在當今高度精密化的半導體製造領域，隨著晶片從早期的微米（µm）世代一路演進至如今的奈米（nm）等級，積體電路（IC）的複雜度與日俱增。晶片製造如同建造一棟摩天大樓，每一層微電路的堆疊都必須基於一個絕對平坦的基礎。任何微小的表面凹凸不平，都會嚴重影響後續微影曝光的對焦精準度，最終導致晶片良率下降與效能衰退。為瞭解決這個問題，「化學機械研磨」（Chemical-Mechanical Polishing, CMP）技術應運而生，成為半導體前段製程中不可或缺的平坦化關鍵技術。
本文將深入淺出地介紹CMP的完整面貌，從其核心原理、製程步驟，到關鍵的設備組件與耗材，帶您全面瞭解這項撐起現代晶片製造的支柱技術。
一、 CMP製程的核心原理：化學與機械的雙重奏
CMP這個縮寫的中文全稱為「化學機械研磨」或「化學機械平坦化」，其名稱的意思已精準揭示其運作核心——結合「化學作用」與「機械力」這兩種不同的方式來移除晶圓表面的多餘材料。這兩種力量相輔相成，缺一不可。
化學作用 (Chemical Action)
化學作用是平坦化的第一步，主要由「研磨液 (Slurry)」這種研磨劑中的化學成分負責。這些化學物質會與晶圓表面的待移除材料發生反應。例如，在研磨二氧化矽（Oxide）時，研磨液中的化學成分會與其發生水合作用，軟化其表面結構；在進行金屬的化學研磨（如銅、鎢）時，氧化劑會將金屬表面氧化，生成一層質地較軟、更容易被移除的氧化層。這個「軟化」的過程，大幅降低了後續純機械力移除材料所需的硬度與壓力，從而減少了對晶圓底層結構造成損傷的風險。
機械作用 (Mechanical Action)
當wafer表面材料被化學軟化後，機械作用便接續登場。此作用主要由三個元素協同完成：
- 研磨頭 (Polishing Head)：對晶圓施加精確控制的下壓力。
- 研磨墊 (CMP Pad)：提供一個持續摩擦的介面。
- 研磨液中的研磨粒子 (Abrasive Particles)：作為主要的磨料。
在旋轉的研磨墊與晶圓之間，研磨液中的微小硬質顆粒（如二氧化矽、氧化鈰、氧化鋁等）會像無數個微型刮刀，將晶圓正面已被化學軟化的表層材料與東西物理性地刮除。透過精準控制壓力、轉速和時間，CMP製程能將晶圓表面上的凸起處高效移除，直至達到全域性的平坦化。
二、 CMP製程的關鍵組件與耗材
一個成功的CMP製程，仰賴於多個精密組件與高品質耗材的完美配合。其中，研磨頭、研磨墊、研磨液與鑽石碟是最核心的四大關鍵因素。
| 關鍵組件/耗材 | 主要功能與影響 |
|---|---|
| 研磨頭 (Polishing Head) | 1. 固定晶圓：內部具有彈性薄膜 (Membrane)，透過氣壓或真空機制吸附並固定晶圓。 2. 施加壓力：向晶圓背面施加均勻且可控的下壓力，將晶圓壓向研磨墊。先進的研磨頭內部分為多個可獨立控制壓力的環狀區域，能根據晶圓不同的位置動態調整壓力分佈，以優化研磨的均勻性 (Uniformity)。 3. 保護晶圓：周圍的固定環 (Retainer Ring) 能確保晶圓在高速旋轉研磨時不會滑出，防止破片。 |
| 研磨墊 (CMP Pad) | 1. 傳遞機械力：作為晶圓與研磨頭之間的摩擦介面。其材質（通常為聚氨酯）、硬度、與孔隙率會直接影響研磨速率與平坦化效果。 2. 輸送研磨液：研磨墊表面刻有特殊設計的溝槽，其功用在於均勻分佈研磨液，並有效地將反應後的產物與被移除的材料碎屑帶離研磨區，避免堆積造成刮傷。 |
