淺談硅材料及其加工用金剛石工具的發(fā)展的成果及其改進(jìn)

1、淺談硅材料及其加工用金剛石工具的發(fā)展的成果及其改進(jìn)論文關(guān)鍵詞：硅材料；加工用金剛石工具；發(fā)展的成果；論文代寫網(wǎng)半導(dǎo)體工業(yè)硅材料的發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈基本上由設(shè)計(jì)業(yè)、品圓（芯片）制造業(yè)和封裝測試業(yè)二者組成，而芯片業(yè)占到總投資的700l0 0 20世紀(jì)末，世界上共有芯片生產(chǎn)線條，我國僅25條，占世界的2. 6% 0 2000年世界半導(dǎo)體行業(yè)銷售總額達(dá)2221億美元，而我國僅為260億人民幣（約為31. 3億美元，為世界銷售額的1.4%。按規(guī)劃，2010年我國集成電路產(chǎn)量將達(dá)到500億塊，其銷售額超過2000億元，中國占世界市場的份額為滿足國內(nèi)市場需求達(dá)500l0。由此可見，這一形勢對(duì)我國半導(dǎo)體集

2、成電路的快速發(fā)展提供了機(jī)遇。硅材料的加工，為金剛石工具的發(fā)展提供了巨大的市場集成電路（IC）是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的基礎(chǔ)。IC技術(shù)是推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最卞要的高新技術(shù)，也是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。IC的發(fā)展離不開基礎(chǔ)材料硅片，全球90%以上的都要采用硅。隨著IC制造技術(shù)的匕速發(fā)展，為了增大IC芯片的產(chǎn)量，降低單元制造成本，硅片趨向大直徑化。按照美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）的微電了技術(shù)發(fā)展構(gòu)圖，2005年，300mm硅片將成為卞流產(chǎn)品，年，開始使用450mm（ 18inches）硅片。隨著硅片直徑的增大，為了保證硅片具有足夠的強(qiáng)度，原始硅片（primary wafer）的厚度也

3、相應(yīng)增加，目前直徑硅片平均厚度700um，而300mm直徑硅片平均厚度己增加到 775um。與此相反，為滿足IC芯片封裝的需要，提高IC尤其是功率IC的可靠性、降低熱阻、提高芯片的散熱能力和成品率，要求芯片厚度仕hipthickness）薄型化芯片平均厚度每兩年減少一半，目前芯片厚度己減小到100 200um,智能卡、生物醫(yī)學(xué)傳感器等IC芯片厚度己減到以下，高密度電了結(jié)構(gòu)的二維集成和立體封裝芯片更是需要厚度小于SOum的超薄硅片3.a。硅片直徑、厚度以及芯片厚度的變化趨勢如圖1所示。硅材料加工用金剛石工具的發(fā)展諄借-值痙（mm-借乾湘蒸-% 一硅片直徑（mm）硅片厚度恤m） 1:芯）厚度（gy

4、m） 1305銥銥銥銥銥銥銥銥諄諄諄諄暇 披！諄銥幼互攻？二二共護(hù)一州J 6:0.匕二二甘一一毛歡丁一一一一一一一一一州 4OO販諄諄諄諄諄諄諄部之二j二尸葉 z*、。、電？=哥二一； 0棧ee階諄縱% 八、卜一襯扮一一 1990 2000 2UIU 年份 一一洲匕弓、 冷，一夯一洲 一一一一、卜 硅屬非常堅(jiān)硬的硬脆材料，又是良好的半導(dǎo)體材料。隨著我國集成電路（IC）業(yè)的高速增長，給半導(dǎo)體硅材料加工提供了相當(dāng)大的潛在市場。半導(dǎo)體加工中在多個(gè)環(huán)節(jié)、多個(gè)工序中要使用金剛石工具，如晶錠截切整圓、晶圓切割，CMP化學(xué)機(jī)械拋光墊的修整、晶圓（芯片）倒角、背部減薄與劃片等，給金剛石工具提供了相當(dāng)大的潛在市

5、場。半導(dǎo)體加工用金剛石工具屬高精度加工工具，采用超細(xì)金剛石，超薄的切割刃，超高轉(zhuǎn)速磨削與鋸切，要求加工精度高。因此制造難度大，技術(shù)門檻高，目前卞要為國外金剛石工具制造商所控制。半導(dǎo)體硅芯片加工用金剛石工具在芯片加工中，在不同的環(huán)節(jié)必須多次使用金剛石工具進(jìn)行高精密加工（見表1），這就為我們提出了新的課題、新的方向。目前，半導(dǎo)體加工中的金剛石工具卞要來自日本的Asahi（旭日）， DISCO公司，韓國的EHWA（一和）和、hinhan（新韓）公司，美國的和公司，法國的Saintgobain公司以及臺(tái)灣KINIK公司和Hongia公司。在國內(nèi)鄭州磨料磨具磨削研究所研發(fā)了樹脂與陶瓷結(jié)合劑超薄切割砂輪和

