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

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    論文關鍵詞：硅材料；加工用金剛石工具；發(fā)展的成果 ；論文代寫網半導體工業(yè)硅材料的發(fā)展半導體工業(yè)的產業(yè)鏈基本上由設計業(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世紀末，世界上共有芯片生產線條，我國僅25條，占世界的2. 6% 0 2000年世界半導體行業(yè)銷售總額達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年我國集成電路產量將達到500億塊，其銷售額超過2000億元，中國占世界市

2、場的份額為滿足國內市場需求達500l0。由此可見，這一形勢對我國半導體集成電路的快速發(fā)展提供了機遇。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）是現代信息產業(yè)和信息社會的基礎。IC技術是推動國民經濟和社會信息化發(fā)展最卞要的高新技術，也是改造和提升傳統(tǒng)產業(yè)的核心技術。IC的發(fā)展離不開基礎材料硅片，全球90%以上的都要采用硅。隨著IC制造技術的匕速發(fā)展，為了增大IC芯片的產量，降低單元制造成本，硅片趨向大直徑化。按照美國半導體工業(yè)協會（SIA）的微電了技術發(fā)展構圖，2005年，300mm硅片將成為卞流產品，年，開始使用450mm（ 18inches）硅片。隨著硅片直徑的增大，為

3、了保證硅片具有足夠的強度，原始硅片（primary wafer）的厚度也相應增加，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)學傳感器等IC芯片厚度己減到以下，高密度電了結構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（

4、mm-借乾湘蒸-%            一硅片直徑（mm）硅片厚度恤m）             1:芯）厚度（gym）                      &#

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9、160;                                         硅屬非常堅硬的硬脆材料，又是良好的半導體材料。隨著我國集成電路（IC）業(yè)的高速增長，給半導體硅材料加工提供了相當大的潛在市場。半導

10、體加工中在多個環(huán)節(jié)、多個工序中要使用金剛石工具，如晶錠截切整圓、晶圓切割，CMP化學機械拋光墊的修整、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大的潛在市場。半導體加工用金剛石工具屬高精度加工工具，采用超細金剛石，超薄的切割刃，超高轉速磨削與鋸切，要求加工精度高。因此制造難度大，技術門檻高，目前卞要為國外金剛石工具制造商所控制。半導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、hinh

11、an（新韓）公司，美國的和公司，法國的Saintgobain公司以及臺灣KINIK公司和Hongia公司。在國內鄭州磨料磨具磨削研究所研發(fā)了樹脂與陶瓷結合劑超薄切割砂輪和磨削與減薄用金剛石砂輪。南京二超和西安陸通點石公司生產樹脂與金屬結合劑切割片。圖1硅片直徑、厚度以及芯片厚度的發(fā)展趨勢表1半導體芯片加工用金剛石工具芯片加工工序中晶硅晶錠截斷應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體加工帶來了許多突出的技術問題：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履待解決的問題。單晶硅是半

12、導體集成電路（IC）的基礎材料，目前的半導體器件都是用單晶硅制造的5.6。根據國際半導體發(fā)展藍圖（IRT S 2007 Edition） 3的介紹，年，硅片直徑將達到450m m，線寬也將由年的65nm進一步減小到35nm。傳統(tǒng)的加工工藝己經不適應科學技術的發(fā)展，半導體行業(yè)急需新工藝來滿足不斷提高的硅片加工要求。外圓或內圓切害鋸中晶硅晶錠磨外圓金剛石電鍍或燒結杯形砂輪晶圓倒角內圓電鍍金剛石鋸片。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機械拋光金剛石電鍍修整器、高溫釬焊金剛石均布修整器。1'C1）修整器芯片背而減薄磨削平而砂輪磨削。杯形金剛

13、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)對大面積薄硅片的擊求量不斷增加。據統(tǒng)計，80%的太陽能電池都要求使用大直徑多品硅錠。隨著光電池技術發(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%增加到現在的13% o隨著3G技術的進一步發(fā)展，將來對柔性、透明、超薄（40um）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，隨著對硅品體切u 厚度、質量和效率要求的不斷提高，對相應的切u 設

14、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以內。內圓切u 由于在外圓部分夾緊，這使內圓鋸片的剛性提高，其切縫也可以達到左右。由于在切縫和切u 直徑上的優(yōu)勢，內圓切u 成為切u 直徑為150一 200mm硅片的卞要方法。當品圓直徑達到300m m時，內圓刀片的外徑將達到1. 18m，內徑為410mm，給制造、安裝與調試帶來很多困難y1所以，后期卞要發(fā)展線切u 為卞的芯片切u 技術。隨著300m m和更大直徑的單品和多品硅鑄錠出現以及對更薄硅片的切2l

15、Ji_u!求，上世紀90年代出現了多線鋸，它可以高效率地切u 大直徑、薄硅領硅錠，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的多線鋸，它的切性能明顯優(yōu)于內圓切u ，如表表2游離磨料多線鋸切割與內圓切割性能的比較”能多線鋸切割內圓切害切割方法切割表而特征損傷沫度生產效率每行程切割的硅片數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硅片的數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g0年代美國公司申請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妊表面，加工過程中鋸妊上的金剛石直接獲

16、得運動速度和一定的壓力對硅材進行磨削加工，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倍以上。由于固著磨料多線鋸的諸多優(yōu)點，它已經逐漸取代游離磨料多線鋸。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基體結合強度不高，鋸妊的壽命也受到限制。因此，使用更細、強度更高的鋸妊基體，提高鋸妊的壽命，改進多線鋸鋸切工藝參數，減小切縫寬度，提高切u 品體表面質量將是硅片精密切多線鋸的研究和發(fā)展方向。這一動向應引起我們的高度貢視。線切u 的原理有兩種：一種是往復式搖擺式切，另一種是單向式連續(xù)切2lJ'2。往復式這類切u 機有日本的一610SN,MWS-

17、44SW切u 機，美國的切u 機，截錠用C 8100,150,200切u 機等。單向式連續(xù)切u 機如瑞士的HCT切u 機。線切使用直徑為0. 15 0. 3mm不銹鋼線或側線，并在切u 液中加入SiC或金剛石微粉，采用鍍覆金剛石的金剛石線切u 。在電機帶動下，切u 線在輸入軸和輸出線軸間高速運動，品棒徑向進給，在切u 液輔助下一次完成多片品圓切u ，線切u 每小時切y 300 2000平方英寸（大約為內圓切u 的倍），鋸痕損失僅為0. 2 0. 3mm,損傷層厚度為，效率高，質量好。美國DWT一Diamond Wire Technology公司生產使用“Superlok”金剛石線。其線芯是專門

18、拉制成的，并經熱處理與預拉仲，抗拉強度優(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技術高速、高集成、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、測試和運送過程中有足夠的強度，因此，電路制作完成）西要對硅片進行背面減薄芯片減薄有利于其熱擴散，保證芯片性能與壽命，減小芯片封裝體積，提高其機械與電器性能，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用“。背面減薄磨削分粗磨與精磨。粗磨時砂輪金剛石較粗，軸向給進速度為100   SOOum/ min，韓國公司生產背面減薄金剛石砂輪有關技術數據見表403化學機械拋光（CMP）技術由于超大規(guī)模集成電路（ULSI）向高度集成和多層布線結構發(fā)展，化學機械拋光/平坦化己成為集成電路制造不可缺少的關鍵工藝。它