摘 要

       在芯片制程的后道階段，通過超精密晶圓減薄工藝可以有效減小芯片封裝體積，導(dǎo)通電阻，改善芯 片的熱擴散效率，提高其電氣性能、力學(xué)性能。目前的主流工藝通過超細粒度金剛石砂輪和高穩(wěn)定性超精 密減薄設(shè)備對晶圓進行減薄，可實現(xiàn)大尺寸晶圓的高精度、高效率、高穩(wěn)定性無損傷表面加工。重點綜述 了目前超精密晶圓減薄砂輪的研究進展，在磨料方面綜述了機械磨削用硬磨料和化學(xué)機械磨削用軟磨料的 研究現(xiàn)狀，包括泡沫化金剛石、金剛石團聚磨料、表面微刃金剛石的制備方法及磨削性能，同時歸納總結(jié) 了軟磨料砂輪的化學(xué)機械磨削機理及材料去除模型。在結(jié)合劑研究方面，綜述了金屬、樹脂和陶瓷 3 種結(jié) 合劑的優(yōu)缺點，以及在晶圓減薄砂輪上的應(yīng)用，重點綜述了目前在改善陶瓷結(jié)合劑的本征力學(xué)強度及與金 剛石之間的界面潤濕性方面的研究進展。在晶圓減薄超細粒度金剛石砂輪制備方面，由于微納金剛石的表 面能較大，采用傳統(tǒng)工藝制備砂輪會導(dǎo)致磨料發(fā)生團聚，影響加工質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)論述了溶膠–凝 膠法、高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法、電泳沉積法、凝膠注模法、結(jié)構(gòu)化砂輪等新型工藝方法在超細粒度砂輪制備方 面的應(yīng)用研究，同時還綜述了目前不同的晶圓減薄工藝及超精密減薄設(shè)備的研究進展，并指出未來半導(dǎo)體 加工工具及裝備的發(fā)展方向。

       隨著新能源汽車、軌道交通、消費電子等行業(yè)的 快速發(fā)展，市場對于高端芯片和功率器件的性能和需 求越來越高。電子信息制造是集成全球前瞻技術(shù)、帶 動范圍最廣的產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體材料作為集成電路的重要 載體，推動著當(dāng)今經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。半導(dǎo)體 器件的性能與材料的禁帶寬度密切相關(guān)，根據(jù)材料自 身的特性，劃分為 4 代半導(dǎo)體，它們在整個市場的細 分領(lǐng)域中都有著各自的應(yīng)用范圍，相互之間又存在交 集。其中，第 1 代半導(dǎo)體硅憑借其技術(shù)成熟度較高且 成本較低等優(yōu)勢占據(jù)了低壓市場；碳化硅等第 3 代半 導(dǎo)體具有整體耐高壓、熱導(dǎo)率高等特點，廣泛應(yīng)用于 高壓和高頻器件等中壓市場；第 4 代半導(dǎo)體氧化鎵在 臨界電場強度和禁帶寬度方面占有絕對優(yōu)勢，可應(yīng)用 于高壓、電力電子等領(lǐng)域。硅、砷化鎵、碳化硅、 氮化鎵、氧化鎵等各類半導(dǎo)體材料的特性對比如圖 1 所示。硅、碳化硅等晶圓襯底是典型的硬脆難加工材料，加工后其晶片表面質(zhì)量和表面精度決定著半導(dǎo)體 器件的性能，晶圓表面必須超平坦、表面晶格完整無 缺陷、無表面損傷，才能滿足后續(xù)的使用要求。在芯片制程過程中，晶圓減薄主要涉及襯底減薄及晶圓 背面減薄等工藝。目前，晶圓襯底制造過程中的減薄 磨拋工藝主要有 2 種，分別為雙拋工藝和研削減薄工 藝。在晶圓襯底減薄過程中雙拋工藝和研削減薄工藝的路線如圖 2 所示。

       1）襯底雙拋工藝。其中，DMP（Diamond Mechanical Polishing）采用游離金剛石磨粒研磨的方式對 晶片進行減薄。由于游離磨粒加工的尺寸不同，它對 晶片材料的去除方式可為二體摩擦或三體摩擦，游離 磨料在研磨盤表面隨機分布，且研磨軌跡不一致，會 在晶片表面殘留分布不均勻的磨痕，造成亞表面損 傷，出現(xiàn)微裂紋，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)晶片平面度超差、尺寸重復(fù)性較差等問題。在研磨減薄過程中需使用大 量的金剛石磨料，資源消耗量較大。在研磨后，晶片 難以實現(xiàn)精確定位，無法實現(xiàn)自動化。此工藝在 第 1 代半導(dǎo)體硅晶圓襯底制造過程中得到了廣泛應(yīng)用。 

       2）襯底研削減薄工藝。通過超精密晶圓減薄機 配合金剛石減薄砂輪對晶片進行研削減薄。由于砂輪 與晶圓的接觸面積恒定，具有磨削力穩(wěn)定、破片率低、 可實現(xiàn)全流程自動化的特點，適用于大尺寸晶圓（12 英寸硅晶圓、8 英寸碳化硅晶圓等）（1 英寸≈2.54 cm） 及晶錠的減薄磨削。目前，第 3 代半導(dǎo)體材料（如碳 化硅）晶圓的硬度更高、脆性更大、制造成本更高， 在采用傳統(tǒng)的雙拋工藝加工時易出現(xiàn)脆性斷裂、崩 邊、亞表面裂紋等影響器件使役性能的缺陷，嚴(yán)重時 會出現(xiàn)批量碎片現(xiàn)象，因此大多采用研削減薄方式。在芯片背面減薄工藝中，由于晶圓正面電路已經(jīng)制作 完成，并通過 UV 膜進行保護，只可通過研削減薄方 式對背面進行減薄，降低芯片導(dǎo)通電阻，提升芯片的散熱性能。

       晶圓減薄工藝在半導(dǎo)體材料芯片制程中發(fā)揮著 重要作用，一方面通過減薄工藝可以減小芯片整體厚 度，利于散熱和集成化；另一方面可以降低晶圓表面 損傷層厚度和表面粗糙度，釋放由減薄前各工序造成 晶圓內(nèi)部積累的內(nèi)應(yīng)力，降低劃片過程中單顆芯片的 崩壞程度，晶圓減薄一般采用晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削。目 前，行業(yè)內(nèi)大多采用日本進口的超精密減薄設(shè)備及金 剛石減薄砂輪，實現(xiàn)晶圓的減薄，具有高磨削效率、 長壽命、高加工精度、低破片率等優(yōu)點，而國內(nèi)晶圓 減薄設(shè)備及砂輪正處于研發(fā)階段，尚未大規(guī)模替代進 口產(chǎn)品，難以滿足高端使用要求。 

       隨著晶圓全自動化生產(chǎn)線的發(fā)展，全球減薄機市 場規(guī)模逐漸擴大，2022 年減薄機市場規(guī)模已達到 8.3 億美元。國內(nèi)減薄機市場占據(jù)全球 51%的市場份額， 由于國內(nèi)研發(fā)減薄機的時間晚于國外，因此接近 90% 的市場份額被國外減薄機生產(chǎn)廠商（日本 DISCO、 ACCRETECH、OKAMOTO 等）占據(jù)。隨著第 3 代半導(dǎo)體的興起，以及以美國為主的西方國家對國內(nèi) 半導(dǎo)體行業(yè)的打壓，國內(nèi)設(shè)備廠商也迎來了新的機遇 和挑戰(zhàn)，優(yōu)普納、中電科、特思迪等多家企業(yè)已陸續(xù)對減薄機進行研發(fā)生產(chǎn)。經(jīng)減薄磨削后晶圓產(chǎn)品的總 厚度變化值（TTV）在 2 μm 以下，表面粗糙度 Ra 在 3 nm 以下，基本滿足市場需求，實現(xiàn)了國產(chǎn)替代。 

