第十章 精密磨削(Precision Grinding)

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10-1 前言
        磨削(Grinding)是一種利用磨輪(Grinding Wheel)作高速旋轉及微小深度（微小量），磨削工件表面或內孔，以獲得精密形狀及表面粗度的加工技術。
  
磨削加工的特色：
(1)    每一顆微細磨粒，其作用相當於一把細微刀刃，磨削加工，如同無數細微刀刃同時切削。
(2)    可磨削硬脆材料，如硬化鋼、玻璃、碳化物及陶瓷等。
(3)    磨削去除率小(Low Material Removal Rate)
(4)    磨削速率(Cutting Speed)大，進給率(Feed Rate)及磨削深度(Depth of cut)均小，因此比馬力(Specific Horse Power)相當大
HPs (Specific Horse Power)=HP(Horse Power)/MRR(Material Removal Rate)
  
10-2 深進緩給磨削(Creep Feed Grinding)
        所謂深進緩給磨削(Creep Feed Grinding)簡稱(C.F.G)，與一般的平面磨削不一樣，磨削深度(Depth of cut)增加數倍至數十倍，而進給率(Feed Rate)以相同的倍數減慢，可以增加磨削速率及增進工作表面粗度的磨削技術。CFG機制示意圖，如圖（一）所示。
　
   
圖一        CFG機制示意圖
  
CFG磨床之特色：
(1)    磨削深度（即磨削量）大，具備減震裝置(Damping Device)，以維持靜，動平衡。
(2)    軟質磨輪增進工件表面粗度。
(3)    為保持磨輪表面，不被磨屑阻塞，經常保持在銳利狀態，因此在其上方按裝表面含有鑽石磨粒之整修砂輪(Dressing Wheel)，在製程中，不斷整修磨輪，使其保持真圓度及銳利狀態，以維持工件品質之穩定性。
(4)    為維持一定的切削速率(Cutting Speed)及磨削深度，磨輪轉速不但可以無段變速，並且能夠自動下降以獲得理想且一致的工件品質。
  
10-3 電解磨削(Electrolytic Grinding)
        電解研削(ECG)是由電解加工，亦可稱為電化學加工(Electro Chemical Machining簡稱ECM)，亦就是反電鍍(Deplating)加工與機械磨削(Mechanical Grinding)所組合之複合加工。電解磨削是1952年美國G.F Keeleric 研發成功。
  
電解加工原理
        電解加工在原理上是將電鑄的陽極金屬溶解現象應用於金屬加工，將預先成形為所定形狀的電極隔著微小間隙(0.2~0.3mm)與被加工物表面相向，並壓送電解液(electrolyte)，流速5~20m/s，以電極(electrode)為陰極，被加工物為陽極，施加一定的直流電壓(5~20V)，則經電解液而通電流，被加工物從接近電極的部份開始電解，同時使電極以一定速度(0.5~3.0mm/min)向被加工物送入，達預先設定的加工深度時，即得所希望的加工形狀。
  
電解加工的特色
(1)    可同時加工廣大面積之工件。
(2)    不拘被加工物的機械性質，都可加工。
(3)    不發生熱變形、加工應變、加工變質層。
(4)    單一工程即可雕出複雜形狀工件。
(5)    電極不消耗。
(6)    加工面粗糙度良好。
(7)    加工速度比放電加工(EDM)快5~10倍。
  
電解加工的應用
(1)    鍛造模、玻璃模、橡膠模等的雕形加工。
(2)    溝加工、斜面、輪廓加工、深孔加工等傳統加工法的效率差者。
(3)    難切削材料的加工。
(4)    去除毛邊，傷痕等不可能用機械加工的加工。
  
電解研削機構示意圖如圖（二）所示

  
圖（二)   電解磨削機構示意圖
  
電解磨削原理示意圖如圖（三）所示
  

（圖三）        電解磨削原理示意圖
  
電解磨削係利用金屬結合劑及微細鑽石磨料所組成的導電性砂輪同時進行電解加工與機械研削的方式，砂輪的導電部份為陰極，被加工物為陽極，接直流電源，在兩者的間隙通電解液，在被加工物與砂輪的導電性結合材料之間進行電解加工，不易電解的物質或被加工而生成的不動態皮膜（即金屬氧化膜），用磨料以機械研削除去，加工量的比率是電解加工量90﹪、機械研削量10﹪。磨料突出量為0.05mm以下，這可防止兩極的短電路，並保持電解液通路必要的間隙。
當進行粗、中等加工後，停供電解電流，只以機械研削細加工而提高加工精度的方式—此方式是利用電解研削的高效率，除去加工量後，停止電解加工，不更換砂輪，以同一砂輪繼續細磨。而得到期望的表面精度。電解液可提高電解研削速率，磨料微粒為不導電的材料，如：鑽石、三氧化二鋁（Al2O3）及晶方氮化硼（CBN）。
  
10-4 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（四）所示：

  
圖（四）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。
  
10-5 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（五）及圖（六）所示：
  
  

圖（五）CMP機器構造簡圖
  
  

圖（六）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（七）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（七）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（八）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（八）平坦化技術
  
  
圖（四）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(八)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（九）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（九）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（四）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（四）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（十一）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（十）熱氧化矽薄膜的CMP蝕刻率與壓力關係圖

圖（十一）熱氧化矽的CMP蝕刻率與磨盤轉速的關係圖
  
10-6 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（十二）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（十三）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（十二）使用ELID研磨法之平面磨床示意圖
  

圖（十三）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（十四）所示：

圖（十四）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)
  
  
Reference：
(1) 機械所無師自通電解拋光技術      經濟日報(88.11.28)
(2) 微細加工技術                  復漢出版社
(3) 電解拋光技術                  工研院機研所
(4)  The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon.
H.Y.Lin and F.Y.Chang  第四屆奈米工程暨微系統技術研討會之論文集
(5) MATERIALS AND PROCESSES IN MANUFACTURING   E.Paul De Garmo
(6) VLSI 製程概論        陳志芳    工業技術人才培訓計劃講義

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