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研究生:王俊凱
研究生(外文):Jun-Kai Wang
論文名稱:碳化矽化學機械拋光製程研究
論文名稱(外文):Investigation on Material Removal Process for Silicon Carbide Chemical Mechanical Polishing
指導教授:蔡明義蔡明義引用關係
指導教授(外文):Ming-Yi Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立勤益科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:單晶碳化矽材料移除率化學機械拋光
外文關鍵詞:Silicon carbideMaterial removal rateChemical mechanical polishing
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由於單晶碳化矽(SiC)擁有優良熱傳導性、導電性、化學穩定性及高度寬能隙,使得它有機會成為下一代高溫和高功率半導體元件、發光元件、高精密的軍用收發模組及電動車、LED燈等高階及高價值的終端產品之材料。然而SiC的硬度、脆性和化學惰性,致使它成為一個難以加工的材料。如何獲得超平滑、無損傷的表面且高材料移除率已成為其應用所必須解決的重要課題。目前,SiC平坦化的方法是先使用鑽石磨料和研磨盤進行機械拋光,然而,機械拋光會對SiC表面上造成許多的刮痕及次表面層損傷,要移除這些刮痕和損傷就需使用化學機械拋光製程。在化學機械拋光製程中,表面粗糙度與厚度均勻性為拋光後的品質目標,在兼顧二者同時,必須得到材料移除率的最大化與決定拋光液的用量大小,而為了顧及到品質、效率與成本下,有必要進行碳化矽拋光研究,而影響拋光品質及效率,除了製程參數外,即是相關消耗材如拋光液、拋光墊及修整器等。有別於眾多學者探討拋光液,本研究以碳化矽化學機械拋光製程研究和拋光墊為主軸,期望能提高及穩定材料移除率與降低拋光液之使用量為目標。在拋光的過程中,必須掌握影響拋光的因素,由於拋光的磨耗機制並非只以單一的機械力作用來移除材料,或是單純的利用化學因素將表面藉由純化學反應來使鍵結強度變弱來達到加工效果,而是結合了機械與化學作用來移除材料,故良好的拋光品質是由機械與化學作用二者所達成的,現今國內尚未有人研究碳化矽化學機械拋光製程,國外文獻顯示碳化矽的材料移除率極低,為目前迫切需要解決之問題,因此本研究規劃一套碳化矽化學機械拋光製程,並對碳化矽化學機械拋光製程進行實驗和改善,實驗結果發現碳化矽化學機械拋光製程中無同步修整時材料移除率會降低,所以設計了同步修整機構以改善這個問題,並有效提升碳化矽的材料移除率,最後亦探討如何提升碳化矽的材料移除率和對表面品質之影響,並且作一比較,建立完整的碳化矽化學機械拋光製程和拋光墊與碳化矽性能間相互關係。

關鍵字:單晶碳化矽、材料移除率、化學機械拋光

Silicon carbide (SiC) has excellent thermal conductivity, electrical conductivity, chemical stability and high wide band gap advantages, so it can become the next generation of high-temperature and high-power semiconductor devices, light-emitting device, high precision pressure sensor module and electric car, LED lights and other products of materials. However, Silicon carbide (SiC) has hardness, brittleness and chemical inertness properties, so it is difficult to machining. How to get better smooth surface without damage and high material removal rate applications is an important issue that must be addressed. Actually, Silicon carbide (SiC) planarization is using diamond abrasives and grinding plate during mechanical polishing, however, Silicon carbide (SiC) surface after mechanical polishing will cause a lot of scratches and sub-surface layer of damage, if want to remove these scratches and damage on the surface, need to use chemical mechanical polishing.
Surface roughness and thickness uniformity is very important index in chemical mechanical polishing. In this study, we focus on Silicon carbide (SiC) chemical mechanical polishing and polishing pad. Our subject is improving and stabilizes the material removal rate and decrease the slurry. Because chemical mechanical polishing wears mechanism is not only using mechanical force or chemical force to remove material, its combination two force. We plane the Silicon carbide (SiC) chemical mechanical polishing, and also improvement the experimental. The experimental results showed that if no online dressing in Silicon carbide (SiC) chemical mechanical polishing, material remove rate is decrease. We design the online dressing mechanism to improvement this problems. Finally, we compare with how to promote the Silicon carbide (SiC) material remove rate and effect of surface quality, construct relationships with Silicon carbide (SiC) chemical mechanical polishing, polishing pad and Silicon carbide (SiC) performance.

Key words: Silicon carbide, Material removal rate, Chemical mechanical polishing.

