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精密磨削(Precision Grinding)
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磨床/珩磨设备展厅
平面磨床, 外圆磨床, 无心磨床, 内圆磨床, 万能磨床, ...
1 前言

磨削(Grinding)是一种利用磨轮(Grinding Wheel)作高速旋转及微小深度(微小量),磨削工件表面或内孔,以获得精密形状及表面粗度的加工技术。

磨削加工的特色:

(1)每一颗微细磨粒,其作用相当于一把细微刀刃,磨削加工,如同无数细微刀刃同时切削。
(2)可磨削硬脆材料,如硬化钢、玻璃、碳化物及陶瓷等。
(3)磨削去除率小(Low Material Removal Rate)
(4)磨削速率(Cutting Speed)大,进给率(Feed Rate)及磨削深度(Depth of cut)均小,因此比马力(Specific Horse Power)相当大

HPs (Specific Horse Power)=HP(Horse Power)/MRR(Material Removal Rate)

2 深进缓给磨削(Creep Feed Grinding)

所谓深进缓给磨削(Creep Feed Grinding)简称(C.F.G),与一般的平面磨削不一样,磨削深度(Depth of cut)增加数倍至数十倍,而进给率(Feed Rate)以相同的倍数减慢,可以增加磨削速率及增进工作表面粗度的磨削技术。CFG机制示意图,如图(一)所示。

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图一 CFG机制示意图

CFG磨床之特色:

(1)磨削深度(即磨削量)大,具备减震装置(Damping Device),以维持静,动平衡。
(2)软质磨轮增进工件表面粗度。
(3)为保持磨轮表面,不被磨屑阻塞,经常保持在锐利状态,因此在其上方按装表面含有钻石磨粒之整修砂轮(Dressing Wheel),在制程中,不断整修磨轮,使其保持真圆度及锐利状态,以维持工件品质之稳定性。
(4)为维持一定的切削速率(Cutting Speed)及磨削深度,磨轮转速不但可以无段变速,并且能够自动下降以获得理想且一致的工件品质。

3 电解磨削(Electrolytic Grinding)

电解研削(ECG)是由电解加工,亦可称为电化学加工(Electro Chemical Machining简称ECM),亦就是反电镀(Deplating)加工与机械磨削(Mechanical Grinding)所组合之复合加工。电解磨削是1952年美国G.F Keeleric 研发成功。

电解加工原理

电解加工在原理上是将电铸的阳极金属溶解现象应用于金属加工,将预先成形为所定形状的电极隔着微小间隙(0.2~0.3mm)与被加工物表面相向,并压送电解液(electrolyte),流速5~20m/s,以电极(electrode)为阴极,被加工物为阳极,施加一定的直流电压(5~20V),则经电解液而通电流,被加工物从接近电极的部份开始电解,同时使电极以一定速度(0.5~3.0mm/min)向被加工物送入,达预先设定的加工深度时,即得所希望的加工形状。

电解加工的特色

(1)可同时加工广大面积之工件。
(2)不拘被加工物的机械性质,都可加工。
(3)不发生热变形、加工应变、加工变质层。
(4)单一工程即可雕出复杂形状工件。
(5)电极不消耗。
(6)加工面粗糙度良好。
(7)加工速度比放电加工(EDM)快5~10倍。

电解加工的应用

(1)锻造模、玻璃模、橡胶模等的雕形加工。
(2)沟加工、斜面、轮廓加工、深孔加工等传统加工法的效率差者。
(3)难切削材料的加工。
(4)去除毛边,伤痕等不可能用机械加工的加工。

