超聲輔助拋光墊修整器之研製｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	劉世國 Liu, Shi-Guo
論文名稱：	超聲輔助拋光墊修整器之研製 The development of a ultrasonic head for CMP pad conditioning
指導教授：	左培倫 Tso, Pei-Lum
口試委員:	盧銘詮 Lu, Ming-Chyuan 鄧建中 Deng, Jian-Zhong
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：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	86
中文關鍵詞：	化學機械拋光、鑽石修整器、修整、超聲輔助加工、平坦化、拋光墊乾淨度
外文關鍵詞：	Chemical Mechanical Polishing, Diamond disk, conditioning, Ultrasonic Assisted Machining, Planarization, cleanness of pad
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近年來，半導體製程技術發展極為迅速。半導體廠商對積體電路(Integrated Circuit, IC)元件的高積集度，微縮化以及高性能化的追求不斷提昇。「表面平坦化」的技術提昇便成為整個製程的關鍵。化學機械拋光(chemical mechanical polishing CMP))是目前半導體製程中達全域平坦化最有效的方式，而拋光墊為化學機械拋光中一項主要耗材，如能延長拋光墊的壽命，將可降低成本，提高製程穩定性。

本研究室去年執行國科會計畫成功將超聲波輔助技術應用在化學機械拋光上。今年持續與中國砂輪合作開發一種超聲輔助拋光墊修整器，並且配合特殊的給水系統與吸水系統，以使拋光墊修整時遺留的殘屑與鈍去的磨粒有效的與拋光墊分離及移除，如此對超高表面粗糙度要求的拋光工件有特殊的效果。同時修整拋光墊時所用的液體與拋光時的研漿(Slurry)也可以有所區分，甚至用水也可以。內容包括:1.超聲修整器與夾具的設計製作與架設。2.修整器給水系統與吸水系統裝設。3.超聲系統的量測實驗。4.拋光墊鈍化與修整實驗。期望能開發出對產業有幫助的化學機械拋光墊修整器。

本論文的最終結果顯示，在有加吸水蓋子的狀況下，快了4~6倍，而吸力大小得到效益比為390W:195W:0W=9.26:6.53:1，而在水量改變會影響到鐵粉的殘留的多寡，當水量太少則效益太差，但水量達某一程度以上則效益差異不大。超聲振動確實有助鐵粉的躍動，使得鐵粉更容易被水帶走或者被吸水蓋子給吸走。且振幅越大效果更加明顯。

The manufacturing process technology of semiconductor industry has been rapid improved recently. The high aspect ratio and high density of the IC device cause the higher requirement of the flatness of the SI wafer. The globe planarization has been the key technology of the whole manufacturing processes. The chemical mechanical polishing (CMP) have been wildly used in semiconductor industry for surface finishing as well as globe planarization.
The polishing pad is one of the most important consumable in the CMP process. The extending expensive pad life has been the main interest by many researchers. The technology of ultrasonic assisted machining UAM has been successfully used in many machining processes recently. In this project we develop a brand new conditioning process with a UAM dressing head. The slurry came from inside and immediately go back from outside.That we believe can save a lot of slurry, and we may even dressing pad by pure water. This project includes design and manufacturing a new dressing head and some experiments to support this idea.
As a result, that added suction-device is faster 4-6 times. The size ratios of the suction are 390W:195W:0W=9.26:6.53:1. The change of water will affect the amount of the powdered iron on the pad. The little water you add, the worse result you get. But if the water is added up to a certain extent, the speed of the powdered iron taking away by water is almost the same. Ultrasonic vibration could make powdered iron active and easier to be removed by water or suction-device. The speed-ratio of decrease of powdered iron was 6μm: 3μm: 0μm=1.3: 1.07: 1. The result is more apparent as long as the amplitude bigger.

