先進封裝關鍵技術之TSV框架研究

1 后摩爾時代，先進封裝成為提升芯片性能重要解法

1.1 摩爾定律放緩，先進封裝日益成為提升芯片性能重要手段 隨著摩爾定律放緩，芯片特征尺寸接近物理極限，先進封裝成為提升芯片性能，延續(xù)摩爾定律的重要手段。

先進封裝是指處于前沿的封裝形式和技術，通過優(yōu)化連接、在同一個封裝內集成不同材料、線寬的半導體集成電路和器件等方式，提升集成電路的連接密度和集成度。當前全球芯片制程工藝已進入3-5nm區(qū)間，接近物理極限，先進制程工藝芯片的設計難度、工藝復雜度和開發(fā)成本大幅增加，摩爾定律逐漸失效，半導體行業(yè)進入“后摩爾時代”。前道制程工藝發(fā)展受限，但隨著AI等新興應用場景快速發(fā)展，芯片性能要求日益提高，越來越多集成電路企業(yè)轉向后道封裝工藝尋求先進技術方案，以確保產品性能的持續(xù)提升。先進封裝技術應運而生，在“后摩爾時代”逐步發(fā)展為推動芯片性能提升的主要研發(fā)方向。 先進封裝有多種分類標準，是否有焊線或光刻工序是其中一種區(qū)分方式。傳統封裝不涉及光刻工序，切割后的晶圓通過焊線工藝實現芯片與引線框架的電性連接，從而完成芯片內外部的連通。先進封裝主要利用光刻工序實現線路重排（RDL）、凸塊制作（Bumping）及三維硅通孔（TSV）等工藝技術，涉及涂膠、曝光、顯影、電鍍、去膠、蝕刻等工序。

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1.2 先進封裝份額占比提升，2.5D/3D封裝增速領先先進封裝 AI帶動先進封裝需求。TrendForce報告指出，聊天機器人等生成式AI應用爆發(fā)式增長，帶動2023年AI服務器開發(fā)大幅擴張。這種對高端AI服務器的依賴，需要使用高端AI芯片，這不僅將拉動2023~2024年HBM的需求，而且預計還將在2024年帶動先進封裝產能增長30~40%。 先進封裝增速高于整體封裝，2.5D/3D封裝增速居先進封裝之首。根據Yole，2021年，先進封裝市場規(guī)模約375億美元，占整體封裝市場規(guī)模的44%，預計到2027年將提升至占比53%，約650億美元，CAGR21-27為9.6%，高于整體封裝市場規(guī)模CAGR21-27 6.3%。先進封裝中的2.5D/3D封裝多應用于(x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS等，受數據中心、高性能計算、自動駕駛等應用的驅動，2.5D/3D封裝市場收入規(guī)模CAGR21-27高達14%，在先進封裝多個細分領域中位列第一。

1.3 先進封裝處于晶圓制造與封測的交叉區(qū)域 先進封裝處于晶圓制造與封測制程中的交叉區(qū)域，涉及IDM、晶圓代工、封測廠商。先進封裝要求在晶圓劃片前融入封裝工藝步驟，具體包括應用晶圓研磨薄化、重布線（RDL）、凸塊制作（Bumping）及硅通孔（TSV）等工藝技術，涉及與晶圓制造相似的光刻、顯影、刻蝕、剝離等工序步驟，從而使得晶圓制造與封測前后道制程中出現中道交叉區(qū)域，如圖表4所示。 前后道大廠爭先布局先進封裝，競爭格局較為集中。后摩爾時代，先進制程成本快速提升，一些晶圓代工大廠發(fā)展重心正在從過去追求更先進納米制程，轉向封裝技術的創(chuàng)新。諸如臺積電、英特爾、三星、聯電等芯片制造廠商紛紛跨足封裝領域。先進封裝競爭格局較為集中，全球主要的6家廠商，包括2家IDM廠商(英特爾、三星)，一家代工廠商(臺積電)，以及全球排名前三的封測廠商(日月光、Amkor、JCET)，共處理了超過80%的先進封裝晶圓。

