TSV 三维集成：硅晶圆减薄与铜平坦化核心技术解析

本文将深入探讨 TSV（Through-Silicon Via，硅通孔）工艺中的硅晶圆减薄与铜平坦化技术。这两项技术作为 TSV 三维集成技术的核心环节，主要应用于含铜 TSV 互连的减薄芯片制造流程，为该技术实现短互连长度、小尺寸、高集成度等特性提供了重要支撑。

在微电子封装领域，硅晶圆减薄旨在削减芯片衬底厚度，降低芯片热阻、提升散热效能。经减薄后的芯片或晶圆通常仅需经历少量甚至无需半导体制造工艺。而在 TSV 三维集成技术中，硅晶圆减薄不仅要减薄衬底，更关键的是提供高质量的减薄晶圆衬底，为后续半导体制造工艺提供稳定支撑。

在 IC 制造后端的金属化工艺中，铜平坦化主要用于去除金属化互连过程中覆盖在介质层表面、厚度达微米级的多余铜层，以保障互连铜层的表面平整度与粗糙度。在 TSV 三维集成技术里，铜平坦化则用于铜 TSV 互连制作过程中的表面平整处理，电镀铜填充 TSV 孔后产生的多余铜层厚度可达几微米甚至几十微米，且晶圆应力状态更为复杂。

更为突出的是，微电子封装中的晶圆减薄与 IC 后端金属化中的铜平坦化应用场景相对单一，而 TSV 三维集成技术中的硅晶圆减薄与铜平坦化则面临多样化的应用场景。随着 TSV 三维集成工艺的不同，减薄与平坦化的技术需求也会相应变化，这为硅晶圆减薄与铜平坦化技术的发展带来了新的挑战。

本文将重点探讨 TSV 三维集成技术中硅晶圆减薄与铜平坦化的技术需求、工艺原理、检测分析方法及未来发展方向等内容。

TSV 中的硅片减薄与铜平坦化

依据超越摩尔定律，在更小体积中整合更多功能器件，是 TSV 三维集成技术的重要发展方向。当前，TSV 三维集成技术已在 IC、MEMS、光电子等领域实现了产业化应用突破。下面结合 TSV 三维集成在 IC、MEMS 等典型应用场景，对硅片减薄及铜层平坦化的情况展开分析。

在 IC 三维集成应用里，按照 TSV 制作步骤与 IC 制造工艺顺序的关系，可将 TSV 三维集成工艺分为 IC 制造前硅通孔工艺路线、制造中硅通孔工艺路线、制造后硅通孔工艺路线以及键合后通孔工艺。其中，IC 制造前硅通孔工艺路线的流程为：在启动 IC 制造工艺前，先在硅晶圆上制作 TSV 盲孔与氧化层，填充多晶硅后对晶圆表面进行平坦化处理，随后开展 IC 制造；完成后，将 TSV 晶圆键合到辅助晶圆上，对硅晶圆背面实施减薄抛光，制作背面电互连层等，最后剥离晶圆。

制造中硅通孔工艺路线的步骤是：首先完成 IC 前道工艺，也就是制作金属 - 绝缘层 - 半导体（MOS）晶体管；之后加入 TSV 电互连的制作环节，此过程需对电镀铜填充 TSV 时在硅表面形成的凹凸不平的铜层进行去除和抛光处理；接着进行 IC 后道金属化工艺，将 TSV 晶圆键合至辅助晶圆，再对背面进行减薄抛光。

IC 制造后硅通孔工艺路线则是先在硅晶圆上完成 IC 制造工艺，之后在 IC 硅晶圆的有源面或背面制作 TSV 互连。在有源面制作时，会涉及 TSV 硅晶圆表面铜层的去除与抛光；在背面制作时，需借助辅助晶圆固定，再进行减薄抛光与 TSV 互连制作，这一过程也会涉及辅助晶圆固定状态下 TSV 晶圆铜层的去除与抛光。

键合后通孔工艺的流程为：硅晶圆或 SOI 晶圆先完成 IC 制造工艺，随后将两片 IC 晶圆的有源面精准对准并键合，对键合晶圆的背面进行减薄抛光，再制作 TSV 电互连。需要特别说明的是，若是 SOI 晶圆，背面通常会减薄至埋层。在这种应用场景中，对硅晶圆进行减薄抛光时，要求硅与二氧化硅具备良好的抛光选择比。