摘要 ……………………………………………………………………II
Abstract…………………………………………………………………IV
誌謝 ……………………………………………………………………VI
章節目錄………………………………………………………………VII
圖目錄 …………………………………………………………………X
表目錄…………………………………………………………………XV
第一章  簡介……………………………………………………………1
1-1    研究背景    1
1-2    化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)    3
1-2-1    化學機械拋光作用原理    3
1-2-2    CMP製程主要影響參數    5
1-3    拋光墊之修整    6
1-3-1    拋光墊    6
1-3-2    拋光墊之修整( Pad Conditioning )    10
1-3-3    修整器    12
1-4    超聲波輔助加工(Ultrasonic Assisted Machining，UAM)    14
1-4-1    超聲波原理    15
1-4-2    壓電效應    15
1-4-3    超聲波輔助加工的應用及優點    16
第二章 研究動機與目的………………………………………………18
2-1    研究動機    18
2-2    研究目的    19
第三章 文獻回顧………………………………………………………21
第四章 實驗設備與規劃………………………………………………26
4-1    實驗設備    26
4-1-1    拋光機    26
4-1-2    超聲振動構件    26
4-1-3    給水系統與吸水系統    27
4-1-4    訊號產生器    31
4-1-5    功率放大器    31
4-1-6    換能器    32
4-1-7    電路旋轉連接器    33
4-1-8    Toshiba TVC-1060    35
4-2    量測設備    36
4-2-1    雷射都卜勒振動量測儀    36
4-2-2    光學顯微鏡    36
4-2-3    掃描式電子顯微鏡    37
4-2-4    Sony DMC-GF1數位相機    38
4-3    實驗材料    39
4-3-1    拋光墊    39
4-3-2    拋光液    40
4-3-3    修整器    40
4-4    實驗規劃    42
4-4-1    聲振動機台設計與組裝    42
4-4-2    超聲振動系統量測實驗    44
4-4-3    超聲振動模式下機制之探討    44
4-4-4    拋光墊鈍化及鐵粉標誌實驗    45
4-4-5    修整實驗    46
4-4-6    實驗方法    49
4-4-7    照片數據的取得    50
4-4-8    照片數據的量化    50
4-4-9    程式介紹與程式流程圖    51
第五章 實驗結果與分析討論…………………………………………52
5-1    超聲振動構件特性量測    52
5-1-1    功率放大器穩定性測試及增益量測    52
5-1-2    共振頻率的量測    54
5-1-3    端面振幅量測實驗    55
5-1-4    放大倍率的量測    56
5-2    超聲振動於拋光界面之機制探討    57
5-2-1    理論介紹    57
5-2-2    顯微觀測實驗    60
5-3    修整實驗    66
5-3-1    實驗結果    66
5-3-2    有超聲振動與無超聲振動之差異    72
5-3-3    超聲振動振幅大小之差異比較    73
5-3-4    有吸水蓋子與沒吸水蓋子的差異比較    75
5-3-5    吸力大小之間的差異    76
5-3-6    水量大小之間的差異    78
第六章 結論與未來展望………………………………………………80
6-1    結論    80
6-1-1    在相同修整參數下，有超聲與無超聲之間的差異    80
6-1-2    在相同修整參數下，超聲振動振幅大小的差異    81
6-1-3    在相同修整參數下，有無吸力的差異    81
6-1-4    在相同修整參數下，吸力大小的差異    81
6-1-5    在相同修整參數下，水量大小的差異    82
6-1-6    總結    82
6-2    未來展望    83
附錄 文獻參考…………………………………………………………84

圖目錄
圖1-1 化學機械拋光機台示意圖    4
圖1-2 由Rohm & Hass公司所出產IC1000拋光墊[8]    8
圖1-3 IC1000拋光墊表面SEM圖[8]    9
圖1-4 拋光墊(IC 1000)剖面圖及3D表面輪廓[9]    9
圖1-5 拋光墊原始表面形貌[10]    10
圖1-6 圖為表面堵塞鈍化形貌[10]    11
圖1-7 先進鑽石碟[11]    14
圖1-8 壓電效應[14]    16
圖1-9 降低切削力 (a)Tangential force(b)Axial force[17]    17
圖1-10 改善表面粗糙度:進給速率0.1 mm/rev[17]    17
圖1-11 改善表面粗糙度:進給速率mm/rev[17]    17

