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标题: 用于半导体材料切割的切割设备概况 [打印本页]

作者: tmsystem 时间: 2008-8-18 20:40
标题: 用于半导体材料切割的切割设备概况
用于半导体材料切割的切割设备概况

概述

　　为了提高IC生产线的生产效率，降低生产成本，IC生产线所需硅圆片直径不断增大。为了满足硅圆片加工的需要，硅片切割设备一方面向大片径化方向发展，另一方面向高精度、高自动化及高智能化方向发展。

　　从世界半导体工业的发展来看，八十年代中期普遍使用150mm圆片，该生产线于1996年发展到鼎盛时期，当时150mm硅片消耗量为世界圆片消耗量的50%。1990年开始应用200mm圆片，该生产线将于2003年达到高峰。于此同时，300mm圆片生产线已于1995年建成试验性生产线。从世界范围来看，目前已有相当一些IC制造商、设备供应商和半导体供应商完成了向300mm圆片工艺水平的过渡。但是，硅圆片切割设备技术的发展在IC生产线建线技术中走在时间的前列。纵观世界IC生产线的发展，发展速度之快，技术更新日新月异，给人耳目一新的感觉。

　　由于集成电路制造工业的重要性，世界各国都比较重视，都积极大力发展各自的IC制造工业。IC器件的基础性材料是半导体硅单晶材料，因此，世界各国对硅单晶材料的消耗量反映了一个国家的IC制造业的规模和工艺水平，同时各国硅材料生产及硅圆片生产水平也代表了一个国家IC工业的材料基础的实力。

　　由于国家的高度重视和积极扶持，我国半导体产业正在快速发展。2001年在国际电子制造业的不景气情形下，我国电子制造业是同期GDP的3倍。我国电子市场在全球市场中所占的份额由1996年的2.3%上升到2000年的6.9%；同时世界集成电路的平均单价为2.6美元，我国集成电路平均单价由0.4美元升至0.5美元。我国IC工业具有发展数量的空间和具有发展技术的空间，这两大空间，决定了我国在今后一段时期内IC产业保持快速发展。当前，我国拥有8家集成电路芯片制造企业，其中2家采用200mm生产线。正在建设和计划建设的生产线包括：北京信创（150mm）、首钢华夏（200mm）、上海先进（200mm）、上海贝岭（200mm）和杭州士兰（150mm）等，这些生产线2～3年内可望建成投产。

　　拿深圳、上海两地为例：深圳计划在3～5年内建成8～15条前工艺生产线。上海计划于2005年前，先行完成4条8～12英寸晶圆生产线，以实现年产240万片，产能1.1亿平方英寸的生产目标。

　　以上项目的建设，为硅材料加工行业提供了广阔的市场。以上海规划年产240万片为例，240万片折合200mmCZ法单晶硅片240吨（这一数据为日本2001年晶圆单晶硅产量的十分之一，2001年日本晶圆单晶硅产量为2153吨）。从目前国内硅圆片加工行业来看，在我国具有相当规模的半导体材料生产及加工企业中，其单晶硅年产量徘徊在50吨的水平，并且其生产的硅圆片的数量，较多集中在125mm圆片的加工范围。

图片切割设备技术概况

　　硅圆片的加工方法一直延用以下工艺过程：

　　晶棒成长——晶棒裁切与检测——外径滚磨——切片——圆边（倒角）——表层研磨——蚀刻——去疵——抛光——清洗——检验——包装

　　硅圆片切片工艺过程中多应用内圆切割技术，该技术于二十世纪七十年代末发展成熟。

　　随着硅圆片直径的增大，内圆切割工艺中所需内圆刀片尺寸增大，刀片张紧力也相应增大。同时刀片刃口的加厚增加了切割损耗，高速切割使硅片表面的损伤层及刀具损耗加大。这些缺点使内圆切割技术在大片径化方向中提高效率，降低生产成本受到制约。加之当时内圆刀具制作上的困难，基于这种情况，国际上又发展了一种多线切割（后简称线切割）技术工艺方法。

