１４の露出部分の上に付着される。次に、フォトレジスト層１６は、図１Ｅに示されるエッチング剤マスク２２を提供する材料２０を残して任意の従来方法で除去される。より具体的には、材料２０の一部２４は金属シード層１４の基盤部分の上に配置され、材料２０内の窓２５は金属シード層１４の一部を露出する。エッチング剤マスクは、後述される方法で基板１２をエッチングするために必要なハードマスクである。
【００１２】
[0017]次に、エッチング剤マスク２６を使用して、ここでは例えばＳＦ６およびＯ２であるエッチング剤が、金属シード層１４のマスクされた部分２４および（窓２５により露出された）マスクされていない部分と接触するようになる。エッチング剤は、選択的であり、図１Ｆに示されるように、金属シード層１４の露出部分を通り抜けて完全に、そして基板１２の基盤露出部分の上部３４まで部分的にエッチングする。金属シード層１４の残りの、エッチングされていない部分は、上述した、パターン化されたメッキシード層を提供することに留意すべきである。ここで、エッチング剤は例えばフッ素ベースのプラズマであり、エッチングの終了は既知のエッチング速度と基板１２へのエッチングの所望の深さに基づく。
【００１３】
[0018]次に、エッチング剤マスク２６を用いて、基板１２の下部３４’とエッチング剤マスク２６の下にある基板１２の隣接部分との間の基板１２の表面部分が、例えばここでは、図示されていないレーザまたは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチングにより除去され、図１Ｇに示されるように、基板１２の下部３４’とエッチング剤マスク２６の下にある基板１２の隣接部分との間の基板１２を通り抜けるスロット３０が形成される。レーザ除去は、任意の従来のコンピュータ支援パターン（レーザスクライビングの一例）を用いて行うことができる。図１Ｈに示されるように、レーザは、また、層１４’の基盤部分を除去するためにも使用され、それにより、示されるように、基板１２と層１４”を通り抜けてスロット３０を形成するということに留意されたい。
【００１４】
[0019]次に、マスク２６は、図１Ｇに示されるように金属シード層１４のパターン部分を残す、例えばＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏのような、金属シード層パターン１４に選択的なウエットエッジングを用いて、ここで除去され、シード層１４のそのようなパターン部分は、ここでは数字表示４０により示される、上述のパターン化メッキシード層を提供する。
【００１５】
[0020]次に、図１Ｈに示されるように、半田３３、３３’がそれぞれ層１４および１４’のパターン部分の上（すなわち、パターン化メッキシード層４０、４０’の上）にメッキされ、それによって冷却界面構造３５を完成する。ここで、半田３３、３３’は、例えば薄い（３〜８ｕｍ厚の）Ａｕ／ＳｎまたはＳｎ／Ｐｂの共晶または、半導体構造（例えば、ＭＭＩＣまたはパワーアンプチップ）への付着のために適切な他の共晶半田である。選択的金属シード層（すなわち、パターン化メッキ金属シード層１４）はチャネル形成エッチング、すなわちエッチング剤マスクを使用する間に共同画定され（ｃｏ−ｄｅｆｉｎｅｄ）るため、半田３３、３３’は、層１４、１４’の上面にメッキされるだけであり、チャネルの中まではメッキされないということに先ず留意されたい。すなわち、パターン化メッキシード層はエッチング剤マスクの形成と同時に形成された。半田シール層３３、３３’を備えた基板１２は、次に個片化されて、嵌合半導体構造基板（ｍａｔｉｎｇ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）に取り付けられ、そこでは、取り付け後にチャネルは開いたままで、半導体構造の能動デバイス裏側から熱を除去するために使用される冷却流体を含むようにシールが形成される。また、スロット３０は冷却チャネル５２の側壁を形成し、基板１２の下部３４’の表面３９はチャネル５３の上部３９を形成することに留意されたい。また、半田３３は、今ではチャネル５２の高まった部分の上のみに存在し、半導体基板３６の上側に能動および受動素子５５、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように冷却される裏側に導電層４１を有する（図２Ａおよび図２Ｂ）半導体構造３７（ＭＭＩＣチップへ直接、界面３５を密閉して取り付けるのに使用され、一方、界面３５の裏側の半田３３’は、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように界面３５の底面を熱交換器５０に半田付けするのに使用される（図１Ｉ）ということに留意されたい。このように、半田３３は冷却界面３５をＭＭＩＣチップ４１の裏側へ直接結合するのに使用される。熱交換器５０は液体冷却剤を受け取り、図２Ｂの矢印で示されるようにチャネル４２を通り抜けた後に冷却剤を排出するためのチャネル５２を備える。冷却構造であるチャネル５２は界面のチャネルと位置合わせされ、半導体構造３７（ＭＭＩＣチップ）の底面に接触する冷却閉ループを形成するということに留意されたい。半導体構造３７へのこの付着は、今ではチャネルを半田で埋めることなく生じ、したがって、熱界面は薄いので半導体構造の裏側を直接最大限に冷却することができる。