       目前，我國在晶圓超精密減薄砂輪方面與國外存 在一定差距。國外晶圓減薄砂輪生產(chǎn)廠家主要以日本 DISCO 公司、美國 NORTON 公司、日本旭金剛石株 式會社、東京精密株式會社等為主，其中以日本 DISCO 公司和美國 NORTON 公司的金剛石工具市場 占有率較高。日本 DISCO 公司生產(chǎn)的 GS08 系列 減薄砂輪可實現(xiàn)拋光表面粗糙度 Ra 為 1 nm。美國 NORTON 公司生產(chǎn)的 PRISMA 系列碳化硅減薄砂輪 可去除切片晶圓的所有損傷表面，在精磨后晶圓的表 面粗糙度 Ra 為 1.43 nm，TTV 值＜2 nm。國內(nèi)對 半導(dǎo)體加工的研究起步較晚，在晶圓減薄砂輪方面， 國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)包括中國砂輪企業(yè)股份有限公司（臺 灣）、鄭州磨料磨具磨削研究所、蘇州賽爾科技有限 公司、北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司、蘇 州邁為科技股份有限公司等。目前，國產(chǎn)晶圓減薄砂 輪大多以 2000# 為主，在砂輪壽命及晶圓加工質(zhì)量、 效率等方面已達到進口水平，精磨方面的超細粒度金 剛石精磨砂輪正處于研發(fā)階段，尚未大規(guī)模推向市 場。文中針對超精密晶圓減薄砂輪（包括砂輪中的不 同磨料、不同結(jié)合劑及最新砂輪的制備技術(shù) 3 個方面 的研究進展）進行了綜述，總結(jié)了目前國內(nèi)外晶圓減 薄工藝及超精密減薄設(shè)備的研究進展。

        1 晶圓減薄砂輪研究進展

        1.1 機械磨削用硬磨料研究現(xiàn)狀  

        金剛石具有硬度高、導(dǎo)熱性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等 優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的切割、磨削加工等 領(lǐng)域。其中，在晶圓的減薄加工過程中，為了獲得低 損傷、超平坦、無缺陷的晶圓表面，通常需要使用微 納米級別的金剛石微粉制備晶圓減薄砂輪。目 前，行業(yè)內(nèi)大多采用單晶金剛石微粉制備減薄砂輪， 但它存在磨削刃單一、砂輪整體鋒利性不足，在晶圓 減薄加工過程中會出現(xiàn)砂輪壽命低、加工效率低、精 度差等問題。為了增強砂輪的整體鋒利性，目前國內(nèi) 外針對金剛石磨料進行了表面改性研究，實現(xiàn)了金剛 石表面微區(qū)多刃化，延長了砂輪的整體壽命，增強了 鋒利性，研究主要集中在納米金剛石泡沫化處理、金 剛石團聚磨料及表面多微刃化處理等方面。 

        1）泡沫化金剛石。泡沫化金剛石使得金剛石表 面和內(nèi)部形成了多孔結(jié)構(gòu)，增加了金剛石的比表面 積，提高了金剛石磨具的自銳性，能夠有效降低磨削 損傷，提高表面加工質(zhì)量。湖南大學(xué)的李建偉等采用 Fe 和 Fe2O3 粉末的混合物作為腐蝕劑，使用熱 化學(xué)腐蝕法制備了一種新型泡沫化金剛石。如表 1 所 示，通過對比普通金剛石漿料和泡沫化金剛石漿料在 藍寶石襯底上的磨削實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用泡沫化金剛 石作為研磨劑時，藍寶石襯底的去除率提高了約 26%，表面粗糙度 Ra 降低了約 31%。日本工業(yè)大學(xué) 的張丹陽提出一種新型多孔骨架的聚晶金剛石砂 輪，通過電火花加工去除了 PCD 中的鈷黏結(jié)劑，實 現(xiàn)了整體泡沫化。如圖 3a 所示，經(jīng)新型砂輪磨削后， 工件的表面粗糙度 Ra 可達到 0.02 μm。鄭州磨料磨具 磨削研究所有限公司的范波等將金剛石表面的微 米級夾雜鈦化合物通過氧化處理和酸處理的方法獲 得了泡沫化結(jié)構(gòu)金剛石。如圖 3b 所示，泡沫化結(jié)構(gòu) 金剛石不僅具有良好自銳性，還具有較好的熱沖擊韌 性和低靜壓強度。綜上所述，與普通金剛石相比，泡 沫化金剛石具有比表面積高、孔體積大等優(yōu)點，以及 良好的自銳性能，其鋒利性得到顯著提高，有助于降 低工件的表面加工損傷，提高加工效率，獲得更好的 磨削效果。 

        2）金剛石團聚磨料。金剛石團聚磨料由結(jié)合劑、 金剛石、潤濕劑等原料制備而成，可提高加工質(zhì)量， 減少工件亞表面損傷，具有良好的自我修整能力。湖 南大學(xué)的張威采用離心噴霧干燥法制備了團聚金剛石，探究了漿料的固含量、霧化器的離心轉(zhuǎn)速、進 料速度等對金剛石團聚磨料性能的影響，并與 3M、 國產(chǎn)某型號等團聚金剛石研磨墊進行了對比磨削試 驗。如圖 4a 所示，對比了不同種類研磨墊的切削時 間，自制的金剛石團聚磨料研磨墊相較于目前國產(chǎn)的 研磨墊，其單件加工效率提高了 41.67%，劃傷率降 低了 8%，工件表面粗糙度降低了 10.6%，但在劃傷 率和工件粗糙度等性能指標(biāo)上與 3M 還存在一定差 距。南京航空航天大學(xué)的陳佳鵬等[20]開發(fā)了一種新型 聚集體金剛石磨料，相較于傳統(tǒng)固結(jié)磨料，其加工效 率提高了 100%，被加工藍寶石的表面粗糙度降低了 50%。單晶金剛石和聚集體金剛石多次試驗的平均材 料去除率和體積材料去除率如圖 4b 所示，聚集體金 剛石的平均材料去除率相對穩(wěn)定，而單晶金剛石在與 晶圓的摩擦磨損過程中，該比率呈下降趨勢，聚集體 金剛石的比例更接近于 100%。南京航空航天大學(xué)的 王子琨等使用團聚磨料制備了 W50 單晶金剛石、 W10 單晶金剛石、聚集體金剛石 3 種類型的研磨墊， 其平均粗糙度曲線變化如圖 4c 所示，隨著研磨時間 的增加，團聚磨料加工的工件表面粗糙度穩(wěn)定。與普 通單晶金剛石相比，團聚金剛石磨料的粗糙表面可以 有效提高基體的把持力，使得磨粒的切削深度更加穩(wěn) 定，加工后工件表現(xiàn)出更高的材料去除率和更低的加 工表面粗糙度。磨屑尺寸分析結(jié)果表明，團聚磨料傾 向于微觀斷裂，可極大地提高產(chǎn)品的壽命。