在 MEMS 应用场景中，通常需要用到带有凹坑的 TSV 晶圆，以此实现 MEMS 器件的晶圆级集成封装。这种情况下，需要具备对硅晶圆进行局部区域减薄的工艺水平，也可称为对硅晶圆进行选择性减薄或腐蚀处理的工艺能力。

综合上述对 TSV 三维集成在 IC、MEMS 等典型应用场景的分析，硅片减薄与铜平坦化的技术需求及对应解决办法已整理汇总。需要特别关注的是，采用辅助晶圆固定并减薄硅片时，可能会出现晶圆厚度不均、翘曲等问题，这些问题会对硅晶圆减薄或铜平坦化的工艺质量产生不良影响。

在 TSV 三维集成技术的实际应用中，对硅晶圆进行减薄处理的核心目标，是获得低损伤、低应力、高平整度且表面粗糙度低的优质减薄硅晶圆，为后续半导体工艺的开展提供可靠基础。而在 TSV 三维 IC 集成领域，硅晶圆的减薄操作主要依靠机械切削减薄与硅化学机械研磨抛光工艺（chemical-mechanical-polishing，CMP）来完成。

机械切削减薄是借助机械切削手段对硅晶圆衬底实施减薄的工艺。在这一过程中，硅晶圆通常通过装夹方式固定，其表面以特定的进给速度与切削砂轮表面接触，同时硅晶圆与砂轮分别进行独立的旋转运动，通过切削作用实现硅衬底的去除。这种减薄方式效率较高，减薄速度大致在 10μm 每分钟左右，但容易在硅片表面产生切削划痕损伤，这类划痕的尺寸一般在 10μm 上下。评估机械切削减薄的质量，可从晶圆厚度的平整程度、损伤大小、切割痕迹以及材料去除速率等多个指标进行考量。而在机械切削减薄过程中，硅晶圆与砂轮的转速、进给速度、接触面积、接触压力、砂轮的粗糙程度以及两者表面的平行度等参数，都对最终的减薄质量有着决定性影响。

单纯采用化学抛光时，虽能获得较快的抛光速度，且表面损伤小、光洁度高，但存在表面平整度与平行度不理想的问题；仅依靠机械抛光时，表面的一致性和平整度较好，不过表面损伤较深、光洁度偏低。化学机械研磨抛光工艺则综合了这两种抛光方式的技术优势，既保证了较高的抛光效率，又具备表面损伤小、平整度佳等特点，因此成为实现硅晶圆抛光处理的核心技术手段。

硅 CMP 抛光的工作原理是：利用抛光液中的氧化剂、活化剂等成分与硅片表面发生化学反应，生成一层质地较软的氧化膜；之后，抛光液中的磨粒与抛光垫通过机械摩擦作用将这层氧化膜去除。通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合、交替进行，最终达成硅晶圆的平坦化与表面抛光效果。抛光垫一般采用含有聚氨基甲酸酯的聚酰纤维毯制作而成，其表面布满细小孔洞，目的是实现抛光液的均匀分散。硅抛光液属于流动性与稳定性优良的悬浊液，主要组成成分包括氧化剂、活化剂、pH 稳定剂以及抛光颗粒等。其中，氧化剂的功能是与硅发生化学反应，活化剂主要用于改善硅表面的化学活性并提升抛光液的稳定性，抛光颗粒则主要负责清除硅表面的化学反应产物与表面凸起。在实际应用中，氢氧根离子常被用作氧化剂，B - 羟基乙二胺是典型的活化剂，Na₂BO₃・10H₂O 与 NaOH 的组合则常用作 pH 稳定剂。目前，SiO₂纳米颗粒因硬度与硅接近、尺寸较小（10~100nm）且均匀度高，成为主流的抛光颗粒。

在抛光过程中，旋转的抛光垫会将抛光液均匀分散开来，硅片表面在一定压力作用下以半接触状态与抛光垫进行相对旋转运动，两者之间形成稳定的液体界面。抛光液中的氢氧根离子与硅发生化学反应（具体反应式此处略去），同时运动的抛光颗粒在压力作用下对硅片表面进行研磨，去除化学反应产生的产物，进而实现硅表面的平坦化与抛光。值得注意的是，抛光垫与硅晶圆的旋转速度、压力等参数，会对两者之间的液体成分与温度产生影响，进而改变化学反应的速率，而化学反应速率又会反作用于机械研磨的去除速度。因此，精准把控硅 CMP 抛光过程中化学反应与机械研磨之间的平衡，是实现高质量硅 CMP 抛光的关键所在。若化学腐蚀作用强于机械研磨作用，硅片表面会出现小坑、橘皮状波纹等缺陷；反之，若机械研磨作用占据主导，硅片表面则会形成高损伤层。