圖3-1 連續拋光時間與(a)表面粗糙度(b)材料移除率之關係圖[10]    22
圖3-2 表面粗糙與材料移除率關係[10]    22
圖3-3 不同粗糙度的拋光墊及修整次數對材料移除率的影響[17]    23

圖4-1 拋光機    26
圖4-2 超聲振動刀具組合示意圖    27
圖4-3 給水系統示意圖    28
圖4-4 給水系統實際圖    28
圖4-5 吸水系統示意圖    29
圖4-6 吸水蓋子實際圖    29
圖4-7 吸水系統與給水系統結合示意圖    30
圖4-8 吸水系統與給水系統實際圖    30
圖4-9 訊號產生器    31
圖4-10 功率放大器    32
圖4-11 壓電換能器    32
圖4-12 電路旋轉連接器    34
圖4-13 Toshiba TVC-1060吸塵器    35
圖4-14 LV-1710雷射都卜勒振動量測儀    36
圖4-15 光學顯微鏡    37
圖4-16 掃描式電子顯微鏡    38
圖4-17 Sony wx1數位相機    38
圖4-19 IC1000 實際圖    39
圖4-20 先進鑽石碟    41
圖4-21 機台架構圖    43
圖4- 22 刀具與吸水蓋子結合示意圖    43
圖4-23 顯微觀測系統架設    45
圖4-24 實驗流程圖    47
圖4-25 實驗組別圖    48
圖4-26 拋光墊記號標誌示意圖    49
圖4-27 照片圖及其量化圖    50
圖4-28 量化程式流程圖    51

圖5-1 量測方法    53
圖5-2 輸入電壓及輸出電壓之關係圖(low)    53
圖5-3 輸入電壓及輸出電壓之關係圖(high)    54
圖5-4 超聲載具之共振頻率    55
圖5-5 輸入電壓與振幅關係    56
圖5-6 功率放大器倍率圖(low)    56
圖5-7 功率放大器倍率圖(high)    57
圖5-8 先進鑽石碟修整IC1000修整10分鐘-表面纖毛[23]    58
圖5-9 修整界面示意圖    59
圖5-10 超聲振動對修整時拋光墊產生之效應示意圖    59
圖5-11 (a)~(e) 超聲振動在修整界面中之效應    61
圖5-12 拋光液在超聲振動下流動情形t=0ms；(b) t=40ms；(c) t=80ms；(d) t=120ms[24]    62
圖5-13 鈍化拋光墊之SEM圖    63
圖5-14 無超聲修整後拋光墊之表面形貌圖[23]    63
圖5-15 無超聲修整後拋光墊之表面形貌示意圖    64
圖5-16 有超聲修整後拋光墊之表面形貌圖    64
圖5-17 有超聲修整後拋光墊之表面形貌示意圖    65
圖5-18 水量500ml/min無超聲無吸水實驗結果圖    67
圖5-19 水量500ml/min有超聲無吸水實驗結果圖    67
圖5-20 水量500ml/min無超聲單吸水實驗結果圖    68
圖5-21 水量200ml/min有超聲單吸水實驗結果圖    68
圖5-22 水量500ml/min有超聲單吸水實驗結果圖    69
圖5-23 水量800ml/min有超聲單吸水實驗結果圖    69
圖5-24 水量500ml/min有超聲(3μm)單吸水實驗結果圖    70
圖5-25 水量500ml/min有超聲雙吸水實驗結果圖    70
圖5-26 水量800ml/min有超聲雙吸水實驗結果圖    71
圖5-27 無吸水狀況下，有無超聲振動差異之比較圖    72
圖5-28 有吸水狀況下，有無超聲振動差異之比較圖    73
圖5-29 單吸水狀況下，振幅大小差異之比較圖    74
圖5-30 無超聲狀況下，有無吸水差異之比較圖    75
圖5-31 有超聲狀況下，有無吸水差異之比較圖    76
圖5-32 水量500ml/min狀況下，吸力大小差異之比較圖    77
圖5-33 水量800ml/min狀況下，吸力大小差異之比較圖    78
圖5-34 水量差異之比較圖    79

