化學機械研磨，（Chemical Mechanical Polishing, CMP）製程，自年 IBM 就開始投入研究，如今以成為半導體極重要的製程之一，近年來，半導體 已經進入奈米等級，研磨技術工程之材料主要以銅金屬為主，根據 Preston Equation，研磨速率（Removal Rate），公式如下，式 4.2-1
式 4.2-1 研磨速率公式
（資料來源：半導體平坦化CMP 技術，全華科技圖書股份有限公司）
其中: ΔH 為表面研磨變化量，Δt 是研磨時間，P 是載具研磨壓力，Δs/Δt 是研磨盤相對於晶片之線性速度，kp 是研磨參數，由公式可知，研磨移除 率與研磨壓力和研磨盤速度成正比，因此載具研磨壓力愈大，移除率也將 越大。以下簡單介紹 CMP 基本架構與製程目標。
4.2.1 CMP 基本架構
CMP 簡單的作動原理就是利用研磨墊(pad)的旋轉來研磨晶圓載 具 (Carrier)所吸住的晶圓(Wafer)之表面凹凸不平坦的部分，並且配合研磨漿料 (Slurry)的不斷輸入，以研磨粒(Abrasive)對晶圓(Wafer)的磨耗，並由研磨漿 料(Slurry)將移除之材料帶走，以加快移除率並且讓晶圓表面更平滑。
CMP 的基本結構，如圖 4.2 所示，其主要部分包含:
(1) 晶圓握柄載具(Carrier):
主要是用真空吸附的裝置吸住並固定晶圓，並且當晶片接觸到研磨墊 時會在晶片背部施以一背壓(Back Pressure)，目的是使晶圓受力均勻，
以進行研磨。
(2) 研磨平台(Platen):
此研磨平台上黏附一研磨墊，其功能在於利用旋轉使研磨墊(pad)和研 磨之晶片做一相對運動，以進行研磨的動作。
(3) 研磨墊(pad):
研磨墊材料的不同以及表面構造形狀的相異，會使得研磨有著不同的 效果。然而研磨墊是一消耗品，隨著研磨時間的增加，研磨墊長時間 受到壓力的壓擠以及與晶片之間之磨耗都會使得研磨墊產生鈍化現 象，這時研磨墊的修整(Conditioning)就很重要。由於 Conditioning 不在 本研究所探討之範圍，因此相關研究可參考。
(4) 研磨漿料(Slurry):
研磨漿料(Slurry)主要由微細研磨顆粒與化學溶液組成。研磨顆粒的種 類、大小、形狀、PH 值與溫度等因素都會對研磨的效果產生影響，亦 有許多人從事研磨漿料(Slurry)調配之研究。
4.2.2 CMP 主要參數
CMP 研磨機制大致而言是藉由研磨漿料(Slurry)和晶片上的材質起化學 的作用，然後藉由研磨粒(Abrasive)對晶圓(Wafer)的磨耗，並由研磨漿料 (Slurry)將移除之材料帶走。雖然原理簡單，但是在 CMP 製程中，影響之參 數相當的多，如何控制好製程以獲取最大研磨效益的確是一個相當值得研 究的主題。
CMP 製程是一個極具動態性(Dynamic)的過程，影響之參數相當的多，
主要可以分為兩大類:(1)有關機械加工之參數，(2)有關化學反應之參數。 機 械參數主要有[9]:
(1) 晶圓載具轉速(Carrier Speed)。
(2) 研磨平台轉速(Platen Speed)。
(3) 晶片施壓大小(Down Force)。
(4) 磨將之供料速率(Slurry Flow Rate)。
(5) 研磨墊清洗頻率、時間、速度(Pad Conditioning Frequency, Time, Velocity)。
(6) 研磨墊壓縮性(Pad Compressibility)。
(7) 研磨墊彈性模數(Elastic Modulus)。
(8) 研磨墊硬度、厚度(Pad Hardness / Thickness)。
(9) 拋光擺動模式(Polish Oscillation Pattern)。
(10) 背壓(Back Pressure)。