6、磨削與減薄用金剛石砂輪。南京二超和西安陸通點(diǎn)石公司生產(chǎn)樹脂與金屬結(jié)合劑切割片。圖1硅片直徑、厚度以及芯片厚度的發(fā)展趨勢表1半導(dǎo)體芯片加工用金剛石工具芯片加工工序中晶硅晶錠截?cái)鄳?yīng)J的金剛石工其硅片直徑和厚度的增大以及芯片厚度的減小給半導(dǎo)體加工帶來了許多突出的技術(shù)問題：硅片增大后，加工中翹曲變形，加工精度不易保證；原始硅片厚度增大以及芯片厚度的減薄，使硅片背面減薄加工的材料去除量增大，提高加工效率成為一個(gè)履待解決的問題。單晶硅是半導(dǎo)體集成電路（IC）的基礎(chǔ)材料，目前的半導(dǎo)體器件都是用單晶硅制造的5.6。根據(jù)國際半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖（IRT S 2007 Edition） 3的介紹，年，硅片直徑將達(dá)到45

7、0m m，線寬也將由年的65nm進(jìn)一步減小到35nm。傳統(tǒng)的加工工藝己經(jīng)不適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)急需新工藝來滿足不斷提高的硅片加工要求。外圓或內(nèi)圓切害鋸中晶硅晶錠磨外圓金剛石電鍍或燒結(jié)杯形砂輪晶圓倒角內(nèi)圓電鍍金剛石鋸片。加SiC線切割。金剛石電鍍線切割槽形小砂輪研磨磨削（粗磨與精磨杯形金剛石砂輪端而磨削化學(xué)機(jī)械拋光金剛石電鍍修整器、高溫釬焊金剛石均布修整器。1C1）修整器芯片背而減薄磨削平而砂輪磨削。杯形金剛石砂輪端而磨肖J、電鍍無輪毅與有輪毅鋸片2. 2硅片精密切割線鋸研究發(fā)展近年來太陽能行業(yè)對(duì)大面積薄硅片的擊求量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的太陽能電池都要求使用大直徑多品硅錠。隨著光電

8、池技術(shù)發(fā)展，要求硅片的厚度不斷降低，從1990年的400um到2005年的240um，同時(shí)單品片的面積也從100cm增加到240cm，光電池的效率從10%增加到現(xiàn)在的13% o隨著3G技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將來對(duì)柔性、透明、超?。?0um）硅片的擊求量也逐步增加。由于太陽能電池用硅片的切u 成本一直居高不下，占到總的制造成本的30%左右I。因此，隨著對(duì)硅品體切u 厚度、質(zhì)量和效率要求的不斷提高，對(duì)相應(yīng)的切u 設(shè)備和切u 工具也提出了更高的要求“。傳統(tǒng)硅片切u 使用的是金剛石外圓和內(nèi)圓切。外圓切u 由于受外圓鋸片剛度的影響，硅片的切縫較大（ lmm左右），而A切u 硅片的直徑也一般限制在100m m

9、以內(nèi)。內(nèi)圓切u 由于在外圓部分夾緊，這使內(nèi)圓鋸片的剛性提高，其切縫也可以達(dá)到左右。由于在切縫和切u 直徑上的優(yōu)勢，內(nèi)圓切u 成為切u 直徑為150一 200mm硅片的卞要方法。當(dāng)品圓直徑達(dá)到300m m時(shí)，內(nèi)圓刀片的外徑將達(dá)到1. 18m，內(nèi)徑為410mm，給制造、安裝與調(diào)試帶來很多困難y1所以，后期卞要發(fā)展線切u 為卞的芯片切u 技術(shù)。隨著300m m和更大直徑的單品和多品硅鑄錠出現(xiàn)以及對(duì)更薄硅片的切2lJi_u!求，上世紀(jì)90年代出現(xiàn)了多線鋸，它可以高效率地切u 大直徑、薄硅領(lǐng)硅錠，目前成為硅片切u 最常用的方法。游離磨料多線鋸是最早出現(xiàn)的多線鋸，它的切性能明顯優(yōu)于內(nèi)圓切u ，如表表2游離

10、磨料多線鋸切割與內(nèi)圓切割性能的比較”能多線鋸切割內(nèi)圓切害切割方法切割表而特征損傷沫度生產(chǎn)效率每行程切割的硅片數(shù)每切的切縫損失切割的最小硅片厚度硅錠高度上每英寸生產(chǎn)硅片的數(shù)量最人切割直徑研磨線痕均勻一在lc）一一最高磨削破碎與斷裂變化一在2（）一一一一值得提及的是，上世紀(jì)g0年代美國公司申請(qǐng)了固著磨料多線切的專利10. 11。通常是使用電鍍的方法將金剛石磨料固著在不銹鋼細(xì)妊表面，加工過程中鋸妊上的金剛石直接獲得運(yùn)動(dòng)速度和一定的壓力對(duì)硅材進(jìn)行磨削加工，相比游離磨料多線鋸的“二體加工”，它屬于“一體加工”，其加工效率是游離磨料多線鋸的數(shù)倍以上。由于固著磨料多線鋸的諸多優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)逐漸取代游離磨料多線