       3）表面微刃金剛石。鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院的 許坤等[22]提供了一種多刃金剛石磨粒制備方法，金剛 石微粉通過表面敏化、活化、表面鍍覆、高溫處理、 快速冷卻保溫和除雜等工序后可獲得表面微刃金剛 石，制備的表面為微刃金剛石磨粒，如圖 5a 所示。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的陳強、楊雪峰等采用低溫 燒結(jié)方法成功制備了表面微刃化金剛石。通過探究燒 結(jié)溫度、燒結(jié)時間、金剛石粒度、氧氣通入量及氧氣 接觸表面積獲得了表面微刃化金剛石的最佳制備工 藝參數(shù)。針對碳化硅晶片進行了磨削實驗，結(jié)果表明， 相較于普通金剛石，其材料去除率提高了 1.1 倍，磨 削后的碳化硅晶片表面粗糙度降低了 76%，提高了對 碳化硅晶片的磨削效率，制備的 M35/55、M2/4 微刃 化金剛石如圖 5b、c 所示。湖南大學(xué)的李歷陽等研究了熔融硝酸鉀刻蝕金剛石表面的形貌，探討了刻 蝕凹坑的形成機理。在金剛石顆粒的(111)面和(100) 面上分別形成了倒金字塔形和方形凹坑。在(100)面上 蝕刻凹坑的尺寸和深度明顯小于(111)面的尺寸和深 度，表明(100)面的穩(wěn)定性更高，這是由于氧官能團對 結(jié)構(gòu)具有吸收作用。金剛石(100)面經(jīng)不同蝕刻時間后 的表面形貌如圖 5d~f 所示，在較低的蝕刻溫度(600 ℃) 下，隨著刻蝕時間的增加，(100)面上首先形成了正方 形凹坑，然后逐漸變?yōu)榘诉呅伟伎印＿@種形狀的變化可歸因于金剛石（100）面上原子的構(gòu)型和蝕刻過程 中熔鹽的氧含量變化。當(dāng)蝕刻溫度達到 700 ℃時， 優(yōu)先形成的方形凹坑邊緣方向與后來形成的方形坑 邊緣方向的角度為 45°，表明局部氧壓會影響金剛石 表面和蝕刻方向的穩(wěn)定。與普通金剛石微粉相比，多 刃金剛石具有更多的微切削刃，能夠顯著增強結(jié)合劑 對金剛石的把持能力，從而顯著提高了金剛石工具的 磨削性能和使用壽命。 

       1.2 化學(xué)機械磨削用軟磨料的研究現(xiàn)狀  

       化學(xué)機械磨削（Chemical Mechanical Grinding， CMG）是將化學(xué)反應(yīng)與機械磨削結(jié)合的復(fù)合工藝。相較于純機械作用加工硬脆材料和化學(xué)機械拋光， CMG 具有加工質(zhì)量高、加工效率高等特點。利用 CMG 加工晶圓具有更好的表面質(zhì)量、面形質(zhì)量、亞 表面質(zhì)量，且加工集成度和效率更高。通過研制軟磨 料砂輪（Soft Abrasive Grinding Wheel，SAGW）進 一步增大了 CMG 的優(yōu)勢，磨粒常采用二氧化鈰（CeO2） 或其他軟磨料，易與晶圓發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn) CMG 復(fù)合工藝在晶圓減薄中的應(yīng)用。 

       日本茨城大學(xué)周立波首次提出化學(xué)機械磨削 概念，證實能夠減少亞表面損傷和晶體缺陷，但無法 衡量由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的材料去除率，以及無法區(qū)分化 學(xué)和機械的獨立作用，并于 2006、2009 年在化學(xué)機 械磨削的基礎(chǔ)上，通過研制氧化鈰（CeO2）磨料與酚 醛樹脂結(jié)合劑軟磨料砂輪，進一步減小了砂輪的加工 損傷。大連理工大學(xué)金釗研制了主料分別為 Fe2O3、 CeO2、MgO 的 3 種硅片軟磨料砂輪，利用開發(fā)的 3 種軟磨料砂輪對單晶硅片進行了磨削試驗。結(jié)果表 明，軟磨料砂輪具有十分穩(wěn)定的磨削性能和加工精 度。北京空間機電研究所金釗等[27]在分析軟磨粒砂輪 的化學(xué)機械磨削基礎(chǔ)上，研制了主磨料分別為 Fe2O3、 MgO 的杯形軟磨料砂輪，經(jīng)化學(xué)機械磨削后工件的 表面粗糙度為 0.568 nm，達到了化學(xué)機械拋光的加工 效果，且表面損傷深度趨于 0。 

       大連理工大學(xué)王紫光等研制了一種用于硅片 化學(xué)機械磨削加工的新型常溫固化結(jié)合劑軟磨料砂 輪，經(jīng)加工后硅片的表面粗糙度 Ra<1 nm，亞表面損 傷深度<30 nm。隨后又制備了氧化鈰復(fù)合磨料砂輪和 氯氧鎂結(jié)合劑軟磨料砂輪，同時研究了單晶硅的材料 去除機理和磨削工藝特點，采用該砂輪和工藝加工的 超精密磨削單晶硅基板的面形 PV 值達到 1.41 μm， 表面粗糙度 Ra 為 0.7 nm，表面損傷層深度<30 nm[29]。大連理工大學(xué)牟宇[30]研發(fā)了一種以 SiO2 為磨粒的樹脂結(jié)合劑濕式軟磨料砂輪，磨削后硅片的表面粗糙度 僅為 0.95 nm。2022 年，大連理工大學(xué)張瑜等[31]根據(jù) 濕式機械化學(xué)磨削單晶硅的加工原理和要求，制備出 以二氧化硅為磨料、以改性耐水樹脂為結(jié)合劑的新型 軟磨料砂輪，加工后硅片的表面粗糙度 Ra 為 0.98 nm， 亞表面損傷層深度為 15 nm。華僑大學(xué)覃柏渝制備 了固結(jié)軟/硬磨料丸片組合研磨盤，經(jīng)加工后藍寶石 晶圓的表面粗糙度 Ra 為 7 nm，PV 值為 1.02 μm，亞 表面損傷深度為 3~7 μm。 

       目前的研究表明，半導(dǎo)體材料的硬度高、脆性大， 采用傳統(tǒng)機械去除加工時，易出現(xiàn)脆性斷裂、崩邊、 亞表面裂紋等影響器件使役性能的加工缺陷。將化學(xué) 機械磨削方法用于半導(dǎo)體晶圓材料加工，材料去除模 型如圖 6 所示[27]。借助軟磨料固結(jié)磨具與工件間的化 學(xué)反應(yīng)弱化材料去除難度，在工件表面生成一層軟質(zhì) 的中間產(chǎn)物，砂輪能快速將軟質(zhì)層去除，且不會損傷 鈍化層下的晶體結(jié)構(gòu)，大大提高了效率，獲得了納米 級面形精度，實現(xiàn)了高質(zhì)量低損傷加工。相較于傳 統(tǒng)機械磨削方式，采用軟磨料機械化學(xué)磨削的方式磨 削后，半導(dǎo)體基片的表面/亞表面質(zhì)量遠優(yōu)于傳統(tǒng)金 剛石砂輪，接近化學(xué)機械拋光的加工水平，實現(xiàn)了半 導(dǎo)體基片的低損傷磨削加工。

       1.3 晶圓減薄砂輪結(jié)合劑的研究現(xiàn)狀  

       通常砂輪的組織結(jié)構(gòu)由三要素組成：磨料、結(jié)合 劑、氣孔，其中結(jié)合劑是影響減薄砂輪性能和磨削 效果的重要因素之一。在磨削過程中，通過調(diào)控結(jié)合 劑的強度可實現(xiàn)磨料高強度把持和表面磨粒自銳的 有機統(tǒng)一。目前，國內(nèi)外減薄砂輪在結(jié)合劑方面的差 距較大，國產(chǎn)結(jié)合劑在異相材料潤濕性、流動性及力 學(xué)強度方面與國外的差距明顯，會影響晶圓減薄砂輪 整體組織均勻性、強度、鋒利性及使用壽命。目前， 砂輪中的結(jié)合劑包括金屬結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑、陶瓷 結(jié)合劑。由于金屬結(jié)合劑本身的強度過高，導(dǎo)致砂輪 整體的自銳性較差，部分適用于晶圓的粗磨工藝。樹 脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑的整體適用性較高，可用于各 類半導(dǎo)體晶圓的粗磨/精磨超精密減薄工藝。 

       樹脂結(jié)合劑具有本身磨削力小、一定彈性、磨削 溫度低等優(yōu)點，在硬質(zhì)合金與半導(dǎo)體晶片等硬脆材料 的超精密磨削加工方面得到廣泛應(yīng)用。其中，酚醛樹 脂和聚酰亞胺樹脂是晶圓減薄砂輪的常用原料，它具 有耐熱性好、抗壓、抗彎強度高等特點?；跇渲?身的材料特性，它存在耐熱性差、易氧化分解、與金 剛石潤濕性差、不能承受重負載磨削等缺點，因此金 剛石的粒度一般超過 2 μm，在制備超細粒度金剛 石砂輪方面存在很大的局限性。

