近幾年來,台灣的半導體產業產值在全球已名列前茅,成為台灣生產結構的重心,但是在半導體設備方面,因發展歷程較短,對於技術層面較高、產值較大的半導體前段製程設備及關鍵零組件,幾乎完全仰賴進口,無法自行生產。經由專家學者分析後了解,此段製程設備中關鍵零組件附加價值雖比系統設備低,但其所需的製造技術較接近我國相關產業目前的技術水準,其中又以氣體供應系統之關鍵零組件,包含各類閥件、接頭、管件、泵浦、真空腔體等,具有用量大、更新率高、市場龐大等優點,適合作為發展的踏板[1]。半導體製程設備的構造材料,考量耐蝕性、強度、加工性,以不銹鋼最為廣泛使用。然而經過熱壓延後的素材表面,成形後含有複雜的雜質與介化合物的變質層,且覆蓋一層多孔性的氧化層,表層的晶界易被極度腐蝕,因而發生局部侵蝕,晶界的隙縫中會殘留氣體或液體而形成死區(dead zone),形成水分或氣體的吸附區,亦是較易附著金屬微粒的原因,圖一為SUS304熱壓延的酸處理材的表面SEM觀察[2]。
為了減少這些表面缺陷層、加工變質層,且表面粗糙度要盡可能變小,並且在表面覆蓋一層薄且緻密的酸化皮膜,需要進行特殊的鏡面加工處理。過去用來處理金屬表面的方式包括:擦光(buffing)、電解拋光(electro polishing,EP)、化學鈍化(chemical passivation)、化學拋光(chemical polishing)、光輝熱處理(bright annealing ,BA)、Glass beads blast (GBB)等。
由於半導體製程使用的零組件表面對於平滑、潔淨與抗腐蝕能力的需求越來越高,過去的處理方式面臨極限,如擦光研磨因局部加熱加壓研磨,在加工表面留下磨痕,且在晶界處發現金屬粉末及油脂嵌入其中;而電解拋光容易發生過度電解,於晶界發生腐蝕作用,並且在表面產生孔蝕缺陷;化學鈍化法無法移除變質層及改善粗糙度;化學拋光法的電解液調配複雜且電解液的保存與管理十分重要;光輝熱處理無法改善表面粗糙度;GBB處理會在表面上產生許多微小裂縫並且有金屬微粒及玻璃的破片嵌入表面。而上述處理方式,表面粗度大約都在0.1mm以上。因而有必要導入電解複合研磨(Electrochemical buffing,ECB),使表面品質得到更進一步的改善。

加工原理
電解複合研磨為1976年開發之金屬表面處理新技術,適用於不銹鋼及鋁、鈦、銅等非鐵金屬,圖二為ECB加工示意圖。系統主要包括電解槽、電解液、電解液過濾循環系統、直流電源供應器、電極研磨刀具、電極進給系統等。加工時,陰極端係為電極與研磨材交互排列所製成之刀具,工件於陽極端藉由磨輪接觸與陰極保持一定的間隙,注入電解液,施以適當電壓,在電解作用下使工件表面生成不動態皮膜。工件表面的凹凸部分生成不動態皮膜的期間,同時將研磨刀具壓在工件上迴轉,凸部被磨粒摩擦去除,且陽極進行溶解時有選擇性高點優先被電解溶出,兼得兩者的長處,圖三為鏡面形成過程的模擬[3][4]。 

鏡面的達成
金屬材料的表面層有凹凸、殘留應變、研磨劑、氧化物嵌入,晶界處容易與氧、水、硫之類起化學反應,過去使用擦光、EP、CP、GBB之類的處理來去除這些加工變質層。但是,設備的高集積化,高品質化伴隨而來,面臨了這些處理方法的極限,電解複合研磨(ECB)進而被廣加利用。圖四為機械拋光後看起來宛如鏡面的表面狀態經SEM放大後觀察,因為研磨過程局部遭受加壓加熱變形,產生磨痕、毛邊,且有金屬粉、油脂等雜質嵌入晶界處。相較之下,圖五的ECB處理面,品質穩定,表面粗糙度可達到Ra0.1mm~0.01mm以下,變質層及缺陷都被去除,也沒有嵌入異物,進而得到高品質鏡面。

電解複合研磨之特徵
1. 鏡面般的表面:同時以一邊拋光一邊電解的方式,快速達到鏡面般的平面。
2. 表面結構均勻:在電解過程中將一些因機械加工或研磨拋光所嵌入之雜質攜出,讓表面回復均勻結晶面。
3. 高抗腐蝕性:係利用電解作用將鐵離子大量攜出,讓Cr/Fe比提高達到抗腐蝕效果。
4. 表面不易黏著雜質:由於拋光後表面粗糙度接近光滑平順面,所以任何黏著的雜質不易附著且能輕易地清除。
5. 針對複雜自由曲面也能拋光:針對平面、凹凸面、自由曲面、超大型表面,也都能處理。
6. 可針對不同材料進行拋光:主要以導電性金屬為主(例如:一般的碳鋼、不銹鋼、銅、鋁和鈦)都能加工。

結論
由於半導體業對於超潔淨元件加工後處理製程要求非常嚴謹,國外各主要製造業者對於相關技術發展均保持高度機密,在文獻中也僅有一般性技術理論描述,鮮少有針對半導體設備元件的製程發表專業研究報告,本文可謂開此研究之先驅。希望能起一個拋磚引玉的效果,促進相關研究人員的興趣及投入。SST-AP/Taiwan

參考文獻
1. 宣立傳,《台灣半導體製程設備》,台灣整廠雙月刊,第八十四期,第4-8頁,民國92年9月
2. 半導體基盤技術研究會編,超高純度科學2,第二分冊,株式會社,第213-226頁,平成6年4月
3.馬場吉康、佐藤憲二,電解複合研磨金屬超鏡面化技術,表面科學,第11卷,第6號,1990
4.日造精密研磨株式會社,網路資料,http://www.uft.co.jp/japanese/kenma/
 
reference: http://ssttpro.acesuppliers.com/semiconductor/Magazine_Details_Index_Id_109.html 
 
 

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