臺灣博碩士論文加值系統

化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)製程憑著其穩定的全面平坦化之優勢而成為複雜的半導體製程中不可或缺的一環。本論文之目的係針對化學機械研磨製程中爲了達到所需之平坦度而產生之機械扭力（torque）以不同之製程參數來探討其相關影響與變化之分析。本研究以研磨時所需之研磨頭（polish head）、研磨平台（polish platen）、研磨墊（polish pad）設定之不同的實驗條件來分析出其相互之關連性；而設定的條件主要為（1）不同材質之研磨墊、（2）研磨頭在研磨時之不同轉速、（3）研磨頭在研磨平台上之不同位置、（4）研磨墊之不同片數，四個實驗項目來探討對機械扭力之影響最大的主要因素與最佳的設定條件。由實驗數據結果主要歸類以下四點：(1) 研磨墊之表面材質之硬度愈大所產生之機械扭力愈大；（2）研磨頭設定之轉速愈高其研磨時所產生之機械扭力愈大；（3）研磨頭在研磨平台之位置愈靠近中心其機械扭力愈小，反之愈靠近研磨平台機械扭力愈大；（4）研磨頭之機械扭力與研磨墊之壽命（pad life time）成正比的關係，故機械扭力會隨著研磨墊之使用研磨晶圓片數之增加而變大。本研究分析出在化學機械研磨中研磨所產生之扭力影響之相關條件並運用各種製程實驗條件（process experimental condition），驗證機械扭力在化學機械研磨製程中所產生的變化與影響。

Chemical Mechanical Polishing (CMP) is an important part in the complicated semiconductor process because of its steady and overall smoothing. The purpose of this thesis is to study the torque for smoothing in the CMP process using different parameters. It analyzed the connecting relationship by setting various polish head, polish platen and polish pad experimental conditions. And the conditions are (1) polish pad types of different materials, (2) rotational speeds of polish head, (3) different positions of polish head on the platen, (4) wafer numbers by using polish pad. It discussed the important reasons and optimum experimental conditions by using the four experiment parameters. The results based on the experimental data are: (1) The larger the hardness of pad surface material, the torque was higher; (2) the larger the rotational speed of polish head, the torque was higher; (3) the closer the polish head position to the center of the polish platen, the torque was lower; (4) the larger the using time of polish pad (wafer numbers by using polish pad), the torque was higher. It analyzed that the influence of various parameters on the torque of CMP and obtained the results of experiment in the research.

明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員審定書 ii
誌謝 iii
中文摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章　緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究動機與目的 2
1.3論文架構 4
第二章　平坦化相關製程介紹 5
2.1CMP製程介紹 5
2.2CMP相關製程介紹 6
第三章 化學機械研磨相關設備介紹 9
3.1半導體相關平坦度製程介紹 9
3.2.1polish head (研磨頭): 10
3.2.2Platen (研磨平台): 14
3.2.3Pad (研磨墊): 17
3.2.4Slurry (研磨液): 22
3.2.5Disk (鑽石修整器): 27
第四章 實驗規劃與設備 31
4.1實驗規劃: 31
4.1.1不同材質之研磨墊實驗: 31
4.1.2研磨頭之不同轉速設定實驗： 34
4.1.3設定研磨頭於研磨平台上之不同位置之影響實驗： 35
4.1.4研磨墊之不同使用片數其機械扭力之影響實驗： 36
4.2相關實驗設備： 39
4.2.1研磨機 39
4.2.2鑽石修整器 41
4.2.3研磨墊 41
4.2.4研磨液 42
第五章 實驗結果與討論 43
5.1不同材質之研磨墊實驗： 43
5.2研磨頭之不同轉速設定實驗： 45
5.3設定研磨頭於研磨平台上之不同位置之影響實驗： 47
5.4研磨墊之不同使用片數其機械扭力之影響實驗： 49
第六章 結論與未來展望 50
6.1實驗結論： 50
6.2未來與展望： 51
參考文獻 52









表目錄
表3- 1Type I 至Type IV之研磨墊類型表 21
表4- 1實驗條件表 36
表4- 2 研磨液之混合比 44
表5- 1 實驗條件表 46
表5- 2 實驗條件表 48
表5- 3 實驗條件表 49
表5- 4 研磨墊實驗片數設定表 51












