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超音波加工 ( Ultra Sonic Machining 簡稱 USM )
東京大學生產技術研究所曾經用超音波加工，在玻璃、矽膠及陶瓷等硬脆材料上，成功鑽取了直徑5μm的微細孔穴（請參閱圖一）
首 先是用線放電研磨法(WEDG)在加工機具上形成微細的圓柱狀工具，接著讓該工具旋轉時，加工物件端會產生振幅1μm的超音波振動，最後再以次微米鑽石磨 粒控制加工作用力。因而藉由本加工方法可從事縱比2 之鑽孔加工。線放電研磨法(WEDG)是能夠製作微細工具的製作方法，它的精緻是能讓在加工機具上製作之工具自動的調整中心點，故發生偏心的機會極小。本 方法不僅能夠從事圓孔穴加工，亦可從事異形孔或三維形狀加工，應用範圍極為廣泛。
目前日本九州大學正在從事附有超音波振動小徑鑽孔加工之 切削機構，超音波振動對加工精度的影響效果，在傾斜面上孔穴加工的適用性，各種展延性材料上的適用性及直徑50μm等極小徑鑽頭適用效木進行研究，以下是 較為明確的研究成果。
- 由於有超音波振動的關係，除了因摩擦降低使切屑變薄並增加切排出速度外，更會因為鑽頭中心側及稜角側之 切屑排出速度差減少，故橫向捲繞切屑會變小，而且會形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使切屑排出更為順暢，因而不需要分級進目即可從事深孔加工。
- 因 有超音波振動，故對仰制孔穴入口處鑽頭振韻振動有相當程度的效果。因此也不易產應變圓( Strain round )藉著鑿尖鎚繫作用限制鑽頭，鑽頭笸加工物件間歇性接觸，降低鑽頭彈性變形恢復力及摩擦力，相對的也能減少徑向作用力的變動。
- 因增加 了超音波振動，在傾斜孔加工裡孔穴的應變也變小了。
- 藉由超音波振動，使用直徑60μm極小徑鑽頭從事不鏽鋼鑽孔加工變得更容易。
圖(一) 利用線放電研磨法()製作之微米刀具及在石英玻璃上加工成內徑5μm之微細孔的情形
5-2 微放電加工 ( Micro Electrical Discharge Machining, 簡稱U-EDM )
一、加工原理
放電加工以一極當作 電極工具，加一極當作被加工的工件，兩極在保持微小的間隙中產生放電行為，藉由放電所引發的熱作用（電離、熔融、蒸發）及力學作用（放電、爆發力）以達到 加工的目的。目前，廣泛被應用於複雜3D形狀之模穴加工及特定形狀之加工（如齒形、尖角形狀、小R角形狀等?），通常放電加工可概分為幾種型態，其一為單 純之孔加工，其二為仿形加工（Sinking），其三為路徑加工（Scanning）。在應用為於精微產品或精微模具加工時，所應用的微放電加工主要是微 細孔放電及路徑加工為主。
將放電加工技術導入應用於微細加工之始祖為日本東京大學生產技術研究所之增澤隆久教授，他首創 WEDG（Wire Electrical Disch-arge Grinding）之微細電極成形加工法，並以此微細電極搭配EDM機台之2.5D及3D CAD/CAM控制，使此一微細電極可經由每一切層之2D路徑加工而達到加工3D形狀模穴之目的，其原理如圖(一)、圖(二)所示。
圖(一)WEDG示意圖 圖(二)微放電加工（μ-EDM）構造
二、實用實例
（一）微細孔加工
要以微放電加工完成微細孔加工，首 先需以WEDG加工微細電極，WEDG之加工方式與車床類似，wire類似於車刃 而電極相當於工件，以wire對電極本身進行放電加工，使電極尺寸縮小，而藉著電極之迴轉，形成一圓形斷面且具極小斷面之圓形細棒形電極，再以此電極進行 微細孔放電加工，目前前此種作法可達成之最小微細孔徑φ20μm之微細孔，而其深徑比則達10:1以上。
（二）微細溝槽加工
同 樣以WEDG加工完成之微細電極當做類似銑削之銑目，可做兩種方式之溝槽加工，其一為直接以此微細電極進行路徑式放電加工，其二則為利用做成具平切面之微 細電極當做微細銑目，一面旋轉切削，一面依路徑行進，而形成類似銑削加工之方式基本上這兩種方式皆可達成微細溝槽之加工，但在實用上或量產上而言，這兩種 加工方式，都有其待克服的問題，仍待後續研發去克服。
（三）3D形狀模具加工
有了2D之溝槽加工經驗之後，其本上3D模 穴之加工就工應用層切法之方式來達成，但在實用上仍有電極消耗補償，加工效率低等問題亟待克服，此外，如何製作更小直徑電極來加工以達到更小圓角之模穴形 狀，亦是有待努力之處。最近美國Nebraska-Lincoln大學即針對3D微放電加工進行一系列研究，並提出將均勻消耗法( Uniform Wear Method )整合於CAD/CAM系統之作法，期使層切法之電極均勻消耗，並保持切削形狀之正確性。
