晶片切割技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

陳超,秦建新,林峰

(1.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,2.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 3.國(guó)家特種礦物工程技術(shù)研究中心,中國(guó)桂林 541004)

晶片切割技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

陳超,秦建新,林峰

(1.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,2.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 3.國(guó)家特種礦物工程技術(shù)研究中心,中國(guó)桂林 541004)

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展,尤其是太陽(yáng)能電池對(duì)大直徑硅片的需求不斷增加,對(duì)硅片的加工精度要求也越來(lái)越高,晶片加工技術(shù)也越來(lái)越受到重視,其中晶片切割是制約后續(xù)工序中成品率高低的重要工序。采用傳統(tǒng)內(nèi)圓鋸片切割已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有硅片大尺寸、小切縫、高質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求。自由磨料多線鋸切割成為當(dāng)前最常用的切割方式。為了追求更高的現(xiàn)代化生產(chǎn)的高效率,固著磨料多線鋸切割是快速發(fā)展起來(lái)的一種精密切割技術(shù)。文章綜述了現(xiàn)代晶片切割技術(shù)現(xiàn)狀,提出了晶體切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

金剛石線鋸;晶片切割;游離磨料;固著磨料;綜述

0 引言

在一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中,電子信息產(chǎn)業(yè)是龍頭,而集成電路產(chǎn)業(yè)則是整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ),集成電路產(chǎn)業(yè)的振興對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義。目前,IC(IntegratCircuit集成電路)正向著VLSI(Very Large-Scale Integration超大規(guī)模集成電路)/ULSI(Ultra Large-Scale Inte-gration)方向發(fā)展,這種發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體加工設(shè)備的精度、效率、加工件的幾何規(guī)格及切片的厚度、平行度、表面微觀質(zhì)量等主要指標(biāo)均提出了更高的要求。硅單晶片的尺寸越來(lái)越大,在國(guó)內(nèi),200 mm硅片生產(chǎn)已形成了規(guī)模,300 mm的硅片也已開(kāi)始投產(chǎn)。日本SUMCO集團(tuán)宣布,到2010年3月,將300mm硅片的月產(chǎn)能再增加20萬(wàn)片,使集團(tuán)300mm硅片總產(chǎn)能達(dá)166萬(wàn)片/月。[1]IC的制程線寬已從0.18mm過(guò)渡到0.13mm,甚至0.1mm。線寬的降低,硅片直徑的增大,以及對(duì)幾何尺寸的更高要求和硅片表面機(jī)械損傷層、品格的完整性等要求,均向硅片的精密加工方法提出了挑戰(zhàn)。

IC的加工過(guò)程一般包括:(1)硅棒磨圓;(2)切邊;(3)切片;(4)倒角;(5)研磨;(6)倒棱;(7)拋光; (8)清洗。其中切片加工工序是至關(guān)重要的一道工序,其主要工藝要求為:高效率、低成本、窄切縫(材料利用率高)、無(wú)損傷、無(wú)環(huán)境污染等,切片質(zhì)量直接影響著IC加工的質(zhì)量和成品率。傳統(tǒng)的切割方法包括鋼片切割、帶鋸切割和內(nèi)外圓片鋸切割等,雖各具優(yōu)點(diǎn),但存在切縫較寬、出材率較低、面形精度差、表面損傷層深等缺陷,己難以滿足此類(lèi)貴重硬脆晶體基片的大尺寸精密薄片切割。目前發(fā)展比較成熟的是邊切割邊向鋸絲供應(yīng)磨粒懸浮液的游離磨料方式,研究與實(shí)際應(yīng)用表明,該技術(shù)在加工大尺寸晶體材料方面與內(nèi)圓切片技術(shù)相比具有較大優(yōu)勢(shì)。目前,晶片切割主要的方法有金剛石內(nèi)圓切割和線切割。本文主要介紹這兩種晶片切割方式,分析切割系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題。文章提出固著磨料線鋸切割的優(yōu)勢(shì),并介紹了多種固著方法。