根据抛光速率与抛光后表面质量的不同，硅化学机械研磨抛光可划分为粗抛光、细抛光与精抛光三个类别。粗抛光所使用的抛光颗粒尺寸较大（50~100nm），主要用于清除机械切削后硅片表面残留的损伤层，其抛光速率较快，去除材料的厚度通常在 20μm 以内。细抛光选用的抛光颗粒尺寸适中（30~50nm），核心作用是进一步提高晶圆表面的平整度并降低粗糙度，去除厚度一般不超过 10μm。精抛光则采用尺寸小且均匀性高的抛光颗粒，主要用于硅晶圆表面的 “去雾” 处理，以降低表面粗糙度，不过其抛光速率相对较慢，去除厚度通常在 1μm 以下。有关硅片化学机械研磨抛光的工艺条件，已有系统的整理与归纳。

在抛光过程中，抛光垫的特性、抛光液的成分、抛光颗粒的大小与分散性、pH 值、压力、转速以及温度等因素，都对抛光效果起着决定性作用。此外，硅晶圆材料的掺杂类型、掺杂浓度以及晶向等特性，对抛光效果的影响也不容忽视，需要重点关注。评估硅晶圆减薄抛光工艺的效果与质量，需综合考察减薄后硅片的厚度均匀性、应力状态、厚度精度、表面宏微观损伤程度、粗糙度、残余颗粒数量以及金属离子污染程度等多项指标。尤其在 TSV 三维集成应用中，硅减薄抛光工艺在厚度均匀性、应力状态、厚度精度及金属离子污染等方面的表现至关重要，直接关系到 TSV 三维集成工艺的良率。

硅表面的宏微观损伤与粗糙度，主要由硅 CMP 抛光工艺的参数所决定，如抛光液的类型、抛光垫的特性、压力大小、相对转速等。而减薄硅晶圆的厚度均匀性及应力状态，则主要与机械切削减薄步骤相关，受到硅晶圆初始状态、固定方式以及机械切削减薄工艺参数等多方面因素的共同影响 —— 在 TSV 三维集成应用中，硅晶圆的初始状态以及固定环节所引入的偏差，需要格外留意。减薄厚度精度由机械切削减薄与硅 CMP 抛光共同决定，其中硅 CMP 抛光在微调硅晶圆减薄厚度方面发挥着重要作用。硅片抛光表面的微观损伤，多通过氧化诱导层错密度来评估；表面粗糙度则可借助光学轮廓仪、原子力显微镜等设备进行检测分析。

在 TSV 三维集成应用里，经过减薄抛光处理的硅片厚度通常在 100μm 以下，这类超薄硅晶圆需要临时固定在辅助晶圆上，才能支撑后续的半导体工艺。这就要求将硅片厚度均匀性、应力状态、减薄厚度精度等指标的测试分析，融入到 TSV 三维集成工艺过程中，以最大程度降低对整体工艺的干扰。而针对减薄抛光过程中硅片厚度均匀性、应力状态、减薄厚度精度等参数的在线监测方法，成为了潜在的解决途径。

除此之外，在 TSV 三维集成应用中，硅晶圆减薄工艺除了用于硅表面的去除抛光外，还可能用于减薄抛光硅晶圆衬底，以暴露铜 TSV 孔或 TSV 孔。这意味着在硅晶圆减薄抛光过程中，可能会涉及多种不同材料，由此便产生了对不同材料选择比的调控问题。

减薄硅晶圆的固定与去除

在 TSV 三维集成工艺中，为控制最终堆叠芯片的整体高度，单层芯片厚度需减薄至 100μm 以下，减薄后还需进行背面工艺处理，包括绝缘层淀积、再布线层（redistribution layer，RDL）制作及微凸点制备等，涉及 PECVD、光刻、刻蚀、溅射、电镀等一系列工艺步骤。电子封装技术中常用于支撑超薄晶圆的划片胶带（如蓝膜等），无法适用于 TSV 三维集成的背面工艺，因此需要采用新的减薄硅晶圆固定与转移方法。

目前，临时键合与解键合工艺是减薄硅晶圆固定与转移的主要方式。该工艺利用有机黏接材料将 TSV 硅晶圆键合到辅助晶圆上，完成 TSV 硅晶圆背面减薄、RDL 制作及微焊点制备后，通过解键合将减薄晶圆转移至划片胶带上，以便进行后续的划片和堆叠工艺。