5-3 線放電研磨加工( Wire Electrical Discharge Machining 簡稱WEDM )
要解決這種電極消耗問題 的方法之一，就是開發以行走的線來取代傳統以金屬塊做為電極的新方法。這就是線放電研磨(WEDG)
如圖(三)所示為線放電研磨的原理。 用直徑50μm~200μm的細金屬線來取代以往做為電極的金屬塊。金屬線在與紙面垂直的方向慢慢行走，被加工軸則一面回轉，一面往軸方向送入。
此 方法和線切割一樣，由於金屬線連續地被送出，形成經常以新的電極面來加工，即使電極消耗實際上是存在，對精度的影響還是很小到可以忽略的程度。
圖(三)微細電極製作法及利用放電來研磨電極的方法
如 果一開始將金屬線設定在所定的位置，軸徑也會自動地加工至所希望的值。也就是說，不必要像以往那樣經過反覆測家，以接近所希望的尺寸，現在利用此研磨技 術，已經可以加工直徑5μm電極。
WEDG之應用功能有：
（一）微放電加工（μEDM）用電極：通常採用逆放電加工法 （電極限制ψ50mm），材質大多使用鎢、超硬合金等。線放電研磨加工可容易加工ψ10mm以下之鎢或超硬合金電極。
（二）微鑽頭或微端 銑刀：微鑽頭之加工大多利用磨輪研磨製作，材質愈硬，其製作果難度愈高。線放電研磨加工可容易完成超硬合金微鑽頭或微端銑目之製作。
（三） 微沖切模具之微沖頭及母模加工，使用線放電研磨加工可容易達成，沖頭材質依其用途有工具鋼、超硬合金、燒結鑽石等。
5-4 微雷射加工( Micro Laser Machining )
一、加工原理
如圖四所示為一典型雷射加工設備示意圖，由其中床台控制 X-Y軸之位置，Z軸透鏡之升降則可控制其聚焦深度。至於其加工方式概可分為兩大類：
（一）紅外線雷射：將材料表面物質加熱汽化（蒸 發），以除去材料之加工方式，故稱為熱加工。
1. CO2雷射（波長10.6μm）
2. Nd：YAG雷射（波長1.064μm）
圖(四)微雷射加工示意圖
（二）紫外線雷 射：直接將材料之分子鍵打斷，使分子脫離本體之加工方式，不會產生高熱，故習稱為冷加工。
1. UV-YAG雷射：係將Nd：YAG雷射經非線性倍頻晶體轉換為波長532、355、266、213nm的紫外線雷射。
2. 準分子雷射( Eximer laser )
二、特性
不同之雷射加工方式，其所顯示之不同技術能力如下：
（一） 深徑比：
1. CO2雷射：0.4~0.9：1，用於盲孔。
2. UV-YAG：0.25~10：1，通孔、盲孔皆可。
（二）孔徑：
1. CO2雷 射：150~350μm
2. UV-YAG雷射：25~150μm
（三）加工精度：以圓孔為例
1. CO2雷射：150μm（誤差5μm）
2. UV-YAG雷射：25μm（誤差2μm）
（四）加 工速度：
1. CO2雷射：300孔／min
2. UV-YAG雷射：24000孔／min
（五） 適用對象：
如表（一）所示，各種不同之雷射加工方式，各有其不同之適用對象，對精微模具之3D加工而言，以ND：YAG(532nm)較 適合。
表（一）不同雷射源適用對象
雷射
工件材質
深徑比
最小橫向尺寸
結 構高度
對應產品
[μm]
[μm]
Nd:YAG(連續波)
不鏽鋼
>5
30
>150
生物晶片點片針
Nd:YAG(脈衝)
鎳鈦合金，矽
3-4
40~50
150
網套，植入物，儀器，致動器
Q-switch Nd:YAG
董青石cordierite
10
50
500
電路板鑽孔
Nd:YAG(532nm)
碳化鎢
10
50
400
模 仁
準分子雷射
聚碳酸酯polycarbonate
50
2
100
細 胞培養器鑽孔
圖(五) 雷射微加工實例
5-5 電子束加工( Electro Beam Machining, 簡稱EBM )
利用電子束來加工，除了焊接之外，還有鑽孔及表面處理 等，無論那一種都是屬於利用高電功來加速電子束的熱加工。其中，鑽孔加工為將高能量密度的電子束照射在材料上，利用當時所產生的熱將材料熔融、蒸發，並加 以排除的加工法。這種加工法和其它加工法比，是一種相當優良的高速加工，同時具有高度的控制性及斜孔加工的特徵，可望代替現有的鑽孔加工，甚至能發展出更 新的用途。
利用電子束鑕孔，由開始直至鑽透為止。如圖（六）所示，其中有幾個過程存在。同時，電子鑽孔法為了獲得漂亮的貫穿孔，在工件底 下還敷有持定的輔助材料（墊襯）。
