在2000年的第一个月，SantaClara的学者在SolidState杂志上发表了一篇名叫《Moore’sLaw–theZ》的文章。这篇文章最终一章的标题是-Vias，这是-Via这个名词首次在全球上登场。这篇文章发表的时间点仍然也暗示着在新的千禧年里，TSV注定将迎接它不凡的舞台。
TSV示意图TSV，是中文-Via的简写，即是穿过硅衬底的平行电传感。如果说Wire(引线键合)和Flip-Chip(倒装焊)的(凸点)提供了芯片对外部的电传感，RDL(再布线)提供了芯片内部水平方向的电互连，那么TSV则提供了硅片内部垂直方向的电互连。作为唯一的平行电传感技术，TSV是砷化镓先进封装最核心的科技之一。
与集成电路一起诞生的垂直互联
1958年的秋天，肖特基()坐在办公室构想着怎样设计晶体管可以推动高频的应用。早在1947年，他便与巴丁、布拉顿一起研制出了第一个晶体管，并在1956年一起赢得了诺贝尔奖。“为什么不能在晶圆上打些孔?”喃喃自语。不久申请了一项专利-(WAFERANDOFTHESAME)，这是历史上第一项在晶圆上涂覆通孔的专利。虽然这项专利的本意是只为了晶体管在在高频率领域的应用，但在这项专利中，肖老也提及了即使必须可以在通孔中填充导电塑料。就这么，发明晶体管的人也成了第一个想到在晶圆做导电孔的人。同一年还出现一件大事，将多个晶体管生产在一起的集成电路(芯片)也被发明出来了。
肖特基的基板上制作孔专利
然而，IBM开始在集成电路领域进军，并在垂直电互连方面获得了突破。
6年以后的1964年，IBM申请了一项专利(OFTHRU-IN)，提出了运用在通孔中做简并掺杂降低电阻的方法推动硅片的平行互连，即用低阻硅为导热材料。但是这项专利还仅仅停留在基板自身上下表面器件的，并没有用于多芯片的堆叠。直到5年后的1969年，IBM才在另一项专利(-)中首次强调了基于平行互连的单层芯片的堆叠，如下图：
第一个芯片堆叠专利
虽然只用了11年，甚至在TSV这个名词被即将发明前，垂直互连的概念和工艺都尚未发展好了。只是IBM的这项专利并没有受到大体量的应用。原因在于这个专利中导通孔的外形，如其专利名字“”所示，是沙漏形的，它占用很多的体积。这种颜色的通孔涉及到2年前(1967年)Bell的H.A.的一项发现：KOH对于单晶硅的不同晶面的腐蚀速度有很大的差别【1】。
比如对晶面的腐蚀率要比晶面大几百倍。利用这个特征可以在常见的硅晶圆很方便的涂覆的通孔，但是孔形是倒金字塔外形的(以及说是沙漏形的)。随着摩尔定律的不断发展，单位体积上晶体管越来越密集，这种占用大量表面积的平行互连显然失去了其存在的意义。
KOH刻蚀示意图
但其实是受IBM提出的这个堆叠芯片概念的影响，三维集成芯片这个模式在砷化镓行业像星星之火燎原一样传播开来。此后共计有40多家研究机构和公司参加了相关科技的研究【2】，而成为三维堆叠芯片中最核心的平行电互连技术自然也受到关注。在接下去的70到90年代，半导体微加工科技的多项突破将为现代TSV的问世打下稳固的基础。
技术的突破
硅作为一种半导体材料，既没有很高的导电性也没有很高的绝缘性。要在硅片上推动垂直的电互连，一般必须在里面制作微孔(取决于准确的应用，一般直径在几个微米到几百微米，头发丝约为50微米，而且单片硅片上必须的孔总数可达数十万);在孔的侧壁沉积绝缘材料;在多孔中填充导电材料等生产方法。其中最具挑战的是多孔的批量刻蚀和导电化。
