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自行磨銳

刮鬍刀片是否須磨刀片??

不用，因為與外刀在刮削中可自行銳化

同理:精密加工亦可利用此原理，而保持刀具銳利。

諺語: 養老鼠咬布袋，老鼠為何要咬布袋?因其可是自行銳化其牙齒保持覓食能力。

(一)表面精模法

(二)研磨(lapping)：

研 磨的目的在於產生真正合於幾何圖形之面，修正鏡面上的不良點，增進尺寸的 精確度或者配合面的密合接觸等。研磨可用於平坦面、圓柱面、球面或特殊形狀面等的精密加工。研磨加工時，研磨器的研磨面會接觸工件的加工面，兩者作相對運 動，連續不斷地產生新的接觸面。同時在兩面之間放入混以油、油脂或水等磨料粒，以便產生摩擦作用，完成所需的研磨。有時磨料粒亦可膠結成砂輪，則此時研磨 的動作就類似垂直轉軸之無心平面磨床的磨削。

(三)超級精磨(super finishing)：

所 有切削加工以及一般研磨加工，表面上均會留有一層片狀、非結晶，或變質的 金屬，雖然利用滑動摩擦可以很容易除去，但往往會產生過度磨損，增加間隙、噪音以及潤滑上的困難。超級精磨是一種改進表面品質的加工法，除去上述不良的片 狀表層金屬，顯示出堅實的結晶金屬。此種加工法亦使用磨石。超級縮磨是最後的精磨加工過程，而非改變尺寸的研磨加工。在完成其他加工法之後，再作一次表面 的精磨加工。精磨時，工件作低速旋轉，其而速度不高，並使用輕級潤滑油，以便能帶走細小的磨屑。磨石做短程的來回運動，類似刷掃的動作，以除去工件表面的 多餘和片狀的金屬。加工時，工件置於一旋轉的圓盤上，另外使用一旋轉的杯形磨石。磨石有擺動的動作，但由於工件和磨石皆有旋轉運動，此擺動的動作，對磨粒 連續改變摩擦路徑的影響並不重要。球形面的超級精磨方法類似於平坦精磨方法，只不過所用的杯形磨石的轉軸和工件的轉軸成一角度，且沒有擺動的動作。

(四)滾筒磨光(barrel finishing or tumbling)：

滾 筒磨光是磨除零件表面之毛邊、銹皮、尖刺以及氧化物，並改進表面光度的加 工法。滾筒磨光可得均勻之表面光度，手工方式甚難達到此目的。因此廣泛地用於磨光數量較多的零件。滾筒磨光是將工件和磨光用的磨料一同置於旋轉滾筒或振動 器中，必要時，須加入適量的水或油以及有助操作的化學化合物質。當圓筒緩慢轉動，上層之工件向下滑動，磨料就在其表面產生摩擦和拋光的作用。至於振動式磨 光機的加工方式是磨料和工件同時振動，互相磨擦，並不限於上層工件方能得到磨擦作用，故加工速度頗高。

(五)鋼絲刷法(wire brushing)：

鋼絲刷法是利用旋轉中之鋼絲輪，刷除鑄件表面之刮痕、銹皮、尖角和其他表面缺點。如果材料不太硬，可選用較軟之鋼刷，鋼刷上並加適當之磨料化合物，工件於刷擦後，僅刷除少量金屬，表面呈現如鍛面般的光亮，如果需要更光之面，則需使用布輪拋光。

(六)拋光(polishing)：

拋 光是指在布輪或皮帶上塗敷磨料顆粒，以磨光表面的加工，此種方法雖然不用 於精密的金屬切除加工，但能磨去相當數量的金屬，足以消除工件表面的擦痕和其他的缺點。因而輪和布帶都具有柔曲性，可適應不規則的形狀和圓形。寬布帶常用 拋光板、片和大件金屬工件。拋光時，金屬的磨除量及表面的光度視工件材料的特性、布帶的速度、壓力和磨粒的大小而定。拋光輪由棉布、帆布、皮革、毛氈或類 似材料等的膠合或縫綴而成，備有適當的表面寬度。且時常在輪之兩側面，以金屬側板加強之。在輪子周圍面上，塗以膠水或冷黏劑，並且立即在含有磨料粒的糟中 滾過，其表面上即黏結一層磨料粒。等乾燥後，重複上項工作，加工第二層膠和磨料粒。乾燥後，輪表面就會有一層頗為堅硬的磨料。各種大小不同的氧化鋁和碳化 矽顆粒，均可作為磨料。通常在作最後拋光之前，工件需經過數種不同粒度的拋光輪，由粗而細，依次地操作。