       在晶圓減薄磨削加工過程中，晶圓亞表面損傷層 是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。研究表明，晶圓的亞表 面損傷層厚度約為金剛石磨料粒徑的一半。為了降 低晶圓減薄后的亞表面損傷，獲得更好的晶圓加工質(zhì) 量，高端產(chǎn)品往往會使用 30000# 的超細金剛石微粉砂 輪。由于金屬、樹脂結(jié)合劑磨具在超細粒度砂輪方面 存在局限性，因此陶瓷結(jié)合劑是制備超精密晶圓減 薄砂輪的首選。與金屬、樹脂結(jié)合劑相比，陶瓷結(jié) 合劑具有強度高、硬度高、耐磨性好、氣孔率可調(diào)、 熱膨脹系數(shù)與金剛石匹配、與金剛石的界面潤濕性好 等優(yōu)點。 

       磨具的力學(xué)強度在很大程度上取決于結(jié)合劑的 本征性能。為了提高磨具的力學(xué)強度，許多學(xué)者對陶 瓷結(jié)合劑進行了改性。不同因素對結(jié)合劑強度的影響 如圖 7a、b 所示。Han 等研究了不同含量 WO3 對 SiO2-B2O3-Al2O3-CaO 體系陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)和性能的 影響。如圖 7a 所示，在燒結(jié)溫度低于 680 ℃時，結(jié) 合劑的強度會隨著 WO3 含量的增加而增大。這是由 于 WO3 含量的增加會使[BO4]四面體減少，[BO3]三角 體和 CaWO4 含量增加，而 W6+的電場強度高，能促 進整體玻璃網(wǎng)絡(luò)的聚集，其抗彎強度也隨之增加，最 大值達到 114 MPa。Shi 等[41]探究了不同含量的 Al2O3 對陶瓷結(jié)合劑性能的影響。研究表明，在 SiO2-B2O3-  Al2O3-CaO 系陶瓷結(jié)合劑中引入 Al2O3 能有效抑制結(jié) 晶和相分離，增強結(jié)合劑玻璃網(wǎng)絡(luò)的集聚作用，提高 玻璃網(wǎng)絡(luò)的整體強度。如圖 7b 所示，隨著 Al2O3 含 量的增加，結(jié)合劑試樣的強度隨之降低，                當(dāng) Al2O3 的 質(zhì)量分數(shù)為 5%（1# ）時，陶瓷結(jié)合劑的力學(xué)性能最 佳，其抗彎強度達到了 113 MPa。Zhang 等對比研 究了熔融法和溶膠–凝膠法制備 Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 系陶瓷結(jié)合劑的性能差異，在不同溫度下采用溶膠– 凝膠法和熔融法制備的結(jié)合劑抗彎強度如圖 7c 所 示。采用熔融法制備的結(jié)合劑的抗彎強度最大值只有104  MPa，而采用溶膠–凝膠法制備的陶瓷結(jié)合劑由于含 有較多的[AlO4]四面體基團，形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有更高的抗彎強度，最大值達到 137 MPa，同 比增長了約 31.73%。通過制備工藝的優(yōu)化和陶瓷結(jié) 合劑體系配方的調(diào)控均可起到提高結(jié)合劑強度的作 用，其本質(zhì)是促進體系中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，增強玻璃網(wǎng)絡(luò)的集聚作用。 

        結(jié)合劑與金剛石之間的界面潤濕性是衡量砂輪 微觀性能的重要指標(biāo)，良好的界面潤濕性可以有效提 高結(jié)合劑對金剛石的把持力。Chen 等[43]將 V2O5 作為 表面活性劑添加到陶瓷結(jié)合劑中，探究了它對陶瓷結(jié) 合劑潤濕性的影響。金剛石表面的不飽和碳原子與界 面上的釩離子會在燒結(jié)過程中結(jié)合，形成 V—C 化學(xué) 鍵，能有效降低界面張力，從而改善陶瓷結(jié)合劑與金 剛石磨料的潤濕性。V2O5 含量對陶瓷結(jié)合劑和金剛 石磨料潤濕性的影響如圖 8 所示，可以看到 V2O5 的 含量越高，結(jié)合劑的潤濕性越好，金剛石顆粒被牢牢 包裹在結(jié)合劑中。Chen 等采用溶膠–凝膠法在金 剛石表面制備了一層致密的 V2O5 薄膜，金剛石表面 的不飽和碳原子與 V2O5薄膜結(jié)合，形成了 O—V—C、 V—O—C 化學(xué)鍵。在燒結(jié)過程中，V2O5 薄膜會溶解 在陶瓷結(jié)合劑中，這將降低陶瓷結(jié)合劑界面處的表面 張力和耐火度，從而提高陶瓷結(jié)合劑與金剛石的潤濕 性。Guo 等[45]制備了不同含量 Li2O 的陶瓷結(jié)合劑， 不同 Li2O 含量的陶瓷結(jié)合劑與金剛石膜之間的潤濕 圖像如圖 9 所示。隨著 Li2O 含量的增加，結(jié)合劑熔 體與磨料間的接觸角逐漸減小，含有質(zhì)量分數(shù) 5%的 Li2O 的陶瓷結(jié)合劑的接觸角為 32°，結(jié)合劑對磨料 具有較好的潤濕性。這是由于 Li+ 存在于玻璃網(wǎng)絡(luò)的 間隙中，其離子半徑小，易于擴散移動，可以在帶負電荷的金剛石磨料表面富集，降低金剛石的表面 能，從而提高陶瓷結(jié)合劑對金剛石顆粒的潤濕性。影 響結(jié)合劑對金剛石顆粒潤濕性的主要因素是結(jié)合劑 的化學(xué)成分，通過向結(jié)合劑中添加相應(yīng)的活性物質(zhì)， 從而改變結(jié)合劑界面的表面張力，降低金剛石的表面 能，影響其接觸角的大小，實現(xiàn)結(jié)合劑對金剛石的良 好潤濕，提高結(jié)合劑對磨粒的結(jié)合能力。 

        江蘇優(yōu)普納開發(fā)了一種新型微晶增韌陶瓷結(jié)合 劑，能有效改善金剛石與結(jié)合劑之間的界面潤濕性， 提升結(jié)合劑整體強度，從而抑制砂輪磨損。減薄砂輪 及磨削效果如圖 10 所示，研制了 SiC 晶圓減薄專用 的 2000#陶瓷結(jié)合劑金剛石晶圓粗磨減薄砂輪和 30000# 陶瓷結(jié)合劑金剛石晶圓精磨減薄砂輪，經(jīng)磨削 后 6 英寸 4H-SiC 晶圓的表面粗糙度 Ra≤2 nm，TTV 值≤1 μm。

        結(jié)合劑的流動性對金剛石砂輪性能的影響較大。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在改善陶瓷結(jié)合劑流動性能方面 取得了一定進展。Xia 等[46]將 Y2O3 引入陶瓷結(jié)合劑 中，探究它對陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪熱力學(xué)性能的影 響。Y2O3 含量對陶瓷結(jié)合劑流動性的影響如圖 11a 所示，陶瓷結(jié)合劑的流動性先隨著 Y2O3 含量的增加 而顯著增大，然后緩慢提升，并趨于穩(wěn)定。當(dāng) Y2O3 的質(zhì)量分數(shù)為 1.5%時，陶瓷結(jié)合劑的流動性達到 250%。Zhang 等[47]將稀土氧化物（納米 CeO2/ Y2O3） 引入陶瓷結(jié)合劑中，探究了它對結(jié)合劑性能的協(xié)同作 用。如圖 11b 所示，隨著納米 CeO2/Y2O 含量的增加， 陶瓷結(jié)合劑的流動性會先升高后降低。當(dāng)稀土氧化物 的質(zhì)量分數(shù)為 2%時，陶瓷結(jié)合劑的流動性最高，兩 組分別達到 132% 、 129% 。不僅如此，在納米 CeO2/Y2O3 的協(xié)同作用下，可以降低結(jié)合劑的耐火度， 同時獲得了促進結(jié)合劑析晶、彌散強化增韌的效果。由于堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物的自由氧對玻 璃網(wǎng)絡(luò)具有解聚作用，會使結(jié)合劑的流動性得到一定 改善，因此可以降低陶瓷結(jié)合劑的耐火度。同時，由 于納米材料的比表面積大、活化能力強，可以使陶瓷 結(jié)合劑中的能量在晶界之間傳遞，從而迅速提高燒結(jié) 溫度，增強陶瓷結(jié)合劑的流動性。 

