臺灣博碩士論文加值系統

化學機械拋光是現在半導體產業中最常被使用的平坦化製程。拋光液中化學溶液的腐蝕與磨粒的機械磨削兩者雙重的作用，使得化學機械拋光能造成晶圓薄膜表面全面平坦化的效果。製程中使用的磨粒與拋光過程中產生的碎屑、副產物，會造成拋光墊表面孔洞產生鈍化的現象，降低繼續輸送拋光液的功能，進而影響晶圓材料的拋光移除率以及表面不均勻度。利用修整器來移除拋光墊表面的鈍化層，將使得拋光墊表面再生露出新的孔洞，繼續運送拋光液的功能。可見修整器設計因數的掌握，以及修整器的加工參數選擇，是化學機械拋光製程是否能充分發揮的關鍵因素。
本研究首先利用單顆鑽石修整器去刮劃拋光墊，觀察並討論鑽石顆粒對材料為高分子聚合物的拋光墊的移除機制與現象為何；同時利用理論推導，建立修整器修整拋光墊的數學模式。接著製作不同鑽石晶形與粒度的陶瓷修整器，並利用拋光研磨機器進行修整模擬。從機台可以控制的參數：修整壓力、拋光墊轉速、修整器轉速、修整時間四者調整，設計不同的修整加工參數，將各顆修整器進行各種條件的修整模擬，得到修整後的修整移除率與表面粗糙度結果，並討論修整器的設計參數與修整參數條件對兩者的影響。最後在修整過後，採取拋光墊的樣本進行掃描式電子顯微鏡拍照，從獲得的照片來觀察拋光墊的表面狀況，對照並討論其與修整移除率、表面粗糙度值與影響輸送拋光液的能力之間的關係。

Chemical mechanical polishing (CMP) is the mostly used planarization process in the semiconductor industry today. Due to the dual actions of chemicals corrosion and abrasive abrasion in the slurry, CMP achieves the effect of global planarization on the thin film surface of wafers. The abrasive, debris and by-product generated in the process cause the pores of the pad surface glazing, which in turn renders the performance of transporting slurry to decrease. Accordingly, the removal rate (RR) and non-uniformity (NU) will be affected. The diamond dressers are used to remove the glazing layer of the pad surface. This action makes the pad restore the ability in transporting the slurry. The dressers’ design factors and the parameters of the dressing process are apparently crucial to the performance of CMP process.
This study was made to observe and discuss the mechanisms of the diamond particles in removing the polymer material. Experimental work was followed by scratching pads with single-diamond dressers, and then a mathematical model was established for dressing rate (DR). The dressing simulation was made to examine DR and the surface condition of the ceramic dressers with different diamond shapes and sizes. The dressing simulation proceeds with different dressing recipes, which consist of four parameters including dressing pressure, pad speed, disk speed, and dressing time. Then the influence of the parameters of dressers and the dressing process on DR and the surface roughness (Ra) was explored. Finally, the scanning electron microscope (SEM) pictures for the surfaces of the sample pads were investigated to explore the relationship among DR, Ra, and the ability in transporting slurry.

口試委員會審定書 I
誌謝 II
摘要 III
Abstract IV
目錄 V
圖例目錄 IX
表格目錄 XIII
符號說明 XIV
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機 2
1-3 研究目的 3
1-4 文獻回顧 4
1-5 本文架構 6
第二章 化學機械拋光 7
2-1 半導體技術 7
2-1.1 積體電路製程 7
2-1.2 製程技術難題 11
2-2 平坦化技術 12
2-2.1 平坦化程度 13
2-2.2 平坦化製程 16
2-3 化學機械拋光製程 17
2-3.1 機台裝置 17
2-3.2 移除機制 18
2-4 化學機械拋光使用耗材 19
2-4.1 拋光液 19
2-4.2 拋光墊 20
2-4.3 修整器 23
2-4.4 小結 26
第三章 修整理論 27
3-1 鑽石修整器 27
3-1.1 修整器功能 27
3-1.2 修整器型式 28
3-1.3 陶瓷修整器 31
3-2 人造鑽石 32
3-2.1 人造鑽石製作方法 32
3-2.2 鑽石規格分類 33
3-3 修整移除機制 39
3-3.1 單顆鑽石修整器文獻回顧 39
3-3.2 單顆鑽石修整模擬 40
3-4 修整理論推導 43
3-4.1 修整率關係式推導 43
3-4.2 修整率關係式討論 46
3-4.3 小結 47
第四章 實驗設計 48
4-1 實驗目的 48
4-2 實驗流程 49
4-3 實驗設備 50
4-3.1 修整器試片 50
4-3.2 實驗用拋光墊 52
4-3.3 修整測試機 54
4-4 實驗規劃 55
4-4.1 測試方法 55
4-4.2 量測數據 57
4-5 量測儀器 58
4-5.1 指示量錶 58
4-5.2 粗糙度量測儀 59
4-5.3 掃瞄式電子顯微鏡 61
4-5.4 小結 62
第五章 實驗結果分析與討論 63
5-1 修整移除率結果 63
5-1.1 修整壓力 63
5-1.2 拋光墊轉速 65
5-1.3 修整器轉速 66
5-1.4 修整時間 68
5-2 表面粗糙度結果 69
5-2.1 修整壓力 69
5-2.2 拋光墊轉速 70
5-2.3 修整器轉速 71
5-2.4 修整時間 72
5-2.5 小結 73
5-3 表面情況 73
5-3.1 不同粒度修整器 74
5-3.2 不同晶形修整器 77
5-3.3 表面狀況整理 79
5-4 討論 80
5-4.1 修整移除率 80
5-4.2 表面粗糙度 81
5-4.3 小結 81
第六章 結論與未來展望 83
6-1 結論 83
6-2 未來展望 85
參考文獻 87
附錄 90
附錄A 實驗數據 90
A-1 修整移除率實驗數據 90
A-2 表面粗糙度實驗數據 92
作者簡歷 95