1 晶片切割方法及其加工設(shè)備

1.1 晶片內(nèi)圓切割機(jī)

晶片切割過(guò)程中多應(yīng)用內(nèi)圓切割技術(shù),該技術(shù)于20世紀(jì)70年代末發(fā)展成熟。內(nèi)圓切割刀片是一個(gè)圓環(huán),由刀片基體和內(nèi)圓磨料工作部分組成。內(nèi)圓刀片作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、硅晶體相對(duì)于刀片旋轉(zhuǎn)中心做徑向進(jìn)給,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的切片。內(nèi)圓切片的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟,刀片穩(wěn)定性好,在小批量多規(guī)格加工時(shí)具有靈活的可調(diào)性。由于刀片外圓張緊,剛性很好,可實(shí)現(xiàn)高速高效切割。如圖1所示。

圖1 內(nèi)圓切割圓鋸片F(xiàn)ig.1 diamond inner round saw

內(nèi)圓切割技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于:(1)切片精度高,直徑為300mm晶片的厚度差僅為0.01mm;(2)切片成本低,同規(guī)格級(jí)的內(nèi)圓切片機(jī)價(jià)格是線切割機(jī)價(jià)格的1/3～1/4;(3)每片都可以進(jìn)行晶向調(diào)整和切片厚度調(diào)整;(4)小批量多規(guī)格加工時(shí),具有靈活的可調(diào)性。其缺點(diǎn)是:(1)晶片表面損傷層較大;(2)刀口寬,材料損失大;(3)生產(chǎn)效率低,每次只切割一片。另外刀片張緊后產(chǎn)生相應(yīng)的變形,刃口表現(xiàn)為波浪形,在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這種波浪形的刃口變形和刀片振動(dòng)使得切片鋸口變寬,同時(shí)在切削液的作用下產(chǎn)生較大的流體動(dòng)壓力,當(dāng)硅片切割即將結(jié)束時(shí),會(huì)造成硅片崩邊,甚至產(chǎn)生飛片現(xiàn)象。這些問(wèn)題在硅片尺寸和鋸片直徑增加后表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重,內(nèi)圓切片技術(shù)已不適用于大尺寸硅晶體的切片,并且在產(chǎn)量和能力需求上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)要求。由于內(nèi)圓切片技術(shù)存在的問(wèn)題,人們不斷探索新的適用于大尺寸硅晶體的高效精密切片技術(shù),其中線鋸切片技術(shù)在芯片制造業(yè)得到關(guān)注。[2]目前常用的線鋸切片技術(shù)有自由磨料和固結(jié)磨料兩類(lèi)。

1.2 自由磨料多線鋸

到目前為止真正用于硅晶體的線鋸切片技術(shù)只有往復(fù)式自由磨料線鋸切片技術(shù)。[3]往復(fù)式自由磨料線鋸切片技術(shù)的基本原理如圖2所示。

金屬鋸絲(直徑150～300mm)通過(guò)一定的纏繞方式,纏繞在兩個(gè)線軸上,形成相互平行的網(wǎng)狀加工部分,可以實(shí)現(xiàn)多片切割。加工過(guò)程中,兩個(gè)線軸分別完成放線和收線操作。鋸絲往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn),硅晶體垂直于鋸絲進(jìn)給,通過(guò)一定的施加方式將帶有磨料(金剛石或碳化硅)的漿液(研磨液)施加到切割區(qū)域。通過(guò)鋸絲、磨料及硅晶體之間的三體磨損,實(shí)現(xiàn)材料的鋸切加工。盡管自由磨料多線鋸已應(yīng)用很多年,但其磨料和硅片之間相互作用機(jī)理還不是很清楚。前人的研究認(rèn)為磨料在鋸絲的壓力下通過(guò)“滾壓入”的方式使硅片產(chǎn)生塑性變形從而不斷去除,[4,6]也有人提出“滾壓入”和“劃擦壓入”模型。[7]

