台積電用一流人才做二流工作?專家:多虧這些高手,才能超越英特爾!

2021-02-02 14:55

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10奈米到底有多小呢?細菌大約1微米,病毒大約100奈米,換句話說,人類現在的製程技術可以製作出只有病毒1/10(10奈米)的結構,厲害吧!

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化學機械研磨(CMP)的工作原理

由於晶片內的電晶體愈來愈多,製程節點愈來愈小,晶片面積愈來愈小,要把數十億個電晶體的源極、閘極、汲極連接起來必須使用多層導線,如圖三所示的第一層金屬(M1)、第二層金屬(M2)......,而多層導線中的每一層金屬都必須先把表面磨平才能再堆疊上面一層,因此必須使用「化學機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)」來將各層金屬表面「磨平」,這個原理很簡單但是很重要,成為先進製程成敗的重要關鍵之一。

值得注意的是,圖中金屬和金屬之間並不是空心的(否則晶片掉地上金屬導線就垮掉了),而是一種低介電常數(Low K)的絕緣材料,一般是使用塑膠(聚合物),為了拍出這張電子顯微鏡照片,科學家先用化學藥品溶解塑膠所以看起來是空心的。

圖三 積體電路的多層導線示意圖。資料來源:聯華電子。
圖三 積體電路的多層導線示意圖。資料來源:聯華電子。

化學機械研磨(CMP)的原理非常簡單,大家一定都看過銅油去擦銅器(例如:銅扣、銅環等),會使銅器表面變得閃亮亮像鏡子一樣,為什麼這些銅製品擦過銅油以後表面就會閃亮亮呢?銅器用久了會與空氣中的氧反應形成銅锈,銅锈其實就是「氧化銅」,會造成銅器表面粗糙不光滑,而銅油基本上是由「粉」與「油」組成,「粉」通常是硬度較高的陶瓷(金屬氧化物)粉末,它的功能是與銅器表面磨擦而將銅器表面的銅锈刮除,但是在磨擦的過程中必須有「油」來潤滑,這種方式沒有化學反應產生,主要是利用「機械」方式來回不停反覆所造成。

在化學機械研磨(CMP)中除了機械方式,通常還會加入一些化學藥品來與矽晶圓產生化學反應,以縮短晶圓表面研磨平坦所需要的時間,這種方式結合「化學」與「機械」原理,故稱為「化學機械研磨」。研磨時所使用的原料稱為「漿料(Slurry)」,主要是由粉與水組成,「粉」是硬度較高的陶瓷粉末,它的功能是與晶圓表面磨擦而將凸出來的部分磨平;「水」通常含有化學藥品,它的功能是潤滑與侵蝕晶圓表面,將晶圓表面磨平。

化學機械研磨(CMP)的製程參數

化學機械研磨所使用的設備如圖四所示,先將矽晶圓「正面朝下」,吸附在晶圓基座的下方,同時在橡膠墊上注入「漿料(Slurry)」,漿料在矽晶圓與橡膠墊之間,由晶圓基座施加壓力向下,並且讓橡膠墊高速旋轉,使矽晶圓表面受到漿料與橡膠墊的磨擦而變平坦,這個原理夠簡單吧!別小看這台不起眼的設備,圖四那樣一台12吋晶圓先進製程所使用的化學機械研磨機大約新台幣1億元,怎麼樣,嚇到了吧!

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