首先，在硅晶圆上加工微孔不是件容易的事。硅硬度大且脆，而必须加工的厚度小且量大，用传统的机械加工方法根本不可行。在1958年肖特基的专利中，他强调了用晶料界面的物理腐蚀速度的变化来推动微孔的基体(由于历史久远加上缺乏足够资料，未能完全理解肖老的这些腐蚀方式*_*)。
反向溅射(即等离子物理轰击刻蚀)也曾被尝试做刻蚀，但是速度太慢，于是他们不得不又重回化学腐蚀的老路上。上文提及的KOH刻蚀是物理腐蚀的一种，属于各向异性腐蚀，只是未能实现最合适TSV的圆柱孔。80年代起初，日本开始在三维集成方面进军，成立了“Three-R&D”。1983年和1984年的两项专利中都看到了用激光打孔的方法来解决硅片上微孔刻蚀的问题【3】。不同于KOH刻蚀的“沙漏孔”，这些专利都使用了圆柱孔。但是激光加工也存在不少难题，一方面孔只能一个个加工非常耗时，另外加工的孔存在表面粗糙以及崩边等弊端。直到90年代，硅刻蚀才迎来了冲破，DRIE深硅刻蚀技术横空出世。
DRIE，DeepIon的首字母缩写。
这项技术是1994年欧洲Bosch公司在此前一项低温离子硅刻蚀技术的基础上发展的一项高深宽比硅刻蚀技术【4】。这项技术用了一种很巧妙的方式推动了各向同性腐蚀来蚀刻圆柱孔。各向同性腐蚀与前面讲的KOH这种各向异性腐蚀不同，它在腐蚀硅片时各个方向是均匀的，所以正常状况下它没法在基板上涂布出球状的孔。使各向同性腐蚀实现圆柱孔刻蚀的核心思想是将腐蚀分割成无数的小步。
它的详细办法是：先在基板把应该刻蚀微孔的位置的硅裸露出来，用各向同性的烧蚀气体在基板上涂布下去一薄层，然后在基体出来的坑的表层沉积保护层，再用等离子打掉坑底的保护层打掉，再用各向同性的浸蚀气体蚀刻一薄层，通过这种多次微小的各向同性腐蚀循环就可以在硅片上实现批量的高深宽比多孔的刻蚀。事实上这项技术极其重要博世包装技术，后来也作为MEMS的核心制造技术。
DRIE的示意图
微孔的导电化也相同富有挑战。在1958年肖老的专利中也是提到在孔中填充金属的设想，但并未提供任何确切的实行方式;1964年IBM的专利中是运用简并掺杂来增加硅的电阻并且将硅自身转化导电介质，这种方式能够适于微孔的涂覆化;而在1969年IBM申请的专利中，金属层是借助溅射的方法推动的。虽然溅射在当年是半导体主流的塑料沉积方式，但是溅射一般只能用于长度在1um以下的薄塑料沉积，并且包覆性差，只能用于沙漏形孔的金属化。
1970年，公司在一个专利中首次强调将用电镀在砷化镓晶圆中实现金属沉积【5】，虽然这个专利中电镀只是为了推动金属与硅的欧姆接触，但这项研究进入了电镀用于半导体加工的序幕。电镀技术是19世界上半叶由美国和乌克兰的科学发明的一种崭新的金属成型技术，与当时人类所有的纯物理金属制做方式，例如锻造，铸造，蒸发沉积，溅射沉积，机加工等都不同，电镀是一种电物理科技。这项技术一开始主要被用于金属艺术品的批量生产。因其沉积速率相对较快而且可以推动批量的沉积这个特征，电镀这项科技在被发明100多年后，终于与半导体走到了一起。
5年后的1975年，IBM进一步将X射线光刻与电镀结合，开始构建电镀用于晶圆厚塑料的沉积【6】。
1982年，这项技术在欧洲被进一步发展成一项重要的MEMS技术LIGA。全称叫,,(英文：,,and)【7】。这是一项结合光刻和电镀的用于高深宽比塑料结构沉积的科技。作为MEMS(微电子机械)的核心科技，LIGA为MEMS早期的发展立下不少功劳。如果对上文也有印象的话，DRIE深硅刻蚀后来也作为MEMS的核心技术。所以说TSV和MEMS在技术是孪生姐妹一点都不为过!
