湿式蚀刻硅通孔reveal工艺的成本分析-搜狐

　　在半导体行业目前面临的诸多困境之下，新工艺成为了一个自然而然的选择。硅通孔是当前先进封装领域的一个重要新型工艺，但是从实验室走向产业，任何一个新工艺都需要面临成本的问题。Veeco是这个领域的先行者。事实上，一个有潜力且具备成本经济性的新工艺可能带来的不仅是产业格局的变化，还可能构成投资这个领域新兴企业的重要理由。

　　硅通孔（TSV）技术是一个关键设计元素，被融入今天越来越先进的封装设计中。TSV在物理尺寸和改善性能方面具有显著的效益，并实现了以前不可能的创新性设计。为了升级这种有价值的技术并鼓励行业去采用这项技术，我们需要改善并优化TSV reveal工艺来降低每个工序的成本。

　　Veeco（维易科）公司的精密表面工艺业务单元（PSP）已经引入了湿式蚀刻工具和工艺，这可以降低工序数量和TSV reveal工艺成本。SavanSys成本模型可以用来分析并对当前产业主流TSV reveal干式蚀刻记录制程（POR）和Veeco工艺进行比较。下文对这两种工艺方法的成本进行对比并重点突出了成本动因。

　　TSV Reveal 工艺

　　TSV中间工艺似乎是首选的集成方案。图一展示了芯片被键合到载体后通过初始研磨使大部分硅片变薄之后的reveal工艺序列。我们重点讨论TSV reveal的硅蚀刻这个步骤，图中用黄色方框标注出来。

　　图1：TSV reveal 工艺

　　在机械研磨工艺去除大部分的硅之后，需要一个额外的细化过程安全地显示这些过孔，也消除了研磨过程中产生的表面粗糙和有缺陷的硅。这种最后的蚀刻和表面修整可以通过CMP（化学机械抛光）和等离子干法蚀刻组合完成，或者通过湿化学蚀刻完成。由于在抛光过程中铜是暴露着的，可能会造成铜污染，所以通常不会单独使用CMP完成实际的过孔显示。

　　CMP工艺使用昂贵的研磨液和关键的后清洗步骤来清除研磨液颗粒和其他污染物。等离子体过程通常需要昂贵的设备以及连同更高消费品和维护成本的蚀刻气体。等离子蚀刻工艺在蚀刻后也需要一个单独的湿法清洗步骤。另外，Veeco先进湿式蚀刻设备和工艺取代了用于干式蚀刻工艺记录的四个工具（CMP，等离子蚀刻，清洗和硅厚度测量）。使湿式蚀刻过程最经济的关键是消除序列中的CMP步骤。Vecco两步湿式蚀刻工艺在一个单一的工具中执行，并在一个更简单、成本更低的过程中实现。

　　湿式蚀刻工艺的第一个步骤使用一个高硅蚀刻画轮廓，并使硅表面光滑且硅通孔在2µm内。第一步是消除研磨痕并补偿被蚀刻硅的不均匀性。此步骤之后，这一化学过程被更改为利用SACHEM公司的Reveal蚀刻?精确地发现过孔，因为蚀刻剂对硅具有选择性，不蚀刻覆盖TSV的氧化物衬垫。在Veeco公司的轮廓匹配技术?工艺之前和之后，硅综合测量控制着蚀刻过程。

　　图2：扫面电镜图像说明表面粗糙度。（a）研磨后使表面变得平滑（b）TSV 显示后的表面

　　Veeco公司的轮廓匹配技术测量硅的厚度，并根据要求的TSV深度数据和显示高度确定蚀刻轮廓。补偿硅厚度中径向变化的蚀刻轮廓控制能力导致了更均匀的显示高度，从而减少显示需求量。较低的显示高度转化为较低的钝化沉积，最终只需要更少的CMP用于暴露铜表面。

　　作业成本建模

　　成本建模被用于理解TSV reveal工艺的关键成本动因，并对两种蚀刻方法进行比较。作业成本建模是一个详细的、自底向上的、用来理解成本的方法。一个工艺流程被分解成多个单独的作业，表1说明了每个作业的成本考虑。