(七)擦光(buffing)：

擦光是改進金屬表面光度，以及產生最佳光澤的最後一次加工，擦光所使用的布輪和拋光所用者相似。不過所用質料更 為柔軟，所用的磨料很細。一般常在電鍍之前先作擦光處理。

(八)擦光(burnishing)：

已 經加工的內孔，有時可用擦光法矯正其尺寸或增進其光平的程度。擦光並無切 削作用，只是擦平先前加工時，刀具所留的痕跡，產生光硬的表面，擦光操作中，可使用專作擦光的擦光拉刀，也可在正規拉刀的完成加工齒之後，加上幾個擦光套 筒，作擦光之用。擦光操作是冷加工的一種，目的是在產生光硬的表面。

　 拋光加工技術至今已有數百年的歷史，其最初的目的僅在於物體表面粗度的降 低，以求得光滑表面。而隨著磨粒尺寸的微小化，拋光技術所能達到的粗度也不斷降低。基本上，一般的拋光加工法的行為，在拋光區域內的磨粒分佈和受壓力情 況，本質上傾向於雜亂或不確定的。利用刀具推動磨粒在工件上運動而產生加工行為；其罩住時間之加工量多寡取決於磨粒之密度以及磨粗之加工能力。若欲克服拋 光磨粒分佈和承受壓力的隨機性來降低加工的不確定性，則磨粒之密度與加工能力必須適當的控制。對一般的拋光加工法，欲達到上述的兩個目的是相當困難的。而 由於其加工本質的不確定性，一般的拋光法在模具或晶圓的加工中，反而會破壞模具的形狀精度與晶圓的平面度。

　近年來拋光加工研究，主要偏重在探討如何獲得極低的表面粗度和表面完整性，例如Leistne等人以鐵氟龍 (Teflon)製成的拋光刀具在光學玻璃上的拋光，可以製造出0.08nm粗度(Rq)的加工表面。Siekman 等在脆性合金材料拋光中，探討磨粒的大小與加工表面的組度關係等以及加工機制中可能的化學效應，例如Landis以及Hoshino等人於晶圓拋光時均先以化學方式腐蝕後，再進行拋光

來避免破壞晶圓表面，雖然也有研究應用在製造平整表面的拋光，但對加工行為(加工率)和操作參數之間的關係並未做深入的研究。此外，亦有少數研究在探討新的拋光方法或策略，以下將列舉幾個與本研究相關的重要拋光方法。

＊磁性研磨法

磁性研磨法在(Magnetic Abrasive Polishing)40 年代即被人發展使用，80年代即被廣為實際運用做加工後段拋光之用，M. Fox等人利用此法對非磁性材料做過相關實驗，其加工後的表面精度約可達 8nm，但磁性研磨法僅能進行小區域修補加工，對於大型平面工件而言相當費時。

＊E.E.M(Elastic Emission Polishing)法

其使用聚合聚氨基甲酸酯(Polyurethane)球，在含有座粒的懸浮液(加工液)中，推入工件而高速旋轉，使磨粒碰撞工件產生彈性破壞之加工法 ;因單位時間內加工面積小且材料去除率低，雖可對任意三次曲面進行加工修整，並得相當良好之加工精度(0.01um)，但對大平面式之加工不易且經濟效率低。

