超硬专家郑州千磨谈：半导体加工用金刚石介绍以及其制作流程

一、半导体加工用金刚石工具介绍

半导体材料电阻率介于金属与绝缘体之间的材料。因具有独特的材料性能，半导体材料被用于晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件等领域。在半导体晶片上进行布线、刻蚀，制成的能够实现特定功能的器件就是芯片。

半导体的加工技术是芯片制造的基础，也是国家高端装备和先进制造技术水平的重要标志之一。半导体加工是从晶棒到单个芯片的过程，金刚石工具在这一过程中起着至关重要的作用，如晶棒剪裁、晶圆减薄、划片等。近几年，我国半导体加工用金刚石工具发展迅速，但对高端产品的加工需求仍难以满足。

二、半导体制程

硅是应用最广泛的半导体材料，构成集成电路半导体晶片(芯片)的90%以上都是硅晶片。硅基芯片加工流程如下图所示。在半导体硅的多个加工工序中，金刚石工具起着超精密加工的作用

三、金刚石工具

1、前端工序中的金刚石工具

在2000℃下，石英砂与碳发生置换反应得到单晶硅，后经直拉法或区熔法得到单晶硅棒。单晶硅半导体材料的前端加工工艺及使用的金刚石工具如下图所示。

晶棒剪裁：直拉法得到晶棒后，按不同产品要求，使用电镀金刚石带锯或内圆切割刀片对其去头裁尾。内圆或外圆切割效率低、材料损失率大、加工质量低，故目前多采用金刚石带锯来切割晶棒。

晶棒滚圆：已切除圆角的晶棒表面并非规则的圆柱形，需使用电镀或烧结型金刚石杯形砂轮对晶棒滚圆，以达到所需直径。

晶棒切片：晶棒切片的方法主要包括内圆切割和线切割，线切割相较内圆切割具有效率高、切割直径大及锯痕损失小等优点。目前硅基半导体主要使用磨料线锯切割加工方式，高速运动的钢丝将磨料带入切割区，形成磨料三体加工，把晶棒切割成硅片。

晶圆片研磨：切片会使晶圆表面损伤，为提高晶圆表面质量并去除表面损伤层，需使用杯形金刚石砂轮对硅片进行粗磨与精磨。

晶圆片倒角与磨边：线切割得到的晶圆片边缘有毛刺、棱角、裂缝或其它缺陷，通过槽形小砂轮与磨边砂轮将晶圆锐利的边缘修正成弧形，可有效减少和避免后续工序中晶圆发生崩边的可能性。

晶圆片减薄与抛光：晶圆上电路层的有效厚度为5～10μm，约占90%的衬底材料是为了保证晶圆片在加工、测试和转运中具有足够的强度。因此，在保证晶圆具有一定强度的前提下，使用减薄砂轮控制晶圆片厚度，才能满足下游企业对晶圆强度与厚度的要求。

2、后端工序中的金刚石工具

电路制作：晶圆片经表面氧化、光刻与刻蚀加工后，晶圆内形成逻辑电路。

抛光：晶圆片由以上加工工序引起的损伤层必须由化学机械抛光(CMP)去除，化学机械抛光(CMP)还可对硬的陶瓷基体和软的金属进行高效、高质量抛光，抛光过程中抛光垫会形成磨光层，严重影响抛光效率和精度。因此，需要使用金刚石化学机械抛光垫修整器对抛光垫进行加工，以使抛光垫在工作时保持平坦的表面和正常的粗糙度。

背面减薄：晶圆内电路制作完成后，使用背面减薄砂轮减小晶圆厚度，减薄有利于芯片的散热、提高其寿命和缩小体积。

划片：企业为节约成本和提高效率，常在一块晶圆上制作几千个IC芯片阵列，先利用激光对晶圆表面预开槽，再利用划片刀将单个芯片分离，以便于后续封装工序。晶圆的减薄与划片在整个加工工序中至关重要，也是所有工序中对金刚石工具要求较高的环节。

参考资料：

1、《半导体加工用金刚石工具现状》

2、郑州千磨官网

3、超硬材料综合网