　　表1 用于作业成本建模中的直接成本组成

　　成本分析与权衡

　　从将成本分解成多个工艺流程部分的角度来看，TSV reveal工艺首先键合到载体晶圆中，通过各种发生在干式蚀刻前后的研磨和CMP工序，并包括过孔显示后的CVD（化学蒸汽沉积）钝化处理。几个度量工序也包括在内。为了成本分析，将要考虑reveal工艺总成本和直接reveal（湿式或干式蚀刻）工艺成本。

　　这有助于考虑如何将TSV reveal工序融入更大的工艺流程。更好的理解工艺流程因素的各个部分对成本影响的多少，可以做出更好的设计和成本决策。

　　图3是一个通用的基于中介片工艺的直接成本分解。在此工艺流程中考虑到基片上中介片上的晶片，TSV相关工序占总成本的一半以上。这个百分比主要依赖其他设计参数，如使用了何种组装、需要多少重新分布层数（RDLs）等等。然而，即使我们已经知道许多变量在起作用，但真正重要的还是所有与TSV相关的工艺——不论是制造还是reveal。

　　图3 一般基于中介片工艺工序的直接成本

　　TSV reveal占总工艺流程成本的10%左右，很明显即便这种小部分工序也显著影响着总产品成本。

　　图4总结了湿式蚀刻与干式蚀刻的基线成本对比，只关注了构成直接TSV reveal工序的个别工序。和这两个工艺流程都相关的设备成本、产量和材料成本是基于行业标准数据的。因为每个代工厂都是不同的，使用不同的工具、不同的化学物质和不同的协议，下面的敏感性分析对理解每种reveal工艺类型的不同变量十分重要。应该注意的是这两种工艺的良率被假定为相等的。如果能够减少潜在缺陷的话，成本收益就会提高。

　　图4 直接TSV reveal工序对比

　　总体湿式或干式reveal成本以归一化成本的形式展示出来，而每个工序和类别的成本因素以百分比的形式展示。即使没有绝对值的比较，也可立刻得出一些结论。

　　首先，鉴于此组的基线假设，利用两步reveal蚀刻结合基线作业的工艺成本不到基线工艺的一半。第二，这种类型的比较很容易识别出工序中的成本来源于哪里，而不仅仅是确定每一步工序的成本。在基线工艺流程中，等离子体蚀刻工艺造成了高资本成本，而CMP工序导致了高材料成本。在湿式蚀刻的两步reveal工艺中，大部分成本来自于设备成本。这个结果并不出乎意料，因为它消除了复杂的工序，将工序简化到一个工具中。

　　当研究一项新技术的成本时，这种类型的成本比较是不够的，我们必须进行一个更具鲁棒性的分析。单组基线假设得出的结论不能说明工艺和代工厂之间的巨大差异。敏感性分析对于理解个体差异的影响十分重要。我们选择蚀刻速率作为敏感分析的入口，同时也测试了其他变量，如材料成本和设备成本。

　　蚀刻速率

　　这两种工艺中的一个关键变量是产量，它直接依赖于蚀刻速率。下面两个图表说明了随着蚀刻速率的变化reveal工序的成本变化情况。

　　图5 蚀刻速率敏感性分析

　　蚀刻速率的改善对两种工艺的成本有着重大的影响。这是一个值得考虑的、有益的比较，因为如果有妨碍实现最佳产量的障碍存在，一个计划投资新设备的代工厂可能会想要了解成本影响。敏感性分析有助于这一决策。图表显示：即使湿式蚀刻工艺没有达到理想的产量，也不会阻碍工艺的成本效益。

　　设备与材料敏感性

　　湿式蚀刻工艺的设备成本和材料使用的敏感性如图6所示。他们各自具备一个预期的、线性的影响。设备价格的变化影响着reveal工序，一百万美元的价格变动会引起每晶圆片1美元的变化。考虑到资金是新型湿式蚀刻reveal工艺的成本的80%，这个结果就不奇怪了。湿式蚀刻工具的材料成本是计算每个晶圆片的材料消耗，所以每晶圆片投入美元的任何变化对每晶圆片产生的成本具有同样的影响，如下图所示。如果化学品的价格增长或者化学品的总需求量增加，材料成本就会发生变化。