圖2 自由磨料多線鋸Fig.2 Free abrasive multi-wire saw

研究與實(shí)際應(yīng)用表明自由磨料線鋸切片技術(shù)在加工大尺寸晶片方面與內(nèi)圓切片技術(shù)相比具有較大優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)在:可切割大尺寸硅晶體,可同時(shí)進(jìn)行多片切割,出品率高,切片表面質(zhì)量較高,很少產(chǎn)生崩片現(xiàn)象等,使晶片切割產(chǎn)業(yè)化成為了現(xiàn)實(shí)。

表1 金剛石線與內(nèi)圓切割片對(duì)比Table 1 Comparison between diamond wire saw and inner round saw

但自由磨料線鋸也存在一些問(wèn)題:(1)在材料去除機(jī)理上由于靠磨粒的滾壓釬入作用,將在晶片表面產(chǎn)生較大的微裂紋、殘余應(yīng)力較深;(2)由于鋸絲的磨損,導(dǎo)致晶片厚度不均勻;(3)從環(huán)保角度出發(fā),多線鋸用懸浮液的廢棄是個(gè)問(wèn)題;(4)多線鋸使用懸浮液成本較高,占整個(gè)加工成本的25%;(5)切割效率低下,速度慢。另外,隨著硅片直徑的增加,很難保證切斷大直徑硅片而保證線鋸不被磨斷。

多線切割機(jī)床屬于大型精密數(shù)控機(jī)床,其加工精度高、控制系統(tǒng)復(fù)雜、制造難度大,國(guó)際上僅有少數(shù)幾家大型機(jī)械制造公司掌握數(shù)控多線切割機(jī)床技術(shù),如瑞士Meyer Burger公司、原HCT公司、日本Takatori公司、NTC公司。我國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)起步較晚,數(shù)控多線切割機(jī)床市場(chǎng)完全被以上幾家公司所壟斷。如瑞士Meyer Burger公司和曰本Takatori公司,基本上壟斷了國(guó)內(nèi)數(shù)控多線切割機(jī)床市場(chǎng)。

1.3 固著磨料多線鋸

金剛石固結(jié)技術(shù)是指通過(guò)某種技術(shù)或工藝方法將超細(xì)粒度的金剛石磨粒材料均勻地固定在微細(xì)金屬絲基體圓周表面,并且具有一定的把持力,能夠產(chǎn)生切削作用,同時(shí)承受較大的切削力進(jìn)行一定時(shí)間的切削加工。目前固結(jié)磨料金剛石線鋸的金剛石固結(jié)技術(shù)主要有如下幾種:

(1)擠壓或沖壓方式

采用徑向擠壓或沖壓的方式將金剛石顆粒牢固鑲?cè)脘摻z線的亞表面層,形成高強(qiáng)度的連續(xù)的金剛石線鋸。由于這種制造方法對(duì)鋼絲基體本身存在一定的破壞,鋼絲的強(qiáng)度會(huì)下降。同時(shí),金剛石只是通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械夾持力固定,在受到較大沖擊載荷時(shí)容易脫落。圖3是機(jī)械鑲嵌金剛石線鋸表面形貌。

圖3 機(jī)械鑲嵌金剛石線鋸鋸絲表面[9]Fig.3 Surface of diamond wire saw made by mechanical setting

(2)樹(shù)脂粘結(jié)金剛石線鋸

樹(shù)脂粘結(jié)金剛石線鋸是使用酚醛樹(shù)脂類(lèi)的熱固性樹(shù)脂,通過(guò)加熱使得樹(shù)脂軟化,將混有金剛石顆粒的樹(shù)脂固定在芯線上,形成鋸絲。日本上岡勇夫等申請(qǐng)的一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利中提出了一種線鋸的樹(shù)脂結(jié)合劑制造方法。后來(lái)本俊之等人又對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)并進(jìn)行了切斷試驗(yàn),[10]結(jié)果表明:線鋸耐磨性有所提高。但是所有樹(shù)脂結(jié)合劑線鋸都存在磨粒把持強(qiáng)度不高,耐熱性差,耐磨性低,加工時(shí)線鋸磨損嚴(yán)重的問(wèn)題。

