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研究生： 黃哲浩
Zhe Hao Huang
論文名稱： 化學機械拋光中鑽石修整器修整效能之研究
A study of the diamond dresser conditioning in CMP
指導教授： 左培倫
Pei Lum Tso
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 66
中文關鍵詞： 化學機械拋光 、拋光墊 、修整 、鑽石修整器 、修整率 、表面粗糙度 、均勻度
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    • 化學機械拋光，公認是半導體製程中達到全域平坦化最有效的辦法，而拋光墊是化學機械拋光製程最主要的耗材之一。但目前並無ㄧ致公認的標準判斷拋光墊以及修整器的使用壽命，而當拋光結果不如預期時，在無法確定其問題的根源之下，基於整體利益的考量，即選擇將整套耗材(包括拋光墊與修整器)一併更換，長期下來，大幅增加了許多不必要的耗材成本。
    因此，本研究分為兩主要方向，一是歸納探討新舊拋光墊在於表面粗糙度、厚度以及摩擦係數這三種量測指標之間的差異，進而了解晶圓拋光製程中，造成晶圓表面材料移除不均勻性之主因，並針對此問題以改良修整製程為方向進行改善；另一方面，分析修整器的使用程度對於其修整效能所造成的影響，期望從中推斷修整器之使用壽命。本論文最終結果顯示，拋光墊厚度均勻度為拋光墊的狀態量測指標，而修整器表面粗糙度均勻度為修整器狀態量測指標。

    第一章、簡介 1.1 研究背景 ………………………..………………….…..……...... 1 1.2 拋光墊 …………………………………………………………... 3 1.3 拋光墊之修整 ……………………………..……………..…....... 5 第二章、研究動機與目標 2.1 研究動機 ………………………………………………………. 10 2.2 研究目標 ………………………………………………………. 14 第三章、文獻回顧 ……………………………………………………. 15 第四章、實驗設備及規劃 4.1 實驗規劃 ………………………………………………………. 20 4.2 實驗設備 ………………………………………………………. 23 4.3 實驗材料 ………………………………………………………. 27 4.4 實驗方法 ………………………………………………………. 29 第五章、實驗結果 5.1 拋光墊表面特性量測與分析 …………………………………. 33 5.2 修整製程的改良 ………………………………………………. 38 5.3 修整器使用程度對於其表面特性的影響 ……………………. 42 5.4 修整器使用程度對於其修整效能的影響 ……………………. 44 5.5 單一修整器磨耗與效能變化趨勢之關係 ……………………. 50 第六章、結果分析與討論 6.1 拋光墊特性分析 ………………………………………………. 54 6.2 由Preston equation推導拋光墊修整機制 ………………....57 6.3 修整率模式與實驗結果比較 …………………………………. 60 第七章、結論與未來展望 7.1 結論 ……………………………………………………………. 61 7.2 未來展望 ………………………………………………………. 63 附錄 參考文獻 ……………………………………………..……..…. 64 表4-1 實驗規劃細部項目 ..………………………………...….……. 21 表4-2 MED100-PH3.5L鑽石修整器之出廠規格 …………………… 28 表5-1 修整器表面粗糙度之量測數據 ……………………………... 42 圖1-1 化學機械拋光機台示意圖[18] ………………………………. 2 圖1-2 組合式拋光墊（IC 1000/SUBA 400）剖面示意圖 ………….. 4 圖1-3 左圖為拋光墊表面原始形貌；右圖是使用過後之形貌[2] …. 5 圖1-4 未修整之CMP製程[7] ………………………………………… 6 圖1-5 加入修整之CMP製程[7] ……………………………………… 6 圖1-6 鑽石修整器 ……………………………………………………. 7 圖1-7 修整器表面磨粒過高之修整結果示意圖 ……………………. 8 圖1-8 修整器表面磨粒過低或間距過小之修整結果示意圖 ………. 8 圖2-1 拋光墊壽命變動圖[8] ……………………………………….. 11 圖2-2 晶圓表面移除率分佈圖 ……………………………………... 12 圖2-3 拋光墊移除率遞減速度示意圖[15] ……………………..…. 13 圖3-1 左圖為接觸式測量結果，右圖為非接觸式測量結果[12] …. 16 圖3-2 比較定速與非定速修整的結果[14] ………………………… 17 圖4-1 CNC綜合加工機 ………………………………………..….…. 23 圖4-2 光學顯微鏡 …………………………………………..………. 24 圖4-3 3D表面輪廓量測儀 ……………………..……………………. 24 圖4-4 表面粗度計 …………………………………………………... 25 圖4-5 拉磨（拋光）機 ………………………………………………. 26 圖4-6 摩擦力量測系統 ……………………………………………... 26 圖4-7 左圖為IC 1000/SUBA 400拋光墊，右圖為MED100-PH3.5L鑽石修整器在光學顯微鏡下的形貌 …………………………………... 28 圖4-8 修整系統全貌 ……………………………………………….. 29 圖4-9 厚度量測系統 ……………………………………………….. 30 圖4-10 摩擦力量測機構 …………………………………………… 32 圖5-1 拋光墊量測取點示意圖 …………………………………….. 33 圖5-2 三種拋光墊表面粗糙度Ra量測結果 ……………………… 34 圖5-3 三種拋光墊表面粗糙度Rp量測結果 …………………….... 34 圖5-4 三種拋光墊厚度量測結果 ……………………………..……. 36圖5-5 改良修整製程前後之拋光墊各區段修整速度分佈比較圖 ... 38圖5-6 改良製程前後之拋光墊表面粗糙度比較 ……...………….... 39 圖5-7 改良製程前後之拋光墊厚度比較 …………………………... 39 圖5-8 改良修整製程後，晶圓表面移除率分佈圖 …………..……. 40 圖5-9 拋光墊厚度不均勻度與晶圓材料移除率不均勻度比較圖 ..41 圖5-10 全新修整器(左)與350min.修整器(右)在光學顯微鏡下的表面形貌 ……….…………….……….…………….…………………... 43 圖5-11 表面粗糙度Ra量測結果 …………………….………......... 44 圖5-12 表面粗糙度Rp量測結果 …. ……………………….…....... 44 圖5-13 磨擦係數量測結果 ………………………….………........... 46 圖5-14 修整率量測結果 ………………………………………….... 47 圖5-15 全新拋光墊(左)、525min.拋光墊(中)、1050min.拋光墊(右) 在未經修整前之表面形貌 …………………………………………... 48 圖5-16 全新拋光墊(左)、525min.拋光墊(中)、1050min.拋光墊(右) 經由全新修整器修整後之表面形貌 ………………………………... 48 圖5-17 全新拋光墊(左)、525min.拋光墊(中)、1050min.拋光墊(右) 經由350min.修整器修整後之表面形貌 …………………………..... 48 圖5-18 修整器表面粗糙度Ra值之標準差為14.92%(左)與18.97% (右)在光學顯微鏡下的表面形貌 …………………………………... 50 圖5-19 修整器表面粗糙度Ra值之標準差為22.12% (左)與23.51 %(右)在光學顯微鏡下的表面形貌 …………………………………. 50 圖5-20 表面粗糙度量測結果 …………………………….………… 51 圖5-21 修整器鑽石磨粒的磨耗示意圖 ………………….……….... 52 圖5-22 修整率量測結果 ………………………………….……….... 52 圖6-1 IC 1000/SUBA 400型拋光墊之機械結構示意圖 ………….… 54 圖6-2 IC 1000/SUBA 400型拋光墊之修整前後機械結構示意圖 …. 55 圖6-3 IC 1000/SUBA 400型拋光墊之修除前後壓縮量構示意圖 ... 55 圖6-4 比較孔洞型溝槽(左)與同心圓型溝槽(右)之拋光墊，在淘汰時之機械結構示意圖 ………………………………………………... 56 圖6-5 表面粗糙度Ra之說明 ………………………………….…… 59 圖6-6 修整器表面粗糙度Ra與拋光墊修整率之關係 ….……….... 60

