晶硅和蓝宝石加工用金刚石工具

徐 良,刘一波,徐 强

(北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司，北京 102200)

1 前言

国家科技重大专项“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”(简称“核高基专项”)2008年通过审议，进入实施阶段，其主要涉及领域包括光伏产业、半导体领域以及新兴的LED领域，所加工的材料包括单晶硅、多晶硅、蓝宝石以及其他光电磁材料。随着新产品、新技术研发方面不断取得突破，新一代高附加值的金刚石工具被不断地开发出来，如金刚石线锯、高精密金刚石砂轮、金刚石超薄划片、高精度套料钻头和CMP修整器等，而且都已经在这些新领域的材料加工中发挥着重要的作用。同时，相对于传统领域，新兴领域对金刚石工具提出了更高的要求，要求有更高的加工精度、更稳定的性能以及更复杂的制造工艺，尽最大可能做到高精细和高精密，所有这些，对金刚石工具制造者来说都是不小的挑战。

2 单晶硅和多晶硅的加工

2.1 单晶硅与多晶硅

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，这种晶体具有基本完整的点阵结构，是一种良好的半导体材料，纯度能达到99.9999%，主要用于制造半导体器件和太阳能电池等。单晶硅(图1a)的制造方法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

多晶硅(图1b)是单质硅的一种形态，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，而且这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称为“微电子大厦的基石”[1]。

图1 单晶硅和多晶硅Fig.1 Single crystal silicon and polysilicon

2.2 加工流程

单晶硅的加工流程主要包括截断—滚圆—切方—平磨—切片—倒角—磨片—化学腐蚀—抛光等步骤。相比而言，多晶硅没有了切断和滚圆步骤，只需在晶锭制备完成后，切方、切片即可。在整个单晶硅和多晶硅从晶锭到芯片的制备过程中，均需要不同用途的金刚石工具参与加工，如金刚石圆锯片、带锯、高精度砂轮、线锯、超薄切片等，而且加工的精度要求比较高。

3 蓝宝石加工

3.1 蓝宝石

蓝宝石成分为Al2O3，莫氏硬度为9，仅次于超硬材料的硬度，由于其优越的透光性能和耐磨性能，大多被用于LED发光组件的基体、光学视窗、高档手表的表壳以及手机摄像头等。蓝宝石具有硬脆的特点，且价格昂贵，在加工过程中通常要求精度高、加工效率快、低的材料损失以及洁净的工作环境。金刚石是自然界中硬度最高、耐磨性最强的材料，因此金刚石工具是加工蓝宝石材料的最佳选择[2-3]。

3.2 加工流程

从蓝宝石晶锭到最后的衬底片(图2)，主要流程包括以下步骤：长晶—掏棒—滚磨—晶棒定向—切片—研磨—倒角—抛光，每一个步骤均需要配备不同的金刚石工具来完成，主要工具有金刚石套料钻头、金刚石砂轮、金刚石线锯等。

图2 蓝宝石晶片Fig.2 Sapphire wafer

4 金刚石工具

4.1 金刚石线锯

目前研究最为热门的就是金刚石线锯(图3)，日本的旭金刚石和则武株式会社、法国的圣戈班以及美国的diamond wire tech均在金刚石线锯方面做了大量的研究并相继推出了自己的产品；国内已经有包括杨凌美畅、长沙岱勒、南京三超、青岛高测等多家规模化生产金刚石线锯的企业，金刚石线锯也广泛应用于单晶硅、多晶硅和蓝宝石的开方与切片，且市场需求量极大，2017年国内曾经出现一线难求的情况[4]。金刚石线锯的参数和应用见表1所示。

表1 金刚石线锯参数表

图3 金刚石线锯Fig.3 Diamond wire saw

与游离磨料线锯切割相比，金刚石线锯的切割效率大幅度提高，如表2所示。

表2 游离磨料与电镀金刚石线锯切割性能对比

随着大尺寸硅片和蓝宝石片的应用和发展，金刚石线锯将作为新一代硅片和蓝宝石片的切割工具，其加工表面损伤小、挠曲变形小、切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅/蓝宝石锭，省材料、效益高，产量大，效率高，这一系列无可比拟的优点将受到硅片和蓝宝石加工企业的高度重视。

4.2 金刚石超薄划片

超薄划片(图4)由金刚石和粘结剂组成一个圆环薄片状，厚度在0.015～0.3mm之间，可分为金属结合剂刀片和树脂结合剂刀片两种。其中金属结合剂电镀刀片的厚度为0.015mm～0.1mm，金属结合剂热压刀片和树脂结合剂刀片的厚度为0.1mm～0.3mm。超薄划片广泛应用于电子工业对各种硬脆材料进行切割或开槽加工，如硅、锗、磷化镓、砷化镓、磷砷化镓、铁氧体、铌酸锂、钽酸锂、压电陶瓷、光学陶瓷、玻璃等；具有切割精度高、割缝窄、使用寿命长等特点；使用时需装在专用设备上，可单刀使用也可多刀同时使用。

图4 金刚石超薄划片Fig.4 The ultra-thin diamond dicing saw

据资料介绍，世界上超薄划片的年销售额达5亿多美元。目前，该类产品的市场主要被日本、美国等世界领先的公司所垄断。这些公司所生产的刀具性能稳定、规格种类齐全、具有很高的切割精度。我国电子工业正步入一个飞速发展期，对精密切割工具的需求也进入了高速增长期。但是由于国内该类产品发展起步较晚，其性能还存在诸多的缺陷，不能满足国内市场快速发展的要求，因此每年都要从国外进口大量的各种类型的划片。在国内，对薄型砂轮片进行研究和制造并打入市场的企业很少，因此对超薄划片的研究与开发，具有广阔的市场前景。