圖4 樹(shù)脂粘結(jié)金剛石線鋸剖面圖[11]Fig.4 Cross-section of diamond wire saw made by resin-bonding

(3)金屬結(jié)合劑焊接

釬焊是以熔融的特殊鎳合金為結(jié)合劑與金剛石磨粒加以焊接而成的,其中鎳合金中含有鉻,由于鉻原子會(huì)和金剛石表面的碳形成碳化鉻(Cr3C2),使得鎳合金與金剛石間的結(jié)合能力增大,從而導(dǎo)致金剛石被固定的力量很大而不易脫落。[12]釬焊金剛石線鋸一般都是將金剛石釬焊于套筒上再焊接于絞線形式的線材上來(lái)增加其剛性,因此縮小釬焊金剛石線鋸的線徑是很不容易的。圖5為彭偉專(zhuān)利所描述的釬焊金剛石線鋸,他是用熔點(diǎn)稍低于金剛石碳化溫度的金屬作為粘接金屬。金剛石顆粒混入熔化金屬,將金屬絲從中走過(guò),金屬絲表面就被鍍上了一層金屬,金剛石磨粒也被均勻地把持在金屬粘結(jié)層中。圖6為其制作裝置。這種制程因?yàn)樾枰?jīng)過(guò)高溫硬焊(一般需要用500℃～1000℃或更高溫度),容易造成鋼線的變質(zhì)而減低其剛性甚至造成線材的斷裂。

(4)電鍍金剛石線鋸

電鍍金剛石線鋸是用電鍍的方法在金屬絲(線) (基體)上沉積一層金屬(一般為鎳及鎳鈷合金)并在沉積的金屬內(nèi)固結(jié)金剛石磨料制成的一種線性超硬材料工具。如圖7所示。

圖5 釬焊金剛石線鋸剖面圖[13]Fig.5 Cross-section of diamond wire saw made by brazing

圖6 金屬結(jié)合劑線鋸制作裝置Fig.6 Apparatus for metal bond wire saws

圖7 電鍍金剛石線鋸Fig.7 Electroplated diamond wire saw

電鍍金剛石線鋸由于具有良好的性能,受到人們極大關(guān)注,國(guó)外生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟,并且申請(qǐng)了多項(xiàng)專(zhuān)利。金剛石線鋸切割硅單晶表面粗糙度與自由磨料切割時(shí)相當(dāng)(1.0～1.6μm)。[14,15]另外,由于金剛石磨粒直接固結(jié)在芯線上,切割速度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自由磨粒線鋸。但是,金剛石線鋸由于金剛石磨粒固結(jié)在琴絲的表面,存在線鋸直徑增大、工件的切割余量增加等問(wèn)題,加上線鋸生產(chǎn)成本較高,其應(yīng)用目前只局限于一定范圍。為了謀求金剛石線鋸的進(jìn)一步發(fā)展,開(kāi)發(fā)金剛石線鋸既要注意減小線鋸的直徑,又要注意保持金剛石線鋸的高切割性能。

在國(guó)內(nèi)也有用電鍍的方法制備的金剛石線鋸,并用其進(jìn)行了切割試驗(yàn),但是大多都是直徑較大,在0.5mm以上,且大多為環(huán)形單線切割。而日本相關(guān)文獻(xiàn)所制備的金剛石線鋸較細(xì)(0.175mm),并且已經(jīng)開(kāi)展了絞合線鋸的研發(fā)。[16,17]