    [1]蔡明蒔，「化學機械研磨機」，電子月刊，第四卷第九期，1998年9月，pp.114-118
    [2]陳昭亮，郭柏宏，〝研磨墊修整對氧化層CMP影響之研究〞，機械月刊，第313期，2001年8月，pp.314-327
    [3]土肥俊郎等箸，王建榮、林必窈、林慶福等編譯，「半導體平坦化CMP技術」，全華科技圖書股份有限公司，2000年6月再版
    [4]戴寶通，「化學機制研磨機制探討及消耗材的發展」，電子月刊第三卷第三期，1997年3月，pp.63~69
    [5]左培倫、何碩洋，「CMP中修整參數對拋光墊特性影響之研究」， 機械月刊，2002年8月
    [6]戴寶通，「由物理機制談化學機械研磨設備」，電子月刊第三卷第四期，1997年4月，pp.100~105
    [7]J. Sung, Y. L. Pai, 〝CMP Pad Dresser: A Diamond Grid
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    [9]D. R. Evans, M. R. Oliver, M. K. Ingram, 〝Separation of pad and slurry effects in copper CMP〞,Rodel,Inc. ,2000
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    [11]J. Sung, Y. L. Pai, 〝CMP Pad Dresser : A Diamond Grid Solution〞, Advances in Abrasive Technology Ⅲ, The Society of Grinding Engineers, 2000, pp.189-196
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    [14]B. J. Hooper, G. Byrne, S. Galligan, 〝Pad conditioning in chemical mechanical polishing〞,Department of Mechanical Engineering,University College Dublin,Accepted 5 September 2001
    [15]洪佩文，「化學機械研磨中鑽石修整器修整特性之研究」，台灣大學機械工程系碩士論文，2002.
    [16]何碩洋，「化學機械拋光中拋光墊修整參數影響之研究」，清華大學動力機械工程系碩士論文，2002.
    [17]臼井英治著，廉元國等譯，〝金屬加工力學〞，國防工業出版社， 1986年1月，pp.181-183。
    [18]邱思齊，「CVD鑽石膜表面拋光技術之研究-熱化學拋光及化學輔助機械拋光」，清華大學動力機械工程系碩士論文，2004.

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