硅材料及其加工用金剛石工具的發展綜述①

王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所,河南鄭州450007)

硅材料及其加工用金剛石工具的發展綜述①

王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所,河南鄭州450007)

電子信息產業的基礎產業是集成電路(IC)產業,目前95%以上半導體器件和99%以上的集成電路(IC)是用硅材料制作的。隨著我國半導體工業集成電路(IC)業的快速發展,硅材料加工用金剛石工具具有非常大的市場。文章從硅材料及其用金剛石工具與加工技術的發展現狀與趨勢進行了簡要綜述。指出了硅材料生產及其加工在半導體與集成電路生產中具有的重大作用與地位。

硅材料;集成電路(IC);金剛石工具;綜述

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,加工糈度不易保證;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亟待解決的問題。

單晶硅是半導體集成電路(IC)的基礎材料,目前90%的半導體器件都是用單晶硅制造的[5,6]。根據國際半導體發展藍圖(IRTS 2007 Edition)[3]的介紹,2012年,硅片直徑將達到450mm,線寬也將由2007年的65nm進一步減小到35nm。傳統的加工工藝已經不適應科學技術的發展,半導體行業急需新工藝來滿足不斷提高的硅片加工要求。

2 硅材料加工用金剛石工具的發展

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。半導體加工中在多個環節、多個工序中要使用金剛石工具,如晶錠截切整圓、晶圓切割、CM P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,目前主要為國外金剛石工具制造商所控制。

2.1 半導體硅芯片加工用金剛石工具

在芯片加工中,在不同的環節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主要來自日本的Asahi(旭日)、DISCO公司,韓國的EHWA(二和)和shinhan(新韓)公司,美國的Abrasive Technology和diamond Wire Technology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。南京三超和西安陸通點石公司生產樹脂與金屬結合劑切割片。

表1 半導體芯片加工用金剛石工具Table1 diamond tools for processing semiconductor chip

2.2 硅片精密切割線鋸研究發展

近年來太陽能行業對大面積薄硅片的需求量不斷增加。據統計,80%的太陽能電池都要求使用大直徑多晶硅錠。隨著光電池技術發展,要求硅片的厚度不斷降低,從1990年的400μm到2005年的240μm,同時單晶片的面積也從100cm2增加到240cm2,光電池的效率從10%增加到現在的13%。隨著3G技術的進一步發展,將來對柔性、透明、超薄(40μm)硅片的需求量也逐步增加。由于太陽能電池用硅片的切割成本一直居高不下,占到總的制造成本的30%左右[7]。因此,隨著對硅晶體切割厚度、質量和效率要求的不斷提高,對相應的切割設備和切割工具也提出了更高的要求[8]。傳統硅片切割使用的是金剛石外圓和內圓切割。外圓切割由于受外圓鋸片剛度的影響,硅片的切縫較大(1mm左右),而且切割硅片的直徑也一般限制在100mm以內。內圓切割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300μm左右。由于在切縫和切割直徑上的優勢,內圓切割成為切割直徑為150～200mm硅片的主要方法。

當晶圓直徑達到Ф300mm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[9]。所以,后期主要發展線切割為主的芯片切割技術。

隨著300mm和更大直徑的單晶和多晶硅鑄錠出現以及對更薄硅片的切割需求,上世紀90年代出現了多線鋸,它可以高效率地切割大直徑、薄硅頜硅錠,目前成為硅片切割最常用的方法。

游離磨料多線鋸是最早出現的多線鋸,它的切割性能明顯優于內圓切割,如表2。

值得提及的是,上世紀80年代美國Crystal System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絲表面,加工過程中鋸絲上的金剛石直接獲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“三體加工”,它屬于“二體加工”,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,金剛石磨料與鋸絲基體結合強度不高,鋸絲的壽命也受到限制。因此,使用更細、強度更高的鋸絲基體,提高鋸絲的壽命,改進多線鋸鋸切工藝參數,減小切縫寬度,提高切割晶體表面質量將是硅片精密切割多線鋸的研究和發展方向。這一動向應引起我們的高度重視。

線切割的原理有兩種:一種是往復式搖擺式切割,另一種是單向式連續切割[12]。

往復式這類切割機有日本的MW S-610、MW S-610SN、MW S-44SW切割機,美國的CS400、410和810切割機,截錠用CR 100、150、200切割機等。

單向式連續切割機如瑞士的HCT切割機。線切割使用直徑為0.15～0.3mm不銹鋼線或鉬線,并在切割液中加入SiC或金剛石微粉,采用0.15～0.5mm鍍覆金剛石的金剛石線切割。在電機帶動下,切割線在輸入軸和輸出線軸間高速運動,晶棒徑向進給,在切割液輔助下一次完成多片晶圓切割,線切割每小時切割300～2000平方英寸(大約為內圓切割的3～5倍),鋸痕損失僅為0.2～0.3mm,損傷層厚度為10～15μm,效率高,質量好。

美國DWT-diamond Wire Technology公司生產使用“Superlok”金剛石線。其線芯是專門拉制成的,并經熱處理與預拉伸,抗拉強度優秀。先電鍍一層銅護層,將20～120μm金剛石浸漬,采用大電流電鍍其外層,以牢固把持住金剛石。其生產的金剛石線尺寸如表3[13]。

表3 DW T公司生產的金剛石切割線規格Table 3 Specifications of diamond wire saw made by DWT Company

