半导体加工
综述
摘 要：总结分析了国内半导体加工用金刚石工具的发展现状。指出了国产与进口半导体加工用金刚石工具的差距，分析了产生差距的主要原因。认为需要国内企业从人员、设备、原料、环境、工艺等多个角度系统性提高产品质量和稳定性，也需要加强半导体产业上下游企业的沟通、配合，加强产学研合作，逐步提高我国半导体产业金刚石工具的整体技术水平，突破半导体产业装备、工艺、原辅料等关键领域的技术瓶颈。
关键词：半导体；金刚石工具；减薄砂轮；划片刀；加工性能
｜引 言｜
半导体材料是指电阻率介于金属与绝缘体之间的材料。因具有独特的材料性能，半导体材料被用于晶体管、集成电路、电力电子器件和光电子器件等领域。在半导体晶片上进行布线、刻蚀，制成的能够实现特定功能的器件就是芯片。
目前，信息技术产业的发展已进入特大规模集成时代，物联网、5G、人工智能等新兴应用领域已进入快速发展阶段。
图 1 是我国近几年芯片进口数据，2019年进口芯片额高达3040亿美元，超过进口石油的费用，位列国内进口商品第一位。半导体的加工技术是芯片制造的基础，也是国家高端装备和先进制造技术水平的重要标志之一。半导体加工是从晶棒到单个芯片的过程，金刚石工具在这一过程中起着至关重要的作用，如晶棒剪裁、晶圆减薄、划片等。
近几年，我国半导体加工用金刚石工具发展迅速，但对高端产品的加工需求仍难以满足。本文将从产业角度详细分析半导体领域金刚石工具的发展现状，以及与国外产品存在的差距并提出解决办法。
｜半导体产业金刚石工具现状｜
1、半导体制程及金刚石工具
硅是应用最广泛的半导体材料，构成集成电路半导体晶片（芯片）的90％以上都是硅晶片。硅基芯片加工流程如图2所示。在半导体硅的多个加工工序中，金刚石工具起着超精密加工的作用（见表1）。
前端工序中的金刚石工具
单晶硅半导体材料的前端加工工艺及使用的金刚石工具如图3所示，在2000℃下，石英砂与碳发生置换反应得 到 单 晶 硅，后经直拉法或区熔法得到单晶硅棒。
晶棒剪裁：直拉法得到晶棒后，按不同产品要求，使用电镀金刚石带锯或内圆切割刀片对其去头裁尾。内圆或外圆切割效率低、材料损失率大、加工质量低，故目前多采用金刚石带锯来切割晶棒。
晶棒滚圆：已切除圆角的晶棒表面并非规则的圆柱形，需使用电镀或烧结型金刚石杯形砂轮对晶棒滚圆，以达到所需直径。
晶棒切片：晶棒切片的方法主要包括内圆切割和线切割，线切割相较内圆切割具有效率高、切割直径大及锯痕损失小等优点。目前硅基半导体主要使用磨料线锯切割加工方式，高速运动的钢丝将磨料带入切割区，形成磨料三体加工，把晶棒切割成硅片。
晶圆片研磨：切片会使晶圆表面损伤，为提高晶圆表面质量并去除表面损伤层，需使用杯形金刚石砂轮对硅片进行粗磨与精磨。
晶圆片倒角与磨边：线切割得到的晶圆片边缘有毛刺、棱角、裂缝或其它缺陷，通过槽形小砂轮与磨边砂轮将晶圆锐利的边缘修正成弧形，可有效减少和避免后续工序中晶圆发生崩边的可能性。
晶圆片减薄与抛光：晶圆上电路层的有效厚度为5~10μｍ，约占90％的衬底材料是为了保证晶圆片在加工、测试和转运中具有足够的强度。因此，在保证晶圆具有一定强度的前提下，使用减薄砂轮控制晶圆片厚度，才能满足下游企业对晶圆强度与厚度的要求。
封装工序中的金刚石工具
单晶硅半导体材料的封装工艺如图４所示。
电路制作：晶圆片经表面氧化、光刻与刻蚀加工后，晶圆内形成逻辑电路。