圖8 金剛石絞合線鋸[16,17]Fig.8 Diamond twisted wire saw

2 展望

金剛石線鋸是一種相對(duì)較新的技術(shù),近十幾年來(lái)得到了快速發(fā)展,在硬脆材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。而國(guó)內(nèi)對(duì)電鍍金剛石線鋸的研究和生產(chǎn)還處在起步階段,使用的電鍍金剛石線鋸主要依靠進(jìn)口,更談不上上百公里長(zhǎng)鋸絲的制備。目前在硅片、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品等高精高端切割領(lǐng)域還是由自由磨料多線鋸占主導(dǎo)地位。但是金剛石線鋸也正在越來(lái)越多的被人們關(guān)注,因?yàn)榻饎偸チ９探Y(jié)在琴絲表面,只靠水或油就能進(jìn)行加工。不但減少了加工成本,還大大地提高了切削效率。隨著研究的進(jìn)一步深入,金剛石多線鋸也將踏入歷史的舞臺(tái),從而代替自由磨料多線鋸成為精密切割的主力。

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立方氮化硼硬車(chē)刀片相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介

立方氮化硼刀具(cBN刀具或PcBN刀具)的硬度一般為HV3000～5000,精HV硬度換算HRC相當(dāng)于HRC95～100,對(duì)于HRC50以上高硬度淬火工件高速加工降低成本來(lái)講最為經(jīng)濟(jì)劃算。目前,立方氮化硼刀具用于黑色金屬加工領(lǐng)域,是耐磨性最高的刀具材料,經(jīng)過(guò)論證,立方氮化硼刀片(cBN刀具)的壽命一般是硬質(zhì)合金刀片和陶瓷刀片的幾倍到幾十倍,而且隨著研究的進(jìn)步,立方氮化硼刀具(cBN刀具)適應(yīng)各種高硬度復(fù)雜材料的加工,華菱HLcBN新研制的立方氮化硼刀具牌號(hào)BN-K10,可以加工HRC70以上硬度的碳化鎢,在國(guó)內(nèi)尚屬首例;但同時(shí),立方氮化硼刀具相對(duì)于硬質(zhì)合金材料刀片,其脆性大是不爭(zhēng)的事實(shí),針對(duì)立方氮化硼刀片硬而脆的弱點(diǎn),華菱超硬HLcBN曾推出的適合斷續(xù)切削和重載粗加工立方氮化硼刀片牌號(hào),以華菱超硬BN-S20牌號(hào)數(shù)控刀片為例,它不僅可以斷續(xù)切削淬硬鋼,也可以大余量切除工件的淬硬層,但前提是并沒(méi)有犧牲刀具的耐磨性,這是與市場(chǎng)上的立方氮化硼刀具最大的不同。 (中國(guó)刀具商務(wù)網(wǎng))

Application and Development of Wafer Slicing Technology

CHEN Chao1,2,3,QIN Jian-xin1,2,3,LIN Feng1,2,3
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology And Mining Co.,Ltd,Guangxi Key Laboratory of superhard material, National Engineering Research Center for Special Mineral Material,Guilin,Guangxi 541004,China)

With the development of semi-conductor industry,especially the increasing demand of large-diameter silicon wafer for solar cell,the requirement for machining accuracy of silicon wafer becomes higher and the wafer processing technique receives more attention than before.Among them,wafer slicing is a key process which will influence the rate of finished product during the subsequent process.The traditional diamond inner round saw cutter can not meet the needs of larger size,small kerf-loss,high quality and efficiency of silicon wafer slicing.The most commonly used cutting tool at present is the free abrasive multi-wire saw.In order to achieve higher efficiency of modern production,fixed abrasive multi-wire saw cutting technique has been rapidly developed as a precision cutting technique.Current situation of the modern wafer slicing technique has been summarized in this article and the development trend of the wafer slicing technique has been predicted.

wafer slicing;free abrasive;fixed abrasive;wire saw

TQ164

A

1673-1433(2015)04-0012-05

2015-06-10

陳超(1980-),男,主要從事超硬材料及制品的研究開(kāi)發(fā)。

陳超,秦建新,林峰.晶片切割技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].超硬材料工程,2015,27(4):12-16.