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摘要：介绍了TSV技术及其优势，针对TSV中通孔的形成，综述了国内外研究进展，提出了干法刻蚀、湿法刻蚀、激光钻孔和光辅助电化学刻蚀法（ PAECE） 等四种TSV通孔的加工方法， 并对各种方法进行了比较， 提出了各种方法的适用范围。
关键词：TSV 干法刻蚀 湿法刻蚀 激光钻孔 光辅助电化学刻蚀
0 引言
TSV （through silicon via）技术是穿透硅通孔技术的缩写，一般简称硅通孔技术。图1所示是4层芯片采用载带封装方法 （见图1（a））和采用TSV方法（见图1（b））封装的外形比较。采用硅通孔TSV 技术的3D 集成方法能提高器件的数据交换速度、减少功耗以及提高输入/输出端密度等方面的性能[1-2]。采用TSV 技术也可以提高器件的良率，因为大尺寸芯片可以分割为几个功能模块的芯片（小尺寸芯片具有更高的器件良率），再将它们进行相互堆叠的垂直集成，或者将它们在同一插入中介层上进行彼此相邻的平面集成。
1 TSV的主要技术环节
硅通孔技术主要有通孔的形成、晶片减薄及TSV键合三大技术环节。
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（a） （b）
图1 TSV封装的外形比较
1.1 通孔的形成
TSV技术的核心是在晶片上加工通孔，目前，通孔加工技术主要包括干法刻蚀、湿法腐蚀、激光钻孔以及光辅助电化学刻蚀四种。
1.2 晶片减薄
为了保证通孔形成的孔径和厚度比例在一个合理的范围内，采用3D封装的晶片必须要进行减薄。目前，比较先进的多层封装技术能够将芯片的厚度控制在100μm以下，未来的芯片厚度需要减薄到25μm-1μm近乎极限的厚度。目前多采用磨削加工技术进行晶片减薄，为了解决减薄后晶片不发生翘曲、下垂以及表面损伤扩大以及晶片破裂等问题，在磨削过程中必须保持晶片始终保持平整状态，这也是晶片减薄技术中急需解决的问题。
1.3 TSV键合
TSV键合技术是指完成通孔金属化和连接端子晶片之间的互连。金属-金属键合技术以及高分子粘结键合技术等是其主要采用的技术，而目前最主要采用的键合技术是金属-金属键合技术。
2 TSV通孔技术
2.1 干法刻蚀
干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的一项技术，以等离子体形式存在的气体具有两个特点：第一，与常态下的气体相比，等离子体中的这些气体的化学活性更强，为了更快的与材料发生反应以实现刻蚀去除的目的，应当根据被刻蚀材料的不同选择合适的气体；第二，为了达到利用物理能量转移实现刻蚀的目的，可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使得离子具有一定的能量，当其轰击被刻蚀物表面时，就会击出被刻蚀物材料的原子。因此，干法刻蚀是晶圆片表面物理和化学两种过程相互平衡的结果，其中干法刻蚀又分为物理性刻蚀、化学性刻蚀以及物理化学性刻蚀三种。
2.2 湿法腐蚀
将晶片放置于液态化学腐蚀液中进行的腐蚀称为湿法腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液通过化学反映将接触的材料逐步浸蚀溶解掉。化学腐蚀的试剂包括很多种，有酸性的、碱性的以及有机腐蚀剂等。根据选择的腐蚀剂，又分为各向同性腐蚀以及各向异性腐蚀剂。
干法刻蚀用来刻蚀的气体流量容易控制，刻蚀速度和刻蚀深度可以计算，且侧壁近似垂直状。湿法腐蚀由于溶液的浓度会随着反应的进行不断变化，反应速率不易控制，所以渐渐被干法刻蚀所取代。但是湿法腐蚀一个很大的优点是成本低廉，而且对于同一个图形的硅晶圆在同样浓度溶液中的腐蚀过程是可以重复的，只要找到同一图形的硅晶圆、在同一配比的溶液中刻蚀深度与时间的关系，便可以准确制作出一定厚度的超薄芯片。