4.3 高精密金刚石砂轮

金刚石砂轮在晶硅和蓝宝石等硬脆材料加工过程中的应用最为广泛，从晶棒的处理到晶片的粗加工进而到精加工等步骤，均要用到不同种类的金刚石砂轮；主要包括晶棒滚圆砂轮(图5a)、平面研磨砂轮(图5b)、减薄砂轮(图5c)以及抛光砂轮(图5d)等，金刚石粒度从250#到8000#均有涉及，胎体材料包括金属基、树脂基和陶瓷基。

图5 金刚石砂轮Fig.5 Diamond grinding wheel

硅片研磨加工的目的是除去切片滚磨造成的锯痕及表面损伤层，有效改善硅片的翘曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。硅片研磨时，重要的是控制裂纹的大小和均匀程度。单晶硅属于硬脆材料，对其进行研磨，磨料具有滚轧作用和微切削作用，材料的破坏以微小破碎为主，要求研磨加工后的理想表面形态是由无数微小破碎痕迹构成的均匀无光泽表面[6]。研磨加工可使用粒度为350#陶瓷基金刚石砂轮，加工面粗糙度约为0.5μm，砂轮直径通常为Φ200mm～Φ350mm。

抛光的目的是改善单晶硅片的表面微缺陷，以获得极高平坦度、极小表面粗糙度值的晶片表面，要求表面无变质层、无划伤。抛光的方式：粗抛，去除损伤层，一般去除量约在10μm～20μm，可用粒度为1000#～2000#的树脂基砂轮；精抛，改善晶片表面的微粗糙程度，去除量为1μm左右，使晶面的粗糙度可达到0.3μm，可选用粒度为8000#的金刚石砂轮。

4.4 高精度套料钻头

套料钻头(图6)加工对象为蓝宝石等较为贵重的硬脆材料，主要用于表壳、光学玻璃、LED衬底的加工，钻头的精度要求非常高，具有极高的附加值，而且市场需求量正在逐年增加，具有较为广阔的应用前景[7]。

图6 蓝宝石钻头Fig.6 Sapphire drill bit

套料钻头制造技术包括超薄环状刀头制造技术、高精度焊接技术以及钻头后续修磨技术；其中超薄环状刀头的质量对产品的最终使用性能起着决定性的作用，该项技术包括均匀混料、精细造粒、标准化热压烧结、脱模等一系列生产工艺和操作标准；高精度焊接技术是保证钻头同心度和焊接强度的关键步骤，包括焊接面处理、焊接同心调整、标准化焊接；钻头后续进行修磨的作用是进一步提高钻头的精度。

4.5 CMP修整器

随着半导体工业的飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面平整度达到纳米级。传统的平坦化技术，仅仅能够实现局部平坦化，但是当最小特征尺寸达到0.25μm以下时，必须进行全局平坦化。目前唯一可以实现全局平坦化的技术为机械化学抛光技术(CMP)，也就是用化学腐蚀和机械力对加工过程中的硅晶圆或其他衬底材料进行平滑处理。

CMP的工作原理是将硅片固定在最下面，然后将抛光垫放置在研磨盘上，亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的研磨液在硅片表面和抛光垫之间流动；抛光时，旋转的抛光头以一定的压力压在旋转的抛光垫上对硅片进行平坦化处理。抛光垫属于消耗品，一般由多空性材料的聚亚胺脂材料制造，抛光垫表面必须定期用一个金刚石修整器来修整以提高寿命，这个修整器就是CMP修整器[5]。CMP修整器的作用是扫过垫表面来提高表面粗糙度并除去用过的浆料，修整器包含一个不锈钢盘以及一个镀镍(CVD金刚石层)的金刚石磨粒，金刚石磨粒的粒度为20μm左右(图7)。

图7 CMP修整器Fig.7 CMP dresser

3M公司占据了CMP修整器的主要市场。抛光垫修整器用于抛光垫的形貌修整，对修整器的研究集中在修整器尺寸、金刚石颗粒粒度、金刚石颗粒密度、排列方式、粘接方式等方面；其中金刚石颗粒的粘接方式是主要研究内容，要求在保证修整器寿命的同时，不产生金刚石颗粒的脱落，以免造成对晶圆的划伤。

5 展望

(1)金刚石工具将越来越体现其“工业牙齿”的作用，在众多的新兴工业材料加工领域体现其超卓的性能。随着原材料性能的提升、产品规格系列化、生产设备专业化和检测手段的标准化，金刚石工具将朝着更高水平发展，产品质量随之明显提高。

(2)一些高精度高精密金刚石工具，例如超薄划片、超细粒度金刚石砂轮、高精度钻头以及CMP修整器等，国内产品与国外产品相比仍有差距，表现在性能不好或者不稳定，国内的大中型企业会更愿意采购昂贵的国外产品，来保持生产的稳定性。这也对国内的相关工具制造企业提出了新的挑战，即产品的精度在满足使用要求的情况下，尽可能地提高产品的性能，并保持产品性能的稳定性。

(3)国内产品需瞄准高档、精密金刚石工具这个方向，在产品生产过程中，制定严格的产品标准和工艺规程，来确保产品的性能稳定性；另外，需配备高精度数控机床、电火花、线切割等设备，对产品进行后续的修整和完善。