摘要：在芯片制程的后道阶段，通过超精密晶圆减薄工艺可以有效减小芯片封装体积，导通电阻，改善芯片的热扩散效率，提高其电气性能、力学性能。目前的主流工艺通过超细粒度金刚石砂轮和高稳定性超精密减薄设备对晶圆进行减薄，可实现大尺寸晶圆的高精度、高效率、高稳定性无损伤表面加工。重点综述了目前超精密晶圆减薄砂轮的研究进展，在磨料方面综述了机械磨削用硬磨料和化学机械磨削用软磨料的研究现状，包括泡沫化金刚石、金刚石团聚磨料、表面微刃金刚石的制备方法及磨削性能，同时归纳总结了软磨料砂轮的化学机械磨削机理及材料去除模型。在结合剂研究方面，综述了金属、树脂和陶瓷 3 种结合剂的优缺点，以及在晶圆减薄砂轮上的应用，重点综述了目前在善陶瓷结合剂的本征力学强度及与金刚石之间的界面润湿性方面的研究进展。在晶圆减薄超细粒度金刚石砂轮制备方面，由于微纳金刚石的表面能较大，采用传统工艺制备砂轮会导致磨料发生团聚，影响加工质量。在此基础上，总结论述了溶胶–凝胶法、高分子网络凝胶法、电泳沉积法、凝胶注模法、结构化砂轮等新型工艺方法在超细粒度砂轮制备方面的应用研究，同时还综述了目前不同的晶圆减薄工艺及超精密减薄设备的研究进展，并指出未来半导体加工工具及装备的发展方向。

关键词：减薄砂轮；减薄机；表面处理；结合剂；超细粒度金刚石；制备技术

中图分类号：TG74⁺3 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)03-0001-21

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.03.001

随着新能源汽车、轨道交通、消费电子等行业的快速发展，市场对于高端芯片和功率器件的性能和需求越来越高。电子信息制造是集成全球前瞻技术、带动范围最广的产业，半导体材料作为集成电路的重要载体，推动着当今经济社会的快速发展^[1-3]。半导体器件的性能与材料的禁带宽度密切相关，根据材料自身的特性，划分为 4 代半导体，它们在整个市场的细分领域中都有着各自的应用范围，相互之间又存在交集。其中，第 1 代半导体硅凭借其技术成熟度较高且

成本较低等优势占据了低压市场；碳化硅等第 3 代半导体具有整体耐高压、热导率高等特点，广泛应用于高压和高频器件等中压市场；第 4 代半导体氧化镓在临界电场强度和禁带宽度方面占有绝对优势，可应用于高压、电力电子等领域^[4-5]。硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓、氧化镓等各类半导体材料的特性对比如图 1所示。

硅、碳化硅等晶圆衬底是典型的硬脆难加工材料，加工后其晶片表面质量和表面精度决定着半导体器件的性能，晶圆表面必须超平坦、表面晶格完整无缺陷、无表面损伤，才能满足后续的使用要求^[6]。在芯片制程过程中，晶圆减薄主要涉及衬底减薄及晶圆背面减薄等工艺。目前，晶圆衬底制造过程中的减薄磨抛工艺主要有 2 种，分别为双抛工艺和研削减薄工艺。在晶圆衬底减薄过程中双抛工艺和研削减薄工艺的路线如图 2 所示。

1） 衬底双抛工艺。其中，DMP（Diamond Mech- anical Polishing）采用游离金刚石磨粒研磨的方式对晶片进行减薄。由于游离磨粒加工的尺寸不同，它对晶片材料的去除方式可为二体摩擦或三体摩擦，游离磨料在研磨盘表面随机分布，且研磨轨迹不一致，会在晶片表面残留分布不均匀的磨痕，造成亚表面损伤，出现微裂纹，严重时甚至会出现晶片平面度超差、尺寸重复性较差等问题。在研磨减薄过程中需使用大量的金刚石磨料，资源消耗量较大。在研磨后，晶片难以实现精确定位，无法实现自动化^[7-8]。此工艺在第 1 代半导体硅晶圆衬底制造过程中得到了广泛应用。

1） 衬底研削减薄工艺。通过超精密晶圆减薄机配合金刚石减薄砂轮对晶片进行研削减薄。由于砂轮与晶圆的接触面积恒定，具有磨削力稳定、破片率低、可实现全流程自动化的特点，适用于大尺寸晶圆（12英寸硅晶圆、8 英寸碳化硅晶圆等）（1 英寸≈2.54 cm）及晶锭的减薄磨削。目前，第 3 代半导体材料（如碳化硅）晶圆的硬度更高、脆性更大、制造成本更高，在采用传统的双抛工艺加工时易出现脆性断裂、崩边、亚表面裂纹等影响器件使役性能的缺陷，严重时会出现批量碎片现象，因此大多采用研削减薄方式。在芯片背面减薄工艺中，由于晶圆正面电路已经制作完成，并通过 UV 膜进行保护，只可通过研削减薄方式对背面进行减薄，降低芯片导通电阻，提升芯片的散热性能。

晶圆减薄工艺在半导体材料芯片制程中发挥着重要作用，一方面通过减薄工艺可以减小芯片整体厚度，利于散热和集成化；另一方面可以降低晶圆表面损伤层厚度和表面粗糙度，释放由减薄前各工序造成晶圆内部积累的内应力，降低划片过程中单颗芯片的崩坏程度^[9]，晶圆减薄一般采用晶圆自旋转磨削。目前，行业内大多采用日本进口的超精密减薄设备及金刚石减薄砂轮，实现晶圆的减薄，具有高磨削效率、长寿命、高加工精度、低破片率等优点，而国内晶圆减薄设备及砂轮正处于研发阶段，尚未大规模替代进口产品，难以满足高端使用要求^[10]。

随着晶圆全自动化生产线的发展，全球减薄机市场规模逐渐扩大，2022 年减薄机市场规模已达到 8.3亿美元。国内减薄机市场占据全球 51%的市场份额，由于国内研发减薄机的时间晚于国外，因此接近 90%的市场份额被国外减薄机生产厂商（日本 DISCO、 ACCRETECH、OKAMOTO 等）占据^[11]。随着第 3代半导体的兴起，以及以美国为主的西方国家对国内半导体行业的打压，国内设备厂商也迎来了新的机遇和挑战，优普纳、中电科、特思迪等多家企业已陆续对减薄机进行研发生产。经减薄磨削后晶圆产品的总厚度变化值（TTV）在 2 μm 以下，表面粗糙度 Ra在 3 nm 以下，基本满足市场需求，实现了国产替代。

