TSV（矽穿孔）是什麼？晶片怎麼上下疊起來、穿過去接線

TSV 是 through-silicon via 的縮寫，中文叫矽穿孔（也有人叫矽通孔）：在矽晶片上打穿一個很細的孔、裡面填金屬，讓訊號和電從晶片的一面直接走到另一面。有了它，晶片才能上下疊起來、從中間直接接在一起；新聞說的 3D IC、3D 封裝，很多就是靠它。

晶片原本只能從哪裡接出去？

晶片做在晶圓的正面：電路和跟外面接電、傳訊號的小金屬片（接點）都在正面，背面只是一整塊矽。要接到外面，常見的有兩種。打線是正面朝上，用細線從四邊一條一條拉出去（見「打線是什麼？」）；覆晶是把晶片翻過來，整面的小凸塊一次焊上去（見「覆晶是什麼？」）。

可是兩種都只用到正面，背面沒有出口。好幾層晶片疊起來時，上面幾層的訊號要往下走，多半只能從邊上拉線繞下去。

為什麼要穿過去？

用打線疊晶片，每一層的接點都要露在邊上，線要從各層繞到底板，路比較長；接點只能排在四邊，數量有限。

矽穿孔直接從晶片中間往下穿：路只有一層晶片那麼厚，孔也不必擠在四邊，接點多得多。路短，訊號跑得快，也比較省電。

AI 晶片旁邊疊起來的記憶體，一疊有上千條資料線，就靠這些孔一層一層往下接（見「新聞說的「HBM」是什麼？」）。晶片並排放在中介層上時，中介層裡也常有矽穿孔，把訊號往下接到底板（見「新聞說的「先進封裝」是什麼？」）。

矽穿孔有多細、多深？

一般的資料大致是：孔寬幾微米到十幾微米（一微米是千分之一公釐），比頭髮細很多；深幾十微米到一百微米上下。深度常是寬度的十倍左右，像在地上挖一口又窄又深的井。

矽穿孔怎麼做？一步一步看

孔可以早挖、也可以晚挖，常見的是做完電晶體、還沒做上面的導線時挖。一般的說法，大致是五步。

第 1 步：在矽上刻出又深又細的孔

用黃光印出孔的位置，再用電漿乾蝕刻往下挖，常常是刻一下、在側壁鋪一層保護膜、再刻一下，輪流很多次（見「蝕刻是什麼？」）。這樣孔才刻得又直又深，不多佔旁邊電路的位置；這時孔的底還埋在矽裡，還沒穿透。要是也往旁邊吃，孔壁會往旁邊凹進去，後面的膜鋪不均勻，銅也很難填滿。

第 2 步：孔壁先鋪絕緣層和阻障層

在孔壁先鋪一層絕緣的薄膜（例如二氧化矽），再鋪一層很薄的阻障層（常用鉭、鈦這類金屬或它們的氮化物），最後鋪一層很薄的銅，當電鍍的「種子」。因為矽本身會導一點電，銅原子又很會鑽，鑽進矽裡會讓電晶體漏電（阻障層的道理，見「晶片裡的導線怎麼做？」）。少了這兩層，訊號會漏進矽裡，旁邊的電晶體也會慢慢變差。

第 3 步：電鍍，把孔填滿銅

把晶圓泡進電鍍液、通上電，銅從種子層長出來，從孔底往上填滿；表面多的銅用 CMP 磨掉，再照常往上做導線。銅導電好，從底往上長，裡面才不會留下空隙。孔口要是先合起來，裡面就留下空洞，電不好走，日後受熱也容易從這裡壞掉。

第 4 步：從背面把晶圓磨薄，讓孔底露出來

先把正面貼在另一片當支撐的晶圓或玻璃上，從背面用砂輪磨，再用 CMP 和蝕刻一點一點去掉，磨到只剩幾十微米，讓銅柱的底露出來（見「CMP 是什麼？」）。因為晶圓原本不到一公釐厚，孔卻只有幾十微米深，不磨就穿不過去；這麼薄的矽自己撐不住，所以要貼著支撐片做完背面的接點，再拆下來、切開。磨不夠，有的孔露不出來；磨過頭或磨不平，會傷到銅柱。

