岳鐳/亞泰半導體股份有限公司 總經理

目前台灣半導體製程設備的需求量總和，僅遜於美、日，已成為全世界第三位，但目前卻無法自行研製開發任何一種主要的前製整機設備。幾乎所有台灣的半導體業者專家們都同意，為突破美、日壟斷的前製設備，發展CMP是最具關鍵性的項目。其原因不僅是由於新興市場所帶來的商機，及國外新近開發技術上尚有許多改進空間；主要是因為台灣已能提供相關的精密加工、運動控制等技術，再加上尖端航太偵測技術的移轉，及運用國人智慧軟體工程的優勢，已能成功的開發出次世代規格，符合銅製程要求的CMP工具，在精度控制上已能超越其他美、日國際大廠的同類型產品。

CMP機器設備是半導體製程設備中新興的一環，自1994年開始每年均以大幅速度成長。由於台灣大量投資興建八英吋的晶圓廠，目前台灣的CMP市場需求量，約佔全球市場的四分之一。由於生產半導體元件產品時，凡屬多層次內聯線、高密度，次微米線寬等，在微影製程上的平面度要求達到一定標準時，都必須採用此設備，目前並無其他方法或處理方式可取代。因CMP已列為0.25以下微米製程的標準設備，無論是生產邏輯或記憶體元件時，都必須在前端製程上多次重覆使用。故一般咸認其市場將會保持百分之五十的年成長率快速增長，係前製設備中成長最快、最具潛力的項目。
長久以來，本土半導體設備產業與國內半導體產業的蓬勃現象，都無法形成一致的發展步調。究其因，需求面及供給面雙方幾乎少有交集。出現在供給面的問題現象是“缺乏凝聚共識的發展願景”，無法孕育技術支援及實際應用的環境，出現在需求面的現象是半導體廠商依賴原廠維修，對國內設備業缺乏信心。
綜觀每一新製程技術之提昇必需仰賴設備工業之輔助配合，國內晶圓廠已逐漸走入國際化趨勢，勢必帶入國內業者莫大之潛機。未來必然走入「銷售市場國際化」、「製程技術獨創化」及「設備支援區域化」之競爭力需求。而亞泰公司前兩年在前段設備業之開創經驗，勢必具有最佳之潛能以迎接區域性、整體支援時代之來臨。敝公司以國內首家半導體設備系統整合廠商的定位，勢必在新一波半導體設備業的蓬勃發展中佔主導性的關鍵地位，俾協助其他支援廠商中衛體系，將本土半導體設備業推入一個新紀元。
#P#前瞻重點
台灣目前正在發展一項智慧型高精度的化學機械研磨(CMP)設備，乃結合精確的實況終點偵測(In-Situ Endpoint Detection)專利技術，利用多組線性位移電壓感應器(LVDT)來直接測量研磨晶圓時厚度變化的平均值，配合研磨台面上校準過的參考點，以專利的迴路反饋方式作即時補償修正，減低浮動研磨頭的晃動(Wobbling) 誤差，來達到迴轉時高精密的定位效果。
本篇論文報導有關台灣自行研發的貝塔(β)機台ICMP－1000之功能設計，並介紹其智慧型(Intelligent)、緊縮化(Compact)、模組化(Modular)及精準化(Precise)的設計概念。這個新的CMP設備結合濾波和數位訊號處理的技術，藉著獨家開發的全面終點監控(Global Endpoint Monitor)技術，將能很精準的控制晶圓的平坦度與均勻度，並維持晶圓研除率的穩定性。初步結果顯示，終點訊號的標準誤差可以控制在兩秒鐘之內，這相當於研除厚度約十奈米之誤差。此一終點偵測器 (EPD)係奈米(Nanometer)級高精度的技術，並可即時推算出晶圓厚度以及移除率(Removal Rate)的現場資料，作為即時的實況掌控及資料顯示。