目前，我国在晶圆超精密减薄砂轮方面与国外存在一定差距。国外晶圆减薄砂轮生产厂家主要以日本 DISCO 公司、美国 NORTON 公司、日本旭金刚石株式会社、东京精密株式会社等为主，其中以日本 DISCO 公司和美国 NORTON 公司的金刚石工具市场占有率较高^[12]。日本 DISCO 公司生产的 GS08 系列减薄砂轮可实现抛光表面粗糙度 Ra 为 1 nm。美国 NORTON 公司生产的 PRISMA 系列碳化硅减薄砂轮可去除切片晶圆的所有损伤表面，在精磨后晶圆的表面粗糙度 Ra 为 1.43 nm，TTV 值＜2 nm^[13]。国内对半导体加工的研究起步较晚，在晶圆减薄砂轮方面，国内生产企业包括中国砂轮企业股份有限公司（台湾）、郑州磨料磨具磨削研究所、苏州赛尔科技有限公司、北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司、苏州迈为科技股份有限公司等。目前，国产晶圆减薄砂轮大多以 2000^#为主，在砂轮寿命及晶圆加工质量、效率等方面已达到进口水平，精磨方面的超细粒度金刚石精磨砂轮正处于研发阶段，尚未大规模推向市场。文中针对超精密晶圆减薄砂轮（包括砂轮中的不同磨料、不同结合剂及最新砂轮的制备技术 3 个方面的研究进展）进行了综述，总结了目前国内外晶圆减薄工艺及超精密减薄设备的研究进展。

1 晶圆减薄砂轮研究进展

金刚石具有硬度高、导热性好、化学性质稳定等优点，被广泛应用于半导体材料的切割、磨削加工等领域。其中，在晶圆的减薄加工过程中，为了获得低损伤、超平坦、无缺陷的晶圆表面，通常需要使用微纳米级别的金刚石微粉制备晶圆减薄砂轮^[14-15]。目前，行业内大多采用单晶金刚石微粉制备减薄砂轮，但它存在磨削刃单一、砂轮整体锋利性不足，在晶圆减薄加工过程中会出现砂轮寿命低、加工效率低、精度差等问题。为了增强砂轮的整体锋利性，目前国内外针对金刚石磨料进行了表面改性研究，实现了金刚石表面微区多刃化，延长了砂轮的整体寿命，增强了锋利性，研究主要集中在纳米金刚石泡沫化处理、金刚石团聚磨料及表面多微刃化处理等方面。

1） 泡沫化金刚石。泡沫化金刚石使得金刚石表面和内部形成了多孔结构，增加了金刚石的比表面积，提高了金刚石磨具的自锐性，能够有效降低磨削损伤，提高表面加工质量。湖南大学的李建伟等^[16]采用 Fe 和 Fe₂O₃ 粉末的混合物作为腐蚀剂，使用热化学腐蚀法制备了一种新型泡沫化金刚石。如表 1 所示，通过对比普通金刚石浆料和泡沫化金刚石浆料在蓝宝石衬底上的磨削实验结果发现，使用泡沫化金刚石作为研磨剂时，蓝宝石衬底的去除率提高了约 26%，表面粗糙度 Ra 降低了约 31%。日本工业大学的张丹阳^[17]提出一种新型多孔骨架的聚晶金刚石砂轮，通过电火花加工去除了 PCD 中的钴黏结剂，实现了整体泡沫化。如图 3a 所示，经新型砂轮磨削后，工件的表面粗糙度 Ra 可达到 0.02 μm。郑州磨料磨具磨削研究所有限公司的范波等^[18]将金刚石表面的微米级夹杂钛化合物通过氧化处理和酸处理的方法获得了泡沫化结构金刚石。如图 3b 所示，泡沫化结构金刚石不仅具有良好自锐性，还具有较好的热冲击韧性和低静压强度。综上所述，与普通金刚石相比，泡沫化金刚石具有比表面积高、孔体积大等优点，以及良好的自锐性能，其锋利性得到显著提高，有助于降低工件的表面加工损伤，提高加工效率，获得更好的磨削效果。

表 1 泡沫化金刚石研磨后的磨削性能

图 3 泡沫化金刚石 SEM 图像和磨削后工件表面质量

2） 金刚石团聚磨料。金刚石团聚磨料由结合剂、金刚石、润湿剂等原料制备而成，可提高加工质量，减少工件亚表面损伤，具有良好的自我修整能力。湖南大学的张威^[19]采用离心喷雾干燥法制备了团聚金刚石，探究了浆料的固含量、雾化器的离心转速、进料速度等对金刚石团聚磨料性能的影响，并与 3M、国产某型号等团聚金刚石研磨垫进行了对比磨削试验。如图 4a 所示，对比了不同种类研磨垫的切削时间，自制的金刚石团聚磨料研磨垫相较于目前国产的研磨垫，其单件加工效率提高了 41.67%，划伤率降低了 8%，工件表面粗糙度降低了 10.6%，但在划伤率和工件粗糙度等性能指标上与 3M 还存在一定差距。南京航空航天大学的陈佳鹏等^[20]开发了一种新型聚集体金刚石磨料，相较于传统固结磨料，其加工效率提高了 100%，被加工蓝宝石的表面粗糙度降低了 50%。单晶金刚石和聚集体金刚石多次试验的平均材料去除率和体积材料去除率如图 4b 所示，聚集体金刚石的平均材料去除率相对稳定，而单晶金刚石在与晶圆的摩擦磨损过程中，该比率呈下降趋势，聚集体金刚石的比例更接近于 100%。南京航空航天大学的王子琨等^[21]使用团聚磨料制备了 W50 单晶金刚石、 W10 单晶金刚石、聚集体金刚石 3 种类型的研磨垫，其平均粗糙度曲线变化如图 4c 所示，随着研磨时间的增加，团聚磨料加工的工件表面粗糙度稳定。与普通单晶金刚石相比，团聚金刚石磨料的粗糙表面可以有效提高基体的把持力，使得磨粒的切削深度更加稳定，加工后工件表现出更高的材料去除率和更低的加工表面粗糙度。磨屑尺寸分析结果表明，团聚磨料倾向于微观断裂，可极大地提高产品的寿命。

