精密磨削(Precision Grinding)（下）

魔神发表于 2009-11-22 13:50:01

0.25μm以下制程不可或缺之平坦化设备，化学机械研磨机在中科院主导及相关业者之协又合作F商品化研磨机已进入市场。以二氧化硅为主要成分的绝缘介质在CMP所使用的研磨剂目前Cabot公司所制造之研磨液系列产品为多数厂商所接受。Cabot公司能占有研磨液，大部份市场乃因其能自行制造之高纯度且稳定性佳Sio2粉末。同时Cabot公司拥有研磨液所需发展之技术即研磨粉末制造技术，研磨粉末分散技术及研磨液配方投术。 研磨液乃是用来研磨二氧化硅介电层，BPSG介电层、浅沟隔绝层（Shallow Trench Isolation）及Polysillicon薄膜层之研磨液。研磨液一般包含下列组成SiO2研磨粉末（平均粒径根据不同配方约在100nm左右），固含量约10~30%，PH值约在9.0~11.0（由KOH或NH4OH调整），以及去离子水约70%。 以介电薄膜研磨所使用之SiO2研磨液为例，在PH值固定时，当研磨液的SiO2研磨粉末之含量或粒径大小增加时，其研磨速率亦相对增加，如图9所示，然而若其增加比例过高，亦会刮伤薄膜表面。当PH值增加时，研磨速率亦会随之增加，然而额外之化学反应亦会提高，因而降低研磨薄膜之平坦度。<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_y3yvpe2008312141750.jpg">图9  介电膜研磨速率与SiO2研磨剂组成之关系而CMP技术所使用之研磨垫－PU Pad，大体来说有两种功能，一是研磨垫之孔隙度可协助研磨液于研磨过程输送到不同区域，另一种功能乃是协助将芯片表面之研磨产物移去。研磨垫之机械性质会影响到薄膜表面之平坦度及均匀度，因此控制其结构及机械性质是十分重要的。 研磨垫则是研磨剂外的另一个重要消耗材，由于集成电路制程的目的是平坦化，异于传统光学玻璃与硅晶圆的拋光作用。图4平坦化过程的示意图，平坦化的作用即要将晶圆表面轮廓凸出部份削平，达到全面平坦化。理想的研磨垫是触及凸出面而不触及凹面，达到迅速平坦化的效果。就研磨垫的应用言，其材料的化性需求较为单纯，一般仅具备耐酸碱，持久稳定即可。但在物性条件则相当复杂。Rodel 的研磨垫Suba系列产品为美国Sematech等所评定，适合CMP制程应用。此Suba系列的材质为Polyurethane Impregnated Polyster Felts。上述的PU材料，具多孔性及一定的硬度。如图4所示，研磨垫的压缩性差异，形成不同的垂直与水平变形，软性的研磨垫，因变形而容易触及凹面，形成平坦度较差的现象。Rodel另一系列的IC(品名)产品，具较低压缩性，较高硬度的研磨垫，可以有效提升平坦度的效果，但其均匀度的控制则变差了。使用IC 1000/Suba IV的组合垫则兼顾了平坦度与均匀度的效果，也就成为今日对氧化硅薄膜在CMP制程的主要研磨垫。稳定的制程除了选择适当的研磨垫外，适当的保养则是必要的过程。在研磨过程中，研磨垫表面材质也会耗损，变形。另外表面堆积的反应物也需妥当的排除。因此在使用中，如无适当的处理，研磨垫表面将呈现快速老化，造成蚀刻率衰退等现象。为了解决研磨垫的老化问题，现代的CMP机台都具备『研磨垫整理器』，具备与研磨过程同步整理或定时整理的功能。 化学机械研磨制程控制 RR=Kp．P．V 其中RR为蚀刻率，P为晶圆上的施加压力，而V为相对线性速率。Kp则称为Preston常数，此简单的Preston方程式说明蚀刻率与压力、线性速度成正比关系外，其它物性、化性及机械参数及特性都隐藏在Preston常数内。在良好的机台参数控制下，一般氧化层膜的制程控制范围都可适用Preston方程式。典型的例子如图10所示。由图上可以看出氧化硅膜的蚀刻率与施加压力呈正比的线性关系，另外在不同设定的转速下亦都呈现正比的线性关系，其斜率则随着转速而增加。图11即在固定的施压下，蚀刻率与平台转速的关系。一般实验结果可以得到线性但非正比关系。<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_yeducr2008312143344.jpg">图10  热氧化硅薄膜的CMP蚀刻率与压力关系图<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_2phqod2008312143449.jpg">图11热氧化硅的CMP蚀刻率与磨盘转速的关系图6 制程中电解削锐(Electrolytic In-Process Dressing，简称ELID研磨) 电子零件等功能材料之进步是有目共睹的，但对于各种素材零件之加工精度要求则是愈来愈严格。其加工技巧之磨料加工技术的研磨、拋光方面，对于高效率、高精度、高品位、超精密、自动化等之期望也很高，满足其要求的加工技术之一为ELID研磨法。 ELID研磨法为金属结合砂轮的削锐方法之一，利用电气化学作用所产生之电解溶出现象，在研磨加工中也可以连续地进行削锐，以保持稳定的锐利度。 图12所示为平面磨床使用ELID研磨法时之示意图。