CMP 是什麼？晶圓為什麼要磨平

CMP 是化學機械研磨（chemical mechanical polishing），也叫化學機械平坦化（planarization）：一邊用研磨液讓晶圓表面變軟，一邊用旋轉的研磨墊把高起來的地方磨掉，把表面磨平。晶片是一層一層疊出來的，每疊一層，表面就高低不平；不先磨平，下一層的圖案就印不清楚。所以一片晶圓在變成晶片之前，會進 CMP 好多次。

晶圓表面為什麼會高低不平？

晶片很像一棟大樓：最底下是電晶體，上面是一層一層的金屬導線。每一層的做法大致是：鋪一層材料、印上圖案、照著圖案刻掉不要的地方，再鋪下一層。

新鋪上去的膜，會照著下面的形狀長。就像在凹凸不平的桌子上鋪桌布，桌布也跟著凹凸。做金屬導線時，常先在絕緣層挖好溝，再整片鋪滿金屬，溝外面也多出一層。

不處理的話，高低差會一層一層累積上去，可以到零點幾微米。聽起來很小，對下一步來說卻已經太大了。薄膜怎麼一層一層長上去，可以讀「薄膜製程是什麼？」。

不平，為什麼下一層就印不清楚？

晶片的圖案是用黃光（微影）印上去的：曝光機用一組鏡頭，把電路圖案投到晶圓上。鏡頭有一個限制：只有在某個高度附近，圖案才清楚。

用手機拍近距離的花就知道：對準一朵花，前面和後面的東西都糊了。能同時拍清楚的那一段前後距離，叫景深；曝光機也有這樣一段範圍，叫焦深。曝光機的焦深很淺：大學講義裡舉過一個較早一代機台的例子，上下大約只有零點三五微米，比頭髮細上百倍；鏡頭越先進、能印的線越細，焦深通常越淺。

所以表面只要高低差跟焦深差不多，同一張圖印下去，就會有的地方清楚、有的地方糊。糊掉的地方，線印出來的寬度（線寬）就不準。磨平之後，整片都落在對得準焦的範圍裡。曝光怎麼印，可以讀「微影（黃光）是什麼？」。

CMP 怎麼磨？

一台 CMP 機台，主要有這幾樣東西：

• 研磨墊：貼在一個大轉盤上、比晶圓還大的墊子，多半是有很多小孔的塑膠（聚氨酯），摸起來有點像毛氈。
• 研磨頭：把晶圓翻過來、正面朝下吸住，壓在研磨墊上。
• 研磨液：水裡混著很細的顆粒和化學品，一邊磨一邊滴到墊子上。
• 修整器：表面黏著細小鑽石的圓盤，不時刮一刮研磨墊，讓它保持粗糙。

轉盤和研磨頭一起轉，晶圓就在墊子上被磨。為什麼會平？想像拿一塊包著砂紙的平木塊，去磨一塊凹凸不平的木板：先碰到砂紙的一定是凸起來的地方，所以凸的先被磨掉，凹的晚一點才碰到。CMP 也一樣，高的地方受力比較大、磨得比較快，高低差就越磨越小。一般來說，壓得越重、轉得越快，磨得越快。

為什麼要「化學」加「機械」？

只用化學液，就像整片泡藥水：高的低的一起溶下去，表面還是一樣高低不平。只用硬磨，就像拿粗砂紙用力磨：磨得平，可是容易刮傷，也可能傷到底下的材料。晶片上的線比頭髮細上千倍，經不起這種傷。

CMP 把兩種合起來。研磨液先讓最上面薄薄一層起變化，變軟、變得好磨；研磨墊和細顆粒只要輕輕帶過，就把這層磨走。有點像刷鍋子用清潔膏：清潔膏把焦掉的地方泡鬆，海綿輕輕一擦就掉，不用拿鋼刷硬刮。

磨到哪裡要停？

CMP 不是磨越多越好。很多時候是要磨到下面某一層剛露出來就停：例如金屬磨到只剩溝裡的，或磨到事先墊在下面、比較難磨的那一層。

晶圓正面朝下，機台看不到，所以要靠訊號判斷，這叫終點偵測。常見的訊號，例如這兩種：

• 馬達的力氣：表面換了一種材料，摩擦就變了，馬達要出的力也跟著變。
• 反射的光：從墊子底下的小窗打光上去，金屬和絕緣層反射回來的光不一樣。

訊號出現轉折，就是磨到了。常會再照設定多磨一小段，把零星的殘留清乾淨，這叫過磨。磨太少，金屬留在不該有的地方，相鄰的線可能連在一起；磨太多，線變薄，電阻就變高。

CMP 常見的問題有哪些？

• 碟形凹陷：寬的金屬線，磨完中間凹下去，像一個淺盤子。研磨墊不是完全硬的，在寬的地方會稍微陷下去；金屬和旁邊的絕緣層磨的速度又不一樣，中間就多磨掉一點。很多細線擠在一起的地方，也可能整塊被磨得比較低，叫侵蝕。
• 刮傷：一顆比較大的硬東西夾在晶圓和墊子之間，一拖就是一道刮痕。刮痕裡可能卡進金屬，讓不該通的地方通了，影響良率。所以研磨液的供應、研磨墊和修整器的狀況都要盯。
• 殘留的顆粒：磨完的表面沾滿研磨液的顆粒和磨下來的碎屑。留在上面的微粒，到下一層就變成缺陷。
• 越磨越慢：研磨墊用久了，表面變滑，同樣的時間磨掉的量就變少。所以會定時跑監控片，量它磨前磨後的厚度，看磨得快慢有沒有變。研磨墊和修整器都會用舊，到了就要換，這是保養的一部分。

磨完，為什麼一定要馬上洗？

CMP 磨完，表面一定是髒的：研磨液、顆粒、磨下來的碎屑都還在上面。所以磨完要馬上洗，常見的是用很軟的刷子加水刷洗，把顆粒刷掉。洗不乾淨的，就是下一層的缺陷。晶圓廠為什麼要洗那麼多次，另外寫在「晶圓清洗是什麼？為什麼要洗那麼多次」；CMP 在整條流程裡的位置，見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」。

在 fab24hr 裡

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」、左右滑到製程工程師，名字下面再點「CMP」，就是 CMP 製程工程師（目前標著 Beta）：研磨液、研磨墊和修整器的條件是你的。深夜你在家 on-call，夜班技術員打來：CMP-02 的終點偵測一直沒響，每一片都跑到時間上限才停，要先 hold，還是洗完往下走。早班，CMP-01 的監控片磨掉的量三天一路往下，墊子和修整器快到壽命：現在停兩小時換，還是先加長研磨時間。午班，上一站換了新靶材，膜變厚了，C-4105 寬的金屬線磨完中間凹下去。晚班，CMP-02 出口的刷洗模組卡住，磨完的濕晶圓不能讓它乾掉。

同一區的 CMP 設備工程師顧研磨盤、研磨頭、修整器和研磨液的供應，午班要從監控片上一道道彎的刮痕，找出研磨液哪裡出了事。研發線也有 CMP 研發製程工程師，整條線只有一台 CMP-R1。主線「晶片的一生」第 2 章「一站一站」，第 4 天在 CMP-R1 磨到氮化矽，要選一碰到就停，還是照配方再多磨一下。遊戲裡的公司、人物、機台和數字都是虛構的；CMP 是什麼、怎麼磨、會出什麼問題，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。