       1.4 晶圓減薄超細粒度金剛石砂輪制備方法  

       1.4.1 溶膠–凝膠法  

       溶膠–凝膠法是將作為前驅(qū)體的液相高化學(xué)活性 物質(zhì)與磨料均勻混合，通過發(fā)生水解、縮合等化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的透明溶膠體系。在低溫下，溶膠緩慢 聚合，形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，溶液在凝膠網(wǎng)絡(luò)間失 去流動性，經(jīng)過干燥后，磨料牢牢固結(jié)在凝膠中。Feng 等[49]將金剛石磨粒和填料剪切分散到聚乙烯醇 （PVA）–酚醛樹脂（PF）復(fù)合溶液中，利用溶膠– 凝膠法制備了 PVA/PF 復(fù)合金剛石砂輪。溶膠–凝膠 金剛石砂輪與熱壓金剛石砂輪的斷面顯微形貌如圖 12 所示，可明顯看到，采用溶膠–凝膠法制備的金剛 石砂輪的微觀形貌更加均勻，其硬度均勻性和強度優(yōu) 于熱壓金剛石砂輪。使用該砂輪對 4H-SiC 晶圓進行 磨削實驗，在砂輪轉(zhuǎn)速為 7 000 r/min、磨削進給速度 為 6 μm/min、磨削深度為 15 μm 的條件下，晶圓的 平均表面粗糙度 Ra 為 6.42 nm。利用溶膠–凝膠金剛 石砂輪磨削 SiC 晶圓前后的對比結(jié)果如圖 13 所示， 可見磨削后的晶圓表面平整光亮。

       湖南大學(xué)的洪秋采用溶膠–凝膠法制備了超精 密磨削陶瓷結(jié)合劑砂輪。通過實驗研究，得出溶膠– 凝膠法制備 SiO2-Al2O3-B2O3-R2O 系陶瓷結(jié)合劑的最 佳工藝參數(shù)：凝膠溫度為 80 ℃，熱處理溫度為 620 ℃， 溶膠體系的 pH 為 2。采用溶膠–凝膠法制備的陶瓷結(jié) 合劑砂輪結(jié)構(gòu)組織均勻，磨削工件表面質(zhì)量高，工件 的表面粗糙度為 0.054 μm，與采用傳統(tǒng)機械混合法制 備的砂輪相比，被加工工件的表面粗糙度降低了 40.66%。 

溶膠–凝膠法具有制備過程溫度低、節(jié)約能源、 各組分混合均勻性高、化學(xué)組分可以精準(zhǔn)控制、易于 調(diào)整摻雜物種類等優(yōu)點，但也存在不足：工藝過程處 理時間長，半成品易開裂，原料多為有機化合物，成 本較高，對生產(chǎn)過程中控制精度的要求高。 

       1.4.2 高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法  

       高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法是一種制備多組分納米粉體 的濕化學(xué)方法。高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法利用丙烯酰胺的 自由基聚合所產(chǎn)生的端基與 N,N-亞甲基雙丙烯酰胺 的 2 個活化雙鍵進行交聯(lián)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)絡(luò)，從而 制備出凝膠。凝膠將溶液全部束縛在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。利用該方法制備砂輪的步驟：通過超聲將超細磨料分 散均勻，再將溶解的無機鹽溶液加入磨料懸浮液中， 攪拌均勻，分別加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑、單體，從而形 成凝膠，經(jīng)過干燥、煅燒得到含有磨料的結(jié)合劑粉體；利用模具將粉體壓制成所需塊體；將壓制后的成形砂 輪塊放入燒結(jié)爐中，在設(shè)定的溫度曲線下進行燒結(jié)；將燒結(jié)后的砂輪塊清洗后，黏接在基體上，制備出砂輪。 

       高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法是 Douy 等在合成多組分高 溫超導(dǎo)氧化物時提出的一種新方法。燕山大學(xué)的趙玉 成等利用此法制備了納米金剛石–陶瓷結(jié)合劑粉 體，同時與采用高溫熔融法制備的陶瓷結(jié)合劑進行了 性能對比。采用 2 種方法制備的燒結(jié)體試樣的斷面顯 微形貌如圖 14 所示，采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備的 試樣，其組織更加均勻；采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制 備的砂輪樣品，其氣孔率為 15.67%，抗彎強度為 60.41 MPa；采用熔融法制備的砂輪樣品，其氣孔率、 抗彎強度分別為 11.75%、46.48 MPa。

       李要輝等利用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法發(fā)明了一種 超細金剛石砂輪及其制備方法。將 N，N-亞甲基雙丙 烯酰胺與丙烯酰胺溶于水中，然后加入分散劑、消泡 劑、增塑劑、調(diào)節(jié)劑，得到基礎(chǔ)混合液；將結(jié)合劑與 粒徑為 0.5~1.5 μm 的金剛石磨料混合，得到組織均勻 的粉體；將粉體與制備的基礎(chǔ)混合液混合，并研磨、 排氣，得到漿料；攪拌漿料，同時添加固化劑，使其 混合均勻，并倒入成形模具中進行固化，然后脫模、 干燥，便可得到成形的生坯；將砂輪生坯燒結(jié)，制得 氣孔率為 10%~35%的多孔超細金剛石砂輪。采用高 分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法可以使陶瓷結(jié)合劑與超細粒度金剛 石混合均勻，但存在結(jié)合劑強度不高，以及與金剛石 微粉難以在水中穩(wěn)定分散等缺點。 

        1.4.3 電泳沉積法  

        電泳沉積法利用外加電場驅(qū)使懸浮液中的帶電 粒子定向移動，使得電極表面覆蓋一層致密均質(zhì)的涂 層。Ikenno 等利用電泳沉積法成功制備了粒徑為 10~20 nm 的超細磨料砂輪，其電泳沉積原理如圖 15 所示。在電泳沉積時，結(jié)合劑（海藻酸鈉）將磨料 （SiO2）包裹在陽極四周，緩慢勻速轉(zhuǎn)動陽極，在其 表面形成均質(zhì)的沉積層。將制備好的沉積層切成圓 片，經(jīng)干燥后得到電泳沉積磨拋片。利用該磨拋片對 硅晶圓進行加工，其表面粗糙度小于 10 nm，硅片表 面平整光滑且無任何切痕。 

       Yamamoto 等采用電泳沉積方法制備了杯型二 氧化硅砂輪，利用此砂輪對硅晶圓進行磨削實驗。在 磨削前后，硅片的顯微照片如圖 16 所示。結(jié)果表明， 該砂輪的最大磨削比為 3.5，表面粗糙度隨著時間的 增加而降低，硅晶圓的去除體積逐漸增大，在磨削 4 h 后，晶圓的表面粗糙度為 3.4 nm。在磨削過程中未出 現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，且硅片表面無劃痕。浙江工業(yè)大學(xué)的胡 建德等在超細粒度砂輪電泳沉積技術(shù)制備方面進 行了研究，利用電泳特性將超細磨料吸附在磨具上形 成致密層，并利用該致密層對工件進行磨削，使用該 砂輪對硅晶圓進行磨削實驗，獲得的工件的表面粗糙 度均小于 0.02 μm。 