l 大約10KW/cm的，具有高密度集中能量的電子束照射在工件上開始先將局 部熔解。
l 塞滿蒸發物的空洞愈來愈深，並在其周圍產生熔融層。
l 電子束貫穿工件，一直到達輔助材料處為止。
l 輔助材料於瞬間氣化，產生很高的蒸氣壓，將貫穿孔的蒸發物及熔融層向外部飛散出去以完成鑽孔。
為了能正確鑽出特定孔徑以及深度的孔，通將 加速電功設為一定，而調整電子束電流（脈衝電流）以及照射時間。同時，加速度依孔經以及孔深來決定其上限，而孔徑、孔深愈增加，加工速度就愈降低。
電 子束鑽孔的特徵
電子束對材料的侵透力強，並富控制性，具有焦點深度深等特性，同時利用加工操控軸移動的自動控制，工以獲得如下的優點：
l 鑽孔非常快（最14000孔／秒）
l 孔的節距正確，可以獲得相當漂亮的孔。
l 可以鑽出斜角度的孔（對工件表面而言，最低可至20度）。
l 即使是複雜形狀的孔也能鑽。
l 幾乎所有的材料都能鑽孔。
電子束鑽孔之應用
l 大型微細過濾器
l 真空滾子
l 軟燥室
l 工業用微細濾網
此外，使用微細孔濾網的離心分離機、脫水機、自動過濾器、造粒機等都是電子束的用途。以往，孔徑0.3mm以下，而且板厚 0.5mm以上的濾網是不可能加工的。現在，利用電子束鑽孔就可以做到因此，電子束還可望開發更多新的用途。
圖（六）電子束鑽孔過程
5-6 電射加工（Laser Machining）
雷射加工在國內工業界的應用上已經相當廣逤，但使用的範圍多限制在以熱加工方式的紅外線雷射 上，本文探討紫外光雷射冷加工模式的技術，如微細鑽孔。
所謂的紫外光指的是波長約分佈在150~400奈米之間的光源，目前被使用在工業 應用上的紫外光雷射主要有兩種，第一種是氣態的準分子雷射(Excimer Laser)另一種是利用Nd:YAG電射的光源經過非線性倍頻晶體轉換技術(nonlinear crystal conversion)而將紅外光波長轉換成紫外光波長。
準分子雷射是利用兩種在常態下不起反應的氣體，但在激發能會結合成不穩定分子後 迅速解離而放出紫外光，取其『excited dimer』的字面而成之為excimer雷射。一般工業上常用的種類主要包括XeC1(308nm)，KrF(248nm)，ArF(193nm)三種 波長的準分子雷射。準分子雷射是一種脈衝式的雷射，每個脈衝所能攜帶的電子束鑽孔加工成品如圖（七）所示。能量是目前所有紫外光雷射中最高的。從準分子雷 射是一種多模(Multi-mode)的雷射，一般輸出的雷射光束截面積約在數十個平方毫米，因此非常適合利用光罩做投影式的加工(Image projection system)方式。
圖（七）電子束鑽孔加工成品
Nd:YAG 本身的波長為1064奈米(nanometer)，利用倍頻技術可將頻率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的轉換，由於波長和頻率成反比，因此分別可得到 532、355、266及213奈米的雷射光波長，其中532為綠光，其餘的皆為紫外光，一般簡稱為UV YAG。UV YAG和準分子雷射光的主要別在於倍頻技術是相當低效率的能量轉換方式，因此每個脈衝的能量通常都在1mJ以下，所能攜帶的能量相當的低，但由於UV YAG 每個脈衝的時間比excimer小一個order（約4~7ns），因此還是有足夠高的尖峰脈衝功率來工作，再加上UV YAG的脈衝頻率可達到1KHZ以上，因此適合用在單點鑽孔(single hole drilling)或直接刻寫(Direct writing)的工作模式上。
紫外光在鑽孔上的應用隨著電子工業越來越要求微小化的趨 勢，因其可達10μm直徑，1μm精度的鑽孔能力而越來越受重視。以目前印刷電路板的鑽孔而言，已經有很大的比例由UV YAG的鑽孔機來取代，鑽孔速度快而精確。另外許多微小的過濾板，醫療用導管上的鑽孔等，都必須利用紫光雷射才能達到其要求。
以準分子雷 射而言，其最成功的鑽孔應用為噴墨頭上的噴墨板(inkjet nozzle plate)的噴孔鑽孔應用。噴孔的要求要在Polyimide的TAB電路板上鑽出300個50μm或更小的微孔，利用準分子雷射的光罩投影式加工可以 在12秒內完成一組噴孔片的加工，而且良率可高達98%以上。
圖（七）準分子電射在Kapton-E上所鑽出的噴墨孔
CO2雷 射加工與印刷基板
