電解拋光(Electrolytic Polishing)

所謂電解拋光,即是將工件放置陽極,於電解液中通電,在適當操作參數下,使工件發生電解反應(亦稱反電鍍),工件表面而因電場集中效應而產生溶解作用,因而可達成工件表面平坦與光澤化之加工技術。電解拋光機制示意圖如圖(十五)所示:

 

 

圖(十五)電解拋光機制示意圖

 

電解拋光技術於1931年,由D.A.Jacquet發明採行。「電解拋光」技術可廣泛運用在半導體製程設備、化工、航太以及其他高精密等表面處理加工。

 

電解拋光應用範圍:

(1) 可處理銅、黃銅、鉛、鎳、鈷、鋅、鍚、鋁、不銹鋼、鐵、鎢等材料。

(2) 電解拋光技術廣泛應用於半導體/LCD等級閥件、管配件、接頭、IGS之表面處理。

(3) 電解拋光可達鏡面級光澤,拋光後產品表面可達Ra=0.2~0.5μm。

(4) 不銹鋼電解拋光表面可生成鈍化層,有效提昇抗腐蝕能力。

電解拋光成品如相片(一)所示:

 

相片(一)電解拋光成品

 

工研院機研所,兩年來,在沒有技術引進情況下,自行設計、開發夾治具、電解液和設立實驗室,摸索出世界最新穎的表面處理「電解拋光」關鍵技術。機械所目前已建立電解拋光實驗室,擁有內外孔電解拋光設備,除開發閥件內孔電解拋光技術外,更將觸角延伸至管件內孔電解拋光高級技術發展,期能建立我國紮實的電解拋光加工能力。

        近年,國內半導體製造業蓬勃發展,但半導體製程設備工業卻遠遠落後,詳究其原因,主要在於國內缺半導體製程設備所需的精密表面加工技術。電解拋光應用於半導體製程設備中的控制閥內流道、廠務配管流道、反應腔壁表面之處,凡與製程氣體接觸之處理都需要電解拋光加工處理,應用範圍多且廣。將電解拋光應用於半導體製程設備的目的有三,一為可生成抗蝕鈍化層,二為可產生高度潔淨表面,三為可鏡面拋光降低粗糙度。為建立電解拋光操作參數,機械所是從電流密度、電壓、通電時間、溫度、流速、電解液配方、比例、添加劑等,來了解其對鈍化抗蝕性的影響,並委託清華大學進行電解拋光試片抗蝕性研究,已實驗完成且有不錯的成果。機械所在電解拋光高度潔淨表面研究方面,則從製程和步驟著手,包括前處理溶液清洗、鹼洗除油、酸洗除銹、電解液潔淨和控制、後處理化學清洗,以及在無塵室進行超化學液配方、溫度、操作時間、角度等研究。

電解拋光效益(創造產值):

(1) 為一具備機械、電控、熱流、材料化工高度整合性技術。

(2) 1999年時國內半導體業者需求與EP有關之閥件、管配件等零組件消耗品總金額為67.5億,其中EP技術產生價值約佔22%,總值約為15億。

 

5-9 化學機械拋光(Chemical Mechamical Polishing,簡稱CMP)

CMP機器之構造圖及製程示意圖如圖(十六)及圖(十七)所示:

 

圖(十六)CMP機器構造簡圖

 

圖(十七)CMP製程示意圖

CMP是將工件壓在旋轉之彈性襯墊(研磨墊)上,利用相對運動加工之拋光技術。將具有腐蝕性之加工液供給到工件上,當工件進行腐蝕加工(化學性)時,同時供給超微磨粒(直徑100奈米以下)拋光(機械性)材料,對工件之凸部進行選擇性的拋光操作,故稱機(械)化學拋光或化學機械拋光。

        在LSI往微細、高積體化發展之同時,形成於矽表面之裝置構造也有多層化,其表面凹凸變大之傾向。為了實現多層化裝置之配線的高信賴性、高成功率,在裝置製造之過程中,每一層表面之凹凸必須很平坦化(Planarization)。

 

平坦化過程之概念圖,如圖(十八)所示:

        在矽晶片上所形成內部配線之突出氧化膜部分,利用包含超磨粒拋光材之拋光襯墊進行拋光加工後,便會逐漸平坦。

 

圖(十八)平坦化過程之概念圖

 

化學機械研磨(CMP)技術因其擁有全面平坦化(Global Planarization)的優勢,因此在近年來成為各大IC相關產業競相研發之技術。

        傳統的平坦化技術以Spin On Glass(SOG)和Resist Etchback(REB)技術為主但在0.25μm以下IC製程SOG及REB技術並無法達到全面平坦化(Global Planarization)的目標,因此極需尋找新平坦化技術,化學機械研磨技術經由IBM及Intel等公司積極研發,在近年來已成為全面平坦化的新興技術。它不僅可以達成全面平坦化的目標,同時可增加元件設計的多樣性,如可將銅及鎢納入新元件設計中且可減少缺陷。圖(十九)乃各IC平坦化技術之比較,由此圖可看出CMP在全面平坦化技術的優勢。