       電泳沉積法的優(yōu)點：控制精度高，可以控制沉積 速度和沉積層厚度，從而精準(zhǔn)控制結(jié)構(gòu)形狀和尺寸；在磨削后工件的表面粗糙度較低，無明顯劃痕。電泳 沉積法存在硬度和加工效率較低的缺點。 

       1.4.4 凝膠注模法  

       凝膠注模法是一種原位成形工藝，利用高分子聚 合物在陶瓷漿料中原位凝固成形。該工藝將傳統(tǒng)陶瓷成形與高分子化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，在低黏度、高固相 含量的料漿懸浮液中加入少量的有機單體，再加入引 發(fā)劑并澆注，使?jié){料中的有機單體在一定條件下發(fā)生 原位聚合反應(yīng)，形成堅固的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使?jié){料原 位凝固成形。然后進行脫模、干燥、去除有機物、燒 結(jié)等后處理，得到所需的具有良好微觀均勻性和一定 強度的坯體，然后經(jīng)燒結(jié)制得成品。

       Lin 等利用凝膠注模法制備了陶瓷結(jié)合劑金剛 石砂輪（圖 17a），研究了不同固含量對陶瓷結(jié)合劑 金剛石磨料漿料性能的影響。當(dāng)固含量（用體積分數(shù) 表示）為 54%時，陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪具有較好的 抗彎強度，生坯強度約為 13 MPa，燒結(jié)后坯體的抗 彎強度為 78 MPa。Miao 等采用凝膠注模與造孔劑 相結(jié)合的方法制備了超高孔隙率、結(jié)構(gòu)均勻的蜂窩狀 陶瓷結(jié)合劑超細金剛石砂輪，如圖 17b 所示。該砂輪 具有均勻分布的孔隙和磨料，與傳統(tǒng)砂輪相比，它具 有極佳的自銳性，可在無需修整的情況下連續(xù)磨削工 件，提高了工件效率，磨削電流更小。磨削后工件的 表面粗糙度和損傷層分別約為 5 nm、0.21 μm。采用 凝膠注模法制備陶瓷結(jié)合劑砂輪具有缺陷少、坯體強 度高，以及成分和密度均勻等優(yōu)點，但也存在對粉體 和模具材質(zhì)要求高、工藝參數(shù)控制嚴(yán)格等缺點。 

       1.4.5 結(jié)構(gòu)化砂輪  

       傳統(tǒng)砂輪的形貌特征為磨粒隨機分布，這種隨機 的磨粒分布可能導(dǎo)致磨削力不穩(wěn)定及散熱問題，從而 影響被加工工件的表面質(zhì)量。結(jié)構(gòu)化砂輪的制備是在 制備過程中對砂輪的形貌特征進行微觀或宏觀的調(diào) 控，獲得磨粒規(guī)則、均勻分布的結(jié)構(gòu)，有助于使砂輪 表面受力均勻，降低其磨削溫度，提高砂輪的使用壽 命和磨削性能。 

       Cheng 等結(jié)合激光燒結(jié)技術(shù)和顆粒電鍍技術(shù)， 成功制備出直徑為 6 m 的晶粒排列均勻的磨具（圖 18a），其平均晶粒尺寸為 95 μm，相鄰晶粒間距為 150 μm， 砂輪具有良好的磨粒位置精度和磨粒突起高度一致 性，有利于提高工具的磨削性能。Wen 等采用仿生 燕子的次生羽毛，通過激光加工技術(shù)制備了一種新型鳥羽狀結(jié)構(gòu)的金剛石砂輪（圖 18b），其溝槽邊緣完 整性較好，無明顯裂紋或不規(guī)則破損。羽毛狀的溝槽 有助于引導(dǎo)均勻的水流，減少了砂輪孔隙堵塞現(xiàn)象， 降低了磨屑的磨損，從而均勻地去除了工件材料，提 高了工件的表面質(zhì)量。王俊博等[67]建立了葉序、錯位 和陣列 3 種磨粒有序化排布的數(shù)學(xué)模型，并進行了仿 真分析，研究了砂輪磨粒排布樣式對磨削結(jié)構(gòu)化溝槽 表面的影響。結(jié)果表明，3 種磨粒排布有序化的砂輪 均能磨削出微溝槽表面，而采用磨粒葉序排布的砂輪 加工出的溝槽表面更加穩(wěn)定，能滿足表面減阻特性要 求。結(jié)構(gòu)化砂輪能夠?qū)崿F(xiàn)對磨粒分布密度的控制，使 磨粒分布得更加均勻，提高了砂輪的磨削效率。通過 控制砂輪的表面結(jié)構(gòu)，獲得了更好的表面質(zhì)量，減少 了磨削痕跡，降低了溫度，抑制了磨削熱損傷。此方 法也存在不足，結(jié)構(gòu)化砂輪的制備工藝相對復(fù)雜，需 要精確控制磨粒在結(jié)合劑中的分布，增大了制備難度 和成本，同時結(jié)構(gòu)化砂輪受到磨粒尺寸的限制，難以 制造超細粒度磨粒的結(jié)構(gòu)化砂輪。

       2 晶圓減薄工藝及超精密減薄設(shè)備研究進展  

       針對 Si、SiC、藍寶石和玻璃等半導(dǎo)體硬脆材料 加工難等問題，基于半導(dǎo)體材料的硬脆特性，同時考 慮到前端晶片制作過程的成本高昂，減薄加工工藝和 設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、安全性顯得十分重要。目前， 在晶圓減薄加工領(lǐng)域，具有代表性的加工工藝除了主 流的金剛石砂輪磨削減薄以外，電火花磨削（EDG， electrical discharge grinding）、等離子體化學(xué)氣相加工 （PCVM，Plasma Chemical Vaporization Machining）、 電解在線砂輪修整磨削（ELID ginding，Electrolytic  in-process dressing grinding）等工藝也被用于半導(dǎo)體 材料的減薄加工。 

       傳統(tǒng)電火花加工利用電極與工件之間的電火花 使工件被熔化、汽化、侵蝕和碎裂等，從而達到去除 工件表面材料的效果，其工作原理如圖 19 所示。將工件完全浸沒于絕緣液中，電極材料通常選用銅或 石墨，并放置于靠近工件表面的位置，通過電機調(diào)節(jié)電 極與工件之間的距離，并施加約 100 V 的電壓，導(dǎo)致介 質(zhì)被電離、擊穿，從而形成放電通道，產(chǎn)生大量熱量， 從而熔化、燒蝕材料。半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)金屬材料不同， 它擁有更高的電阻率、更高的熔點，導(dǎo)致在加工過程中 不同于普通金屬材料的熔化和蒸發(fā)，而是出現(xiàn)因熱應(yīng) 力導(dǎo)致的斷裂和剝落。以第 3 代半導(dǎo)體材料 SiC 為例 展開分析，與電火花加工普通金屬材料 SKD11 工具 鋼相比，在相同放電電流下，SiC 的材料去除率更大， 且不同于 SKD11 的材料去除機理，其表面多為脆性 去除。SiC 電火花加工后的結(jié)果如圖 20 所示。在 對單晶 SiC 材料進行電火花加工后，觀察到其加工表 面形成了明顯的不規(guī)則凹坑和由再凝固物質(zhì)組成的 重鑄層，通過分析激光拉曼光譜后發(fā)現(xiàn)，該重鑄層含 有 Si，證明 SiC 在電火花加工過程中被分解為 Si、C。同時，在去離子水中發(fā)現(xiàn)了大量鋒利的多邊形碎片， 這是由工件表面受到熱膨脹引起熱裂紋所致。