图 4 团聚磨料磨削效率和工件质量

3） 表面微刃金刚石。郑州航空工业管理学院的许坤等^[22]提供了一种多刃金刚石磨粒制备方法，金刚石微粉通过表面敏化、活化、表面镀覆、高温处理、快速冷却保温和除杂等工序后可获得表面微刃金刚石，制备的表面为微刃金刚石磨粒，如图 5a 所示。中国矿业大学（北京）的陈强、杨雪峰等^[23]采用低温烧结方法成功制备了表面微刃化金刚石。通过探究烧结温度、烧结时间、金刚石粒度、氧气通入量及氧气接触表面积获得了表面微刃化金刚石的最佳制备工艺参数。针对碳化硅晶片进行了磨削实验，结果表明，相较于普通金刚石，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%，提高了对碳化硅晶片的磨削效率，制备的 M35/55、M2/4 微刃化金刚石如图 5b、c 所示。湖南大学的李历阳等^[24]研究了熔融硝酸钾刻蚀金刚石表面的形貌，探讨了刻蚀凹坑的形成机理。在金刚石颗粒的(111)面和(100)面上分别形成了倒金字塔形和方形凹坑。在(100)面上蚀刻凹坑的尺寸和深度明显小于(111)面的尺寸和深度，表明(100)面的稳定性更高，这是由于氧官能团对结构具有吸收作用。金刚石(100)面经不同蚀刻时间后的表面形貌如图 5d~f 所示，在较低的蚀刻温度(600 ℃)下，随着刻蚀时间的增加，(100)面上首先形成了正方形凹坑，然后逐渐变为八边形凹坑。这种形状的变化可归因于金刚石（100）面上原子的构型和蚀刻过程中熔盐的氧含量变化。当蚀刻温度达到 700 ℃时，优先形成的方形凹坑边缘方向与后来形成的方形坑边缘方向的角度为 45°，表明局部氧压会影响金刚石表面和蚀刻方向的稳定。与普通金刚石微粉相比，多刃金刚石具有更多的微切削刃，能够显著增强结合剂对金刚石的把持能力，从而显著提高了金刚石工具的磨削性能和使用寿命。

图 5 表面微刃金刚石 SEM 图像

1.1 化学机械磨削用软磨料的研究现状

化学机械磨削（Chemical Mechanical Grinding， CMG）是将化学反应与机械磨削结合的复合工艺。相较于纯机械作用加工硬脆材料和化学机械抛光， CMG 具有加工质量高、加工效率高等特点。利用 CMG 加工晶圆具有更好的表面质量、面形质量、亚表面质量，且加工集成度和效率更高。通过研制软磨料砂轮（Soft Abrasive Grinding Wheel，SAGW）进一步增大了 CMG 的优势，磨粒常采用二氧化铈（CeO₂）或其他软磨料，易与晶圆发生化学反应，从而实现 CMG 复合工艺在晶圆减薄中的应用。

日本茨城大学周立波^[25]首次提出化学机械磨削概念，证实能够减少亚表面损伤和晶体缺陷，但无法衡量由化学反应产生的材料去除率，以及无法区分化学和机械的独立作用，并于 2006、2009 年在化学机械磨削的基础上，通过研制氧化铈（CeO₂）磨料与酚醛树脂结合剂软磨料砂轮，进一步减小了砂轮的加工损伤。大连理工大学金钊^[26]研制了主料分别为Fe₂O₃、 CeO₂、MgO 的 3 种硅片软磨料砂轮，利用开发的 3种软磨料砂轮对单晶硅片进行了磨削试验。结果表明，软磨料砂轮具有十分稳定的磨削性能和加工精度。北京空间机电研究所金钊等^[27]在分析软磨粒砂轮的化学机械磨削基础上，研制了主磨料分别为 Fe₂O₃、 MgO 的杯形软磨料砂轮，经化学机械磨削后工件的表面粗糙度为 0.568 nm，达到了化学机械抛光的加工效果，且表面损伤深度趋于 0。

大连理工大学王紫光等^[28]研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮，经加工后硅片的表面粗糙度 Ra<1 nm，亚表面损伤深度<30 nm。随后又制备了氧化铈复合磨料砂轮和氯氧镁结合剂软磨料砂轮，同时研究了单晶硅的材料去除机理和磨削工艺特点，采用该砂轮和工艺加工的超精密磨削单晶硅基板的面形 PV 值达到 1.41 μm，表面粗糙度 Ra 为 0.7 nm，表面损伤层深度<30 nm^[29]。大连理工大学牟宇^[30]研发了一种以 SiO₂ 为磨粒的树脂结合剂湿式软磨料砂轮，磨削后硅片的表面粗糙度仅为 0.95 nm。2022 年，大连理工大学张瑜等^[31]根据湿式机械化学磨削单晶硅的加工原理和要求，制备出以二氧化硅为磨料、以改性耐水树脂为结合剂的新型软磨料砂轮，加工后硅片的表面粗糙度 Ra 为 0.98 nm，亚表面损伤层深度为 15 nm。华侨大学覃柏渝^[32]制备了固结软/硬磨料丸片组合研磨盘，经加工后蓝宝石晶圆的表面粗糙度 Ra 为 7 nm，PV 值为 1.02 μm，亚表面损伤深度为 3~7 μm。

目前的研究表明，半导体材料的硬度高、脆性大，采用传统机械去除加工时，易出现脆性断裂、崩边、亚表面裂纹等影响器件使役性能的加工缺陷。将化学机械磨削方法用于半导体晶圆材料加工，材料去除模型如图 6 所示^[27]。借助软磨料固结磨具与工件间的化学反应弱化材料去除难度，在工件表面生成一层软质的中间产物，砂轮能快速将软质层去除，且不会损伤钝化层下的晶体结构，大大提高了效率，获得了纳米级面形精度，实现了高质量低损伤加工^[33]。相较于传统机械磨削方式，采用软磨料机械化学磨削的方式磨削后，半导体基片的表面/亚表面质量远优于传统金刚石砂轮，接近化学机械抛光的加工水平，实现了半导体基片的低损伤磨削加工。

图 6 软磨料砂轮磨削材料去除模型^[27]

1.3 晶圆减薄砂轮结合剂的研究现状

通常砂轮的组织结构由三要素组成：磨料、结合剂、气孔^[34]，其中结合剂是影响减薄砂轮性能和磨削效果的重要因素之一。在磨削过程中，通过调控结合剂的强度可实现磨料高强度把持和表面磨粒自锐的有机统一。目前，国内外减薄砂轮在结合剂方面的差距较大，国产结合剂在异相材料润湿性、流动性及力学强度方面与国外的差距明显，会影响晶圆减薄砂轮整体组织均匀性、强度、锋利性及使用寿命。目前，砂轮中的结合剂包括金属结合剂、树脂结合剂、陶瓷结合剂。由于金属结合剂本身的强度过高，导致砂轮整体的自锐性较差，部分适用于晶圆的粗磨工艺。树脂结合剂、陶瓷结合剂的整体适用性较高，可用于各类半导体晶圆的粗磨/精磨超精密减薄工艺^[35-37]。

树脂结合剂具有本身磨削力小、一定弹性、磨削温度低等优点，在硬质合金与半导体晶片等硬脆材料的超精密磨削加工方面得到广泛应用。其中，酚醛树脂和聚酰亚胺树脂是晶圆减薄砂轮的常用原料，它具有耐热性好、抗压、抗弯强度高等特点。基于树脂本身的材料特性，它存在耐热性差、易氧化分解、与金刚石润湿性差、不能承受重负载磨削等缺点，因此金刚石的粒度一般超过 2 μm^[38]，在制备超细粒度金刚石砂轮方面存在很大的局限性。

