固定磨粒拋光墊修整技術之研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	邱丞偉 Cheng-Wei Chiu
論文名稱：	固定磨粒拋光墊修整技術之研究 A Study of The Fixed Abrasive Pad Conditioning
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：	2003
畢業學年度：	91
語文別：	中文
論文頁數：	81
中文關鍵詞：	固定磨粒、拋光墊、修整、鑽石修整器
外文關鍵詞：	fixed abrasive, pad, dress, diamond dresser
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化學機械拋光，是目前半導體製程中達全域平坦化最有效的方式，同時也是許多製程中不可缺少的步驟。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。
又使用固定磨粒為近年拋光墊的趨勢，故本論文主要目的即在研究固定磨粒拋光墊之修整技術，藉以延長其壽命。使用鍍上0.3μm厚的奈米鑽石圓形試片作為修整器，對固定磨粒拋光墊進行修整。發現利用奈米鑽石修整器可對固定磨粒拋光墊進行修整。最後，藉由經驗公式的導入與實驗結果相互對照，證實修整器表面粗度值與修整率成線性增加的關係。

Chemical mechanical polishing (CMP) is the most effective method to achieve global planarization in semiconductor industry. The polishing pad is one of the primary consumables in CMP. Extending the life of polishing pad can reduce cost of consumables and improve process stability.
The purpose of this thesis is to study the method of dressing a fixed abrasive pad to prolong its life. The fixed abrasive pad is dressed by a round slice that is coated diamond-like carbon about 0.3μm. We have found that using the nano-diamond dresser can dress the fixed abrasive pad. Compared the formula with the result of experiment, we can verify the dressing rate is linearly increasing with the variation of the surface roughness of dresser.

目錄
摘要 ……………………………………………………………….…...Ⅰ

誌謝 ………………………………………………………………….. Ⅲ

目錄 ………………………………………………………………….. Ⅳ

圖表目錄 …………………………………………………………….. Ⅶ

第一章、簡介

1.1  化學機械拋光 ……………………………………….………...... 1

1.2  拋光墊 …………………………………………………………... 6

1.3  游離磨粒拋光 ………………………………………………....... 7

1.4  固定磨粒拋光 …………………………………………………... 9

1.5  研究動機 ………………………………………………............. 11

1.6  問題描述 ………………………………………………............. 11

1.7  文獻回顧

1.7.1  固定磨粒拋光墊 ………………………….……………. 12

1.7.2  拋光墊特性 ……………………………….……………. 18

1.7.3  拋光墊的修整 …………………………….……………. 19

1.7.4  鑽石修整器 ……………………………….……………. 20

第二章、實驗設備與規劃

2.1  實驗規劃 ………………………………………………………. 22

2.2  實驗設備 ………………………………………………………. 23

2.3  實驗材料 ………………………………………………………. 28

2.4  修整器的製作 …………………………………………………. 31

2.5  實驗方法

2.5.1  拋光墊使用試驗 ……………………………………….. 34

2.5.2  修整實驗基本架構 …………………………………….. 35

2.5.3  修整器表面粗度量測 …………………………….……. 36

2.5.4  修整實驗結果量測 ………………………………….…. 37

2.5.5  修整率計算 ………………………………………….…. 40

第三章、修整器的製作

3.1  拉磨 ……………………………………………………………. 42

3.2  化學機械拋光（CMP）…………………………………………. 45

3.3  表面粗化 ………………………………………………………. 47

3.4  鍍DLC膜 ………………………………………………………. 48

第四章、修整實驗結果與討論

4.1  拋光墊使用試驗 ………………………………………………. 50

4.2  修整實驗結果 …………………………………………………. 54

4.3  修整率的分析 …………………………………………………. 57

4.4  修整器表面粗度與修整率的關係

4.4.1  磨粒層結構 ……..…………………………………….... 59

 4.4.2  鑽石突起與修整率的關係 ……..……………………… 61

4.4.3  表面粗糙度與修整率的關係 ……..…………………… 63

4.5  實驗結果分析 …………………………………………………. 64

第五章、結論與未來展望

5.1  結論 ……………………………………………………………. 66

5.2  未來展望 ………………………………………………………. 67

參考資料 ……………………………………………………..………. 68

圖表目錄

表1-1  High-performance Logic Technology Requirements (Near-term) ………………...……………………………...….………. 1