抛光：晶圆片由以上加工工序引起的损伤层必须由化学机械抛光（CMP）去除，化学机械抛光（CMP）还可对硬的陶瓷基体和软的金属进行高效、高质量抛光，抛光过程中抛光垫会形成磨光层，严重影响抛光效率和精度。因此，需要使用金刚石化学机械抛光垫修整器对抛光垫进行加工，以使抛光垫在工作时保持平坦的表面和正常的粗糙度。
背面减薄：晶圆内电路制作完成后，使用背面减薄砂轮减小晶圆厚度，减薄有利于芯片的散热、提高其寿命和 缩小体积。
划片：企业为节约成本和提高效率，常在一块晶圆上制作几千个IC芯片阵列，先利用激光对晶圆表面预开槽，再利用划片刀将单个芯片分离，以便于后续封装工序。晶圆的减薄与划片在整个加工工序中至关重要，也是所有工序中对金刚石工具要求较高的环节。
2、半导体加工用金刚石工具现状
近几年国内半导体加工用金刚石工具与装备发展迅速，在半导体加工用金刚石工具制备技术上取得了重大突破，国产金刚石工具在市场中也开始崭露头角。国内相关企业如郑州磨料磨具磨削研究所有限公司、苏州赛尔科技有限公司、上海新阳半导体材料股份有限公司、南京三超新材料股份有限公司和郑州琦升精密制造有限公司等公司的产品，在加工质量和效率等方面已能达到进口水平且具有极高性价比。
目前 300ｍｍ 尺寸的硅晶圆已成为国际主流，450ｍｍ 的硅晶圆也已在研发中。直径300ｍｍ 硅晶圆的面积是200ｍｍ 的2.25倍，能够产出的芯片数量比200ｍｍ 的多144块。晶圆尺寸增大能够使企业的生产效率成倍增加，但另一方面，晶圆尺寸增大会对金刚石工具提出更高要求。国产金刚石工具在晶棒剪裁、晶棒滚圆、切片、研磨和倒角工序已能达到进口水平，但CMP修整器、减薄砂轮和划片刀仍以进口为主。
CMP修整器
随着科学技术的发展，半导体器件更加趋向于集成化 和微型化。当半导体芯片的特征尺寸小于0.35μｍ时必须进行全局平坦化，CMP是目前唯一的全局平坦化技术。
CMP使用的抛光液由化学成分和亚微米或纳米的磨料组成，通过化学腐蚀和机械力组合的方式去除加工材料。抛光垫直接与抛光液和晶圆片接触，抛光垫表面的沟槽起着分布抛光液和排除废液的作用，抛光垫的表面粗糙度和平整度直接影响着CMP的结果。
抛光垫在CMP加工过程中易老化、表面沟槽易堵塞，从而使抛光垫失去抛光的作用。此时需要金刚石修整器修整抛光垫的表面，使抛光垫始终保持良好的抛光性能。
CMP修整器起着去除抛光垫沟槽内废液、提高抛光垫表面粗糙度和改善抛光垫平面度的作用，因此，CMP修整器的性能直接影响晶圆表面全局平坦化的效果。
如图5所示，CMP修整器一般使用金属基体，通过高温钎焊技术将金刚石磨粒与基体结合。性能优异的CMP修整器应具备材料去除率高，金刚石磨粒不易脱落、等高度以及分布均匀等特征，如此才能保证晶圆片达到合格的全局平坦化。
背面减薄砂轮现状
减薄砂轮在芯片制备工艺过程中发挥着重要作用，一方面通过减薄工艺可以减小芯片整体厚度、利于散热和集成化；另一方面可以降低晶圆表面损伤层厚度和表面粗糙度，释放由减薄前各工序造成晶圆内部积攒的内应力，降低划片过程中单颗芯片的崩坏程度。
晶圆减薄一般采用晶圆片自旋转磨削，加工过程包括粗磨和精磨加工。粗磨加工的轴向进给速度大，使用粒 度较大的金刚石砂轮，以达到快速去除约90％的加工余量；精磨加工的轴向进给速度较小，使用粒度极小的金刚石砂轮，精磨加工的目的有两个：一是去除剩余的10％加工余量，二是消除粗磨加工造成的损伤层。目前晶圆减薄工业生产中常用的金刚石砂轮如表2所示。
