工艺指南

3D 打印工艺：在半导体芯片上制备纳米玻璃结构的 7 个步骤

本指南介绍一种直接在半导体芯片表面写入石英玻璃的 3D 打印工艺。面向工艺与封装工程师，帮助他们判断纳米玻璃路线是否适合自己的零件、哪些步骤决定良率，以及何时机加工工装夹具仍是更优选择。

双光子写入±0.005 mm 工装夹具Ra 0.2–0.8 μm3–5 天交样

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快速回答

玻璃原位成形聚焦飞秒激光固化有机-无机杂化树脂，再致密化为芯片表面的石英。

基板洁净度决定良率在此尺度下，颗粒与湿度控制比打印速度更重要。

热预算是硬性限制致密化热量必须低于晶圆的金属化层与钝化层限制。

工装夹具仍需机加工晶圆载具、卡盘和对准板来自 CNC，而非打印机。

并非所有层都适合用玻璃光学与介电特征用纳米玻璃，金属布线仍用金属。

本工艺是什么

这里讨论的 3D 打印工艺不是线材挤出。飞秒激光聚焦到晶圆上的一滴有机-无机杂化聚合物树脂中。双光子吸收只发生在焦点处，因此树脂仅在极小体积内交联，而不是沿整个光束路径交联。移动工作台，焦点便描出一条线。

写入完成后，用异丙醇或丙二醇醚等溶剂洗去未曝光的树脂。剩余打印结构的有机物质量占比约为 70% 至 90%。随后进行致密化，通常为热辅助或等离子体辅助，烧除有机部分并使零件收缩为非晶石英。

特征尺寸落在亚微米范围，因此相关研究瞄准的是纳米玻璃而非块体光学元件。文献中 200 至 500 nm 的壁厚很常见，在结构坍塌成为限制因素之前，可实现 3:1 至 5:1 的深宽比。

这对芯片设计者重要的原因是位置。玻璃直接写在芯片上需要光子或介电功能的位置，而不是单独制造、减薄、对准再键合。每去掉一个对准步骤，就少付一份良率损失。

配合检查

当特征尺寸小、具有光学活性，且需要位于现有器件几微米以内时，采用此路线。波导、微透镜、光子耦合器和低介电常数支撑柱是自然候选。价值来自玻璃与电路共位，而非玻璃本身。

当零件是结构壳体、散热器、连接器外壳或壁厚约 1 mm 以上时，跳过此路线。致密化时间随体积增长，厚玻璃截面在收缩时开裂。对这些零件，机加工或成型更便宜、更快。

当晶圆已带有无法承受致密化窗口的低温金属或聚合物时，也应跳过。若后段叠层限制在 200 °C，则 500 °C 或以上的热致密化步骤不可行，除非等离子体或 UV 辅助变体已针对该叠层通过验证。

实用筛选标准：若能用卡尺测量该特征，多半是机加工任务；若需 SEM 才能看到，则值得对 3D 打印工艺做可行性试跑。

装夹

树脂选择决定整个工艺窗口。基于硅氧烷或锆-硅氧烷化学的有机-无机杂化树脂转化为石英的效果最好，但对湿气敏感。低温储存，开封前密封回温至室温，点胶前过滤至 0.2 μm。

基板准备是大多数失败的起点。旋涂或喷涂树脂至 5–50 μm，然后在 80–120 °C 短时烘烤去除溶剂。涂覆前在 150–200 °C 脱水烘烤 10 分钟可去除吸附水，明显改善附着力。

晶圆必须放平并保持平整。焦点处 1 μm 的振动就会使写入模糊。这正是我们机加工的部分：真空卡盘、晶圆载具和对准板平面度 ±0.005 mm，表面 Ra 0.2–0.8 μm，使晶圆贴合不翘动。

若树脂受氧阻聚，写入区域应保持氮气吹扫。氧在焦点处淬灭自由基并扩大有效体素，表现为特征圆钝、尺寸偏大。

执行

1
1. 清洗并脱水晶圆先溶剂清洗，再在 150–200 °C 下脱水烘烤 10 分钟。涂覆前冷却至室温。跳过冷却步骤会把溶剂困在树脂下方，后续使薄膜起泡。
2
2. 涂覆混合树脂旋涂或喷涂至 5–50 μm。目标是在芯片区域厚度均匀性达到 ±2%。边缘出现可见的胶珠属正常现象；在写入前用溶剂去除，否则会碰到物镜。
3
3. 安装到机加工卡盘上将晶圆真空吸附在平整载具上（平面度 ±0.005 mm）。用千分表检查，轻敲载物台时表面位移应小于 1 μm。此处任何晃动都会变成焦点误差。
4
4. 用飞秒激光写入典型参数为 780–800 nm、80–150 fs 脉宽、80–100 MHz 重复频率、1–20 mm/s 扫描速度。提高功率直到特征刚好干净显影，然后回退 10%。功率过大会使线条变宽并烧焦树脂。
5
5. 显影未曝光树脂在异丙醇或 PGMEA 中浸泡 2–10 分钟，然后冲洗。不要擦洗。200–500 nm 壁厚的结构在任何机械接触下都会被剪切脱落。
6
6. 致密化为石英在空气或氧气中进行热致密化，缓慢升温通过有机物烧除窗口。预计线性收缩 15–30%。当晶圆无法承受高温时，等离子体或 UV 辅助路线温度更低。
7
7. 检测并测量收缩用 SEM 或光学轮廓仪测量关键尺寸，若特征为光学用途还需检查折射率。与收缩前模型对比，并为下一轮调整 CAD 补偿。

决策表

选择与实际所需特征相匹配的那一列。

指标	3D 打印工艺	CNC 机加工夹具	键合分立光学元件
特征尺度	亚微米至几 μm	0.05 mm 及以上	0.1 mm 及以上
位置	直接在芯片上	独立零件，装配	独立零件，对准并粘接
对准步骤	写入后无	夹具与晶圆对准	每个零件光学对准
热限制	受致密化窗口限制	取决于材料	受粘接剂限制，通常 150 °C
壁厚	实际低于 1 mm	任意	任意
典型交期	先做可行性试跑	DFM 后 3–5 天	取决于光学元件供应商
最佳用途	芯片上光子与介电特征	卡盘、载具、对准板	独立透镜与窗口