袁娇娇等人对硅晶圆进行打孔和减薄，分别使用先打孔后减薄的深反应离子刻蚀和先减薄后打孔的湿法腐蚀工艺，然后利用电镀工艺填充TSV并制作了用于键合的凸点，在表面进行微加工工艺，最后激光划片，得到了超薄芯片[3]。
2.3 激光钻孔
由于激光具有高能量，高聚焦等特性，依据光热烧蚀和光化学裂蚀原理形成目前常用的两种激光钻孔方式，一种是CO2激光钻孔，另一种是UV激光钻孔。CO2激光钻孔是由光热烧蚀机理在极短的时间以波大于760nm的红外光将有机板材予以强热熔化或汽化，使之被持续移除而成孔。UV激光钻孔利用光化学裂蚀机理，通过发射位于紫外线区的，激光波长小于400nm的高能量光子，使基板材料中长分子链高分子有机化合物的化学键撕裂，在众多碎粒体积增大和外力抽吸下，使基材被快速移除，从而形成微孔。UV激光钻孔不需要烧蚀的盲孔进行除胶渣工序，但是其加工方式为单孔逐次加工，在加工效率方面大大落后于CO2激光钻孔，一般CO2激光钻孔的速率是UV激光的4～5倍。
蔡积庆研究了采用二氧化碳CO2激光在高密度互连（HDI）印制板（PCB）的铜导体层上有效的微导通孔形成的铜直接钻孔的方法[4]。在铜导体箔的表面上镀覆金属锡层，以便增进铜导体箔上的CO2激光能量吸收。镀层表面采用各种脉冲能量的CO2激光进行钻孔。采用一种激光脉冲可以在9mm厚度的抛光铜导体层上有效地形成优质的微导通孔。
余小飞等人研究了UV激光加工φ200μm的盲孔，通过正交试验分析了激光功率、加工速度、激光频率和Z轴高度等各因素与钻孔深度之间的关系，且获得了UV激光制作一阶与二阶盲孔的最佳工艺参数和方法[5]。研究结果表明，钻孔深度随着激光功率和加工速度的增大而增大，而激光频率的增加使钻孔深度减小。加工的二阶盲孔如图2、图3所示。
■
图2 第一层激光加工 图3 两层激光加工
盲孔切片图（×200倍） 盲孔切片图（×200倍）
2.4 光辅助电化学刻蚀
电化学刻蚀是一种采用液态腐蚀剂的湿法腐蚀工艺，它属于湿法刻蚀技术。必须有空穴的参与才能实现硅溶解的过程，为了实现定点刻蚀，通过光生空穴并控制空穴的输运过程将空穴输送到反应点，这就是所谓的光辅助电化学刻蚀技术。此方面主要利用光生载流子效应产生空穴且产生的空穴具有可控性，因此，采用该方法能够实现较高的深宽比，理论上通常可以达到200以上[6]。 采用这种方法具有以下优点：第一，由于巧妙的利用了光能量激发硅片中的空穴，并且能够与电解液中带有负电荷的电子发生化学反应而生成可溶性物质，在除去被加工材料残余的同时没有造成附产物堆积，因而不会影响深部加工；第二，与一般刻蚀方法相比，得到结构的深宽比更大；第三，采用此方法不仅能够加工单个孔，还可以一次完成空阵列中所有孔的加工，因此，它是一种真正的并行加工的方法；第四，由于此方法原来简单明确，加工成本较低，并且容易搭建反应装置，因此，非常适合进行实验室研究。
陈瑜等人研究了光辅助电化学刻蚀技术在阵列和硅衬底之间的边缘效应，得出通过设计，可以利用电化学抛光效应来制作类似硅尖端一类具有倾斜面的MEMS结构的结论[7-9]。
3 结论
TSV通孔加工技术主要包括湿法刻蚀、激光刻蚀、干法刻蚀以及光辅助电化学刻蚀四种方法。四种方法各有优劣，前两种方法不适用于大规模孔阵列，而PAECE法具有超大的深宽比、成本低廉以及试验方法简单易行等优点，表现出了很大的优势。目前，通孔的制作、填充填料以及工艺流程和键合技术等是在应用TSV技术中面临的主要挑战。TSV封装技术已经广泛应用于存储器、图像传感器以及功率放大器等领域，虽然利用此技术还不能投入到大量的生产中，但是随着科学和技术的不断成熟和进步，TSV技术凭借自身高性能以及低功耗的强大优势，必将成为下一代集成电路的主流技术。
参考文献：
[1]童志义，赵璋.垂直集成-延长摩尔定律的有效途径[J].电子工业专用设备，2012，204：1-7，32.
