徐 良,劉一波,徐 強

(北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司，北京 102200)

1 前言

國家科技重大專項“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”(簡稱“核高基專項”)2008年通過審議，進入實施階段，其主要涉及領(lǐng)域包括光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體領(lǐng)域以及新興的LED領(lǐng)域，所加工的材料包括單晶硅、多晶硅、藍(lán)寶石以及其他光電磁材料。隨著新產(chǎn)品、新技術(shù)研發(fā)方面不斷取得突破，新一代高附加值的金剛石工具被不斷地開發(fā)出來，如金剛石線鋸、高精密金剛石砂輪、金剛石超薄劃片、高精度套料鉆頭和CMP修整器等，而且都已經(jīng)在這些新領(lǐng)域的材料加工中發(fā)揮著重要的作用。同時，相對于傳統(tǒng)領(lǐng)域，新興領(lǐng)域?qū)饎偸ぞ咛岢隽烁叩囊?，要求有更高的加工精度、更穩(wěn)定的性能以及更復(fù)雜的制造工藝，盡最大可能做到高精細(xì)和高精密，所有這些，對金剛石工具制造者來說都是不小的挑戰(zhàn)。

2 單晶硅和多晶硅的加工

2.1 單晶硅與多晶硅

單晶硅是一種比較活潑的非金屬元素，這種晶體具有基本完整的點陣結(jié)構(gòu)，是一種良好的半導(dǎo)體材料，純度能達到99.9999%，主要用于制造半導(dǎo)體器件和太陽能電池等。單晶硅(圖1a)的制造方法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。

多晶硅(圖1b)是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，而且這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是當(dāng)代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料。被稱為“微電子大廈的基石”[1]。

圖1 單晶硅和多晶硅Fig.1 Single crystal silicon and polysilicon

2.2 加工流程

單晶硅的加工流程主要包括截斷—滾圓—切方—平磨—切片—倒角—磨片—化學(xué)腐蝕—拋光等步驟。相比而言，多晶硅沒有了切斷和滾圓步驟，只需在晶錠制備完成后，切方、切片即可。在整個單晶硅和多晶硅從晶錠到芯片的制備過程中，均需要不同用途的金剛石工具參與加工，如金剛石圓鋸片、帶鋸、高精度砂輪、線鋸、超薄切片等，而且加工的精度要求比較高。

3 藍(lán)寶石加工

3.1 藍(lán)寶石

藍(lán)寶石成分為Al2O3，莫氏硬度為9，僅次于超硬材料的硬度，由于其優(yōu)越的透光性能和耐磨性能，大多被用于LED發(fā)光組件的基體、光學(xué)視窗、高檔手表的表殼以及手機攝像頭等。藍(lán)寶石具有硬脆的特點，且價格昂貴，在加工過程中通常要求精度高、加工效率快、低的材料損失以及潔凈的工作環(huán)境。金剛石是自然界中硬度最高、耐磨性最強的材料，因此金剛石工具是加工藍(lán)寶石材料的最佳選擇[2-3]。

3.2 加工流程

從藍(lán)寶石晶錠到最后的襯底片(圖2)，主要流程包括以下步驟：長晶—掏棒—滾磨—晶棒定向—切片—研磨—倒角—拋光，每一個步驟均需要配備不同的金剛石工具來完成，主要工具有金剛石套料鉆頭、金剛石砂輪、金剛石線鋸等。

圖2 藍(lán)寶石晶片F(xiàn)ig.2 Sapphire wafer

4 金剛石工具

4.1 金剛石線鋸

目前研究最為熱門的就是金剛石線鋸(圖3)，日本的旭金剛石和則武株式會社、法國的圣戈班以及美國的diamond wire tech均在金剛石線鋸方面做了大量的研究并相繼推出了自己的產(chǎn)品；國內(nèi)已經(jīng)有包括楊凌美暢、長沙岱勒、南京三超、青島高測等多家規(guī)模化生產(chǎn)金剛石線鋸的企業(yè)，金剛石線鋸也廣泛應(yīng)用于單晶硅、多晶硅和藍(lán)寶石的開方與切片，且市場需求量極大，2017年國內(nèi)曾經(jīng)出現(xiàn)一線難求的情況[4]。金剛石線鋸的參數(shù)和應(yīng)用見表1所示。