圖（八）所示為加工機的概念圖以及裝置例。由雷射振盪器來的雷射光束照射在光罩上，藉助控制鏡掃描，並利用具有F-☉特 性的轉映透鏡，使投影在印刷基板上，加工出依光罩上孔徑所規定的BVH。
鑽孔之際，工作台為靜止狀態，藉由控制鏡與f☉透鏡進行某一區域 的鑽孔。所採用的方式是鑽完該區域的孔後，再驅動工作口依序加工下一掃描區域的逐步與反覆(Step and Repear)的方式，控制掃描的高速化：現在1000孔／秒的系統已經實用化。而且，藉由全像光學系統之採用，可編用4552孔／秒的速度做定形圖樣的 超高速加工。
圖（八）短脈衝CO2雷射鑽孔加工 機概念圖
圖（九）BVH多層基板構造例
5-7 超精密加工( Ultra Precision Machining )
（一）加工原理
超精密加工主要係以超精密切削刀 具( Ultra Precision Cutting Tool, UPC )來進行切削加工，通常此類目具係以單晶鑽石製成，單晶鑽石具有高硬度、優越的熱擴散性和被切削材之低親和性，可做成非常鋒利之切刃等優可適用於鋁、銅等 非鐵金屬或非金屬之超精宓切削。至於單晶鑽石之加工方法則有研磨、超音波加工、劈切割( Cleaving)、鋸切（Sawing）、胴削（Bruting, Girdling）、放電加工及雷射加工等不同方法，其加工原理及應用領域如表（二）所示。
（二）加工設備
目前所使用的 超精密加工，主要分為工件旋轉的車床型和目具旋轉的銑削型，兩者基本上都使用氣／液靜壓軸承、線性滑軌來做為旋轉部及直線移動部之結柟。並加裝雷射干涉或 光學尺的測長器，再配合精密控制器及滾珠導螺桿或線性馬達等驅動系統，才可成為高精度加工之超精密切削加工機。當然，此類機器要達到其加工精度，必須在防 振及溫度控制等方面特別加強。加工技術領域之比較如表（二）所示。
如表（二）加工技術領域之比較
加工種類
應 用領域
微放電加工
1.WEDG：微電極、微目具、微軸、微螺桿、微探針?
2.微孔加工：微噴嘴、濾光 板、光罩?
3.Micro Milling：微模具（模穴、模仁、沖頭）。
4.微沖壓：可整合微沖壓模具與沖頭成形、微 沖壓製程於同一機台上。
5.電鍍成形：微細噴嘴等管狀微結構製作。
微雷射加工
1.微鑽孔：印刷電路板 （PCB）、濾網、冠狀動脈網套?
2.微切割：冠狀動脈網套光罩、導線架?
3.微雕刻：醫療器材標記、導線標記?
4. 微細加工：3D立體模穴、微軸?
5.微焊接：二極體
超精密加工
1.光電元件：平面透鏡、繞射鏡片、 LCD導光板與菱鏡片、光纖連接器、微光柵
2.超精密模具：鏡片射出模?
3.精密軸加工：車用傳動軸、工具機主軸
4. 微細加工：3D立體模穴、微軸?
5.脆性材料加工：磁碟基板加工、晶圓切割?
（三）高速鑽削( High Speed Milling, 簡稱HSM )
高速銑削是一項倍受矚目的潛力技術，這項技術從1990年日本理化學研究所發表每分鐘超越1000m的 切削試驗成果以來，即致力於模具生產現場的實用化而一直持續到現在。最近，使用直徑0.1mm以下之微小徑端銑刀的高速銑削被視為前途看好的加工技術，而 且已進入實用化，其切削加工面目前已經達到足以實現Ry1μm以下之高精度化的階段了。
然而，在提高切削加工之超精密化與微細化方面，還 有許多應該解決的問題點，例如具有數μm以下之振動精度的小徑端銑刀、在每分鐘超過100,000min-1之高速旋轉下具有高夾 具剛性與振動精度的夾治具系統、以及在綜合加工機方面，具有高熱位移特性與振動精度等的高速旋轉主軸、動作靈敏的高速進刀機構、以及高定位精度等都是被要 求的項目。
在應用微小切削刀具於模具部品加工方面，若CNC加工機也能夠相對地適度縮小規格的話，將有利於達成包括讓進目動作敏捷以及因 應熱影響等高速與高精度化的目標，因此日本理化學研究所已開發出桌上型高速CNC銑床，圖(十)即是理化學研究所使用直徑0.6mm之端銑目的微細形狀之 切削加工實例。這些場合所使用的切削刀具其所要求的是像超硬合金、cBN燒結體、鑽石燒結體及單結晶鑽石等目具材質，以及目具的最適化設計。
圖(十) 小徑端銑刀之微細形狀加工例
（四） 微型工廠( Micro Factory )
讓機械微型化則是近年來全球努力的方向。為了因應環境的變化，使得微型工廠( Micro factory )和狹小部的點檢機械手臂等機械的微型化的需求由此而生，不只是這種新的需求，傳統的精密機器部品也開始訴求更高精度及更低成本的新製造法。