在晶圆减薄磨削加工过程中，晶圆亚表面损伤层是衡量加工质量的重要指标。研究表明，晶圆的亚表面损伤层厚度约为金刚石磨料粒径的一半^[39]。为了降低晶圆减薄后的亚表面损伤，获得更好的晶圆加工质量，高端产品往往会使用 30000^#的超细金刚石微粉砂轮。由于金属、树脂结合剂磨具在超细粒度砂轮方面存在局限性，因此陶瓷结合剂是制备超精密晶圆减薄砂轮的首选。与金属、树脂结合剂相比，陶瓷结合剂具有强度高、硬度高、耐磨性好、气孔率可调、热膨胀系数与金刚石匹配、与金刚石的界面润湿性好等优点[40]。

磨具的力学强度在很大程度上取决于结合剂的本征性能。为了提高磨具的力学强度，许多学者对陶瓷结合剂进行了改性。不同因素对结合剂强度的影响如图 7a、b 所示。Han 等^[40]研究了不同含量 WO₃ 对 SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-CaO 体系陶瓷结合剂结构和性能的影响。如图 7a 所示，在烧结温度低于 680 ℃时，结合剂的强度会随着 WO₃ 含量的增加而增大。这是由于 WO₃ 含量的增加会使[BO₄]四面体减少，[BO₃]三角体和 CaWO₄ 含量增加，而 W⁶⁺的电场强度高，能促进整体玻璃网络的聚集，其抗弯强度也随之增加，最大值达到 114 MPa。Shi 等^[41]探究了不同含量的 Al₂O₃对陶瓷结合剂性能的影响。研究表明，在 SiO₂-B₂O₃- Al₂O₃-CaO 系陶瓷结合剂中引入 Al₂O₃ 能有效抑制结晶和相分离，增强结合剂玻璃网络的集聚作用，提高玻璃网络的整体强度。如图 7b 所示，随着 Al₂O₃ 含量的增加，结合剂试样的强度随之降低，当 Al₂O₃ 的质量分数为 5%（1^#）时，陶瓷结合剂的力学性能最佳，其抗弯强度达到了 113 MPa。Zhang 等^[42]对比研究了熔融法和溶胶–凝胶法制备 Na₂O-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂系陶瓷结合剂的性能差异，在不同温度下采用溶胶–凝胶法和熔融法制备的结合剂抗弯强度如图 7c 所示。采用熔融法制备的结合剂的抗弯强度最大值只有104 MPa，而采用溶胶–凝胶法制备的陶瓷结合剂由于含有较多的[AlO₄]四面体基团，形成了致密的网状结构，具有更高的抗弯强度，最大值达到 137 MPa，同比增长了约 31.73%。通过制备工艺的优化和陶瓷结合剂体系配方的调控均可起到提高结合剂强度的作用，其本质是促进体系中网络结构的形成，增强玻璃网络的集聚作用。

结合剂与金刚石之间的界面润湿性是衡量砂轮微观性能的重要指标，良好的界面润湿性可以有效提高结合剂对金刚石的把持力。Chen 等^[43]将 V₂O₅ 作为表面活性剂添加到陶瓷结合剂中，探究了它对陶瓷结合剂润湿性的影响。金刚石表面的不饱和碳原子与界面上的钒离子会在烧结过程中结合，形成 V—C 化学键，能有效降低界面张力，从而改善陶瓷结合剂与金刚石磨料的润湿性。V₂O₅ 含量对陶瓷结合剂和金刚石磨料润湿性的影响如图 8 所示，可以看到 V₂O₅ 的含量越高，结合剂的润湿性越好，金刚石颗粒被牢牢包裹在结合剂中。Chen 等^[44]采用溶胶–凝胶法在金刚石表面制备了一层致密的 V₂O₅ 薄膜，金刚石表面的不饱和碳原子与V₂O₅ 薄膜结合，形成了O—V—C、 V—O—C 化学键。在烧结过程中，V₂O₅ 薄膜会溶解在陶瓷结合剂中，这将降低陶瓷结合剂界面处的表面张力和耐火度，从而提高陶瓷结合剂与金刚石的润湿性。Guo 等^[45]制备了不同含量 Li₂O 的陶瓷结合剂，不同 Li₂O 含量的陶瓷结合剂与金刚石膜之间的润湿图像如图 9 所示。随着 Li₂O 含量的增加，结合剂熔体与磨料间的接触角逐渐减小，含有质量分数 5%的 Li₂O 的陶瓷结合剂的接触角为 32°，结合剂对磨料具有较好的润湿性。这是由于 Li⁺存在于玻璃网络的间隙中， 其离子半径小，易于扩散移动，可以在带负电荷的金刚石磨料表面富集，降低金刚石的表面能，从而提高陶瓷结合剂对金刚石颗粒的润湿性。影响结合剂对金刚石颗粒润湿性的主要因素是结合剂的化学成分，通过向结合剂中添加相应的活性物质，从而改变结合剂界面的表面张力，降低金刚石的表面能，影响其接触角的大小，实现结合剂对金刚石的良好润湿，提高结合剂对磨粒的结合能力。

图 7 结合剂试样弯曲强度的影响因素

图 8 V₂O₅ 含量对陶瓷结合剂和金刚石磨料润湿性的影响^[43]

图 9 不同 Li₂O 含量的陶瓷结合剂与金刚石膜之间的润湿图像^[45]

江苏优普纳开发了一种新型微晶增韧陶瓷结合剂，能有效改善金刚石与结合剂之间的界面润湿性，提升结合剂整体强度，从而抑制砂轮磨损。减薄砂轮及磨削效果如图 10 所示，研制了 SiC 晶圆减薄专用的 2000^# 陶瓷结合剂金刚石晶圆粗磨减薄砂轮和 30000^#陶瓷结合剂金刚石晶圆精磨减薄砂轮，经磨削后 6 英寸 4H-SiC 晶圆的表面粗糙度 Ra≤2 nm，TTV值≤1 μm。

