半导体业用高效精密磨具的国产化进程精.docx
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半导体业用高效精密磨具的国产化进程精
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半导体业用高效精密磨具的国产化进程
刘明耀1,2陈峰1,2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、
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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
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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
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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:
D30.0-305.0mm,T≥0.20mm。
根据结构形式的不同,厚度尺寸公差:
整体片可达±0.002mm,基体片可达±0.005mm;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
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<0.015mm
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
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。
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
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
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。
图11、D型陶瓷吸盘
图12、G型陶瓷吸盘
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
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
(DI、DII型)及手持式修整板(DIII型),适用于不同厂家的4~8英寸减薄机。
图14DI型修整板
图15DII型修整板
图16DIII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,
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,男,教授级高工,享受国务院政府特殊津贴专家,郑州磨料磨具磨削研究所副所长,国家超硬材料及制品工程技术研究中心副主任,全国磨料磨具标准化技术委员会主任委员。
从事超硬材料制品研究开发二十余年。
陈峰,男,教授级高工,郑州磨料磨具磨削研究所副总工程师,制品三部主任,全国磨料磨具标准化技术委员会超硬材料及制品分会副主任委员,从事超硬材料制品研究开发十余年。
邱丽花,女,高工,郑州磨料磨具磨削研究所制品二部主任,从事超硬材料制品研究开发二十年。
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- 半导体 高效 精密 磨具 国产化 进程