[2]John H. Lau.TSV and Other Key Enabling Technologies of 3D IC/Si Integrations[C].43rd International Symposium on Microelectronics Raleigh-USA，Raleigh Convention Center，2010.232.
[3]袁娇娇，吕植成，汪学方，师帅，吕亚平，张学斌，方靖.用于3D封装的带TSV的超薄芯片新型制作方法[J].微纳电子技术，2013，50（2）：118-123，128.
[4]蔡积庆.HDI PCB制造中采用TEA CO2激光的铜直接钻孔[J].印制电路信息，2008，8：41-44.
[5]余小飞.紫外光激光加工盲孔的工艺研究[J].印制电路信息， 2011，4：62-66.
[6]吕文峰，周彬，罗建东，郭金川.大面积高深宽比硅微通道板阵列制作[J].光子学报，2012，41（2）：228-231.
[7]陈瑜，吴俊徐，郭平生，王连卫.M1van der Zwan2，P1M1-
Sarro.一种用于硅基MEMS 加工的深刻蚀技术[J].微细加工技术，2005，12（4）：37-41.
[8]Foll H，Christophersen M，Carstensen J，etal，Formation and application of porous silicon [J].Materials Science and Engineering，2002，R39：93 -141.
[9]Lehmann V，Foll H.Formation mechanism and properties of electrochemically etched trenches in ntype[J].J Electrochem Soc，1990，137：653-658.
作者简介：黄铂（1982-），男，讲师，湖北武汉人，研究方向：芯片制造技术。
关键词：TSV 干法刻蚀 湿法刻蚀 激光钻孔 光辅助电化学刻蚀
0 引言
TSV （through silicon via）技术是穿透硅通孔技术的缩写，一般简称硅通孔技术。图1所示是4层芯片采用载带封装方法 （见图1（a））和采用TSV方法（见图1（b））封装的外形比较。采用硅通孔TSV 技术的3D 集成方法能提高器件的数据交换速度、减少功耗以及提高输入/输出端密度等方面的性能[1-2]。采用TSV 技术也可以提高器件的良率，因为大尺寸芯片可以分割为几个功能模块的芯片（小尺寸芯片具有更高的器件良率），再将它们进行相互堆叠的垂直集成，或者将它们在同一插入中介层上进行彼此相邻的平面集成。
1 TSV的主要技术环节
硅通孔技术主要有通孔的形成、晶片减薄及TSV键合三大技术环节。
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（a） （b）
图1 TSV封装的外形比较
1.1 通孔的形成
TSV技术的核心是在晶片上加工通孔，目前，通孔加工技术主要包括干法刻蚀、湿法腐蚀、激光钻孔以及光辅助电化学刻蚀四种。
1.2 晶片减薄
为了保证通孔形成的孔径和厚度比例在一个合理的范围内，采用3D封装的晶片必须要进行减薄。目前，比较先进的多层封装技术能够将芯片的厚度控制在100μm以下，未来的芯片厚度需要减薄到25μm-1μm近乎极限的厚度。目前多采用磨削加工技术进行晶片减薄，为了解决减薄后晶片不发生翘曲、下垂以及表面损伤扩大以及晶片破裂等问题，在磨削过程中必须保持晶片始终保持平整状态，这也是晶片减薄技术中急需解决的问题。
1.3 TSV键合
TSV键合技术是指完成通孔金属化和连接端子晶片之间的互连。金属-金属键合技术以及高分子粘结键合技术等是其主要采用的技术，而目前最主要采用的键合技术是金属-金属键合技术。
