文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述TSV工藝中的硅晶圓減薄與銅平坦化。

硅晶圓減薄與銅平坦化作為 TSV 三維集成技術的核心環節，主要應用于含銅 TSV 互連的減薄芯片制造流程，為該技術實現短互連長度、小尺寸、高集成度等特性提供了重要支撐。

在微電子封裝領域，硅晶圓減薄的核心目標是削減芯片襯底厚度，以此降低芯片熱阻、提升散熱效能，經減薄后的芯片或晶圓通常僅需經歷少量甚至無需半導體制造工藝。而在 TSV 三維集成技術中，硅晶圓減薄的目的不僅限于減薄襯底，更關鍵的是提供高質量的減薄晶圓襯底，為后續半導體制造工藝提供穩定支撐。

在 IC 制造后端的金屬化工藝中，銅平坦化主要用于去除金屬化互連過程中覆蓋在介質層表面、厚度達微米級的多余銅層，以保障互連銅層的表面平整度與粗糙度 —— 這類銅層通常處于微米尺度。反觀 TSV 三維集成技術，銅平坦化的應用場景為銅 TSV 互連制作過程中的表面平整處理，其中電鍍銅填充 TSV 孔后產生的多余銅層厚度可達幾微米甚至幾十微米，且晶圓應力狀態更為復雜。

更為突出的是，微電子封裝中的晶圓減薄與 IC 后端金屬化中的銅平坦化應用場景相對單一，而 TSV 三維集成技術中的硅晶圓減薄與銅平坦化則面臨多樣化的應用場景。隨著 TSV 三維集成工藝的不同，減薄與平坦化的技術需求也會相應變化，這為硅晶圓減薄與銅平坦化技術的發展帶來了新的挑戰。

本文將重點探討 TSV 三維集成技術中硅晶圓減薄與銅平坦化的技術需求、工藝原理、檢測分析方法及未來發展方向等內容。

TSV 中的硅片減薄與銅平坦化

依據超越摩爾定律，在更小體積中整合更多功能器件，是 TSV 三維集成技術的重要發展方向。當前，TSV 三維集成技術已在 IC、MEMS、光電子等領域實現了產業化應用突破。下面結合 TSV 三維集成在 IC、MEMS 等典型應用場景，對硅片減薄及銅層平坦化的情況展開分析。

在 IC 三維集成應用里，按照 TSV 制作步驟與 IC 制造工藝順序的關系，可將 TSV 三維集成工藝分為 IC 制造前硅通孔工藝路線、制造中硅通孔工藝路線、制造后硅通孔工藝路線以及鍵合后通孔工藝。其中，IC 制造前硅通孔工藝路線的流程為：在啟動 IC 制造工藝前，先在硅晶圓上制作 TSV 盲孔與氧化層，填充多晶硅后對晶圓表面進行平坦化處理，隨后開展 IC 制造；完成后，將 TSV 晶圓鍵合到輔助晶圓上，對硅晶圓背面實施減薄拋光，制作背面電互連層等，最后剝離晶圓。

制造中硅通孔工藝路線的步驟是：首先完成 IC 前道工藝，也就是制作金屬 - 絕緣層 - 半導體（MOS）晶體管；之后加入 TSV 電互連的制作環節，此過程需對電鍍銅填充 TSV 時在硅表面形成的凹凸不平的銅層進行去除和拋光處理；接著進行 IC 后道金屬化工藝，將 TSV 晶圓鍵合至輔助晶圓，再對背面進行減薄拋光。

IC 制造后硅通孔工藝路線則是先在硅晶圓上完成 IC 制造工藝，之后在 IC 硅晶圓的有源面或背面制作 TSV 互連。在有源面制作時，會涉及 TSV 硅晶圓表面銅層的去除與拋光；在背面制作時，需借助輔助晶圓固定，再進行減薄拋光與 TSV 互連制作，這一過程也會涉及輔助晶圓固定狀態下 TSV 晶圓銅層的去除與拋光。

鍵合后通孔工藝的流程為：硅晶圓或 SOI 晶圓先完成 IC 制造工藝，隨后將兩片 IC 晶圓的有源面精準對準并鍵合，對鍵合晶圓的背面進行減薄拋光，再制作 TSV 電互連。需要特別說明的是，若是 SOI 晶圓，背面通常會減薄至埋層。在這種應用場景中，對硅晶圓進行減薄拋光時，要求硅與二氧化硅具備良好的拋光選擇比。