| 研磨液 (CMP Slurry) | 1. 化學反應核心：含有特定化學配方（如氧化劑、穩定劑、pH緩衝劑等），負責軟化待磨物。 2. 機械研磨核心：含有奈米等級的研磨粒子，此研磨劑的粒徑分佈 (Particle Size Distribution, PSD) 是品質關鍵，主粒徑大小影響研磨速率，而過大的異常粒子 (Large Particle Count, LPC) 則是造成晶圓刮傷缺陷的主要元兇。 3. 潤滑與散熱：在研磨過程中同時扮演潤滑劑與冷卻劑的角色。 |
| 鑽石碟 (CMP Conditioner/Disk) | 1. 再生研磨墊：在研磨過程中，研磨墊的溝槽會被碎屑填滿，表面也會變得平滑（稱為Glazing），導致研磨效率下降。鑽石碟的功能就是對研磨墊表面進行「修整 (Dressing)」。 2. 維持穩定性：其表面的工業鑽石顆粒會刮除墊上髒污，並重新生成粗糙的表面形貌，確保研磨墊能持續保持在最佳狀態，維持製程的穩定性與一致性。 |
三、 CMP製程的標準流程與監控
CMP不僅僅是單純的研磨，而是一套包含多個步驟與精密監控的完整流程。一般典型的CMP流程如下方教學影片所示，可分為以下步驟：
- Platen 1 (第一盤/粗磨)：此階段的目標是「快速」。晶圓剛沉積完畢，表面有大量多餘材料需要移除。此站會使用較高的壓力與轉速，以高研磨速率 (Removal Rate, RR) 快速地將大部分的贅料磨掉。
- Platen 2 (第二盤/細磨)：此階段的目標是「精準」。在粗磨後，剩餘的材料厚度已接近目標。此站會採用較溫和的條件，精確地研磨至目標薄膜層，並在接觸到下層材料時立即停止。此處的「終點偵測 (End Point Detection)」技術至關重要，通常利用監測研磨頭馬達電流的變化或光學反射率的改變來判斷。
- Platen 3 (第三盤/拋光)：此階段可視為「收尾」。主要目的是移除細磨後可能殘留的微刮傷與表面缺陷，進一步提升晶圓的鏡面化程度。通常會使用不含或含極少量研磨粒子的研磨液，搭配較軟的拋光墊進行。
- Post-CMP Clean (研磨後清洗)：這是決定最終良率的關鍵一步。研磨完成的wafer表面會殘留研磨粒子、化學物質與被移除的材料碎屑。必須使用PVA（聚乙烯醇）刷、超音波、以及特殊的化學清洗液，將這些微米甚至奈米級的污染物徹底清除，才能將「亮晶晶」的乾淨晶圓送往下一道製程。
在整個過程中，即時監控 (In-Situ Monitoring) 扮演著大腦的角色。先進的CMP設備會內建光學感測器，在研磨過程中即時量測晶圓上多個點的薄膜厚度。控制系統會根據這些回饋數據，每秒數次地調整研磨頭各區域的位置與下壓力道，以確保整片300mm晶圓的研磨均勻度（Non-Uniformity, NU%）都能控制在極小的範圍內。
四、 CMP技術的應用與主要供應商
CMP技術廣泛應用於半導體製程的各個環節，各大晶片製造商如台積電、聯電等皆高度依賴此技術，其主要應用包括：
- 淺溝槽隔離 (Shallow Trench Isolation, STI)：平坦化填充於溝槽中的絕緣材料。
- 層間介電層 (Inter-Layer Dielectric, ILD)：平坦化每層金屬佈線之間的介電質。
- 金屬鑲嵌製程 (Damascene Process)：在銅製程中，用於移除多餘的銅金屬，形成平坦的導線結構。
- 鎢栓塞 (Tungsten Plug)：平坦化用於垂直連接不同層電路的鎢金屬。
- 3D IC晶背研磨：在先進封裝中，將晶圓背面減薄至特定厚度。
全球CMP材料主要供應商
