一、半導(dǎo)體加工領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)砂輪短板介紹

       近幾年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體加工用金剛石工具與裝備發(fā)展迅速，國(guó)產(chǎn)金剛石工具在市場(chǎng)中也開始嶄露頭角。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)在加工質(zhì)量和效率等方面已部分能達(dá)到進(jìn)口水平且具有極高性價(jià)比。

       目前300mm尺寸的硅晶圓已成為國(guó)際主流，450mm的硅晶圓也已在研發(fā)中。直徑300mm硅晶圓的面積是200mm的2.25倍，能夠產(chǎn)出的芯片數(shù)量比200mm的多144塊。晶圓尺寸增大能夠使企業(yè)的生產(chǎn)效率成倍增加，但另一方面，晶圓尺寸增大會(huì)對(duì)金剛石工具提出更高要求。國(guó)產(chǎn)金剛石工具在晶棒剪裁、晶棒滾圓、切片、研磨和倒角工序已能達(dá)到進(jìn)口水平，但CMP修整器、減薄砂輪和劃片刀仍以進(jìn)口為主。

       二、CMP修整器

       當(dāng)半導(dǎo)體芯片的特征尺寸小于0.35μm時(shí)必須進(jìn)行全局平坦化，CMP是目前唯一的全局平坦化技術(shù)。CMP使用的拋光液由化學(xué)成分和亞微米或納米的磨料組成，通過化學(xué)腐蝕和機(jī)械力組合的方式去除加工材料。拋光墊直接與拋光液和晶圓片接觸，拋光墊表面的溝槽起著分布拋光液和排除廢液的作用，拋光墊的表面粗糙度和平整度直接影響著CMP的結(jié)果。

       拋光墊在CMP加工過程中易老化、表面溝槽易堵塞，從而使拋光墊失去拋光的作用，此時(shí)需要用金剛石修整器修整拋光墊的表面。CMP修整器起著去除拋光墊溝槽內(nèi)廢液、提高拋光墊表面粗糙度和改善拋光墊平面度的作用。因此，CMP修整器的性能直接影響晶圓表面全局平坦化的效果。

       CMP修整器一般使用金屬基體，通過高溫釬焊技術(shù)將金剛石磨粒與基體結(jié)合。性能優(yōu)異的CMP修整器應(yīng)具備材料去除率高，金剛石磨粒不易脫落、等高度以及分布均勻等特征，如此才能保證晶圓片達(dá)到合格的全局平坦化。

       三、背面減薄砂輪

       減薄砂輪在芯片制備工藝過程中發(fā)揮著重要作用：1）通過減薄工藝可以減小芯片整體厚度、利于散熱和集成化；2）降低晶圓表面損傷層厚度和表面粗糙度，釋放由減薄前各工序造成的內(nèi)應(yīng)力，降低劃片過程中單顆芯片的崩壞程度。

       晶圓減薄一般采用晶圓片自旋轉(zhuǎn)磨削，加工過程包括粗磨和精磨加工。粗磨加工的軸向進(jìn)給速度大，使用粒度較大的金剛石砂輪，以達(dá)到快速去除約90%的加工余量；精磨加工的軸向進(jìn)給速度較小，使用粒度極小的金剛石砂輪，精磨加工的目的有兩個(gè)：1）去除剩余的10%加工余量；2）消除粗磨加工造成的損傷層。目前晶圓減薄工業(yè)生產(chǎn)中常用的金剛石砂輪如表所示。

       結(jié)合劑是影響金剛石砂輪性能和磨削效果的重要因素之一。SiC、Si3N4等第三代半導(dǎo)體材料有硬度高、脆性大、易燒傷的特點(diǎn)，導(dǎo)致使用傳統(tǒng)陶瓷、樹脂和金屬結(jié)合劑金剛石砂輪難以達(dá)到加工要求。復(fù)合型結(jié)合劑（金屬/樹脂、金屬/陶瓷復(fù)合結(jié)合劑）綜合兩種結(jié)合劑的優(yōu)點(diǎn)，目前研究較多的金屬樹脂復(fù)合型結(jié)合劑，具有壽命長(zhǎng)、自銳性好、形變小和加工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在精密陶瓷部件的加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。復(fù)合型結(jié)合劑金剛石砂輪，在第三代半導(dǎo)體材料減薄中具有廣闊的應(yīng)用前景。

       硅與碳化硅等半導(dǎo)體材料的磨削加工中，樹脂結(jié)合劑（主要采用酚醛樹脂）是常用的砂輪粘結(jié)材料。但樹脂結(jié)合劑不宜用在超細(xì)粒度的金剛石磨具中，一方面是由于樹脂材料的導(dǎo)熱差，磨削產(chǎn)生的熱量不易散出；另一方面，樹脂結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力較低，當(dāng)金剛石粒度較細(xì)時(shí)，樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪需要更加致密的結(jié)構(gòu)才能保證對(duì)金剛石有一定的把持力，但這也會(huì)導(dǎo)致砂輪的氣孔率降低。

       晶圓亞表面損傷層厚度是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，有研究表明：晶圓的亞表面損傷層厚度約等于金剛石磨粒尺寸的一半。高端產(chǎn)品會(huì)使用4000～8000目金剛石砂輪，甚至有些會(huì)使用超過12000目的金剛石砂輪。陶瓷結(jié)合劑具有耐高溫、硬度高、耐磨性好、氣孔率可調(diào)，彈性模量約是樹脂結(jié)合劑的4倍，對(duì)金剛石磨料的把持力較高等優(yōu)點(diǎn)。

       四、劃片刀

       劃片刀根據(jù)安裝方法可以分為硬刀和軟刀。軟刀使用法蘭固定，具有刀具露出量大、價(jià)格低、可更換法蘭使用的特點(diǎn)，但需使用磨刀使刀具達(dá)到真圓效果且刀具與法蘭接觸處會(huì)有微量跳動(dòng)。硬刀是指刃體與法蘭一體化，刀具露出量小，不能加工較厚產(chǎn)品。劃片是晶圓加工的最后一道工序，劃片刀的質(zhì)量會(huì)直接影響單顆芯片的質(zhì)量。半導(dǎo)體材料為典型的硬脆材料，硬度大、脆性高、斷裂韌性低，劃片中最重要的問題是崩裂。一旦出現(xiàn)崩裂，將會(huì)使芯片報(bào)廢，導(dǎo)致整個(gè)加工工序失效。

       崩裂是由于劃片刀在高速切割晶圓時(shí)，晶圓表面承受機(jī)械力并產(chǎn)生負(fù)載現(xiàn)象，當(dāng)負(fù)載超過晶圓彈性極限時(shí)會(huì)發(fā)生崩裂。影響劃片刀加工質(zhì)量的主要有三個(gè)因素：金剛石粒度、金剛石密度、結(jié)合劑強(qiáng)度。金剛石粒度小，劃片刀自銳性好，刀具鋒利切割后晶圓崩裂程度小，但加工效率低、壽命短；金剛石粒度大，加工效率高，壽命長(zhǎng)，但加工質(zhì)量較差。金剛石密度大，劃片刀抗負(fù)載能力差，切割后晶圓崩裂程度大，但壽命長(zhǎng)；金剛石密度小，劃片刀抗負(fù)載能力提升，加工質(zhì)量較高，但壽命會(huì)縮短。結(jié)合劑強(qiáng)度低，刀具能夠保持良好的自銳性和高加工質(zhì)量，但壽命較短；結(jié)合劑強(qiáng)度高，刀具的使用壽命長(zhǎng)，但切割硬材料時(shí)容易損壞，加工質(zhì)量不如軟結(jié)合劑劃片刀的高。

       單純使用劃片刀進(jìn)行機(jī)械切割會(huì)不可避免地產(chǎn)生崩裂現(xiàn)象，于是便出現(xiàn)了如等離子切割、熱激光分離、激光全劃、半劃和隱形劃切、水導(dǎo)激光劃切等切割技術(shù)。但目前使用劃片刀機(jī)械切割仍然是最具成本效益的制造工藝，因此針對(duì)劃片刀的研究依然具有重要意義。

       參考資料：

       1、《半導(dǎo)體加工用金剛石工具現(xiàn)狀》

       2、鄭州千磨官網(wǎng)

       3、磨料磨具網(wǎng)

       4、超硬材料綜合網(wǎng)