电解削锐是对与研磨加工无关之砂轮部份，在砂轮和电极之间产生电气化学反应而进行的。 图13所示为ELID研磨时之砂轮表面状态的示意图。 (a)为砂轮刚削正后之状态。 (b)为在研磨加工之前仅实施削锐操作，利用电解方式，使砂轮之结合剂溶解的状态。 (c)为随着电解之进行，不导电薄膜产生，结合剂之溶解被抑制。 (d)是由于加工之进行，磨料发生磨耗，不导电薄膜也被剥离之状态。 (e)是不导电薄膜变薄，导电性回复，结合剂之溶解再度开始，而露出磨粒。 由于这些作用之反复进行，使砂轮可以保持良好的锐利度。<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_zzkkov2008312143639.jpg">图12  使用ELID研磨法之平面磨床示意图<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_v372yb200831214381.jpg">图13  ELID研磨时之砂轮表面状态示意图依据工研院微机电部H.Y.Lin及F.Y.Chang等人89年11月1~2日发表于第四届奈米工程暨微系统技术研讨会之论文： The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon. 利用ELID钻石磨轮研磨直径300-400mm之硅晶圆，可获得所期望的表面粗度与平坦度(flatness)其研磨结果则视电流、电压、磨轮转速、材质、磨粒粗细、进给率及工作台转速而决定。Nachi RGS20N ELID研磨机之示意图如图14所示：<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_bjrtdp2008312144014.jpg">图14  Nachi RGS20N ELID研磨机示意图通常磨轮之磨粒越细，则研制工件之表面粗度越好，然而磨轮表面越容易被切屑(Chip)堵塞而变成不锐利，因此必需定时停机清理削锐，如此一来就造成加工不方便及损失，因此Ohmori提供ELID研磨法，使得在研磨过程中，经常保持磨轮在锐利状态，因即可获得稳定又理想之工件表面粗度。 相片2、3、4、5、6为利用AFM(Atomic Force Micro Scope 电子力显微镜)、SEM(Scanning Electron Micro Scope 扫描电子显微镜)及HRTEM(High Resolution Transmission Electron Micro Scope 高分辨率穿透式电子显微镜)在不同加工参数条件下所得到之硅芯片表面状况之相片。<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_hs0pon2008312144227.jpg">相片2  ELID研磨之硅芯片SEM（左） AFM（右）相片 （#6000 Diamond ,Wheel ，30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min）<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_t3rllg200831214438.jpg">相片3  ELID研磨之硅芯片HRTEM相片 （#6000 ,30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min）<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_fudxqf2008312144430.jpg">相片4  ELID研磨之硅芯片AFM相片 （#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min（左）,2μm/min（右））<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_cy1gys2008312144510.jpg">相片5  ELID研磨之硅芯片HRTEM相片 （#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min）<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_ei6r7b2008312144546.jpg">相片6  ELID研磨之硅芯片HRTEM相片 （#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min）由于磨轮进给率不同，芯片表面之状况也稍微不同，如图13所示，进给率为8μm/min时，在芯片表面产生30nm（奈米）之非晶形薄层(amorphous layer)如图14所示，当进给率为2μm/min时，因磨耗较大，导致磨擦生热，因此在芯片表面产生80μm之非晶形薄层，同时在基底下形成200nm之差排薄层(dislocation layer)

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