懸浮式拋光法

拋 光加工無論如何處理，若以磨料介入拋光器與工件之間直接接 觸之機械研磨方法，均會發生由拋光器的磨耗而形成工件變化、磨粒的切削造成工件加工變質、摩擦熱造成工件與刀具變形等因素，這些因素都會影饗加工後工件之 平面度，為了改善上述機械拋光的缺點，進而發展出非接觸式的懸浮式拋光法。懸浮式拋光法(Floating Polishing)是由Soares等 人提出的懸浮式拋光法，是可以全面性拋光為目的加工法。所謂全面性拋光，乃指加工瞬間刀具對整面的工件表面進行拋光加工。該加工系統中，包括了一較工件為 大的刀具圓盤，而刀具盤內盛放著含有磨粒的磨漿，刀具圓盤的上方為一可以固定工件的浮頭。盤內的磨漿利用刀具面上具有曲率邊緣的溝槽，因液動壓效應形成壓 力梯度，使刀具與工作間存在著微小的間隙。並透過刀具與工件之相對運動，促使磨漿中的磨粒，由刀具與工件之間的間隙進入而產生加工行為。此法應用在石英(Quartz)尚可加工出0.2 nm的表面粗度(Rq)。然而該法在加工時，刀具圓盤之旋轉運動會產生離心力，使得磨粒有往刀具外圍集中的傾向 ;因此，隨著時間的加長，磨粒的分佈可能與起始狀態有明顯的不同，所以該法之加工行為是否傾向於具確定性之特質，為未知之數。

＊漸進式機械化學拋光

漸進式機械化學拋光(Progressive Mechanical and Chemical　Polishing，簡稱P-MAC) 加 工法為結合了機械與化學式於一體的加工法。該法於加工初期，令刀具與工件直接接觸，以機械接觸式的剪力來進行加工，加工量較大。加工中段，以外加之機械力 將刀具拉起，刀具與工件呈半接觸的狀態，而以機械接觸的剪力和化學作用兩者併行來進行拋光。最後階段，刀具與工件完全分離，來進行化學式的拋光加工，其加 工移除量以原子為單位非常微小。對於鋅化砷單晶片的拋光，可加工出小於2nm的表面粗度(Rq)。P-MAC加工法的優點在於加工初期可獲得較高的加工率，並於隨後之加工以更輕微的加工型態，得到無缺陷的加工表面。利用 P-MAC的策略來進行加工的化學機械拋光法 (Chemical-Mechanical Polishing)，加工時也是以機械力拉起、壓低的方式來控制薄膜厚度，以獲取低缺陷的加工表面，為該加工法若薄膜厚度控制不當，亦容易導致表

面粗度不良，同時亦有研究指出，當刀具與工件拉開來進行加工時，反而破壞了原來的工件表面。其間是否會因為薄膜厚度控制不易，使薄膜中的剪應力不夠，因此對工作表層部分結合力較大的原子無法去除，所以造成工件表面的坑洞將有其可能性存在。

＊液動壓拋光法

液動壓拋光法 (Hydrodynamic Polishing)是由 Su等的液動壓拋光法，工件與加工刀具 (球狀體)一同的浸入溶劑和磨粒(Abrasive Powder) 混合而成的磨漿(Slurry)中，刀具對工件適度的施壓並高速旋轉。旋轉的刀具加上刀具與工件間的楔形作用產生了液動壓效應，也由於刀具為軟質材料，受壓後變形，形成液動潤滑區 (即瞬間加工區) 。 由彈液動潤滑原理得知，當刀具做旋轉運動時，刀具和工作表面產生磨漿薄膜，磨粒隨著磨漿在刀具和工件間流動，而磨粒在工件表面有相對運動再加上離心力的作 用，使磨粒在工件表面產生滑動或滾動，在工件表面產生微量的加工行為。而由於刀具和工件間使用於推動磨粒運動的剪應力來自磨漿薄膜中的穩定流使得加工量穩 定，因此加工上具有確定性為超精密的加工法，若經由加工路徑的規劃則可加工出任意的形狀，其形狀精度可達 0.lum，但受限於瞬間加工區域較小，僅適合於小型精密模具的開發。而Mori與Enso等在類似的加工機構則提出在某些特定的環境與條件下，加工的進行是先透過磨粒和工件表層原子產生鍵結之後再行移除，為之彈射加工(Elastic Emission Machining)，也由於磨粒和工件的材質必須要能產生鍵結，如此才能被移除，因此使用上受限更大。

拋光加工是一項使用已久的工藝，其是以微小的磨粗切刀對加工材料去進行連續極微量之切削，其目的為去除前加工之殘留應力，降低變質層並達到良好表面粗糙度之要求。

化學機械研磨技術(Chemical Mechanical Polish Technology)就是利用一個研磨平台與配合適當的化學溶液，將晶片表面高低起伏不一的輪廓加以磨平。就整體而言，化學機械拋光(Chemical-MechanicalPolishing，簡稱CMP) ，其法為利用聚樹酯(Polyurethane)不織布等定盤面注加微粒子懸浮的加工液，上加置被