CMP材料市場技術門檻高，需要材料公司與設備商緊密合作進行研發，市場主要由美、日、韓等國大廠主導。以下為各項關鍵耗材的全球主要供應商：
| 耗材類別 | 主要供應商 |
|---|---|
| 研磨液 (CMP Slurry) | DuPont (杜邦, 美國), CMC Materials (美國), Dow Chemicals (陶氏化學, 美國), Fujimi (富士見, 日本), Fujifilm (日本), AGC (日本), SHOWA DENKO (昭和電工, 日本), Cabot Microelectronics (現為CMC), KCTech (韓國), Soulbrain (韓國), DONGJIN (韓國) |
| 研磨墊 (CMP Pad) | DuPont (杜邦, 美國), CMC Materials (美國), TWI Materials (美國), 智勝科技 (iVT, 台灣)，這些是主要的研磨墊供應商。 |
| 鑽石碟 (CMP Disk) | 3M (美國), Kinik (中國砂輪/中砂, 台灣), Asahi Diamond (日本), Saesol (韓國), SHINHAN (韓國) |
值得注意的是，雖然台灣在研磨液領域著墨較少，但在鑽石碟與研磨墊方面已有世界級的廠商，如中砂 (Kinik) 公司的鑽石碟已成為台積電先進製程的主要供應商，而智勝科技 (iVT) 也在研磨墊市場中扮演著重要角色。以上供應商名單乃根據公開資料來源彙整。
常見問題 (FAQ)
Q1: CMP的中文全稱是什麼？
A: CMP的中文全稱是「化學機械研磨」或「化學機械平坦化」。兩者在業界通用，皆指同一種製程技術。
Q2: 為什麼半導體製程極度依賴CMP技術？
A: 因為在半導體製造中，每一層電路製作完後表面都會變得凹凸不平。若不將其平坦化，下一層的微影製程會因焦距深度不足而無法精準成像，導致電路失效。CMP能提供全域性的平坦表面，是確保多層導線結構能成功製造的關鍵。
Q3: CMP製程中最關鍵的耗材有哪些？
A: 最關鍵的三大耗材被稱為「鐵三角」，分別是：研磨液 (CMP Slurry)、研磨墊 (CMP Pad) 與鑽石碟 (CMP Conditioner/Disk)。這三者之間以及它們與製程設備的匹配度，直接決定了最終的研磨表現。
Q4: CMP製程可能產生哪些主要的缺陷？
A: 主要的缺陷包括：由過大研磨粒子或碎屑造成的「刮傷 (Scratches)」；金屬線路區域被過度研磨導致的「凹陷 (Dishing)」；介電質區域被過度磨耗的「侵蝕 (Erosion)」；以及研磨後未能清洗乾淨的「粒子殘留 (Particle Contamination)」。
Q5: 一位CMP製程工程師的主要工作內容是什麼？
A: 根據業界經驗，一位CMP製程工程師這個人的核心職責是維持並優化產線的穩定性與良率。日常工作包括：監控製程參數、分析數據（如研磨速率、均勻度、缺陷數），透過調整配方 (Recipe) 或更換耗材來解決製程異常、開發新製程，並持續尋求提高產能與降低成本的方法。
總結
化學機械研磨 (CMP) 作為一項橫跨化學、材料、機械與光學領域的精密技術，早已從一項單純的「研磨」工藝，演變為驅動摩爾定律持續前進的核心技術之一。它透過化學與機械力的精妙協同，為層層疊疊的微電路世界提供了不可或缺的平坦根基。未來，隨著半導體邁向更先進的3D整合與異質架構，對平坦化的精度、缺陷的控制要求將會更加嚴苛，這也將持續推動CMP技術在設備、材料與製程監控上的創新研究與研發突破。
