文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了晶片機械切割技術(shù)的原理和常用設備類型。

概述

通過單晶生長工藝獲得的單晶硅錠，因硅材質(zhì)硬脆特性，無法直接用于半導體芯片制造，需經(jīng)過機械加工、化學處理、表面拋光及質(zhì)量檢測等一系列處理流程，才能制成具有特定厚度和精度要求的硅片。其中，針對硅錠的晶片切割工藝是芯片加工流程中的關(guān)鍵工序，其加工效率與質(zhì)量直接影響整個芯片產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能。

晶片切割工藝技術(shù)的原則要求包括：①切割精度高，表面平行度高，控制翹曲度和厚度公差在較小范圍；②確保斷面完整性良好，消除拉絲、刀痕及微裂紋；③提高成品率，縮小刀縫或鋼絲切縫，降低原材料損耗；④提升切割速度，實現(xiàn)自動化切割。

對于200mm以上的硅片，切片通常由配備金剛石切割刃的內(nèi)圓切割機完成；而300mm硅片的切片則大多采用線鋸技術(shù)。以300mm硅片為例，其尺寸精度需滿足嚴格標準。除金剛石內(nèi)圓切割和線切割外，晶片切割還有外圓切割和電火花切割等方法。外圓切割時，刀片因厚度較薄且徑向承受晶體壓力，易產(chǎn)生變形和擺動，導致晶體材料損耗較大且晶面不平整，該切割方式主要用于晶向偏轉(zhuǎn)較大的長晶體定向切割及大尺寸材料的整形切割。電火花切割因熱切割易導致單晶硅表面點蝕，實際應用較少。四種晶片切割方式在精度、損耗、適用性等方面各有差異。

機械切割設備原理

金剛石內(nèi)圓切割和線切割所使用的設備分別為內(nèi)圓切割機和線切割機。內(nèi)圓切割是通過刀片內(nèi)圓表面附著的金剛石微粒磨削晶體的過程，線切割則屬于自由研磨加工，依靠切削液作為研磨劑緩沖來實現(xiàn)晶體切割。

內(nèi)圓切割機配備圓環(huán)形切割刀片，由刀片基體和內(nèi)圓磨料組成。刀片基體通常為不銹鋼材質(zhì)，靠近外圓處設有與主軸連接的螺栓孔，內(nèi)圓通過復合電鍍法鍍覆金剛石粉末，形成具有一定厚度的金剛石刃口。線切割機采用直徑0.15～0.3mm的不銹鋼線，線上鍍有金剛石微粉末。加工時先按所需晶片厚度在線軸上加工線槽，再將切割線纏繞在線軸，電動機驅(qū)動單晶硅錠徑向進給，在切割液輔助下完成切片。切割實驗表明，線切割硅片表面的微裂紋、畸變程度、損傷層厚度及殘余應力均顯著小于內(nèi)圓切割。近年來線切割機成為主流設備，其中應用最廣的往復式自由磨料線鋸切片技術(shù)原理為：直徑150～300mm的金屬鋸絲纏繞成平行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在主動驅(qū)動裝置控制下往復運轉(zhuǎn)，硅晶體垂直鋸絲進給，同時向切割區(qū)域施加含金剛石或碳化硅磨料的漿液，實現(xiàn)多片切割。

晶片切割設備發(fā)展

自1958年集成電路發(fā)明以來，晶片切割技術(shù)隨之出現(xiàn)。20世紀60年代，內(nèi)圓切割技術(shù)成為硅錠切片的主要方法，并于70年代末成熟。憑借切片精度高、成本低、厚度可調(diào)等優(yōu)勢，內(nèi)圓切割機在80年代變?yōu)橹髁鳎笠蚱渌懈罘绞降陌l(fā)展及晶圓尺寸增大（如300mm晶圓），其占比下降，21世紀后主要應用于中小尺寸晶片工藝。多線切割機基于線切割技術(shù)發(fā)展而來，其理念可追溯至20世紀60年代，80年代因300mm晶圓普及，內(nèi)圓切割機暴露生產(chǎn)效率低、晶片變形、飛片等問題，推動了線切割機的發(fā)展，80年代中期首臺工業(yè)化多線切割機問世，此后進入發(fā)展黃金期，每2～3年更新一代技術(shù)。多線機切割晶片具有彎曲度（BOW）小、翹曲度（warp）小、平行度（tarp）好、總厚度公差（TTV）小、片間切割損耗少、表面損傷層淺、粗糙度小、出片率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。其發(fā)展方向包括：設備體積和質(zhì)量增大、穩(wěn)定性提高；切割線速度和砂漿帶入速度加快，砂漿流動性、滲透性和研磨性優(yōu)化，減少磨料消耗；精度提升以減小晶片表面損傷層，改善彎曲度、翹曲度等指標；切削液向?qū)Ｒ换?、綠色化發(fā)展，趨于低黏度、高帶沙量、低雜質(zhì)、易清洗。

當前晶片切割設備存在的技術(shù)瓶頸包括：①材料去除依賴磨粒滾壓，導致晶片表面產(chǎn)生較大微裂紋和殘余應力；②鋸絲缺乏損傷監(jiān)測手段，磨損后易造成晶片厚度不均；③以金剛石和碳化硅為主要成分的切割磨削液成本高，占加工成本25%以上；④切割工序耗時較長，效率亟待提升。