半導體製程中的研磨拋光：從材料選擇到耗材賦能的卓越製程

在半導體製造中，晶圓的平坦度是精密電路堆疊的關鍵。化學機械平坦化（CMP） 技術扮演著「晶圓磨皮師」的角色，它結合化學與機械作用，精準地去除晶圓表面多餘材料，為後續製程奠定完美基礎。

宏崴深耕半導體研磨拋光領域，深知晶圓的極致平坦度是成就高效晶片的基石。面對日益嚴峻的製程挑戰，我們提供全面且高效的 CMP 核心耗材解決方案，涵蓋鑽石、氧化鋁、氧化鈰、二氧化矽等多種高性能拋光材料，能全面協助晶圓從粗磨到鏡面精拋，為您的精密製程奠定完美基礎。

什麼是CMP?

CMP，全稱是化學機械平坦化（Chemical Mechanical Planarization），又稱化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing），它是半導體製造中一項極為關鍵的製程。

簡單來說，CMP 就像是半導體晶圓的「磨皮」技術，它結合了化學腐蝕和機械研磨的力量，目標是將晶圓表面磨得既平坦又光滑。這項技術會使用含有奈米級磨料的拋光液（Slurry）以及研磨墊，透過精確的控制來去除晶圓上多餘的材料，達到微米甚至奈米級的平整度，最終使晶圓表面呈現「鏡面」般的光亮效果。

為何半導體需要進行研磨拋光?

在半導體製造過程中，為了形成複雜的電路，需要在晶圓上堆疊多層材料。想像一下建造一座摩天大樓，每一層樓都必須平整，才能確保下一層的穩固。同樣地，如果半導體晶圓在每一道製程中，如果都有表面平整度不均或有凹凸不平的缺陷，這將會嚴重影響最終晶片的良率和效能。

CMP 製程不可或缺的原因

• 確保電路精確堆疊：CMP 的主要作用是平坦化，它能夠減少或去除在反覆製程堆疊中產生的高低誤差，確保每一層電路的厚度均勻且表面平坦，為後續的微影和蝕刻製程提供一個理想的基礎。
• 提升晶片良率與效能：透過精確控制材料去除量，CMP 可以避免過度研磨或研磨不足，確保晶片中的電路能夠精確形成，進而提升晶片的效能和製造良率。
• 控制晶圓厚度：除了表面平坦化，研磨製程也用於將晶圓減薄。例如，背面研磨（Back Grinding）會將晶圓厚度從初始的 800-700 微米減薄至 80-70 微米，甚至透過多層堆疊技術可減薄至約 20 微米。這對於多晶片封裝（MCP）等應用至關重要，因為它能在有限的高度內實現更多層的電路堆疊，以滿足電子產品小型化和高整合度的需求。
• 去除表面缺陷與殘留物：研磨和拋光也能改善前製程留下的微缺陷，去除晶圓表面殘留物，讓表面更加光亮，以迎接下一道製程。這一步驟對於確保晶片品質和可靠性至關重要。

晶圓研磨拋光後的規格要求

在半導體製造中，晶圓在經過背面研磨（Back Grinding）與精密拋光後，須滿足極為嚴格的物理與表面規格，以確保後續製程的可靠性與晶片性能。主要要求可分為三大面向：

1. 厚度控制

• 標準變化：
  • 初始晶圓厚度：約 700–800 微米（µm）。
  • 一般研磨後厚度：縮減至 70–80 微米。
  • 進階MCP（多晶片封裝）需求：可進一步減薄至 約 20 微米。
• 挑戰性：厚度過厚會導致散熱不良；過薄則易碎裂，尤其是在 12 吋晶圓使用普及的情況下，厚度控制的難度隨封裝趨勢增加。