表1 金剛石線鋸參數(shù)表

圖3 金剛石線鋸Fig.3 Diamond wire saw

與游離磨料線鋸切割相比，金剛石線鋸的切割效率大幅度提高，如表2所示。

表2 游離磨料與電鍍金剛石線鋸切割性能對比

隨著大尺寸硅片和藍(lán)寶石片的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線鋸將作為新一代硅片和藍(lán)寶石片的切割工具，其加工表面損傷小、撓曲變形小、切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅/藍(lán)寶石錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高，這一系列無可比擬的優(yōu)點將受到硅片和藍(lán)寶石加工企業(yè)的高度重視。

4.2 金剛石超薄劃片

超薄劃片(圖4)由金剛石和粘結(jié)劑組成一個圓環(huán)薄片狀，厚度在0.015～0.3mm之間，可分為金屬結(jié)合劑刀片和樹脂結(jié)合劑刀片兩種。其中金屬結(jié)合劑電鍍刀片的厚度為0.015mm～0.1mm，金屬結(jié)合劑熱壓刀片和樹脂結(jié)合劑刀片的厚度為0.1mm～0.3mm。超薄劃片廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)對各種硬脆材料進行切割或開槽加工，如硅、鍺、磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、壓電陶瓷、光學(xué)陶瓷、玻璃等；具有切割精度高、割縫窄、使用壽命長等特點；使用時需裝在專用設(shè)備上，可單刀使用也可多刀同時使用。

圖4 金剛石超薄劃片F(xiàn)ig.4 The ultra-thin diamond dicing saw

據(jù)資料介紹，世界上超薄劃片的年銷售額達5億多美元。目前，該類產(chǎn)品的市場主要被日本、美國等世界領(lǐng)先的公司所壟斷。這些公司所生產(chǎn)的刀具性能穩(wěn)定、規(guī)格種類齊全、具有很高的切割精度。我國電子工業(yè)正步入一個飛速發(fā)展期，對精密切割工具的需求也進入了高速增長期。但是由于國內(nèi)該類產(chǎn)品發(fā)展起步較晚，其性能還存在諸多的缺陷，不能滿足國內(nèi)市場快速發(fā)展的要求，因此每年都要從國外進口大量的各種類型的劃片。在國內(nèi)，對薄型砂輪片進行研究和制造并打入市場的企業(yè)很少，因此對超薄劃片的研究與開發(fā)，具有廣闊的市場前景。

4.3 高精密金剛石砂輪

金剛石砂輪在晶硅和藍(lán)寶石等硬脆材料加工過程中的應(yīng)用最為廣泛，從晶棒的處理到晶片的粗加工進而到精加工等步驟，均要用到不同種類的金剛石砂輪；主要包括晶棒滾圓砂輪(圖5a)、平面研磨砂輪(圖5b)、減薄砂輪(圖5c)以及拋光砂輪(圖5d)等，金剛石粒度從250#到8000#均有涉及，胎體材料包括金屬基、樹脂基和陶瓷基。

圖5 金剛石砂輪Fig.5 Diamond grinding wheel

硅片研磨加工的目的是除去切片滾磨造成的鋸痕及表面損傷層，有效改善硅片的翹曲度、平坦度與平行度，達到一個拋光過程可以處理的規(guī)格。硅片研磨時，重要的是控制裂紋的大小和均勻程度。單晶硅屬于硬脆材料，對其進行研磨，磨料具有滾軋作用和微切削作用，材料的破壞以微小破碎為主，要求研磨加工后的理想表面形態(tài)是由無數(shù)微小破碎痕跡構(gòu)成的均勻無光澤表面[6]。研磨加工可使用粒度為350#陶瓷基金剛石砂輪，加工面粗糙度約為0.5μm，砂輪直徑通常為Φ200mm～Φ350mm。

拋光的目的是改善單晶硅片的表面微缺陷，以獲得極高平坦度、極小表面粗糙度值的晶片表面，要求表面無變質(zhì)層、無劃傷。拋光的方式：粗拋，去除損傷層，一般去除量約在10μm～20μm，可用粒度為1000#～2000#的樹脂基砂輪；精拋，改善晶片表面的微粗糙程度，去除量為1μm左右，使晶面的粗糙度可達到0.3μm，可選用粒度為8000#的金剛石砂輪。

