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【為台灣加油打氣專欄】研磨墊磨耗即時監控系統

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李家同／博幼社会福利基金会董事长；侯冠维

目前在半导体制程中被广泛使用的研磨技术，称为「化学机械研磨 (chemical-mechanical planarization, CMP)」，请看图一。

图一

研磨垫的表面是硬度较高的材料，我们将晶圆要研磨的那一面向下面对研磨垫，并向下施压让晶圆接触研磨垫。在研磨的过程中，晶圆和研磨垫各自都会进行旋转，以进行晶圆表面的研磨。

所谓的化学机械研磨，它所使用的研磨液是特殊的化学品，其中包含了特殊的酸性或碱性化合物，也包含了硬度较高的研磨粒子。在研磨的过程中，首先酸性或碱性化合物会与晶圆表面的材料产生化学反应，造成晶圆表面的元素或化合物转变成松散的氧化物。这种松散的氧化物很容易从晶圆表面脱离，因此有助于研磨的进行。接下来研磨粒子会对晶圆表面进行机械性的研磨，使晶圆表面被磨平。

研磨垫的表面是有沟槽的，这种沟槽可以容纳研磨液在其中，增加研磨液和晶圆表面的接触。此外，沟槽也会增加研磨垫的粗糙度，使研磨效率提高。请看图二。图中所显示的只是一个示意图，实际上沟槽的尺寸是非常小的，必须用显微镜才能清楚看见。

图二

然而，随着使用时间越来越长，研磨垫会有磨损，造成研磨垫变平滑，粗糙度下降，使研磨效率降低。另外，在研磨的过程中，从晶圆表面掉下来的碎片，有可能会卡在沟槽中，造成研磨效率降低，甚至可能造成晶圆表面刮伤，进而产生缺陷，请看图三。

图三

当研磨垫的磨损达到一定程度时，我们要利用钻石修整器来对研磨垫进行修整，以提高研磨垫的粗糙度并清除沟槽中的碎片。

然而，我们很难准确地判断什么时候要对研磨垫进行修整。过去都是依照工程师长期累积的经验，根据制程参数和数据来判断大约多久以后需要进行修整，并且需要将研磨垫从设备上取下来进行分析。因为研磨垫的成本很高，如果过早进行修整，会造成研磨垫使用寿命减少，使生产成本变高。如果太晚进行修整，则会因为研磨效率降低，造成产品的品质不稳定。

为了改善这个问题，我国的工程师发展了一套研磨垫磨耗即时监控系统，可以在研磨进行过程中，即时监控研磨垫的表面形态和粗糙度，请看图四。

图四

这个即时监控系统，是在研磨设备的钻石修整器上加装一个即时监控模组。即时监控模组会发出三种不同波长的光照射研磨垫，并且侦测从研磨垫反射回来的光讯号。当研磨垫的表面形态不同时，反射回来的光讯号会有不同的变化。透过特殊的演算法，这个监控系统可以即时计算出研磨垫的表面形态和粗糙度，以及推估研磨垫剩余的寿命。

这种分析表面形态的方法使用了「多波长共轭焦显微技术」，其中牵涉到复杂的光学与数学知识，在此我们无法仔细说明，有兴趣的读者不妨到大学修读与光学有关的课程。

因为监控系统是在研磨过程中即时进行监控的，研磨垫不需要从设备上面取下来，因此可以提升生产效率。

希望大家知道，许多工业产品的制造牵涉到相当多工业基础技术，例如研磨、焊接、混合分散、分离纯化、电镀、化学气相沉积、物理气相沉积、放电加工、精密加工等等。所谓的精密工业，是需要每一项基础技术，都达到非常高的技术水准，具有生产高规格产品的能力。希望大家明白，我们的工业已经不是普通的工业，而是要进入高技术水准、高规格的阶段了。

希望政府不要太注重耀眼的科技，如AI、量子电脑、元宇宙等等，更应该注意像研磨这种科技。这一类的科技对提高我国的竞争力是相当重要的。

我国的工程师开发的研磨垫磨耗即时监控系统，目前已经可以达到0.5微米的精度。这套系统对于提升半导体制造的生产效率是有帮助的，也代表我们的工业界是不断在进步的，值得我们高兴以及给予他们鼓励。

※ 本文获《为台湾加油打气专栏》授权转载

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博幼社会福利基金会董事长

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