加 工物，接觸、滑動切削之加工法。加工液用易與加工物化學反映的藥品，微粒 子與加工面接觸部份的機械性摩擦、化學結合作用與化學液溶去作用複合，進行高效率的去除加工。若製程參數控制得恰當，這項技術可以達到整個晶粒的全面性平 坦化效果，對於深次微米製程技術中的平坦化技術瓶頸，提供一個最直接及有效的解決方案。

機 械化學拋光法的加工效率高於只用粒子的加工效率或只用化學液的腐蝕效率， 且加工表面幾無缺陷，且此法適合對大型平面行機械加工，且在精密輪磨加工結果中顯示由最後經加工所造成之表面硬度相當高，此時用一般拋光法產生之材料去除 效率是相當低的，若能加入化學反應軟化材質必能提高加工效率。故本文採用化學機械拋光法來探討，並且針對其加工製程參數來進行分析研究與探討，進而達到最 佳化與預測之目的。

化學機械拋光加工法之實驗設備[9]

下圖顯示一個用來進行CMP平坦化製程之設備簡圖。化學機械研磨設備與傳統研磨拋光機械是十分類似的，它走出一個用於進行晶片研磨的研磨平台 (Table或Platen)，與一個用於固定晶片和施加壓力的晶片承載器 (Carrier)所組合而成。其中晶片承載器靠真空吸住晶片背面，然後將晶片之正面即需要被平坦化的積體電路部分，置於貼有一層或多層研磨墊(Polish Pad)的研磨平台上，藉由研磨平台及晶片承載器旋轉所產生的相對運動進行機械研磨作用。

上圖 2.1所示為主研磨墊上之機構運動圖例。拋光運動中，主研磨墊平台被下方旋轉軸帶動，研磨液(S1urry)則由導管控制以200ml/sec 速度噴出，均勻散佈於主研磨墊上，成為中間介質層。而晶圓(Wafer)被固定於承載器及主研磨墊間，被施予向下的正壓力，並被承載器轉軸帶動旋轉，進行拋光加工。

＊化學機械拋光機械台

Westech Systems Mode1 372M 系列機械化學拋光機 (如圖2.3所示)為實驗工具機，用於進行矽單晶化學機械拋光加工，其可行無崩緣的高平面度加工。因為以軟質粒子剝離反應生成物，反應領域僅幾十個 A以下的微小單位脫落而進行表面加工，故加工面的機械損傷小，幾無加工缺陷發生，可滿足此實驗之表面精度規格要求。

＊表面輪廓儀(Tencor P-lO與Dektak 3st Surface profiler)

用以量測工件拋光完成後之表面粗糙度、平坦度(Flatness)及量測蝕刻凹槽之深度，藉以計算出材料去除率(MMR)值。

＊物性檢測儀器

OM光學式顯微鏡、AFM等為物性檢測儀器，用以對加工表面形狀之觀察，透過顯像瞭解其實際輪廓。

化學機械拋光加工法之實驗步驟[9]

首先編輯蝕刻機程式設計如圖2．4之田形圖樣，將其分為9處位置，以光蝕刻方法產生於矽晶圓上，其蝕刻深度均為1.5um。

為先量測正確之刻深，以便計算出材料移除率值，所以在未拋光加工前，先用Tencor P-10 之表面輪廓儀掃出表面蝕刻圖形之初始深度。其中，機械行程示意圖如下所示，並將量測值加以記錄整理。

在選取CMP製程之各項加工參數後，進行化學機械拋光加工實驗，並於各定點時間(實驗中取每一分鐘為一單位)停止CMP加工，重新至Tencor P-l0表面輪廓儀處進行量測拋光加工後剩餘之凹槽深度，並記錄比較初始深度值，以求得CMP加工之詳細進程 (與拋光時間之關係)。

在量測中，不均勻度N.U.(Non-Uniformity)之定義為：

N.U%=Dmax-Dmin*100% (2.1)

2*Davg

在本實驗中，總共加工時間定為 3分鐘，是因為此時蝕刻凹槽去除深度已達臨界值，幾乎無凹槽之存在，此時，若在進行化學機械拋光加工實驗，則以無法再量測出結果之故。

CMP 的主要特性乃是材料的移除，在化學機械拋光加工過程中，材料移除率(Material Remove Rate， MRR)之值依Preston's Equation可視為相關於拋光壓力及相對運動速度之函數，通常由Preston's的方程式[10]來描繪，如下：

dT/dt=k*N/A*dS/dt (2.2)