(11) 薄膜應力(File Stress)。
(12) 薄膜硬度(File Hardness)。
(13) 摩擦力(Frictional Forces)…等等。
化學參數主要影響來自研磨漿料(slurry)，主要參數有:
(1) 研磨漿料之成分(Slurry Composition)。
(2) 研磨漿料之顆粒大小分佈(Slurry particle size distribution)。
(3) 研磨漿料之 PH 值。
(4) 研磨漿料之黏滯性(Viscosity)。
(5) 研磨粉體之硬度(Abrasive Hardness)。
(6) 研磨漿料之顆粒懸浮穩定度(Stability of the abrasive suspension)。
(7) 研磨墊材質(Pad composition)。
(8) 晶圓薄膜之成分(Film Composition)。
(9) 介電係數(Dielectric Constant)…等等。
另外，機台本身的設計與製造也會直接或間接的影響到晶圓的平坦 度。如晶圓載具抓取晶片的方法，一般大概可以分成兩類，一為研磨頭以 真空吸附晶片的真空吸附抓取法(Vacuum Mounting)，另一為研磨頭表面以 製造成凹槽來抓取晶片的研磨頭抓取法(Carrier Mounting)。因此，若晶背在 抓取時為不平坦，那麼一定會影響到晶片的平坦度。
此外，研磨時加壓的問題亦與機台設計與製造結構有關，加壓的目的 在於研磨時，讓壓力均勻分佈在晶片的表面，以避免研磨後產生晶片周圍 與晶片中間不均勻的移除之問題。像最近，LAM Research Corporation 就發 展一種新式的 CMP 機台，該機台包含 Belt Platen Module(BPM)，以及使用 Air Bearing Platen 可以使壓力均勻分布於晶片的表面，相關資料可至 LAM 網站查詢。
對於不同的研磨材料，必須使用不同的研磨漿料(Slurry)，如何控制好 研磨漿料的成分以產生最佳研磨效果，亦是一極待解決之問題。因此，基 本上，不同之研磨材料，其主要之操作參數便有所不同，且各參數間亦會 產生交互作用，這也都增加了 CMP 製程控制的困難性，如何控制好製程參 數，以獲取最大研磨效益亦是值得研究的主題。
半導體晶圓研磨製程（CMP）極具複雜度，不但因子眾多、資料量十 分龐大外，並且具有多重因子交互非線性作用、一般來說，在有限資源成 本與時間下，如何有效的改善品質與製程能力且快速地找出製程最佳因子 設定條件，以獲得最佳化產品品質進行生產活動，是半導體工程師的責任。
4.2.3 CMP 晶圓研磨要求與目的
晶圓研磨主要為製造半導體過程中將其突出不平坦的部份加以移除，
研磨後的晶片表面上除了不容許有研磨不全(如:損傷或刮傷)和污染之情形 發生外，重要得是提升晶圓良率。亦即，降低不平坦度情形發生，使單片 晶圓內產出越多良好的晶粒顆數，除此之外，更必須提高產能，維持良好 品質產品的輸出，才能降低生產成本。以下簡述 CMP 之重要性及要求目標。
(1) 晶圓平坦化對良率影響性。
上一節提過，晶片表面平坦化，如圖 4.3，的製程技術如此重要，為求 多 層 金 屬 層 堆 疊 的 製 造 ， 晶 片 表 面 不 均 勻 度 (within-wafer-Non uniformity ,WIWNU)為晶圓良率重要性能指標，因為唯有晶圓表面越平 坦，才能創造高良率的晶圓產出，因此研磨製程為半道體製造流程中最 重要得製程之一。
圖 4.3 晶圓平坦度
(2) 研磨速率的提升-高產能輸出
研磨速率（MRR，Mean Removal Rate）的提升，必能提高單位時 間的產能，並且有效降低成本。因此研磨製程的單位時間產量必須儘量 提升並達到一定的水準，有效消除整個晶圓生產製造中的瓶頸，讓產出 極大化。