目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 IV
目錄 VII
圖目錄 X
表目錄 XIII
第一章、導論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 7
1.3文獻回顧 8
1.3.1化學機械拋光對碳化矽移除率的相關研究 8
1.3.2拋光液和拋光墊對碳化矽移除率的相關研究 10
1.3.3拋光墊發展及表面特性研究 11
1.3.4固定磨料對於化學機械拋光製程影響 13
論文架構 14
第二章、化學機械拋光相關理論 16
2.1化學機械拋光的加工機制 16
2.1.1化學機械拋光的基本加工原理 16
2.1.2化學機械拋光的操作方式 17
2.2化學機械拋光相關方程式 19
2.2.1 Preston方程式,臨界壓力和臨界深度方程式 19
2.2.2阿瑞尼厄斯(Arrhenius)方程式,拋光速度V_m方程 20
2.3 化學機械拋光相關耗材 22
2.3.1拋光墊 22
2.3.1.1拋光墊分子結構種類 23
2.3.1.2拋光墊製備流程 25
2.3.2拋光液 27
2.3.3鑽石修整器 28
第三章、實驗設備與材料 34
3.1實驗設備 37
3.2實驗材料 43
3.3碳化矽化學機械拋光實驗步驟與方法 46
3.3.1實驗參數與量測 47
第四章、結果與討論 49
4.1碳化矽製程分析 49
4.1.1拋光液供給方式 49
4.1.2機台改良組裝與設計同步修整機構 51
4.1.3同步機構之設計 54
4.2碳化矽化學機械拋光製程之材料移除率 57
4.2.1碳化矽化學機械拋光製程未修整之材料移除率 57
4.2.2碳化矽化學機械拋光改善製程(同步修整)之材料移除率 60
4.2.3小結 64
4.3拋光墊對碳化矽化學機械拋光之表面粗糙度 66
4.1.1使用AFM拍攝碳化矽之表面形貌 66
4.1.2碳化矽次表面層損傷 68
4.4拋光墊之性質分析 70
4.4.1拋光墊之shore D 70

4.4.2拋光墊之表面粗糙度和表面形貌變化 72
4.4.3小結 75
第五章 結論 76
第六章、未來展望 78
參考文獻 79

圖目錄
圖1-1單晶碳化矽材料原子層 1
圖1-2歷年半導體產值 3
圖1-3多層CMOS示意圖 - 4
圖2-1 化學機械拋光設備示意圖 21
圖2-2 化學機械拋光材料移除示意圖 21
圖2-3拋光墊製作流程圖 29
圖2-4自製拋光墊製作流程圖 31
圖2-5各式鑽石修整器 35
圖2-6鑽石(a)天然鑽石,(b)人工鑽石 35
圖2-7同晶型之人工鑽石 35
圖2-8電鍍鑽石修整器 36
圖2-9硬焊鑽石修整器 37
圖2-10性鑽石修整器 38
圖2-11先進鑽石修整器 38
圖3-1桌上型拋光機 40
圖3-2 超音波清洗機 40
圖3-3平板式快速加熱器 41
圖3-4 酸鹼度計 41
圖3-5 千分錶 42
圖3-6表面原子力顯微鏡(AFM) 42
圖3-7 表面粗糙度量測儀器 43
圖3-8 熱游離型掃描式電子顯微鏡(SEM) 43
圖3-9 光學顯微鏡(OM) 44
圖3-10 碳化矽試片 45
圖3-11 8%石墨拋光墊,IC1000拋光墊,D100拋光墊 46
圖3-12 BODD鑽石修整器 47
圖3-13量測碳化矽之實驗方法 49
圖3-14碳化矽化學機械拋光流程 50
圖4-1封閉式拋光盤 53
圖4-2第一代拋光機 55
圖4-3接觸式LVDT 55
圖4-4第二代拋光機 56
圖4-5雷射位移計 56
圖4-6同步修整機構分解設計圖 58
圖4-7同步修整機構設計圖 58
圖4-8同步修整機構成品圖 59
圖4-9 D100未修整之每小時材料移除率 61
圖4-10 IC1000未修整之每小時材料移除率 61
圖4-11 8%石墨未修整之每小時材料移除率 62
圖4-12未修整製程3hr總材料移除率 62
圖4-13 8%石墨拋光墊同步修整之材料移除率 65
圖4-14 D100拋光墊同步修整之材料移除率 66
圖4-15 IC1000拋光墊同步修整之材料移除率 67
圖4-16同步修整之總材料移除率 70
圖4-17總材料移除率比較圖 70
圖4-18 D100拋光墊之碳化矽AFM圖 71
圖4-19 8%石墨拋光墊之碳化矽AFM圖 72
圖4-20 IC100拋光墊之碳化矽AFM圖 72
圖4-21 IC1000拋光墊對碳化矽之次表面層損傷 73
圖4-22 8%石墨拋光墊對碳化矽之次表面層損傷 74
圖4-23 D100拋光墊對碳化矽之次表面層損傷 74
圖4-24 shore D 實驗結果比較圖 76
圖4-25 IC1000、Suba IV結構及剖面圖圖 76
圖4-26 8%氫化石墨拋光墊之側面SEM圖 76
圖4-27 8%石墨拋光墊初始表面形貌 78
圖4-28 8%石墨拋光墊修整後表面形貌 78
圖4-29 D100拋光墊初始表面形貌 78
圖4-30 D100拋光墊修整後表面形貌 79
圖4-31 IC1000拋光墊初始表面形貌 79
圖4-32 IC1000拋光墊修整後表面形貌 79

表目錄
表1-1材料硬度表 2
表3-1 碳化矽規格 45
表3-2 過錳酸鉀,三氧化二鋁規格 46
表3-3 碳化矽拋光參數 49
表4-1 8%石墨拋光墊每小時材料移除率 65
表4-2 D100拋光墊每小時材料移除率 66
表4-3 IC1000拋光墊每小時材料移除率 67

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