日 本通產省工業技術院機械技術研究院目前開發出的微車床32mm、深25mm、高30.5mm的製品，如圖(十一)所示。重量約100g，主軸驅動用馬達的 額定功率為1.5W，比起平常用的車床，尺寸約為1/50，重量在1/50000以下，額定功率在1/500以下。
它是由主軸驅動元件、 X-Y移動元件、刀架等3個元件組成。主軸驅動元件則是早個內徑4mm的滾動軸承所支撐主軸和DC微型馬達組入穀內後，所形成的構造。加工部品是利用和主 軸一起的夾具來夾持，刀具位置是固定的，加工時只需移動加工部品即可。
切削加工實例如圖(十二)所示，右側的黃銅棒其先端直徑為 100μm。左側黃銅棒的切削面表面粗度約1.5μm、圓度2.5μm，和普通的車床比較之下，大致都可以得同等的加工精度。相對於普通車床的主軸驅動用 馬達，其額定功率為1~3KW，本微型車床可以達到1.5W，可以節省很多的能源，而這也是它的優點之一。
圖（十一） 微車床之外觀
圖 （十二） 微車床之切削加工實例
四、微型工廠（Micro Factory）（MEL、FANUC集團及其他）
在「小東 西讓小機械製作」的概念下，通產省的產技策劃（產業科學技術研究開發制度）相關部門已著手研究「微型工廠（Micro Factory）」等開發技術，也就是讓小型部品或設計，藉由小型生產系統來製作。以現在的生產系統而立，不管尺寸多小的產品，原則上還是由非常大的機械 在生產。例如手義、相機等小型精密機器都是由毫米級的部品所構成，可是這些產品卻是由公尺級的工作機械製造，生產線的長度竟也長達數十公尺。如果小型產品 可以用跟它差不多大尺寸的小型生產系統來製造，不但可以省下很多的能源、空間、資源、設備投資等，而且對於產品種類的變化也有對應的彈性，而這些都是小型 生產系統的優點。根據估算，如果將生產機械尺寸縮小為1/100左右。假設在保養品或化妝品店裡設置微型化學工廠，就可以立即製作客石所需要的化妝品和醫 藥品，由此可知微型工廠具有很大的彈性，而這也是一般工廠所沒有的。
圖(十三)為桌上型微型工廠的概念圖。它是由三個元件所柟成：以放電 或雷射光來進行微細部品加工，簡單組立的「加工組立平台」；在系統外則有供給加工部品的「部品供給平台」；以及組立這些部品的精密組立平台，而這些平台皆 由外部電腦所控制，系統大小大約是可以擺在桌上的尺寸。
日本工業技術院機械技術研究所已有試作過這樣的系統，尺寸為 50cm?/span>70cm的桌面，幾英吋的車床、銑床、沖壓機、搬送手臂、組立裝置等所配置的系統。此外，FANUC、SEIKO Instruments Inc.等機械公司和7家電機公司也共同開發出微型工廠。在長約86cm、寬約1m的桌面，使用7個機械手臂（Robot Arm）等超小型機械，製作直徑約1cm的小型齒輪箱（Gear Box）。圖(十四)是機械技術研院所提供的微型工廠照片。
圖 （十三） 桌上型微型工廠概念圖
圖（十四） 所提供的微型工廠照片
結語
生產機械和動 力機械的微小化是為了達到省能源、省資源、省空間等。很多微細機械雖然都有被試作過，但幾乎都還不能實現實用化，只到用單體的機械來確認動作的階段。雖然 要達到實用化將有更多的問題有待解決，而如何使其運用在實際的系統上，是今後待解決的課題。
在微細機械方面，有尺寸效應等特殊問題，為了 能克服這樣的問題，有效發展微細機械，微型物理學和微型摩擦學等的基礎研究就極為重要。而這些研究仍為起步階段，無法充分闡釋微觀世界的現象。我們期待今 後的研究能有更進一步的發展，讓成果反映在微細機械的設計製作上，也期待能在不久的未來實現微細機械的實用化。
5-8 電解拋光（Electrolytic Polishing）
所謂電解拋光，即是將工件放置陽極，於電解液中通電，在適當操作參數下，使工 件發生電解反應（亦稱反電鍍），工件表面而因電場集中效應而產生溶解作用，因而可達成工件表面平坦與光澤化之加工技術。電解拋光機制示意圖如圖（十五）所 示：
圖（十五）電解拋光機制示意圖
電解拋光技 術於1931年，由D.A.Jacquet發明採行。「電解拋光」技術可廣泛運用在半導體製程設備、化工、航太以及其他高精密等表面處理加工。
電 解拋光應用範圍：
(1) 可處理銅、黃銅、鉛、鎳、鈷、鋅、鍚、鋁、不銹鋼、鐵、鎢等材料。
(2) 電解拋光技術廣泛應用於半導體/LCD等級閥件、管配件、接頭、IGS之表面處理。
(3) 電解拋光可達鏡面級光澤，拋光後產品表面可達Ra=0.2~0.5μm。
(4) 不銹鋼電解拋光表面可生成鈍化層，有效提昇抗腐蝕能力。
電解拋光成品如相片（一）所示：
相片（一）電解拋光成品
