什么是TSV？
TSV（Through-Silicon Via）是一種先進的三維集成電路封裝技術。它通過在芯片上穿孔并填充導電材料，實現芯片內、芯片間以及芯片與封裝之間的垂直連接。TSV 技術可以將不同功能的芯片堆疊在一起，從而提高集成度、降低功耗，并縮小芯片封裝的體積。TSV 技術被廣泛應用于各種領域，如微處理器、存儲器、傳感器等，是推動集成電路制造技術向三維方向發展的重要技術之一。
TSV的優勢
高集成度：TSV 技術可以實現芯片內、芯片間以及芯片與封裝之間的垂直連接，從而實現多個芯片的堆疊組合，提高了系統的集成度。
低功耗：由于 TSV 技術可以縮短信號傳輸距離，減少信號傳輸延遲，從而降低功耗。
小型化：TSV 技術可以縮小芯片封裝的體積，使整體封裝更加緊湊，有利于在有限空間內實現更多功能。
高性能：TSV 技術可以提高芯片內部各功能模塊之間的通信速度和帶寬，從而提高整體系統的性能。
散熱效果好：TSV 技術可以提高芯片的散熱效果，因為通過垂直連接可以更有效地傳導熱量。
降低成本：雖然實施 TSV 技術的成本較高，但由于可以實現高集成度和小型化，可以降低系統整體成本。
總的來說，TSV 技術在提高集成度、降低功耗、小型化、提高性能、散熱效果好和降低成本等方面具有明顯的優勢，是未來集成電路封裝領域的重要發展方向。
TSV 工藝技術發展面臨的設備問題
TSV技術最初被廣泛應用于圖像傳感器，但未來將在邏輯芯片、存儲器芯片、CPU，甚至異質集成等領域得到進一步應用，其技術應用領域不斷擴大，展望非常樂觀。隨著TSV技術的不斷發展，將推動新型生產設備的發展，如深刻蝕設備、銅填充設備、鍵合機、微檢測儀等，同時也意味著許多傳統設備將面臨淘汰。
近年來，國內在深刻蝕、PVD/CVD、晶圓減薄、晶圓鍵合等設備領域取得了一定經驗和突破，但與國外水平相比仍存在較大差距。TSV制程所需的關鍵設備依賴于少數國外企業，導致成本高、交貨周期長、市場變化應對反應較慢。如果國內設備廠商的設備在經濟技術指標上能達到甚至超過國外設備的水平，將有望獲得更廣闊的市場認可和機會。
因此，國內設備廠商應不斷提升技術水平和產品質量，加大技術創新和研發投入，以提高設備性能并降低成本，更好地適應市場需求。隨著TSV技術的進一步普及和應用，國內設備制造業有望在該領域取得更大突破和發展，實現更好的市場前景。
TSV 制程關鍵工藝設備
TSV（Through-Silicon Via）制作工藝包括多個關鍵步驟，每個步驟都有相當的技術難度，需要特定的設備來實現。以下是TSV制作工藝中涉及的關鍵步驟和相關設備：
1、通孔制作：通過深刻蝕工藝來實現。這一步驟需要使用深刻蝕設備，如離子束刻蝕機（Ion Beam Etching System）或反應離子刻蝕機（Reactive Ion Etching System），通常采用Bosch工藝來實現深孔刻蝕。
2、絕緣層、阻擋層和種子層的沉積：采用化學氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）設備來實現。確保各層的均勻性和粘附性非常重要。
3、銅填充：通過電化學沉積（Electrochemical Deposition）設備來實現，需要避免空洞等缺陷，以確保填充的銅在高溫下保持正常的電性能。
4、化學機械拋光：用于去除多余的金屬，確保表面平整。需要使用化學機械拋光設備來實現。
5、晶圓減薄：為了減小整體厚度，通常需要對晶圓進行減薄。這一步驟通常使用薄片磨床（Wafer Thinning Grinder）或化學機械拋光設備來實現。
6、晶圓鍵合：將不同芯片或組件進行鍵合，可以采用晶圓鍵合設備來實現。