　　1.内圆切割技术与线切割技术分析

　　200mm以上规格硅单晶圆片切割加工可采用内圆切割技术或线切割技术两种切割方式。在硅圆片规模化生产中，线切割技术作为主流加工方式，逐步取代传统的内圆切割技术方式。但在所有硅材料切片加工中，内圆切割技术与线切割技术在实际应用中互为补充而存在。

　　众所周知，随着硅圆片直径的增大，内圆切割技术的缺点使硅片表面的损伤层加大（约为30～40微米）。线切割技术优点是效率高（大约为内圆切割技术的6～8倍。在8小时左右切割过程中一次可切出400圆片左右）。切口小，硅棒切口损耗小（约为内圆切割技术的60%，这相当于内圆切片机切割6片圆片而节约出1块圆片），切割的硅片表面损伤层较浅（约为10～15微米），片子质量人为因素少。

　　但线切割技术同内圆切割技术相比有其明显的弱点，一是片厚平均误差较大（约为内圆切割技术2倍）。二是切割过程中智能检测控制不易实现。三是切割过程的成功率要求较高，风险大，一但断丝而不可挽救时，直接浪费一根单晶棒。四是不能实现单片质量控制，一次切割完成后，才能检测一批圆片的切割质量，并且圆片之间切割质量也不相同。在这些方面，内圆切割技术却显示出其优越性来。具体表现在：（1）切片精度高。（2）切片成本低，同规格级的内圆切片机价格为线切割机价格1/3～1/4，线切割机还需配置专用粘料机。（3）每片都可调整。（4）小批量多规格加工时灵活的加工可调性（5）自动、单片方式切换操作方便性。（6）低成本的辅料（线切割机磨料及磨料液要定时更换）。（7）不同片厚所需较小的调整时间。（8）不同棒径所需较小的调整时间。（9）修刀、装刀方便。八十年代中后期人们普遍认为：随着硅晶片大片径化发展，线切割技术是硅片切割的主流技术，在规模化晶圆片切割中将取代内圆切割技术。因此人们加大了对200mm以上线切割机的研究，以解决其技术不足。例如1996年7月，日本日平外山公司研制成功300mm晶圆片线切割机（MNM444）。

　　但是作为成熟工艺技术的内圆切割技术在大直径化发展方向上并没有失掉其有利的地位，并随着IC器件大片径化发展同时其技术不断创新。1998年1月，日本旭日金刚石工业公司推出T—SM —300内圆切片机，标志着内圆切割技术又上了一个新的台阶。可喜的是，这种设备在刀片直径增大情况下，仍采用较小的刀口厚度（0.38mm）。从相对意义而言，这种较小的刀口厚度降低了刀口硅材料消耗。并且，该内圆切片机设计制造采用了一系列先进技术，使刀口处宽度变化控制在0.36－0.38mm。这与200mm晶圆片切片加工时的刀口宽度的摆幅变化（0.34－0.38）是一样的。由此可见300mm内圆切割设备制造精度和工作动态精度之高。由于内圆切片机晶棒端磨技术，切割过程中的自动修刀系统及刀片导向系统以及动态检测和自诊断系统等智能化技术的应用，以单片切割质量的控制成为优势条件，使内圆切片机切片质量很高（300mm片子的平均厚度变化差在0.01mm以内），为IC器件提供了优良的晶圆片。同时，机械手自动单片取片也使连续切割的成片率的可靠性为最局。

