2019提名国家技术发明奖项目-大尺寸硅片超精密磨削技术与装备

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2019年度国家技术发明奖提名公示材料
项目名称        大尺寸硅片超精密磨削技术与装备
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）        项目针对我国集成电路芯片制造中大尺寸硅片超精密磨削技术和设备完全依赖进口的现状，历时十几年，研究了大尺寸硅片超精密磨削理论、工艺、工具和装备，主要技术发明：（1）发明了单晶硅等硬脆晶体磨削机理研究的单颗粒金刚石纳米切深高速划擦试验方法与装置，提出了表面损伤深度和加工效率约束下的砂轮及工艺参数确定方法，开发出硅片超精密磨削的系列化金刚石砂轮及加工工艺。（2）发明了硬脆晶体的软磨料砂轮机械化学磨削新技术，开发出大尺寸硅片机械化学磨削系列化软磨料砂轮及超低损伤加工工艺。（3）发明了大尺寸硅片加工变形测量方法与设备，发明了消除重力附加变形的计算分离法和液浸消除法，实现了大尺寸硅片加工变形的精确测量。（4）研制出国内首台300mm硅片全自动超精密磨床和首台300mm硅片多功能超精密磨床，发明了恒速进给磨削和控制力磨削相结合的工艺方法和加工过程控制策略，实现了大尺寸硅片的高效低损伤磨削。
成果应用于首条国产300mm硅材料成套加工设备示范线中硅片的批量化磨削加工，应用于硬脆晶体基片和反射镜的超精密磨削，应用前景广阔，社会效益显著。授权美国发明专利1项、中国发明专利28项，发表论文63篇；通过部级成果鉴定5项，获2018年教育部技术发明奖一等奖和中国机械工业科学技术奖一等奖。
对照国家技术发明奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度国家技术发明奖二等奖。
项目简介        硅片又称硅晶圆，是制造集成电路（IC）的重要材料。在硅片上运用注入、沉积、光刻等工艺最终制成IC芯片，要求硅片具有超平整超光滑低损伤表面。超精密磨削是大尺寸硅片超精密加工的关键技术之一，硅片规模化生产对磨削加工精度、表面质量、加工效率和成品率提出了极高要求。而大尺寸硅片高硬度、高脆性的材料特性和大径厚比、低刚度的结构特点，导致其磨削加工面临易损伤、易变形、加工质量不易保证的难题。此前，我国先进的大尺寸硅片超精密磨削技术和设备完全依赖进口，成为制约“中国芯”制造的技术瓶颈之一。
本项目面向国家重大需求，承担国家重大项目，持续十几年，系统研究了大尺寸硅片超精密磨削理论、工艺、工具和装备，主要技术发明如下：
（1）发明了单晶硅等硬脆晶体的单颗粒金刚石纳米切深高速划擦试验方法与装置，揭示了单晶硅超精密磨削的材料去除和表面损伤形成机理，提出了在大尺寸硅片表面损伤深度和加工效率约束下的金刚石砂轮特性参数以及磨削工艺参数选择方法，发明了稳定自锐的系列化金刚石砂轮及其高效低损伤磨削工艺。在保证精磨去除率6μm/min约束条件下，表面损伤深度控制在70nm以下。
（2）发明了硬脆晶体材料的软磨料砂轮机械化学磨削新技术。提出了“以软磨硬”的反常规加工理念，采用软磨料弱化机械作用并引入化学作用，以获得低损伤磨削表面，开发了大尺寸硅片机械化学磨削的系列化软磨料砂轮和低损伤加工工艺，实现了硅片表面损伤深度≤15nm的“超低损伤”磨削。
（3）发明了大尺寸硅片加工变形测量方法与设备。提出了硅片表面轮廓的非接触扫描测量方法，发明了消除重力附加变形的计算分离法和液浸消除法，突破了硅片与支撑相对位置辨识、重力附加变形解析和测量误差补偿等关键技术，研制出大尺寸硅片加工变形测量设备（精度±1.7μm）。
（4）研制出国内首台300mm硅片双主轴三工位全自动超精密磨床和首台300mm硅片双主轴两工位多功能超精密磨床。突破了磨削力在线测量与控制、硅片厚度在线测量、低速稳定进给、多轴系相对角度调整、硅片磨削面型控制、空气静压轴承电主轴制造等关键技术，发明了恒速进给磨削和控制力磨削相结合的工艺方法和加工过程控制策略，实现了大尺寸硅片的高效低损伤磨削。