在 MEMS 應用場景中，通常需要用到帶有凹坑的 TSV 晶圓，以此實現 MEMS 器件的晶圓級集成封裝。這種情況下，需要具備對硅晶圓進行局部區域減薄的工藝水平，也可稱為對硅晶圓進行選擇性減薄或腐蝕處理的工藝能力。

綜合上述對 TSV 三維集成在 IC、MEMS 等典型應用場景的分析，硅片減薄與銅平坦化的技術需求及對應解決辦法已整理匯總。需要特別關注的是，采用輔助晶圓固定并減薄硅片時，可能會出現晶圓厚度不均、翹曲等問題，這些問題會對硅晶圓減薄或銅平坦化的工藝質量產生不良影響。

硅晶圓減薄

在 TSV 三維集成技術的實際應用中，對硅晶圓進行減薄處理的核心目標，是獲得低損傷、低應力、高平整度且表面粗糙度低的優質減薄硅晶圓，為后續半導體工藝的開展提供可靠基礎。而在 TSV 三維 IC 集成領域，硅晶圓的減薄操作主要依靠機械切削減薄與硅化學機械研磨拋光工藝（chemical-mechanical-polishing，CMP）來完成。

機械切削減薄是借助機械切削手段對硅晶圓襯底實施減薄的工藝。在這一過程中，硅晶圓通常通過裝夾方式固定，其表面以特定的進給速度與切削砂輪表面接觸，同時硅晶圓與砂輪分別進行獨立的旋轉運動，通過切削作用實現硅襯底的去除。這種減薄方式效率較高，減薄速度大致在 10μm 每分鐘左右，但容易在硅片表面產生切削劃痕損傷，這類劃痕的尺寸一般在 10μm 上下。評估機械切削減薄的質量，可從晶圓厚度的平整程度、損傷大小、切割痕跡以及材料去除速率等多個指標進行考量。而在機械切削減薄過程中，硅晶圓與砂輪的轉速、進給速度、接觸面積、接觸壓力、砂輪的粗糙程度以及兩者表面的平行度等參數，都對最終的減薄質量有著決定性影響。

單純采用化學拋光時，雖能獲得較快的拋光速度，且表面損傷小、光潔度高，但存在表面平整度與平行度不理想的問題；僅依靠機械拋光時，表面的一致性和平整度較好，不過表面損傷較深、光潔度偏低。化學機械研磨拋光工藝則綜合了這兩種拋光方式的技術優勢，既保證了較高的拋光效率，又具備表面損傷小、平整度佳等特點，因此成為實現硅晶圓拋光處理的核心技術手段。

硅 CMP 拋光的工作原理是：利用拋光液中的氧化劑、活化劑等成分與硅片表面發生化學反應，生成一層質地較軟的氧化膜；之后，拋光液中的磨粒與拋光墊通過機械摩擦作用將這層氧化膜去除。通過化學腐蝕與機械研磨的協同配合、交替進行，最終達成硅晶圓的平坦化與表面拋光效果。拋光墊一般采用含有聚氨基甲酸酯的聚酰纖維毯制作而成，其表面布滿細小孔洞，目的是實現拋光液的均勻分散。硅拋光液屬于流動性與穩定性優良的懸濁液，主要組成成分包括氧化劑、活化劑、pH 穩定劑以及拋光顆粒等。其中，氧化劑的功能是與硅發生化學反應，活化劑主要用于改善硅表面的化學活性并提升拋光液的穩定性，拋光顆粒則主要負責清除硅表面的化學反應產物與表面凸起。在實際應用中，氫氧根離子常被用作氧化劑，B - 羥基乙二胺是典型的活化劑，Na?BO??10H?O 與 NaOH 的組合則常用作 pH 穩定劑。目前，SiO?納米顆粒因硬度與硅接近、尺寸較小（10~100nm）且均勻度高，成為主流的拋光顆粒。

在拋光過程中，旋轉的拋光墊會將拋光液均勻分散開來，硅片表面在一定壓力作用下以半接觸狀態與拋光墊進行相對旋轉運動，兩者之間形成穩定的液體界面。拋光液中的氫氧根離子與硅發生化學反應（具體反應式此處略去），同時運動的拋光顆粒在壓力作用下對硅片表面進行研磨，去除化學反應產生的產物，進而實現硅表面的平坦化與拋光。值得注意的是，拋光墊與硅晶圓的旋轉速度、壓力等參數，會對兩者之間的液體成分與溫度產生影響，進而改變化學反應的速率，而化學反應速率又會反作用于機械研磨的去除速度。因此，精準把控硅 CMP 拋光過程中化學反應與機械研磨之間的平衡，是實現高質量硅 CMP 拋光的關鍵所在。若化學腐蝕作用強于機械研磨作用，硅片表面會出現小坑、橘皮狀波紋等缺陷；反之，若機械研磨作用占據主導，硅片表面則會形成高損傷層。