电解研削机构示意图如图(二)所示

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图(二) 电解磨削机构示意图

电解磨削原理示意图如图(三)所示

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(图三) 电解磨削原理示意图

电解磨削系利用金属结合剂及微细钻石磨料所组成的导电性砂轮同时进行电解加工与机械研削的方式,砂轮的导电部份为阴极,被加工物为阳极,接直流电源,在两者的间隙通电解液,在被加工物与砂轮的导电性结合材料之间进行电解加工,不易电解的物质或被加工而生成的不动态皮膜(即金属氧化膜),用磨料以机械研削除去,加工量的比率是电解加工量90﹪、机械研削量10﹪。磨料突出量为0.05mm以下,这可防止两极的短电路,并保持电解液通路必要的间隙。

当进行粗、中等加工后,停供电解电流,只以机械研削细加工而提高加工精度的方式—此方式是利用电解研削的高效率,除去加工量后,停止电解加工,不更换砂轮,以同一砂轮继续细磨。而得到期望的表面精度。电解液可提高电解研削速率,磨料微粒为不导电的材料,如:钻石、三氧化二铝(Al2O3)及晶方氮化硼(CBN)。

4 电解拋光(Electrolytic Polishing)

所谓电解拋光,即是将工件放置阳极,于电解液中通电,在适当操作参数下,使工件发生电解反应(亦称反电镀),工件表面而因电场集中效应而产生溶解作用,因而可达成工件表面平坦与光泽化之加工技术。电解拋光机制示意图如图(四)所示:

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图(四)电解拋光机制示意图

电解拋光技术于1931年,由D.A.Jacquet发明采行。「电解拋光」技术可广泛运用在半导体制程设备、化工、航天以及其它高精密等表面处理加工。

电解拋光应用范围:

(1) 可处理铜、黄铜、铅、镍、钴、锌、钖、铝、不锈钢、铁、钨等材料。
(2) 电解拋光技术广泛应用于半导体/LCD等级阀件、管配件、接头、IGS之表面处理。
(3) 电解拋光可达镜面级光泽,拋光后产品表面可达Ra=0.2~0.5μm。
(4) 不锈钢电解拋光表面可生成钝化层,有效提升抗腐蚀能力。

电解拋光成品如相片(一)所示:

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相片(一)电解拋光成品

工研院机研所,两年来,在没有技术引进情况下,自行设计、开发夹治具、电解液和设立实验室,摸索出世界最新颖的表面处理「电解拋光」关键技术。机械所目前已建立电解拋光实验室,拥有内外孔电解拋光设备,除开发阀件内孔电解拋光技术外,更将触角延伸至管件内孔电解拋光高级技术发展,期能建立我国扎实的电解拋光加工能力。

近年,国内半导体制造业蓬勃发展,但半导体制程设备工业却远远落后,详究其原因,主要在于国内缺半导体制程设备所需的精密表面加工技术。电解拋光应用于半导体制程设备中的控制阀内流道、厂务配管流道、反应腔壁表面之处,凡与制程气体接触之处理都需要电解拋光加工处理,应用范围多且广。将电解拋光应用于半导体制程设备的目的有三,一为可生成抗蚀钝化层,二为可产生高度洁净表面,三为可镜面拋光降低粗糙度。为建立电解拋光操作参数,机械所是从电流密度、电压、通电时间、温度、流速、电解液配方、比例、添加剂等,来了解其对钝化抗蚀性的影响,并委托清华大学进行电解拋光试片抗蚀性研究,已实验完成且有不错的成果。机械所在电解拋光高度洁净表面研究方面,则从制程和步骤着手,包括前处理溶液清洗、碱洗除油、酸洗除锈、电解液洁净和控制、后处理化学清洗,以及在无尘室进行超化学液配方、温度、操作时间、角度等研究。

电解拋光效益(创造产值):

(1) 为一具备机械、电控、热流、材料化工高度整合性技术。
(2) 1999年时国内半导体业者需求与EP有关之阀件、管配件等零组件消耗品总金额为67.5亿,其中EP技术产生价值约占22%,总值约为15亿。

5 化学机械拋光(Chemical Mechamical Polishing,简称CMP)