开发了2种型号的大尺寸硅片超精密磨床和1台大尺寸硅片加工变形测量设备。所开发的超精密磨削工艺、砂轮和磨床的技术指标和加工效果达到国外同类先进产品的水平，满足规模化生产要求，已应用于首条国产300mm硅材料成套加工设备示范线以及国内IC制造企业。研究成果具有自主知识产权，填补国内空白，打破了国外垄断，为“中国芯”制造提供了技术保障，还可推广应用于蓝宝石等硬脆晶体基片的超精密磨削，应用前景广阔，社会效益显著。
授权美国发明专利1项、中国发明专利28项和软件著作权2项，发表论文63篇（SCI/EI收录21/55篇），通过部级科技成果鉴定5项，获2018年教育部技术发明奖一等奖和中国机械工业科学技术奖一等奖各1项。


客观评价        1.        科技奖励
研究成果“大尺寸晶圆的高效低损伤减薄磨削理论与关键技术”获2018年教育部高等学校技术发明奖一等奖，“300mm硅片超精密磨削技术与装备”获2018年中国机械工业科学技术奖一等奖。
2.        鉴定评价
蒋庄德院士为组长的专家组对“金刚石砂轮超精密磨削单晶硅损伤控制理论与工艺”的鉴定意见为：该成果为国内首创，其中硬脆材料的单颗粒金刚石划擦试验研究居国际领先水平；对“晶片超精密平整化磨削技术与装备”的鉴定意见为：该成果为国内首创，技术成果居国际先进水平，其中晶片超精密磨削过程中磨削力在线测量与监控技术居国际领先水平；对“大尺寸薄硅片加工变形测量与残余应力评价技术”的鉴定意见为：该成果属国内首创，其中液浸法消除重力影响获得硅片残余应力的技术成果居国际先进水平。
雒建斌院士为组长的专家组对“单晶硅片的软磨料砂轮机械化学磨削技术”的鉴定意见为：该技术成果居国际先进水平”；对“大尺寸晶圆超精密磨削减薄工艺与设备”的鉴定意见为：技术成果整体居国际先进水平，其中设备的关键技术指标居国际领先水平。
3.        课题验收意见
国家863计划重点项目课题验收意见：该课题研制了超精密磨削直径300mm基片的双主轴三工位全自动超精密磨床，完成了合同规定的任务，实现了课题目标，验收专家组建议该课题通过验收。
国家科技重大专项课题验收意见：课题组研制了300mm硅片超精密磨削机，各项技术指标满足90-65nm集成电路硅材料加工要求，达到了任务合同书的考核要求。实现了一台300mm磨削机的示范应用，经项目承担单位的考核评估，结论合格。同意课题通过任务验收。


4.        用户评价
有研半导体材料有限公司：研制的国内首台300mm硅片超精密磨床的性能指标和使用效果达到国际先进产品水平。硅片超精密磨削技术与装备自2013起在我国首条300mm硅片生产线中得到应用，磨床技术参数和工艺性能满足硅片规模化生产要求，打破了国外技术垄断，经济社会效益显著。
郑州磨料磨具磨削研究所有限公司：应用大连理工大学的晶圆超精密磨削技术成果所开发的金刚石砂轮产品于2009年定型，已形成了稳定销售，成为本公司的主打产品之一，为公司创造了显著的经济效益。研制的砂轮产品打破了国外的技术和产品垄断，为我国自主研发“中国芯”提供了技术支撑。
中国人民解放军国防科技大学：应用大连理工大学开发的超精密磨削技术和装备加工单晶硅反射镜，获得了高精度和高质量表面，为军口863计划项目等国家重大项目的完成提供了支撑，具有重要的应用前景。
中芯国际集成电路制造（北京）有限公司：经评估，贵公司12英寸晶圆电性、良率和工艺可靠性达到了90nm技术节点的要求，贵司供给我司的12英寸晶圆测试片在北京厂大规模使用。
台湾中国砂轮企业股份有限公司：有研半导体材料有限公司300mm硅材料成套设备示范线生产的300mm硅片技术参数与我司基准片一致，已在我司大规模使用，截止2017年底，总采购量已超10万片，后续订单持续进行中。
北京燕东微电子有限公司：郑州磨料磨具磨削研究所有限公司的金刚石砂轮，质量稳定，寿命满足晶圆磨削减薄要求，加工效率满足生产线节拍要求。取代进口砂轮，在晶圆级封装生产线上应用成功，带来了显著的经济效益。
讯芯电子科技（中山）有限公司：我公司批量采购郑州磨料磨具磨削研究所有限公司的树脂结合剂金刚石砂轮，用于12″晶圆的背面减薄加工，经线上使用测试，砂轮磨削性能与进口砂轮相当，砂轮在磨削精度及稳定性、晶圆表面粗糙度、加工效率和砂轮寿命满足硅片磨削减薄的使用要求。