结合剂是影响金刚石砂轮性能和磨削效果的重要因素之一，Liu比较了不同类型结合剂金刚石砂轮磨削后的硅片表面粗糙度，发现树脂结合剂砂轮效果最优，金属结合剂砂轮效果最差，陶瓷结合剂砂轮 效果居中。
SiC、Si3N4第三代半导体材料有硬度高、脆性大、易烧伤的特点，导致使用传统陶瓷结合剂、树脂结合剂和金属结合剂金刚石砂轮难以达到加工要求。复合型结合剂（金属／树脂、金属／陶瓷复合结合剂）综合两种结合剂的优点，目前研究较多的金属树脂复合型结合剂，具有寿命长、自锐性好、形变小和加工质量高等优点，在精密陶瓷部件的加工中表现出优异的性能。复合型结合剂金刚石砂轮，在第三代半导体材料减薄中具有广阔的应用前景。
晶圆磨削用树脂结合剂砂轮主要采用酚醛树脂，树脂结合剂具有原材料来源丰富、成型简单、自锐性好和效率高等优点，但树脂结合剂也存在耐热温度低、易氧化、分解、吸潮、粘结强度低等不足。硅与碳化硅等半导体材料的磨削加工过程中，树脂结合剂是常用的粘结材料。
但树脂结合剂不宜用在超细粒度的金刚石磨具中，一方面是由于树脂结合剂材料的导热差，磨削产生的热量不易散出；另一方面，树脂结合剂对金刚石的把持力较低，当金刚石粒度较小时，树脂结合剂金刚石砂轮结构需要更加致密才能保证对金刚石有一定的把持力，但这也会导致砂轮的气孔率降低。
晶圆亚表面损伤层厚度是衡量加工质量的重要指标，有研究表明，晶圆的亚表面损伤层厚度约等于金刚石磨粒尺寸的一半。高端产品会使用4000～8000目金刚石砂轮，甚至有些会使用超过12000目的金刚石砂轮。陶瓷结合剂具有耐高温、硬度高、耐磨性好、气孔率可调，弹性模量约是树脂结合剂的4倍，对金刚石磨料的把持力较高等优点。
Zhou等以氧化铈(CeO2)为添加剂制备了一种新型陶瓷结合剂金刚石砂轮，该砂轮使用20000目金刚石磨料，结合剂对金刚石磨料把持力较好并具有较高的气孔率，可以使研磨硅晶圆表面粗糙度值达到0.98nm。Zhang等以碳化硅(SiC)为辅助磨料制备了超细陶瓷结合剂金刚石砂轮，SiC作为辅助磨料可使砂轮始终保持一定的磨削能力，该砂轮使用0.9μｍ的金刚石磨料，研磨硅晶圆的表面粗糙度和亚表面损伤层厚度分别为1nm和30nm。
在晶圆减薄金刚石工具方面，国内公司包括中国砂轮企业股份有限公司（台湾）、郑州磨料磨具磨削研究所有限公司、苏州赛尔科技有限公司、南京三超新材料股份有限公司、郑州琦升精密制造有限公司等均生产晶圆减薄金刚石砂轮。中国砂轮企业股份有限公司（KINIK COMPANY）的 K02/01系列晶圆减薄砂轮采用的金刚石粒度为4000#～6000＃，如图6所示，详细参数如表3所示。
国外半导体加工用金刚石工具生产厂家主要以日本DISCO公司、日本旭金刚石株式会社、东京精密株式会社、韩国二和（EHWA）金刚石会社以及美国UKAM工业超硬材料工具公司等为主，各公司的产品均具有一定优势，其中日本 DISCO工具质量最优且市场占有率最高。
日本 DISCO公司的 Poligrind、UltraPoligrind等系列晶圆减薄砂轮已批量用于8英寸和12英寸晶圆加工制造，如图8所示，均处于国际先进水平。其中Poligrind晶圆减薄砂轮在加工８英寸 硅 晶 圆 片 时 翘 曲度为3.5ｍｍ、表面粗糙度为0.009μｍ。UltraPoligrind晶 圆 减 薄 砂 轮 在 Poligrind的基础上减小了晶圆破坏层、提升了去庛效果。
