(1)CMP (化學機械研磨) 主要構成元素使用 slurry 以化學反應及機械作用力將 wafer 平坦化其主要構成元素包含有研磨頭、研磨平台、研磨墊、研磨液，示意圖如 圖 2-12 所示。
(a) Carrier head (研磨頭):
負責攜帶 wafer 及提供 wafer 下壓力，並攜帶 wafer 旋轉對 platen 作相對運
動。(b) Platen (研磨平台):
提供一個平台貼附 pad，並可旋轉對 head 作相對運動。
(c) Pad (研磨墊):
貼附在 platen 上，為有孔隙的 PU 材質. 主要功能為攜帶 slurry 並使 slurry 與 wafer 接觸，起化學及機械反應。
(d) Slurry (研磨液):
主成份為 DIW， abrasive(研磨砥粒、SiO2、 Al2O3、 CeO2 ...) 及 chemical (酸、 鹼、界面活性劑.. ....). 在 CMP 扮演重要角色，與 wafer 產生化學反應與 機械反應。
(e) Disk(修整起):
在 CMP 製程中研磨墊研磨一段時間後表面靠鑽石修整器加以修整，目的是將 使用過的研磨墊恢復到使用前的狀態，此可免除更換新研磨墊而達到量產及節約成 本的目的。
圖 2-12 化學機械研磨之研磨機制
2.4 化學機械研磨之研磨墊
拋光墊的表面粗糙度是影響化學機械拋光效率與品質的重要因素研磨墊的材質 主要是以聚亞胺酯為主，是一種耐酸鹼的材質，在化學機械研磨製程中，研磨墊的功 能主要是涵養及傳送研磨液，利用研磨墊本身的微細孔洞以及挖溝槽的方式讓研磨液
留在研磨墊表面。
根據研磨墊「軟硬程度」，將研磨墊區分為硬墊與軟墊兩大類。其中，軟墊的優 點是對工件表面造成的刮傷較低，適用的研磨參數也較廣，且容易達到較佳的工件表 面均勻度，但其缺點是容易產生小區間的凹陷（Dishing）與大塊區域的侵蝕（Erosion）
現象(如圖2-13所示)。因此在平坦化效果的表現上卻是相當差。[6]
至於硬墊的優點，則是能展現較佳的研磨效率，使用的壽命也較長；缺點是工件 表面產生的刮傷與缺陷較多。因此，Rodel公司(目前公司名為Dow)後來發展出一種結 合軟墊與硬墊的新型研磨墊，型號為IC 1000/SUBA IV。此種研磨墊的設計一方面是 為了讓研磨液於研磨墊表面有較好的流動性， 另一方面則是為了讓研磨墊能具有一 定的彈性，避免因為研磨墊於研磨製程中承受被研磨表面所施與的應力所造成的永久 形變，以及用來緩衝與避免局部的劇烈磨耗所造成被研磨表面的刮痕或缺陷。其中，
上層為硬度較高的IC 1000，材質為堅硬的聚亞胺酯發泡體(Polyurethane)，它並具 有直徑約為50微米的密佈微細孔(Pore)。[2]
圖 2-13 Erosion & Dishing 示意圖
這些微細孔不規則的分佈在研磨墊中，而且大概佔總體積的35%，這些微細孔的 部分可以乘載一些經研磨之後的副產物，而這些副產物之後再經由鑽石修整器刮除，
避免研磨時產生細微刮傷，而研磨墊表面的粗糙面(Asperity)則用來含住研磨液，假 如研磨墊上微細孔被副產物堵住或是表面上沒有產生粗糙面以供研磨作用，我們稱此 現象為鏡面化(Glazing)，一旦發生這樣的情況不僅會影響研磨率而且也會產生刮
傷。至於下層則為硬度較低的SUBA IV軟性研磨墊，它是由兩種纖維絞合而成的不織
因此，這種IC 1000/SUBA IV組合式研磨墊已成為今日化學機械研磨製程中的標 準研磨墊材料，現階段IC業界使用最普遍的組合式研磨墊為IC 1000/SUBA IV改良版 IC 1010/SUBA IV，主要改良點為加厚上層厚度以延長使用壽命。就研磨墊表面結構 對於晶圓表面的移除率與全面平坦度的均勻性所造成的影響而言，由於研磨墊表面的
3.維持研磨墊涵養研磨液時，在研磨墊表面所形成的薄膜層厚度，此厚度對研磨速率
反之高壓製的人工單晶鑽石，此種鑽石晶形通常較為完整可調製、內部缺陷少，
因此撞裂強度高，可以大幅提升鑽石修整器製程穩定度和減少晶圓因鑽石破碎而被刮 傷的情形發生。
2.6.2 鑽石固定方式
現今業界所採用的鑽石修整器，一般是設法將鑽石砥粒固定在金屬圓板上，而固 定鑽石的方法主要有（1）電鍍法(electroplating)以及（2）硬焊法(brazing)。
電鍍法（electroplating）將鑽石隨光罩定位之位置灑在金屬圓板上，然後置入 含有 NiSO4 液體的電解槽中，利用電解析出的鎳附著在鑽石上，使鑽石砥粒被鎳金屬 卡住而附在金屬圓板的表面上，如圖 2-14。
