半導體積體電路(IC)的生產必須使用化學機械平坦化(Chemical Mechanical Plconalization；CMP)，而CMP則需使用鑽石碟才能維持拋光的速率及提昇晶圓的良率。中國砂輪的DiaGrid®鑽石碟是全球生產IC的利器，也是台積電晶圓拋光的重要耗材。中國砂輪公司(中砂)推出的下一世代鑽石碟(ADD)已成美商應用材料發展電解(Electrolytic) CMP (eCMP)不可或缺的BKM (Best Known Method)。台積電若和中砂聯手開發低應力拋光的CMP 技術，可在32 nm 及22 nm 的製程上領先IBM 及Intel 。
台灣的CMP優勢
IC晶圓的製造已進入病毒尺寸(90-22 nm)，一個不及一公分見方的CPU芯片可佈滿超過人類總數(65億)的電晶體(0或1的電路開關)(圖一)。
圖一：半導體芯片乃依摩爾定律，每18個月電晶的數目加倍，IC總路的線寬乃急速變窄，使製程的困難度大幅提高
（資料來源：工業材料雜誌253期）
IC的線路乃以微影顯像及光阻蝕刻的方法製造。但是線路的厚度卻必須藉由拋光的方式控制，這就是所謂的化學機械平坦化(CMP)。CMP在製造32 nm或更細的線路時必須改弦更張，才能避免電流的電阻太大及電路靠近彼此干擾。
半導體大戶的製程能力相若，Intel、IBM及台積電都將在2007年底試產45 nm IC。對於CMP中的主要耗材之一「鑽石碟(Diamond Disk)」而言，目前中砂現為全球鑽石碟的主要供應者，台積電及聯電（以下簡稱台聯）的CMP已長期使用中砂鑽石碟，若台聯可和中砂技術合作，未來450 mm晶圓上密佈32或22 nm線路的生產良率將可超越IBM及Intel，這樣「台聯」就可成為晶圓製造規格的製定者，乃至全球未來芯片設計的領導者。
CMP的良率
CMP要使若大的晶圓平坦，同時使超微的電路平滑，其技術的困難程度將越來越大(圖二)。產品的良率決定了製造業的虧盈，良率高的公司不僅毛利高，而且可以降低價格佔領市場。台灣的晶圓代工賺的正是良率高的錢，未來製造內含小(32 nm)線路的大(450 mm)晶圓，良率將決定供應鏈的歸屬。
圖二：病毒尺寸IC疊床架屋的線路其表面的平滑程度決定了電晶體的功能及可靠度（資料來源：工業材料雜誌253期）
在DRAM的領域裏，韓國Samsung當年就是以200 mm製程的良率打敗日本的Hitachi成為全球的霸主。現在日本的Elpida已和台灣的力晶聯手，準備以300 mm製程的良率擊倒Samsung，日本就可扳回一城。
「台聯」在 200 mm及300 mm的晶圓代工良率稱王，但未來450 mm搭配32 nm線寬其CMP的平坦化難度遠甚於既往，若有「中砂」相助，將佔較大優勢，有如下述。
化學機械平坦化(CMP)
在生產IC晶圓時，除了微影顯像(Photolithography)之外，最重要的製程為化學機械平坦化(CMP)。CMP乃將每層IC的薄膜磨平及擦亮。這微影顯像的光線才能在光罩上聚焦，奈米級的精密線路才能被蝕刻成形。
在CMP的過程中晶圓IC的沈積層必須輪流研磨拋光。其方法乃將晶圓壓在一塗佈磨漿(Slurry)的旋轉拋光墊(Pad)上，磨漿內的奈米磨粒(Abrasive)會逐漸磨除IC表面的突出處使其平坦及光滑(圖三)。
圖三：CMP的示意圖及實物外觀（資料來源：工業材料雜誌253期）
在CMP的過程中，晶圓和拋光墊不能全面接觸以免打滑，所以拋光墊的表面必須先行「開刃」(Dressing)。開刃可提高接觸點的壓力，這樣就可以增加拋光的速率。開刃時晶圓的磨屑、拋光墊的切屑及磨漿的廢料所凝結的硬質層(Glazing)也同時剔除。CMP要能持續必須使用鑽石碟或調理器(Pad Conditioner)來不斷調整拋光墊。CMP的普及率隨IC的線寬縮小而提高(圖四)。
圖四：CMP為拋光精密(＜0.25 μm)IC所必須（資料來源：工業材料雜誌253期）
CMP的走勢
CMP的成長速率是半導體的數倍，IC的層數越來越多，CMP的需求就越來越大(圖五、圖六)。
圖五：晶圓上CMP的次數乃隨線寬的減少而快速增加，IC的磨層數及種類將越來越多（資料來源：工業材料雜誌253期）
圖六：CMP的使用次數逐年加多，圖示CMP的種類隨IC的設計改變的趨勢（資料來源：工業材料雜誌253期）
CMP的成本
半導體的製造成本的大宗為矽晶圓及其他耗材，CMP的耗材為半導體材料的一環，其中的主項即為磨漿、拋光墊及鑽石碟(圖七)。CMP耗材的主要供應商包括美國Cabat製造的磨漿及Rohm Haas Electromic Materials(RHEM)的CMPT(前Rodel)所製造的拋光墊，台灣的中砂則為鑽石碟的領先製造者。
圖七：CMP的耗材及其成長趨勢(上圖)及2006年耗材佔總成本的比率(下圖)
（資料來源：工業材料雜誌253期）
作者：宋健民
出處：工業材料雜誌253期
★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6591