华进半导体封装先导技术研发中心有限公司：采用大连理工大学开发的技术和装备对本公司减薄加工的基片加工变形进行测量，解决了困扰本公司多年的大尺寸超薄基片加工变形测量的难题，为加工工艺的改进提供了依据。


5.        检测报告
江苏省机床质量检测站依据无锡机床股份有限公司硅晶片磨床鉴定文件与合格说明书，根据WXG45-99标准、电气安全标准等对WX-6008型Ø300mm硅片全自动超精密磨床的主要规格参数和技术指标进行了型式试验，主要结论：技术指标符合工作精度要求，全自动晶片磨削机具有性能优良、精度好的特点。
机械工业组合机床及液压元件产品质量监督检测中心对本项目研制的Ø300mm晶圆双主轴两工位超精密磨床进行了检验，依据GB15760-2004、GB5226.1-2008、GB/T20957-2007，JB/T11724-2013等相关标准及“超精密晶片磨抛机”课题任务书进行了检验，共检验指标70项，全部达到标准要求。
机械工业组合机床及液压元件产品质量监督检测中心对本项目研制的大尺寸薄硅片变形测量数控气浮平台进行了检验，依据GB15760-2004、GB5226.1-2008、GB/T18400.2-2010等相关标准及“数控气浮平台”课题任务书进行了检验，共检验指标60项，全部达到标准要求。
国家磨料磨具质量监督检验中心对本项目研制的系列化金刚石砂轮和软磨料砂轮的磨削性能进行了测试，认为不同粒度金刚石砂轮的磨削性能指标达到国外同类产品水平。软磨料砂轮磨削硅片的磨削性能满足课题指标要求。
6.        学术论文引用评价
学术成果发表在Int J Mach Tool Manu，Appl Surf Sci，Precis Eng，Metrol Meas Syst，Meas Sci Tech，Mater Sci Semicond Process等权威期刊，得到国内外学者的正面评价，如澳大利亚工程院院士Liangchi Zhang教授肯定了本项目发明的单颗粒金刚石纳米切深高速划擦试验新方法。美国著名学者Komanduri教授认为本项目发明的软磨料化学机械磨削是大尺寸硅片低损伤磨削的理想方法。
应用情况        本项目研究的300mm硅片双主轴三工位全自动超精密磨床以及磨削工艺已应用于有研半导体材料股份有限公司，为我国首条300mm硅材料成套加工设备示范线提供了关键加工设备及先进加工工艺。利用本项目研究的超精密磨削技术和装备生产的硅片已批量供应于中芯国际集成电路制造（北京）有限公司、中国砂轮企业股份有限公司等单位。
本项目开发的硅片磨削用系列化金刚石砂轮已成为郑州磨料磨具磨削研究所有限公司的主要产品之一，稳定供应于华天科技、长电科技、北京燕东、讯芯电子、北京燕东等半导体企业，以及中国电子科技集团公司第13所和第55所等科研生产单位，用于硅片的平整化磨削以及晶圆的背面减薄磨削。经用户验证，所开发砂轮的磨削性能达到国外同类金刚石砂轮的水平，满足半导体企业硅片磨削的实际生产需求。
研制的大尺寸片加工变形测量方法与设备，在硅片加工变形测量中消除重力附加变形的方法等创新研究成果解决了大尺寸薄硅片加工变形测量的技术难题，已在本项目承担单位投入使用，用于测量大尺寸硅片的加工变形，为单晶硅片高效低损伤磨削工艺研究提供了测量评价手段。同时，也为华进半导体封装先导技术研发中心有限公司提供减薄硅片加工变形的测量服务，为该公司加工工艺的改进提供依据。
所开发的300mm硅片双主轴二工位超精密多功能磨床及低损伤磨削工艺用于国防科技大学军口863项目中200mm直径单晶硅平面反射镜的超精密磨削，磨削表面粗糙度Ra＜1 nm，面型精度PV＜2 μm，为后续反射镜面抛光和修形加工提供了技术保障，为军口863、国家基金重大研究计划集成项目等国家重大项目的顺利完成提供了支撑。


主要知识产权和标准规范等目录
知识产权（标准）类别        知识产权（标准）具体名称        国家（地区）        授权号（标准编号）        授权（标准发布）日期        证书编号（标准批准发布部门）        权利人（标准起草单位）        发明人（标准起草人）        发明专利（标准）有效状态
