臺灣博碩士論文加值系統

隨著矽晶圓尺寸漸增，為了使微影製程可順利進行，必須將矽晶圓表面的高低差降至微影製程所要求的範圍內，所以矽晶圓表面平坦化的步驟在IC(Integrated Circuit)製造中佔相當重要的一環，而目前化學機械拋光是平坦化技術中唯一可達到全域平坦化需求，在這製程中，拋光墊表面除了會因研磨而受損外，也會有雜質的堆積，為了達到矽晶圓量產的需求及維持穩定的品質，此時必須對拋光墊加以修整(Dressing)，以節省拋光墊成本及重現原有功能。針對拋光墊的修整加工，本研究的目的主要在探討各種修整加工路徑之拋光墊移除量，並發展成模擬程式，以驗證各種修整加工路徑與修整均勻度指標的關係。方法分為兩部分，實驗部分主要驗證鑽石修整輪與拋光墊間之相對速度、壓力、鑽石外觀與移除率的關係；程式模擬部分配合路徑公式，估算出在旋轉式路徑、改良式路徑及ㄇ碎形路徑下拋光墊之移除率及修整均勻度指標。實驗結果顯示，拋光墊的移除率大致與相對速度成正比，且能夠由實驗值整合路徑公式來預測各種路徑下拋光墊之平均移除率；電腦模擬中也發現，當拋光墊轉速與鑽石盤轉速一致時，各種路徑下之拋光墊移除率及修整均勻度皆相對較差。此研究成果將有助於拋光墊修整加工參數設定時移除率估算之參考依據，進而可提高加工效率及加工品質。

With increasing diameter of silicon wafer and tight specification of photolithography process, global flatness of wafer surface is important in Integrated Circuit(IC) manufacturing. Chemical Mechanical Polishing (CMP) is the most popular method to reach global flatness in wafer fabrication. However, the polishing pad in CMP needs to be dressed to maintain the quality and the throughput of production due to the wear of polishing pad and the influence of impurities. This research is to investigate and develop the process model of pad dressing in CMP of silicon wafers with the influence of different CMP paths: rotary path, linear and rotary path, and Hilbert-Pattern fractal path. Simulation program has been developed to estimate the removal rate and non-uniformity of pad dressing based on the process model and the input of calculated nominal removal rate from experimental data. Relationships between the pressure, relative velocity, the appearance of diamond and the removal rate have also been studied and discussed from the experimental results. Performance index of dressing process has been formulated and used to evaluate the effect of different CMP paths with the developed simulation program. Experimental results have shown that the removal rate of pad dressing is approximately proportional to the relative dressing velocity. From the simulation result, the removal rate and non-uniformity of pad dressing become worse for each CMP path as the rotational velocity of pad is approaching to the rotational velocity of the diamond dressing wheel. Finally the evaluation of removal rate from experimental and simulation results can be used to adjust the pad dressing parameter in CMP of silicon wafers and positively to increase the efficiency and quality of CMP.