临时键合与解键合应用中所使用的有机黏接材料，通常需满足在 200~300℃环境下保持稳定、具备一定化学稳定性、易于键合与解键合、键合强度良好及厚度适宜等要求。目前，主要的材料供应商包括美国 3M 公司、BrewerScience 公司、DowCorning 公司及日本 Hitachi-Dupont 公司等。临时键合的解键合方式主要有化学解键合、激光解键合、热滑移解键合及机械剥离解键合等。

临时键合后晶圆的厚度一致性、翘曲程度等表现，对后续的减薄与铜平坦化等步骤影响显著，因此在工程应用中通常需要对这些指标进行检测分析。例如，采用 Brewer Science 公司的 HT10.10 型号黏接材料对 6 英寸硅晶圆进行临时键合工艺时，其主要工艺参数如下：涂覆时转速设定为 1000r/min，持续 40 秒；预固化阶段，先将室温从 25℃升至 120℃并保温 2 分钟，再升温至 160℃继续保温 2 分钟；预固化完成后，使用 EVG 公司的 CB6L 临时键合机实现晶圆与玻璃载片的对准，键合压力为 4×10⁴Pa，键合温度为 250℃，键合时间为 15 分钟。为评估键合层厚度的均匀性，对晶圆上 9 个区域内不同位置的厚度偏差进行测量，结果显示最大厚度偏差小于 10μm。

铜平坦化

在 TSV 三维集成技术的应用中，铜平坦化技术主要服务于铜 TSV 互连的制作流程，其核心是清除表面铜层及阻挡层等物质，打造高质量表面，同时尽可能减少对其他表面材料的损伤及污染物残留。这一过程主要借助铜化学机械抛光工艺完成，通常包含抛光去除铜与抛光去除阻挡层等环节。

铜抛光液的构成成分主要有氧化剂、配位剂、抑制剂、pH 缓冲剂以及抛光颗粒等。其中，氧化剂的主要功能是加快铜的溶解速度，促使氧化反应发生，对铜的抛光去除速率起着决定性作用，过氧化氢（H₂O₂）是常用的氧化剂；配位剂的作用是与铜离子发生反应并形成化合物，进而提高铜的去除效率，氨基乙酸乙二胺是该类成分中的常用物质；抑制剂能够在铜表面形成钝化层，从而降低金属刻蚀速率，有助于获得更平整的表面，5 - 氨基四唑（ATA）这类缓蚀剂是常见的抑制剂；pH 缓冲剂可调节氧化剂、配位剂与抑制剂之间的反应速率，在铜抛光过程中有着至关重要的作用；抛光颗粒主要用于清除铜 TSV 表面的反应生成物，二氧化硅（SiO₂）是常用的抛光颗粒。

评估铜 TSV 晶圆平坦化的效果与质量，通常可参考铜抛光去除速率、与衬底介质去除速率的选择比、表面宏微观损伤程度、表面介质上的铜残留量、铜 TSV 表面形貌及片内均匀性等性能指标。而这些质量与效果的优劣，主要由抛光液成分、抛光垫特性、压力及转速等因素共同决定。

铜的化学机械抛光（CMP）过程与硅的 CMP 工艺相类似：旋转的抛光垫持续将新鲜铜抛光液输送至铜 TSV 硅晶圆表面，使抛光垫与铜 TSV 硅片表面之间形成稳定的液体界面。抛光垫与硅片的旋转速率及抛光液滴速共同决定了抛光液的更新速度，铜抛光液中的氧化剂与铜材料发生化学反应，抛光颗粒则对铜 TSV 硅晶圆表面的反应产物进行研磨抛光，从而实现平坦化与抛光处理。值得注意的是，铜 TSV 晶圆平坦化过程中涉及的抛光材料成分比硅 CMP 更为复杂，涵盖铜层、扩散阻挡层、介质层等，这为合理调控不同材料的抛光速率带来了不小的挑战。

在铜平坦化过程中，由于多种材料同时进行抛光但各自的抛光速率存在差异，可能会导致铜 TSV 出现浅碟现象，这一问题对后续工艺会产生不利影响。同时，针对铜平坦化过程中硅片表面的相关情况，已有具体的工艺参数设置以及表面形貌、不同材料抛光速率、浅碟检测等方面的研究与记录。

TSV 工艺中的硅晶圆减薄与铜平坦化技术在三维集成应用中起着至关重要的作用。随着 TSV 三维集成工艺的不断发展，这两项技术也面临着新的挑战和机遇。未来，需要进一步优化工艺参数，提高工艺质量，以满足不断增长的市场需求。