CMP机器之构造图及制程示意图如图(五)及图(六)所示:

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图(五)CMP机器构造简图

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图(六)CMP制程示意图

CMP是将工件压在旋转之弹性衬垫(研磨垫)上,利用相对运动加工之拋光技术。将具有腐蚀性之加工液供给到工件上,当工件进行腐蚀加工(化学性)时,同时供给超微磨粒(直径100奈米以下)拋光(机械性)材料,对工件之凸部进行选择性的拋光操作,故称机(械)化学拋光或化学机械拋光。

在LSI往微细、高积体化发展之同时,形成于硅表面之装置构造也有多层化,其表面凹凸变大之倾向。为了实现多层化装置之配线的高信赖性、高成功率,在装置制造之过程中,每一层表面之凹凸必须很平坦化(Planarization)。

平坦化过程之概念图,如图(七)所示:

在硅芯片上所形成内部配线之突出氧化膜部分,利用包含超磨粒拋光材之拋光衬垫进行拋光加工后,便会逐渐平坦。

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图(七)平坦化过程之概念图

化学机械研磨(CMP)技术因其拥有全面平坦化(Global Planarization)的优势,因此在近年来成为各大IC相关产业竞相研发之技术。

传统的平坦化技术以Spin On Glass(SOG)和Resist Etchback(REB)技术为主但在0.25μm以下IC制程SOG及REB技术并无法达到全面平坦化(Global Planarization)的目标,因此极需寻找新平坦化技术,化学机械研磨技术经由IBM及Intel等公司积极研发,在近年来已成为全面平坦化的新兴技术。它不仅可以达成全面平坦化的目标,同时可增加组件设计的多样性,如可将铜及钨纳入新组件设计中且可减少缺陷。图(八)乃各IC平坦化技术之比较,由此图可看出CMP在全面平坦化技术的优势。

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图(八)平坦化技术

图(四)说明集成电路不同制程的平坦化能力。以集成电路产品16M(百万)DRAM的晶方边长在拾厘米以上,因此理想的平坦化距离也需要拾厘米以上长度,在制程上最早应用的硼磷玻璃回填(BPSG Reflow)平坦化技术,除了高温限制在金属化前的使用外,平坦化距离仅能适合数微米长。旋涂玻璃(Spin on Glass)是二层金属联机制程最常使用的平坦化技术,其平坦化距离仅及10微米长。以沉积/蚀刻交替及电子回旋电浆(ECR)沈积薄膜非常适合深次微米制程中的填隙,如搭配化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing)则可完全应用在多层联机的制造,以阻剂填平后蚀刻(Resist Etch Back)的平坦化技术,因没有涂布玻璃材质的吸水性及有机物挥发等问题,故为美、日的主要集成电路制造商在高可靠度产品应用的平坦化技术。由于阻剂填平的平坦化间距仅及百微米范围,及综合图(八)的比较,化学机械研磨就成为全面平坦化的最佳选择。

0.25μm以下制程不可或缺之平坦化设备,化学机械研磨机在中科院主导及相关业者之协又合作F商品化研磨机已进入市场。以 二氧化硅为主要成分的绝缘介质在CMP所使用的研磨剂目前Cabot公司所制造之研磨液系列产品为多数厂商所接受。Cabot公司能占有研磨液,大部份市场乃因其能自行制造之高纯度且稳定性佳Sio2粉末。同时Cabot公司拥有研磨液所需发展之技术即研磨粉末制造技术,研磨粉末分散技术及研磨液配方投术。

研磨液乃是用来研磨二氧化硅介电层,BPSG介电层、浅沟隔绝层(Shallow Trench Isolation)及Polysillicon薄膜层之研磨液。研磨液一般包含下列组成SiO2研磨粉末(平均粒径根据不同配方约在100nm左右),固含量约10~30%,PH值约在9.0~11.0(由KOH或NH4OH调整),以及去离子水约70%。