特別當元件尺寸繼續縮小至0.18微米時，由於導線間距變小，電容變大，訊號耦合問題變為嚴重，加上寄生電容造成的訊號延遲，使電子流速減緩。因此必須採用低介電常數的材料以降低電容，以及金屬銅導線配合雙嵌入(Duel-Damascene)技術，來降低電阻，增加電流速度。但低介電材質須使用較強化學腐蝕性的研磨液，來提高其偏低的研除率。因此就會在研除率及晶圓彼此之間均勻性上產生較大的變化，而難以掌控其製程的穩定性。故此精確的終點偵測器將成為更具關鍵性的角色。同樣，用銅嵌入法的製程就比傳統鎢嵌入法的製程更需要精準的終點指示，因為銅的穩定性及其腐蝕性，擴散等問題比鎢金屬更為嚴重。而且銅的研除率會直接影響到銅導線電阻的均勻性及電子流速等問題。因此不僅要能達到精準偵測晶圓厚度的終點技術，也必須同時能提供可靠的研除率估測。並且在研磨銅的阻障層時，此終點偵控技術加上建立的研磨資料庫數據，可透過類神經網路(Artificial Neural Network)的自適性優化控制技術，來降低在過度研磨(Overpolish)時所產生的金屬層內凹(Dishing)及絕緣體腐蝕(Erosion)的問題。
敝公司的前瞻性設計，是目前所有相關技術中，唯一能達到次世代奈米精度技術要求的產品。實驗結果也證明其終點偵測精度能優於美商應材公司同類型產品的五倍之多。
#P#功能設計
敝公司設計的平坦化製程CMP設備。基本上是由一個用來進行晶片研磨的研磨台(Platen)，及兩個載具(Carrier)各自內含夾住晶片旋轉的研磨頭(Polishing Head)所組成的(見圖一)。每一組載具都可獨立上下作業，而不致影響到另一組的研磨效果，乃兼具單頭與多頭性能之優點。研磨頭與晶片背面之間有一載具膜(Carrier Film)，晶片的正面是壓在舖有一層研磨墊(Polishing Pad)的迴轉研磨台上，以便進行化學機械研磨。當研磨時，用來幫助CMP進行的化學助劑，順延 著輸送管用一種特殊專利方式，傳送到研磨頭外圈的加壓平衡環，分送至內側與研磨區域最接近的前端，而持續不斷地供應到研磨墊上，並藉其逆時鐘運轉，而將研磨液輸入研磨區域內。外圈的加壓環，可將研磨區域內不均一的凹陷，藉外環按壓研磨墊前端而略為攤平，俾增進晶圓表面平坦化的效果。另有一組可作實況整理研磨墊的組件,其安裝與設計亦迥異於傳統的研磨墊整理器(Pad Conditioning)，其功能則是以單晶體碎鑽擦括方式，達到高平整度的磨墊表面再生的效果。
#F#圖一：CMP機型圖片
圖二顯示整機設計的俯視平面圖。雙磨平頭藉主體架構支撐，藉由垂直栓槽軸承導引，由伺服致動器精準控制其上下運動之垂直方向，不作任何水平方向的移動。如此磨平頭僅作上下及自轉運動，可使其在高速運轉時，保持其高穩定度，而不致受到其他機械性的串擾(Crosstalk)。此設計完全合乎銅研磨的需求。因銅為較軟材質，故必須降低下壓力，而為維持合理的研磨率則必須加快轉速，約為現在氣化層磨平頭轉速的六至八倍之多。故精簡磨平頭的運動設計最適合於超高轉速的銅研磨應用。
#F#圖二：機台整體的俯視圖
兩組研磨頭之浮動原理，係運用彈性組織，以平衡球為運動及加壓的中心點，在研磨時作自適性浮動調整研磨平面。