结合剂的流动性对金刚石砂轮性能的影响较大。近年来，国内外学者在改善陶瓷结合剂流动性能方面取得了一定进展。Xia 等^[46]将 Y₂O₃ 引入陶瓷结合剂中，探究它对陶瓷结合剂金刚石砂轮热力学性能的影响。Y₂O₃ 含量对陶瓷结合剂流动性的影响如图 11a所示，陶瓷结合剂的流动性先随着 Y₂O₃ 含量的增加而显著增大，然后缓慢提升，并趋于稳定。当 Y₂O₃的质量分数为 1.5%时， 陶瓷结合剂的流动性达到 250%。Zhang 等^[47]将稀土氧化物（纳米 CeO₂/ Y₂O₃）引入陶瓷结合剂中，探究了它对结合剂性能的协同作用。如图 11b 所示，随着纳米 CeO₂/Y₂O 含量的增加，陶瓷结合剂的流动性会先升高后降低。当稀土氧化物的质量分数为 2%时，陶瓷结合剂的流动性最高，两组分别达到 132% 、 129% 。不仅如此，在纳米 CeO₂/Y₂O₃ 的协同作用下，可以降低结合剂的耐火度，同时获得了促进结合剂析晶、弥散强化增韧的效果。由于碱金属氧化物和碱土金属氧化物的自由氧对玻璃网络具有解聚作用，会使结合剂的流动性得到一定改善，因此可以降低陶瓷结合剂的耐火度。同时，由于纳米材料的比表面积大、活化能力强，可以使陶瓷结合剂中的能量在晶界之间传递，从而迅速提高烧结温度，增强陶瓷结合剂的流动性。

图 10 优普纳减薄砂轮及磨削效果

图 11 陶瓷结合剂流动性^[46-47]

1.1 晶圆减薄超细粒度金刚石砂轮制备方法

1.1.1 溶胶–凝胶法

溶胶–凝胶法是将作为前驱体的液相高化学活性物质与磨料均匀混合，通过发生水解、缩合等化学反应，形成稳定的透明溶胶体系。在低温下，溶胶缓慢聚合，形成了网络结构的凝胶，溶液在凝胶网络间失去流动性，经过干燥后，磨料牢牢固结在凝胶中^[48]。 Feng 等^[49]将金刚石磨粒和填料剪切分散到聚乙烯醇

（PVA）–酚醛树脂（PF）复合溶液中，利用溶胶–凝胶法制备了 PVA/PF 复合金刚石砂轮。溶胶–凝胶金刚石砂轮与热压金刚石砂轮的断面显微形貌如图 12 所示，可明显看到，采用溶胶–凝胶法制备的金刚石砂轮的微观形貌更加均匀，其硬度均匀性和强度优于热压金刚石砂轮。使用该砂轮对 4H-SiC 晶圆进行磨削实验，在砂轮转速为 7 000 r/min、磨削进给速度

为 6 μm/min、磨削深度为 15 μm 的条件下，晶圆的平均表面粗糙度 Ra 为 6.42 nm。利用溶胶–凝胶金刚石砂轮磨削 SiC 晶圆前后的对比结果如图 13 所示，可见磨削后的晶圆表面平整光亮。

图 12 溶胶–凝胶金刚石砂轮（a）与热压金刚石砂轮（b）的断面显微形貌对比^[49]

图 13 SiC 晶圆磨削前（a）后（b）对比^[49]

湖南大学的洪秋^[50]采用溶胶–凝胶法制备了超精密磨削陶瓷结合剂砂轮。通过实验研究，得出溶胶–凝胶法制备 SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-R₂O 系陶瓷结合剂的最佳工艺参数：凝胶温度为 80 ℃，热处理温度为 620 ℃，溶胶体系的 pH 为 2。采用溶胶–凝胶法制备的陶瓷结合剂砂轮结构组织均匀，磨削工件表面质量高，工件的表面粗糙度为 0.054 μm，与采用传统机械混合法制

备的砂轮相比，被加工工件的表面粗糙度降低了

40.66%。

溶胶–凝胶法具有制备过程温度低、节约能源、各组分混合均匀性高、化学组分可以精准控制、易于调整掺杂物种类等优点，但也存在不足：工艺过程处理时间长，半成品易开裂，原料多为有机化合物，成本较高，对生产过程中控制精度的要求高。

1.4.2 高分子网络凝胶法

高分子网络凝胶法是一种制备多组分纳米粉体的湿化学方法^[51]。高分子网络凝胶法利用丙烯酰胺的自由基聚合所产生的端基与 N,N-亚甲基双丙烯酰胺的 2 个活化双键进行交联反应，形成三维网络，从而制备出凝胶。凝胶将溶液全部束缚在网络结构中^[52]。利用该方法制备砂轮的步骤：通过超声将超细磨料分散均匀，再将溶解的无机盐溶液加入磨料悬浮液中，搅拌均匀，分别加入交联剂、引发剂、单体，从而形成凝胶，经过干燥、煅烧得到含有磨料的结合剂粉体；利用模具将粉体压制成所需块体；将压制后的成形砂轮块放入烧结炉中，在设定的温度曲线下进行烧结；将烧结后的砂轮块清洗后，黏接在基体上，制备出砂轮。

高分子网络凝胶法是Douy 等^[53]在合成多组分高温超导氧化物时提出的一种新方法。燕山大学的赵玉成等^[54]利用此法制备了纳米金刚石–陶瓷结合剂粉体，同时与采用高温熔融法制备的陶瓷结合剂进行了性能对比。采用 2 种方法制备的烧结体试样的断面显

微形貌如图 14 所示，采用高分子网络凝胶法制备的试样，其组织更加均匀；采用高分子网络凝胶法制备的砂轮样品，其气孔率为 15.67%，抗弯强度为

60.41 MPa；采用熔融法制备的砂轮样品，其气孔率、抗弯强度分别为 11.75%、46.48 MPa。

李要辉等^[55]利用高分子网络凝胶法发明了一种超细金刚石砂轮及其制备方法。将 N，N-亚甲基双丙烯酰胺与丙烯酰胺溶于水中，然后加入分散剂、消泡剂、增塑剂、调节剂，得到基础混合液；将结合剂与粒径为 0.5~1.5 μm 的金刚石磨料混合，得到组织均匀的粉体；将粉体与制备的基础混合液混合，并研磨、排气，得到浆料；搅拌浆料，同时添加固化剂，使其混合均匀，并倒入成形模具中进行固化，然后脱模、干燥，便可得到成形的生坯；将砂轮生坯烧结，制得气孔率为 10%~35%的多孔超细金刚石砂轮。采用高分子网络凝胶法可以使陶瓷结合剂与超细粒度金刚石混合均匀，但存在结合剂强度不高，以及与金刚石微粉难以在水中稳定分散等缺点。

图 14 不同工艺制备的砂轮试样断面显微形貌^[53]

1.4.3 电泳沉积法

电泳沉积法利用外加电场驱使悬浮液中的带电粒子定向移动，使得电极表面覆盖一层致密均质的涂层。Ikenno 等^[56]利用电泳沉积法成功制备了粒径为 10~20 nm 的超细磨料砂轮，其电泳沉积原理如图 15所示。在电泳沉积时，结合剂（海藻酸钠）将磨料（SiO₂）包裹在阳极四周，缓慢匀速转动阳极，在其表面形成均质的沉积层。将制备好的沉积层切成圆片，经干燥后得到电泳沉积磨抛片。利用该磨抛片对硅晶圆进行加工，其表面粗糙度小于 10 nm，硅片表面平整光滑且无任何切痕。