工研院機研所，兩 年來，在沒有技術引進情況下，自行設計、開發夾治具、電解液和設立實驗室，摸索出世界最新穎的表面處理「電解拋光」關鍵技術。機械所目前已建立電解拋光實 驗室，擁有內外孔電解拋光設備，除開發閥件內孔電解拋光技術外，更將觸角延伸至管件內孔電解拋光高級技術發展，期能建立我國紮實的電解拋光加工能力。
近 年，國內半導體製造業蓬勃發展，但半導體製程設備工業卻遠遠落後，詳究其原因，主要在於國內缺半導體製程設備所需的精密表面加工技術。電解拋光應用於半導 體製程設備中的控制閥內流道、廠務配管流道、反應腔壁表面之處，凡與製程氣體接觸之處理都需要電解拋光加工處理，應用範圍多且廣。將電解拋光應用於半導體 製程設備的目的有三，一為可生成抗蝕鈍化層，二為可產生高度潔淨表面，三為可鏡面拋光降低粗糙度。為建立電解拋光操作參數，機械所是從電流密度、電壓、通 電時間、溫度、流速、電解液配方、比例、添加劑等，來了解其對鈍化抗蝕性的影響，並委託清華大學進行電解拋光試片抗蝕性研究，已實驗完成且有不錯的成果。 機械所在電解拋光高度潔淨表面研究方面，則從製程和步驟著手，包括前處理溶液清洗、鹼洗除油、酸洗除銹、電解液潔淨和控制、後處理化學清洗，以及在無塵室 進行超化學液配方、溫度、操作時間、角度等研究。
電解拋光效益（創造產值）：
(1) 為一具備機械、電控、熱流、材料化工高度整合性技術。
(2) 1999年時國內半導體業者需求與EP有關之閥件、管配件等零組件消耗品總金額為67.5億，其中EP技術產生價值約佔22%，總值約為15億。
5-9 化學機械拋光（Chemical Mechamical Polishing，簡稱CMP）
CMP機器之構造圖及製程示意圖如圖（十 六）及圖（十七）所示：
圖（十六）CMP機器構造簡圖
圖（十七）CMP製程示意圖
CMP是將工 件壓在旋轉之彈性襯墊（研磨墊）上，利用相對運動加工之拋光技術。將具有腐蝕性之加工液供給到工件上，當工件進行腐蝕加工（化學性）時，同時供給超微磨粒 （直徑100奈米以下）拋光（機械性）材料，對工件之凸部進行選擇性的拋光操作，故稱機（械）化學拋光或化學機械拋光。
在LSI往微細、 高積體化發展之同時，形成於矽表面之裝置構造也有多層化，其表面凹凸變大之傾向。為了實現多層化裝置之配線的高信賴性、高成功率，在裝置製造之過程中，每 一層表面之凹凸必須很平坦化（Planarization）。
平坦化過程之概念圖，如圖（十八）所示：
在矽晶片上所形成 內部配線之突出氧化膜部分，利用包含超磨粒拋光材之拋光襯墊進行拋光加工後，便會逐漸平坦。
圖（十八）平坦化過程之概念圖
化學機械研 磨（CMP）技術因其擁有全面平坦化（Global Planarization）的優勢，因此在近年來成為各大IC相關產業競相研發之技術。
傳 統的平坦化技術以Spin On Glass（SOG）和Resist Etchback（REB）技術為主但在0.25μm以下IC製程SOG及REB技術並無法達到全面平坦化（Global Planarization）的目標，因此極需尋找新平坦化技術，化學機械研磨技術經由IBM及Intel等公司積極研發，在近年來已成為全面平坦化的新 興技術。它不僅可以達成全面平坦化的目標，同時可增加元件設計的多樣性，如可將銅及鎢納入新元件設計中且可減少缺陷。圖（十九）乃各IC平坦化技術之比 較，由此圖可看出CMP在全面平坦化技術的優勢。
圖（十九）平坦化技術
圖（十五）說明積體電路不同製程的平坦化能力。以 積體電路產品16M（百萬）DRAM的晶方邊長在拾厘米以上，因此理想的平坦化距離也需要拾厘米以上長度，在製程上最早應用的硼磷玻璃回填（BPSG Reflow）平坦化技術，除了高溫限制在金屬化前的使用外，平坦化距離僅能適合數微米長。旋塗玻璃(Spin on Glass)是二層金屬連線製程最常使用的平坦化技術，其平坦化距離僅及10微米長。以沈積／蝕刻交替及電子迴旋電漿（ECR）沈積薄膜非常適合深次微米 製程中的填隙，如搭配化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing）則可完全應用在多層連線的製造，以阻劑填平後蝕刻（Resist Etch Back）的平坦化技術，因沒有塗佈玻璃材質的吸水性及有機物揮發等問題，故為美、日的主要積體電路製造商在高可靠度產品應用的平坦化技術。由於阻劑填平 的平坦化間距僅及百微米範圍，及綜合圖(十九)的比較，化學機械研磨就成為全面平坦化的最佳選擇。
