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林庭凱/金屬工業研究發展中心工程師
近幾年來，台灣的半導體產業產值在全球已佔有相當比例，成為台灣生產結構的重心，但是在半導體設備方面，因發展歷程較短，對於技術層面較高、產值較大的半導體前段製程設備及關鍵零組件，幾乎完全仰賴進口，無法自行生產。經由專家學者分析後了解，此段製程設備中關鍵零組件附加價值雖比系統設備低，但其所需的製造技術較接近我國相關產業目前的技術水準，其中又以氣體供應系統之關鍵零組件，包含各類閥件、接頭、管件、泵浦、真空腔體等，其具有用量大、汰換率高、單價高、市場龐大等優點，適合作為發展的踏板。半導體製程設備的構造材料，考量耐蝕性、強度、加工性，以不銹鋼最為廣泛使用。然而經過熱壓延後的素材表面，成形後含有複雜的雜質與介化合物的變質層，且覆蓋一層多孔性的氧化層，表層的晶界易被腐蝕，因而發生局部侵蝕，晶界的隙縫中會殘留氣體或液體而形成死區(dead zone)，形成水分或氣體的吸附區，也是較易附著金屬微粒的原因，為了減少這些表面缺陷層、加工變質層，且表面粗度要盡可能變小，並且在表面覆蓋一層薄且緻密的氧化皮膜，故需要進行特殊的表面處理。
由於半導體製程使用的零組件對於表面平滑、潔淨與抗腐蝕能力的需求越來越高，過去的處理方式面臨極限，如擦光研磨因局部加壓研磨，在加工表面留下磨痕，且在晶界處發現金屬粉末及油脂嵌入其中；而電解拋光法容易發生過度電解，於晶界發生腐蝕作用，並且在表面產生孔蝕缺陷；化學鈍化法無法移除變質層及改善粗糙度；化學研磨法的電解液調配複雜且電解液的保存與管理十分重要；光輝熱處理無法改善表面粗糙度；GBB處理會在表面上產生許多微小裂縫並且有金屬微粒及玻璃的破片嵌入表面。而上述處理方式，表面粗度大約都在0.1mm以上。
電解複合研磨為金屬表面處理技術，適用於不銹鋼及鋁、鈦、銅等非鐵金屬，主要之加工機制是利用電解作用將材料逐層移除，再配合黏彈性磨料進行輔助性之微小切割，藉此排除電解生成物並使加工面均勻平滑，使得到高品質鏡面的加工技術。加工後表面形成披覆200-300蚊鈍化皮膜的高品質鏡面，表面粗糙度可達到0.1mm~0.01mm，品質穩定，且加工效率可達工業生產規模。
電解複合研磨
電解複合研磨(Eletro Chemical Buffing，ECB) 為1976年開發之金屬表面處理技術，其加工示意圖(參照圖一)所示之原理，係利用電解作用將金屬原子由表面逐層移除，並配合黏彈性磨料進行輔助作用的微小切割，藉此排除電解生成物對工件表面產生絕緣效果之不良影響，經由反覆實施之方式，進而得到高品質鏡面。ECB加工系統示意圖(參照圖二)，陰極側安裝電極與研磨材料，加工件連接於陽極側並與陰極保持一定的間隙，在兩電極其間供給電解液，同時輸入電流，並使研磨材與陽極接觸並移動，在電解作用下，陽極的金屬進行反應，並產生電解生成物，其覆蓋於工件表面凹凸部分，凸部被研磨材磨去，優先且有選擇性地逐步微量削減表面凸部的高低差距，在加工過程中，應力、熱及磨粒等殘留極少，可避免生成加工變質層。
電解複合研磨(ECB)是使用電流密度約為0.1~0.4A/cm2，並配合施加壓力5~30kPa之電解研磨加工法。在此電流密度下進行電解，其加工面上會形成電解生成物，因其影響導電效果，使電流效率下降，導致電解作用減緩(參照圖三)。被磨粒摩擦而除去部分生成物，使其電解溶析反應恢復，電流效率快速升高至10-100% (參照圖四)。當磨料的移動速度在１m/s以上時，磨料選擇性地摩擦過表面微觀的凸部，而微觀的凹部其去除量近乎為零，因此表面粗糙度可以快速獲得改善。
針對生技管件之主要產品尺寸以1/4”~3”或4”，而半導體管件之主要產品尺寸則以1/8”~1”，針對5-30mm的管或穴等內表面的加工方式，在經過各1~3道次的粗、中、鏡面精修的三道程序後，表面粗度從數mm(Ｒa)等級會減低到0.01mm(Ｒa)。
另電極治具材質為聚氨基甲酸乙酯(urethane)、耐龍不織布以螺旋狀纏繞並固定兩端所構成，工具的外型直徑比工件的內徑稍大，使其再插入工件時可以因壓縮而產生磨擦壓力，在工具迴轉同時做振幅約為8~10mm的軸向往復運動(參照圖五)，如此磨粒的運動軌跡便會產生適當的交叉角度。長度100mm以上的工件，假如整面同時做研磨，則研磨刀具在軸方向運動宜採定速方式。
針對電解複合研磨製程因電解作用而對金屬表面產生材質成分的變化，依據相關資料顯示(參照表一)，就SUS316L不銹鋼之表面材質成份，經電解複合研磨加工前後，鉻(Cr)增加約80%、鐵(Fe)減少約18%、鉻鐵比(Cr/Fe)約提升119%，且比值亦達1.57明顯增加工件表面之耐蝕性。
另對電解複合研磨製程中磨料固定型式者，加工表面精度以Ra 1.0~0.01mm為其範圍，如為磨料非固定型式者，加工表面精度則可能達Ra 0.02~0.006mm(參照圖七)，對未來在高強度、高韌性等材料特性或高精度、高潔淨度等要求下，應可滿足相關產業之加工需求，並因其使用中性鹽類電解液之製程特性，故對作業環境、工廠安全、廢水、廢液等環保問題之處理，應可符合綠色製程之要求，相信未來會突顯其特性，並對產業界做出貢獻。