2. 表面平坦度與粗糙度（Ra 值）

• 粗糙度指標：
  • 使用 Ra 值（Roughness Average）衡量。
  • Ra 越小代表表面越光滑，理想狀況接近原子級平坦。
• 潛在風險：
  • 表面不均將影響電路圖案轉印，造成元件性能偏移或失效。
  • 內應力引發表面形變，可能導致參數漂移或可靠度下降。

3. 缺陷控制

• 控制範圍：
  • 表面損傷。
  • 微裂紋產生。
  • 顆粒與異物污染。
• 重要性：即便是微小污染，也可能在後續製程中擴大為致命缺陷，導致晶片報廢。
• 薄晶圓風險：晶圓越薄，其機械脆弱性越高，對製程中的微粒撞擊或載具機械干擾的容錯率更低，需特別謹慎。

半導體材料在研磨時所遇到的挑戰?

• 材料去除的精確性與表面均勻性： 半導體元件的精細結構要求研磨過程能精確控制材料去除量，並保持高度的平坦度與均勻性。這需要精準選擇磨料類型（如氧化鋁、二氧化矽或鑽石）與粒徑分佈，以確保最佳效果。
• 表面的均勻性：研磨後的表面必須具備高度的平坦度和均勻性。任何局部不均勻的研磨都會導致後續光刻和蝕刻製程的失敗，進而影響整體晶片性能。
• 缺陷的控制：研磨過程容易引入表面損傷、微裂紋和顆粒污染等缺陷。這些缺陷即便微小也可能導致元件失效，因此必須有效地控制並將其最小化。特別是隨著晶圓越薄，缺陷產生的機率越高，後續製程的難度也越大。
• 應力產生與影響：在研磨過程中，研磨頭與晶圓表面的接觸會產生剪應力和壓力，化學溶液和磨料的流動也會施加應力。這些應力可能導致晶圓表面產生塑性變形和殘餘應力，影響最終的平整度和粗糙度，甚至影響電學性能，導致元件參數漂移和產品合格率下降。
• 超硬特殊材料的加工難度： 針對碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導體材料，其極致的硬度使傳統研磨加工面臨前所未有的挑戰。這類材料尤其需要鑽石這類超硬磨料才能實現高效且低損傷的去除。

如何提升晶圓平坦度

為了克服上述挑戰，提升晶圓平坦度，業界採取了多種策略：

• 優化加工參數：
  • 研磨液與磨料選擇： 精準控制研磨液的流速、濃度，並根據不同的半導體材料和研磨目標，精確選擇最適合的磨料類型（如氧化鋁、氧化鈰、二氧化矽或鑽石）及其粒徑分佈（例如 50-250 奈米，並有效控制 1-10 微米的聚集體）。研磨液的化學性質和磨料特性必須完美匹配，以實現均勻高效的材料去除和表面效果。
  • 研磨力控制：精確控制研磨壓力、速度和時間等參數，以達到最佳的研磨效果，避免過大壓力導致損傷或過小壓力影響效率。

※業界在進行研磨時有一個原則-CMP重工原則【留厚不留薄】:當你在調整參數時，建議實際秒數要比預計秒數要短，寧可留有厚度，也不要過薄，才有機會進行重工(rework)。

• 多步驟研磨工藝：採用多步驟的研磨和拋光工藝，如粗磨、精磨，甚至在晶圓厚度小於 50 微米時採用先劃片後減薄（DBG）的方法，即在第一次研磨前先進行劃片，再進行研磨和第二次劃片，以安全地分離晶片並減少研磨過程中的外部缺陷。這種逐步精進的方式能夠有效減少應力，獲得更平滑的表面。
• 局部加熱與化學蝕刻：在研磨拋光過程中引入局部加熱，可以改變晶圓的物理性質，從而減小應力的影響。此外，隨著技術的發展，引入半導體前端製程中的化學蝕刻技術，與機械研磨相結合，全面開發新的加工方法，也是解決研磨瓶頸的方向。
• 研磨墊的選擇與維護：研磨墊的材料和特性直接影響研磨效果和穩定性，定期監測其磨損和污染並進行維護，是確保製程品質的重要環節。
• 供應鏈與採購策略：選擇高品質的研磨材料和設備供應商，並優化採購流程，確保符合生產需求和工藝要求。
• 持續改進與標準化：建立標準作業程序（SOP）以減少變異性，並定期對生產團隊進行應力管理和製程優化培訓。同時，根據實際生產數據持續評估和優化研磨拋光過程，以應對半導體技術不斷發展帶來的挑戰。