以介电薄膜研磨所使用之SiO2研磨液为例,在PH值固定时,当研磨液的SiO2研磨粉末之含量或粒径大小增加时,其研磨速率亦相对增加,如图(九)所示,然而若其增加比例过高,亦会刮伤薄膜表面。当PH值增加时,研磨速率亦会随之增加,然而额外之化学反应亦会提高,因而降低研磨薄膜之平坦度。

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图(九)介电膜研磨速率与SiO2研磨剂组成之关系

而CMP技术所使用之研磨垫-PU Pad,大体来说有两种功能,一是研磨垫之孔隙度可协助研磨液于研磨过程输送到不同区域,另一种功能乃是协助将芯片表面之研磨产物移去。研磨垫之机械性质会影响到薄膜表面之平坦度及均匀度,因此控制其结构及机械性质是十分重要的。

研磨垫则是研磨剂外的另一个重要消耗材,由于集成电路制程的目的是平坦化,异于传统光学玻璃与硅晶圆的拋光作用。图(四)平坦化过程的示意图,平坦化的作用即要将晶圆表面轮廓凸出部份削平,达到全面平坦化。理想的研磨垫是触及凸出面而不触及凹面,达到迅速平坦化的效果。就研磨垫的应用言,其材料的化性需求较为单纯,一般仅具备耐酸碱,持久稳定即可。但在物性条件则相当复杂。Rodel 的研磨垫Suba系列产品为美国Sematech等所评定,适合CMP制程应用。此Suba系列的材质为Polyurethane Impregnated Polyster Felts。上述的PU材料,具多孔性及一定的硬度。如图(四)所示,研磨垫的压缩性差异,形成不同的垂直与水平变形,软性的研磨垫,因变形而容易触及凹面,形成平坦度较差的现象。Rodel另一系列的IC(品名)产品,具较低压缩性,较高硬度的研磨垫,可以有效提升平坦度的效果,但其均匀度的控制则变差了。使用IC 1000/Suba IV的组合垫则兼顾了平坦度与均匀度的效果,也就成为今日对氧化硅薄膜在CMP制程的主要研磨垫。稳定的制程除了选择适当的研磨垫外,适当的保养则是必要的过程。在研磨过程中,研磨垫表面材质也会耗损,变形。另外表面堆积的反应物也需妥当的排除。因此在使用中,如无适当的处理,研磨垫表面将呈现快速老化,造成蚀刻率衰退等现象。为了解决研磨垫的老化问题,现代的CMP机台都具备『研磨垫整理器』,具备与研磨过程同步整理或定时整理的功能。

化学机械研磨制程控制

RR=Kp.P.V

其中RR为蚀刻率,P为晶圆上的施加压力,而V为相对线性速率。Kp则称为Preston常数,此简单的Preston方程式说明蚀刻率与压力、线性速度成正比关系外,其它物性、化性及机械参数及特性都隐藏在Preston常数内。在良好的机台参数控制下,一般氧化层膜的制程控制范围都可适用Preston方程式。典型的例子如图十所示。由图上可以看出氧化硅膜的蚀刻率与施加压力呈正比的线性关系,另外在不同设定的转速下亦都呈现正比的线性关系,其斜率则随着转速而增加。图(十一)即在固定的施压下,蚀刻率与平台转速的关系。一般实验结果可以得到线性但非正比关系。

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图(十)热氧化硅薄膜的CMP蚀刻率与压力关系图

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图(十一)热氧化硅的CMP蚀刻率与磨盘转速的关系图

6 制程中电解削锐(Electrolytic In-Process Dressing,简称ELID研磨)

电子零件等功能材料之进步是有目共睹的,但对于各种素材零件之加工精度要求则是愈来愈严格。其加工技巧之磨料加工技术的研磨、拋光方面,对于高效率、高精度、高品位、超精密、自动化等之期望也很高,满足其要求的加工技术之一为ELID研磨法。

