探秘金剛石在半導體加工中的應用及行業(yè)現(xiàn)狀

隨著科技的不斷進步，半導體行業(yè)已成為推動全球經(jīng)濟和技術發(fā)展的關鍵領域。半導體器件是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心組成部分，從智能手機到超級計算機，都離不開高性能的半導體芯片。然而，隨著器件的尺寸越來越小，加工精度要求越來越高，傳統(tǒng)的加工工具和方法已無法滿足現(xiàn)代半導體制造的需求。金剛石工具因其優(yōu)異的物理特性，如超高硬度和熱導率，逐漸成為半導體加工中的重要工具，特別是在高精度和高穩(wěn)定性要求的加工環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。

半導體加工是一個復雜的多步驟工藝，包括晶圓制造、光刻、刻蝕、沉積、化學機械拋光（CMP）等多個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都要求極高的精度和潔凈度，以確保最終芯片的功能和可靠性。隨著半導體技術的發(fā)展，晶體管的尺寸越來越小，這對加工工具的材料和工藝提出了更高的要求。

從工序上分類，半導體材料的前端加工工藝主要包括晶棒剪裁、晶棒滾圓、晶棒切片、晶圓片研磨、晶圓片倒角與磨邊以及晶圓片減薄與拋光；后續(xù)封裝工藝中包含電路制作、拋光、背面減薄以及劃片，這些工序中都離不開金剛石工具的廣泛使用。

晶棒剪裁：在直拉法得到晶棒后，根據(jù)不同產(chǎn)品的要求，使用電鍍金剛石帶鋸或內圓切割刀片對其進行剪裁。由于內圓或外圓切割的效率低、材料損耗大、加工質量較差，因此目前多采用金剛石帶鋸來切割晶棒。

晶棒滾圓：剪裁后的晶棒表面并非規(guī)則的圓柱形，因此需使用電鍍或燒結型金剛石杯形砂輪對晶棒進行滾圓加工，以達到所需的直徑。

晶棒切片：晶棒切片的方法主要包括內圓切割和線切割。與內圓切割相比，線切割具有效率高、切割直徑大、鋸痕損失小等優(yōu)點。目前，硅基半導體主要采用磨料線鋸切割方式，通過高速運動的鋼絲將磨料帶入切割區(qū)，形成三體磨削加工，將晶棒切割成硅片。

晶圓片研磨：切片后晶圓表面可能會受到損傷。為了提高晶圓表面的質量并去除表面損傷層，需使用杯形金剛石砂輪對硅片進行粗磨與精磨。

晶圓片倒角與磨邊：線切割得到的晶圓片邊緣可能會有毛刺、棱角、裂縫或其他缺陷。通過使用槽形小砂輪與磨邊砂輪將晶圓銳利的邊緣修正為弧形，可有效減少和避免后續(xù)工序中晶圓崩邊的可能性。

晶圓片減薄與拋光：晶圓上電路層的有效厚度僅為5~10μm，約占晶圓總厚度的90%。為了保證晶圓片在加工、測試和轉運過程中具有足夠的強度，同時滿足下游企業(yè)對晶圓強度與厚度的要求，需使用金剛石減薄砂輪來控制晶圓片的厚度。

拋光：為去除以上工序引起的損傷層，并對硬陶瓷基體和軟金屬進行高效、高質量的拋光，需進行化學機械拋光（CMP）。在拋光過程中，拋光墊會形成磨光層，嚴重影響拋光效率和精度。因此，需使用金剛石化學機械拋光墊修整器對拋光墊進行加工，以保持拋光墊的平坦表面和正常粗糙度。

背面減薄：在電路制作完成后，為了促進芯片散熱、延長芯片壽命并縮小體積，需使用背面減薄砂輪對晶圓片進行減薄處理。

劃片：為節(jié)約成本和提高效率，企業(yè)通常在一塊晶圓上制作幾千個IC芯片陣列。首先利用激光對晶圓表面進行預開槽，然后使用劃片刀將單個芯片分離，以便于后續(xù)的封裝工序。晶圓的減薄與劃片是整個加工過程中至關重要的環(huán)節(jié)，對金剛石工具的要求極高。

? ?行業(yè)現(xiàn)狀

近年來，國內半導體加工用金剛石工具與裝備的發(fā)展取得了顯著進步。在這一領域，國產(chǎn)金剛石工具已經(jīng)開始在市場中顯現(xiàn)出競爭力。一些國內企業(yè)，例如鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司、蘇州賽爾科技有限公司、上海新陽半導體材料股份有限公司、南京三超新材料股份有限公司和鄭州琦升精密制造有限公司等，它們的產(chǎn)品在加工質量和效率方面已經(jīng)能夠與進口產(chǎn)品相媲美，同時提供了極具競爭力的性價比。

特別是上海新陽半導體材料股份有限公司，其SYB系列金剛石劃片刀采用了先進的沉積技術和精細的物理工藝，對金剛石顆粒的尺寸和形貌進行了優(yōu)化篩選，并對金剛石在刀片上的濃度、均勻度、集中度進行了調整，同時對鎳基結合劑進行了創(chuàng)新工藝處理，使得產(chǎn)品在切割精度、連續(xù)切割能力和使用壽命等方面表現(xiàn)出色，與國外同類產(chǎn)品相比具有很高的性價比。

南京三超新材料股份有限公司則專注于金剛石、立方氮化硼工具的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，其產(chǎn)品廣泛應用于硬脆材料的精密加工，包括半導體加工領域。

盡管國產(chǎn)金剛石工具在技術進步和市場占有率方面取得了一定成就，但與國際先進水平相比，仍存在差距。特別是在高端產(chǎn)品的加工需求上，國產(chǎn)工具的市場占有率相對較低，高端半導體加工企業(yè)仍然傾向于使用進口工具。這主要是由于技術壁壘、創(chuàng)新力度不足以及產(chǎn)業(yè)上下游合作不足等因素造成的。

國際市場上，日本DISCO公司是全球最大的劃片機供應商，其減薄機在市場中占據(jù)主導地位，能夠針對100μｍ以下厚度的晶圓進行精密研磨。DISCO的DF8540減薄機以其質量小、可靠性高、精度高等特性而受到市場的青睞。此外，DISCO、東京精密株式會社和以色列ADT公司（已被先進微電子有限公司收購）是全球晶圓切割裝備的三大供應商，他們的設備在中高端市場具有顯著的影響力。

隨著技術的進步和市場需求的增長，國內外企業(yè)在晶圓減薄和劃片設備領域的競爭將更加激烈，同時也為半導體加工技術的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

展望未來，隨著中國半導體行業(yè)的持續(xù)增長，金剛石工具的需求也將穩(wěn)步上升。為了縮小與國際先進水平的差距，中國企業(yè)需要加大研發(fā)投入，提升生產(chǎn)工藝，特別是在高純度金剛石材料的制備和超高精度工具的制造方面。同時，政府和行業(yè)組織也應加強對這一領域的支持，推動技術創(chuàng)新和國際合作。

在國際市場上，隨著半導體技術的發(fā)展和需求的增加，金剛石工具的應用范圍將進一步擴大。未來，高性能金剛石工具將不僅僅用于傳統(tǒng)的半導體加工，還可能在新興領域，如量子計算、5G通信以及人工智能芯片制造中發(fā)揮重要作用。這一趨勢將為中國企業(yè)提供更多的發(fā)展機遇，但同時也將帶來更大的挑戰(zhàn)。