图 15 电泳沉积原理^[56]

Yamamoto 等[57]采用电泳沉积方法制备了杯型二氧化硅砂轮，利用此砂轮对硅晶圆进行磨削实验。在磨削前后，硅片的显微照片如图16 所示。结果表明，该砂轮的最大磨削比为3.5，表面粗糙度随着时间的增加而降低，硅晶圆的去除体积逐渐增大，在磨削4 h后，晶圆的表面粗糙度为3.4 nm。在磨削过程中未出现烧伤现象，且硅片表面无划痕。浙江工业大学的胡建德等[58]在超细粒度砂轮电泳沉积技术制备方面进行了研究，利用电泳特性将超细磨料吸附在磨具上形成致密层，并利用该致密层对工件进行磨削，使用该砂轮对硅晶圆进行磨削实验，获得的工件的表面粗糙度均小于0.02 μm。

电泳沉积法的优点：控制精度高，可以控制沉积速度和沉积层厚度，从而精准控制结构形状和尺寸；在磨削后工件的表面粗糙度较低，无明显划痕。电泳沉积法存在硬度和加工效率较低的缺点。

图 16 磨削前后硅片的显微照片^[57]

1.4.4 凝胶注模法

凝胶注模法是一种原位成形工艺，利用高分子聚合物在陶瓷浆料中原位凝固成形[59]。该工艺将传统陶瓷成形与高分子化学反应相结合，在低黏度、高固相含量的料浆悬浮液中加入少量的有机单体，再加入引发剂并浇注，使浆料中的有机单体在一定条件下发生原位聚合反应，形成坚固的交联网状结构，使浆料原位凝固成形。然后进行脱模、干燥、去除有机物、烧结等后处理，得到所需的具有良好微观均匀性和一定强度的坯体，然后经烧结制得成品。

Lin 等[60]利用凝胶注模法制备了陶瓷结合剂金刚石砂轮（图17a），研究了不同固含量对陶瓷结合剂金刚石磨料浆料性能的影响。当固含量（用体积分数表示）为54%时，陶瓷结合剂金刚石砂轮具有较好的抗弯强度，生坯强度约为13 MPa，烧结后坯体的抗弯强度为78 MPa。Miao 等[61]采用凝胶注模与造孔剂相结合的方法制备了超高孔隙率、结构均匀的蜂窝状陶瓷结合剂超细金刚石砂轮，如图17b 所示。该砂轮具有均匀分布的孔隙和磨料，与传统砂轮相比，它具有极佳的自锐性，可在无需修整的情况下连续磨削工件，提高了工件效率，磨削电流更小。磨削后工件的表面粗糙度和损伤层分别约为5 nm、0.21 μm。采用凝胶注模法制备陶瓷结合剂砂轮具有缺陷少、坯体强度高，以及成分和密度均匀等优点，但也存在对粉体和模具材质要求高、工艺参数控制严格等缺点。

图 17 凝胶注模法制备金刚石砂轮

1.4.5 结构化砂轮

传统砂轮的形貌特征为磨粒随机分布，这种随机的磨粒分布可能导致磨削力不稳定及散热问题，从而影响被加工工件的表面质量。结构化砂轮的制备是在制备过程中对砂轮的形貌特征进行微观或宏观的调控，获得磨粒规则、均匀分布的结构，有助于使砂轮表面受力均匀，降低其磨削温度，提高砂轮的使用寿命和磨削性能[62-64]。

Cheng 等[65]结合激光烧结技术和颗粒电镀技术，成功制备出直径为6 m 的晶粒排列均匀的磨具（图18a），其平均晶粒尺寸为95 μm，相邻晶粒间距为150 μm，砂轮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[66]采用仿生燕子的次生羽毛，通过激光加工技术制备了一种新型鸟羽状结构的金刚石砂轮（图18b），其沟槽边缘完整性较好，无明显裂纹或不规则破损。羽毛状的沟槽有助于引导均匀的水流，减少了砂轮孔隙堵塞现象，降低了磨屑的磨损，从而均匀地去除了工件材料，提高了工件的表面质量。王俊博等[67]建立了叶序、错位和阵列3 种磨粒有序化排布的数学模型，并进行了仿真分析，研究了砂轮磨粒排布样式对磨削结构化沟槽表面的影响。结果表明，3 种磨粒排布有序化的砂轮均能磨削出微沟槽表面，而采用磨粒叶序排布的砂轮加工出的沟槽表面更加稳定，能满足表面减阻特性要求。结构化砂轮能够实现对磨粒分布密度的控制，使磨粒分布得更加均匀，提高了砂轮的磨削效率。通过控制砂轮的表面结构，获得了更好的表面质量，减少了磨削痕迹，降低了温度，抑制了磨削热损伤。此方法也存在不足，结构化砂轮的制备工艺相对复杂，需要精确控制磨粒在结合剂中的分布，增大了制备难度和成本，同时结构化砂轮受到磨粒尺寸的限制，难以制造超细粒度磨粒的结构化砂轮。

图 18 结构化砂轮

2 晶圆减薄工艺及超精密减薄设备研究进展

针对 Si、SiC、蓝宝石和玻璃等半导体硬脆材料加工难等问题，基于半导体材料的硬脆特性，同时考虑到前端晶片制作过程的成本高昂，减薄加工工艺和设备的可靠性、稳定性、安全性显得十分重要。目前，在晶圆减薄加工领域，具有代表性的加工工艺除了主流的金刚石砂轮磨削减薄以外，电火花磨削（EDG，electrical discharge grinding）、等离子体化学气相加工（PCVM，Plasma Chemical Vaporization Machining）、电解在线砂轮修整磨削（ELID ginding，Electrolyticin-process dressing grinding）等工艺也被用于半导体材料的减薄加工。

传统电火花加工利用电极与工件之间的电火花使工件被熔化、汽化、侵蚀和碎裂等，从而达到去除工件表面材料的效果，其工作原理如图19 所示[68]。将工件完全浸没于绝缘液中，电极材料通常选用铜或石墨，并放置于靠近工件表面的位置，通过电机调节电极与工件之间的距离，并施加约100 V 的电压，导致介质被电离、击穿，从而形成放电通道，产生大量热量，从而熔化、烧蚀材料。半导体材料与传统金属材料不同，它拥有更高的电阻率、更高的熔点，导致在加工过程中不同于普通金属材料的熔化和蒸发，而是出现因热应力导致的断裂和剥落。以第3 代半导体材料SiC 为例展开分析，与电火花加工普通金属材料SKD11 工具钢相比，在相同放电电流下，SiC 的材料去除率更大，且不同于SKD11 的材料去除机理，其表面多为脆性去除。SiC 电火花加工后的结果如图20 所示[69]。在对单晶SiC 材料进行电火花加工后，观察到其加工表面形成了明显的不规则凹坑和由再凝固物质组成的重铸层，通过分析激光拉曼光谱后发现，该重铸层含有Si，证明SiC 在电火花加工过程中被分解为Si、C。同时，在去离子水中发现了大量锋利的多边形碎片，这是由工件表面受到热膨胀引起热裂纹所致[68-69]。图19 电火花加工原理[68]图20 SiC 电火花加工后结果[68-69]