0.25μm以下製程不可或缺之平坦化 設備，化學機械研磨機在中科院主導及相關業者之協又合作F商品化研磨機已進入市場。以 二氧化矽為主要成分的絕緣介質在CMP所使用的研磨劑目前Cabot公司所製造之研磨液系列產品為多數廠商所接受。Cabot公司能佔有研磨液，大部份市 場乃因其能自行製造之高純度且穩定性佳Sio2粉末。同時Cabot公司擁有研磨液所需發展之技術即研磨粉末製造技術，研磨粉末分 散技術及研磨液配方投術。
研磨液乃是用來研磨二氧化矽介電層，BPSG介電層、淺溝隔絕層（Shallow Trench Isolation）及Polysillicon薄膜層之研磨液。研磨液一般包含下列組成SiO2研磨粉末（平均粒徑根據不同配方 約在100nm左右），固含量約10~30%，PH值約在9.0~11.0（由KOH或NH4OH調整），以及去離子水約70%。
以介電薄膜研磨所使用之SiO2研磨液為例，在PH值固定時，當研磨液的SiO2研磨粉末 之含量或粒徑大小增加時，其研磨速率亦相對增加，如圖（二十）所示，然而若其增加比例過高，亦會刮傷薄膜表面。當PH值增加時，研磨速率亦會隨之增加，然 而額外之化學反應亦會提高，因而降低研磨薄膜之平坦度。
圖（二十）介電膜研磨速率與SiO2研 磨劑組成之關係
而CMP技術所使用之研磨墊－PU Pad，大體來說有兩種功能，一是研磨墊之孔隙度可協助研磨液於研磨過程輸送到不同區域，另一種功能乃是協助將晶片表面之研磨產物移去。研磨墊之機械性質 會影響到薄膜表面之平坦度及均勻度，因此控制其結構及機械性質是十分重要的。
研磨墊則是研磨劑外的另一個重要消耗材，由於積體電路製程的 目的是平坦化，異於傳統光學玻璃與矽晶圓的拋光作用。圖（十八）平坦化過程的示意圖，平坦化的作用即要將晶圓表面輪廓凸出部份削平，達到全面平坦化。理想 的研磨墊是觸及凸出面而不觸及凹面，達到迅速平坦化的效果。就研磨墊的應用言，其材料的化性需求較為單純，一般僅具備耐酸鹼，持久穩定即可。但在物性條件 則相當複雜。Rodel 的研磨墊Suba系列產品為美國Sematech等所評定，適合CMP製程應用。此Suba系列的材質為Polyurethane Impregnated Polyster Felts。上述的PU材料，具多孔性及一定的硬度。如圖（二十一）所示，研磨墊的壓縮性差異，形成不同的垂直與水平變形，軟性的研磨墊，因變形而容易觸 及凹面，形成平坦度較差的現象。Rodel另一系列的IC(品名)產品，具較低壓縮性，較高硬度的研磨墊，可以有效提昇平坦度的效果，但其均勻度的控制則 變差了。使用IC 1000/Suba IV的組合墊則兼顧了平坦度與均勻度的效果，也就成為今日對氧化矽薄膜在CMP製程的主要研磨墊。穩定的製程除了選擇適當的研磨墊外，適當的保養則是必要 的過程。在研磨過程中，研磨墊表面材質也會耗損，變形。另外表面堆積的反應物也需妥當的排除。因此在使用中，如無適當的處理，研磨墊表面將呈現快速老化， 造成蝕刻率衰退等現象。為了解決研磨墊的老化問題，現代的CMP機台都具備『研磨墊整理器』，具備與研磨過程同步整理或定時整理的功能。
化 學機械研磨製程控制
RR=Kp．P．V
其中RR為蝕刻率，P為晶圓上的施加壓力，而V 為相對線性速率。Kp則稱為Preston常數，此簡單的Preston方程式說明蝕刻率與壓力、線性速度成正比關係外，其他物性、化性及機械參數及特性 都隱藏在Preston常數內。在良好的機台參數控制下，一般氧化層膜的製程控制範圍都可適用Preston方程式。典型的例子如圖十所示。由圖上可以看 出氧化矽膜的蝕刻率與施加壓力呈正比的線性關係，另外在不同設定的轉速下亦都呈現正比的線性關係，其斜率則隨著轉速而增加。圖（二十二）即在固定的施壓 下，蝕刻率與平台轉速的關係。一般實驗結果可以得到線性但非正比關係。
圖（二十一）熱氧化矽薄膜的CMP蝕刻率與壓力關係圖
圖（二十二）熱氧化矽的CMP蝕刻率與磨盤轉速的關係圖
5-10 製程中電解削銳(Electrolytic In-Process Dressing，簡稱ELID研磨)
電子零件等功能材料之進步是 有目共睹的，但對於各種素材零件之加工精度要求則是愈來愈嚴格。其加工技巧之磨料加工技術的研磨、拋光方面，對於高效率、高精度、高品位、超精密、自動化 等之期望也很高，滿足其要求的加工技術之一為ELID研磨法。
ELID研磨法為金屬結合砂輪的削銳方法之一，利用電氣化學作用所產生之電解溶出現象，在研磨加工中也可以連續地進行削銳，以保持穩定的銳利度。
