晶片切割技術的應用與發展

陳超,秦建新,林峰

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,2.廣西超硬材料重點實驗室, 3.國家特種礦物工程技術研究中心,中國桂林 541004)

晶片切割技術的應用與發展

陳超,秦建新,林峰

(1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,2.廣西超硬材料重點實驗室, 3.國家特種礦物工程技術研究中心,中國桂林 541004)

隨著半導體行業的發展,尤其是太陽能電池對大直徑硅片的需求不斷增加,對硅片的加工精度要求也越來越高,晶片加工技術也越來越受到重視,其中晶片切割是制約后續工序中成品率高低的重要工序。采用傳統內圓鋸片切割已經不能滿足現有硅片大尺寸、小切縫、高質量和生產效率的要求。自由磨料多線鋸切割成為當前最常用的切割方式。為了追求更高的現代化生產的高效率,固著磨料多線鋸切割是快速發展起來的一種精密切割技術。文章綜述了現代晶片切割技術現狀,提出了晶體切割技術的發展趨勢。

金剛石線鋸;晶片切割;游離磨料;固著磨料;綜述

0 引言

在一個國家國民經濟的發展中,電子信息產業是龍頭,而集成電路產業則是整個電子信息產業的核心和基礎,集成電路產業的振興對一個國家的經濟發展有著重要的戰略意義。目前,IC(IntegratCircuit集成電路)正向著VLSI(Very Large-Scale Integration超大規模集成電路)/ULSI(Ultra Large-Scale Inte-gration)方向發展,這種發展對半導體加工設備的精度、效率、加工件的幾何規格及切片的厚度、平行度、表面微觀質量等主要指標均提出了更高的要求。硅單晶片的尺寸越來越大,在國內,200 mm硅片生產已形成了規模,300 mm的硅片也已開始投產。日本SUMCO集團宣布,到2010年3月,將300mm硅片的月產能再增加20萬片,使集團300mm硅片總產能達166萬片/月。[1]IC的制程線寬已從0.18mm過渡到0.13mm,甚至0.1mm。線寬的降低,硅片直徑的增大,以及對幾何尺寸的更高要求和硅片表面機械損傷層、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。

IC的加工過程一般包括:(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)、無損傷、無環境污染等,切片質量直接影響著IC加工的質量和成品率。傳統的切割方法包括鋼片切割、帶鋸切割和內外圓片鋸切割等,雖各具優點,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,己難以滿足此類貴重硬脆晶體基片的大尺寸精密薄片切割。目前發展比較成熟的是邊切割邊向鋸絲供應磨粒懸浮液的游離磨料方式,研究與實際應用表明,該技術在加工大尺寸晶體材料方面與內圓切片技術相比具有較大優勢。目前,晶片切割主要的方法有金剛石內圓切割和線切割。本文主要介紹這兩種晶片切割方式,分析切割系統存在的主要問題。文章提出固著磨料線鋸切割的優勢,并介紹了多種固著方法。

1 晶片切割方法及其加工設備

1.1 晶片內圓切割機

晶片切割過程中多應用內圓切割技術,該技術于20世紀70年代末發展成熟。內圓切割刀片是一個圓環,由刀片基體和內圓磨料工作部分組成。內圓刀片作高速旋轉運動、硅晶體相對于刀片旋轉中心做徑向進給,從而實現對材料的切片。內圓切片的優點是技術成熟,刀片穩定性好,在小批量多規格加工時具有靈活的可調性。由于刀片外圓張緊,剛性很好,可實現高速高效切割。如圖1所示。

圖1 內圓切割圓鋸片Fig.1 diamond inner round saw

內圓切割技術優點在于:(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,同規格級的內圓切片機價格是線切割機價格的1/3～1/4;(3)每片都可以進行晶向調整和切片厚度調整;(4)小批量多規格加工時,具有靈活的可調性。其缺點是:(1)晶片表面損傷層較大;(2)刀口寬,材料損失大;(3)生產效率低,每次只切割一片。另外刀片張緊后產生相應的變形,刃口表現為波浪形,在高速旋轉時還會產生振動。這種波浪形的刃口變形和刀片振動使得切片鋸口變寬,同時在切削液的作用下產生較大的流體動壓力,當硅片切割即將結束時,會造成硅片崩邊,甚至產生飛片現象。這些問題在硅片尺寸和鋸片直徑增加后表現得尤為嚴重,內圓切片技術已不適用于大尺寸硅晶體的切片,并且在產量和能力需求上已遠遠不能滿足生產要求。由于內圓切片技術存在的問題,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,其中線鋸切片技術在芯片制造業得到關注。[2]目前常用的線鋸切片技術有自由磨料和固結磨料兩類。

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只有往復式自由磨料線鋸切片技術。[3]往復式自由磨料線鋸切片技術的基本原理如圖2所示。

金屬鋸絲(直徑150～300mm)通過一定的纏繞方式,纏繞在兩個線軸上,形成相互平行的網狀加工部分,可以實現多片切割。加工過程中,兩個線軸分別完成放線和收線操作。鋸絲往復運轉,硅晶體垂直于鋸絲進給,通過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)施加到切割區域。通過鋸絲、磨料及硅晶體之間的三體磨損,實現材料的鋸切加工。盡管自由磨料多線鋸已應用很多年,但其磨料和硅片之間相互作用機理還不是很清楚。前人的研究認為磨料在鋸絲的壓力下通過“滾壓入”的方式使硅片產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