90年代中期，半导体产业出现一件大事：IBM用铜焊接大马士革工艺全面取代的烧蚀铝作为集成电路中晶体管互连。这样电镀铜在半导体产业便开始作为标准工艺，这让电镀锌用于TSV的多孔金属化填充更加顺理成章。
至此，现代TSV的两项核心科技：深硅刻蚀和电镀都出现了。
走向商用
TSV不仅彰显了芯片纵向维度的集成能力，而且它带有最短的电传输模式或者优异的抗干扰性能。随着摩尔定律慢慢走到尽头，半导体器件的微型化也愈发越依赖于集成TSV的先进封装。TSV对于像CMOSImage(CIS，CMOS图像传感器)，High(HBM)及其(硅转接板)都非常重要。因为存在感光面的缘故，CIS芯片的电信号需要从背部引出，TSV因此作为其必不可少的电互连结构。HBM是基于多层堆叠的储存芯片，如今HBM已经可以实现12层的堆叠，16层以上更多层的堆叠相信在不久的以后也会实现，当然这一切都离不开TSV的互连。而可以将多种芯片，像CPU,,ASIC等集成到一个封装模块的关键部件，它的平行互连同样必须TSV。事实上，法国的Yole咨询公司曾做过一项研究看到TSV几乎可以应用于任何芯片的封装并且任何类别的先进封装，包括LED,MEMS等。
正是由于TSV的重要性，各大和OSTA公司也不断投入TSV技术的开发。这阶段的研发重点是怎样保证电镀沉积主要出现在TSV孔内而不是硅片表面。如果不采用任何机制，电镀时硅表面金属沉积的速率会远快于TSV孔内。这个问题目前的解决办法是在电镀液中添加抑制剂和加快剂，分别抑制硅片表面的塑料沉积并加速TSV孔内的沉积。为了取得完美的填充效果和足够高的良率，各大和OSTA公司都做了长期研究以取得最佳的电镀的参数，例如电压，温度，硅片的与电极的相对位置，添加剂的含量等。各大半导体设备公司也开始对于TSV的电镀推出专用的半导体设备。
21世纪，基于深硅衬底和铜焊接工艺的TSV技术逐渐成熟，并起初正式步入商用。1999年和2000年，日本分别正式开发出第一款三层堆叠的图像传感器和三层堆叠的储存器件。2004年，出于对TSV未来应用前景的看好，TSV名词的强调者博士创立了的公司致力于TSV代工生产。2005年，10层堆叠的储存芯片被研发起来。2007年集成TSV的CIS芯片由公司投产商用，同年ST和一起打造8层堆叠的NAND存储芯片。2013年第一款HBM存储芯片由美国Hynix推出。2015年，第一款集成HBM的GPU由AMD推出。
不走寻常路的Sil-Via
随着TSV在CIS和HBM中的大体量应用，似乎TSV技术尚未成熟并没有很多可以创新的空间了。但是无论是CIS还是HBM，其中用到的TSV都是厚度只有10纳米左右的小直径TSV，而基于电镀的TSV却仍然没能攻下最终一个防线：大直径TSV的空心填充。对于大厚度例如长度50微米以上并且100多微米的多孔，如果用电镀填充满需要几个小时，不仅成本相当高甚至良率也无法确保。
对于大孔径TSV，瑞典有家MEMS公司却走出了此外一条“特色”技术路线。这家叫Silex的公司不走寻常路，独立研发出了一项基于低阻硅的Sil-Via的TSV技术。Sil-Via与电镀TSV有两大不同：首先，它用的硅基板材料原本就是低阻硅，类似于1964年IBM专利中的简并掺杂硅。其次博世包装技术，在生产过程中，Sil-Via刻蚀的不是孔只是环槽，通过在环槽是填充绝缘材料的方法推动中心低阻硅圆柱作为导热介质。Sil-Via主要用于MEMS器件的封装中，正是由于Sil-Via的很大成功，Silex也作为全球最大的MEMS代工厂。2015年7月，中国资本收购了Silex，只是Sil-Via这项技术的核心，在几十微米的圆槽中细腻填充可以耐800度以上频率的绝缘材料，仍然被欧洲人所掌握着。但Sil-Via并不完美，低阻硅只能满足MEMS器件的导热要求，金属化的大直径TSV孔仍然有着巨大的需求，而这又涉及到一条新的技术路线，以后专门写一篇细说。
Sil-Via(fromsilex)
结语
3这款性能爆表的处理器中，多个CPU使用带TSV的进行集成的。如今，无论是AI/AR/VR中用到的传感器，图像传感器，堆叠储存芯片或者高功耗处理器，都越来越离不开TSV。
TSV,这项并不为人了解的科技，正在硬件的底层深深的影响着人类的制造生活模式。半个多世纪前的那种秋天，肖特基那个在基板上打孔的设想最终将人类带入了人工智能的时代。
【1】forSlotsinBeam-,H.A.,IEEEOF,JUNE1968.
【2】Three-(3DIC)Key:-Via(TSV),Wen-WeiShenandKuan-NengChen,(2017)12:56
【3】JPS5922954&JPS63
【4】Highratioetch:A,Wua),AjayKumar,and,of108,(2010);
【5】OF,No.3,661,727.
【6】E.,R.Feder,J.,E.,L.andM.,“X-rayfor,”SolidState.,,pp62-68.
【7】E.W.,W.,D.,H.Betz,A.,S.,W.,H.J.V.R.,“offorbyaofX-rayand,”,vol.69,pp.520-523,1982.