【００１６】
[0021]本開示に従って半導体構造に半田付けするため界面内に冷却チャネルを形成する方法は、基板の表面上にシード層を形成するステップと、シード層をパターン化して基板の一部をカバーし基板の他の部分は露出するようにパターン化メッキシード層とするステップと、パターン化メッキシード層を使用して基板の露出部分を通るチャネルを形成するステップと、パターン化メッキシード層を半田でメッキするステップとを含むことが、今では認められる筈である。１つまたは複数の以下のステップまたは特徴は、独立でまたは他のステップまたは特徴との組合せで、メッキシード層上で半導体構造への界面に半田を半田付けするステップと、界面を液体冷却熱交換器に貼り付けるステップとを含んでもよく、熱交換器はその中にチャネルを備え、熱交換器チャネルは界面チャネルと位置合わせされ、熱交換器は界面の片面に貼り付けられ、半導体構造は界面の反対面に半田付けされ、熱交換器は界面に半田付けされ、熱交換器は界面にイオン結合される。また、半導体構造に半田付けするため界面に冷却チャネルを形成する方法は、基板の表面上にシード層を形成するステップと、シード層の選択された領域を露出する窓を備えた第１の材料のパターン化層をリソグラフィ的に形成するステップと、第１の材料の窓におけるシード層の表面の一部にエッチング剤マスクを形成するステップと、第１の材料を除去しシード層の表面の一部上にエッチング剤マスクを残すステップと、エッチング剤マスクを使用して、メッキマスクを形成するシード層の露出部分にエッチングするため、および基板の基盤部分の下部を残しつつ基板の基盤部分の上部をエッチングするために、エッチング剤マスクにエッチング剤を付けるステップと、エッチング剤マスクを使用して、基板の下部と、エッチング剤マスクの下にある基板の隣接部分との間の基板の表面部分を除去して、基板の下部と、エッチング剤マスクの下にある基板の隣接部分との間の基板を通り抜けるスロットを形成するステップと、エッチング剤マスクを除去し、基板上に配置されたパターン化メッキシード層としてシード層のメッキされていない部分を残すステップと、パターン化メッキシード層に半田をメッキするステップとを含むということが、認められる筈である。１つまたは複数の以下のステップまたは特徴は、独立でまたは他のステップまたは特徴との組合せで、半導体構造に界面上で半田を半田付けするステップと、液体冷却熱交換器に界面を貼り付けるステップとを含み、熱交換器はその中にチャネルを備え、熱交換器チャネルは界面チャネルと位置合わせされ、熱交換器は界面の片面に貼り付けられ、半導体構造は界面の反対面に半田付けされ、熱交換器は界面に半田付けされ、熱交換器は界面にイオン結合される。
【００１７】
[0022]装置は、半導体構造と、複数の熱交換器冷却チャネルを備えた熱交換器と、半導体構造と熱交換器との間に配置された界面とを含み、界面は、複数の熱交換器冷却チャネルと位置合わせされた複数の界面チャネルを備え、界面は熱伝導性基板と、熱伝導性基板上に配置されたシード層と、シード層上にメッキされた半田の層とを含み、界面チャネルは熱伝導性基板と基盤シード層を通り抜ける、ということが本開示により今では認められる筈である。
【００１８】
[0023]本開示の多くの実施形態が記述されてきた。それでも、様々な変更態様が本開示の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解されよう。例えば、界面の底部は、半田以外によって、例えば酸化物イオン結合または熱酸化物結合または当該技術分野において知られているインシチュプラズマウェハボンディング方法によって熱交換器に結合され得る。したがって、他の実施形態は添付の特許請求の範囲に含まれる。
【図１Ａ】
2016517184.tif 000003
【図１Ｂ】
2016517184.tif 000004
【図１Ｃ】
2016517184.tif 000005
【図１Ｄ】
2016517184.tif 000006
【図１Ｅ】
2016517184.tif 000007
【図１Ｆ】
2016517184.tif 000008
【図１Ｇ】
2016517184.tif 000009
【図１Ｈ】
2016517184.tif 000010
【図１Ｉ】
2016517184.tif 000011
【図２Ａ】
2016517184.tif 000012
【図２Ｂ】
2016517184.tif 000013
【国際調査報告】
2016517184.tif 000014
2016517184.tif 000015
2016517184.tif 000016