4.4 高精度套料鉆頭

套料鉆頭(圖6)加工對象為藍(lán)寶石等較為貴重的硬脆材料，主要用于表殼、光學(xué)玻璃、LED襯底的加工，鉆頭的精度要求非常高，具有極高的附加值，而且市場需求量正在逐年增加，具有較為廣闊的應(yīng)用前景[7]。

圖6 藍(lán)寶石鉆頭Fig.6 Sapphire drill bit

套料鉆頭制造技術(shù)包括超薄環(huán)狀刀頭制造技術(shù)、高精度焊接技術(shù)以及鉆頭后續(xù)修磨技術(shù)；其中超薄環(huán)狀刀頭的質(zhì)量對產(chǎn)品的最終使用性能起著決定性的作用，該項技術(shù)包括均勻混料、精細(xì)造粒、標(biāo)準(zhǔn)化熱壓燒結(jié)、脫模等一系列生產(chǎn)工藝和操作標(biāo)準(zhǔn)；高精度焊接技術(shù)是保證鉆頭同心度和焊接強度的關(guān)鍵步驟，包括焊接面處理、焊接同心調(diào)整、標(biāo)準(zhǔn)化焊接；鉆頭后續(xù)進行修磨的作用是進一步提高鉆頭的精度。

4.5 CMP修整器

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，電子器件尺寸縮小，要求晶片表面平整度達到納米級。傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)局部平坦化，但是當(dāng)最小特征尺寸達到0.25μm以下時，必須進行全局平坦化。目前唯一可以實現(xiàn)全局平坦化的技術(shù)為機械化學(xué)拋光技術(shù)(CMP)，也就是用化學(xué)腐蝕和機械力對加工過程中的硅晶圓或其他襯底材料進行平滑處理。

CMP的工作原理是將硅片固定在最下面，然后將拋光墊放置在研磨盤上，亞微米或納米磨粒和化學(xué)溶液組成的研磨液在硅片表面和拋光墊之間流動；拋光時，旋轉(zhuǎn)的拋光頭以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上對硅片進行平坦化處理。拋光墊屬于消耗品，一般由多空性材料的聚亞胺脂材料制造，拋光墊表面必須定期用一個金剛石修整器來修整以提高壽命，這個修整器就是CMP修整器[5]。CMP修整器的作用是掃過墊表面來提高表面粗糙度并除去用過的漿料，修整器包含一個不銹鋼盤以及一個鍍鎳(CVD金剛石層)的金剛石磨粒，金剛石磨粒的粒度為20μm左右(圖7)。

圖7 CMP修整器Fig.7 CMP dresser

3M公司占據(jù)了CMP修整器的主要市場。拋光墊修整器用于拋光墊的形貌修整，對修整器的研究集中在修整器尺寸、金剛石顆粒粒度、金剛石顆粒密度、排列方式、粘接方式等方面；其中金剛石顆粒的粘接方式是主要研究內(nèi)容，要求在保證修整器壽命的同時，不產(chǎn)生金剛石顆粒的脫落，以免造成對晶圓的劃傷。

5 展望

(1)金剛石工具將越來越體現(xiàn)其“工業(yè)牙齒”的作用，在眾多的新興工業(yè)材料加工領(lǐng)域體現(xiàn)其超卓的性能。隨著原材料性能的提升、產(chǎn)品規(guī)格系列化、生產(chǎn)設(shè)備專業(yè)化和檢測手段的標(biāo)準(zhǔn)化，金剛石工具將朝著更高水平發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量隨之明顯提高。

(2)一些高精度高精密金剛石工具，例如超薄劃片、超細(xì)粒度金剛石砂輪、高精度鉆頭以及CMP修整器等，國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品相比仍有差距，表現(xiàn)在性能不好或者不穩(wěn)定，國內(nèi)的大中型企業(yè)會更愿意采購昂貴的國外產(chǎn)品，來保持生產(chǎn)的穩(wěn)定性。這也對國內(nèi)的相關(guān)工具制造企業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，即產(chǎn)品的精度在滿足使用要求的情況下，盡可能地提高產(chǎn)品的性能，并保持產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。

(3)國內(nèi)產(chǎn)品需瞄準(zhǔn)高檔、精密金剛石工具這個方向，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，制定嚴(yán)格的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)程，來確保產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性；另外，需配備高精度數(shù)控機床、電火花、線切割等設(shè)備，對產(chǎn)品進行后續(xù)的修整和完善。