硅材料及其加工用金剛石工具的發(fā)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(fā)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(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)是集成電路(IC)產(chǎn)業(yè),目前95%以上半導(dǎo)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(guó)半導(dǎo)體工業(yè)集成電路(IC)業(yè)的快速發(fā)展,硅材料加工用金剛石工具具有非常大的市場(chǎng)。文章從硅材料及其用金剛石工具與加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述。指出了硅材料生產(chǎn)及其加工在半導(dǎo)體與集成電路生產(chǎn)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(dǎo)體加工帶來(lái)了許多突出的技術(shù)問(wèn)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(gè)亟待解決的問(wèn)題。

單晶硅是半導(dǎo)體集成電路(IC)的基礎(chǔ)材料,目前90%的半導(dǎo)體器件都是用單晶硅制造的[5,6]。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖(IRTS 2007 Edition)[3]的介紹,2012年,硅片直徑將達(dá)到450mm,線寬也將由2007年的65nm進(jìn)一步減小到35nm。傳統(tǒng)的加工工藝已經(jīng)不適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體行業(yè)急需新工藝來(lái)滿(mǎn)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(fā)展

硅屬非常堅(jiān)硬的硬脆材料,又是良好的半導(dǎo)體材料。隨著我國(guó)集成電路(IC)業(yè)的高速增長(zhǎng),給半導(dǎo)體硅材料加工提供了相當(dāng)大的潛在市場(chǎng)。半導(dǎo)體加工中在多個(gè)環(huán)節(jié)、多個(gè)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(xué)機(jī)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(dāng)大的潛在市場(chǎng)。

半導(dǎo)體加工用金剛石工具屬高精度加工工具,采用超細(xì)金剛石,超薄的切割刃,超高轉(zhuǎn)速磨削與鋸切,要求加工精度高。因此制造難度大,技術(shù)門(mén)檻高,目前主要為國(guó)外金剛石工具制造商所控制。

2.1 半導(dǎo)體硅芯片加工用金剛石工具

在芯片加工中,在不同的環(huán)節(jié)必須多次使用金剛石工具進(jìn)行高精密加工(見(jiàn)表1),這就為我們提出了新的課題、新的方向。目前,半導(dǎo)體加工中的金剛石工具主要來(lái)自日本的Asahi(旭日)、DISCO公司,韓國(guó)的EHWA(二和)和shinhan(新韓)公司,美國(guó)的Abrasive Technology和diamond Wire Technology公司,法國(guó)的Saintgobain公司以及臺(tái)灣KINIK公司和Hongia公司。

在國(guó)內(nèi)鄭州磨料磨具磨削研究所研發(fā)了樹(shù)脂與陶瓷結(jié)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(diǎn)石公司生產(chǎn)樹(shù)脂與金屬結(jié)合劑切割片。

表1 半導(dǎo)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(fā)展

近年來(lái)太陽(yáng)能行業(yè)對(duì)大面積薄硅片的需求量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),80%的太陽(yáng)能電池都要求使用大直徑多晶硅錠。隨著光電池技術(shù)發(fā)展,要求硅片的厚度不斷降低,從1990年的400μm到2005年的240μm,同時(shí)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(xiàn)在的13%。隨著3G技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,將來(lái)對(duì)柔性、透明、超薄(40μm)硅片的需求量也逐步增加。由于太陽(yáng)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(duì)硅晶體切割厚度、質(zhì)量和效率要求的不斷提高,對(duì)相應(yīng)的切割設(shè)備和切割工具也提出了更高的要求[8]。傳統(tǒng)硅片切割使用的是金剛石外圓和內(nèi)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?xún)?nèi)。內(nèi)圓切割由于在外圓部分夾緊,這使內(nèi)圓鋸片的剛性提高,其切縫也可以達(dá)到300μm左右。由于在切縫和切割直徑上的優(yōu)勢(shì),內(nèi)圓切割成為切割直徑為150～200mm硅片的主要方法。

當(dāng)晶圓直徑達(dá)到Ф300mm時(shí),內(nèi)圓刀片的外徑將達(dá)到1.18m,內(nèi)徑為410mm,給制造、安裝與調(diào)試帶來(lái)很多困難[9]。所以,后期主要發(fā)展線切割為主的芯片切割技術(shù)。

隨著300mm和更大直徑的單晶和多晶硅鑄錠出現(xiàn)以及對(duì)更薄硅片的切割需求,上世紀(jì)90年代出現(xiàn)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(xiàn)的多線鋸,它的切割性能明顯優(yōu)于內(nèi)圓切割,如表2。

值得提及的是,上世紀(jì)80年代美國(guó)Crystal System公司申請(qǐng)了固著磨料多線切的專(zhuān)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(xì)絲表面,加工過(guò)程中鋸絲上的金剛石直接獲得運(yùn)動(dòng)速度和一定的壓力對(duì)硅材進(jìn)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(shù)倍以上。

由于固著磨料多線鋸的諸多優(yōu)點(diǎn),它已經(jīng)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(jié)合強(qiáng)度不高,鋸絲的壽命也受到限制。因此,使用更細(xì)、強(qiáng)度更高的鋸絲基體,提高鋸絲的壽命,改進(jìn)多線鋸鋸切工藝參數(shù),減小切縫寬度,提高切割晶體表面質(zhì)量將是硅片精密切割多線鋸的研究和發(fā)展方向。這一動(dòng)向應(yīng)引起我們的高度重視。

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

往復(fù)式這類(lèi)切割機(jī)有日本的MW S-610、MW S-610SN、MW S-44SW切割機(jī),美國(guó)的CS400、410和810切割機(jī),截錠用CR 100、150、200切割機(jī)等。