TSV制作流程涉及到多種設備，如深刻蝕設備、PVD設備、CVD設備、電化學沉積設備、化學機械拋光設備、薄片磨床等。其中通孔制作、絕緣層/阻擋層/種子層的沉積、銅填充、晶圓減薄和晶圓鍵合等工序所涉及的設備是制程中關鍵的，直接影響TSV的性能指標和整體質量。因此，對這些關鍵工藝步驟中的設備進行精細的控制和優化至關重要。
深硅刻蝕設備
深反應離子刻蝕技術（DRIE）是一種常用于制造硅通孔的工藝，其中常見的深硅刻蝕技術被稱為“Bosch（博氏）”工藝，以最初發明該技術的公司命名。
在 Bosch 工藝中，一個標準的循環包括選擇性刻蝕和鈍化兩個步驟。在選擇性刻蝕過程中，通常使用 SF6 和 O2 兩種氣體，而在鈍化過程中則使用 C4F8 氣體。首先，利用 SF6 等離子體刻蝕硅襯底，然后利用 C4F8 等離子體沉積在硅襯底上，最后在這些氣體中加入 O2 等離子體，以有效控制刻蝕速率和選擇性。由于這些步驟的交替使用，Bosch 工藝在刻蝕過程中形成了貝殼狀的刻蝕側壁。
目前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。從國內看，近年來在國家科技重大專項支持下，中微半導體、北方微電子等廠家研制的深硅等離子刻蝕機可以投入硅通孔刻蝕的研發及量產中。尤其 DSE200 系列刻蝕機是北方微電子公司于 2012 年推出的首款深硅等離子刻蝕機，該刻蝕機能實現高達 50:1 的硅高深寬比刻蝕，并同時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。
PVD/CVD 沉積設備
硅通孔形成后，常采用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）在硅通孔內表面沉積一層絕緣材料 SiO2，這是制備TSV（Through Silicon Via）孔絕緣層的主流技術之一。該工藝在較低的溫度范圍（100～400 ℃）下進行沉積。
近年來，引入了一種新型的等離子氣相增強化學沉積設備 ICP-PECVD 用于填充TSV孔的絕緣層。與傳統PECVD不同的是，ICP-PECVD設備將射頻功率通過電感耦合至工藝腔室，同時配合耦合至反應室襯底的射頻源，以提高反應離子的方向性。典型的ICP-PECVD工藝腔設計如圖2所示。ICP-PECVD工藝沉積SiO2的溫度可降至20～100 ℃，反應離子濃度較高，有助于提高對TSV孔的填充效率。
在絕緣層形成后，通常會使用物理氣相沉積法（PVD）在TSV孔內沉積金屬擴散阻擋層和種子層，為接下來的銅填充做準備。如果填充材料為多晶硅或鎢，則不需要種子層。
對于后續的電鍍銅填充，要求TSV孔的側壁和底部都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影響TSV銅填充質量的關鍵因素之一。根據TSV孔的形狀、深寬比以及沉積方法的不同，種子層的特性也會有所差異，種子層的沉積厚度、均勻性和粘附強度是非常重要的評估指標。
電鍍銅填充設備
許多成本模型表明，TSV填充工藝是整個工藝流程中成本較高的步驟之一。TSV的主要成品率損失之一是未充分填充的空洞。作為適合填充硅通孔的技術，電鍍銅工藝備受關注，尤其是針對TSV高深寬比（通常大于10:1）的全填充電鍍技術。
許多國外公司已經成功研發了這項技術并推出了成熟的產品，包括NEXX、TECHNIC、Semitool等公司。特別是美國的NEXX公司是先進封裝領域的專業設備供應商，其Stratus S200（4-8英寸）、S300（8-12英寸）全自動電鍍設備已經在全球各大封裝廠商中得到應用，用于12英寸及以下規格晶圓的量產生產，可適用于TSV、凸點、UBM、RDL、銅互連等工藝。如圖3所示：
NEXX 公司的系列電鍍設備銷往全球，其中亞洲封測廠家占據了 75% 的市場份額。據了解，國內封裝行業的領軍企業長電、富士通等在其生產線上廣泛采用了 Stratus 系列設備。這些設備采用了剪切電鍍技術，具有鍍層均勻、結構緊湊、易于擴展等優點，為封測廠家提供了一款質量穩定、生產效率高、占地面積小的自動設備。