11、鋸。但目前受磨料在基體上固著方法的限制，金剛石磨料與鋸G基體結(jié)合強(qiáng)度不高，鋸妊的壽命也受到限制。因此，使用更細(xì)、強(qiáng)度更高的鋸妊基體，提高鋸妊的壽命，改進(jìn)多線鋸鋸切工藝參數(shù)，減小切縫寬度，提高切u 品體表面質(zhì)量將是硅片精密切多線鋸的研究和發(fā)展方向。這一動(dòng)向應(yīng)引起我們的高度貢視。線切u 的原理有兩種：一種是往復(fù)式搖擺式切，另一種是單向式連續(xù)切2lJ2。往復(fù)式這類切u 機(jī)有日本的一610SN,MWS- 44SW切u 機(jī)，美國的切u 機(jī)，截錠用C 8100,150,200切u 機(jī)等。單向式連續(xù)切u 機(jī)如瑞士的HCT切u 機(jī)。線切使用直徑為0. 15 0. 3mm不銹鋼線或側(cè)線，并在切u 液中加入SiC

12、或金剛石微粉，采用鍍覆金剛石的金剛石線切u 。在電機(jī)帶動(dòng)下，切u 線在輸入軸和輸出線軸間高速運(yùn)動(dòng)，品棒徑向進(jìn)給，在切u 液輔助下一次完成多片品圓切u ，線切u 每小時(shí)切y 300 2000平方英寸（大約為內(nèi)圓切u 的倍），鋸痕損失僅為0. 2 0. 3mm,損傷層厚度為，效率高，質(zhì)量好。美國DWT一Diamond Wire Technology公司生產(chǎn)使用“Superlok”金剛石線。其線芯是專門拉制成的，并經(jīng)熱處理與預(yù)拉仲，抗拉強(qiáng)度優(yōu)秀。先電鍍一層以保證在電路制作過程中，硅片有足夠強(qiáng)度，不II 200mm硅片厚度分別為625um不，而300m m硅片厚度為775um，而隨著IC技術(shù)高速、高集

13、成、高密度發(fā)展，要求芯片越來越薄。硅片上電路層的有效厚度為5 l0um，為了保證其功能，有一定支撐厚度，硅片的厚度極限為而占厚度90%左右的襯底材料是為了保證硅片在制造、測試和運(yùn)送過程中有足夠的強(qiáng)度，因此，電路制作完成）西要對(duì)硅片進(jìn)行背面減薄芯片減薄有利于其熱擴(kuò)散，保證芯片性能與壽命，減小芯片封裝體積，提高其機(jī)械與電器性能，減輕劃片工作量。硅片背面減薄有多種方法，但超精密磨削作為硅片減薄卞要工藝獲得了廣泛應(yīng)用“。背面減薄磨削分粗磨與精磨。粗磨時(shí)砂輪金剛石較粗，軸向給進(jìn)速度為100 SOOum/ min，韓國公司生產(chǎn)背面減薄金剛石砂輪有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)見表403化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)由于超大規(guī)模集

14、成電路（ULSI）向高度集成和多層布線結(jié)構(gòu)發(fā)展，化學(xué)機(jī)械拋光/平坦化己成為集成電路制造不可缺少的關(guān)鍵工藝。它不僅是硅品圓加工中最終獲得納米級(jí)超光滑表面及無損傷表面的最有效方法，也是ULSI芯片多層布線中不可替代的層間布局平坦化方法。在芯片制造過程中（見圖2）多次使用CMP工藝化學(xué)機(jī)械拋光過程（見圖3）包括使用安裝在剛性拋光平盤上的柔性拋光墊，硅片被壓在拋光墊上，在拋光液的作用下進(jìn)行拋光，拋光液含有化學(xué)液（即雙氧水HZOz）和納米級(jí)磨料。硬的硅基陶瓷材料由磨料的淚L械作用拋光，而金屬則由金屬和拋光液內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行拋光，即采用化學(xué)與機(jī)械方法綜合作用去除多余材料而得到平坦化的高質(zhì)量表面7?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是半導(dǎo)體品片表面加工的關(guān)節(jié)技術(shù)之一，并用于集成電路制造過程的各階段表面平整化，近年來得到廣泛應(yīng)用。胡偉等人的研究發(fā)現(xiàn)，酸性拋光液常用于拋光金屬材料，pH最優(yōu)值為4, 常通過加入有機(jī)酸來控制 is- zoo。酸性拋光液的缺