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内园切片机的发展和现状

2013-06-21
  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150m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盼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6.996;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(150m)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200mlCZ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125mn圆片的加工范围。
  
  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
  
  ——蚀刻一去疵——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。
  
  国内外内园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,腿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晶捧齐端头、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(SEMICONCHINA2002)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。其内园切片机机型在国内硅片切割行业应用的范围涵盖了从φ50mm到φ200mm图片的切片加工,QP-613机型应用范围为中φ125m~φ150mm圆片切割加工,QP-816机型应用于φ200mm圆片切割加工。这些机型技术层次为国外九十年代初期的水平。
  
  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。

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