CMP（化學機械研磨）是什麼？把晶圓磨平的理由與原理

生活中的例子

手機裡的晶片，並不是平平的一片電路。在稱為電晶體的小開關上方，還疊著好幾層連接它們的導線。例如Intel表示，它在2022年發表的製造技術「Intel 4」，導線疊了16層。

每疊上一層，表面就會變得凹凸不平。直接往上疊下一層的話，凹凸會愈來愈大。所以每疊一層，就要把表面磨回平坦。這個研磨的製程，就是CMP（化學機械研磨）。

CMP是Chemical Mechanical Polishing的縮寫，中文稱為化學機械研磨。有時也被當成Planarization（平坦化）的縮寫。

為什麼必須平坦？

第一個理由在於曝光，也就是轉印電路圖案的作業。曝光機用透鏡或反射鏡把電路圖案縮小，投影到晶圓表面。這時，圖案只有在某個高度的狹窄範圍內，才能清楚轉印。就像用相機拍近物時，稍微偏前或偏後的東西會變模糊。

這個能對準焦點的高度範圍，稱為焦深。能轉印愈細圖案的曝光機，這個範圍就愈窄。表面若留有凹凸，只有低處或高處會失焦，圖案就會變模糊。對焦的原理，在「EUV微影是什麼？」中也有說明。

第二個理由，是導線要一層層往上疊。要連接數十億個電晶體，必須把導線疊成好幾層。這樣的結構稱為多層金屬導線。下層的凹凸若留下來，愈往上疊，高低差就愈大。這也會造成導線斷開，或讓不該連的地方連在一起。

根據製造CMP設備的荏原製作所的說明，CMP之後表面的高低差為10～20 nm。nm（奈米）是100萬分之1 mm。晶圓本身的平坦度，請見「矽晶圓是什麼？」。

CMP的原理：往下壓著旋轉

CMP設備的核心，是一個會旋轉的大圓台。這個圓台稱為研磨平台，表面貼著研磨墊。研磨墊由樹脂製成，表面有許多細小的孔。

晶圓把要做電路的那一面朝下，裝在稱為研磨頭的零件上。研磨頭一邊把晶圓壓在研磨墊上，一邊旋轉，下方的平台也在旋轉。同時，從上方不斷倒入研磨用的液體。

倒入的液體稱為研磨液。它是在水中混入奈米大小的細微粒子，以及會和表面反應的藥品。粒子常用和玻璃成分相同的二氧化矽等材料。每一種要研磨的膜，都有改變粒子與藥品組合的專用研磨液。

研磨墊在研磨的過程中，表面會堵塞而變得光滑。因此要用附有鑽石顆粒的工具，一點一點削去研磨墊的表面，讓它恢復粗糙。這種保養稱為研磨墊修整。因為研磨墊的狀態若不一致，磨掉的速度就會改變。

「化學」讓表面變軟，「機械」把它去除

CMP名稱裡的「化學」與「機械」，是分工合作的。首先，研磨液中的藥品會和膜表面極薄的一層起反應。起反應的那一層比原本的膜柔軟，變得容易剝落。如果是金屬膜，表面會變成像是薄薄生了一層鏽的狀態。

接著，研磨液中的粒子和研磨墊，只把這層變軟的部分刮掉。於是下面露出新的表面，又和藥品起反應。這種「變軟」與「去除」以極薄的單位不停反覆，一點一點把表面磨掉。

把兩者組合起來是有原因的。只用藥品的話，凸起和凹陷的地方會同樣被溶解，無法變平。只用粒子摩擦的話，硬的膜很難磨掉，用力摩擦又會留下刮痕。兩者組合起來，即使是細微的粒子，也能一邊抑制刮痕，一邊快速磨掉。

那麼，為什麼會從凸起的地方開始磨掉呢？把晶圓壓在研磨墊上時，研磨墊會用力抵住表面的高處。壓力愈大的地方磨得愈快，所以高處會先變低。高低差縮小之後，整個表面最後就會變平。

銅導線是「填入再磨平」做出來的

CMP除了磨平之外，還有另一個重要的任務：做出銅導線的形狀。晶片導線使用的金屬，長期以來都是鋁。1997年，IBM發表了使用銅導線的晶片。因為銅比較容易導電，能減少訊號的延遲與發熱（「電阻是什麼？」）。

不過，銅很難用「先在整面鍍上膜，再用氣體削去不需要的部分」的方式做出形狀。因為銅和氣體反應後的產物不容易變成氣體，會殘留在表面。於是，人們把製作的順序反過來。

首先，在不導電的膜（絕緣膜）上挖出導線形狀的溝槽。接著，鍍上多到從溝槽溢出來的銅。最後，用CMP把溢出溝槽外的銅磨掉。這樣銅只會留在溝槽裡，形成一條一條的導線。這種做法稱為鑲嵌製程。

這個名稱來自一種工藝技法：在金屬表面刻出溝槽，再嵌入別種金屬，稱為「鑲嵌」。把銅填入溝槽之前，會先鍍上一層別種金屬的薄膜，防止銅滲到周圍（阻障金屬）。CMP時，溝槽外的這層膜也會一起去除。和鋁那樣用氣體削出形狀的方法有什麼不同，可以在「鑲嵌製程與蝕刻成形導線的差異」中比較。

