切削刀具(Cutting Tools)乃以個別的尖點或切刃切削加工。超高壓燒結的多晶鑽石(Polycrystalline Diamond,PCD)複合片(Compact)是切削刀具的極品,在切削耐磨的材料(如A390高矽鋁合金)時,其壽命可達碳化鎢刀具的數十倍。世界最大的PCD Compact圓片(100 mmφ)已首次做成平坦的刨平器(Planer),其表面可形成極多尖點或平面的切刃。這種PCD刨平器可用以修整化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization,CMP)的拋光墊(Polishing Pad),修整後的拋光墊其表面微細結構的均勻程度會遠勝於傳統鑽石修整器(Diamond Dresser)。PCD Planer 是製造半導體奈米級積體電路(Integrated Circuit 或IC)晶片的尖端利器。PCD刨平器也可用以刨削(Shave)硬脆材料(如矽晶圓及陶瓷基板),當刺入深度僅數奈米時,硬脆的物質具延展性,因此可刨削出平坦而光滑的加工面。以這種新技術加工硬脆材料的速度會比傳統的研磨後再拋光操作簡單也快速得多。
化學機械拋光要埋設積體電路時晶圓表面需沈積多至十層的導電層(如Cu、Al、W)、絕緣層(如Black Diamond)和抗磨層(如TaN)。每次沈積之後必須將表面拋光使其平滑,這個技術稱為化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization,CMP)。CMP為精密的拋光製程。在拋光時晶圓乃壓在一片旋轉的拋光墊(Pad)上。拋光墊通常為Polyurethane 所製而且也常含有氣孔(例如Rhom Haas的IC1010即含1/3約30μm的氣孔)。拋光墊只是供擦拭晶圓的「抹布」。晶圓表面突出處乃以塗佈在拋光墊表面的磨漿(Slurry)拋光。磨漿內含有與IC線寬相近(如90 nm)的懸浮磨粒(如10 wt%)。磨漿的液體通常也含氧化劑(如H2O2)或腐蝕劑(如酸液)。液體會和晶圓表面反應生成鬆散的氧化物,這就是CMP的化學反應。磨粒(如SiO2、Al2O3、CeO2)以拋光墊表面纖細的絨毛支撐就可擦拭晶圓的表面,這就是CMP的機械磨除。

圖一:CMP的製程示意圖,其中「鑽石碟」決定了晶圓與拋光墊的接觸面積和接觸壓力,因此也決定了晶圓拋光的效率及平坦化的品質。
磨粒對晶圓的壓力及相對速度越大,CMP的磨除速率就越高。為了加大局部的接觸壓力,拋光墊的表面必須刻上細紋(約20μm深)以減少和晶圓的接觸面積(至約5%)。在磨除時刻紋會逐漸消失,碎屑摻雜的磨漿也會累積在拋光墊的表面使其變得既硬又滑,這種現像稱為鈍化(Glazing)。拋光墊和晶圓的接觸面積增大後就降低了磨粒在晶圓表面的接觸壓力,這樣晶圓的拋光速率就會大減。更有甚者,骯髒的拋光墊會污染晶圓的表面使其缺陷密度增加。為了維持拋光速率及保持晶圓乾淨,拋光墊必須以「鑽石碟」(Diamond Disk)間歇修整(Dressing)或活化(Conditioning)。「鑽石碟」不僅可清除磨屑,還能在逐漸平滑的拋光墊表面刻出溝紋。這樣就可提高拋光墊對晶圓的摩擦阻力,使CMP 持續進行。

「鑽石碟」的設計「鑽石碟」乃為一個上面黏附鑽石(如150μm)的金屬(如不鏽鋼)圓盤(如100mmφ)。由於超硬的鑽石容易刮壞晶圓,它絕不能在CMP時自圓盤掉落。鑽石的惰性極大甚難將之附著在金屬盤上。傳統的方法乃將鑽石以電鍍的鎳層圍繞卡住或以燒結的金屬粉末(如鈷)掩埋夾住。這兩種方法都只能機械式的握持鑽石,所以鑽石仍然容易脫落。本人在「中砂」以熔融的鎳鉻合金和鑽石反應在表面形成碳化鉻的化學鍵。熔融的液體也會因表面張力而爬昇到鑽石表面形成緩坡,因此可將鑽石廣泛支撐(Massive Support)。這種強力的附著使鑽石永不脫落,既使故意把鑽石上部撞斷,其根基仍會崁在銲料之內。

