3.1　TSV刻蚀技术

制作TSV的第一步是获得高深宽比的孔，要实现这一目标，需要采用各向异性非常好的刻蚀方式。常用的各向异性刻蚀，如KOH、TMAH湿法刻蚀，只能获得深宽比很小的孔，并且孔侧边与刻蚀表面的夹角离90°很远。为获得足够大的深宽比，目前大都采用干法深反应离子刻蚀（DRIE）的方式制备盲孔。

DRIE技术分为两种：一种是德国Bosch公司发明的时分复用法，被称为Bosch方法；另一种是日本Hitachi公司发明的低温刻蚀法。这两种方法都使用氟基化合物（如SF6）产生的等离子体进行刻蚀，但这种等离子体刻蚀是各向同性的，因此要实现各向异性刻蚀，还需要特殊的工艺控制。采用不同的转换方法，就形成了上述两种DRIE技术。

Bosch方法是将刻蚀过程分为很多周期，每一周期又分为刻蚀时间、钝化时间和间歇时间。在刻蚀时间内，等离子体对衬底进行各向同性刻蚀后进入钝化时间，此时通入的氟化物C4F8在等离子体作用下形成类似特氟龙的保护层沉积到各个刻蚀表面，阻止等离子体对衬底的进一步刻蚀。到下一个刻蚀时间，由于等离子体的方向性，底部保护层在离子的轰击之下首先被去除，从而刻蚀主要向下进行，这样刻蚀和钝化的结合，就形成了总体趋势朝下的各向异性刻蚀方式。图3-1为Bosch DRIE示意图。

这种刻蚀方式下，刻蚀和钝化保护在不同时间内进行，一个周期向下刻蚀一定距离，这样在多个周期之后，就获得了很深的槽或者孔。由于刻蚀速度在时间上的周期性，刻蚀的侧壁会形成一些微小的凸起或者下凹，称为扇贝效应，使得刻蚀侧壁不够光滑，Bosch型刻蚀侧壁扇贝效应问题如图3-2所示。扇贝效应对后面的工艺可能会产生一定的影响，但这种凸凹是非常微小的，大约在几十纳米量级，在孔的尺寸足够大时，可以不考虑其影响。

图3-1　Bosch DRIE示意图

图3-2　Bosch型刻蚀侧壁扇贝效应问题［53］

Bosch DRIE的另一个问题是滞后效应，体现在两个方面，对于同一个刻蚀结构，随着深度的增加，刻蚀速率逐渐变慢，呈现非线性关系；对于不同开口尺寸，同样的刻蚀参数和时间，刻蚀深度有明显差异。一般来说，开口尺寸越大，刻蚀速率越大，如图3-3所示。因而在TSV设计时，一般采用统一的开口尺寸，并采用尽量均匀的排布，保证刻蚀深度在片内尽可能均匀。背面加工的Via-last型TSV，由于刻蚀穿透硅衬底后需要停止在介质层上，而介质层对刻蚀中的离子有不一样的性质，所以会有电荷的累积问题，会引起侧向钻蚀，如图3-4所示。侧向钻蚀给后续的薄膜制备带来很多问题，容易引起侧壁漏电，影响TSV的可靠性。

图3-3　滞后效应问题［53］

图3-4　DRIE底部侧向钻蚀问题［53］

等离子体具有一定的平均自由程，刻蚀反应物难以进入深微结构，反应物也难以被抽走，随着刻蚀深度的增加，刻蚀越难进行，最终往往形成V字形形貌。因此，在DRIE工艺中，调控沉积与刻蚀之间的平衡以获得高深宽比、高垂直度的硅微结构，具有非常重要的意义。目前，在Bosch工艺等离子体深硅刻蚀中提升深宽比和垂直度的方法主要是对刻蚀参数施加“递增”（Ramping），如Tang等人［54］对腔压、下电极功率和刻蚀时间同时施加“递增”，获得了深宽比高达80∶1的硅微结构。但该方法的刻蚀角度还具有一定的倾斜度，即刻蚀获得的形貌还存在一定的锥度，Zhao和Lin［55］也指出，即使对刻蚀时间施加“递增”，仍然会存在刻蚀深度的极限。因此，如何优化扇贝效应、滞后效应和刻蚀形貌是Bosch工艺等离子体深硅刻蚀存在的挑战。

