TSV關鍵工藝設備特點及國產化展望

褚曉虹，陳峰，胡旭，沈祥國

（南京電子技術研究所，江蘇 南京 210000）

硅通孔（TSV）是目前半導體制造業中最為先進的技術之一，因其具有更好的電性能、更低的功耗、更寬的帶寬、更高的密度、更小的外形尺寸、更輕的質量等優勢，已逐步成為未來發展的熱點與方向，是實現電路小型化、高密度、多功能化的首選解決方案，其在國內應用正方興未艾。具備該技術生產能力，對國內微電子加工制造發展具有重大意義。

TSV技術主要涉及以下幾個關鍵工藝：深反應離子刻蝕（DRIE）制作TSV孔，等離子增強化學氣相沉積（PECVD）制作介電層，物理氣相沉積（PVD）制作阻擋層和種子層，電鍍銅（Cu）填孔，化學機械拋光（CMP）去除多余的金屬；另外由于芯片堆疊集成的需要，對于3D IC/Si集成而言，還有晶圓的減薄和薄晶鍵合等關鍵工藝。每一步工藝都有相當的技術難度。而這些關鍵工藝涉及的設備選擇與工藝選擇息息相關，在整個生產環節中起著關鍵的作用，在某種程度上直接決定了TSV的性能優劣。

1 TSV 制造關鍵工藝流程

TSV制造的主要工藝流程依次為：深反應離子刻蝕（DRIE）法行成通孔；使用化學沉積的方法沉積制作絕緣層、使用物理氣相沉積的方法沉積制作阻擋層和種子層；選擇一種電鍍方法在盲孔中進行銅填充；使用化學和機械拋光（CMP）法去除多余的銅。而一旦完成了銅填充，則需要對晶圓進行減薄；最后是進行晶圓鍵合。整體工藝路線會根據特定需求對典型工藝進行變動。

2 TSV關鍵工藝設備及特點

對應TSV生產流程，會涉及到深孔刻蝕、PVD、CVD、銅填充、微凸點及電鍍、清洗、減薄、鍵合等二十余種設備，其中深孔刻蝕、氣相沉積、銅填充、CMP去除多余的金屬、晶圓減薄、晶圓鍵合等工序涉及的設備最為關鍵。

2.1 深孔刻蝕設備

深孔刻蝕是TSV的關鍵工藝，目前首選技術是基于Bosch工藝的干法刻蝕。深反應等離子刻蝕設備就是感應耦合高密度等離子體干法刻蝕機（Inductively Coupled Plasma Etcher），它采用半導體刻蝕機的成熟技術，獨特設計的雙等離子體源，實現了對腔室內等離子體密度的均勻控制，滿足硅高深寬比刻蝕工藝的要求。具有穩定可靠的工藝性能、寬闊的工藝窗口和良好的工藝兼容性，用于晶片的高深寬比刻蝕。

2.2 氣相沉積設備

氣相沉積設備主要用于薄膜電路表面的高低頻低應力氧化硅等薄膜淀積。設備具有低溫TEOS工藝沉積氧化硅薄膜，應力易調控，適用于薄膜電路制造中保護膜層的沉積。設備應具有預真空室、基片傳送模塊以及工藝模塊等，傳片及工藝過程自動化。

絕緣層做好后，通過物理氣相沉積法（PVD）沉積金屬擴散阻擋層和種子層，為后續的銅填充做好準備。后續的電鍍銅填充要求TSV側壁和底部具有連續的阻擋層和種子層。種子層的連續性和均勻性被認為是TSV銅填充最重要的影響因素。根據硅通孔的形狀、深寬比及沉積方法不同，種子層的特點也各有不同，種子層沉積的厚度、均勻性和粘合強度是很重要的指標。

2.3 銅填充設備

深孔金屬化電鍍設備用于新一代高頻組件高深寬比通孔填孔電鍍銅工藝，解決高深寬比微孔內的金屬化問題，提高互聯孔的可靠性。TSV填孔鍍銅工序是整個TSV工藝里最核心、難度最大的工藝，對設備的要求比較高，成熟的用于TSV填孔鍍銅的設備價格昂貴。

2.4 減薄拋光設備

一旦完成了銅填充，則需要對晶圓進行減薄拋光。TSV要求晶圓減薄至50μm甚至更薄，要使硅孔底部的銅暴露出來，為下一步的互連做準備。目前晶圓減薄可以通過機械研磨、化學機械拋光、濕法及干法化學處理等不同的加工工序來實現。但晶圓很難容忍減薄過程中的磨削對晶圓的損傷及內在應力，其剛性也難以使晶圓保持原有的平整狀態，同時后續工藝的晶圓傳遞、搬送也遇到了很大的問題。目前業界的多采用一體機的思路，將晶圓的磨削、拋光、貼片等工序集合在一臺設備內。

