熱熔膠研磨墊的開發及其對矽晶圓研磨效果之研究

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機械工程學系

論文名稱

熱熔膠研磨墊的開發及其對矽晶圓研磨效果之研究
(Development of hot-melt adhesive pad and study of silicon wafer grinding effect)

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摘要(中)

在矽晶圓製造流程中，經過切片(Slicing)、晶邊圓磨(Edge Contouring)的程序後，矽晶圓的表面會產生鋸痕(Saw Mark)及損傷層(Damaged Layer)而影響到後續的矽晶圓加工製作流程，因此本研究嘗試利用自行研發的熱熔膠研磨墊搭配游離碳化矽磨料對矽晶圓脆性材料進行研磨加工，使矽晶圓的表面品質光滑平整同時也降低次表面損傷層深度。在自行開發的熱熔膠研磨墊方面，製作材料是使用熱熔膠熱固性高分子材料 Ethylene-Vinyl Acetate(EVA) 球型顆粒，製造流程主要透過熱熔膠塗佈機加熱使熱熔膠熔融成液態再以高壓噴霧塗佈方式使 EVA 膠液透過孔徑 0.5 mm 的膠槍形成微米級纖維絲並塗佈碳化矽磨粒(#8000)在纖維絲上；另外熱熔膠研磨墊的優點除了原料成本便宜之外還具有彈性可以緩衝研磨墊與加工物之間的作用力；最後經由研磨墊特性分析得到較佳的研磨墊為塗佈距離 20 cm 所製成的研磨墊，另外發現在纖維絲與無塵布之間存在適當熱熔膠薄層，可以產生緊密貼合的效果而不會在加工中造成研磨墊的脫落。本實驗參數設定有進給速率、研磨荷重、磨輪轉速、磨料濃度、研磨道次，晶片經過加工之後利用 SEM、AFM、TEM 、拉曼(Raman)等精密儀器觀察晶片表面及分析次表面微觀結構。在矽晶圓表面品質及次表面損傷層方面，經由實驗結果得知，在進給速率 0.5 mm/sec、研磨荷重 50 g、磨輪轉速 8000 rpm、磨料濃度 15 %、研磨道次 3 cycle 的實驗參數下，其表面粗糙度可由 Ra：41.91 nm改善到 Ra：2.45 nm、次表面損傷層厚度可降低至 150 nm，最後利用拉曼分析驗證有非晶質層(Amorphous Layer)的存在且估算厚度約10 nm。

摘要(英)

During the silicon wafer manufacture procedure , after slicing and edge contouring , silicon wafer surface results in saw mark and damaged layer and affects the following manufacture procedure . This research tries to combine new hot-melt adhesive pad with free SiC slurry to grind silicon wafer which makes silicon wafer surface quality smooth and reduces subsurface damaged layer.
In hot-melt adhesive pad aspect , the pad is made from thermosetting plastic materials(Ethylene-Vinyl Acetate) . Manufacture procedure of the hot-melt adhesive pad is to use hot-melt adhesive spray machine to heat hot-melt adhesive materials which become molten state and then use spray gun of 0.5 mm aperture to form hot-melt adhesive fiber by the high-pressured method and finally spread SiC particles(#8000) on hot-melt adhesive fiber ; the advantage of hot-melt adhesive pad , moreover , the cost of hot-melt adhesive material is cheap and it’s elastic characteristic can cushion action force between pad and silicon sample ; finally , we can select the best pad to grind silicon sample by analyzing the hot-melt adhesive pad characteristic , and we find that hot-melt adhesive pad exist a suitable hot-melt adhesive layer to let pad sustain complete shape.The experiment parameters include feed rate , load , grinding speed , SiC concentration , grinding cycle , then use precision instrument (SEM , AFM , TEM , Raman) to examine silicon sample surface and analyze subsurface microscopic structure after grinding silicon sample . In silicon wafer surface quality and subsurface damaged layer aspect , according to the experimental result , when feed rate 0.5 mm/sec , load 50 g , grinding speed 8000 rpm , SiC concentration 15% , grinding cycle 3 times , surface roughness can be improved from Ra : 41.91 nm to Ra : 2.45 nm , and then subsurface damaged layer can be improved to about 150 nm , finally the silicon sample surface exists amorphous layer by using raman spectral analysis and computes it’s thickness about 10 nm .

關鍵字(中)

★ 矽晶圓
★ 碳化矽
★ 表面粗糙度
★ 次表面損傷層
★ 研磨墊
★ 熱熔膠

關鍵字(英)

★ silicon wafer
★ SiC
★ surface roughness
★ subsurface damaged layer
★ pad
★ hot-melt adhesive

