化學機械研磨

隨著半導體技術的不斷創新，除了晶圓直徑增大以提升產能之外，為了因應 高速的處理需求，將元件線寬縮小外，縮短導線長度也是另一種手段，由最初的 平面電路設計發展出立體的多層導線堆積。目前半導體製程已進入 0.15 或 0.13 µm 量產的階段。應用材料也由鋁導線及氧化矽改為銅及 low-K 材質，而金 屬導線製程也逐漸轉為大馬士革法 (Damascene) 所取代 [莊達人，1999; 蔡明 蒔，1999]。

在 IC 的密集化下，需要多層金屬導線來縮短延遲時間，進而提升元件的運 作速度。因此介電層需經由 CMP 的處理，得到全面平坦化 (global planarization) 的規格。因此為了確保晶圓表面的平整度且使得製程簡化並提升製程良率，平坦 化技術顯得十分的重要 [戴寶通，1996]。

2.2.1 化學機械研磨的理論

化學機械研磨 (CMP) 是利用類似磨刀這種機械式研磨的原理，配合適當的 化學助劑 (reagent)，來把晶圓表面高低起伏不一的輪廓，一併加以磨平的全面 平坦化技術。如圖2-1，晶圓被上載台 (wafer carrier) 以負壓緊密結合，接觸覆 蓋於下載台的研磨墊 (polishing pad)，兩載台以同向運動，其間不斷注入研磨液 (slurry) 提供作用且保持研磨墊的濕潤性，是一種結合化學反應與機械力作用的 平坦化過程。其影響平坦化的因素有：研漿成分及研漿供料速度、溫度、晶片施

圖 2-1. CMP 示意圖 [張俊彥，1997]

2.2.2 化學機械研磨廢水（Chemo-Mechanical Polishing wastewater）

CMP 是一個相當呆板而重複使用研磨液當作化學物質的製程，將每個平坦 化的程序一一區分來觀察，研磨墊的保存、晶圓的拋光、沖洗與處理等，每個部 分均會消耗超純水。圖 2-2 為 CMP 製程之流程。

CMP 所 產 生 的 廢 水 按 照 程 序 主 要 分 兩 部 分 ， 一 為 研 後 漿 液 (Spent slurry)，一為 CMP 後清洗廢液 (Post-CMP cleaning wastewater)。主要污染來

源大致相同，主要為研磨液成分、研磨後晶圓顆粒等。而在濃度上則有所差異，

在懸浮固體物方面，研磨漿液遠高於 CMP 後清洗廢液。研磨液廢水主要含有：

(1) 5~10% 的奈米等級的微細研磨粉體 (Abrasive particles)，包含了 SiO2、 Al2O3、及CeO2 等非溶解性的無機氧化物質; (2) 其他化學成分物質，包含了氧 化劑 (如雙氧水、硝酸鐵、碘酸鉀等)、 pH 緩衝劑 (KOH、NH4OH、HNO3 或 其他有機酸等) 以及界面活性劑。使用界面活性劑可以幫助粉體在水溶液之中的 懸浮穩定性避免懸浮微粒彼此凝聚及結塊，使晶圓表面刮損的可能性降至最低 [楊叢印，2003; 楊金鐘等，2003]。另外，去離子水、氫氟酸 (HF) 的添加及 pH 值的改變，改變了懸浮微粒表面的電荷穩定性以及粒徑的大小。

圖 2-2. CMP 製程的流程 [戴寶通，1996]

(2) 無機污染物：研磨液顆粒、金屬與氧化膜研磨後顆粒、氧化劑、強酸和弱酸的 緩衝液、強鹼等物質。

而由於半導體製程的演進，銅導線製程逐漸變成主流，使得 CMP 的出流水 中含有高濃度的銅離子，因此除了懸浮微粒的問題外，往後的處理目標必須把銅 離子的問題也考慮進去 [Golden et al., 2000]。

為了移除在晶圓表面的上述物質，則需使用大量的超純水來洗淨晶圓，也就 是所謂的CMP 後段清洗程序。

2.2.3 CMP 廢水對環境的衝擊

CMP 廢水中含有大量的細微顆粒，且性質相當的穩定，況且因為在製程中 添加許多的氧化劑及化學物質，對於環境上造成相當大的衝擊。

以廢水處理的角度來看，CMP 廢水中的超微細顆粒沈降速度相當慢，況且又相 當地穩定，單單以混凝的方式來進行固液分離幾乎是十分地困難，假使操作不 當，不但不足以形成較大顆粒，反而造成濁度的上升，進入工業區的集中污水處 理廠時，會增加廠內的負荷。在以這個問題為前提之下，如能加入回收水的觀念 來處理此種廢水，便可以避免水資源的浪費，達到有效利用水資源的目標。