圖二:電鍍鎳卡住的鑽石(上圖)及燒結鎳夾住的鑽石(中圖)被撞擊時都容易脫落。強力支撐的硬銲鑽石則永不脫落(下圖)。

早期的「鑽石碟」乃使用磨切石材的電鍍或硬銲工具。這種傳統的鑽石工具其上的鑽石分佈雜亂無章。1997年「中砂」推出「鑽石陣®」(DiaGrid®)鑽石工具(Sung, US Patent 6,286,498、6,039,641 、6,679,243)。1999 年「中砂」售出(聯電、IBM)第一批DiaGrid®「鑽石碟」,自此它就成為CMP的標竿產品,甚至是國內外競爭者師法的對象。2004 年全球「鑽石碟」的市場約$1億而其中的60%具有「鑽石陣」的特徵。

著名的創新公司3M也生產具有「鑽石陣」特徵的「鑽石碟」。由於它和「中砂」劇烈競爭乃控告「中砂」侵權,3M挾其強大的智權律師團隊窮追猛打「中砂」超過四年之久。其間本人反控3M侵權終迫其放手。2005年3月7日3M簽下和解書同意賠償本人及不再控告「中砂」。

圖三:電鍍(圖三之上圖)及硬銲(圖三之中圖)的鑽石碟,其上的鑽石分佈雜亂無章。「中砂的」DiaGrid®「鑽石碟」上的鑽石分佈則井然有序。
一般的表面加工只注意其粗糙度,對加工時所產生溝紋的分佈並不在意,所以可以使用雜亂無序的鑽石工具。然而修整CMP的拋光墊時刻紋的深淺、分佈,甚至形狀都會影響到晶圓的拋光。因此「鑽石陣」乃成為「鑽石碟」的主要設計。

傳統鑽石工具可以容忍鑽石脫落或崩裂,但「鑽石碟」上的鑽石絕不能脫落及崩裂。「鑽石碟」上鑽石的磨耗只是在頂端而已。因此鑽石必須保持鋒利,才能在拋光墊上刻劃出較尖且較密的紋路。一但鑽石磨鈍,拋光墊的切溝變淺也會加寬,這時晶圓的拋光速率會大降,而晶圓表面的缺陷數量也會驟增;這時「鑽石碟」的壽命已盡,必須立刻更換。

圖四:拋光墊的溝紋可以水波的特性描述,深度為振幅(浪高)而距離為波長(浪距)。溝紋越細密,拋光的速率越低但拋光墊支撐的時間越長,越規則的溝紋其拋光的速度也越穩定。
「鑽石陣」是「鑽石碟」設計的里程碑。「中砂的」DiaGrid®「鑽石碟」現為市場的領先者。為了拉大差距,本人安排世界最大的CMP 機台公司Applied Material 及世界最大的拋光墊公司Rhom Haas共同推薦DiaGrid®「鑽石碟」給所有的半導體客戶。
未來的CMP晶片的線寬仍大時可用較粗糙的拋光墊。但線寬依Moore定律的走勢進入奈米級(如2006開始的65 nm),拋光時的壓力要大幅降低(如至0.1 PSI),這時拋光墊上的刻紋不僅要細緻,也必須均勻。

圖五:「鑽石碟」上的鑽石尖點磨鈍後,拋光墊的摩擦力減小而表面累積的切屑逐漸增加,隨著銳利鑽石數量的減少,晶圓的磨除率就會降低而表面的缺陷數量則持續增加。
由於積體電路的線寬日趨微小,例如2005年開始執行90 nm的製程,晶圓表面平坦化及平滑度的要求就越來越高。鑽石除了分佈規則外,其頂點的等高度(Leveling)也要不斷改進。除此之外,為了因應晶片價格降低的長期走勢,「鑽石碟」的成本也需不斷壓低。為了因應這個趨勢,本人乃發明三種次世代的「鑽石碟」,包括由PCD Planer 改製的「先進鑽石碟」(Advanced Diamond Disk,ADD)、「電鍍鑽石碟」(Electroplated Diamond Disk,EDD)及「有機鑽石碟」(Organic Diamond Disk)。ADD乃將多晶鑽石燒結體以放電加工的方法刻劃出同樣形狀的尖錐。尖錐的頂點可在同一高度,其形狀也可設計。因此可在拋光墊上刻劃出細微而均勻的刻紋,這是現今鑽石碟無法做到的。未來的CMP 必須以極低的壓力進行才能避免磨穿奈米級的柔軟銅線及脆弱的低介電常數(Low K)電阻層,例如美國的Applied Material(世界最大的CMP機台公司)所發展的Electrolytic CMP(ECMP)就是以電解銅的方式降低拋光的接觸壓力。這種未來的CMP技術必須使用極細微刻紋的導電拋光墊,ADD 因可使鑽石尖角更利,似乎是唯一可用的拋光墊修整器。