該系列設備的核心部分是垂直剪切鍍單元（如圖 4 所示），主要包括陽極、屏蔽件、晶圓夾具、剪切屏和驅動電機等組件。單元框架上分別安裝了這些部件，包括安裝導槽、提高鍍層均勻性的剪切屏和直流導電夾緊機構。所有主要部件均采用氟塑料材料，單元整體由螺栓和密封件連接組裝而成。
目前國內研究機構在 TSV 單項技術上取得一些研究結果，但是對于電鍍相關工藝設備幾乎并無廠家涉及，只有中國電子科技集團公司第二研究所在進行 TSV 銅填充工藝技術的研究，并有相關實驗設備交付客戶使用。
晶圓減薄設備
TSV 要求晶圓減薄至 50 μm 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，通過它們之間有機的結合，并優化這幾道工序的比例關系，保證晶圓既能減薄到要求的厚度，又要有足夠的強度。目前四種主要晶圓減薄方法對比見表 1。
在要求低于50 μm的薄厚度下，晶圓在減薄過程中很難避免磨損和內在應力的問題，同時晶圓的剛性也難以保持其原有平整狀態。此外，晶圓在后續工藝中的傳遞和搬送也會遇到挑戰。為了解決這些問題，業界目前主要采用一體機的解決方案，將晶圓的磨削、拋光、去除保護膜、粘貼劃片膜等工序集成在一臺設備內。在這種設備中，晶圓始終被吸附在真空吸盤上，保持平整狀態，從而解決了搬送過程中的困難。
圖5展示了東京精密公司的一體機PG200/300的基本配置示意圖。在該設備中，PG部分集成了磨削和拋光功能。通過一個帶有4個真空吸盤的大圓盤回轉臺，晶圓可在不離開真空吸盤的情況下順時針旋轉360°，依次被送到粗磨、精磨、拋光等不同加工工位，完成整個減薄過程。這種一體機設備的應用有效解決了晶圓減薄過程中的技術難題，提高了加工效率和質量。
將減薄后的晶圓從PG部分轉移到RM部分時，通常需要使用一個多孔陶瓷吸盤完成。在RM部分，主要進行保護膜的去除和劃片膜的粘貼工序。由于保護膜的剝離需要在晶圓的正面進行，因此必須將晶圓進行翻轉。然而，由于晶圓的厚度非常薄，翻轉過程十分困難。
為了解決這一問題，東京精密公司將傳統的剝膜工藝中的貼膜工序提前到前移，利用劃片膜粘貼到框架上時所具有的平整性和張力來支撐晶圓。這種方法有效地解決了晶圓翻轉過程中的困難，確保了后續工藝的順利進行。
晶圓鍵合設備
晶圓鍵合最初是為MEMS制造工藝而發展的，主要用于實現晶圓級覆蓋技術。隨著技術的發展，晶圓鍵合不僅用于覆蓋MEMS晶圓，還被應用于堆疊具有不同功能的晶圓，通過TSV實現晶圓的3D堆疊。
目前，晶圓鍵合采用了多種方法，包括直接氧化物鍵合、陽極鍵合、粘接鍵合、基于焊料的鍵合、金屬-金屬直接鍵合、超聲鍵合、玻璃介質鍵合等。然而，由于CMOS器件熱預算的限制，與TSV互連的CMOS晶圓兼容的鍵合工藝主要限于直接氧化物鍵合、金屬鍵合（Cu-Cu或Cu-Sn-Cu）、粘接鍵合以及它們的組合。
在這些方法中，Cu-Cu直接鍵合具有諸多優點，如低電阻率、良好的抗電遷移性能以及減少互連電阻電容延遲等優勢，同時實現了機械和電學接觸界面。
然而，實現可靠的Cu-Cu鍵合對于大多數應用來說仍存在挑戰，主要是由于其在高溫、高壓和長時間工藝下易形成自然氧化物，對器件可靠性產生不利影響。目前，Cu-Cu直接鍵合的主要瓶頸之一是高工藝溫度，這會對器件可靠性和制造良率產生負面影響，并且高溫對晶圓之間的對準精度也會帶來不利影響。
為了解決這些問題，晶圓鍵合設備供應商奧地利EVG公司開發了光學對準、低溫Cu-Cu熱壓鍵合工藝，實現了亞微米級的對準精度。這一創新為Cu-Cu鍵合技術的發展帶來了新的可能性。
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