划片刀产业现状
根据安装方法可以分为硬刀和软刀。软刀使用法兰固定，具有刀具露出量大、价格低、可更换法兰使用的特点，但需使用磨刀使刀具达到真圆效果且刀具与法兰接触处会有微量跳动。硬刀是指刃体与法兰一体化，刀具露出量小，不能加工较厚产品。划片是晶圆加工的最后一道工序，划片刀的质量会直接影响单颗芯片的质量。半导体材料为典型的硬脆材料，硬度大、脆性高、断裂韧性低，划片中最重要的问题是崩裂。一旦出现崩裂，将会使芯片报废，导致整个加工工序失效。
崩裂是由于划片刀在高速切割晶圆时，晶圆表面承受机械力并产生负载现象，当负载超过晶圆弹性极限时会发生崩裂。影响划片刀加工质量的主要有三个因素：金刚石粒度、金刚石密度、结合剂强度。
金刚石粒度小，划片刀自锐性好，刀具锋利切割后晶圆崩裂程度小，但加工效率低、寿命短；金刚石粒度大，加工效率高，寿命长，但加工质量较差。金刚石密度大，划片刀抗负载能力差，切割后晶圆崩裂程度大，但寿命长；金刚石密度小，划片刀抗负载能力提升，加工质量较高，但寿命会缩短。结合剂强度低，刀具能够保持良好的自锐性和高加工质量，但寿命较短；结合剂强度高，刀具的使用寿命长，但切割硬材料时容易损坏，加工质量不如软结合剂划片刀的高。
Tangaaha等指出硅晶圆侧面崩裂是由于背面崩裂产生的裂纹向正面延伸的结果。龚平等指出金刚石粒度小的划片刀切割硅晶圆正面崩裂小、背面崩裂大；软结合剂强度划片刀切割硅晶圆，背面崩裂小，对正面崩裂无影响；高密度金刚石划片刀切割硅晶圆，背面崩裂大，对正面崩裂无影响。张迪的研究表明，划片刀配方对砷化镓晶圆切割崩裂尺寸影响规律与硅晶圆存在差异，即磨料粒度越细，正、背、侧面崩裂尺寸越小；而磨料浓度和 结合剂强度与砷化镓晶圆正、背、侧面的切割质量相关性并不显著。单纯使用划片刀进行机械切割会不可避免地产生崩裂现象，于是便出现了如等离子切割、热激光分离、激光全划、半划和隐形划切、水导激光划切等切割技术。但目前使用划片刀机械切割仍然是最具成本效益的制造工艺，因此针对划片刀的研究依然具有重要意义。
在晶圆划片刀方面，近３年来国内涌现出几家有突出研发能力的公司，如苏州赛尔科技有限公司、上海新阳半导体材料股份有限公司、深圳希斯特科技有限公司等，其产品在各个半导体制造企业已经有一定的应用，并逐渐可以取代一些进口产品。进口产品方面还是以日本DISCO公司在晶圆划片刀市场占有率最高，其次是以色列的 Ｋ＆Ｓ公司。
3、半导体加工设备现状
晶圆减薄和划片相关设备国内以沈阳和研科技有限公司（沈阳和研）、中电电子科技集团第四十五研究所（中电45所）为主，国外以日本 DISCO、东京精密株式会社和以色列 ＡＤＴ 公司（已被先进微电子有限公司收购）为主。
沈阳和研目前是国内规模最大、出货量最多的划片机供应商，也是国内研究起步最早的公司。沈阳和研生产的划片机的出货量与DISCO相当，很多机型已能替代进口产品，具有加工精度高、自动化程度高等优点。
中电45所生产的划片机和减薄机主要面向中电科集团以及科研院所，晶圆减薄机具有高测量精度和重复精度，划片机可应用于８英寸和６英寸晶圆生产。
日本 DISCO公司是全球最大的划片机供应商，减薄机也在市场中占据主导地位。DISCO减薄机可针对 厚 度 在 100μｍ 以 下 的 晶 圆 进 行 精 密 研 磨，DF8540减薄机具有质量小、可靠性高、精度高等特点；划片机作为行业标杆级产品具有加工效率高、工艺简单等特点。DISCO、东京精密与以色列 ＡＤＴ 是全球晶圆切割装备的三大供应商，中高端设备市场已基本被三大巨头垄断，国内半导体封装设备也以进口三家设备为主。