單向式連續(xù)切割機(jī)如瑞士的HCT切割機(jī)。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(jī)帶動(dòng)下,切割線在輸入軸和輸出線軸間高速運(yùn)動(dòng),晶棒徑向進(jìn)給,在切割液輔助下一次完成多片晶圓切割,線切割每小時(shí)切割300～2000平方英寸(大約為內(nèi)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(zhì)量好。

美國(guó)DWT-diamond Wire Technology公司生產(chǎn)使用“Superlok”金剛石線。其線芯是專(zhuān)門(mén)拉制成的,并經(jīng)熱處理與預(yù)拉伸,抗拉強(qiáng)度優(yōu)秀。先電鍍一層銅護(hù)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(chǎn)的金剛石線尺寸如表3[13]。

表3 DW T公司生產(chǎn)的金剛石切割線規(guī)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(yīng)增大,以保證在電路制作過(guò)程中,硅片有足夠強(qiáng)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(shù)高速、高集成、高密度發(fā)展,要求芯片越來(lái)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(cè)試和運(yùn)送過(guò)程中有足夠的強(qiáng)度,因此,電路制作完成后要對(duì)硅片進(jìn)行背面減薄(back side th inn ing),芯片減薄有利于其熱擴(kuò)散,保證芯片性能與壽命,減小芯片封裝體積,提高其機(jī)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(yīng)用[14]。

背面減薄磨削分粗磨與精磨。粗磨時(shí)砂輪金剛石較粗,軸向給進(jìn)速度為100～500μm/min,韓國(guó)EHW A公司生產(chǎn)背面減薄金剛石砂輪有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

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

3 化學(xué)機(jī)械拋光(CM P)技術(shù)

由于超大規(guī)模集成電路(ULSI)向高度集成和多層布線結(jié)構(gòu)發(fā)展,化學(xué)機(jī)械拋光/平坦化已成為集成電路制造不可缺少的關(guān)鍵工藝。它不僅是硅晶圓加工中最終獲得納米級(jí)超光滑表面及無(wú)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(guò)程中(見(jiàn)圖2)多次使用CM P工藝[15,16]。

化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程(見(jiàn)圖3)包括使用安裝在剛性拋光平盤(pán)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(jìn)行拋光,拋光液含有化學(xué)液(即雙氧水H 2O2)和納米級(jí)磨料。硬的硅基陶瓷材料由磨料的機(jī)械作用拋光,而金屬則由金屬和拋光液內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行拋光,即采用化學(xué)與機(jī)械方法綜合作用去除多余材料而得到平坦化的高質(zhì)量表面[17]。

圖2 集成電路制造過(guò)程簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of manufacturing process of integrated circuit

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是半導(dǎo)體晶片表面加工的關(guān)節(jié)技術(shù)之一,并用于集成電路制造過(guò)程的各階段表面平整化,近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。

胡偉等人的研究發(fā)現(xiàn),酸性拋光液常用于拋光金屬材料,pH最優(yōu)值為4,常通過(guò)加入有機(jī)酸來(lái)控制[18～20]。酸性拋光液的缺點(diǎn)是腐蝕性大,對(duì)拋光設(shè)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(yōu)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(lèi)、濃度及尺寸會(huì)影響拋光效果;分散劑有助于保持拋光液的穩(wěn)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(huì)影響晶片與拋光墊之間的接觸模式、拋光液的均布、流動(dòng)及加工表面的化學(xué)反應(yīng);拋光液溫度的升高有助于提高拋光效率[21]。

圖3 化學(xué)機(jī)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(dǎo)體工業(yè)硅材料的發(fā)展

半導(dǎo)體工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈基本上由設(shè)計(jì)業(yè)、晶圓(芯片)制造業(yè)和封裝測(cè)試業(yè)三者組成,而芯片業(yè)占到總投資的70%。20世紀(jì)末,世界上共有芯片生產(chǎn)線949條,我國(guó)僅25條,占世界的2.6%。2000年世界半導(dǎo)體行業(yè)銷(xiāo)售總額達(dá)2221億美元,而我國(guó)僅為260億人民幣(約為31.3億美元,為世界銷(xiāo)售額的1.4%[1]。按規(guī)劃,2010年我國(guó)集成電路產(chǎn)量將達(dá)到500億塊,其銷(xiāo)售額超過(guò)2000億元,中國(guó)占世界市場(chǎng)的份額為5%,滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求達(dá)50%。由此可見(jiàn),這一形勢(shì)對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體集成電路的快速發(fā)展提供了機(jī)遇。硅材料的加工,為金剛石工具的發(fā)展提供了巨大的市場(chǎng)[2]。

集成電路(IC)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的基礎(chǔ)。IC技術(shù)是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù),也是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。IC的發(fā)展離不開(kāi)基礎(chǔ)材料硅片,全球90%以上的IC都要采用硅。隨著IC制造技術(shù)的飛速發(fā)展,為了增大IC芯片的產(chǎn)量,降低單元制造成本,硅片趨向大直徑化。按照美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)的微電子技術(shù)發(fā)展構(gòu)圖,2005年,Ф300mm硅片將成為主流產(chǎn)品,2008年,開(kāi)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(qiáng)度,原始硅片(primary wafer)的厚度也相應(yīng)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(mǎn)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?jī)赡隃p少一半,目前芯片厚度已減小到100～200μm,智能卡、MEMS、生物醫(yī)學(xué)傳感器等IC芯片厚度已減到100μm以下,高密度電子結(jié)構(gòu)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(shì)如圖1所示。

2010-05-28

王光祖(1933— ),男,教授,長(zhǎng)期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作,出版多部專(zhuān)著,發(fā)表上百篇學(xué)術(shù)論文。