2 TSV：硅通孔，先進封裝關鍵技術 2.1 TSV：硅通孔技術，芯片垂直堆疊互連的關鍵技術 TSV（Through Silicon Via），硅通孔技術，是通過硅通道垂直穿過組成堆棧的不同芯片或不同層實現不同功能芯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硅通孔的垂直電氣互連，減小信號延遲，降低電容、電感，實現芯片的低功耗、高速通信，增加帶寬和實現器件集成的小型化需求。 此前，芯片之間的大多數連接都是水平的，TSV的誕生讓垂直堆疊多個芯片成為可能。Wire bonding（引線鍵合）和Flip-Chip（倒裝焊）的Bumping（凸點）提供了芯片對外部的電互連，RDL(再布線)提供了芯片內部水平方向的電互連，TSV則提供了硅片內部垂直方向的電互連。

2.2 TSV三種主要應用方向：背面連接、2.5D封裝、3D封裝 TSV有多種用途（如圖表7），可大致分為3種（如圖表8）： (a) 垂直的背面連接，無芯片堆疊，如“簡單的背面連接”。TSV位于有源晶粒（active die）中，用于連接至晶圓背面的焊盤（bond pad）； (b) 2.5D封裝。晶粒（die）連接至硅中介層（interposer），TSV在中介層中； (c) 3D封裝。TSV位于有源晶粒中，用于實現芯片堆疊。

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（a）TSV作為簡單背面連接：用于CIS和鍺化硅（SiGe）功率放大器 TSV三種主要應用方式中，簡單的背面連接結構是技術難度最低的，也是TSV技術首次大規(guī)模投入生產時的應用方向，如CMOS圖像傳感器（CIS）、SiGe功率放大器兩個產品就應用了TSV技術。 將TSV用于CMOS圖像傳感器有許多優(yōu)點： 1）使用TSV代替引線鍵合可以減小相機模組的尺寸（如圖表10）。 2）簡化了圖像傳感器的晶圓級封裝（WLP）（如圖表11）。WLP工藝的第一步是將玻璃晶圓附著到圖像傳感器的正面，防止光刻膠(抗蝕劑)微透鏡在組裝過程中受到損壞和污染，然而安裝好玻璃晶圓后會使從晶圓正面到焊盤的連接途徑受阻，TSV通過簡化晶圓級封裝，對此問題提供了簡易的解決方法。

（b）TSV應用于2.5D封裝：FPGA 與簡單的背面連接相比，2.5D先進封裝的硅中介層需要更小的TSV間距（≤50 μm），因此需要更先進的TSV工藝。 現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件是最早使用硅中介層的產品之一：硅中介層可以使芯片間密切連接，整合后的結構看起來像單個大尺寸的FPGA芯片，解決了早期直接構建單個大尺寸FPGA芯片的技術難題。

（c）TSV應用于3D封裝：存儲器堆疊 存儲器堆疊是首批應用3D堆疊TSV結構的產品之一，和2.5D封裝中硅中介層對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 和芯片堆疊的優(yōu)勢包括封裝高度降低40%，功耗降低50%，帶寬增加6倍。

2.3 國內封測廠TSV布局情況：多家頭部廠商已有布局 內資封測廠商向TSV等先進封裝領域突破。全球半導體產業(yè)經歷二次產業(yè)轉移，目前處于第三次產業(yè)轉移的進程之中，作為半導體領域壁壘相對較低的領域，封測產業(yè)目前主要轉移至亞洲區(qū)域，主要包括中國大陸、中國臺灣、東南亞等。封測是中國大陸集成電路發(fā)展最為完善的板塊，技術能力與國際先進水平比較接近，我國封測市場已形成內資企業(yè)為主的競爭格局。中國大陸封測市場目前主要以傳統封裝業(yè)務為主，經過多年的技術創(chuàng)新和市場積累，內資企業(yè)產品已由DIP、SOP、SOT、QFP等產品向QFN/DFN、BGA、CSP、FC、TSV、LGA、WLP等技術更先進的產品發(fā)展，并且在WLCSP、FC、BGA和TSV等技術上取得較為明顯的突破，產量與規(guī)模不斷提升，逐步縮小與外資廠商之間的技術差距，極大地帶動我國封裝測試行業(yè)的發(fā)展。