图 19 电火花加工原理^[68]

图 20 SiC 电火花加工后结果^[68-69]

电火花磨削是一种基于上述传统电火花加工理论而产生的针对晶圆减薄的非接触式加工工艺，有研究证明利用受控电脉冲产生的热能进行晶圆减薄是一种有效的方法。电火花磨削减薄加工原理如图21所示，电火花磨削设备结构与金刚石减薄磨床类似，配备了旋转主轴和防油的精密旋转工作台，分别用于驱动电极和晶圆进行低速稳定旋转。仿照金刚石碗形砂轮，将电极设计为碗形，并带有凹槽，以增强流体的流动，便于清除加工中产生的碎屑。在加工过程中，电极旋转着缓慢向下进给，通过电极与晶圆之间的脉冲放电来去除材料，实现非接触的减薄。此工艺与传统磨削工艺相比，优势在于不会对晶圆造成机械损伤，加工更稳定，且电极材料消耗少、成本较低。利用电火花磨削对SiC 晶圆加工后，可将其亚表面损伤控制在1 μm 内，加工后晶圆的厚度最小，可减薄至30 μm，表面粗糙度达到480 nm[70]。在此基础上，为了提升晶圆减薄效率和表面完整性，提出一种双晶圆电火花磨削工艺。双晶圆电火花加工原理如图22所示，将原为碗形电极的部分换为晶圆，2 个晶圆之间通过电腐蚀进行材料的去除，材料去除率远远高于单晶圆的电火花磨削方式，其表面粗糙度Ra 达到80 nm。

图 21 电火花磨削减薄加工原理^[70]

图 22 双晶圆电火花加工原理^[71]

等离子体化学气相加工工艺主要通过等离子体中具有强氧化性的自由基与工件表面原子发生化学反应，从而实现无损加工。基于其独特的加工方式，工件不会出现由塑性变形或脆性断裂带来的晶体缺陷，并保持了工件原有的物理特性[72]。针对半导体硬脆材料的减薄加工，该工艺能避免出现裂纹、碎裂和翘曲等问题。减薄SiC 晶片的PCVM（Plasma ChemicalVaporization Machining）设备如图23 所示，主要由电极和转台组成，其中电极可以移动并经过工件，且含有通气口；转台可以上下移动，且具备真空吸附和加热功能。在加工过程中，向电极下方的反应腔注入SF6、He，接通电极，产生等离子体，并扫描经过SiC晶圆，产生的氟自由基能与SiC 表面会发生反应，从而去除材料。经等离子体化学气相加工后，SiC 晶圆的最小厚度可达到60 μm，表面粗糙度（RMS）可达到0.329 nm[73-74]，但该工艺的效率太低。在此工艺的基础上，结合研磨工艺，形成了等离子体辅助抛光工艺，通过等离子体与SiC 晶圆表面形成软质层，利用软磨料进行研磨去除。该工艺不仅大大增大了效率，也在不产生亚表面损伤的情况下降低了表面粗糙度[75]。

图 23 PCVM 减薄设备示意图^[73-74]

电解在线砂轮修整磨削是在磨削过程中，通过调整非线性电解修整和砂轮表面形成的氧化物绝缘层抑制电解两者之间的动态平衡，对砂轮进行连续修锐修整，使砂轮磨粒获得恒定的突出量，从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程，它适用于硬脆材料的超精密镜面磨削[76]。ELID 磨削的机理如图24 所示，砂轮表面的金属结合剂被电解去除，露出不导电的金刚石颗粒，并形成了一层绝缘的氧化膜，阻止持续电解，在后续磨削过程中，氧化膜被磨除，裸露的金属结合剂继续被去除，循环往复，实现韧性磨削，提高了表面光洁度[77]。通过三维轮廓仪对比电解在线砂轮修整磨削和传统磨削加工SiC 后的表面，如图25 所示，结果表明，在同等工艺条件下，ELID 磨削后SiC 工件表面出现的裂纹面积明显较小、深度更浅，证明ELID磨削产生的塑性去除率更高，更适宜于半导体脆性材料的磨削[78]。

24 ELID 磨削机理^[77]

图 25 磨削后工件表面的 SEM 图像^[78]

以此开发的针对硅片的电解修整砂轮磨削减薄设备如图26 所示，它与传统金刚石砂轮磨削结构相同，但必须采用金属结合剂的金刚石砂轮。在磨削过程中，将未参与磨削的砂轮部分浸泡在电解液中，并与电极接触，实现在线修整。此设备可将晶圆厚度减薄至70 μm，表面粗糙度可达到6 nm[79]。

图 26 ELID 磨削实验装置示意图^[79]

虽然上述减薄工艺均能对半导体材料进行减薄加工，但在效率、稳定性方面仍然存在不足。目前，减薄设备主要以金刚石砂轮减薄机床为主，国外针对该类设备的研究起步较早，研发出了许多先进的超精密加工设备，抢先占据了国内的大部分市场。尤其是日本Disco 公司几乎垄断了国内的减薄机市场份额，其研发的DFG8540 磨削8 英寸晶圆的双轴三工位减薄机，配备了传输机械手、晶圆中心定位、晶圆清洗、晶圆干燥、吸盘打磨、吸盘清洗、晶圆存储等多种自动化功能，是目前备受国内大厂欢迎的减薄机产品，如图27 所示。此外，Disco 公司针对晶圆在进行超薄化加工时存在碎片率较高的问题，引用自研的TAIKO技术，推出了DTG8440 减薄机，与传统晶圆背面磨削方式不同，该机型在磨削晶圆过程中，会在晶圆的圆周留下约3 mm 的边缘，仅对晶圆内部进行磨削[1]。该方式虽然在半导体加工过程中额外增加了一道需要去除晶圆边缘的工艺，但增大了超薄晶圆的强度，提高了材料的抗断裂性，大大减少了晶圆背面减薄时出现的崩边、碎片情况。此外，日本东京精密研制的减薄机床HRG3000RMX，其超精密磨削损伤层深度小于0.4 μm，超精密抛磨的损伤层深度小于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；日本冈本研发的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，片间厚度偏差≤0.8 μm；经德国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，片间厚度偏差≤3 μm；采用Peter Wolters 公司的AC 2000-Pz 磨床，经磨削后硅片的全局平整度≤ 0 . 5 μm， 局部平整度≤0.1 μm。同时，国内对减薄机的研发也在不断完善中，国内大连理工大学与无锡机床股份有限公司合作研发的双轴减薄机如图28 所示，针对硅晶片研制了双主轴三工位的全自动超精密磨床，包括转单单元、粗磨单元和精磨单元等。经加工后，硅片总厚度变化值（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，片间厚度变化值≤3 μm，精磨表面粗糙度Ra≤10 nm（3000#砂轮磨削） [ 8 0 ] 。采用东台汇缘光电科技有限公司的WG-823F 硅晶圆减薄机，可实现4~8 英寸的硅晶圆减薄加工，测量仪分辨率为0.1 μm，重复精度为±0.5 μm，单片晶圆内的厚度偏差≤1.5 μm，不同片晶圆内厚度偏差在±3 μm 内，精磨表面粗糙度Ry≤0.13 μm（3000#砂轮磨削）。针对Si 晶圆的减薄加工，国外的减薄机产品已处于成熟阶段，国内厂商很难抢占市场份额。

