半导体业用高效精密磨具的国产化进程.pdf

1 半导体业用高效精密磨具的国产化进程半导体业用高效精密磨具的国产化进程 刘明耀刘明耀 1 2 陈陈 峰峰 1 2 邱丽花 邱丽花 1 2 1 郑州磨料磨具磨削研究所 2 国家超硬材料及制品工程技 术研究中心 河南 郑州 450013 摘摘 要要 本文介绍了 十五 以来半导体行业高效精密加工用金刚石磨具以 及相关配套产品的国产化情况 包括产品品种 型号规格 应用实例等 关键词关键词 半导体 集成电路 分立器件 砂轮 超薄 减薄 吸盘 修整板 随着我国半导体行业的快速发展 金刚石磨具的应用越来越多 其中包括 硅片制造过程中硅棒外圆磨砂轮 切片用内圆切割片 硅 片倒角砂轮 集成电路 分立器件制造过程中背面或正面硅片减薄砂 轮 封装前分割用划片砂轮 封装后分割用超薄切割砂轮 CMP 抛 光垫修整盘等 这些产品不但制造精度高 而且内在质量 使用性能 加工效率 加工质量 使用寿命等 要求也远高于一般机械加工 我国磨料磨具行业的整体技术与国外发达国家相比 存在着相当大的 差距 半导体行业用高效精密金刚石砂轮基本依赖进口 由于进口砂 轮不但价格高 而且订货周期长 售后服务不便 在一定程度上影响 了我国半导体行业的发展 郑州磨料磨具磨削研究所是我国磨料磨具行业唯一的综合性研 究开发机构 建于 1958 年 长期以来 承担着我国磨料磨具行业技 术与新产品的研究开发 磨削理论的研究 专用设备仪器的研究开发 2 技术标准的研究制订 理化性能检测技术的研究开发 技术发展规划 的研究制订 技术情报的收集与分析研究等基本任务 中国的第一颗 人造金刚石以及众多填补国内空白的金刚石磨具均由我所研究开发 成功 国家超硬材料及制品工程技术研究中心 超硬材料协会 国家 磨料磨具质量监督检验中心 全国磨料磨具标准化技术委员会均依托 我所设立 1999 年我国科技管理体制改革 我所转制成为集科研 生产 销售与服务于一体的新型科技型企业 十五 期间 我所确立了以集成电路产业为主要服务对象的开 发目标 开展了集成电路制造等行业用高效精密金刚石磨具的国产化 研究工作 现已开发成功并已批量投放市场的产品有 高精度超薄切 割砂轮 硅片减薄砂轮 砂轮修整板以及配套使用的微孔陶瓷吸盘四 个系列产品 这些产品的使用性能均达国外同类产品水平 能与进口 设备配套使用 满足生产工艺要求 高精度超薄切割砂轮荣获中国机 械工业科学技术奖二等奖 并被国家科技部批准为国家重点新产品 一 高精度超薄切割砂轮高精度超薄切割砂轮 该系列产品主要应用于集成电路及电子元器件的精密微细加工 切断与开槽 具有切缝小 加工精度高 工件表面质量好及材料 利用率高等特点 我所于 2000 年组织该产品的开发 2001 年开发成 功金属结合剂1A8整体型和树脂结合剂1A1R基体型产品 并于2002 年批量投放市场 随着市场的不断扩大 该产品品种 型号规格逐渐 完善 形成了完整的产品体系 按结合剂种类来分 有金属结合剂 代号 M 和树脂结合剂 代号 3 B 两类 其中 金属结合剂对磨粒的把持强度高 耐磨 形状保持性 好 使用寿命长 适用于高速 窄切缝 粗加工以及加工型面精度要求 高的场合 如开槽 树脂结合剂对磨粒的把持强度较低 耐热性较差 但其自锐性好 且弹性好 具有一定的抛光性能 适用于低速 切缝较 宽及加工表面质量要求高的场合 如精加工 按结构形式来分 有整体型 1A8 和基体型两类 整体型厚度较 薄 