　　2.圆切割技术与线切割技术在实际应用中互为补充而存在

　　根据实践经验，我们认为：（1）在新建硅圆片加工生产线上，规模在年产量达50吨以上硅单晶加工生产线，并且圆片品种主要针对较大数量集成电路用硅圆片时，切割设备选型可定位在线切割机上，同时大规模、单一硅圆片品种（主要指圆片的厚度规格品种）的太阳能级圆片加工，切割设备选型也可定位在线切割机上。厚度规格品种的多少，直接关系到线切割机排线导轮备件的多少。该排线导轮目前国内无法配套，国外供应商配套，价格较高。频繁更换排线导轮增加了辅助时间，还会增加线丝的浪费。（2）生产规模较小的生产单位或多品种硅圆片生产并具有较大规模的生产单位，在设备选型上，应首先考虑选用内圆切片机。

国内外内圆切片机设备技术概况

　　在国内引进的内圆切片机机型中主要有瑞士M&B公司和日本东京精密株式会社（TOKYO）两公司的内圆切片机机型，这几年随着国外硅片生产公司的设备更新，在国内引进了二手的日本TOYO公司生产的200mm规格的切片机，但数量不是很多。M&B公司以卧式机型为主，TOKYO公司以立式机型为主。在切片机主轴支撑方式上，M&B公司以空气轴承为发展方向.TOKYO公司以滚动轴承和空气轴承两种形式发展。由于以空气轴承支撑的主轴结构的内圆切片机，在技术和制造成本上较高，因而其价格比以滚动轴承支撑的主轴结构的内圆切片机高出近10万美元。因而，TOKYO公司以滚动轴承支撑的主轴结构的切片机为主要发展方向，M&B公司的产品中150mm主流机型有TS23、TS202（TS23增强型）两种。200mm的主流机型有TS205、TS206两款机型。TS205机型主要用于200mm晶棒齐端头、切样片和切断，TS206机型则是集中了内圆切片机所有现有技术的机型。TOKYO公司的TSK系列内圆切片机中，150mm～200mm规格机型有S－LM－227D，S－LM－227DR，S－LM－434E，S－LM－534B机型，其产品档次和技术含量随型号的大小而增加。

　　2002年3月26日～27日在上海国际展览中心举行国际半导体设备与材料展览暨研讨会（SEMICONCHINA　2002）期间，除了M &B公司继续宣传他们的内圆切片机和线切割机外、TOKYO公司没有专项宣传切片机机型，在他们的宣传资料中涉及到切片机内容也不多，这可能与TOKYO产品战略调整有关，TOKYO产品开始涉及到后封装设备，研磨抛光和化学机械抛光领域了。

　　在线切割机方面TOKYO公司抛弃了自行设计的多线锯W－SL－300/－500，转而把瑞士HCT公司多线锯系列作为经营对象。M&B公司内圆切片机同2001年北京展示的相同，仅推荐TS23、TS206两种，TS23机型是在原机型上加装了防护罩，使操作环境变好。TS23机型的生命期己延续了20年之久，该机型在国内用户中也反映良好。内圆切断机为TS205、TS207两种。M&B同TSK不同，该公司一直从事材料切割技术研究工作。

　　国内在内圆切片机研制中仅有信息产业部电子第四十五研究所。其内圆切片机机型在国内硅片切割行业应用的范围涵盖了从Φ50到Φ200mm图片的切片加工，QP－613机型应用范围为中Φ125mm～Φ150mm圆片切割加工，QP－816机型应用于Φ200mm图片切割加工。这些机型技术层次为国外九十年代初期的水平。

　　在以上诸多机型中以TS206，S－LM－534B两种机型集中了当今内圆切片机制造的最高技术。但是需要指出的是，这些主要技术停滞了将近10年。其技术特点主要体现在以下几个方面：