｜半导体加工金刚石工具的一些热点问题｜
1、半导体产业金刚石工具市场
国内半导体加工用金刚石工具市场总规模不小于30亿，不同金刚石工具份额见图９。其中减薄砂轮和划片刀占比较大，分别为26.5％和55％。国产减薄砂轮和划片刀与国外的产品差距较大，在国内市场占比较低（见图10）。国产减薄砂轮和划片刀市场占有率仅为10％和9％，高端半导体加工企业所用金刚石工具基本上被国外产品垄断。
2、国产半导体加工用金刚石工具与国外产品的差距
近年来国内半导体金刚石工具发展迅速，在一些领域取得了重大成果。在一些领域国产金刚石工具性能已能达到进口产品水平，如晶棒剪裁、晶棒滚圆、晶圆倒角与开槽以及晶片研磨工艺中的金刚石工具已能自给。
与前述工艺不同，晶圆片的减薄与划片技术门槛更高。晶圆的减薄要求产品翘曲度小、表面粗糙度小以及不被砂轮污染等，这些条件就需要减薄砂轮需具有组织均匀、气孔率适宜、结合剂性能优异及产品质量稳定性高的特点。减薄砂轮差距最大的是结合剂，国产结合剂在异相材料润湿性、流动性及机械强度方面与国外的差距明显，结合剂的差距会导致宏观力学性能与微观磨损行为之间的差异。
晶圆划片要求划片刀具有切缝小、蛇形小及加工质量稳定等特点，目前国际划片刀最高水平可以达到10~12μｍ的切缝宽度，常规的切缝在23±3μｍ 之间。国产划片刀仅有个别企业可以达到进口产品水平，但大部分企业产品的切缝偏差较大，加工质量不稳定。
预计短时间内国内难以突破减薄砂轮技术瓶颈，企业要加大2000＃以上细粒度减薄砂轮的研发，加大结合剂研发力度，提高产品稳定性。目前我国划片工具面临的技术难点是力学性能和切削性能的平衡控制，要解决这个问题就要从材料、结合剂组织、力学性能、制造精度等方面着手分析国内外产品的差距，力争突破技术瓶颈。国内金刚石工具必须不断实现技术突破，并且要能做到长时间的“大投入，低回报”，才能在国内市场以及国际市场占据一席之地。
3、差距原因分析
（１）技术沉淀、创新力度不足
我国半导体加工用金刚石工具研究起步晚，近几年我国超硬材料制品行业取得了重大成果，但在半导体高端加工工具方面与国外相比仍有不小的差距。
半导体金刚石工具研发周期长、难度大、投入与回报间隔大，投入大量研发资金但产品质量仍不尽人意的现象也是常态，这也是我国要达到国际先进水平的必经之路。没有对产品的技术积累就很难把产品做精做强，日本 DISCO 公司前身是做加工设备起家，有了对工艺更深的认识才会把工具做强。国内一些企业本身缺乏足够的技术沉淀，却又想一手抓全，什么都想做，就会导致什么都做不精。同时，国内一些企业抓风口，赚 快 钱，难以实现长期技术储备实现技术突破。
（２）半导体加工高端工具影响因素复杂
半导体高端加工工具门槛高，对金刚石工具的要求高。半导体精密加工不仅需要高质量的金刚石工具，还需要人员、设备、原料、环境以及工艺相互协调配合。国内半导体生产厂家多是采用进口设备，国产金刚石工具与设备的匹配度会直接影响产品的加工质量。
（３）产业上下游合作不足