其中 T：為晶圓的厚度 N：為正向力

A：為面積 S：為相對移動距離

t：為時間 K：為常數

同時，上式也可表為

MRR=k*P*c IIVII (2.3)

其中，P：施加拋光壓力 V：相對運動速度

K：Preston's常數(其與化學蝕刻及材料性質有關，受研磨墊種類、溫度、研磨液種類、加工材料特性等因素影響)

若將彈性力學及流體力學的模型加以考慮進去，則上式之移除率可加以推導成[11]：

MRR=M(p，v)*P5/6*V1/2 (2.4)

其中M為P與V的函數，存在著複雜的關係需要進一步的研究。8吋晶圓上的實驗數據顯示符合上述的模型預測。

圖2.6 所示為化學機械拋光機台機械運動行程示意圖，在化學機械拋光操作過程中，我們可對單獨拋先正壓力參數加以控制，但對於相對速度而言，其卻可被分解為Platen轉速及 Carrier轉速之關係式[12]：

V=V(Wc，Wp，r，d，t)=(r2(Wc-Wp)2+d2Wp2+2drWp(Wp-Wc)cos(Wc*t-y))1/2 (2.5)

其中 Wp：Platen Pad轉速

Wc：Carrier轉速

d：從Platen Padp中心到Carrier中心之距離

r：加工點到Carrier中心之距離

x：加工點到Platen Pad中心之距離

化學機械拋光加工法缺陷之探討[13]

在化學機械拋光加工中，常見四種缺陷如圖2.7所示，包括不均勻(Non-Uniformity)、圓角(Rounding)、碟狀(Dishing)與腐蝕(Erosion)等四種。

碟狀定義為銅線中心碟形凹處最低點與SiO2最高點之間的差，如圖2.8所示。發生的原因乃是因為研磨墊允許輕微的彎曲並且移除SiO2表面下的銅。腐蝕定義為拋光前後SiO2的高度差，如圖2.8所示。腐蝕的生成乃是因為SiO2在過拋光時的拋光率不為零。

銅線遺留百分比乃是銅線厚度的改變(碟狀+腐蝕) 除以銅線厚度。銅的碟狀及SiO2腐蝕皆是不希望產生，因為他們會減少最後銅線的厚度，且銅的碟狀會造成表面不平坦致使將來增加金屬鍍層的困難。我們將探討碟狀與腐蝕受到銅線尺寸及銅線圖案密度的影響。

圖2.9顯示密度(Density)的定義，圖案密度越大代表銅線所佔有的面積越大。而在圖2.10中顯示了寬度 100um的銅線實際拋光過程碟狀(Dishing)與腐蝕(Erosion)的值。圖2.11顯示了圖案密度(Pattern Density)與碟狀量(Amount of Dishing)的關係，碟狀與線寬(Line Width)有很大的關係但與圖案密度沒什麼關係。

如圖2.12顯示腐蝕量(Amount of Erosion)與圖案密度(Pattern Density)的關係，由圖可顯示出腐蝕與圖案密度有很大的關係而與線寬(Line Width)無關。

在圖2.13中為銅線遺留量(Thickness Remaining)百分比的關係圖，遺留銅線為原始厚度減去腐蝕及碟狀，故共值與圖案密度及線寬皆有關係。而圖2.14中所示為是否有過拋光對碟狀的影饗，由圖可得知拋光可能為碟狀的重要原因之一。至於圖2.15顯示為阻障層Ti剛剛顯露出來時的表面輪廓圖。

上圖中顯示Ti造成碟狀的現象，這與我們觀念中Ti的移除率較低是相矛盾的，其可能的原因為銅的還原電位的絕對值較少，故在研漿中的銅離子易於還原析出在銅的表面而減緩了銅的移除率。Ti而只能氧化而溶解在研漿中，造成快速的碟狀情形，如圖2.16所示：

以上化學反應行為將持繽到銅周圍的Ti完全溶解剩下二氧化矽層露出，二氧化矽不易溶解將造成銅線的迅速移除而形成銅的碟狀。

Ref: http://www.me.ntou.edu.tw/~pml/newpage35.htm

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