3 TSV關鍵設備具體應用

TSV關鍵工藝設備精密復雜，價格昂貴，不同設備供應商所采用不同的工藝方法，對附屬設備選擇、廠務條件配套、安全環境管理等都有很大的影響。現根據實際的工藝需求、技術條件，以一套成熟TSV生產線設備為案例，推薦適宜的TSV設備。國內外設備價格差距較大，由于此類同時考慮到國外禁運風險，在遇到國內有可提供工藝設備生產商時，我們應該對國內設備的工藝方法、可靠性、服務保障、用戶評價等方面進行特別考察，在確保滿足生產工藝要求的前提下優先推薦選擇國產設備。

3.1 深反應等離子刻蝕設備選型應用

本案例實際生產應用中的深孔刻蝕設備是用于新一代高密度封裝基板的微納加工，目的是解決現有濕法刻蝕的精度和成品率問題，使用深反應等離子刻蝕設備完成精細深槽、高深寬比微納通孔的高精度干法刻蝕。具體要求支持晶圓尺寸最大8英寸向下兼容，在一般指標基礎上要求刻蝕孔徑≤20μm，精度優于±5%，刻蝕深度≥200μm。

目前國外主流深硅刻蝕設備主要由美國應用材料、泛林半導體等設備廠商控制。但近年來，國內微電子設備廠家進步驚人，中微半導體設備有限公司、北方華創微電子裝備有限公司等推出的等離子刻蝕機，均可實現高深寬比刻蝕，滿足絕大多數生產工藝需求，具有實現優良的側壁形貌控制、穩定的均勻性、極高的刻蝕選擇比。在后續的設備采購調研中，通過試片驗證，北方華創生產的深反應等離子刻蝕設備可以滿足產品加工需求。它采用模塊化設計，整機包括工藝模塊（PM:Process Module）和傳輸模塊（TM:Transfer Module）。傳輸模塊裝有機械手，實現晶片在其和工藝模塊之間的傳輸。設備具備智能化的軟件操作系統，實現單片晶圓的自動刻蝕工藝。

3.2 PECVD氣相沉積設備選型應用

國內外有諸多公司均有各類成熟產品。比如英國的SPTS公司，為國內MEMS、先進封裝、LED等產業提供晶圓刻蝕、PVD、CVD等設備，目前綜合技術實力處于行業領先地位。其PECVD設備主要用于低溫單面淀積低應力氮化硅、氧化硅薄膜。傳送手臂會自動把基片轉送到工藝腔模塊。傳片及工藝過程自動化；國內的沈陽拓荊科技有限公司，具有100%自主知識產權的化學氣相沉積設備，可搭配高低頻電源可快速沉積低應力、高均勻性的氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等多種膜層，支持低溫TEOS工藝應用于TSV等領域。設備配備EFEM、loadlock、傳送模塊、工藝模塊等。英國SPTS 對要求較高的膜層需要使用H2做后處理去除膜層中的水分，提高膜層長期穩定性，如膜層應力、擊穿電壓、漏電流等指標；沈陽拓荊在沉積時采用很高的能量，針對不同的狀態把過程中的水進行電離成活性基團，消除膜層吸水的影響，保證膜層的連續性和穩定性，不需要H2。

本案例實際生產應用中的主要需求是用于薄膜電路表面的高低頻低應力氧化硅等薄膜淀積。設備需要具有低溫TEOS工藝沉積氧化硅薄膜，應力易調控，適用于薄膜電路制造中保護膜層的沉積。設備具有預真空室、基片傳送模塊以及工藝模塊等，傳片及工藝過程自動化。故采購的設備具有適用于氧化硅膜層沉積；具備高均勻性和低應力沉積能力；菜單式沉積工藝；具備腔體清洗功能；工藝過程溫度可控；軟件可對工藝和模塊狀態實時跟蹤監控；具備保存歷史工藝和狀態等主要功能。

3.3 PVD設備選型應用

沉積設備領域，傳統的英國SPTS設備全球市場占有率較高，其前身為深反應等離子刻蝕設備的兩家領導企業Aviza和STS合并而成，目前綜合技術實力處于行業領先地位，全球MEMS領域市場占有率達90%，公司的 Sigma fxP磁控濺射設備用于8英寸基片物理氣相沉積。配置手動上片盒，傳片及工藝過程自動化。配置1個預熱模塊用于除氣功能，1個表面刻蝕模塊用于基片表面預清洗。另外還有2個沉積不同金屬材料沉積模塊（Ti&Cu），沉積速率快、均勻性好、應力調控佳。設備應用于制造不同TSV和MEMS器件。