中文摘要..................................................................................................Ι
英文摘要..................................................................................................Ⅱ
目錄..........................................................................................................Ⅲ
圖例目錄..................................................................................................Ⅵ
表格目錄..................................................................................................Ⅹ
符號說明..................................................................................................XI
第一章 導論....................................................................................1
1-1 前言..........................................................................................1
1-2 研究目的..................................................................................1
1-3 文獻回顧..................................................................................2
1-4 章節瀏覽...............................................................................7
第二章 CMP簡介與拋光墊修整方式..........................................8
2-1 化學機械拋光原理簡介................................................................8
2-1-1 矽晶圓化學機械拋光（CMP）………....…………..........…10
2-1-2 運動機構參數對化學機械拋光的影響..………................14
2-1-3 磨料液對化學機械拋光的影響………….…..........….…14
2-1-4 加工環境對化學機械拋光的影響………………........…..16
2-2 拋光墊研磨型態探討……………..……………….............…17
2-2-1 拋光墊材質對CMP之影響…..…………...........……....17
2-2-2 拋光墊之磨損…………….......…..…..........…………....20
2-2-3 拋光墊修整方法…………………............……………....22
2-3 拋光墊修整模式之探討…………............………..……….......24
2-3-1 鑽石修整輪移除率公式…………………..……….........25
2-3-2 鑽石修整輪鑽石磨粒形狀…………………..……............28
2-3-3 鑽石修整輪鑽石磨粒排列方式………………...........…29
2-3-4 拋光墊之切削阻塞………………….............................30
2-4 修整機構…………………....................................................32
2-4-1 同心圓路徑…………………........................................32
2-4-2旋轉式路徑…………………..................................33
2-4-3 改良式路徑.............................................................34
2-4-4 ㄇ碎形路徑.................................................................35
第三章拋光墊移除量估算及修整均勻度指標建立.......................38
3-1 Prestion公式.........................................................................38
3-2 修整拋光墊之模擬假設與移除量估算..............................39
3-3 修整均勻度指標..................................................................41
3-4 路徑模擬………...........................................................…44
3-4-1 鑽石間距估算................................................................44
3-4-2一般行星式路徑.............................................................46
3-4-3改良式路徑.....................................................................48
3-4-4 ㄇ碎形路徑.....................................................................49
3-5 程式設計方式.............................................................................51
第四章拋光墊修整加工實驗驗證...................................................56
4-1 實驗設計流程........................................................................56
4-2 實驗驗證及步驟....................................................................57
4-2-1 速度實驗........................................................................57
4-2-2壓力實驗........................................................................60
4-3實驗系統及量測儀器與分析方式...........................................61
4-3-1 CNC綜合加工機.............................................................61
4-3-2 量測儀器..........................................................................62
4-3-3 數據分析方式..................................................................63
4-3-4鑽石修整輪....................................................................64
4-3-5 SEM系統...........................................................................65
第五章 實驗結果與討論...................................................................66
5-1實驗驗證結果.........................................................................66