发明专利        Multifunctional substrate polishing and burnishing device and polishing and burnishing method thereof        美国        US9138855B2        20150922        US9138855B2        大连理工大学        康仁科，朱祥龙，董志刚，冯光，郭东明        有效专利
发明专利        一种半导体晶片磨削力在线测量装置及控制力磨削方法        中国        ZL201010553691.X        20130130        1130706        大连理工大学        康仁科，朱祥龙，金洙吉，郭东明        有效专利
发明专利        一种硬脆晶体基片超精密磨削砂轮        中国        ZL200610134248.2        20081029        438821        大连理工大学        康仁科，田业冰，郭东明，金洙吉，高航        有效专利
发明专利        一种多功能的基片磨抛装置及其磨抛方法        中国        ZL201210018459.5        20140423        1390189        大连理工大学        康仁科，朱祥龙，董志刚，冯光，郭东明        有效专利
发明专利        一种硬脆晶体基片的无损伤磨削方法        中国        ZL200610134249.7        20081217        453506        大连理工大学        郭东明，田业冰，康仁科，金洙吉，高航        有效专利
发明专利        一种薄基片变形的测量方法与装置        中国        ZL201310187846.6        20160106        1910076        大连理工大学        康仁科，董志刚，刘海军，佟宇，郭东明        有效专利
发明专利        一种消除重力影响的薄基片变形测量方法        中国        ZL201510496479.7        20180713        2997768        大连理工大学        董志刚，康仁科，刘海军，高尚，朱祥龙，周平，陈修艺        有效专利
发明专利        一种半导体晶片磨削砂轮对刀装置        中国        ZL200910181812.X        20120905        1042292        无锡机床股份有限公司，大连理工大学        吕洪明，郭东明，康仁科，储湘华，朱祥龙        未缴费失效的专利
发明专利        一种用于脆硬材料磨削的超硬树脂砂轮及其制备方法        中国        ZL201510078163.6        20170412        2442691        郑州磨料磨具磨削研究所有限公司        惠珍，丁玉龙，丁春生，叶腾飞        有效专利
发明专利        一种大直径硅片制造工艺        中国        ZL201010588498.X        20150624        1705564        有研新材料股份有限公司        库黎明，闫志瑞，索思卓        有效专利


主要完成人情况        （格式：姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目贡献）
1.        康仁科、1、所长、教授、大连理工大学、大连理工大学、项目负责人，负责总体研究方案规划与组织实施，对技术发明点1、2、3和4作出了创造性贡献。发明了单颗金刚石纳米切深高速划擦试验方法与装置，提出了金刚石砂轮开发方案，开发了金刚石砂轮高效低损伤磨削工艺（发明点1）；发明了软磨料砂轮机械化学磨削新原理新技术，开发了系列化软磨料砂轮及磨削工艺（发明点2）；发明了大尺寸硅片加工变形测量方法（发明点3）；发明了磨削力在线测量装置及控制力磨削方法，提出了2种硅片超精密磨床设计方案（发明点1、4）。授权美国发明专利1项，中国发明专利7项；科技成果鉴定5项。
