无空洞的金属微结构在从微电子学到生物医学成像等多个领域都至关重要。在量子计算和光电子集成等先进半导体应用中，以及微电子和封装的3D集成中，硅通孔（TSVs）的缩小是一个具有挑战性的半导体制造过程。随着企业规模的扩大，光刻图案化、硅刻蚀和金属填充技术取得了显著进步。这些技术同样适用于金填充微光栅的制造；实际上，这里的要求不仅包括无缺陷的制造和精确控制的尺寸，还包括填充具有更高纵横比的微结构。所制备的微光栅在生物医学成像中特别有用，尤其是在X射线光栅干涉测量（XGI）中。通过使用周期性、高纵横比的微结构，XGI能够基于X射线相位对比度进行成像，而不仅仅依赖于吸收对比度，同时仍可以使用传统的实验室X射线源。这项技术因其在软组织区分方面的显著优势而受到越来越多的临床应用关注。
尽管它们采用相同的制造工艺，但用于XGI的无空洞金属微光栅的制备通常比类似平面尺寸的TSVs的加工更具挑战性。作为对比，目前微米级直径的TSVs的纵横比只需超过约10即可实现从2.5D到3D封装的过渡。相比之下，用于生物医学成像的微米宽金属层（即金属填充的沟槽）的纵横比需要超过30，以便有效吸收能量≥20千电子伏特的硬X射线。此外，精确控制金属填充沟槽的结构锥度和占空比对于确保成像系统的对比度和灵敏度至关重要。
这些高纵横比金属微结构的制备包括两个主要步骤：（1）制备具有可控微结构轮廓的高纵横比模板；（2）对这些模板进行无空洞的金属填充。虽然深度X射线光刻可以在聚合物模板中制备出高纵横比的微结构，但其特征尺寸通常在几微米范围内，而基于硅刻蚀的制造方法可以提供更高质量和更稳健的高纵横比结构，特征尺寸可达到纳米级别。基于深度反应离子刻蚀（DRIE）的博世工艺能够通过交替的刻蚀和钝化循环实现硅的干法刻蚀。目前，它是制备纵横比超过30的亚微米级特征的最佳选择，尤其是在需要结构轮廓均匀性和大面积制造的情况下。金通常被用作化合物半导体的互连材料，也是填充微结构的理想选择。其高原子序数使其成为高效的X射线吸收体，这对于基于XGI的生物医学成像特别有利。金属沉积中的空洞会成为应力集中点，可能导致暴露于热循环下的电子器件发生机械故障，同时还会降低基于光栅的X射线干涉仪的性能。称为LIGA的深度X射线光刻和电沉积方法可以在聚合物模板内直接实现自下而上的金属沉积，从而获得无空洞的结构。然而，在嵌入式电接触上创建所需的聚合物图案（以促进自下而上的生长）需要使用同步辐射光源，且随着特征尺寸的缩小，这一过程变得越来越具有挑战性。化学衍生的超共形和自下而上的电沉积方法同样支持使用金或铜（现代微电子学中所有互连的关键材料）实现高纵横比微结构的无空洞金属化。此外，这些技术与标准半导体制造设施兼容，并已被证明可以在直径100毫米的光栅中实现纵横比为65的沟槽的无空洞金填充。
本文报道了无空洞Au填充Si光栅的制造工艺开发和优化过程，这些光栅的开口宽度为亚微米级（700纳米），纵横比达到了创纪录的38。这项工作的意义在于开发了一种新的光刻工作流程，用于图案化密集的亚微米级周期性光栅，并带有稀疏的支撑桥结构；优化了DRIE配方以获得具有良好控制刻蚀轮廓的高纵横比光栅；并优化了金电化学沉积参数以实现此类深结构的无空洞填充。位移塔尔博特光刻（DTL）用于在晶圆级光栅上生成周期性结构。这种基于干涉的光刻技术克服了光刻胶涂层晶圆的厚度变化和粗糙度问题，能够生成特征尺寸小至约50纳米的均匀结构。第二种光刻工艺用于桥结构的制备。使用负性光刻胶来保留两种光刻工艺的图案。DRIE被优化用于在Si晶圆上刻蚀深度为27微米的沟槽。通过在刻蚀后的硅模板中自下而上地填充金（先通过原子层沉积（ALD）沉积20纳米厚的铂种子层），制备出无空洞的金光栅，这种方法已被证明是填充各种晶圆级微图案的可靠技术。最后，使用专用的塔尔博特-劳干涉仪对光栅质量进行了表征。