產業背景
不銹鋼是最被廣泛使用在食品、生技及半導體設備、超高真空元件的應用材料，其主要考量材質之耐蝕性、強度及加工性，因為就前述產業中光電、半導體產業之毒性、腐蝕性與微粒子問題皆是在材料選用上之重要考量，然而上述產業加工製程中需靠管件輸送大量工作流體，以行輸送、儲存、反應等功能，而上述潔淨管件對內表面之潔淨度、面粗度、材質成份等亦有高度的要求，故是本技術的適當運用場合。
電解複合研磨(ECB)製程技術應用於生技、半導體產業之廠務設備及真空腔體等項目，日本使用最多，目前以神鋼特殊鋼管株式會社(KOBELCO)應用於不銹鋼潔淨管件，另日造精密研磨株式會社更應用於化學、醫藥、半導體、超真空等領域為最顯著(參照圖八)。
目前國內光電、半導體產業所需之相關管閥件多為國外進口，不僅建廠成本增加，更使得建廠品質、時程、效率等在國際競爭下，皆處於相對不利的地位，尤其是主要競爭對手韓國已逐漸建立光電、半導體產業所需之相關零組件產業。
為突破上述技術瓶頸，金屬工業研究發展中心針對上述產品之開發技術切入，希望能藉由設計、製造、檢測等面向建立相關技術，以期能改善所面臨的產業瓶頸。為符合SEMI的相關規範，需解決閥管件之內流道或接頭之內表面拋光問題，故不僅需克服電解拋光技術(Electrochemical Polishing)，更需克服流道內面研磨技術，乃希望藉由電解複合研磨技術(Electrochemical Buffing)來達到內徑研磨、拋光等目的。
就光電、半導體產業所需管件材質以SUS316L為主，由於管件使用場合不同，材質等級亦有差異，為達到對表面粗糙度、潔淨度、抗蝕性、化學反應性、洩漏率、加工性等要求，管配件表面處理可分為AP(Untreated)、CT(Chemical Treatment)、MP(Mechanical Polish)、BA(Bright Anneal Treatment)、CP(Chemical Polish)、EP(Electrochemical Polish)等製程，表面粗度量測規範以符合SEMI F19、F37及SEMASPEC 900120400B規範為準，SEMI對UHP(Ultra High Purity)管配件表面粗度建議規範為Ra ≦0.13mm，最大(Maximum) Ra ≦0.25mm，且對於研磨紋路(Texture)亦有所要求。過去吾人所施行的金屬表面處理方式仍然有其缺點，並無法達成高潔淨度及鏡面的要求，尤其是手工拋光更是耗時費工且不易達到要求，而金屬刷之工具磨耗及高熱、表面殘留應力等亦是難以克服之缺點，故電化學加工技術被應用於上述場合正可以滿足要求。
金屬中心由93年開始規劃以潔淨管件加工為標的物，藉由完成潔淨管件內徑研磨漸次推展至彎管、小管徑、超鏡面等目標，目前已完成管件電解複合研磨拋光機開發，正逐漸建立前述技術之應用，並已完成實測且效果顯著。
加工實例：2”管接頭(fellow)
加工件材質：SUS316L
加工時間：2 min
表面粗度：加工前Ra 0.5mm 加工後Ra 0.08mm
結論
隨著新時代的來臨，現階段傳統加工法已無法滿足我們在精微加工的需求，唯有跳脫巨觀進入微觀的領域，不斷創新才能突破現有的技術。換言之，在各種特殊材料不斷推新的航太、電子、生醫等高科技產業下，現代成熟的精微表面加工技術將是不可或缺的製程技術，而電化學複合加工技術更可突顯其特性。而電化學表面處理技術涵蓋範圍不止前述部份，但皆需靠精密與具功能性的設備，更需要系統化的know-how和配套的相關技術相互整合才可能發揮功效，如：穩定之電源供應器、具創意之電極治具、精密之電解液循環過濾系統及有效之廢液處理系統等，因此如何建立並應用電化學加工技術加速半導體、光電、生醫、模具等零組件關鍵技術的開發，並把握切入新興領域的龐大商機，是相關產業面臨的重大挑戰與轉型成長的關鍵。SST-AP/Taiwan
參考資料
1. CS半導體基盤技術研會：超高純度氣體的科學，REALIZE INC. (1994)
2. 間宮富士雄：化學研磨和電解研磨，楨書店(1997)
3. 朱樹敏：電化學加工及相關特種加工工藝技術，精微電化學加工技術研討會(2006)
4. 李碩仁：The polishing mechanism of electrochemical mechanical polishing technology，journal of Materials Processing Technology 140 (2003)
5. ASME：Bio processing Equipment，ASME BPE(2002)
6. ASME：Surface Texture，ANSI/ASME B46.1-2002
圖一：電解複合研磨原理。【1】
圖二：ECB加工系統之示意圖。 |
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