圖目錄
圖1- 1半導體製程流程圖 1
圖1- 2 CMP平坦化之示意圖 3
圖1- 3 化學機械研磨平坦度原理示意圖 3
圖2- 1 化學機械研磨之研磨機制 6
圖2- 2 回蝕法(etch back)示意圖 7
圖2- 3薄膜成長法（CVD HDP）示意圖 7
圖2- 4流動法示意圖 8
圖3- 1化學機械研磨頭照片 13
圖3- 2研磨頭於研磨墊上之作動示意圖 13
圖3- 3化學機械研磨時研磨頭之作動狀態示意圖 14
圖3- 4研磨頭二維軸對稱準靜態作動模式 14
圖3- 5研磨頭內部構造示意圖 15
圖3- 6旋轉式化學機械研磨設備示意圖 16
圖3- 7軌道式化學機械研磨示意圖 17
圖3- 8直線式化學機械研磨設備示意圖 18
圖3- 9 XY軸固定式溝槽設計研磨墊圖 22
圖3- 10同心圓溝槽式研磨墊轉印至晶圓設計圖 22
圖3- 11 不同種類圖案的溝槽(a) Grid design，(b) Lemniscate design 23
圖3- 12 不同種類圖案的溝槽示意圖。 23
圖3- 13 SiO2 研磨顆粒圖 (a) colloidal silica (b)fumed silica所示 25
圖3- 14 CeO2 研磨顆粒圖 26
圖3- 15金屬導線之缺陷及刮傷 26
圖3- 16複合式研磨顆粒圖 27
圖3- 17氧化物移除機制示意圖 28
圖3- 18鎢鍍層材料移除機制示意圖 29
圖3- 19電鍍固定法示意圖 30
圖3- 20硬焊固定法示意圖 30
圖3- 21電鍍法表面型態 31
圖3- 22硬鍍法表面型態 31
圖3- 23鑽石斷裂示意圖 32
圖4- 1 IC 1000/SUBA Ⅳ組合式研磨墊之溝槽示意圖 34
圖4- 2 IC 1000/SUBA Ⅳ組合式研磨墊之溝槽剖面示意圖 34
圖4- 3 MH C14B 型單層研磨墊之溝槽示意圖 35
圖4- 4 MH C14B 型單層研磨墊之溝槽剖面示意圖 35
圖4- 5 研磨頭轉速設定示意圖 36
圖4- 6 研磨頭於研磨平台上之位置圖 37
圖4- 7 研磨頭四種位置示意圖 38
圖4- 8 研磨墊溝槽傾角示意圖 40
圖4- 9 研磨墊過大的修整率 40
圖4- 10 研磨墊過小的修整率 40
圖4- 11 適當的研磨墊修整率 41
圖4- 12 美商應用材料AMAT 300mm Reflexion CMP機台外觀圖（一） 42
圖4- 13 美商應用材料AMAT 300mm Reflexion CMP機台構造（二） 42
圖4- 14 鑽石修整器圖 43
圖4- 15 同心圓槽型研磨墊圖 43
圖5- 1不同研磨墊之實驗數據圖 46
圖5- 2 研磨頭轉速與機械扭力之相對變化圖 48
圖5- 3 研磨頭於研磨平台位置之各個機械扭力相對變化圖 50
圖5- 4 研磨墊使用片數之機械扭力相對變化圖 51

