半導體CMP不可或缺的利器～先進鑽石碟ADD：材料世界網

先進鑽石碟(ADD)
拋光墊表面纖毛（Asperities）的大小及分佈決定了拋光晶圓效率及品質。纖毛的底部由氣孔形成而高點則由鑽石擠出。目前的拋光墊（如IC1010）內的氣孔太大而且過多，所以RHEM已推出下一世代的產品（如Eco Vision ），其內含小而疏的氣孔，這樣就可以避免纖毛的底部太深。另一方面使用ADD鑽石碟則可大幅改善纖毛高點的分佈。由於鑽石不過份切削拋光墊，兩者的壽命都可大幅延長，因此單位晶圓（Wafer Pass）的CMP成本可以明顯降低。

ADD也可大幅減少磨漿的消耗。大部份的磨漿流向拋光墊的溝槽深處而浪費掉了，少部份的磨漿則蘊含在纖毛內。然而若纖毛粗大，磨漿滲透不到其內緊壓晶圓處，纖毛會因乾燥磨擦而發熱，這時晶圓表層可能被拉扯脫離。反之，若纖毛細而密，蘊含液體的厚度均勻，磨漿就可以充分使用，所以ADD可有效降低磨漿的使用量。由於磨漿是最貴的CMP耗材，ADD能顯著的降低耗材成本（CoC）乃至CMP的整體成本（CoO）。

圖一、拋光墊纖毛下層的高低分佈取決於材料及氣孔的組合。上層的高低分佈則受制於鑽石碟刻劃的深淺及紋路的密集程度

圖二、晶圓的拋光速率可由拋光墊纖毛的大小及疏密決定。小而密的纖毛不僅可拋光更均勻，拋光墊及鑽石碟的壽命都可延長

ADD的優勢
鑽石的形狀決定了它的利度，即刺入拋光墊的能力。通常越不規則的鑽石越利，但它們崩裂造成刮傷的機率也較高。反之，較鈍的鑽石不會崩裂，但它也不易刺入拋光墊，因此修整的效果不好，晶圓的磨除速率也低。ADD的尖角（90°）比任何鑽石的結晶角小，所以它極為銳利。ADD的尖頂高度的差異不大，每個尖角的刺入深度較淺，所以它比較不會崩落刮傷晶圓。所以ADD具有銳利與安全的雙重優點。

圖三、磨漿在纖毛內的使用效率示意。圖示大而粗的纖毛（左圖）及小而細的纖毛截面的差異

圖四、越對稱的鑽石越鈍而不規則的鑽石則較利，但鑽石崩裂刮傷晶圓的風險則反其道而行

圖五、ADD比鑽石磨粒銳利，但卻不容易刮壞晶圓

低壓CMP
當IC線寬降到32 nm時，每平方公分的電路長度已有數公里，這時電路之間的RC阻抗會使信號減弱。為了減少RC阻抗，電路之間的電阻層其介電常數要大幅降低，降低的方法為在材料之內加入氣孔。然而電阻層孔隙加多後變得極為脆弱。CMP時比較粗的纖毛會截穿電阻層或將之剥離。

為了克服這個問題晶圓下壓的力道（Down Force）必須降低十倍以下。但根據Preston Equation，晶圓磨除的速率也會降低十倍。製造IC不能如此牛步，CMP的主要供應商包括機台製造者Applied Materials (AMAT)，拋光墊供應者RHEM／CMPT及鑽石碟設計者中國砂輪對此有不同的對策。AMAT壟斷了全球300 mm CMP的機台，他們多年發展以電解方式加速銅層磨除的技術，即所謂的eCMP。RHEM為拋光墊的壟斷者，他們加速拋光晶圓的方法是使拋光墊表面變軟（如Eco Vision），這樣就可以加大晶圓和拋光墊接觸的面積。CMP的軟接觸也可減少晶圓被刮壞的機率。但拋光墊表面變軟也可以ADD產生的微細纖毛造成。

圖六、IC的線路越窄其間電阻層就越脆弱

圖七、eCMP的機台及通電氧化銅層加速磨除的示意

圖八、拋光墊表面變軟可使其纖毛與晶圓接觸面積加大，這樣就可兼顧晶圓磨除速率與刮傷機率，圖中的%為晶圓與拋光墊的接觸面積佔晶圓總面積的比率。圖示ADD可產生更細及更軟的纖毛

圖九、ADD修整拋光墊纖毛的接觸壓力分佈較窄，CMP的平均壓力即使提高也不會刮傷晶圓

傳統鑽石碟修整的拋光墊其纖毛大小不同而且高低各異，所以CMP時晶圓表面的接觸壓力份佈不均。高壓處IC會被刮壞而低壓處晶圓拋光太慢。但ADD可使晶圓的接觸壓力分佈均勻，因此拋光可以加快但不傷及晶圓。ADD已成eCMP唯一可用的鑽石碟。它已成AMAT的BKM（Boot Known Method）並在IBM及TSMC等公司試製32 nm的IC。ADD刮出的纖毛高低一致，因此通電產生的氧化銅層也很均勻。除此之外，ADD也可刻劃較軟的拋光墊表面，使其產生細密的紋路，這樣就可以加速拋光晶圓而不虞刮傷IC。

ADD的雕刻術
ADD乃雕刻PCD而成，因此可製成各種尖錐的形狀及分佈。ADD尖錐多而利，因此可迅速修整拋光墊。尖錐不易磨鈍所以鑽石碟的壽命極長。ADD可加速晶圓的磨除速率，也可降低拋光墊的損耗速度。

圖十、ADD的外觀