2.        董志刚、2、副教授、大连理工大学、大连理工大学、对技术发明点1、3和4作出了创造性贡献。研制了单颗金刚石纳米切深高速划擦试验装置，建立了单晶硅延性域磨削加工的亚表面损伤深度预测模型（发明点1）；研制了采用大量程激光位移传感器和高精度运动平台的硅片表面轮廓非接触扫描测量装置，发明了消除重力附加变形的计算分离法和液浸消除法（发明点3）；发明了恒速进给磨削和控制力磨削相结合的磨削加工控制方法（发明点4）。授权国际发明专利1项，中国发明专利3项；通过科技成果鉴定5项。
3.        朱祥龙、3、副教授、大连理工大学、大连理工大学、对技术发明点1和4作出了创造性贡献。发明了硅片多功能磨削方法，开发了硅片高效低损伤磨削工艺（发明点1）；发明了磨床多轴系相对角度的关联调整方法、三向磨削力在线测量系统和控制力磨削系统，负责硅片全自动超精密磨床的方案设计、结构设计、性能测试和应用试验，以及硅片多功能磨床的设计研制、性能测试和应用试验（发明点4）。授权美国发明专利1项，中国发明专利4项；科技成果鉴定5项。
4.        闫志瑞、4、副总经理、教授级高工、有研半导体材料有限公司、有研半导体材料有限公司、对技术发明点1和4作出了创造性贡献。发明了大尺寸硅片的制造工艺，开展了直径300mm硅片超精密磨削用系列金刚石砂轮及其磨削工艺的应用研究（发明点1）；参与了直径300mm硅片超精密磨床的功能需求分析、方案设计、性能测试与应用试验，负责超精密磨削工艺和磨床在首条国产直径300mm硅材料成套加工设备示范线中的应用研究（发明点4）。授权中国发明专利1项。
5.        丁玉龙、5、高级工程师、郑州磨料磨具磨削研究所有限公司、郑州磨料磨具磨削研究所有限公司、对技术发明点1作出了创造性贡献。负责超精密磨削硅片用金刚石砂轮的开发与应用。发明了稳定自锐的金刚石砂轮及其制造工艺，研制了用于大尺寸硅片磨削的系列化金刚石砂轮，参与了硅片超精密磨削砂轮及磨削工艺的应用研究（发明点1）。授权中国发明专利1项。
6.        吕洪明、6、高级工程师、无锡机床股份有限公司、无锡机床股份有限公司、对技术发明点4作出了创造性贡献。负责硅片超精密磨床的空气静压轴承电主轴、精密转台、角度调整装置等零部件的设计制造，以及磨床的装配调试和控制系统开发，发明了砂轮对刀方法与装置，参与了300mm硅片全自动超精密磨床及磨削工艺的应用研究（发明点4）。授权中国发明专利1项。
完成人合作关系说明        “大尺寸硅片超精密磨削技术与装备”技术成果由大连理工大学康仁科、董志刚、朱祥龙、有研半导体材料有限公司闫志瑞、郑州磨料磨具磨削研究所有限公司的丁玉龙和无锡机床股份有限公司的吕洪明共同完成。具体合作情况如下：
1.        康仁科、董志刚、朱祥龙、闫志瑞通过承担国家02专项课题，共同研究硅片超精密磨削技术和设备，研究成果获2018年教育部高等学校技术发明奖一等奖；
2.        康仁科、董志刚、朱祥龙、闫志瑞、吕洪明通过承担国家02专项课题，共同研究硅片超精密磨削技术和设备，研究成果获2018年中国机械工业科学技术奖一等奖；
3.        康仁科、董志刚、朱祥龙共同完成“金刚石砂轮超精密磨削单晶硅损伤控制理论与工艺”等科技成果鉴定5项，共同申报美国专利1项、中国发明专利2项；
4.        康仁科、董志刚研究大尺寸硅片变形测量技术，获共同知识产权；
5.        康仁科、朱祥龙通过承担国家863计划课题等课题，共同研究磨削力在线测量装置及控制力磨削方法，获共同知识产权；
6.        康仁科、丁玉龙代表大连理工大学和郑州磨料磨具磨削研究所有限公司通过委托研制合同、委托检测合同等方式，共同开发硅片超精密磨削专用系列金刚石砂轮，形成了一批专利成果；
7.        康仁科、朱祥龙、吕洪明通过承担国家02专项课题，共同研究硅片超精密磨床关键技术，获共同知识产权。