[1] 蔡進晃，鑽石修整器修整特性對化學機械研磨製程的細微刮傷缺陷之影響（Effects of Diamond Disk Dressed Characteristics on the Micro-Scratch Defect of CMP process），國立交通大學，工學院半導體材料與製程設備學程，碩士論文，2013.
[2]薛慶堂，化學機械拋光之拋光墊性能分析與平坦化加工研究（Analysis on Pad Performances and Planarization Effects for CMP），國立臺灣科技大學，機械工程系，碩士論文，2011.
[3]何碩洋，化學機械拋光中拋光墊修整參數影響之研究（A Study of the Influence between CMP Pad Conditioning Factors）， 國立清華大學，動力機械工程學系，碩士論文，2002.
[4]張世昌，化學機械研磨中研磨墊溫度分佈與研磨率之相關性研究（On the Relation of Pad Temperature Distribution and Removal rate during CMP），國立臺灣大學，機械工程學研究所，碩士論文，2000.
[5]林伯勳，含時間估測器之類神經網路式Run-to-Run製程控制器設計及其在銅製程CMP之應用（Design of a Process Estimator Based Neural Network Run-to-Run Process Controller and its Application to Copper CMP），國立中興大學，機械工程學系，碩士論文，2003.
[6]周孟賢，化學機械研磨時控製程參數最佳化技術（CMP Time-Optimal Process Control Technique），國立中興大學，機械工程學系，碩士論文，2000.
[7]林明智，化學機械研磨的微觀機制探討，國立中興大學，機械工程學系，碩士論文，2000.
[8]林有鎰，"化學機械研磨製程空氣背壓對晶圓應力分佈與錶面部平坦度的影響研究（Study on effect of air back pressure to the stress and nonuniformity of wafer in chemical mechanical polishing process）"，德霖技術學院，機械工程系，德霖學報第十八期，民國93六月.
[9]郭書瑋，MOCVD旋轉載台結構應力與晶圓翹曲分析（Analysis of Structural Stress in Susceptor and Warpage of Film-Substrate Systems for an MOCVD Reactor），國立中央大學，機械工程學系，碩士論文，2014。
[10]陳炤彰，"研磨液特性之化學平坦化之探討"，台灣科技大學，機械工程系, 台灣科技大學學報第十五期，民國94.八月.。
[11]J. Sung, Y. L. Pai,〝CMP Pad Dresser: A Diamond Grid Solution〞, Advances in Abrasive Technology III, The Society of Grinding Engineers, pp.189-196. Mar. 2000.
[12]J. F. Wang, A. R. Sethuraman and L. M. Cook,〝Process/Pad Effecton Electrical and Physical Propertiesof CMP Copper DamasceneInterconnects〞, Rodel, Inc.,Mar. 2000.
[13] Sidney Huey, Steven T. Mear, Yuchun Wang, 〝Technologicalbreakthrough in pad life improvement and its impact on CMP CoC〞, Advanced Semiconductor Manufacturing Conference, pp.54-58. Jun.1999.
[14]J. Grillaert, Marc Meuris, Nancy Heylen, Katia Devriendt, EviVrancken,〝Modelling step height reduction and local removable ratesbases on pad-substrate interactions 〞, CMP-MIC conference,California, USA, pp.79. Nov.1998.
[15]D. R. Evans, M.R. Oliver and M. K. Ingram,〝Separation of pad andslurry effects in copper CMP〞, Rodel, Inc., Apr. 2000.
[16]Weidan Li, Dong Wook Shin, Minoru Tomozawa, Shyam P. Murarka,〝The effect of the polishing pad treatment on the chemicalmechanical polishing of SiO2 films 〞, Thin Solid Films, pp.601-606. Jun 1995.
[17]徐任賢，"化學機械拋光中拋光墊特性與損耗關係之研究”，清華大學動力機械工程系碩士論文，2000.
[18]Ho-youn Kim, Jae-hong Park, Hae-do Jeong,〝A study of theabrasive pad for CMP〞, Department of Precision Mechanical Engineering, National Pusan University, Korea, Advances inAbrasive Technology IV, pp. 263-270. Nov. 2001.
[19]P. Beckmann and A. Spizzichino,"The Scattering of Electromagnetic", Waves from Rough Surfaces: Artech House, Jul. 1987.
[20]Runnels, S. R. and P. Renteln, “Modeling the Effect of Polish Pad Deformation on Wafer Surface Stress Distributions during Chemical-Mechanical Polishing,” Dielectric Sci. Technol., pp.110-121. Mar. 1993,
[21]Runnels,S.R.and L.M. Eyman,“Tribology Analysis of Chemical-Mechanical Polishing,” J. Electrochem. Soc., Vol. 141, No. 6, pp.1698-1701. Nov. 1994.
[22]P. B. Zantye，A. Kumar and A. K. Sikder，"Chemical mechanicalplanarization for microelectronics applications"，Materials Scienceand Engineering R: Reports，Vol.45, Jun. 2004.
[23]H. Xiao，Trans.，羅正忠and 張鼎張，半導體製程技術討論(Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology)，儒林圖書，vol. 75, pp. 210-215，2009。
[24]王建榮、林必宨and 林慶福，半導體平坦化CMP 技術(GlobalPlanariztion Chemical Mechanical Polishing)，全華圖書公司，vol. 36, pp. 152-184，2000。
[25]L. M. Cook，"Chemical processes in glass polishing"，Journal ofNon-Crystalline Solids，Vol.120, Nov. 1990.
[26]Z. W. Zhong，Z. F. Wang and B. M. P. Zirajutheen，"Chemicalmechanical polishing of polycarbonate and poly methyl methacrylatesubstrates"，Microelectronic Engineering，Vol.81 Oct. 2005.
[27]H. Xiao，Trans.，羅正忠and 張鼎張，半導體製程技術討論(Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology)，儒林圖書，vol. 32, pp. 112-154，2009。
[28]H. Kim，B. Park，S. Lee，H. Jeong and D. A. Dornfeld，"Self-conditioning fixed abrasive pad in CMP"，Journal of theElectrochemical Society，Vol.151 Jun. 2004.
[29]S. Lee and D. A. Dornfeld，"Micro feature pad development and itsperformance in chemical mechanical planarization"，Advances in Chemical-Mechanical Polishing，Vol.816. Nov. 2004.