图 27 日本 Disco 公司的双轴减薄机

图 28 大连理工大学的双轴减薄机

随着新能源汽车、5G 等市场的快速发展，第3代半导体的需求规模保持高速增长，上述国外产品大多针对以Si 为主的第1 代半导体材料进行加工。与Si 晶圆加工不同，针对以SiC 为主的第3 代半导体材料的减薄加工存在稳定性、可靠性、良品率等多方面的问题，对此国内外半导体厂商均实施了相关举措，推出了新一代产品。日本Disco 公司研发了DFG 系列磨床，其中DFG8541 由DFG8540 升级迭代而成，可加工8 英寸碳化硅。同时，增加了非接触式晶圆定心机构，用于卡盘工作台、晶圆、旋转台的雾化喷嘴，利用液滴与空气混合雾气高速喷洒清洗表面产生的冲击能，以最小的损伤实现了对卡盘工作台、晶圆、旋转台的清洁，从而降低了加工、转移和清洁过程中因颗粒的黏附导致的破损风险，并配备了可通过屏幕监控的卡盘工作台倾斜度的自动调整系统，减少了设备工程师的调整时间。日本OKAMOTO 的双轴减薄机和日本东京精密的单轴减薄机分别如图29、图30所示。日本东京精密的HRG 系列高刚性单轴磨床HRG300 通过将加工点配置在三角形排列的滑动导轨的中心位置，使得磨削进给轴线与加工点共线，减小了由磨削力带来的变形，增强了设备整体的刚性，从而抑制了晶圆磨削损伤，并延长了砂轮使用寿命，最终实现了无损、高效、高精度加工。此外，日本OKAMOTO、德国G＆N、美国Engis、韩国NTS 等多家国外企业均拟研制以SiC 为主的第3 代半导体晶圆减薄机产品。

图 29 日本 OKAMOTO 的双轴减薄机

图 30 日本东京精密的单轴减薄机

江苏优普纳研制出用于8 英寸SiC 晶圆超精密减薄机，其中CMG3200 作为可以磨削SiC 等第3 代半导体硬脆材料的全自动三工位减薄机，配备了大功率气浮主轴、非接触式厚度测头、高刚性转台、大承载直线导轨、高分辨率光栅等高稳定、高精度、高可靠性部件，并搭载了具有精准定位功能、真空保持功能、预处理晶圆厚度检测功能、水汽二流体清洁功能等的多种辅助系统，同时可为高校企业及研究院所提供软件定制化开发、吸盘定制化开发、磨削液定制化开发等多种服务，且兼容异形件的磨削加工及不同尺寸的砂轮。经6 英寸碳化硅晶圆磨削加工后，总厚度变化值≤2 μm，表面粗糙度Ra≤1 nm。CMG3200 磨削碳化硅晶圆后检测结果如图31 所示。优普纳开发的双轴减薄机如图32 所示。

图 31 CMG3200 磨削碳化硅晶圆后检测结果

图 32 优普纳的双轴减薄机

如图33 所示，北京中电科电子装备有限公司研发的WG 系列全自动减薄机具备可实现高精度磨削的机械结构，并支持轴向进给（in-feed）磨削和深切缓进给（creep-feed）磨削，配备了自研的高刚度低振动气浮主轴和高回转精度气浮转台。北京特思迪半导体设备有限公司的IVG 系列全自动晶圆减薄机可用于SiC 晶圆加工，具有单轴、双轴研削单元，具有自动测厚补偿、多段研削程序、超负载等功能，厚度在线测量分辨率为0.1 μm，厚度在线测量重复精度为±1 μm。图29 日本OKAMOTO 的双轴减薄机图30 日本东京精密的单轴减薄机图31 CMG3200 磨削碳化硅晶圆后检测结果图32 优普纳的双轴减薄机图33 中电科的双轴减薄机

图 33 中电科的双轴减薄机

1 结语

我国在半导体加工金刚石工具和半导体超精密加工设备的研究方面起步较晚。在半导体加工金刚石工具方面，近几年我国超硬材料制品行业取得了重大成果，已在部分半导体加工工具方面取代了进口，解决了部分卡脖子问题，但在半导体高端加工工具方面（如减薄砂轮）与国外相比仍有差距。目前，国内半导体减薄砂轮的研发主要存在以下问题：在磨料方面，由于单晶金刚石减薄砂轮磨削刃单一，整体锋利性不足，在晶圆减薄加工过程中会出现砂轮寿命低、加工效率低、精度差等问题，目前国内对于金刚石表面微区多刃化等功能磨料的研究尚不成熟；在结合剂方面，主要基于结合剂本身的本征力学强度较低，以及结合剂与金刚石磨料之间的界面润湿性较差，导致其宏观力学与微观磨损之间存在差异；在砂轮制备工艺方面，目前超细粒度砂轮的制备技术尚不成熟，产品加工的一致性、稳定性较差。

在半导体超精密加工设备方面，国内企业正积极加大晶圆减薄机的研发力度，国内晶圆减薄机市场国产化率正不断提升，行业展现出良好的发展趋势。国产晶圆减薄机与国际领先企业生产设备相比，在技术、性能、加工精度等方面仍有较大差距，未来国内企业还需持续加大研发力度。尤其是针对SiC 的晶圆减薄机研发技术仍处于发展阶段，由于碳化硅仅次于金刚石的硬度和脆性，国内外晶圆生产线中对于SiC晶圆的加工工艺仍处于摸索阶段，无法解决加工过程中晶圆破碎、崩边、亚表面损伤大等多种问题，这对减薄机设备性能的稳定性和可靠性提出了更高的要求。

为了加快半导体加工高端装备和工具行业的快速发展，应加强基础性材料和超精密加工机床核心部件的研究和创新力度，通过企业与高校之间的产学研深度合作，进一步开展研究，解决半导体加工设备和工具卡脖子等问题，实现设备及工具全方位的国产化。