CMP的關鍵研磨工具

化學機械平坦化 (CMP) 是確保晶圓表面極致平坦的關鍵。宏崴憑藉在精密研磨拋光領域的豐富經驗，提供全系列高效能的 CMP 核心耗材，能滿足從傳統矽晶圓到新興化合物半導體的多元需求。我們的解決方案涵蓋精密砂輪、多樣化拋光液，如:鑽石、氧化鋁、氧化鈰、二氧化矽、拋光墊及鑽石碟，致力於為半導體製造商提供全面且優化的解決方案，助您提升晶圓品質，突破製程限制。

產品列表：

• 宏崴精密砂輪系列：
  • 矽晶圓用倒角磨削砂輪： 確保矽晶圓邊緣光滑無損，有效預防崩裂。
  • 晶圓平面磨削用砂輪： 實現矽晶圓表面極致平坦，是高效製程的基礎。
  • 化合物半導體專用砂輪： 針對 SiC/GaN 等超硬材料，提供高效且低損傷的粗磨解決方案。
• 宏崴高性能拋光液系列：
  • 宏崴鑽石拋光液： 提供多種奈米粒徑選擇，特別適用於超硬材料，如 SiC, GaN的鏡面級拋光 (Ra≤0.01 um) 效果，大幅提升元件性能與良率。
  • 宏崴氧化鋁拋光液： 適用於多種金屬層，如銅、鎢和介電層的 CMP，提供優異的材料去除率與表面品質。
  • 宏崴氧化鈰拋光液： 主要用於淺溝槽隔離 (STI) 和介電層的平坦化，提供高選擇比和低缺陷的拋光效果。
  • 宏崴二氧化矽拋光液： 廣泛應用於介電層、矽晶圓的精拋，提供極佳的表面平坦度與低缺陷率。
• 宏崴精密晶圓研磨拋光墊 (Polishing Pad)： 配合不同類型的拋光液（Slurry）與下壓壓力，移除晶圓表面多餘的材料，如氧化層、介電層（ILD）、金屬層，如 Cu、W等，確保製程穩定。
• 宏崴提供鑽石碟諮詢：
  • 介紹： 作為研磨墊/拋光墊的「修整師」，鑽石碟通過其高硬度，精確修整研磨墊/拋光墊表面，確保其平整度和切削性能，維持最佳切削性能，以維持晶圓拋光過程中的平整度和速率，提高良率。
  • 提供服務： 如果想要了解更多細節資訊，歡迎聯絡宏崴，宏崴提供專業相關服務，為您打造個人化專案。

立即行動，與我們共同開啟半導體精密製程的新篇章！

1. 免費諮詢與專案評估： 我們的宏崴鑽石工業耗材專家為您提供產品諮詢，並針對您的具體製程需求進行專業評估，一同找出最佳的研磨拋光解決方案。
2. 客製化方案設計： 無論您面對的是矽晶圓，還是化合物半導體（SiC, GaN, GaAs）的挑戰，我們都能為您量身打造最符合您需求的半導體研磨、拋光方案。
3. 先進材料與效能驗證： 我們提供業界領先的宏崴鑽石拋光液、鑽石碟、精密砂輪等耗材，並可協助您進行製程實施與效能驗證，確保您的產品達到預期的高良率與卓越效能。
4. 宏崴擁有穩定供貨能力、品質保證、售後服務與客製化支持，能給您最恆定的產品質量。

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