圖六:拋光墊表面刻紋隨Moore定律走勢必須越來越微小,深淺也必須越來越均一。

EDD乃以反轉的電鍍製程使「鑽石碟」上的鑽石頂點都在同一平面上。EDD 所刻劃的紋路雖然不如ADD者細膩使其深度相當一致,目前所有「鑽石碟」上的鑽石高低不一,因此只能刻劃出深淺不規則的刻紋,EDD因此可取代現在產品成為下一代的「鑽石碟」。

ODD乃將化學鍍鎳的鑽石崁在堅硬的聚合物裏(如Polyimide、Bakelite或Arcrylic)。雖然鑽石乃以鎳層握持,但因鑽石只用尖端在軟質的拋光墊上刻畫出淺溝(如10μm),因此不會自鎳層脫落。為了增加介面的接觸面積鎳層的外部呈刺蝟狀,所以可以牢牢的卡在塑膠裏。由於ODD乃以灌膠的方式在常溫下或低溫下製造,所以不僅鑽石頂點可控制在同一高度其製造成本也最低廉。除此之外,基材也不會因高溫(如硬銲)變形破壞了鑽石的等高度。鑽石沒有受到高溫破壞,它也不會在CMP時崩裂刮傷晶圓。ODD含有聚合物所以不怕酸,它也是CMP次世代的「鑽石碟」。

圖七:ODD「鑽石碟」的設計圖。這種「鑽石碟」的基材(如Epoxy)可以是完全透明的塑膠,鑽石掉落時以肉眼即可看出,因此它可成為無缺陷的產品。

ADD已在美國的Center of Tribology測試顯示其利度及壽命都遠超過現在最好的DiaGrid®「鑽石碟」。不僅如此,「拋光墊」被修整時的消耗也遠低於傳統的「鑽石碟」。因此使用ADD可顯著提昇拋光晶圓的品質,也能大幅降低CMP的成本。

圖八:ADD、EDD及ODD為次世代的CMP產品,可在拋光墊上刻劃出極細的均勻刻紋,是未來CMP製程不可或缺的利器。
以CMP製造下世代的晶片必須避免局部因拋光過度而凹陷(Dishing)。現有的「鑽石碟」在拋光墊上所刻的紋路參差不齊,因此極易造成金屬線路太薄。ADD所產生的刻痕均勻,尤其不會有特別突出的隆起處,所以拋光的晶圓表面不僅沒有凹陷,也會特別平整及光滑。

為因應Moore定律未來的走勢,全世界最大CMP機台的製造公司「應用材料」(Applied Materials)已全力發展出電解CMP(Electrolytic CMP,ECMP)。ECMP乃將金屬(如銅)在陽極氧化,再以拋光墊輕柔擦拭把鬆散的氧化物掃除,因此拋光墊決不容許有任何「殺手纖毛」。ADD是唯一可以在拋光墊上刻出細緻紋路的修整器,因此它會成為製造未來精密晶片必備的利器。

圖九:ADD上的鑽石錐不僅形狀相同,而且尖刃在同一高度。除此之外,它的基材為燒結的多晶鑽石,所以可以耐強酸及強鹼,甚至在通過電流時也不虞氧化或侵蝕,ADD是終極的CMP「鑽石碟」。ADD修整的「拋光墊」比較平整,而且沒有異軍突起的「殺手絨毛」(killer Asperities),因此它拋光的晶圓較平滑也不會有常見的局部凹陷(Dishing)。


圖十:現有「鑽石碟」上的鑽石乃立於同一平面(上圖),因此在拋光墊表面刻劃的切溝深淺不一,這是造成晶圓拋光不均與產品刮裂痕的主要原因。ADD的尖錐切刃高度一致,而且可以設計出特殊結構,因此可刻劃出均勻細緻的紋路,這是拋光奈米級晶片最好的CMP拋光墊。