当前，采用Bosch工艺，最先进的刻蚀机可实现高达50μm/min的刻蚀速率，深宽比高达100∶1，扇形区小于5nm，轮廓控制在90°±0.2°范围内，整个300mm圆片的不均匀性小于5%，光刻胶选择性高达100∶1［56］。

另外一种DRIE技术是低温刻蚀，其特点是刻蚀和钝化保护同时进行。在通入 SF6刻蚀气体的同时，还通入C4F8及O2，这样就在刻蚀的内壁上产生10～20nm的SiOxFy阻挡层，阻止刻蚀的深入进行。由于离子轰击的作用，底部的阻挡层不停地被打开，从而刻蚀一直向底部方向进行；而侧壁则受到阻挡层的保护不被进一步刻蚀，由于低温有助于阻挡层的形成，因而在低温之下，可以获得很好的各向异性刻蚀效果，获得很深的槽或者孔结构。在低温DRIE技术下，刻蚀是随时间连续的，因而可以获得光滑的刻蚀侧壁，有利于获得很小尺寸并且不会对后续工艺造成很大影响的深孔，低温型DRIE典型结果如图3-5所示。

图3-5　低温型DRIE典型结果［53］

以上两种DRIE方式，都需要控制很多工艺参数，如气体流量、等离子体功率等，只有这些参数充分配合，才能获得预期的高深宽比结构。目前主流TSV加工，由于TSV直径一般在5μm以上，所以一般采用Bosch刻蚀方式，以方便参数优化和工艺重复性控制。图3-6所示的是典型的10μm×100μm TSV刻蚀剖面SEM照片。

图3-6　典型的10μm×100μm TSV刻蚀剖面SEM照片

在DRIE之后，会在孔侧壁残留氟化物，需要特殊的清洗步骤，使得刻蚀侧壁清洁，以保证后续工艺的质量，图3-7所示的是TSV清洗前后的侧壁SEM照片。在清洗之前，侧壁明显存在有机物残留；清洗之后，侧壁很干净，无明显残留。

图3-7　TSV清洗前后的侧壁SEM照片

在TSV刻蚀方面，除了主流的DRIE方式，还有激光烧蚀、光引导湿法腐蚀等方式。激光烧蚀适合尺寸较大、密度不高的应用场合，但激光烧蚀侧壁质量较差，也有局部的热损伤问题，目前在硅衬底上应用较少，但在玻璃衬底或有机衬底上有很好的应用。光引导湿法腐蚀对衬底电阻率和掺杂有严格要求，且对孔密度也有要求，应用受到很多限制，仅在学术期刊上有一些报道，并未见在产业界的应用。

激光烧蚀（钻孔）利用高能定向激光束和基板之间的相互作用，在硅、玻璃和聚合物上钻深孔［57-61］。纳秒激光器的激光脉冲持续时间（约10-9s）比大多数材料的声子—电子转换时间（约10-12s）长得多，允许在每个脉冲期间产生热量，并通过将基板加热到高于熔点的温度来立即熔化基板。相比之下，皮秒和飞秒激光器，每个脉冲的持续时间（10-12s或更短）不足以实现声子到电子的转换，通过将材料转变为等离子体来移除衬底。由于不发生热传递，飞秒激光器可以在基板上钻直径均匀、侧壁光滑、热区小的孔。飞秒激光器由于脉冲频率较低，向衬底传输的能量有限，因而在钻孔深度上不如纳秒激光器。

激光烧蚀获得的最小TSV直径已达到10μm，但由于激光束聚焦困难，很难进一步缩小到5μm。纳秒激光器达到的最高纵横比超过20∶1［60］。通孔的深度、直径、螺距和轮廓角可分别控制在±5μm、2μm、2～5μm和88°左右。由于热效应的影响，激光打孔后圆片的翘曲（Warpage）度会增加。由于激光打孔不需要掩模，并且能够在同一次打孔中穿透不同的材料（金属、电介质、硅和玻璃），因此刻蚀低密度过孔的成本比DRIE低得多。这些特点使得激光打孔技术在MEMS应用中具有广泛的前景。