       電火花磨削是一種基于上述傳統(tǒng)電火花加工理 論而產(chǎn)生的針對晶圓減薄的非接觸式加工工藝，有研 究證明利用受控電脈沖產(chǎn)生的熱能進行晶圓減薄是 一種有效的方法。電火花磨削減薄加工原理如圖 21 所示，電火花磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)與金剛石減薄磨床類似， 配備了旋轉(zhuǎn)主軸和防油的精密旋轉(zhuǎn)工作臺，分別用于 驅(qū)動電極和晶圓進行低速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。仿照金剛石碗形 砂輪，將電極設(shè)計為碗形，并帶有凹槽，以增強流體 的流動，便于清除加工中產(chǎn)生的碎屑。在加工過程中， 電極旋轉(zhuǎn)著緩慢向下進給，通過電極與晶圓之間的脈 沖放電來去除材料，實現(xiàn)非接觸的減薄。此工藝與傳 統(tǒng)磨削工藝相比，優(yōu)勢在于不會對晶圓造成機械損 傷，加工更穩(wěn)定，且電極材料消耗少、成本較低。利 用電火花磨削對 SiC 晶圓加工后，可將其亞表面損傷 控制在 1 μm 內(nèi)，加工后晶圓的厚度最小，可減薄至 30 μm，表面粗糙度達到 480 nm。在此基礎(chǔ)上，為 了提升晶圓減薄效率和表面完整性，提出一種雙晶 圓電火花磨削工藝。雙晶圓電火花加工原理如圖 22 所示，將原為碗形電極的部分換為晶圓，2 個晶圓之 間通過電腐蝕進行材料的去除，材料去除率遠遠高 于單晶圓的電火花磨削方式，其表面粗糙度 Ra 達到 80 nm。

       等離子體化學(xué)氣相加工工藝主要通過等離子體 中具有強氧化性的自由基與工件表面原子發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)，從而實現(xiàn)無損加工?；谄洫毺氐募庸し绞?， 工件不會出現(xiàn)由塑性變形或脆性斷裂帶來的晶體缺 陷，并保持了工件原有的物理特性。針對半導(dǎo)體硬 脆材料的減薄加工，該工藝能避免出現(xiàn)裂紋、碎裂和 翹曲等問題。減薄 SiC晶片的 PCVM（Plasma Chemical  Vaporization Machining）設(shè)備如圖 23 所示，主要由 電極和轉(zhuǎn)臺組成，其中電極可以移動并經(jīng)過工件，且 含有通氣口；轉(zhuǎn)臺可以上下移動，且具備真空吸附和 加熱功能。在加工過程中，向電極下方的反應(yīng)腔注入 SF6、He，接通電極，產(chǎn)生等離子體，并掃描經(jīng)過 SiC 晶圓，產(chǎn)生的氟自由基能與 SiC 表面會發(fā)生反應(yīng)，從 而去除材料。經(jīng)等離子體化學(xué)氣相加工后，SiC 晶圓 的最小厚度可達到 60 μm，表面粗糙度（RMS）可達 到 0.329 nm，但該工藝的效率太低。在此工藝的 基礎(chǔ)上，結(jié)合研磨工藝，形成了等離子體輔助拋光工 藝，通過等離子體與 SiC 晶圓表面形成軟質(zhì)層，利用 軟磨料進行研磨去除。該工藝不僅大大增大了效率， 也在不產(chǎn)生亞表面損傷的情況下降低了表面粗糙度。

       電解在線砂輪修整磨削是在磨削過程中，通過調(diào) 整非線性電解修整和砂輪表面形成的氧化物絕緣層 抑制電解兩者之間的動態(tài)平衡，對砂輪進行連續(xù)修銳 修整，使砂輪磨粒獲得恒定的突出量，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、可控、最佳的磨削過程，它適用于硬脆材料的超精密 鏡面磨削。ELID 磨削的機理如圖 24 所示，砂輪表 面的金屬結(jié)合劑被電解去除，露出不導(dǎo)電的金剛石顆 粒，并形成了一層絕緣的氧化膜，阻止持續(xù)電解，在 后續(xù)磨削過程中，氧化膜被磨除，裸露的金屬結(jié)合劑 繼續(xù)被去除，循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)韌性磨削，提高了表面 光潔度。通過三維輪廓儀對比電解在線砂輪修整磨 削和傳統(tǒng)磨削加工 SiC 后的表面，如圖 25 所示，結(jié) 果表明，在同等工藝條件下，ELID 磨削后 SiC 工件表面出現(xiàn)的裂紋面積明顯較小、深度更淺，證明 ELID 磨削產(chǎn)生的塑性去除率更高，更適宜于半導(dǎo)體脆性材 料的磨削。

       以此開發(fā)的針對硅片的電解修整砂輪磨削減薄 設(shè)備如圖 26 所示，它與傳統(tǒng)金剛石砂輪磨削結(jié)構(gòu)相 同，但必須采用金屬結(jié)合劑的金剛石砂輪。在磨削過 程中，將未參與磨削的砂輪部分浸泡在電解液中，并 與電極接觸，實現(xiàn)在線修整。此設(shè)備可將晶圓厚度減 薄至 70 μm，表面粗糙度可達到 6 nm。 

       雖然上述減薄工藝均能對半導(dǎo)體材料進行減薄 加工，但在效率、穩(wěn)定性方面仍然存在不足。目前， 減薄設(shè)備主要以金剛石砂輪減薄機床為主，國外針對 該類設(shè)備的研究起步較早，研發(fā)出了許多先進的超精 密加工設(shè)備，搶先占據(jù)了國內(nèi)的大部分市場。尤其是 日本 Disco 公司幾乎壟斷了國內(nèi)的減薄機市場份額， 其研發(fā)的 DFG8540 磨削 8 英寸晶圓的雙軸三工位減 薄機，配備了傳輸機械手、晶圓中心定位、晶圓清洗、 晶圓干燥、吸盤打磨、吸盤清洗、晶圓存儲等多種自 動化功能，是目前備受國內(nèi)大廠歡迎的減薄機產(chǎn)品， 如圖 27 所示。此外，Disco 公司針對晶圓在進行超薄 化加工時存在碎片率較高的問題，引用自研的 TAIKO 技術(shù)，推出了 DTG8440 減薄機，與傳統(tǒng)晶圓背面磨 削方式不同，該機型在磨削晶圓過程中，會在晶圓的 圓周留下約 3 mm 的邊緣，僅對晶圓內(nèi)部進行磨削。該方式雖然在半導(dǎo)體加工過程中額外增加了一道需要去除晶圓邊緣的工藝，但增大了超薄晶圓的強度， 提高了材料的抗斷裂性，大大減少了晶圓背面減薄 時出現(xiàn)的崩邊、碎片情況。此外，日本東京精密研 制的減薄機床 HRG3000RMX，其超精密磨削損傷層 深度小于 0.4 μm，超精密拋磨的損傷層深度小于 0.1 μm，可用于硅片的背面磨削，得到厚度小于 100 μm 的超薄硅片；日本岡本研發(fā)的 VG-401MKII 磨床， 其工件磨削后的表面粗糙度≤0.09 μm，厚度偏差≤ 1.0 μm，片間厚度偏差≤0.8 μm；經(jīng)德國 G&N 的 NanoGrinder/4 磨床加工后，工件的表面粗糙度≤  2.5 nm，厚度偏差≤1.0 μm，片間厚度偏差≤3 μm；采用 Peter Wolters 公司的 AC 2000-Pz 磨床，經(jīng)磨削 后硅片的全局平整度≤0.5 μm，局部平整度≤  0.1 μm。同時，國內(nèi)對減薄機的研發(fā)也在不斷完善中， 國內(nèi)大連理工大學(xué)與無錫機床股份有限公司合作研 發(fā)的雙軸減薄機如圖 28 所示，針對硅晶片研制了雙 主軸三工位的全自動超精密磨床，包括轉(zhuǎn)單單元、 粗磨單元和精磨單元等。經(jīng)加工后，硅片總厚度變 化值（TTV）≤3 μm，硅片全局平整度（GBIR）≤ 0.2 μm，硅片全局平整度（GBIR）≤0.2 μm，片間厚 度變化值≤3 μm，精磨表面粗糙度 Ra≤10 nm（3000# 砂輪磨削） 。采用東臺匯緣光電科技有限 圖 28 大連理工大學(xué)的雙軸減薄機 Fig.28 Two-axis thinning grinding machine of  Dalian University of Technology  公司的 WG-823F 硅晶圓減薄機，可實現(xiàn) 4~8 英寸的 硅晶圓減薄加工，測量儀分辨率為 0.1 μm，重復(fù)精度 為±0.5 μm，單片晶圓內(nèi)的厚度偏差≤1.5 μm，不同片 晶圓內(nèi)厚度偏差在±3 μm 內(nèi)，精磨表面粗糙度 Ry≤ 0.13 μm（3000# 砂輪磨削）。針對 Si 晶圓的減薄加工， 國外的減薄機產(chǎn)品已處于成熟階段，國內(nèi)廠商很難搶 占市場份額。 

