線上拋光墊性能監測之彩色共軛焦系統取樣分析｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	陳俊臣 Chun-Chen Chen
論文名稱：	線上拋光墊性能監測之彩色共軛焦系統取樣分析 Study on In-Process Sampling Analysis of Polishing Pad Performance Monitoring by Chromatic Confocal Measurement System
指導教授：	陳亮光 Liang-Kuang Chen 陳炤彰 Chao-Chang Chen
口試委員:	吳煌榮 Whang-Zong Wu 楊棋銘 Chi-Ming Yang 陳亮光 Liang-Kuang Chen 呂立鑫 Li-Hsin Lu 陳炤彰 Chao-Chang Chen
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 機械工程系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2018
畢業學年度：	106
語文別：	中文
論文頁數：	164
中文關鍵詞：	化學機械平坦化、彩色共軛焦系統、拋光墊性能、取樣分析、線上監測
外文關鍵詞：	Chemical mechanical polishing, Chromatic confocal system, Performance of polishing pad, