隨著科技的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體行業(yè)已成為推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心組成部分，從智能手機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)，都離不開高性能的半導(dǎo)體芯片。然而，隨著器件的尺寸越來(lái)越小，加工精度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的加工工具和方法已無(wú)法滿足現(xiàn)代半導(dǎo)體制造的需求。金剛石工具因其優(yōu)異的物理特性，如超高硬度和熱導(dǎo)率，逐漸成為半導(dǎo)體加工中的重要工具，特別是在高精度和高穩(wěn)定性要求的加工環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

直拉單晶硅硅片圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       半導(dǎo)體加工是一個(gè)復(fù)雜的多步驟工藝，包括晶圓制造、光刻、刻蝕、沉積、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等多個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)都要求極高的精度和潔凈度，以確保最終芯片的功能和可靠性。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶體管的尺寸越來(lái)越小，這對(duì)加工工具的材料和工藝提出了更高的要求。

半導(dǎo)體加工過(guò)程圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       從工序上分類，半導(dǎo)體材料的前端加工工藝主要包括晶棒剪裁、晶棒滾圓、晶棒切片、晶圓片研磨、晶圓片倒角與磨邊以及晶圓片減薄與拋光；后續(xù)封裝工藝中包含電路制作、拋光、背面減薄以及劃片，這些工序中都離不開金剛石工具的廣泛使用。

       晶棒剪裁：在直拉法得到晶棒后，根據(jù)不同產(chǎn)品的要求，使用電鍍金剛石帶鋸或內(nèi)圓切割刀片對(duì)其進(jìn)行剪裁。由于內(nèi)圓或外圓切割的效率低、材料損耗大、加工質(zhì)量較差，因此目前多采用金剛石帶鋸來(lái)切割晶棒。

       晶棒滾圓：剪裁后的晶棒表面并非規(guī)則的圓柱形，因此需使用電鍍或燒結(jié)型金剛石杯形砂輪對(duì)晶棒進(jìn)行滾圓加工，以達(dá)到所需的直徑。

       晶棒切片：晶棒切片的方法主要包括內(nèi)圓切割和線切割。與內(nèi)圓切割相比，線切割具有效率高、切割直徑大、鋸痕損失小等優(yōu)點(diǎn)。目前，硅基半導(dǎo)體主要采用磨料線鋸切割方式，通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)的鋼絲將磨料帶入切割區(qū)，形成三體磨削加工，將晶棒切割成硅片。

       晶圓片研磨：切片后晶圓表面可能會(huì)受到損傷。為了提高晶圓表面的質(zhì)量并去除表面損傷層，需使用杯形金剛石砂輪對(duì)硅片進(jìn)行粗磨與精磨。

晶圓片倒角與磨邊：線切割得到的晶圓片邊緣可能會(huì)有毛刺、棱角、裂縫或其他缺陷。通過(guò)使用槽形小砂輪與磨邊砂輪將晶圓銳利的邊緣修正為弧形，可有效減少和避免后續(xù)工序中晶圓崩邊的可能性。

       晶圓片減薄與拋光：晶圓上電路層的有效厚度僅為5~10μm，約占晶圓總厚度的90%。為了保證晶圓片在加工、測(cè)試和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)滿足下游企業(yè)對(duì)晶圓強(qiáng)度與厚度的要求，需使用金剛石減薄砂輪來(lái)控制晶圓片的厚度。

       拋光：為去除以上工序引起的損傷層，并對(duì)硬陶瓷基體和軟金屬進(jìn)行高效、高質(zhì)量的拋光，需進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）。在拋光過(guò)程中，拋光墊會(huì)形成磨光層，嚴(yán)重影響拋光效率和精度。因此，需使用金剛石化學(xué)機(jī)械拋光墊修整器對(duì)拋光墊進(jìn)行加工，以保持拋光墊的平坦表面和正常粗糙度。

       背面減?。涸陔娐分谱魍瓿珊?，為了促進(jìn)芯片散熱、延長(zhǎng)芯片壽命并縮小體積，需使用背面減薄砂輪對(duì)晶圓片進(jìn)行減薄處理。

       劃片：為節(jié)約成本和提高效率，企業(yè)通常在一塊晶圓上制作幾千個(gè)IC芯片陣列。首先利用激光對(duì)晶圓表面進(jìn)行預(yù)開槽，然后使用劃片刀將單個(gè)芯片分離，以便于后續(xù)的封裝工序。晶圓的減薄與劃片是整個(gè)加工過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對(duì)金剛石工具的要求極高。

CMP 化學(xué)機(jī)械加工拋光示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       行業(yè)現(xiàn)狀

       近年來(lái)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體加工用金剛石工具與裝備的發(fā)展取得了顯著進(jìn)步。在這一領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)金剛石工具已經(jīng)開始在市場(chǎng)中顯現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)力。一些國(guó)內(nèi)企業(yè)，例如鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司、蘇州賽爾科技有限公司、上海新陽(yáng)半導(dǎo)體材料股份有限公司、南京三超新材料股份有限公司和鄭州琦升精密制造有限公司等，它們的產(chǎn)品在加工質(zhì)量和效率方面已經(jīng)能夠與進(jìn)口產(chǎn)品相媲美，同時(shí)提供了極具競(jìng)爭(zhēng)力的性價(jià)比。

       特別是上海新陽(yáng)半導(dǎo)體材料股份有限公司，其SYB系列金剛石劃片刀采用了先進(jìn)的沉積技術(shù)和精細(xì)的物理工藝，對(duì)金剛石顆粒的尺寸和形貌進(jìn)行了優(yōu)化篩選，并對(duì)金剛石在刀片上的濃度、均勻度、集中度進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)對(duì)鎳基結(jié)合劑進(jìn)行了創(chuàng)新工藝處理，使得產(chǎn)品在切割精度、連續(xù)切割能力和使用壽命等方面表現(xiàn)出色，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比具有很高的性價(jià)比。

       南京三超新材料股份有限公司則專注于金剛石、立方氮化硼工具的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于硬脆材料的精密加工，包括半導(dǎo)體加工領(lǐng)域。

       盡管國(guó)產(chǎn)金剛石工具在技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)占有率方面取得了一定成就，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，仍存在差距。特別是在高端產(chǎn)品的加工需求上，國(guó)產(chǎn)工具的市場(chǎng)占有率相對(duì)較低，高端半導(dǎo)體加工企業(yè)仍然傾向于使用進(jìn)口工具。這主要是由于技術(shù)壁壘、創(chuàng)新力度不足以及產(chǎn)業(yè)上下游合作不足等因素造成的。

       國(guó)際市場(chǎng)上，日本DISCO公司是全球最大的劃片機(jī)供應(yīng)商，其減薄機(jī)在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，能夠針對(duì)100μｍ以下厚度的晶圓進(jìn)行精密研磨。DISCO的DF8540減薄機(jī)以其質(zhì)量小、可靠性高、精度高等特性而受到市場(chǎng)的青睞。此外，DISCO、東京精密株式會(huì)社和以色列ADT公司（已被先進(jìn)微電子有限公司收購(gòu)）是全球晶圓切割裝備的三大供應(yīng)商，他們的設(shè)備在中高端市場(chǎng)具有顯著的影響力。

       隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)在晶圓減薄和劃片設(shè)備領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，同時(shí)也為半導(dǎo)體加工技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

       展望未來(lái)，隨著中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)，金剛石工具的需求也將穩(wěn)步上升。為了縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，中國(guó)企業(yè)需要加大研發(fā)投入，提升生產(chǎn)工藝，特別是在高純度金剛石材料的制備和超高精度工具的制造方面。同時(shí)，政府和行業(yè)組織也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這一領(lǐng)域的支持，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和國(guó)際合作。

       在國(guó)際市場(chǎng)上，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和需求的增加，金剛石工具的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。未來(lái)，高性能金剛石工具將不僅僅用于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工，還可能在新興領(lǐng)域，如量子計(jì)算、5G通信以及人工智能芯片制造中發(fā)揮重要作用。這一趨勢(shì)將為中國(guó)企業(yè)提供更多的發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)也將帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。