ELID研磨法为金属结合砂轮的削锐方法之一,利用电气化学作用所产生之电解溶出现象,在研磨加工中也可以连续地进行削锐,以保持稳定的锐利度。

图(十二)所示为平面磨床使用ELID研磨法时之示意图。电解削锐是对与研磨加工无关之砂轮部份,在砂轮和电极之间产生电气化学反应而进行的。

图(十三)所示为ELID研磨时之砂轮表面状态的示意图。

(a)为砂轮刚削正后之状态。
(b)为在研磨加工之前仅实施削锐操作,利用电解方式,使砂轮之结合剂溶解的状态。
(c)为随着电解之进行,不导电薄膜产生,结合剂之溶解被抑制。
(d)是由于加工之进行,磨料发生磨耗,不导电薄膜也被剥离之状态。
(e)是不导电薄膜变薄,导电性回复,结合剂之溶解再度开始,而露出磨粒。

由于这些作用之反复进行,使砂轮可以保持良好的锐利度。

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图(十二)使用ELID研磨法之平面磨床示意图

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图(十三)ELID研磨时之砂轮表面状态示意图

依据工研院微机电部H.Y.Lin及F.Y.Chang等人89年11月1~2日发表于第四届奈米工程暨微系统技术研讨会之论文:

The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon.

利用ELID钻石磨轮研磨直径300-400mm之硅晶圆,可获得所期望的表面粗度与平坦度(flatness)其研磨结果则视电流、电压、磨轮转速、材质、磨粒粗细、进给率及工作台转速而决定。Nachi RGS20N ELID研磨机之示意图如图(十四)所示:

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图(十四)Nachi RGS20N ELID研磨机示意图

通常磨轮之磨粒越细,则研制工件之表面粗度越好,然而磨轮表面越容易被切屑(Chip)堵塞而变成不锐利,因此必需定时停机清理削锐,如此一来就造成加工不方便及损失,因此Ohmori提供ELID研磨法,使得在研磨过程中,经常保持磨轮在锐利状态,因即可获得稳定又理想之工件表面粗度。

相片(二)(三)(四)(五)(六)为利用AFM(Atomic Force Micro Scope 电子力显微镜)、SEM(Scanning Electron Micro Scope 扫描电子显微镜)及HRTEM(High Resolution Transmission Electron Micro Scope 高分辨率穿透式电子显微镜)在不同加工参数条件下所得到之硅芯片表面状况之相片。

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相片(二)ELID研磨之硅芯片SEM(左) AFM(右)相片
(#6000 Diamond ,Wheel ,30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min)

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相片(三)ELID研磨之硅芯片HRTEM相片
(#6000 ,30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min[110])

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相片(四)ELID研磨之硅芯片AFM相片
(#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min(左),2μm/min(右))

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相片(五)ELID研磨之硅芯片HRTEM相片
(#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110])

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相片(六)ELID研磨之硅芯片HRTEM相片
(#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110])

由于磨轮进给率不同,芯片表面之状况也稍微不同,如图(十三)所示,进给率为8μm/min时,在芯片表面产生30nm(奈米)之非晶形薄层(amorphous layer)如图(十四)所示,当进给率为2μm/min时,因磨耗较大,导致磨擦生热,因此在芯片表面产生80μm之非晶形薄层,同时在基底下形成200nm之差排薄层(dislocation layer)

Reference:
(1) 机械所无师自通电解拋光技术 经济日报(88.11.28)
(2) 微细加工技术 复汉出版社
(3) 电解拋光技术 工研院机研所
(4) The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon.
H.Y.Lin and F.Y.Chang 第四届奈米工程暨微系统技术研讨会之论文集
(5) MATERIALS AND PROCESSES IN MANUFACTURING E.Paul De Garmo
(6) VLSI 制程概论 陈志芳 工业技术人才培训计划讲义(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2008-2-14)
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