圖十一:DiaGrid®「鑽石碟」修整「拋光墊」的絨毛(Asperities)高低差較大,而ADD者較均勻(蔡明義提供)。前者拋光晶圓易造成缺陷,後者則可生產高品質的IC。


圖十二:ADD在修整「拋光墊」時可迅速(15秒)恢復「拋光墊」的摩擦係數,比傳統「鑽石碟」所需時間(33秒)快了一倍以上。


圖十三:ADD 修整「拋光墊」的壽命比DiaGrid®「鑽石碟」長多倍。圖示在加速磨耗的實驗中DiaGrid®「鑽石碟」在70秒前就已磨鈍,但ADD卻可持續修整到超過300秒。

圖十四:現用「拋光墊」上的刻痕落差太大,CMP時異軍突起的「殺手纖毛」(Killer Asperities)會刮傷晶片(上圖)。「殺手纖毛」不僅較高,而且因曾過度擠壓而變硬,它們會刮傷晶圓。ADD修整的拋光墊紋路高低有致(下圖),可以拋光出平整光滑的晶片。

圖十五;Applied Materials所發展的ECMP技術可能成為製造未來晶片的主流,ADD可望成為ECMP修整拋光墊不可或缺的利器(圖為Semiconductor Manufacturing, March 2006, Vol 7, Issue 3雜誌的封面)。

硬脆材料的延性切削

任何材料在極高壓的狀態下都會逐漸金屬化,既使如氫的氣體在數百萬個大氣壓下也會變成導電的金屬。遠在金屬化之前,材料的脆性會消失而變得可塑,因此極脆的陶瓷在高壓下也會流動變形。地殼表面的岩石相當硬脆,因此應力累積到某種程度就會破裂,甚至產生地震,但地殼深度的岩石可以流動,應力就不能累積,所以地震只在地表的淺處(<30 Km)發生。

圖十六:硬的刀具可以刺入軟的材料,當刺入的刀尖硬如鑽石時,脆性的陶瓷也會塑性變形,有如金屬。
刀具接觸工件時其切削點的最大應力取決定刀具本身的硬度。硬度其實就是刀具原子間所能承受的壓力。如果刀刃的刺入不深,刀頭前的工件原子所受的壓力就可接近刀具的硬度,在這種高壓下既使是脆性的材料,例如陶瓷、玻璃、矽晶、石英、剛玉…等,也可以延性切削。如果刀具夠利,不僅可「削矽如泥」,而且由於刺入很淺,其切削面有如鏡面而粗糙度甚至比拋光更平滑。「以切代拋」不僅速度可快多倍,加工面的品質更可超越,因此是鏡面加工的最高境界。

圖十七:以PCD刨平器淺削矽晶圓的示意圖,圖中的數字為PCD刨平器刀刃刺入矽晶的深度。

圖十八:當PCD刀刃被磨鈍後,延性切削就變成脆性破壞。

 



圖十九:三刃型(上圖)及四刃型(下圖)PCD刨平器。

圖二十:PCD刨平器刀頭表面暴露的微晶鑽石。

要延性切削硬脆材料,必須使用最硬及最尖的刀具,鑽石是最好的尖硬刀具,也是唯一可以延性切削陶瓷等硬脆材料的刀具。

由於硬脆材料本身為磨料,既使硬如鑽石的切削刀具在加工時也會很快被磨鈍,因此以尖利的鑽石延性切削的過程十分短促,當刀刃磨鈍後它和工件的接觸面積會急速增加以致使壓力頓形散失。這時工件的脆性已經恢復,切面就會崩裂。大面積摩擦產生的熱來不及排除,切面也會留下受熱產生的變質層。
PCD刨平器
為了延長延性切削的時間,切刃的數目及長度必須大幅增加,PCD刨平器具有極多的切刃,可長時延性切削包括矽晶等硬脆材料。

為了減低PCD刨平器與工件表面之間的摩擦阻力,PCD刀刃之間的平面也可以雷射轟擊使其粗糙化。由於PCD乃燒結的微粉鑽石,當切刃延性切削工件時,平台上暴露的鑽石微晶也可同時研磨刨削過的平面,使其更加細緻。 SST-AP/Taiwan
參考文獻
James C. Sung, 2006, PCD Planer for Dressing CMP Pads, 2006 CMP-MIC, CA, U.S.A.
 
reference: http://ssttpro.acesuppliers.com/semiconductor/Magazine_Details_Index_Id_1325.html 
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