第 5 步：疊起來，對準接上

把晶片一層一層疊上去，每一層背面露出的銅柱，對準下一層的接點；常見的是用很小的凸塊（多半是銅柱頂上一點焊錫）加熱加壓焊起來，這種微凸塊的間距大約是幾十微米。對準了，訊號和電才能一層一層穿下去；偏一點，就接不到，或接到隔壁。

混合鍵合是什麼？

另一種接法不用凸塊，叫混合鍵合：

1. 磨到非常平：兩邊要貼的那一面，都用 CMP 磨到起伏不到一奈米，差不多只有幾個原子高。表面露出銅接點和旁邊的絕緣層，銅故意低一點點，只有幾奈米。
2. 常溫貼上：表面處理過之後對準貼上，絕緣層和絕緣層在常溫下就互相吸住、黏在一起。
3. 加熱接通：再加熱到幾百度。銅受熱脹得比絕緣層多，把那一點點縫補起來，銅和銅就接成一塊。

銅對銅、絕緣層對絕緣層，同時接上，所以叫「混合」。少了焊錫球，接點可以做得更小、更密：間距可以到十微米以下。用假設的數字算算看：間距 40 微米，一平方公釐排得下 25 × 25＝625 個；間距 10 微米，就是 100 × 100＝10,000 個，多了 16 倍。

代價是要非常平、非常乾淨。一顆小到看不見的微粒夾在中間，周圍一大片就貼不上；研究估計，貼不上的那一片可以比微粒大上百倍。

疊在一起或並排的小晶片，常是分開設計、分開做的；要接得起來，兩邊先要有共同的接口，講好接點怎麼排、訊號怎麼送（見「小晶片（chiplet）是什麼？」）。

為什麼矽穿孔難做？

• 孔不好填滿：又深又細，每一層膜都要鋪到孔底，銅要從底往上長，哪裡不均勻就留下空洞。
• 銅和矽受熱脹得不一樣：一般的資料，銅受熱脹的比例大約是矽的六、七倍。每次熱起來，銅柱往外推旁邊的矽，也可能從孔口被擠出來一點，頂到上面的導線；旁邊的電晶體被推，特性也會變，所以孔旁邊常留一小圈不放電晶體。
• 晶圓要磨很薄：只剩幾十微米的矽很容易彎、很容易裂，對準、焊接都更難。晶背供電也要從背面磨薄，只是磨得還要薄得多。
• 疊越多層越難測：每一層疊上去之前都要先測過（針測），可是磨薄的晶圓很脆，能讓探針扎的接點又少；疊好之後，中間那幾層探針碰不到。一層壞了，整疊都不能用。
• 熱散不出去：夾在中間的晶片被上下蓋住，熱只能穿過別的晶片才出得去。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有矽穿孔，也沒有疊起來的晶片：主線「晶片的一生」的助聽器晶片「螢火」，在封測廠裝進 SiP 小模組，模組裡只有一顆晶片，用打線從邊上接出去。

最接近的是封測廠的封裝線：按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「封測廠」，左右滑到封裝製程工程師，顧切割、黏晶、打線、封膠這幾站。切割機的說明寫著，晶圓要先從背面磨薄再切開，不過那不是為了讓孔露出來；打線機的說明寫著，一顆晶片十幾條線，接點不多，從邊上接就夠了。

混合鍵合要的「平」，也是 CMP 磨出來的。在同一張卡片上點「研發線」、滑到研發製程工程師，名字下面再點「CMP」，就是 CMP 研發製程工程師（標著 Beta）：早班要把新接觸窗的金屬，磨到剛好跟旁邊的絕緣層一樣高。

遊戲裡的公司、晶片、人物和機台都是虛構的；矽穿孔和混合鍵合照公開的一般資料寫，不代表任何一家的做法，接點數用的間距是假設的數字。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。