研究與實際應用表明自由磨料線鋸切片技術在加工大尺寸晶片方面與內圓切片技術相比具有較大優勢,主要表現在:可切割大尺寸硅晶體,可同時進行多片切割,出品率高,切片表面質量較高,很少產生崩片現象等,使晶片切割產業化成為了現實。

表1 金剛石線與內圓切割片對比Table 1 Comparison between diamond wire saw and inner round saw

但自由磨料線鋸也存在一些問題:(1)在材料去除機理上由于靠磨粒的滾壓釬入作用,將在晶片表面產生較大的微裂紋、殘余應力較深;(2)由于鋸絲的磨損,導致晶片厚度不均勻;(3)從環保角度出發,多線鋸用懸浮液的廢棄是個問題;(4)多線鋸使用懸浮液成本較高,占整個加工成本的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。

多線切割機床屬于大型精密數控機床,其加工精度高、控制系統復雜、制造難度大,國際上僅有少數幾家大型機械制造公司掌握數控多線切割機床技術,如瑞士Meyer Burger公司、原HCT公司、日本Takatori公司、NTC公司。我國半導體制造業起步較晚,數控多線切割機床市場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,基本上壟斷了國內數控多線切割機床市場。

1.3 固著磨料多線鋸

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

(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入鋼絲線的亞表面層,形成高強度的連續的金剛石線鋸。由于這種制造方法對鋼絲基體本身存在一定的破壞,鋼絲的強度會下降。同時,金剛石只是通過簡單的機械夾持力固定,在受到較大沖擊載荷時容易脫落。圖3是機械鑲嵌金剛石線鋸表面形貌。

圖3 機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)樹脂粘結金剛石線鋸

樹脂粘結金剛石線鋸是使用酚醛樹脂類的熱固性樹脂,通過加熱使得樹脂軟化,將混有金剛石顆粒的樹脂固定在芯線上,形成鋸絲。日本上岡勇夫等申請的一項發明專利中提出了一種線鋸的樹脂結合劑制造方法。后來本俊之等人又對其進行了改進并進行了切斷試驗,[10]結果表明:線鋸耐磨性有所提高。但是所有樹脂結合劑線鋸都存在磨粒把持強度不高,耐熱性差,耐磨性低,加工時線鋸磨損嚴重的問題。

圖4 樹脂粘結金剛石線鋸剖面圖[11]Fig.4 Cross-section of diamond wire saw made by resin-bonding

(3)金屬結合劑焊接

釬焊是以熔融的特殊鎳合金為結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合能力增大,從而導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為彭偉專利所描述的釬焊金剛石線鋸,他是用熔點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,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層中。圖6為其制作裝置。這種制程因為需要經過高溫硬焊(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)并在沉積的金屬內固結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,受到人們極大關注,國外生產技術已基本成熟,并且申請了多項專利。金剛石線鋸切割硅單晶表面粗糙度與自由磨料切割時相當(1.0～1.6μm)。[14,15]另外,由于金剛石磨粒直接固結在芯線上,切割速度可遠遠高于自由磨粒線鋸。但是,金剛石線鋸由于金剛石磨粒固結在琴絲的表面,存在線鋸直徑增大、工件的切割余量增加等問題,加上線鋸生產成本較高,其應用目前只局限于一定范圍。為了謀求金剛石線鋸的進一步發展,開發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。

在國內也有用電鍍的方法制備的金剛石線鋸,并用其進行了切割試驗,但是大多都是直徑較大,在0.5mm以上,且大多為環形單線切割。而日本相關文獻所制備的金剛石線鋸較細(0.175mm),并且已經開展了絞合線鋸的研發。[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較新的技術,近十幾年來得到了快速發展,在硬脆材料加工領域的應用日益廣泛。而國內對電鍍金剛石線鋸的研究和生產還處在起步階段,使用的電鍍金剛石線鋸主要依靠進口,更談不上上百公里長鋸絲的制備。目前在硅片、太陽能光伏產品等高精高端切割領域還是由自由磨料多線鋸占主導地位。但是金剛石線鋸也正在越來越多的被人們關注,因為金剛石磨粒固結在琴絲表面,只靠水或油就能進行加工。不但減少了加工成本,還大大地提高了切削效率。隨著研究的進一步深入,金剛石多線鋸也將踏入歷史的舞臺,從而代替自由磨料多線鋸成為精密切割的主力。

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立方氮化硼硬車刀片相關知識簡介

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相當于HRC95～100,對于HRC50以上高硬度淬火工件高速加工降低成本來講最為經濟劃算。目前,立方氮化硼刀具用于黑色金屬加工領域,是耐磨性最高的刀具材料,經過論證,立方氮化硼刀片(cBN刀具)的壽命一般是硬質合金刀片和陶瓷刀片的幾倍到幾十倍,而且隨著研究的進步,立方氮化硼刀具(cBN刀具)適應各種高硬度復雜材料的加工,華菱HLcBN新研制的立方氮化硼刀具牌號BN-K10,可以加工HRC70以上硬度的碳化鎢,在國內尚屬首例;但同時,立方氮化硼刀具相對于硬質合金材料刀片,其脆性大是不爭的事實,針對立方氮化硼刀片硬而脆的弱點,華菱超硬HLcBN曾推出的適合斷續切削和重載粗加工立方氮化硼刀片牌號,以華菱超硬BN-S20牌號數控刀片為例,它不僅可以斷續切削淬硬鋼,也可以大余量切除工件的淬硬層,但前提是并沒有犧牲刀具的耐磨性,這是與市場上的立方氮化硼刀具最大的不同。 (中國刀具商務網)

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發。

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