我國頭部封測企業(yè)，如長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技已有采用TSV技術封裝的產品批量出貨。2.5D/3D封裝所需的晶圓內部的加工如TSV加工，硅轉接板加工等工序屬于晶圓廠擅長制程，而晶圓，裸芯片(Die)之間的高密度互聯和堆疊，以及和基板，接點的互聯技術屬于芯片后道成品制造環(huán)節(jié)的優(yōu)勢。應用于CoWoS等2.5D/3D先進封裝中的TSV技術對深寬比等有更高要求，需要用到諸多前道設備，仍多由晶圓廠來完成。國內封測廠則在先進封裝平臺、CIS封裝等領域對TSV技術有所布局。長電科技的XDFOI技術平臺有TSV less和TSV方案。通富微電2021年在高性能計算領域建成了2.5D/3D封裝平臺（VISionS）及超大尺寸FCBGA研發(fā)平臺，并完成高層數再布線技術開發(fā)，可為客戶提供晶圓級和基板級Chiplet封測解決方案；在存儲器領域，多層堆疊NAND Flash及LPDDR封裝實現穩(wěn)定量產，并在國內首家完成基于TSV技術的3DS DRAM封裝開發(fā)。華天科技工業(yè)級12吋TSV-CIS產品已實現量產。晶方科技應用晶圓級硅通孔（TSV）封裝技術，聚焦以影像傳感芯片為代表的智能傳感器市場，封裝的產品主要包括CIS芯片、TOF芯片、生物身份識別芯片、MEMS芯片等，應用于智能手機、安防監(jiān)控數碼、汽車電子等市場領域。

3?TSV制造流程及所需設備 3.1 TSV制造流程 以2.5D interposer為例，其制造流程可以分為三大部分：TSV process-Via last or Via middle（TSV孔的制造）、Front side process-Dual Damascene process（正面制程-大馬士革工藝）以及Backside process-Cu Expose & RDL process（背面制程-露銅刻蝕和RDL制程）。每個部分具體環(huán)節(jié)對應不同設備及不同指標。 TSV process： 1）TSV etch：深反應離子刻蝕（DRIE）制作TSV孔，可用技術包括Non-Bosch Process與Bosch Process，其中Non-Bosch很難實現更高深寬比的刻蝕且效率有限；而Bosch工藝由于采用一步刻蝕一步沉積的方式，可以實現更高深寬比的刻蝕，另外其速率更快，可滿足業(yè)界對成本與效率的要求。因此該步驟目前首選技術是基于Bosch工藝的干法刻蝕，使用到感應耦合高密度等離子體干法刻蝕機（ICP）。 2）Post etch clean：使用濕法方式進行深孔的清洗，需用到清洗設備。 3）TSV liner：沉積二氧化硅保護層liner，可用等離子增強化學氣相沉積（PECVD）制作介電層；另外由于TSV的深寬比更高，亦用SACVD+PECVD的方式沉積，但是這種沉積方式要求深寬比要小于10:1并且開口需要大于10微米；北方華創(chuàng)用PEALD的方式。 4）TSV Barrier/Seed deposition：物理氣相沉積（PVD）制作金屬擴散阻擋層（業(yè)界一般使用Ti/TiN或者Ta/TaN，要求連續(xù)，需要滿足最薄厚度的要求；同時要求有優(yōu)良的粘附性）/種子層（業(yè)界一般使用Cu，要求連續(xù)，需要滿足最薄厚度的要求；同時頂部不能有over hang），防止金屬擴散到硅中或者金屬擴散到氧化物中。 5）Cu Filling：用銅/鎢電鍍填孔，要求不留縫隙，同時盡量減少電鍍過程中的應力；使用ECP。 6）Cu Anneal：電鍍后的退火，因為銅在室溫下有自退火效應，若不做退火，則給后道的CMP帶來很大的不穩(wěn)定性，做完退火后銅的晶粒分布更加均勻、晶界數量減少，增加銅的電遷移的可靠性，電阻率可以降低20%；業(yè)界用立式爐。 Front side process-Dual Damascene process包括Via Etch/Trench（Etch Via/Trench的刻蝕）、Post etch clean（刻蝕后的清洗）、Cu barrier/Seed Deposition（阻擋層/種子層的沉積）、ECP（電鍍）以及CMP（化學機械拋光去除多余的金屬）。 Backside process-Cu Expose & RDL process包括Bonding（臨時鍵合）、Wafer Thinning（減薄）、Cu expose etch（用干法刻蝕的方式把TSV的銅柱露出來（BFR、BVR工藝））、Post etch clean（濕法清洗）、PECVD（PECVD做鈍化）、CMP SiO2（磨掉銅柱上面的氮化硅，為RDL做準備）以及RDL制程（Descum、RDL PVD、PIQ、UBM PVD）。