适用于窄切缝 小切深的加工 基体型刚性好 适用于大切深 尺 寸精度要求高的加工 另外 按工作层有无水槽 又可分带水槽型和不 带水槽型 带水槽型有利于排屑 冷却 适用于走刀速度快 切深大 易发热的加工 图 1 1A8 整体型超薄切割砂轮 图 2 1A1 基体型超薄切割砂轮 4 图 3 1A1R 基体型超薄切割砂轮 图 4 1A8 2 整体 水槽型超薄切割砂轮 图 5 1A1 5 基体 水槽型超薄切割砂轮 图 6 1A1 6 基体 水槽型超薄切割砂轮 5 图 7 1B1 基体型超薄切割砂轮 根据结合剂种类与结构形式的不同 产品规格范围有所差别 D 外经 T 厚度 金属整体型 D4 5 152 4mm T 0 08mm 树脂整 体型 D4 5 152 4mm T 0 08mm 金属基体型 D30 0 203 2mm T 0 25mm 树脂基体型 D30 0 305 0 mm T 0 20mm 根据结构形式的不同 厚度尺寸公差 整体片可达 0 002 mm 基 体片可达 0 005 mm 孔径均为 H6 H7 该系列产品的用途较广 以下仅举几例 1 金属结合剂 1A8 型切割砂轮 砂轮规格 M1A8 58D 0 26T 40H 切割对象 BGA 工件厚度 1 1mm 切深 1 2 1 3mm 使用效果 砂轮耐用度 3500m 切缝崩口 0 02mm 2 树脂结合剂 1A8 型切割砂轮 砂轮规格 B1A8 56D 0 08T 25 4H 切割对象 石英晶体 工件厚度 0 5mm 切深 0 3mm 使用效果 砂轮耐用度 1000m 切缝崩口 0 015mm 3 金属结合剂 1A1 型切割砂轮 组合刀具 每组 40 片 砂轮规格 M1A1 106D 0 4T 52H 0 4E 3X 6 切割对象 激光传输镜头 工件厚度 3mm 切深 3 5mm 使用效果 砂轮寿命 5000m 切缝崩口 0 03mm 尺寸误差 0 015 mm 4 树脂 1A1R 型切割砂轮 组合刀具 每组 15 30 片 砂轮规格 B1A1R 125D 0 5T 40H 0 4E 3 5X 切割对象 DVD 激光头 光学元件 工件厚度 5 7mm 切深 4 8mm 使用效果 砂轮寿命 10000 刀 切缝崩口 0 02mm 尺寸误差 0 015mm 5 金属 1A8 型切割砂轮 组合刀 每组 4 7 片 砂轮规格 114 3D 0 243T 69 875H 切割工件 计算机软盘 硬盘磁头 工件厚度 2 2mm 切深 3mm 使用效果 砂轮寿命 6000 刀 切缝崩口 0 01mm 尺寸误差 0 01mm 以上加工均满足用户加工效率 加工质量等要求 二 硅片减薄砂轮 二 硅片减薄砂轮 该系列产品主要应用于集成电路 分立器件制造过程中晶圆背面 或正面硅片的减薄磨削加工 具有磨削效率高 使用寿命长 加工表 面质量好的特点 我所于 2004 年开展产品开发 2005 年开发成功 并批量投放市场 目前已在近二十家企业 3 8 英寸 1 英寸 25 4 毫米 生产线上得到应用 7 该系列产品分为陶瓷结合剂 代号 V 和树脂结合剂两类 陶瓷结合剂对金刚石磨粒的把持力较强 耐磨性较好 具有多气 孔结构 有利于冷却和容屑 因此陶瓷结合剂砂轮切削锋利 磨削效 率高 磨削过程中不易发热和堵塞 热膨胀量小 易控制加工精度 使用寿命较长 且容易修整 非常适合于硅片减薄的粗磨 半精磨加 工工序 树脂结合剂由于具有如前所述的特点 