先進封裝看 TSV 相關化學材料

TSV 矽通孔技術, 是通過矽通道垂直穿過組成堆疊的不同晶片或不同層實現不同功能晶片集成的先進封裝技術. TSV 主要通過銅等導電物質的填充完成矽通孔的垂直電氣互連, 減小信號延遲, 降低電容, 電感, 實現晶片的低功耗, 高速通信, 增加帶寬和實現器件集成的小型化需求.

TSV 有多種用途, 可大致分為 3 種: a) 垂直的背面連接, 無晶片堆疊, 如 "簡單的背面連接". TSV 位於主動晶粒 (active die) 中, 用於連接至晶圓背面的焊盤 (bond pad); b) 2.5D 封裝, 晶粒 (die) 連接至矽中介層 (interposer), TSV 在中介層中; c) 3D 封裝, TSV 位於主動晶粒中, 用於實現晶片堆疊.

記憶體堆疊是首批應用 3D 堆疊 TSV 結構的產品之一, 和 2.5D 封裝中矽中介層對 TSV 間距的需求相似, 但實際應用中難度更高, 例如寬 I/O DRAM 設備. 使用寬 I/O DRAM 和晶片堆疊的優勢包括封裝高度降低 40%, 功耗降低 50%, 帶寬增加 6 倍.

TSV process: 1）TSV etch: 深反應離子刻蝕 (DRIE) 制作 TSV 孔. 2）Post etch clean: 使用濕法方式進行深孔的清洗. 3）TSV liner: 沈積二氧化矽保護層  liner. 4) TSV Barrier/Seed deposition: PVD 制作金屬擴散阻擋層/種子層. 5) Cu Filling: 用銅/鎢電鍍填孔. 6) Cu  Anneal: 電鍍後的退火.

TSV 生產流程涉及到深孔刻蝕, 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, 氣相沈積, 銅填充, 清洗, 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. 深孔刻蝕設備深孔刻蝕是 TSV 的關鍵工藝, 目前首選技術是基於 Bosch 工藝的乾法刻蝕.

先進封裝中, TSV 工藝對蝕刻氣體需求增加. 在 TSV 工藝通孔環節中, Bosch 刻蝕技術因其良好的刻蝕速率均勻性以及高深寬比刻蝕能力被廣泛應用. Bosch 刻蝕分為刻蝕和鈍化兩個循環周期, 在刻蝕周期, 通過 SF6 與 Si 的短暫接觸完成一次縱向刻蝕; 在鈍化周期, C4F8 在等離子體中形成氟化碳類高分子聚合物, 沈積在 Si 表面上以形成一層鈍化膜, 防止 SF6 與 Si 繼續反應.

全球高純蝕刻氣體市場主要集中在中日韓及歐美各地區, 行業的核心企業包括 Linde 和 SK Materials  等, 這兩家公司合計占據了全球市場約 24% 的份額. 全球領先的公司除上述兩家以外, 還包括 Kanto Denka Kogyo, ADEKA, 中船派瑞特氣, Merck, Showa Denko, Nippon Sanso, Hyosung, Air Liquide 等.

氣相沈積設備主要用於薄膜電路表面的高低頻低應力氧化矽等薄膜澱積. TSV 填孔鍍銅工序是整個 TSV 工藝裡最核心, 難度最大的工藝, 對設備的要求比較高, 成熟的用於 TSV 填孔鍍銅的設備價格昂貴. 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, 要使矽孔底部的銅暴露出來, 為下一步的互連做準備. 

TSV 的濕法清洗不同於晶圓級封裝等先進封裝, 其中有幾個關鍵工序需用到清洗: ①TSV 刻蝕後清洗: 有比較重的矽的殘留, 側壁的 polymer 比較重, 清洗的時候不能破壞底部的二氧化矽; ②TSV 長完 liner 後要把底部的二氧化矽打開後清洗; ③大馬士革正面制程刻蝕後的清洗包括 Via 刻蝕後和 Trench 刻蝕後;④露銅過程前後的清洗.

電鍍液穩定性對通孔填充的良率有直接影響. 電鍍液中有機添加劑的分解會產生不良的副產物, 從而導致通孔中出現空隙, 影響導電性能. 通孔的填充時間約為 40 分鐘, 但高度僅為 100um, 因此對鍍銅速率和沈積位置的控制非常重要, 這一點是靠電鍍液添加劑實現的.

從產品類型和技術的角度來看, 銅電鍍液占據行業主流, 2022 年需求占比達 6x%, 其次為錫電鍍液和金電鍍液. 從供給端來看, 電鍍液市場份額依舊被國外企業占據, 目前全球主要電鍍液生產商為 Umicore, MacDermid, TANAKA, Japan Pure Chemical  和 BASF 等, 根據 QYResearch 統計, 2022 年五大廠商市場銷售額合計占全球高純度電鍍液市場規模的 6x%, 行業依舊呈現寡頭壟斷格局.

從競爭格局來看, 全球拋光液市場產品集中度較高, 主要由美日企業所長期壟斷, 2020 年占據超過 65% 的市場份額. 其中 Cabot 微電子占比第一, 達到 36%, 其他依次為 Hitachi, Fujimi, Versum. 中國廠商則以安集科技為代表, 逐步突破國外壟斷奮起直追, 2020 年占據全球拋光液市場 2%的份額.

臨時鍵合技術被廣泛應用於半導體先進封裝中, 臨時鍵合膠是核心材料. 全球臨時鍵合膠市場外資高度壟斷, 全球臨時鍵合膠市場的主要參與者包括 3M, Daxin Materials (達興材料), Brewer Science, AI Technology, YINCAE Advanced Materials, Micro Materials, Promerus 和 Daetec 等, 前三大廠商占據全球約 40% 市場份額.

TSV 工藝中, 通孔填充占比最高為 44%, 其次為通孔蝕刻和減薄, 分別為 25% 和24%. TECHCET 預計先進封裝和高端互聯應用中, 電鍍材料全球市場規模 2022 年接近 10 億美元, 到 2026 年預計超過 12 億美元, 市場規模增長主要系先進封裝結構中 RDL, TSV 和 copper pillar 的用量增加.