       隨著新能源汽車、5G 等市場的快速發(fā)展，第 3 代半導(dǎo)體的需求規(guī)模保持高速增長，上述國外產(chǎn)品大 多針對以 Si 為主的第 1 代半導(dǎo)體材料進行加工。與 Si 晶圓加工不同，針對以 SiC 為主的第 3 代半導(dǎo)體材 料的減薄加工存在穩(wěn)定性、可靠性、良品率等多方面 的問題，對此國內(nèi)外半導(dǎo)體廠商均實施了相關(guān)舉措， 推出了新一代產(chǎn)品。日本 Disco 公司研發(fā)了 DFG 系 列磨床，其中 DFG8541 由 DFG8540 升級迭代而成， 可加工 8 英寸碳化硅。同時，增加了非接觸式晶圓定 心機構(gòu)，用于卡盤工作臺、晶圓、旋轉(zhuǎn)臺的霧化噴嘴， 利用液滴與空氣混合霧氣高速噴灑清洗表面產(chǎn)生的 沖擊能，以最小的損傷實現(xiàn)了對卡盤工作臺、晶圓、 旋轉(zhuǎn)臺的清潔，從而降低了加工、轉(zhuǎn)移和清潔過程中 因顆粒的黏附導(dǎo)致的破損風(fēng)險，并配備了可通過屏幕 監(jiān)控的卡盤工作臺傾斜度的自動調(diào)整系統(tǒng)，減少了設(shè) 備工程師的調(diào)整時間。日本 OKAMOTO 的雙軸減薄 機和日本東京精密的單軸減薄機分別如圖 29、圖 30 所示。日本東京精密的 HRG 系列高剛性單軸磨床 HRG300 通過將加工點配置在三角形排列的滑動導(dǎo) 軌的中心位置，使得磨削進給軸線與加工點共線，減 小了由磨削力帶來的變形，增強了設(shè)備整體的剛性， 從而抑制了晶圓磨削損傷，并延長了砂輪使用壽命， 最終實現(xiàn)了無損、高效、高精度加工。此外，日本 OKAMOTO、德國 G＆N、美國 Engis、韓國 NTS 等 多家國外企業(yè)均擬研制以 SiC 為主的第 3 代半導(dǎo)體晶 圓減薄機產(chǎn)品。

       江蘇優(yōu)普納研制出用于 8 英寸 SiC 晶圓超精密減 薄機，其中 CMG3200 作為可以磨削 SiC 等第 3 代半 導(dǎo)體硬脆材料的全自動三工位減薄機，配備了大功率 氣浮主軸、非接觸式厚度測頭、高剛性轉(zhuǎn)臺、大承載 直線導(dǎo)軌、高分辨率光柵等高穩(wěn)定、高精度、高可靠 性部件，并搭載了具有精準(zhǔn)定位功能、真空保持功能、 預(yù)處理晶圓厚度檢測功能、水汽二流體清潔功能等的 多種輔助系統(tǒng)，同時可為高校企業(yè)及研究院所提供軟 件定制化開發(fā)、吸盤定制化開發(fā)、磨削液定制化開發(fā) 等多種服務(wù)，且兼容異形件的磨削加工及不同尺寸的 砂輪。經(jīng) 6 英寸碳化硅晶圓磨削加工后，總厚度變化 值≤2 μm，表面粗糙度 Ra≤1 nm。CMG3200 磨削碳 化硅晶圓后檢測結(jié)果如圖 31 所示。優(yōu)普納開發(fā)的雙 軸減薄機如圖 32 所示。如圖 33 所示，北京中電科電子裝備有限公司研 發(fā)的 WG 系列全自動減薄機具備可實現(xiàn)高精度磨削 的機械結(jié)構(gòu)，并支持軸向進給（in-feed）磨削和深切 緩進給（creep-feed）磨削，配備了自研的高剛度低 振動氣浮主軸和高回轉(zhuǎn)精度氣浮轉(zhuǎn)臺。北京特思迪半 導(dǎo)體設(shè)備有限公司的 IVG 系列全自動晶圓減薄機可 用于 SiC 晶圓加工，具有單軸、雙軸研削單元，具 有自動測厚補償、多段研削程序、超負載等功能， 厚度在線測量分辨率為 0.1 μm，厚度在線測量重復(fù) 精度為±1 μm。

       3 結(jié)語    

       我國在半導(dǎo)體加工金剛石工具和半導(dǎo)體超精密 加工設(shè)備的研究方面起步較晚。在半導(dǎo)體加工金剛石 工具方面，近幾年我國超硬材料制品行業(yè)取得了重大 成果，已在部分半導(dǎo)體加工工具方面取代了進口，解 決了部分卡脖子問題，但在半導(dǎo)體高端加工工具方面 （如減薄砂輪）與國外相比仍有差距。目前，國內(nèi)半 導(dǎo)體減薄砂輪的研發(fā)主要存在以下問題：在磨料方 面，由于單晶金剛石減薄砂輪磨削刃單一，整體鋒利 性不足，在晶圓減薄加工過程中會出現(xiàn)砂輪壽命低、 加工效率低、精度差等問題，目前國內(nèi)對于金剛石表 面微區(qū)多刃化等功能磨料的研究尚不成熟；在結(jié)合劑 方面，主要基于結(jié)合劑本身的本征力學(xué)強度較低，以 及結(jié)合劑與金剛石磨料之間的界面潤濕性較差，導(dǎo)致 其宏觀力學(xué)與微觀磨損之間存在差異；在砂輪制備工 藝方面，目前超細粒度砂輪的制備技術(shù)尚不成熟，產(chǎn) 品加工的一致性、穩(wěn)定性較差。 

       在半導(dǎo)體超精密加工設(shè)備方面，國內(nèi)企業(yè)正積極 加大晶圓減薄機的研發(fā)力度，國內(nèi)晶圓減薄機市場國 產(chǎn)化率正不斷提升，行業(yè)展現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。國 產(chǎn)晶圓減薄機與國際領(lǐng)先企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備相比，在技 術(shù)、性能、加工精度等方面仍有較大差距，未來國內(nèi) 企業(yè)還需持續(xù)加大研發(fā)力度。尤其是針對 SiC 的晶圓 減薄機研發(fā)技術(shù)仍處于發(fā)展階段，由于碳化硅僅次于 金剛石的硬度和脆性，國內(nèi)外晶圓生產(chǎn)線中對于 SiC 晶圓的加工工藝仍處于摸索階段，無法解決加工過程 中晶圓破碎、崩邊、亞表面損傷大等多種問題，這對 減薄機設(shè)備性能的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。 

       為了加快半導(dǎo)體加工高端裝備和工具行業(yè)的快 速發(fā)展，應(yīng)加強基礎(chǔ)性材料和超精密加工機床核心部 件的研究和創(chuàng)新力度，通過企業(yè)與高校之間的產(chǎn)學(xué)研 深度合作，進一步開展研究，解決半導(dǎo)體加工設(shè)備和 工具卡脖子等問題，實現(xiàn)設(shè)備及工具全方位的國產(chǎn)化。