近年來北方華創公司憑借自身實力，越來越多的占領國內市場。因此在實際的設備選型調研中，除了在SPTS進行樣片試驗以外，同時在北方華創公司也進行了樣片生產。因為該PVD設備在實際高密度封裝基板的微納加工生產中，是用來解決高深寬比微納通孔內側壁難以沉積阻擋層/種子層問題，提高金屬化微納通孔互聯可靠性。故在選擇PVD設備時，除滿足20*200μm、20*100μm等高深寬比孔的側壁金屬薄膜沉積的各項技術指標，還關注設備是否具有基板的除氣、預清洗和通孔側壁磁控濺射鍍膜工藝，智能化操作系統可實現自動生產功能。華創公司生產的Polaris T620設備具備除氣（degas）、預清洗（preclean）、高腔Ti濺射沉積、高腔Cu濺射沉積4個工藝模塊，以及自動傳輸模塊和Facility模塊，完成8英寸及以下基板的除氣、預清洗和通孔側壁磁控濺射鍍膜工藝，具備智能化操作系統，可實現自動生產，故而成為最終的選擇。

3.4 電鍍銅填充設備選型應用

為進一步確認TSV填孔鍍銅設備的性能和針對特異的TSV孔型結構需求，建議在選購時，除考慮正常采購原則外，需在廠家相應設備上進行生產所需的TSV孔型結構的樣品打樣，根據打樣要求需保證孔內填充致密、無孔隙，鍍層厚度均勻性好等基本需求，再確定最終采購的設備。根據本案例實際生產中的具體需求，要求設備具有高深寬比填孔電鍍功能；基片清洗甩干功能；鍍槽具備溫度控制、液位控制、PH測試、溫度過保護、加熱器防干燒、氮氣保護等功能；鍍槽采用旋轉陰極，速度可調；工藝控制系統具備工藝數據存儲備份等主要功能。

3.5 減薄拋光設備選型應用

近年來，國產化超薄晶圓減薄拋光設備已實現了量產應用，實現了國際同類設備的高性能水平。因本案例實際生產中，主要用于HTCC氮化鋁基板的貼片減薄拋光工藝加工，加工幅面φ305mm。除價格因素以外，考慮到廠房安裝、多工序并行加工、實際生產需求等，希望設備可以由減薄、拋光、貼片多臺相關設備按實現順序相近放置，以實現基板貼片、減薄、拋光和厚度測試等功能。北京特思迪半導體設備有限公司是生產減薄拋光CMP專業設備廠家，可以提供的基板減薄拋光系統，由1臺減薄設備、1臺拋光設備、1臺貼片設備組成，用于HTCC氮化鋁基板的減薄拋光貼片工藝加工，其中減薄設備通過快速減薄及在線厚度測量系統將基板加工至目標厚度；拋光設備通過拋光墊和拋光液的作用對減薄后的表面進行拋光，以降低基板表面粗糙度；貼片設備適用于將基板粘接到陶瓷載盤上，以作為減薄拋光的載體。經實際測試，符合該案例實際生產需求。

3.6 TSV設備安裝廠務需求

TSV設備對水、風、電、氣等廠務配套條件要求較高，并且不同廠家提供的同類設備由于其采用的工藝方法不同所需要的廠務條件差別很大，如所購買的等離子刻蝕設備、氣相沉積設備等用到多種特種氣體、液體有機物作為工藝介質，有的供應商提供的設備還需要用到氫氣、硅烷等易燃易爆氣體，反應結束后的廢氣需要經過專門的燃燒裝置進行處理后才可以進入廠房主排風系統，同時設備對冷卻水的壓力、流量等均有較高的要求。

由于涉及到特氣使用且部分屬于易燃易爆危險氣體，所以必須通過對現有廠房條件、各個設備廠務需求的梳理對比，對整個TSV生產進行系統考慮，在充分考慮到安全環保、運營維護、實施成本的基礎上，從附屬設備采購以及放置、工藝布局、界面劃分、設備安裝等方面入手，全面進行規劃，在確保安全環保的前提下，以最合理的價格為各個設備正常使用的提供廠務保障。

4 結語

隨著TSV 技術的發展，大量的傳統微電子設備即將淘汰。通過近幾年的TSV設備的逐步大量使用，國內在使用深刻蝕、PVD/CVD、銅（Cu）填孔、化學機械拋光（CMP）等用于TSV制程的關鍵設備領域積累了一定經驗。長期以來，該類設備依賴國外企業，存在成本高、交貨周期長、應對市場變化反應較慢的情況。近年，國內設備廠商設備有了很大突破，盡管與國外最高水平相比還有一定差距，但在確保滿足生產工藝要求的前提下，國產設備各項經濟技術指標如能達到國外設備同等或更高的水平，將會被優先采用，市場前景廣闊。