2 TSV通孔技术
2.1 干法刻蚀
干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的一项技术，以等离子体形式存在的气体具有两个特点：第一，与常态下的气体相比，等离子体中的这些气体的化学活性更强，为了更快的与材料发生反应以实现刻蚀去除的目的，应当根据被刻蚀材料的不同选择合适的气体；第二，为了达到利用物理能量转移实现刻蚀的目的，可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使得离子具有一定的能量，当其轰击被刻蚀物表面时，就会击出被刻蚀物材料的原子。因此，干法刻蚀是晶圆片表面物理和化学两种过程相互平衡的结果，其中干法刻蚀又分为物理性刻蚀、化学性刻蚀以及物理化学性刻蚀三种。
2.2 湿法腐蚀
将晶片放置于液态化学腐蚀液中进行的腐蚀称为湿法腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液通过化学反映将接触的材料逐步浸蚀溶解掉。化学腐蚀的试剂包括很多种，有酸性的、碱性的以及有机腐蚀剂等。根据选择的腐蚀剂，又分为各向同性腐蚀以及各向异性腐蚀剂。
干法刻蚀用来刻蚀的气体流量容易控制，刻蚀速度和刻蚀深度可以计算，且侧壁近似垂直状。湿法腐蚀由于溶液的浓度会随着反应的进行不断变化，反应速率不易控制，所以渐渐被干法刻蚀所取代。但是湿法腐蚀一个很大的优点是成本低廉，而且对于同一个图形的硅晶圆在同样浓度溶液中的腐蚀过程是可以重复的，只要找到同一图形的硅晶圆、在同一配比的溶液中刻蚀深度与时间的关系，便可以准确制作出一定厚度的超薄芯片。
袁娇娇等人对硅晶圆进行打孔和减薄，分别使用先打孔后减薄的深反应离子刻蚀和先减薄后打孔的湿法腐蚀工艺，然后利用电镀工艺填充TSV并制作了用于键合的凸点，在表面进行微加工工艺，最后激光划片，得到了超薄芯片[3]。
2.3 激光钻孔
由于激光具有高能量，高聚焦等特性，依据光热烧蚀和光化学裂蚀原理形成目前常用的两种激光钻孔方式，一种是CO2激光钻孔，另一种是UV激光钻孔。CO2激光钻孔是由光热烧蚀机理在极短的时间以波大于760nm的红外光将有机板材予以强热熔化或汽化，使之被持续移除而成孔。UV激光钻孔利用光化学裂蚀机理，通过发射位于紫外线区的，激光波长小于400nm的高能量光子，使基板材料中长分子链高分子有机化合物的化学键撕裂，在众多碎粒体积增大和外力抽吸下，使基材被快速移除，从而形成微孔。UV激光钻孔不需要烧蚀的盲孔进行除胶渣工序，但是其加工方式为单孔逐次加工，在加工效率方面大大落后于CO2激光钻孔，一般CO2激光钻孔的速率是UV激光的4～5倍。
蔡积庆研究了采用二氧化碳CO2激光在高密度互连（HDI）印制板（PCB）的铜导体层上有效的微导通孔形成的铜直接钻孔的方法[4]。在铜导体箔的表面上镀覆金属锡层，以便增进铜导体箔上的CO2激光能量吸收。镀层表面采用各种脉冲能量的CO2激光进行钻孔。采用一种激光脉冲可以在9mm厚度的抛光铜导体层上有效地形成优质的微导通孔。
余小飞等人研究了UV激光加工φ200μm的盲孔，通过正交试验分析了激光功率、加工速度、激光频率和Z轴高度等各因素与钻孔深度之间的关系，且获得了UV激光制作一阶与二阶盲孔的最佳工艺参数和方法[5]。研究结果表明，钻孔深度随着激光功率和加工速度的增大而增大，而激光频率的增加使钻孔深度减小。加工的二阶盲孔如图2、图3所示。
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图2 第一层激光加工 图3 两层激光加工
盲孔切片图（×200倍） 盲孔切片图（×200倍）
2.4 光辅助电化学刻蚀