[1] 王建榮、林必窕、林慶福，“半導體平坦化CMP技術”，二版二刷，全華科技圖書股份有限公司，2000年6月
[2] 陳炤彰、許厲生、劉偉均，“鑽石修整輪在CMP拋光墊修整比較分析研究”，國科會研究計畫
[3] M. Bubnick, S. Qamar, T. Namola, and D. McClew, “Impact of Diamond CMP Conditioning Disk Characteristics on Removal Rates of Polyurethane Polishing Pads,” Abrasive Technology
[4] M. Bubnick, S. Qamar, S. McGregor, T. Namola, and T. White, “Effects of Diamond Shape and Size on Polyurethane Pad Conditioning,” Abrasive Technology
[5] 洪珮文，“化學機械研磨中鑽石修整器修整特性之研究”，國立臺灣大學碩士論文，2002年6月
[6] 何碩洋，“化學機械拋光中拋光墊修整參數影響之研究”，國立清華大學碩士論文，2002年6月
[7] 黃哲浩，“化學機械拋光中鑽石修整器修整效能之研究”，國立清華大學碩士論文，2005年6月
[8] B. H. Guo, J. L. Chen, G. J. Wang, and M. S. Tsai, “A Study on Polishing Pad of Chemical Mechanical Polishing,” 國科會研究計畫
[9] 莊達人，“VLSI製造技術”，第六版，高立圖書有限公司，2006年
[10] M. Quirk, and J. Serda, “Semiconductor Manufacturing Technology,” Prentice-Hall, 2006.
[11] ChemiCool網站，http://www.chemicool.com/
[12] 陳翁宜，“半導體製程介紹”講義，電子製程認證系列課程，國際製造工程學會（SME）中華民國分會教育訓練中心，2006年10月
[13] H. Xiao, “Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology,” Prentice-Hall, pp. 481-515, 2001.
[14] IC Knowledge網站，http://www.icknowledge.com/
[15] 黃志龍，“淺談化學機械拋光的演進與應用”，機械工業雜誌206期，2000年5月
[16] 蔡明蒔，“化學機械研磨及Cu的CMP製程”講義，設立半導體學院計畫—交大短期訓練班（一）-短期課程，經濟部工業局，2006年6月
[17] T. Ohi, “Trends and Future Developments for Diamond CMP Pad Conditioners,” Industrial Diamond Review, 2004年1月
[18] Rohm and Haas Electronic Materials 公司網站，http://electronicmaterials.rohmhaas.com/
[19] 楊琦婷，“化學機械研磨中鑽石修整器磨耗之研究”，國立臺灣大學碩士論文，2002年6月
[20] 宋健民，“多晶鑽石刨平器：拋光墊的精密修整及硬脆材料的延性切削”，機械工業雜誌278期，2006年5月
[21] J. Sung, and Y. L. Pai, “CMP Pad Dresser: A Diamond Grid Solution,” Advances in Abrasive Technology Ⅲ, The Society of Grinding Engineers, 2000.
[22] 宋健民，“鑽石碟修整器：化學機械平坦化（CMP）的催生者”，機械工業雜誌218期，2001年5月
[23] 王宏文，“教育部「92-95基礎科學教育改進計畫」九十二會計年度A類計畫執行成果報告”，2003年11月
[24] S. McGregor, M. Bubnick, T. Namola, K. Torrance, and R. Wielonski, “Evaluation of an Ultra-Flat Ceramic Based CMP Conditioning Disk,” Abrasive Technology
[25] 宋健民，“鑽石合成”，初版一刷，全華科技圖書股份有限公司，2000年7月
[26] 宋健民，“超硬材料”，初版一刷，全華科技圖書股份有限公司，2000年7月
[27] Fact Diamond 公司網站，http://www.factdiamond.com/
[28] 陳炤彰、許厲生、劉偉均，“鑽石修整輪在CMP拋光墊修整比較分析研究”，國科會研究計畫
[29] 張元勃，“單顆鑽石修整器在化學機械平坦化修銳行為之探討”，華梵大學碩士論文，2003年6月
[30] 趙弘文，“化學機械研磨中單顆鑽石於研磨墊上作用之探討”，國立臺灣大學碩士論文，2003年6月
[31] Y. S. Liao, M. Y. Tsai, J. C. Sung, and Y. L. Pai, “Single Diamond Dressing Characteristics of CMP Polyurethane Pad,” Key Engineering Materials, Vol. 329, pp. 151-156, 2007.
[32] K. W. Sharp, M. H. Miller, and R. O. Scattergood, “Analysis of Grain Depth-of-Cut in Plunge Grinding,” Precision Engineering, Vol. 24, pp. 220-230, 2000.
[33] J. J. Rajesh, and J. Bijiwe, “Investigation on Scratch Behavior of Various Polyamides,” Wear, Vol. 259, pp. 661-668, 2005.
[34] 正越企業有限公司網站，http://www.lapping-polish.com/
[35] Mitutoyo Corporation網站，http://www.mitutoyo.com/
[36] 星隆貿易股份有限公司網站，http://vip061.uwish.com.tw/
[37] Mahr Metrology網站，http://www.mahr.com/
[38] 掃瞄式電子顯微鏡實驗室網站，http://www.cc.ntut.edu.tw/∼mmlab104/
[39] F. W. Preston, “The theory and design of plate glass polishing machines, ” J. Soc. Glass Tech. XI, pp. 214, 1927
[40] M. R. Oliver, R. E. Schmidt, and M. Robinson, “CMP Pad Surface Roughness and CMP Removal Rate”