根據拋光速率與拋光后表面質量的不同，硅化學機械研磨拋光可劃分為粗拋光、細拋光與精拋光三個類別。粗拋光所使用的拋光顆粒尺寸較大（50~100nm），主要用于清除機械切削后硅片表面殘留的損傷層，其拋光速率較快，去除材料的厚度通常在 20μm 以內。細拋光選用的拋光顆粒尺寸適中（30~50nm），核心作用是進一步提高晶圓表面的平整度并降低粗糙度，去除厚度一般不超過 10μm。精拋光則采用尺寸小且均勻性高的拋光顆粒，主要用于硅晶圓表面的 “去霧” 處理，以降低表面粗糙度，不過其拋光速率相對較慢，去除厚度通常在 1μm 以下。有關硅片化學機械研磨拋光的工藝條件，已有系統的整理與歸納。

在拋光過程中，拋光墊的特性、拋光液的成分、拋光顆粒的大小與分散性、pH 值、壓力、轉速以及溫度等因素，都對拋光效果起著決定性作用。此外，硅晶圓材料的摻雜類型、摻雜濃度以及晶向等特性，對拋光效果的影響也不容忽視，需要重點關注。評估硅晶圓減薄拋光工藝的效果與質量，需綜合考察減薄后硅片的厚度均勻性、應力狀態、厚度精度、表面宏微觀損傷程度、粗糙度、殘余顆粒數量以及金屬離子污染程度等多項指標。尤其在 TSV 三維集成應用中，硅減薄拋光工藝在厚度均勻性、應力狀態、厚度精度及金屬離子污染等方面的表現至關重要，直接關系到 TSV 三維集成工藝的良率。

硅表面的宏微觀損傷與粗糙度，主要由硅 CMP 拋光工藝的參數所決定，如拋光液的類型、拋光墊的特性、壓力大小、相對轉速等。而減薄硅晶圓的厚度均勻性及應力狀態，則主要與機械切削減薄步驟相關，受到硅晶圓初始狀態、固定方式以及機械切削減薄工藝參數等多方面因素的共同影響 —— 在 TSV 三維集成應用中，硅晶圓的初始狀態以及固定環節所引入的偏差，需要格外留意。減薄厚度精度由機械切削減薄與硅 CMP 拋光共同決定，其中硅 CMP 拋光在微調硅晶圓減薄厚度方面發揮著重要作用。硅片拋光表面的微觀損傷，多通過氧化誘導層錯密度來評估；表面粗糙度則可借助光學輪廓儀、原子力顯微鏡等設備進行檢測分析。

在 TSV 三維集成應用里，經過減薄拋光處理的硅片厚度通常在 100μm 以下，這類超薄硅晶圓需要臨時固定在輔助晶圓上，才能支撐后續的半導體工藝。這就要求將硅片厚度均勻性、應力狀態、減薄厚度精度等指標的測試分析，融入到 TSV 三維集成工藝過程中，以最大程度降低對整體工藝的干擾。而針對減薄拋光過程中硅片厚度均勻性、應力狀態、減薄厚度精度等參數的在線監測方法，成為了潛在的解決途徑。

除此之外，在 TSV 三維集成應用中，硅晶圓減薄工藝除了用于硅表面的去除拋光外，還可能用于減薄拋光硅晶圓襯底，以暴露銅 TSV 孔或 TSV 孔。這意味著在硅晶圓減薄拋光過程中，可能會涉及多種不同材料，由此便產生了對不同材料選擇比的調控問題。

減薄硅晶圓的固定與去除

在 TSV 三維集成工藝中，為控制最終堆疊芯片的整體高度，單層芯片厚度需減薄至 100μm 以下，減薄后還需進行背面工藝處理，包括絕緣層淀積、再布線層（redistribution layer，RDL）制作及微凸點制備等，涉及 PECVD、光刻、刻蝕、濺射、電鍍等一系列工藝步驟。電子封裝技術中常用于支撐超薄晶圓的劃片膠帶（如藍膜等），無法適用于 TSV 三維集成的背面工藝，因此需要采用新的減薄硅晶圓固定與轉移方法。

目前，臨時鍵合與解鍵合工藝是減薄硅晶圓固定與轉移的主要方式。該工藝利用有機黏接材料將 TSV 硅晶圓鍵合到輔助晶圓上，完成 TSV 硅晶圓背面減薄、RDL 制作及微焊點制備后，通過解鍵合將減薄晶圓轉移至劃片膠帶上，以便進行后續的劃片和堆疊工藝。