电化学刻蚀是一种采用液态腐蚀剂的湿法腐蚀工艺，它属于湿法刻蚀技术。必须有空穴的参与才能实现硅溶解的过程，为了实现定点刻蚀，通过光生空穴并控制空穴的输运过程将空穴输送到反应点，这就是所谓的光辅助电化学刻蚀技术。此方面主要利用光生载流子效应产生空穴且产生的空穴具有可控性，因此，采用该方法能够实现较高的深宽比，理论上通常可以达到200以上[6]。 采用这种方法具有以下优点：第一，由于巧妙的利用了光能量激发硅片中的空穴，并且能够与电解液中带有负电荷的电子发生化学反应而生成可溶性物质，在除去被加工材料残余的同时没有造成附产物堆积，因而不会影响深部加工；第二，与一般刻蚀方法相比，得到结构的深宽比更大；第三，采用此方法不仅能够加工单个孔，还可以一次完成空阵列中所有孔的加工，因此，它是一种真正的并行加工的方法；第四，由于此方法原来简单明确，加工成本较低，并且容易搭建反应装置，因此，非常适合进行实验室研究。
陈瑜等人研究了光辅助电化学刻蚀技术在阵列和硅衬底之间的边缘效应，得出通过设计，可以利用电化学抛光效应来制作类似硅尖端一类具有倾斜面的MEMS结构的结论[7-9]。
3 结论
TSV通孔加工技术主要包括湿法刻蚀、激光刻蚀、干法刻蚀以及光辅助电化学刻蚀四种方法。四种方法各有优劣，前两种方法不适用于大规模孔阵列，而PAECE法具有超大的深宽比、成本低廉以及试验方法简单易行等优点，表现出了很大的优势。目前，通孔的制作、填充填料以及工艺流程和键合技术等是在应用TSV技术中面临的主要挑战。TSV封装技术已经广泛应用于存储器、图像传感器以及功率放大器等领域，虽然利用此技术还不能投入到大量的生产中，但是随着科学和技术的不断成熟和进步，TSV技术凭借自身高性能以及低功耗的强大优势，必将成为下一代集成电路的主流技术。
参考文献：
[1]童志义，赵璋.垂直集成-延长摩尔定律的有效途径[J].电子工业专用设备，2012，204：1-7，32.
[2]John H. Lau.TSV and Other Key Enabling Technologies of 3D IC/Si Integrations[C].43rd International Symposium on Microelectronics Raleigh-USA，Raleigh Convention Center，2010.232.
[3]袁娇娇，吕植成，汪学方，师帅，吕亚平，张学斌，方靖.用于3D封装的带TSV的超薄芯片新型制作方法[J].微纳电子技术，2013，50（2）：118-123，128.
[4]蔡积庆.HDI PCB制造中采用TEA CO2激光的铜直接钻孔[J].印制电路信息，2008，8：41-44.
[5]余小飞.紫外光激光加工盲孔的工艺研究[J].印制电路信息， 2011，4：62-66.
[6]吕文峰，周彬，罗建东，郭金川.大面积高深宽比硅微通道板阵列制作[J].光子学报，2012，41（2）：228-231.
[7]陈瑜，吴俊徐，郭平生，王连卫.M1van der Zwan2，P1M1-
Sarro.一种用于硅基MEMS 加工的深刻蚀技术[J].微细加工技术，2005，12（4）：37-41.
[8]Foll H，Christophersen M，Carstensen J，etal，Formation and application of porous silicon [J].Materials Science and Engineering，2002，R39：93 -141.
[9]Lehmann V，Foll H.Formation mechanism and properties of electrochemically etched trenches in ntype[J].J Electrochem Soc，1990，137：653-658.
作者简介：黄铂（1982-），男，讲师，湖北武汉人，研究方向：芯片制造技术。