【李家同】為台灣加油打氣專欄(246)研磨墊磨耗即時監控系統

張貼日期:2022/12/26

李家同/侯冠維

在半導體製程中,研磨是非常重要的步驟。講到研磨,大家也許會覺得沒什麼特別。但是實際上,半導體製程所需要的研磨技術是非常精密的。我們常見的半導體晶片,是由許多層的矽、金屬、絕緣層等許多材料組成的,過程就像建造房子一樣,一層一層往上堆疊。每一層製造完成後,表面有可能不平整,此時需要利用研磨將表面磨平,才能繼續製造下一層。假如沒有好的研磨技術,每一層的表面崎嶇不平,最後成品的品質會非常不好,良率就會很差。

目前在半導體製程中被廣泛使用的研磨技術,稱為「化學機械研磨 (chemical-mechanical planarization, CMP)」,請看圖一。

圖一

研磨墊的表面是硬度較高的材料,我們將晶圓要研磨的那一面向下面對研磨墊,並向下施壓讓晶圓接觸研磨墊。在研磨的過程中,晶圓和研磨墊各自都會進行旋轉,以進行晶圓表面的研磨。

所謂的化學機械研磨,它所使用的研磨液是特殊的化學品,其中包含了特殊的酸性或鹼性化合物,也包含了硬度較高的研磨粒子。在研磨的過程中,首先酸性或鹼性化合物會與晶圓表面的材料產生化學反應,造成晶圓表面的元素或化合物轉變成鬆散的氧化物。這種鬆散的氧化物很容易從晶圓表面脫離,因此有助於研磨的進行。接下來研磨粒子會對晶圓表面進行機械性的研磨,使晶圓表面被磨平。

研磨墊的表面是有溝槽的,這種溝槽可以容納研磨液在其中,增加研磨液和晶圓表面的接觸。此外,溝槽也會增加研磨墊的粗糙度,使研磨效率提高。請看圖二。圖中所顯示的只是一個示意圖,實際上溝槽的尺寸是非常小的,必須用顯微鏡才能清楚看見。

圖二

然而,隨著使用時間越來越長,研磨墊會有磨損,造成研磨墊變平滑,粗糙度下降,使研磨效率降低。另外,在研磨的過程中,從晶圓表面掉下來的碎片,有可能會卡在溝槽中,造成研磨效率降低,甚至可能造成晶圓表面刮傷,進而產生缺陷,請看圖三。

圖三

當研磨墊的磨損達到一定程度時,我們要利用鑽石修整器來對研磨墊進行修整,以提高研磨墊的粗糙度並清除溝槽中的碎片。

然而,我們很難準確地判斷什麼時候要對研磨墊進行修整。過去都是依照工程師長期累積的經驗,根據製程參數和數據來判斷大約多久以後需要進行修整,並且需要將研磨墊從設備上取下來進行分析。因為研磨墊的成本很高,如果過早進行修整,會造成研磨墊使用壽命減少,使生產成本變高。如果太晚進行修整,則會因為研磨效率降低,造成產品的品質不穩定。

為了改善這個問題,我國的工程師發展了一套研磨墊磨耗即時監控系統,可以在研磨進行過程中,即時監控研磨墊的表面形態和粗糙度,請看圖四。

圖四

這個即時監控系統,是在研磨設備的鑽石修整器上加裝一個即時監控模組。即時監控模組會發出三種不同波長的光照射研磨墊,並且偵測從研磨墊反射回來的光訊號。當研磨墊的表面形態不同時,反射回來的光訊號會有不同的變化。透過特殊的演算法,這個監控系統可以即時計算出研磨墊的表面形態和粗糙度,以及推估研磨墊剩餘的壽命。

這種分析表面形態的方法使用了「多波長共軛焦顯微技術」,其中牽涉到複雜的光學與數學知識,在此我們無法仔細說明,有興趣的讀者不妨到大學修讀與光學有關的課程。

因為監控系統是在研磨過程中即時進行監控的,研磨墊不需要從設備上面取下來,因此可以提升生產效率。

希望大家知道,許多工業產品的製造牽涉到相當多工業基礎技術,例如研磨、焊接、混合分散、分離純化、電鍍、化學氣相沉積、物理氣相沉積、放電加工、精密加工等等。所謂的精密工業,是需要每一項基礎技術,都達到非常高的技術水準,具有生產高規格產品的能力。希望大家明白,我們的工業已經不是普通的工業,而是要進入高技術水準、高規格的階段了。

希望政府不要太注重耀眼的科技,如AI、量子電腦、元宇宙等等,更應該注意像研磨這種科技。這一類的科技對提高我國的競爭力是相當重要的。

我國的工程師開發的研磨墊磨耗即時監控系統,目前已經可以達到0.5微米的精度。這套系統對於提升半導體製造的生產效率是有幫助的,也代表我們的工業界是不斷在進步的,值得我們高興以及給予他們鼓勵。