臨時鍵合與解鍵合應用中所使用的有機黏接材料，通常需滿足在 200~300℃環境下保持穩定、具備一定化學穩定性、易于鍵合與解鍵合、鍵合強度良好及厚度適宜等要求。目前，主要的材料供應商包括美國 3M 公司、BrewerScience 公司、DowCorning 公司及日本 Hitachi-Dupont 公司等。臨時鍵合的解鍵合方式主要有化學解鍵合、激光解鍵合、熱滑移解鍵合及機械剝離解鍵合等。

臨時鍵合后晶圓的厚度一致性、翹曲程度等表現，對后續的減薄與銅平坦化等步驟影響顯著，因此在工程應用中通常需要對這些指標進行檢測分析。例如，采用 Brewer Science 公司的 HT10.10 型號黏接材料對 6 英寸硅晶圓進行臨時鍵合工藝時，其主要工藝參數如下：涂覆時轉速設定為 1000r/min，持續 40 秒；預固化階段，先將室溫從 25℃升至 120℃并保溫 2 分鐘，再升溫至 160℃繼續保溫 2 分鐘；預固化完成后，使用 EVG 公司的 CB6L 臨時鍵合機實現晶圓與玻璃載片的對準，鍵合壓力為 4×10?Pa，鍵合溫度為 250℃，鍵合時間為 15 分鐘。為評估鍵合層厚度的均勻性，對晶圓上 9 個區域內不同位置的厚度偏差進行測量，結果顯示最大厚度偏差小于 10μm。

銅平坦化

在 TSV 三維集成技術的應用中，銅平坦化技術主要服務于銅 TSV 互連的制作流程，其核心是清除表面銅層及阻擋層等物質，打造高質量表面，同時盡可能減少對其他表面材料的損傷及污染物殘留。這一過程主要借助銅化學機械拋光工藝完成，通常包含拋光去除銅與拋光去除阻擋層等環節。

銅拋光液的構成成分主要有氧化劑、配位劑、抑制劑、pH 緩沖劑以及拋光顆粒等。其中，氧化劑的主要功能是加快銅的溶解速度，促使氧化反應發生，對銅的拋光去除速率起著決定性作用，過氧化氫（H?O?）是常用的氧化劑；配位劑的作用是與銅離子發生反應并形成化合物，進而提高銅的去除效率，氨基乙酸乙二胺是該類成分中的常用物質；抑制劑能夠在銅表面形成鈍化層，從而降低金屬刻蝕速率，有助于獲得更平整的表面，5 - 氨基四唑（ATA）這類緩蝕劑是常見的抑制劑；pH 緩沖劑可調節氧化劑、配位劑與抑制劑之間的反應速率，在銅拋光過程中有著至關重要的作用；拋光顆粒主要用于清除銅 TSV 表面的反應生成物，二氧化硅（SiO?）是常用的拋光顆粒。

評估銅 TSV 晶圓平坦化的效果與質量，通常可參考銅拋光去除速率、與襯底介質去除速率的選擇比、表面宏微觀損傷程度、表面介質上的銅殘留量、銅 TSV 表面形貌及片內均勻性等性能指標。而這些質量與效果的優劣，主要由拋光液成分、拋光墊特性、壓力及轉速等因素共同決定。

銅的化學機械拋光（CMP）過程與硅的 CMP 工藝相類似：旋轉的拋光墊持續將新鮮銅拋光液輸送至銅 TSV 硅晶圓表面，使拋光墊與銅 TSV 硅片表面之間形成穩定的液體界面。拋光墊與硅片的旋轉速率及拋光液滴速共同決定了拋光液的更新速度，銅拋光液中的氧化劑與銅材料發生化學反應，拋光顆粒則對銅 TSV 硅晶圓表面的反應產物進行研磨拋光，從而實現平坦化與拋光處理。值得注意的是，銅 TSV 晶圓平坦化過程中涉及的拋光材料成分比硅 CMP 更為復雜，涵蓋銅層、擴散阻擋層、介質層等，這為合理調控不同材料的拋光速率帶來了不小的挑戰。

在銅平坦化過程中，由于多種材料同時進行拋光但各自的拋光速率存在差異，可能會導致銅 TSV 出現淺碟現象，這一問題對后續工藝會產生不利影響。同時，針對銅平坦化過程中硅片表面的相關情況，已有具體的工藝參數設置以及表面形貌、不同材料拋光速率、淺碟檢測等方面的研究與記錄。