　　（1）精密主轴制造技术：不论是采用空气静压轴承支撑的主轴技术还是以精密滚动轴承支撑的主轴技术，都是保证切片机主轴高精度、高寿命及保证切片质量的关键技术。

　　（2）精密伺服定位技术：这是保证切片机切片厚度均匀、误差小，减少磨片时间的关键技术。

　　（3）机械手技术：保证切片后可靠的取片，减少片子意外损坏的技术。

　　（4）自动检测技术：是刀片导向系统及自动修刀系统应用和单片质量控制的前提条件。

　　（5）CNC控制技术：对机器进行控制及保证自动检测技术应用的一软硬件技术。

　　（6）直流伺机服技术：保证切片质量，提供可靠的驱动动力的技术。

　　（7）精密滚动导轨：保证切片时片子的平行度、翘曲度、粗糙度机械导向技术。

　　（8）端磨技术：提高片子表面弯曲度、翘曲度和表面粗糙度的技术。

国外线切割机设备技术概况

　　国外线切割设备生产厂家主要有日本TAKATORI公司，不二越机械工业株式会社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司、从产品技术角度划分，瑞士的两家公司生产的线切割机水平较高。尤其是HCT公司，该公司自1984年成立以来，专攻线切割机技术，如今己成为业界的技术带头人。

　　TAKATORI公司产品主要有MWS－48SD，MWS－610，MWS－610SD三种，可用于100mm～200m之间半导体材料切割。该公司其他一些线切割设备主要用于截面尺寸较小的磁性材料、光电材料的切割。以上三种线切割机产品中都属于三轴（导轮）驱动形式，MWS－610SD采用材料向下运动切割方式。这二种线切割机线丝存线长度不超过150Km。不二越机械工业株式会社线切割机主要有FSW－150型。三轴（导轮）驱动形式，可切割150×150方型材料（主要针对太阳能光电硅材料切割），存线长度不超过150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圆片线切割机MNM444B和MWM454B两种。三轴（导轮）驱动形式，存线长度达400Km。瑞士M&B公司在原DS260线切割机基础上研制出DS261、DS262、BS800三种机型。其中DS262机型是专为太阳能级硅片切割设计的，该机型一次可切四根单晶棒料。其最大生产效率为一次自动切割过程中能切制出圆片4400片。BS800机型是带锯切割方型材料的设备。

　　M&B公司线切割机主要用于200mm硅圆片和太阳能级硅片的切割加工，四轴（导轮）驱动形式，大大增强了工作台的承料面积。

　　瑞士的HCT公司成立于1984年，这个时期正是线切割机的酝酿时期。HCT公司生产的线切割机主要有E400SD、E500SD、E500ED－8、E400E－12四种，其中E400SD、E500S两种机型主要适用于太阳能级硅图片加工，最大加工到150mm。E500ED－8，E400E－12适用于半导体圆片加工生产，E500ED－8为200mm设备，E400E－12为300mm设备。HCT公司与M&B公司线切割机设备主要以四轴（导轮）驱动形式设计，这样可以增大工作台的面积，增大切割能力。

　　线切割机所采用的技术可以概括为以下几方向：

　　（1）高精度三轴或四轴排线导轮驱动装置技术。

　　（2）线丝张紧力自动控制系统技术。线丝张紧力保持一定张力，是保证切割表面质量的主要因素。

　　（3）切割进给伺服系统。配合线丝张力自动控制系统的作用，保证在不断丝条件下实现切割的高效性。

　　（4）排线导轮的制造、翻新及耐用度技术。

　　（5）磨料的混合供给及分离技术。旨在提高磨料的适用寿命，降低生产成本。

　　（6）自动排线功能。以节约人工手动布线的时间，减小布线错误，降低劳动强度，提高切割效率。

　　以上技术的采用，力求使线切割机以合理的结构设计，较高的运动及位置精度，有效的控制及监控功能，较大的适应性，来实现较高的切割效率和效益。

　　以上篇幅但愿能为从事半导体材料加工的同仁在选材料切割设备方面有一点有益的帮助。

作者: yuanshli 时间: 2008-9-14 21:53
好啊！谢谢了！

作者: yuanshli 时间: 2008-9-15 08:20
好啊！谢谢了！

作者: 二一开 时间: 2008-10-25 13:57
真是好帖子啊，收藏了看

作者: myspic 时间: 2009-1-4 20:16
资料详细,谢谢,国内有没有生产线切割机的呀?

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