非常适合于加工余量很 少 但表面质量要求很高的硅片的精磨 抛光等工序 我所生产的硅片减薄砂轮主要型号有 整环型 带水槽型 三椭 圆带水槽型等 外径为 175 350mm 图 8 整环型减薄砂轮 图 9 带水槽型减薄砂轮 图 10 三椭圆带水槽型减薄砂轮 我所研制的陶瓷砂轮粗磨 4 英寸分立器件使用寿命达到 55000 8 件 粗磨 6 英寸集成电路使用寿命达到 12000 件 树脂砂轮精磨 4 英寸分立器件使用寿命达到 60000 多件 精磨 6 英寸集成电路使用寿 命达到近 10000 件 加工效率 加工质量均满足用户生产工艺要求 三 微孔陶瓷吸盘三 微孔陶瓷吸盘 该系列产品与减薄机 划片机配套使用 用作晶圆加工的吸附承 载体 该产品具有组织结构均匀 强度高 寿命长 易于修整 环保 等特点 我所于 2005 年组织该系列产品的开发 并于当年获得成功 现已投入批量生产 该系列产品根据用途的不同分为两类 其中应用于减薄加工的为 D 型 G 型 分别应用于不同厂家的加工设备 应用于划片加工的为 H 型 A 陶瓷盘 基座 T D d 图 11 D 型陶瓷吸盘 A d D T X 基 座 陶瓷盘 9 图 12 G 型陶瓷吸盘 A T 基座 陶瓷盘 d D 图 13 H 型陶瓷吸盘 根据用户加工的晶圆尺寸不同 3 8 英寸 以及所使用的加工 设备不同 微孔陶瓷吸盘的尺寸规格分别与之对应 我所研制的微孔陶瓷吸盘 已批量应用于国内十余家企业的 3 8 英寸生产线上 使用结果表明 该系列产品性能良好 质量稳定 完全可替代进口产品 四 砂轮修整板四 砂轮修整板 砂轮修整板主要用于磨硅片砂轮初装时的整形及使用过程中的 开刃 以消除砂轮装配精度误差及砂轮表面的堵塞 在保持砂轮与吸 盘平行精度的同时 使砂轮表面磨粒具有合适的出刃高度 提高硅片 的去除效率 减少被磨硅片的表面磨削应力及损伤层厚度 我所于 2005 年下半年开发该系列产品 现已小批量生产 目前我所生产的磨硅片砂轮修整板主要有两种 固定式修整板 D I D II 型 及手持式修整板 D III 型 适用于不同厂家的 4 8 英寸减薄机 10 图 14 D I 型修整板 图 15 D II 型修整板 图 16 D III型修整板 固定式修整板既可用于砂轮整形 也可用于砂轮开刃 使用时将 该类修整板吸附在陶瓷吸盘上 采用与硅片背面减薄相似的工艺对修 整板进行磨削 从而达到修整砂轮的目的 其优点是修整后砂轮的端 面与吸盘表面的平行度高 因而砂轮的磨削效果好 缺点是需要对机 台进行重新设置 影响生产 而且修整量不好把握 手持式修整板主要用于砂轮工作表面开刃 其优点是 砂轮的去 除量少 不用改变机台的设定 缺点是由于手持工具用力不易控制 11 可能会造成砂轮的平面度及其与吸盘的平行度超差 通常 对于磨削精度要求高的加工 初次修整及中间修整都采用 吸附式修整块 我所生产的修整板主要规格为 75 150 适用于 4 8 英寸 粒 度为 300 4000 D46 D15 经用户使用表明 我所生产的修整板具有修形效率高 开刃效果 好等特点 所修砂轮能够满足硅片减薄加工要求 五 结束语 五 结束语 高效精密金刚石磨具的国产化工作是一项重要而艰巨的工作 目 前已取得了很大的进展 我们相信 在半导体行业更多企业以及新老 朋友的继续支持与配合下 我们一定能够在较短的时间内实现半导体 行业用磨具品种全部国产化的最终目标 作者简介 刘明耀 作者简介 刘明耀 男