圖 2-14 電鍍法
硬焊(brazing):是將許多微小鑽石顆粒硬焊在金屬基板上的硬焊鑽石碟(Brazed Diamond Disk)，簡稱BDD，其特點是利用熔融的鎳鉻合金和鑽石反應，在表面形成氧 化鉻的化學鍵，熔融的金屬液體也因表面張力而爬升到鑽石表面形成緩坡，可以將鑽 石支撐住，強力的附著使鑽石不會自圓盤脫落，如圖 2-15。
圖 2-15 硬焊法
基於這兩種之製造方法的不同，其金屬基板上的表面型態會有所差異，電鍍法比 硬焊法其表面型態較為平順，如圖 2-16，硬焊法表面型態較為粗糙，如圖 2-17，且 亦有金屬化合物殘留於鑽石表面，其表面之金屬化合物有可能是造成刮傷之原因之 ㄧ，且粗糙的表面型態不利於研磨液的流動，容易在其鑽石碟表面殘留造成晶片刮傷。
另外電鍍法其定位方式為光罩定位，可避免有多顆鑽石在同一個位置，電鍍法的 鑽石排列比硬焊法較為規則，且定位更為精準，可有效準確的調整鑽石間距與鑽石密 度來改善與提昇製程能力，如圖 2-18。
圖 2-16 電鍍法表面型態 圖 2-17 硬焊法表面型態
圖 2-18 電鍍法與硬焊法表面型態與鑽石排列差異
電鍍法其工作溫度遠低於硬焊法(EL-PL(50~60°C) << MSL(800~1100°C))，硬焊 法因高溫下熱應力使的鑽石強度變弱，容易產生裂痕，進而在 CMP 製程中發生鑽石斷
裂，而刮傷晶片造成良率損失，嚴重時更會造成大量晶片報廢，造成重大損失，如圖 2-lk19。
圖 2-19 鑽石斷裂示意圖
第三章 鑽石修整器的設計對化學機械研磨製程的影響之實驗 3.1 實驗規劃
本研究以不同鑽石排列間距、鑽石尺寸以及鑽石晶型之修整器在相同條件下犁削 研磨墊，並測量犁溝的深度以及研磨墊表面粗糙度，歸納出多孔性研磨墊材料被不同 研磨墊修整器來磨削時，與其初始研磨墊耗損率(Pad cutting rate)和長時間研磨墊 耗損率、表面粗糙度之相關性，以及對CMP製程細微刮痕缺陷率(defect rate)的影響。
其實驗規劃流程如下:
圖 3-1 實驗規劃流程圖
3.2 實驗材料與設備 3.2.1修整器之製作:
利用不同鑽石排列間距、鑽石尺寸以及鑽石晶型，設計7種不同修整器來探討修 整器與拋光墊間，其初始研磨墊耗損率(Pad cutting rate)和長時間研磨墊耗損率、
表面粗糙度之相關性之相對的影響。
表 3-1修整器之設計描述
Density (g/cm3) 0.75 0.75 1.150±0.015 0.8
Hardness (Shore D) 57±5 57±5 69±3 60±3
Elastic Modulus (MPa) - - 100±20
-Compressibility (%) 2.1 0.5~4.0 - 0.5~4.0
W um 1270 2540 Hole size : 160
Hole pitch : 250
1700
Density (g/cm3) 0.75 0.75 1.150±0.015 0.8
Hardness (Shore D) 57±5 57±5 69±3 60±3
Elastic Modulus (MPa) - - 100±20
-Compressibility (%) 2.1 0.5~4.0 - 0.5~4.0
W um 1270 2540 Hole size : 160
Hole pitch : 250
1700
Density (g/cm3) 0.75 0.75 1.150±0.015 0.8
Hardness (Shore D) 57±5 57±5 69±3 60±3
Elastic Modulus (MPa) - - 100±20
-Compressibility (%) 2.1 0.5~4.0 - 0.5~4.0
W um 1270 2540 Hole size : 160
Hole pitch : 250
1700
P um 250 510 400
D um 380 650
3.2.3 研磨墊耗損率PCR 圖3-1(Pad Cutting Rate):
鑽石修整器初始研磨墊磨損試驗，其磨損試驗是條件為在Disk 10磅的下壓壓力 下使用水進行dressing 5分鐘，其詳細研磨條件如表3-2，最後利用六點探針量測其 研磨墊耗損率圖3-4。
圖 3-3 研磨墊耗損率機台配置圖
研磨墊耗損率(PCR)實驗步驟:
1)將研磨墊貼在研磨平台上。
2)安裝鑽石修整器在具有重量夾頭的底部。
3)將安裝完成之鑽石修整器安裝至工作傳動治具並移動至工作的研磨平台上。
4)持續在研磨平台上研磨 5 分鐘。
6)從工作傳動治具上移除鑽石修整器。
7)使用空氣噴嘴清理研磨墊表面並利用觸摸式探頭檢查研磨墊厚度。
8)觸摸式探頭#1~6,#6 探頭無探針以此測量位置為原點，量測其他#1~5 在研磨墊上 磨耗厚度相對於前 5 分鐘之比較。(圖 3-4)
9)然後 PCR 顯示在操作顯示器。
圖 3-4 觸摸式探頭磨耗厚度量測
表 3-3 研磨墊耗損率實驗條件
3.2.4 長時間研磨墊耗損率 CETR 實驗(long time pad cutting rate):
以下以機台名稱 CETR 作為其簡稱，實驗為使用美國 Bruker CETR 機台(通用型磨 潤腐蝕測試儀)進行測試，其條件為在 Disk 5 磅的下壓壓力下進行 slurry dressing 30 分鐘，其詳細研磨條件如表 3-3，並由感應器每 0.5 秒偵測研磨墊厚度以及其他研磨 資訊，最後由電腦計算出其研磨墊長時間磨耗率，主要模擬實際研磨狀態，最後使用 Mahr - MarSurf PS1 量測表面粗糙度，如圖 3-5 所示。
Table RPM 100 RPM CW direction
Disk working RPM 90 RPM CW direction
Disk oscillation distance 0 point ± 20 mm Left End : 1 mm/s Right End : 30 mm/s Water flow rate 320~350 mL/min Water temperature 12.5~13.5 ℃
Working time 5 min
Probe Q'ty 6 EA 0 point : #6 Probe
Disk oscillation speed Speed shifting type
圖 3-5 Bruker CETR機台 vs. Mahr - MarSurf PS1機台 研磨墊耗損率(CETR)實驗條件:
表 3-4 研磨墊耗損率(CETR)實驗條件
運算電腦 感應器
研磨頭
運算電腦 感應器
研磨頭
Conditions
Pad DS-3010K
Time 30min
Down force 5 lbf
Platen rpm 100 rpm
Disk rpm 90 rpm
Slurry flow Star-4k 100 ml/min Consumption of DI Water 20 ml/min
3.2.5 PCR與CETR的差異:
從研磨墊耗損率與時間的關係圖3-6，可得在PCR修整研磨墊5min後，研磨墊耗損 率曲線變的較為穩定。其原因為研磨墊經初始修整器修整，去除過高或異常的鑽石，
形成較佳的修整器平坦性與均勻性，後續的CETR可得較穩定之研磨墊耗損率，如圖 3-7。
圖 3-6 研磨墊耗損厚度與時間的關係圖
圖 3-7研磨墊經初始修整器修整
3.2.6 實際上機研磨實驗:
使用原本 7 種不同設計的鑽石修整器實際上機研磨，鑽石修整器壓力為 7lb 轉速
為 108rpm，移動路徑距離及擺動頻率，如圖 3-6 所示，研磨墊型號為陶氏化學同心圓 IC1000，研磨液為陶氏化學氧化矽研磨液型號為 ILD3225，測機片使用厚度 HDP 5000A 前值規格為缺陷長度>0.16um & <3um，顆數<100 顆之晶片，後值規格為缺陷長度
>0.16um & <3um，顆數<100 顆之細微刮痕缺陷，研磨壓力分別為
Z1=7.0psi;Z2=3.5psi;Z3=3.5psi; Retain ring=8.8psi，研磨頭和研磨墊轉速分別 為 71/70rpm，研磨液流量 100ml/min，DI water 流量 100ml/min，研磨時間為一分鐘，
研磨後厚度為 3000A，研磨後清潔並延長使用 HF 0.05% 40 秒清潔晶圓上的研磨液殘 留以及其他微塵，並使細微刮痕缺陷更為明顯。
圖 3-7~3-8 為美商應用材料AMAMAATT 330000mmmm RReefflleexxiioonn CCMMPP 研研磨磨機機:
圖 3-8 鑽石修整器移動路徑距離及擺動頻率
圖 3-9 美商應用材料AAMMAATT 330000mmmm RReefflleexxiioonn CCMMPP機台外觀