論文目次

目錄
摘要 i
致謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xi
一、緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機與目的 3
1-3 文獻回顧 4
二、實驗原理 5
2-1 矽晶圓特性介紹 5
2-2 機械刮除機制+化學鍵結反應機制 8
2-2-1 機械刮除機制 8
2-2-2化學鍵結反應機制 10
三、實驗設備、材料與流程 11
3-1 實驗相關設備 11
3-1-1 CNC雕刻機 11
3-1-2 精密電子天平 11
3-1-3 去離子水系統 12
3-1-4 電磁加熱攪拌器 12
3-1-5 pH測量計 13
3-1-6 超音波洗淨機 13
3-1-7 熱熔膠塗佈機 14
3-1-8 場發射掃描式電子顯微鏡 14
3-1-9 原子力顯微鏡 15
3-1-10 場發射穿透式電子顯微鏡 15
3-1-11 分散式拉曼光譜儀 16
3-1-12 CCD(Charge Coupled Device)量測系統 16
3-2實驗材料 17
3-2-1工件材料 17
3-2-2 研磨輪材料 19
3-2-3 熱熔膠材料 20
3-2-4 磨粒材料 21
3-2-5 催化劑 22
3-2-6 膠狀瞬間膠 22
3-3 實驗流程與步驟 23
3-3-1 熱熔膠研磨墊製作流程 24
3-3-2 熱熔膠研磨墊特性分析 27
3-3-3 實驗架設與參數設定 27
3-3-4 結果與討論 29
四、結果與討論 30
4-1 熱熔膠研磨墊分析 30
4-1-1 孔隙密度 30
4-1-2 壓縮性 31
4-1-3 磨料吸附性 33
4-1-4 損耗分析 34
4-1-5 研磨墊的選擇 36
4-2 研磨矽晶片實驗參數探討 37
4-2-1 不同進給速率對表面粗糙度、加工移除量的影響 37
4-2-2 不同研磨荷重對表面粗糙度、加工移除量的影響 39
4-2-3 不同磨輪轉速對表面粗糙度、加工移除量的影響 45
4-2-4 不同磨料濃度對表面粗糙度、加工移除量的影響 50
4-2-5 不同研磨道次對表面粗糙度、加工移除量的影響 54
4-2-6 最佳實驗參數 60
4-3 次表面損傷層TEM分析 60
4-4 次表面損傷層拉曼分析 64
五、結論 67
六、參考文獻 68
圖目錄
圖2-1 矽的原子結構圖 6
圖2-2 立方晶體的3D模型 6
圖2-3 最易滑移方向示意圖 7
圖2-4 溫度與熱膨脹係數關係圖 7
圖2-5 Hertzian Model 微觀去除模型 9
圖2-6 Fluid-Based Model 微觀去除模型 9
圖3-1 CNC雕刻機 11
圖3-2 精密電子天平 11
圖3-3 去離子水系統 12
圖3-4 電磁加熱攪拌器 12
圖3-5 pH測量計 13
圖3-6 超音波洗淨機 13
圖3-7 熱熔膠塗佈機 14
圖3-8場發射掃描式電子顯微鏡 14
圖3-9原子力顯微鏡 15
圖3-10場發射穿透式電子顯微鏡 15
圖3-11分散式拉曼光譜儀 16
圖3-12 CCD(Charge Coupled Device)量測系統 16
圖3-13 矽晶片工件尺寸圖 17
圖3-14 矽晶片晶背表面SEM圖 18
圖3-15 矽晶片晶背表面AFM圖 18
圖3-16 研磨輪尺寸圖 20
圖3-17 熱熔膠(EVA)粒子 20
圖3-18 實驗流程圖 23
圖3-19 熱熔膠研磨墊製作流程 25
圖3-20 塗佈距離示意圖 26
圖3-21 噴嘴頭示意圖 26
圖3-22 自動進給研磨路徑 27
圖3-23 研磨實驗架設裝置 28
圖4-1不同塗佈距離下研磨墊孔隙密度的變化 31
圖4-2 量測壓縮性設備 32
圖4-3 不同塗佈距離下研磨墊的壓縮性變化 33
圖4-4 不同塗佈距離下研磨墊磨料吸附性變化 34
圖4-5 不同塗佈距離下研磨墊加工後的損耗情形 36
圖4-7 不同進給速率下矽晶片的SEM圖 38
圖4-8 不同進給速率對加工移除量的影響 39
圖4-9 不同研磨荷重對表面粗糙度的影響 40
圖4-11 不同研磨荷重下矽晶片的AFM圖 44
圖4-12 不同研磨荷重對加工移除量的影響 44
圖4-13 不同磨輪轉速對表面粗糙度的影響 45
圖4-14 不同磨輪轉速下研磨墊磨耗情形 47
圖4-15 不同磨輪轉速下矽晶片的AFM圖 49
圖4-16 不同磨輪轉速對加工移除量的影響 49
圖4-17 不同磨料濃度對表面粗糙度的影響 51
圖4-18 不同磨料濃度下矽晶片的AFM圖 53
圖4-19 不同磨料濃度對加工移除量的影響 53
圖4-20 不同研磨道次對表面粗糙度的影響 55
圖4-21 不同研磨道次下研磨墊磨耗情形 56
圖4-22 不同研磨道次下矽晶片的AFM 圖 59
圖4-23 不同研磨道次對加工移除量的影響 59
圖4-24 最佳參數下表面粗糙度改善效果 60
圖4-25 最佳實驗參數的次表面損傷層 62
圖4-26 最大進給速率下的次表面損傷層 62
圖4-27 最大研磨荷重下的次表面損傷層 63
圖4-28 最大磨輪轉速下的次表面損傷層 63
圖4-29 最大進給速率10 mm/sec與最佳參數拉曼光譜訊號強度區域局部放 64
圖4-30 最大研磨轉速14000 rpm與最佳參數拉曼光譜訊號強度區域局部放 65
圖4-31 最大研磨荷重450 g與最佳參數拉曼光譜訊號強度區域局部放大分 65
圖4-32 拉曼強度比對非晶質層厚度圖 66
表目錄
表2-1 室溫下矽的破裂韌性 7
表2-2 研磨模式 9
表3-1 矽的機械性質 17
表3-2 不鏽鋼的物理與機械性質 19
表3-3 熱熔膠的材料性質 21
表3-4 碳化矽磨粒材料特性 21
表3-5 氫氧化鈉的性質 22
表3-6 熱熔膠研磨墊製程參數 25
表3-7 矽晶片研磨實驗參數設定 28

參考文獻

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19. Zhang Yinxia, Kang Renke, Guo Dongming, and Jin Zhuji, Rare metals. Vol 26. No.1, 2007, p 13.

指導教授

黃豐元(Fuang-Yuan Huang)

審核日期

2009-7-27

推文