表目錄
表1-1 平坦化方法之原理及其特徵[1]    2
表1-2 化學機械拋光之優點[4]    3

表4-1 換能器規格表    33
表4-2 電路旋轉連接器規格表    34
表4-3 Toshiba TVC-1060    35
表4-4 拋光墊規格表    41
表4-5 先進鑽石碟規格表    42
表4-6 振幅實驗參數設定    45
表4-7 顯微觀察實驗參數表    46
表4-8 修整實驗參數表    47

                                

[1] 土肥俊郎等箸，王建榮，林必窈，林慶福編譯，“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。
[2] 左培倫，黃志龍，“化學機械拋光技術發展趨勢”，機械工業雜誌，第206期，1996年5月，pp.131-145。
[3] 林家全，“化學機械研磨之面向上機台雙轉速研磨設計與參數最佳化”，台灣大學電機工程系碩士論文，2004年。
[4] 陳麗梅、王朝仁，“化學機械研磨技術之概論”，材料會訊，1999年。
[5] Preston, F. W., ‘‘The Theory and Design of Plate Glass Polishing Machines’’, J. Soc. Glass Technol., 1927, 11, pp.214.
[6] 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，2000年。
[7] 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。
[8] Nam-Hoon Kim, Yong-Jin Seo, Woo-Sun Lee, “Temperature effects of pad conditioning process on oxide CMP: Polishing pad, slurry characteristics, and surface reactions”, Microelectronic Engineering, 83, 2006, pp362-370.
[9] Boumyoung , Hyunseop Lee, Kihyun Park, Hyoungjae Kim, Haedo Jeong,“Pad roughness variation and its effect on material removal profile in ceria-based CMP slurry”Journal of Materials Processing Technology,2008,vol 203,no.3,pp541-546.
[10] K.H. Park , H.J. Kimb, O.M. Chang, H.D. Jeong, “Effects of pad properties on material removal in chemical mechanical polishing”Journal of Materials Processing Technology 187–188 (2007) 73–76.
[11] 宋健民，“多晶鑽石刨平器:拋光墊的精密修整及脆硬材料的延性切削”，精密製造與新興能源機械技術專輯，2006年。
[12] T. B. Thoe, D. K. Aspinwall, M. L. H. Wise, ‘‘Review on Ultrasonic Machining’’,Int. J. Mach. Tools Manufact, 1998, Vol. 38, No. 4, pp. 239-255.
[13] 張云電，“超聲加工及其應用”，國防工業出版社，1995年9月。
[14] 吳朗，“電子陶瓷-壓電”，全欣資訊圖書股份有限公司，1994年12月初版。
[15] 許坤明，“超音波熔接與旋轉熔接結合裝置”，虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系產學合作計畫，2007年。
[16] 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.
[17] H. D. Jeong, K. H. Park, K. K. Cho, “CMP Pad Break-in Time Reduction in Silicon Wafer Polishing”, Annals of the CIRP, 2007, pp357-360.
[18] 洪佩文，“化學機械拋光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年。
[19] John McGrath, Chris Davis, “Polishing Pad Surface Characterisation in Chemical Mechanical Planarisation”, Journal of Materials Processing Technologh, 2004, pp666-673.
[20] 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年。
[21] 周聖尉，“化學機械拋光中拋光墊動態及靜態特性之研究”，清華大學動力機械工程系碩士論文，2003年。
[22] 黃哲浩，“化學機械拋光中鑽石修整器修整效能之研究”，清華大學動力機械工程系碩士論文，2005年。
[23]陳沛樺，“化學機械拋光中先進鑽石碟修整石墨拋光墊之修整與拋光效能研究”，清華大學動力機械工程系碩士論文，2009年。
[24] 張耀晟，“超聲振動輔助化學機械拋光之研究”，清華大學動力機械工程系碩士論文，2010年。

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