3.2 TSV關鍵工藝設備及特點 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、氣相沉積、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。 1）深孔刻蝕設備 深孔刻蝕是TSV的關鍵工藝，目前首選技術是基于Bosch工藝的干法刻蝕。深反應等離子刻蝕設備是感應耦合高密度等離子體干法刻蝕機（Inductively Coupled ?Plasma Etcher），采用半導體刻蝕機的成熟技術，獨特設計的雙等離子體源實現了對腔室內等離子體密度的均勻控制，滿足硅高深寬比刻蝕工藝的要求。具有穩(wěn)定可靠的工藝性能、寬闊的工藝窗口和良好的工藝兼容性，用于晶片的高深寬比刻蝕。

2）氣相沉積設備 氣相沉積設備主要用于薄膜電路表面的高低頻低應力氧化硅等薄膜淀積。設備具有低溫TEOS工藝沉積氧化硅薄膜，應力易調控，適用于薄膜電路制造中保護膜層的沉積。設備應具有預真空室、基片傳送模塊以及工藝模塊等，傳片及工藝過程自動化。 絕緣層做好后，通過物理氣相沉積法（PVD）沉積金屬擴散阻擋層和種子層，為后續(xù)的銅填充做好準備。后續(xù)的電鍍銅填充要求TSV側壁和底部具有連續(xù)的阻擋層和種子層。種子層的連續(xù)性和均勻性被認為是TSV銅填充最重要的影響因素。根據硅通孔的形狀、深寬比及沉積方法不同，種子層的特點也各有不同，種子層沉積的厚度、均勻性和粘合強度是極為重要的指標。 3）銅填充設備 深孔金屬化電鍍設備用于新一代高頻組件高深寬比通孔填孔電鍍銅工藝，解決高深寬比微孔內的金屬化問題，提高互聯孔的可靠性。TSV填孔鍍銅工序是整個TSV工藝里最核心、難度最大的工藝，對設備的要求比較高，成熟的用于TSV填孔鍍銅的設備價格昂貴。 4）減薄拋光設備 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，但晶圓很難容忍減薄過程中的磨削對晶圓的損傷及內在應力，其剛性也難以使晶圓保持原有的平整狀態(tài)，同時后續(xù)工藝的晶圓傳遞、搬送也遇到了很大的問題。目前業(yè)界的多采用一體機的思路，將晶圓的磨削、拋光、貼片等工序集合在一臺設備內。 5）清洗設備 TSV的濕法清洗不同于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刻蝕后清洗：有比較重的硅的殘留、側壁的polymer比較重，清洗的時候不能破壞底部的二氧化硅；②TSV長完liner后要把底部的二氧化硅打開后清洗，清洗底部的同時不能破壞側壁長好的liner的二氧化硅；③大馬士革正面制程刻蝕后的清洗包括Via刻蝕后和Trench刻蝕后；④露銅過程前后的清洗。

