一、半导体加工领域国产砂轮短板介绍

       近几年国内半导体加工用金刚石工具与装备发展迅速，国产金刚石工具在市场中也开始崭露头角。国内相关企业在加工质量和效率等方面已部分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。

       二、CMP修整器

       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，此时需要用金刚石修整器修整抛光垫的表面。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。

       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。

       三、背面减薄砂轮

       减薄砂轮在芯片制备工艺过程中发挥着重要作用：1）通过减薄工艺可以减小芯片整体厚度、利于散热和集成化；2）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：1）去除剩余的10%加工余量；2）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。SiC、Si3N4等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、树脂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。

       硅与碳化硅等半导体材料的磨削加工中，树脂结合剂（主要采用酚醛树脂）是常用的砂轮粘结材料。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，当金刚石粒度较细时，树脂结合剂金刚石砂轮需要更加致密的结构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。

       四、划片刀

       划片刀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。

       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。

       参考资料：

       1、《半导体加工用金刚石工具现状》

       2、郑州千磨官网

       3、磨料磨具网

       4、超硬材料综合网