5-2程式模擬結果.........................................................................74
5-3結果討論.................................................................................83
第六章 結論與建議...........................................................................86
6-1 結論.......................................................................................86
6-2 建議........................................................................................86
參考文獻.............................................................................................89
附錄A 篩目的標示符號..................................................................93
附錄B 拋光墊的拉伸實驗.............................................................94
附錄C 拋光墊巨觀量測...................................................................94
附錄D 路徑軌跡公式..........................................................................97

[1] Preston, F. W., ”The Theory and Design of Plate Glass Polishing
Machine”, journal of the society of glass technology, 1927,
pp.214-256。
[2] http://www.amt.com.tw/product/product10.html 台灣應用材料股份有限公司，2001。
[3] 王建榮，林慶福，“半導體平坦化CMP技術”，全華出版社，1999，pp.1~5。
[4] 林明獻，“矽晶圓半導體材料技術”，全華出版社，1999，pp.6-48。
[5] 周鍾煜，“精密量具及機件檢驗”，文京出版社，1998，
pp.202~203。
[6] 戴光政，“碎形路徑應用於研光機之應用”，淡江大學機械工程研究所碩式論文，1999年6月。
[7] 簡志偉，“平面研光加工路徑分析研究”，淡江大學機械工程
研究所碩式論文，2000年6月。
[8] 林士傑，“化學機械拋光製程技術”，機械工業雜誌，2000年5月，pp.146-151。
[9] 黃志龍，“淺談化學機械拋光的演進與應用”，中華民國磨粒 加工學會八十九年年會，2000，pp.14~32。
[10] Wang , J.F.，“Process/Pad Effects on Electrical and physical Properties of CMP Copper Damascene Interconnects”,Rodel，Inc, 2000。
[11] 蔡明義，蔡志成，“晶片化學機械平坦化製程之機械磨耗機制研究與實驗探討”，國立中興大學機械工程學系碩士論文，1999年，6月。
[12] Freeman Peter,“A study of the Variation of physical Properties in Random Lots of Urethane Polishing Pads for CMP”, Rodel, Inc, 2000。
[13] 亞泰半導體股份有限公司型錄, 2000年。
[14] 莊達人，“VLSI製造技術”，高立出版社，2000年8月。
[15] 宋健民，“超硬材料”，全華出版社，2000年7月。
[16] Miyoshi Takashi, Karsumasa Saito，and Yoshitaka Miura，“Development of Special Grinding Tool for Finishing the Free-From Metal Surfaces”, Mar 1985, pp.58-59。
[17] Huey Sideny,“Technological Breakthrough in Pad Life Improvement and It’s Impact on CMP CoC”, IEEE/SEMI Adbvanced Semiconductor Manufacturing Conference, 1999。
[18] Palla B.J. and D.O.Shah,“Correlation of Observed Stability and Polishing Performance to Abrasive Particle Size for CMP”, IEEE/SEMI Adbvanced Semiconductor Manufacturing Conference, 1999。
[19] 蔡明江，左培倫，“硬碟片在化學機械拋光中磨粒運動模式模擬與研究”，國立清華大學碩士論文，1999年6月。
[20] 張智傑，“化學機械研磨之晶圓研磨時邊界條件影響分析”，中國工程師學會第十六屆全國學術研討會輪文集，1999。
[21] 陳昭亮，“化學機械研磨墊相關研究之探討”，中國工程師學會第十五屆全國學術研討會輪文集，1998年，pp.141-145。
[22] Yu Tat-Kwan,“A Statistical Polishing Pad Model For Chemical-Mechanical Polishing”, IEEE，1993。
[23] Weling Milind, “Improving CMP Performance Using Grooved Polishing Pads”, 第三屆微毫米技術研討會，1996，pp.45-63。
[24] Seki Yoko,“A New Dressing method For Superabrasive Wheels Utilizing Magnetic Abrasive Polishing”, ICPE，1997。
[25] Watts David K.,“Chemical Mechanical Planarization By a Rotary，Fixed-abrasive Process”，SEMI 2000，pp. H1~H8。
[26] Beyer K. D., U. S. Patent, No. 4944836，1990。
[27] http://www.rodel.com/ Rodel公司網頁，2001。
[28] http://www.ibm.com/ IBM公司網頁，2001。
[29] 邱能信，”矽晶圓之超精密輪磨及機化學拋光技術”，中國機械工程學會雙月刊，1997，p.p.82~87。
[30] 戴寶通，”化學機械研磨的應用與技術發展”，國科會國家微毫米實驗室通訊，1996年3月。
[31] 林宏彞，”再生晶圓之超精密輪磨與拋光技術”，機械工業雜誌，1997年5月。
[32] 邱先拿，”矽晶圓元件加工之研磨拋光技術”，金屬工業，1997年11月。
[33] Nobuhide ITOH, ”Development of metal-Resin Diamond Wheel for ELID-lap Grinding and Its Grinding Performance”, ICPE, 1997, pp.177-182。
[34] Pei Z.J., ”Grinding induced subsurface cracks in silicon wafers”，International Journal of Machine Tools & Manufacture , 1999, pp. 1103-1116。
[35] 劉偉均陳炤彰，”半導體晶圓之磨料加工方法”，2000年，專利申請中。
[36] Beyer K. D., U.S. Paten, No. 4944836, 1990.
[37] http://iek.itri.org.tw/club1/ 產業情報知識網，2001。
[38] Chris Barns, “CMP Velocity Profile Comparisons of several CMP Mechanisms”,SEMI, 2000, pp.J1-J26。
[39] David K. Watts, “Chemical Mechanical Planarization by a Rotatry Fixed-Abrasive Process”, SEMI, 2000, pp.H1-H8。
[40] Sung James, ”CMP Pad Dresser: A Diamond Grid Solution”, KINIK Company, 2000。