 

 

圖(十九)平坦化技術

圖(十五)說明積體電路不同製程的平坦化能力。以積體電路產品16M(百萬)DRAM的晶方邊長在拾厘米以上,因此理想的平坦化距離也需要拾厘米以上長度,在製程上最早應用的硼磷玻璃回填(BPSG Reflow)平坦化技術,除了高溫限制在金屬化前的使用外,平坦化距離僅能適合數微米長。旋塗玻璃(Spin on Glass)是二層金屬連線製程最常使用的平坦化技術,其平坦化距離僅及10微米長。以沈積/蝕刻交替及電子迴旋電漿(ECR)沈積薄膜非常適合深次微米製程中的填隙,如搭配化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)則可完全應用在多層連線的製造,以阻劑填平後蝕刻(Resist Etch Back)的平坦化技術,因沒有塗佈玻璃材質的吸水性及有機物揮發等問題,故為美、日的主要積體電路製造商在高可靠度產品應用的平坦化技術。由於阻劑填平的平坦化間距僅及百微米範圍,及綜合圖(十九)的比較,化學機械研磨就成為全面平坦化的最佳選擇。

0.25μm以下製程不可或缺之平坦化設備,化學機械研磨機在中科院主導及相關業者之協又合作F商品化研磨機已進入市場。以 二氧化矽為主要成分的絕緣介質在CMP所使用的研磨劑目前Cabot公司所製造之研磨液系列產品為多數廠商所接受。Cabot公司能佔有研磨液,大部份市場乃因其能自行製造之高純度且穩定性佳Sio2粉末。同時Cabot公司擁有研磨液所需發展之技術即研磨粉末製造技術,研磨粉末分散技術及研磨液配方投術。

研磨液乃是用來研磨二氧化矽介電層,BPSG介電層、淺溝隔絕層(Shallow Trench Isolation)及Polysillicon薄膜層之研磨液。研磨液一般包含下列組成SiO2研磨粉末(平均粒徑根據不同配方約在100nm左右),固含量約10~30%,PH值約在9.0~11.0(由KOH或NH4OH調整),以及去離子水約70%。

以介電薄膜研磨所使用之SiO2研磨液為例,在PH值固定時,當研磨液的SiO2研磨粉末之含量或粒徑大小增加時,其研磨速率亦相對增加,如圖(二十)所示,然而若其增加比例過高,亦會刮傷薄膜表面。當PH值增加時,研磨速率亦會隨之增加,然而額外之化學反應亦會提高,因而降低研磨薄膜之平坦度。

 

 

圖(二十)介電膜研磨速率與SiO2研磨劑組成之關係

 

而CMP技術所使用之研磨墊-PU Pad,大體來說有兩種功能,一是研磨墊之孔隙度可協助研磨液於研磨過程輸送到不同區域,另一種功能乃是協助將晶片表面之研磨產物移去。研磨墊之機械性質會影響到薄膜表面之平坦度及均勻度,因此控制其結構及機械性質是十分重要的。

 

        研磨墊則是研磨劑外的另一個重要消耗材,由於積體電路製程的目的是平坦化,異於傳統光學玻璃與矽晶圓的拋光作用。圖(十八)平坦化過程的示意圖,平坦化的作用即要將晶圓表面輪廓凸出部份削平,達到全面平坦化。理想的研磨墊是觸及凸出面而不觸及凹面,達到迅速平坦化的效果。就研磨墊的應用言,其材料的化性需求較為單純,一般僅具備耐酸鹼,持久穩定即可。但在物性條件則相當複雜。Rodel 的研磨墊Suba系列產品為美國Sematech等所評定,適合CMP製程應用。此Suba系列的材質為Polyurethane Impregnated Polyster Felts。上述的PU材料,具多孔性及一定的硬度。如圖(二十一)所示,研磨墊的壓縮性差異,形成不同的垂直與水平變形,軟性的研磨墊,因變形而容易觸及凹面,形成平坦度較差的現象。Rodel另一系列的IC(品名)產品,具較低壓縮性,較高硬度的研磨墊,可以有效提昇平坦度的效果,但其均勻度的控制則變差了。使用IC 1000/Suba IV的組合墊則兼顧了平坦度與均勻度的效果,也就成為今日對氧化矽薄膜在CMP製程的主要研磨墊。穩定的製程除了選擇適當的研磨墊外,適當的保養則是必要的過程。在研磨過程中,研磨墊表面材質也會耗損,變形。另外表面堆積的反應物也需妥當的排除。因此在使用中,如無適當的處理,研磨墊表面將呈現快速老化,造成蝕刻率衰退等現象。為了解決研磨墊的老化問題,現代的CMP機台都具備『研磨墊整理器』,具備與研磨過程同步整理或定時整理的功能。

 