芯片价格昂贵，对产品稳定性要求更高。因此芯片制备厂家对于国产金刚石工具处于观望状态，厂家不会轻易采用国产金刚石工具测试调整工艺。这就导致了金刚石工具厂家无法得到客户对于自己产品的反馈，从而减缓产品研发进度和技术积累，难以给客户一个完整的使用方案。要增强与高端产品制造企业的沟通，积极宣传国产工具，认真听取客户建议，与客户做好工艺上的协调。遵循先易后难、循序渐进的原则，争取在2~5年内全面替代进口产品。
（４）产学研合作不足
相关行业机构应积极向政府有关方面反映实情，获取政策和经费上的支持，行业精英应积极推进产学研结合，让更多的学者、研究人员、科研院所和相关企业共同参与，合力攻关核心技术。半导体金刚石工具技术门槛高、市场小，有技术沉淀的公司应扩大自主品牌的影响力，把核心产品做精、做强。
4、第三代半导体加工用金刚石工具的机遇与挑战
碳化硅半导体材料具有宽禁带宽度、化学性质稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性好等优点，可在高辐射、高温等极端环境下稳定工作，是未来航空航天、新能源、核能等领域的理想材料。但碳化硅硬度极高，仅次于金刚石，化学惰性强以及单晶碳化硅的各向异性等特点，使得碳化硅半导体材料的切割、研抛难度增大。目前，我国已有大量科研院所、相关机构以及企业参与到碳化硅半导体材料的研发中，但我国在大尺寸碳化硅半导体材料加工方面仍处于落后状态。在碳化硅市场中，美日欧处于领跑位置，其中美国 Cree公司、Ⅱ－Ⅵ公司等占据市场70％的份额，其次欧洲英飞凌、意法半导体等公司；日本罗姆半导体、三菱电机等公司紧随其后。目前，我国在碳化硅半导体材料减薄、划片工序用刀具方面与国外的差距较 大
如国际碳化硅衬底的厚度已由原来的200μｍ 减至100μｍ，而我国仍处于350μｍ 的最初水平。碳化硅半导体材料加工用减薄、划片工具仍以进口为主。
我国政府对包括碳化硅在内的第三代半导体材料高度重视，2004年启动第三代半导体领域的一系列重大研究项目、2013年“863”计划将第三代半导体材料及其应用列为重要内容、2015年和2016年国家科技重大专项02项对第三代半导体功率器件的研发与应用立项。国家高度重视与科研院所、企业齐心搞创新，近几年在碳化硅加工方面取得了重大突破。另一方面，新产业相较旧产业具有相关知识产权少、技术积累少、品牌影响力小等特点，这也给了我国在第三代半导体产业弯道超车的机会。
｜展 望｜
自2018年以来，中美贸易摩擦不断升级，使我国高端技术产业受到一定程度的打击。我国华为技术有限公司，一直走在芯片设计技术的世界前列，但芯片制备中的关键技术与装备如光刻机等被美国封锁，严重影响了企业的发展。
中美贸易摩擦是一把双刃剑，一方面会使我国高端技术产业在短时间内处于受制于人、卡脖子的状态；另一方面，贸易摩擦会倒逼高端技术产业加快自主创新、产业结构升级、突破核心技术。在这个大背景下，也正是我国半导体加工高端工具行业发展的大好时机。
为加快半导体加工高端工具行业的发展，应加强基础性研究，加大半导体加工高端金刚石工具（减薄砂轮和划片刀）的研发力度，加强自主创新力度。呼吁政府加大对有资质企业的政策扶持力度，不断提高自主研发产品的质量和附加值，不断提升我国民族品牌影响力，争取打破技术封锁的现状。加强金刚石工具与半导体加工企业的沟通与合作、产学研结合，设备、工具与工艺相匹配，逐步突破技术瓶颈，从而实现我国由制造业大国转变为制造业强国的伟大征程。
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