實際上，常用的方法是先同時做出溝槽，以及往下層連接的垂直孔，再一次填入銅並研磨。把銅填進溝槽的電鍍步驟，以及鍍膜的方法本身，這裡就省略不談。

防止磨過頭：凹陷與停止的時機

在銅的CMP中，柔軟的銅比周圍的絕緣膜更容易被磨掉。研磨墊會稍微彎曲，所以在寬的導線上，中央的銅會像盤子一樣凹下去。這稱為碟形凹陷。導線愈寬，凹陷就愈深。

在細導線密集排列的地方，則會發生另一種情形。導線之間的絕緣膜也會和銅一起被磨掉，使整個區域比周圍更低。這稱為CMP侵蝕，導線排得愈密，侵蝕就愈大。兩者都會讓導線變薄、電流變得不容易通過，也會破壞下一層的平坦度。

因此，從設計晶片的階段就要採取對策。例如規定導線寬度的上限，或在導線較少的地方，放入電氣上不使用的「虛擬（dummy）」圖案。這樣晶片上每個地方的導線疏密程度都接近，磨掉的情形就會一致。由此可見，CMP不只關係到製造，也關係到設計規則。

另一個重點是停止的時機。磨得不夠，導線之間會仍然連在一起；磨過頭，凹陷就會增加。因此要在研磨的同時量測表面的狀態，找出目標膜露出來的時間點。這稱為終點偵測。

例如，有一種方法是對晶圓照光，從反射光色調的變化，估計膜還剩下多厚。如果是金屬膜，也有用磁性感測器，檢查金屬還剩下多少的方法。

磨完之後，馬上清洗

磨完的晶圓表面，會殘留研磨液的粒子、磨下來的碎屑和藥品。如果帶著這些東西進入下一個製程，就會造成不良。因此，CMP之後要馬上清洗。

代表性的方法，是一邊用柔軟如海綿的刷子刷洗晶圓，一邊淋上清洗液。重點是在晶圓乾掉之前清洗。因為研磨液一旦乾掉，粒子就會黏在表面上，很難去除。

研磨會產生粒子和碎屑，原本就不適合在怕灰塵的房間（無塵室）裡進行。1990年代前期，荏原製作所開發出在一台設備中完成研磨、清洗到乾燥的機台。這讓CMP設備可以放進無塵室裡。現在主要的CMP設備，也都在一台之中完成研磨、清洗與乾燥（「無塵室是什麼？」）。

CMP從哪裡來？

用含有細微粒子的液體，把玻璃或透鏡磨得像鏡子一樣，是很早以前就有的技術。矽晶圓在出貨之前，也會用粒子和藥液磨成鏡面。不過，研磨正在製作電路的晶圓，有另一種困難。因為表面混著各種材料的膜，研磨必須在固定的那一層停下來。

把這項技術實際用在半導體製程上的，是1980年代的IBM。當時，導線的層數一增加，凹凸就會變大，超出曝光的對焦範圍，這成了一道障礙。

進入1990年代後，設備廠商開始販售CMP設備，並普及到各家公司的工廠。荏原製作所在1992年交付了第一台CMP設備。1997年銅導線問世後，CMP不只用來磨平，也成為做出導線形狀不可缺少的製程。

最近，在把晶片疊起來貼合的技術中，也會用到CMP。因為貼合的表面只要有一點點不平，就會出現縫隙，無法順利連接。貼合方法的差異，可以在「混合鍵合與微凸塊的差異」中比較。

包住晶片並和基板連接的部分，稱為封裝。荏原製作所在2025年9月，加入了共同開發新一代封裝的團體。荏原表示，這是為了提升研磨大型方形面板的CMP設備技術。

是誰在製造？

CMP設備的主要廠商，是美國的應用材料（Applied Materials）和日本的荏原製作所。和其他製造設備的關係，在「半導體設備是什麼？」中介紹。

研磨液和研磨墊，則由其他的材料廠商製造。日本的廠商有Fujimi Incorporated和力森諾科（Resonac）。美國的廠商有Entegris和Qnity Electronics等。這個領域常有合併與分拆，公司名稱可能和舊資料不同。力森諾科是在2023年1月，由昭和電工與前身為日立化成的公司整合而成。Qnity在2025年11月從杜邦（DuPont）分拆出來。Entegris在2022年7月，收購了製造CMP材料的CMC Materials。

常見的誤解

從數字來看

用荏原製作所的比喻來看，就能體會CMP有多難。這相當於把山手線內側那麼大的土地，整平到高低差只有0.5 mm左右。而且表面上，硬度不同的銅和絕緣膜以細微的圖案混在一起。每疊一層，就要重新研磨一次。

進一步學習

• 在整個製程中的位置：「半導體晶片是怎麼做出來的？」、「半導體設備是什麼？」
• 用表格看差異：「鑲嵌製程與蝕刻成形導線的差異」、「銅、鈷、釕內連線的差異」（細導線用的金屬）、「STI與LOCOS的差異」（使用CMP的電晶體隔離方式）
• 用數字試試看：用微影解析度計算器，可以算出圖案轉印得愈細，能對焦的範圍（焦深）就愈窄。用導線 RC 延遲計算器，可以試試導線變薄時，訊號的延遲會如何變化。
• 從圖解來看：CMP設備的構成與鑲嵌製程流程的圖，都在圖解的一覽中。