6）檢測量測設備：在后段封裝工藝中，芯片倒裝（Flip-chip）、圓片級封裝（Wafer-level Packaging）和硅通孔（Through-silicon Via，TSV）等先進工藝要求對凸點（Bump）、通孔（TSV）、銅柱（Copper pillar）等的缺損/異物殘留及其形狀、間距、高度的一致性，以及重布線層（Re-distribution layer，RDL）進行無接觸定量檢查和測量，以保證集成電路芯片生產線快速進入量產階段并獲取穩(wěn)定的高成品率和高經濟效益。 3.3 TSV國產設備廠商 北方華創(chuàng)：為滿足市場需求，新興的封裝技術向集成和晶圓級發(fā)展，薄膜重布線技術和通孔技術越來越多的被使用到。在先進封裝領域，公司為客戶定制的UBM/RDL金屬沉積設備、TSV金屬沉積設備、TSV刻蝕設備及工藝已經實現了在國內主流先進封裝企業(yè)的批量生產，并不斷獲得客戶的重復采購訂單；全新DESCUM設備已完成研發(fā)并已正式投放市場。

中微公司：2022年年報報告期內，公司ICP技術設備產品類中的8英寸和12英寸深硅刻蝕設備Primo TSV200E、Primo TSV300E在晶圓級先進封裝、2.5維封裝和微機電系統芯片生產線等成熟刻蝕市場繼續(xù)獲得重復訂單的同時，在300mm的3D芯片的硅通孔刻蝕工藝上得到成功驗證，并在歐洲客戶300mm微機電系統芯片的生產線上獲得認證機臺的機會。公司的等離子體刻蝕設備已應用在國際一線客戶從65納米到14納米、7納米和5納米及其他先進的集成電路加工制造生產線及先進封裝生產線。? 盛美上海：公司基于自主知識產權的前道銅互連電鍍設備Ultra ECP map及電鍍工藝，將該技術進一步延伸到先進封裝濕法設備領域，成功開發(fā)了先進封裝電鍍設備、三維TSV電鍍設備和高速電鍍設備，填補國內空白并形成批量銷售。同時布局多款后道先進封裝工藝設備，技術優(yōu)勢明顯。

拓荊科技：公司在現有PECVD設備基礎上，針對先進封裝領域晶圓的特殊性，采用獨特的加熱盤、傳片平臺等設計，開發(fā)了反應溫度在80℃-200℃范圍內（通常反應溫度在260℃-550℃范圍內）的低溫薄膜沉積設備，可以沉積低溫的SiN、TEOS等介質薄膜材料，并在先進封裝領域實現量產應用。

微導納米：公司的iTomic系列原子層沉積鍍膜系統適用于高介電常數（High-k）柵氧層、MIM電容器絕緣層、TSV介質層金屬、金屬氮化物等薄膜工藝需求。產品憑借原子級別的精確控制、高覆蓋率薄膜沉積和極高的工藝均勻性等優(yōu)勢，可為邏輯芯片、存儲芯片、微納制造以及先進封裝提供介質層等關鍵工藝解決方案。?

芯源微：在應用各項底層先進封裝技術支持Chiplet的工藝場景下，為了滿足更多層的互聯工藝要求，通常需要經過更多的圖形化道次，催生了更多后道涂膠顯影、濕法類工藝需求。2022年年報報告期內，公司后道先進封裝領域用涂膠顯影設備、單片式濕法設備實現批量銷售超百臺套，已作為主流機型批量應用于臺積電與長電科技等國內一線大廠，成為客戶端的主力量產設備，同時公司加深與盛合晶微與長電紹興等國內新興封裝勢力的合作關系，成功批量導入各類設備。?