2.3 硅片背面減薄用杯形金剛石砂輪

隨著芯片尺寸的增大,硅片的厚度也相應增大,以保證在電路制作過程中,硅片有足夠強度,Ф150mm和Ф200mm硅片厚度分別為625μm和725μm,而Ф300mm硅片厚度為775μm,而隨著IC技術高速、高集成、高密度發展,要求芯片越來越薄。硅片上電路層的有效厚度為5～10μm,為了保證其功能,有一定支撐厚度,硅片的厚度極限為20～30μm,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,電路制作完成后要對硅片進行背面減薄(back side th inn ing),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主要工藝獲得了廣泛應用[14]。

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100～500μm/min,韓國EHW A公司生產背面減薄金剛石砂輪有關技術數據見表4。

表4 EHW A公司硅片背面減薄用杯形金剛石砂輪數據Table 4 diamond cup wheel for grinding silicon back made by EHWA Company

3 化學機械拋光(CM P)技術

由于超大規模集成電路(ULSI)向高度集成和多層布線結構發展,化學機械拋光/平坦化已成為集成電路制造不可缺少的關鍵工藝。它不僅是硅晶圓加工中最終獲得納米級超光滑表面及無損傷表面的最有效方法,也是ULSI芯片多層布線中不可替代的層間布局平坦化方法。在芯片制造過程中(見圖2)多次使用CM P工藝[15,16]。

化學機械拋光過程(見圖3)包括使用安裝在剛性拋光平盤上的柔性拋光墊,硅片被壓在拋光墊上,在拋光液的作用下進行拋光,拋光液含有化學液(即雙氧水H 2O2)和納米級磨料。硬的硅基陶瓷材料由磨料的機械作用拋光,而金屬則由金屬和拋光液內的化學物質之間的化學反應進行拋光,即采用化學與機械方法綜合作用去除多余材料而得到平坦化的高質量表面[17]。

圖2 集成電路制造過程簡圖Fig.2 Diagram of manufacturing process of integrated circuit

化學機械拋光技術是半導體晶片表面加工的關節技術之一,并用于集成電路制造過程的各階段表面平整化,近年來得到廣泛應用。

胡偉等人的研究發現,酸性拋光液常用于拋光金屬材料,pH最優值為4,常通過加入有機酸來控制[18～20]。酸性拋光液的缺點是腐蝕性大,對拋光設備要求高,選擇性不高。

堿性拋光液常用于拋光非金屬材料,pH最優值為10～11.5。氧化劑能有效提高金屬材料的拋光效率和表面平整度;磨料的種類、濃度及尺寸會影響拋光效果;分散劑有助于保持拋光液的穩定性;拋光初始階段宜采用較低流速,然后逐漸提高;拋光液的粘性會影響晶片與拋光墊之間的接觸模式、拋光液的均布、流動及加工表面的化學反應;拋光液溫度的升高有助于提高拋光效率[21]。

圖3 化學機械拋光工藝裝置示意圖Fig.3 Sketch of process units for chemical mechanical polishing

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Development of silicon material and diamond tools

WANG Guang-zu
(Zhengzhou Research Institute for Abrasives&grinding,Zhengzhou 450007,China)

The integrated circuiTiNdustry is the basic industry of electronic information industry.At present,above 95% semiconductor devices and 99%integrated circuits are made by silicon materials.With rapidly development of integrated circuiTiNdustry of semiconductor industry in china,it will have a big market for diamond too ls used to processing silicon material.In the paper,it has summarized development status and trend of silicon material,diamond tool and processing technology,and pointed out the great role and position of producing and processing silicon material in the manufacture of semiconductor and integrated circuit.

silicon material;integrated circuit;diamond;summarizing

TQ 164

A

1673-1433(2010)03-0034-05

1 半導體工業硅材料的發展

半導體工業的產業鏈基本上由設計業、晶圓(芯片)制造業和封裝測試業三者組成,而芯片業占到總投資的70%。20世紀末,世界上共有芯片生產線949條,我國僅25條,占世界的2.6%。2000年世界半導體行業銷售總額達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%[1]。按規劃,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,中國占世界市場的份額為5%,滿足國內市場需求達50%。由此可見,這一形勢對我國半導體集成電路的快速發展提供了機遇。硅材料的加工,為金剛石工具的發展提供了巨大的市場[2]。

集成電路(IC)是現代信息產業和信息社會的基礎。IC技術是推動國民經濟和社會信息化發展最主要的高新技術,也是改造和提升傳統產業的核心技術。IC的發展離不開基礎材料硅片,全球90%以上的IC都要采用硅。隨著IC制造技術的飛速發展,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協會(SIA)的微電子技術發展構圖,2005年,Ф300mm硅片將成為主流產品,2008年,開始使用Ф450mm(18inches)硅片。隨著硅片直徑的增大,為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200mm直徑硅片平均厚度700μm,而300mm直徑硅片平均厚度已增加到775μm。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(chip thickness)薄型化,芯片平均厚度每兩年減少一半,目前芯片厚度已減小到100～200μm,智能卡、MEMS、生物醫學傳感器等IC芯片厚度已減到100μm以下,高密度電子結構的三維集成和立體封裝芯片更是需要厚度小于50μm的超薄硅片[3,4]。硅片直徑、厚度以及芯片厚度的變化趨勢如圖1所示。

2010-05-28

王光祖(1933— ),男,教授,長期從事超硬材料及制品的研發工作,出版多部專著,發表上百篇學術論文。