表1-2  CMP的影響變因 ……………………………………...………. 3

表1-3  實驗參數與結果 …………………………………….……… 13

表1-4  拋光後不同缺陷所佔密度的比例 …………………………. 16

表2-1  所使用的掃瞄式電子顯微鏡相關資料 ……………………. 26

表2-2  粗磨機的加工參數 ……………………………….……….... 32

表2-3  磨耗實驗參數 …………………………………….……….... 34

表2-4  修整實驗參數 …………………………………….…...……. 35

表2-5  修整實驗參數 …………………………………….…...……. 36

表2-6  修整實驗參數 …………………………………….……...…. 36

表3-1  粗磨使用參數表 …………………………………….…...…. 47

表4-1  各觀測點修整前後的突起處高度 …………………………. 54

表4-2  各觀測點修整前後的突起處高度 …………………………. 55

表4-3  各觀測點修整前後的突起處高度 …………………………. 56

表4-4  砂輪與磨粒層組成比較表 …………………………………. 59

圖1-1  化學機械拋光機 ……………………………………………... 2

圖1-2  游離磨粒拋光墊受力示意圖 ………………………………... 7

圖1-3  放大的拋光墊表面示意圖 …………………………………... 7

圖1-4  拋光示意圖 …………………………………………………... 9

圖1-5  3M所生產磨粒層的SEM ……………………………………. 12

圖1-6  不同材質拋光後示意圖 ……………………………………. 12

圖1-7  實驗用試片規格 ……………………………………………. 13

圖1-8  使用固定磨粒拋光墊(a)與一般拋光墊(b)對不同凹凸比例表面的移除速度關係比較圖 ……………………………..……………. 14

圖1-9  使用固定磨粒拋光墊(a)與一般拋光墊(b)拋光後的SEM與表面輪廓圖 ……………………………………………………………... 14

圖1-10  磨粒拋光墊自銳的原理 …………..………………………. 17

圖1-11  可自銳的固定磨粒拋光墊 ……………………………..…. 18

圖1-12 高壓水刀修整示意圖 ………………………………………. 19

圖1-13  亂數分佈的鑽石修整器 …………..………………………. 20

圖1-14  中國砂輪公司生產的鑽石陣列修整器 ……………..……. 20

圖1-15  鑽石分佈間距的影響 …………………………..…………. 21

圖1-16  鑽石顆粒大小的影響 ………………..……………………. 21

圖2-1  拋光（拉磨）機 ……………………………………………. 23

圖2-2  粗磨機 ………………………………………………………. 24

圖2-3  物理氣相沈積機（PVD）機 …………………………………. 25

圖2-4  WYKO表面輪廓量測儀 …………………...…………………. 26

圖2-5  掃瞄式電子顯微鏡（SEM）……………………………………. 27

圖2-6  3M公司所生產的固定磨粒拋光墊 ………………………… 28

圖2-7  固定磨粒拋光墊的結構圖 …………………………………. 28

圖2-8  磨粒層的尺寸圖 ……………………………………………. 29

圖2-9  磨粒層組成示意圖 …………………………………………. 29

圖2-10  鑽石脫離 …………………………………………………... 30

圖2-11  修整器示意圖 ………………………………………..……. 30

圖2-12  修整器製作流程圖 …………………………………..……. 31

圖2-13  PVD機台示意圖 ………………………………………….... 33

圖2-14  PVD流程圖 ……………………………………………….... 33

圖2-15  行星式拋光機 ……………………………………………... 34

圖2-16  修整實驗示意圖 ……………………………………..……. 35

圖2-17  拋光墊量測點示意圖 ……………………………….…..… 37

圖2-18  使用前拋光墊的2D表面輪廓圖 …………….……............ 38

圖2-19  使用前拋光墊的2D表面輪廓圖 …………….………......... 38

圖2-20  等高點像素散佈統計圖 …………….…………….…......... 39

圖2-21  修整前後磨粒層高度變化圖 ………….……….................. 39

圖2-22  修整率示意圖 ……………………………………………... 40

圖2-23  修整前後磨粒層高度差示意圖 …………………………... 41

圖3-1  拉磨示意圖 …………………………………………………. 43

圖3-2  拉磨後碳化鎢試片的2D表面輪廓圖 ……………………... 43

圖3-3  拉磨後碳化鎢試片的3D表面輪廓圖 ……………………... 44

圖3-4  拉磨後碳化鎢試片的X、Y向剖視圖 ……………………... 44

圖3-5  化學機械拋光示意圖 …………………………….………… 45

圖3-6  CMP後碳化鎢試片的2D表面輪廓圖 …………….………... 46

圖3-7  CMP後碳化鎢試片的3D表面輪廓圖 …………….………... 46

圖3-8  粗磨示意圖 ……………………………………………….… 47

圖3-9  鍍DLC膜後碳化鎢試片的2D表面輪廓圖 …………………. 48

圖3-10  鍍DLC膜後碳化鎢試片的2D表面輪廓圖 ………………... 49

圖3-11  鍍DLC膜後碳化鎢試片的2D表面輪廓圖 ………………... 49

圖4-1  使用試驗後的拋光墊 ………………………………….…… 50

圖4-2  光學顯微鏡200X下使用後的拋光墊 …………….………... 51

圖4-3  使用試驗後拋光墊的2D表面輪廓圖 …………….………... 52

圖4-4  使用試驗後拋光墊的X、Y向剖視圖 …………….………... 52

圖4-5 磨粒層突起處的高度變化圖 ……………….……….............. 54

圖4-6  磨粒層突起處的高度變化圖 ……………………................. 55

圖4-7  磨粒層突起處的高度變化圖 …………................................. 56

圖4-8  磨粒層移除高度與時間關係圖 …………….…………........ 57

圖4-9 修整器表面粗糙度與修整率關係圖 …………….………...... 58

圖4-10  氧化鈰粒度分佈圖 …………………………………...…… 60

圖4-11  鑽石修整器的表面 …………………………………...…… 61

圖4-12  鑽石突起數量示意圖 ……………………………….…….. 61

圖4-13  Ra的說明 ……………………………………….…….…… 63

圖4-14  盤面對磨粒層突起處切削示意圖 …………….…….......... 64

圖4-15  修整前後磨粒層突起處高度示意圖：(a)修整前(b)使用Ra=194nm修整器修整後(c)使用Ra=35nm修整器修整後 ………..... 65

圖5-1  修整率與修整器表面粗度關係圖 …………….……............ 67

參考資料
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[5] 戴寶通主編，〝半導體工業材料〞，電子月刊第二卷第十二期，1996年12月，pp.44~54.
[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.
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[19] 莊賀喬，〝非球面鏡片形狀誤差修正之研究〞，清華大學動力機械工程系碩士論文，2001.
[20] 黃舉錐編譯，〝尖端磨削技術〞，全華圖書出版，1988年7月，pp.171~173.

全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

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