圖 （二十三）所示為平面磨床使用ELID研磨法時之示意圖。電解削銳是對與研磨加工無關之砂輪部份，在砂輪和電極之間產生電氣化學反應而進行的。
圖 （二十四）所示為ELID研磨時之砂輪表面狀態的示意圖。
(a) 為砂輪剛削正後之狀態。
(b) 為在研磨加工之前僅實施削銳操作，利用電解方式，使砂輪之結合劑溶解的狀態。
(c) 為隨著電解之進行，不導電薄膜產生，結合劑之溶解被抑制。
(d) 是由於加工之進行，磨料發生磨耗，不導電薄膜也被剝離之狀態。
(e) 是不導電薄膜變薄，導電性回復，結合劑之溶解再度開始，而露出磨粒。
由於這些作用之反覆進行，使砂輪可以保持良好的銳利度。
圖（二十三）使用ELID研磨法之平面磨床示意圖
圖（二十四）ELID研磨時之砂輪表面狀態示意圖
依據工研院微機電部H.Y.Lin及F.Y.Chang等人89年11 月1~2日發表於第四屆奈米工程暨微系統技術研討會之論文：
The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon.
利 用ELID鑽石磨輪研磨直徑300-400mm之矽晶圓，可獲得所期望的表面粗度與平坦度(flatness)其研磨結果則視電流、電壓、磨輪轉速、材 質、磨粒粗細、進給率及工作台轉速而決定。Nachi RGS20N ELID研磨機之示意圖如圖（二十五）所示：
圖 （二十五）Nachi RGS20N ELID研磨機示意圖
通常磨輪之磨粒越細，則研製工件之表面粗度越好，然而磨輪表面越容易被切屑 (Chip)堵塞而變成不銳利，因此必需定時停機清理削銳，如此一來就造成加工不方便及損失，因此Ohmori提供ELID研磨法，使得在研磨過程中，經 常保持磨輪在銳利狀態，因即可獲得穩定又理想之工件表面粗度。
相片（二）（三）（四）（五）（六）為利用AFM(Atomic Force Micro Scope 電子力顯微鏡)、SEM(Scanning Electron Micro Scope 掃描電子顯微鏡)及HRTEM(High Resolution Transmission Electron Micro Scope 高解析度穿透式電子顯微鏡)在不同加工參數條件下所得到之矽晶片表面狀況之相片。
相片（二）ELID研磨之矽晶片 SEM（左） AFM（右）相片
（#6000 Diamond ,Wheel ，30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min）
相片（三）ELID研磨之矽晶片 HRTEM相片
（#6000 ,30V, 20A,2000/400rpm,2μm/min[110]）
相片（四）ELID研磨之矽晶片 AFM相片
（#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min（左）,2μm/min（右））
相片（五）ELID研磨之矽晶片 HRTEM相片
（#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110]）
相片（六）ELID研磨之矽晶片 HRTEM相片
（#6000 ,60V, 10A,3000/100rpm,8μm/min[110]）
由於磨輪進給率不同，晶片表面之狀況也稍微不同，如圖（十 三）所示，進給率為8μm/min時，在晶片表面產生10-30nm（奈米）之非晶形薄層(amorphous layer)如圖（十四）所示，當進給率為2μm/min時，因磨耗較大，導致磨擦生熱，因此在晶片表面產生80μm之非晶形薄層，同時在基底下形成 200nm之差排薄層(dislocation layer)
Reference：
(1) 機械所無師自通電解拋光技術 經濟日報(88.11.28)
(2) 微細加工技術 復漢出版社
(3) 電解拋光技術 工研院機研所
(4) The Surface Morphology and Sub-surface Characteristics of ELID-Ground Single Crystal Silicon.
H.Y.Lin and F.Y.Chang 第四屆奈米工程暨微系統技術研討會之論文集
(5) MATERIALS AND PROCESSES IN MANUFACTURING E.Paul De Garmo
(6) VLSI 製程概論 陳志芳 工業技術人才培訓計劃講義
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