華海清科：隨著摩爾定律接近物理極限，通過芯片堆疊的方式完成高性能芯片制造成為摩爾定律趨緩下半導體工藝的重要發(fā)展方向，公司主打產品CMP設備、減薄設備均是芯片堆疊技術、先進封裝技術的關鍵核心設備。隨著芯片線寬不斷縮小、芯片結構3D化、Chiplet等先進封裝技術不斷演進，CMP設備、減薄設備將獲得更加廣泛的應用，也是公司未來長期高速發(fā)展的重要機遇。?

至純科技：公司提供濕法槽式清洗設備及濕法單片式清洗設備，聚焦晶圓制造的前道工藝，主要應用于擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積等關鍵工序段前后。高端產品包括SPM高溫硫酸、去膠、晶背清洗等清洗設備，其中單片SPM工藝應用貫穿整個先進半導體的前、中段工藝，清洗工藝次數超過30道，是所有濕法工藝中應用最多的一種設備；此外SPM工藝被廣泛應用在淺槽隔離（STI）、接觸孔刻蝕后（CT）等高深寬結構，以及鰭式晶體管（FinFET）、電容（capacitor）等高度復雜圖形區(qū)域。

芯碁微裝：公司的泛半導體直寫光刻設備WLP系列用于8英寸/12英寸集成電路先進封裝領域，包括Flip Chip、Fan-In WLP、Fan-Out WLP和2.5D/3D等先進封裝形式。該系統采用多光學引擎并行掃描技術，具備自動套刻、背部對準、智能糾偏、WEE/WEP功能，在RDL、Bumping和TSV等制程工藝中優(yōu)勢明顯。?

上海精測：精測電子子公司，主要聚焦半導體前道檢測設備領域，致力于半導體前道量測檢測設備的研發(fā)及生產，主營產品包括膜厚量測系統、光學關鍵尺寸量測系統、電子束缺陷檢測系統和自動檢測設備（ATE）等，其中膜厚產品（含獨立式膜厚設備）、電子束設備已取得國內一線客戶的批量訂單；OCD設備獲得多家一線客戶的驗證通過，且已取得部分訂單；半導體硅片應力測量設備也取得客戶訂單并完成交付，明場光學缺陷檢測設備已取得突破性訂單，且已完成首臺套交付；其余儲備的產品目前正處于研發(fā)、認證以及拓展的過程中。

? 中科飛測：公司自成立以來始終專注于檢測和量測兩大類集成電路專用設備的研發(fā)、生產和銷售，產品主要包括無圖形晶圓缺陷檢測設備系列、圖形晶圓缺陷檢測設備系列、三維形貌量測設備系列、薄膜膜厚量測設備系列等產品，已應用于國內28nm及以上制程的集成電路制造產線。

? 睿勵儀器：主營產品為光學膜厚測量設備和光學缺陷檢測設備，以及硅片厚度及翹曲測量設備等；自主研發(fā)的12英寸光學測量設備TFX3000系列產品，已應用在65/55/40/28納米芯片生產線并在進行了14納米工藝驗證，在3D存儲芯片產線支持64層3D NAND芯片的生產，并正在驗證96層3D NAND芯片的測量性能。根據中微公司2022年年報，中微公司已累計對睿勵儀器項目投資約2.51億元，并持有睿勵儀器34.75%的股份，并委派尹志堯出任睿勵儀器的董事長。

? 東方晶源：成立于2014年，總部位于北京亦莊經濟技術開發(fā)區(qū)，是一家專注于集成電路良率管理的企業(yè)，公司自主研發(fā)的計算光刻軟件（OPC）、納米級電子束檢測裝備（EBI）、12吋和8吋關鍵尺寸量測裝備（CD-SEM）這三款核心產品，填補多項國內市場空白，均已在客戶產線驗證并實現訂單。2022年11月，東方晶源完成新一輪近10億元股權融資。

報告信息

證券研究報告《TSV研究框架：先進封裝關鍵技術》

報告發(fā)布機構：中郵證券有限責任公司

分析師:吳文吉??SAC編號:S1340523050004

編輯：黃飛

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