浮動研磨頭的運轉設計係利用專利技術，將旋轉頭的組合安裝在不轉動的載具內，用動力彌補的反壓裝置，來消除第一階次的晃動(Wobbling)誤差。在研磨實況下能立即校正研磨頭的旋轉平面角度，其原理類似與應用在航太控制技術上的俯仰校正效應(Pitch-Yaw Compensation)。主要的回饋性補償校正方式，是基於許多複合式的機械組合、含有三組高速伺服馬達，高速減碼器和偏移的離心圓環等，運用迴路反饋方式去降低研磨頭的晃動幅度。這些獨特的研磨頭設計加上特別剛固的滾珠軸承座設計，對先進的CMP加工技術，以及次微米技術的精確度控制具有非常重要的供獻。亦可確保研磨頭在高速運轉時的穩定性及精準度，這對於銅導線及低介電常數的新材質所需之超高速平穩研磨更為適用。
研磨平台的運動乃依軌道式的方式進行，係將圓形轉動的圓盤，置於水平栓槽軸承上作左右來回振動。故此項水平直線及旋轉運動，構成一個可掌握的軌道運動(Orbital motion)。目前市面上唯一的另外一組軌道式的平台CMP（IPEC 676系列），係採用離心圓旋轉方式。不僅在研磨軌跡上很難確實掌握，而且也產生轉軸偏移擺動的問題。一般咸認銅研磨機台，必須擺脫傳統旋轉式的平台運動方式，而採用或是線型(Linear CMP)，或是軌道式的研磨平台。敝公司的獨特設計有軌道式及線型運動的各項優點，而不致影響轉軸的垂直方向。藉用兩套互不干擾的運動控制器，可達到完全隨機化(Randomized)軌跡的效果。
在主架前端中央部份懸掛一裝載盤乃係一緊縮平面空間的設計，用作晶圓裝上研磨頭或卸下時之用，其位置係定準在同樣臂長，可擺動(Swing)至左右兩個研磨頭的晶圓裝載中心位置，俾輪流裝卸晶圓。此一裝載盤設計亦兼具清洗擦拭作用，不僅可作晶圓研磨完時的初步拭洗，亦可藉研磨頭的慢速旋轉，而將其週圍懸浮的研磨液顆粒沖洗乾淨。
自動化製程的主要裝置之一的機械手臂，係一四軸設計，由伺服馬達控制的精確設備，其臂長可兼顧近處的晶圓輸入卡匣及較遠的輸出卡匣。係由真空吸附晶圓背面方式，由卡匣內取出，再用覆晶動作將晶圓正面安置在裝載盤外圈的夾角上。研磨完時亦可自晶圓背面附著吸出，再置於水槽中的清洗刷上，作輔助性的雙面刷洗。
為節省平面位置，晶圓輸入、輸出設計皆以垂直昇降機方式，最多可疊放三組卡匣。就近取放需要，將卡匣按順序上下移動，便於機械臂在最方便的水平位置上抽取或送回。輸入站的昇降機，在滿載三組卡匣時，係由下往上間隔移動，即從最上方卡匣的第一片晶圓開始抽取。在抽取前即將每一卡匣及其內廿五片晶圓放置方式作圖形掃描、測繪並將資料貯存在主控電腦記憶體內。
輸出站的昇降機則反向操作，由上往下間隔移動，乃係先自最下方卡匣的最後一格放起。藉每格的下移位置正好將研磨過的晶圓，置於水槽中的水平面底下，達到均勻保濕的效果。
本機型內附的簡易清洗設備，並不能取代最終的後研磨清洗(Post-CMP Cleaning)過程。如欲達到乾進乾出(Dry-in-Dry-out)的效果，目前必須與其他專業清洗機台連線操作。可藉重本機型小空間的模組化設計以三或四台研磨機配合使用一台清洗機。
緊縮空間的模組型設計優點在於可視晶圓廠提供的面積，作靈活彈性的配置。通常建議以二至四台CMP配套一台四頭的拭洗機(Buffing Station),以及終端的清洗旋乾機，或其他量測機台，共同使用，以增進經濟效益。以二台四頭或三台六頭模組機型與其他多頭的大型機台相比，