化學機械研磨製程控制

                RR=Kp.P.V

其中RR為蝕刻率,P為晶圓上的施加壓力,而V為相對線性速率。Kp則稱為Preston常數,此簡單的Preston方程式說明蝕刻率與壓力、線性速度成正比關係外,其他物性、化性及機械參數及特性都隱藏在Preston常數內。在良好的機台參數控制下,一般氧化層膜的製程控制範圍都可適用Preston方程式。典型的例子如圖十所示。由圖上可以看出氧化矽膜的蝕刻率與施加壓力呈正比的線性關係,另外在不同設定的轉速下亦都呈現正比的線性關係,其斜率則隨著轉速而增加。圖(二十二)即在固定的施壓下,蝕刻率與平台轉速的關係。一般實驗結果可以得到線性但非正比關係。

 

 

圖(二十一)熱氧化矽薄膜的CMP蝕刻率與壓力關係圖

 

圖(二十二)熱氧化矽的CMP蝕刻率與磨盤轉速的關係圖

 

5-10 製程中電解削銳(Electrolytic In-Process Dressing,簡稱ELID研磨)

 

        電子零件等功能材料之進步是有目共睹的,但對於各種素材零件之加工精度要求則是愈來愈嚴格。其加工技巧之磨料加工技術的研磨、拋光方面,對於高效率、高精度、高品位、超精密、自動化等之期望也很高,滿足其要求的加工技術之一為ELID研磨法。

       

        ELID研磨法為金屬結合砂輪的削銳方法之一,利用電氣化學作用所產生之電解溶出現象,在研磨加工中也可以連續地進行削銳,以保持穩定的銳利度。

 

圖(二十三)所示為平面磨床使用ELID研磨法時之示意圖。電解削銳是對與研磨加工無關之砂輪部份,在砂輪和電極之間產生電氣化學反應而進行的。

 

圖(二十四)所示為ELID研磨時之砂輪表面狀態的示意圖。

(a)    為砂輪剛削正後之狀態。

(b)    為在研磨加工之前僅實施削銳操作,利用電解方式,使砂輪之結合劑溶解的狀態。

(c)    為隨著電解之進行,不導電薄膜產生,結合劑之溶解被抑制。

(d)    是由於加工之進行,磨料發生磨耗,不導電薄膜也被剝離之狀態。

(e)    是不導電薄膜變薄,導電性回復,結合劑之溶解再度開始,而露出磨粒。

由於這些作用之反覆進行,使砂輪可以保持良好的銳利度。

 

 

圖(二十三)使用ELID研磨法之平面磨床示意圖

 

圖(二十四)ELID研磨時之砂輪表面狀態示意圖

依據工研院微機電部H.Y.Lin及F.Y.Chang等人89年11月1~2日發表於第四屆奈米工程暨微系統技術研討會之論文:

The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon.

利用ELID鑽石磨輪研磨直徑300-400mm之矽晶圓,可獲得所期望的表面粗度與平坦度(flatness)其研磨結果則視電流、電壓、磨輪轉速、材質、磨粒粗細、進給率及工作台轉速而決定。Nachi RGS20N ELID研磨機之示意圖如圖(二十五)所示:

 

圖(二十五)Nachi RGS20N ELID研磨機示意圖

 

        通常磨輪之磨粒越細,則研製工件之表面粗度越好,然而磨輪表面越容易被切屑(Chip)堵塞而變成不銳利,因此必需定時停機清理削銳,如此一來就造成加工不方便及損失,因此Ohmori提供ELID研磨法,使得在研磨過程中,經常保持磨輪在銳利狀態,因即可獲得穩定又理想之工件表面粗度。

相片(二)(三)(四)(五)(六)為利用AFM(Atomic Force Micro Scope 電子力顯微鏡)、SEM(Scanning Electron Micro Scope 掃描電子顯微鏡)及HRTEM(High Resolution Transmission Electron Micro Scope 高解析度穿透式電子顯微鏡)在不同加工參數條件下所得到之矽晶片表面狀況之相片。

 

 

                相片(二)ELID研磨之矽晶片 SEM(左) AFM(右)相片

                        (#6000 Diamond ,Wheel ,30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min)

 

 

                相片(三)ELID研磨之矽晶片 HRTEM相片

                        (#6000 ,30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min[110])

 

 

相片(四)ELID研磨之矽晶片 AFM相片

                (#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min(左),2μm/min(右))

 

 

相片(五)ELID研磨之矽晶片 HRTEM相片

                        (#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110])

 

 

相片(六)ELID研磨之矽晶片 HRTEM相片

                        (#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110])

 

由於磨輪進給率不同,晶片表面之狀況也稍微不同,如圖(十三)所示,進給率為8μm/min時,在晶片表面產生10-30nm(奈米)之非晶形薄層(amorphous layer)如圖(十四)所示,當進給率為2μm/min時,因磨耗較大,導致磨擦生熱,因此在晶片表面產生80μm之非晶形薄層,同時在基底下形成200nm之差排薄層(dislocation layer)

 

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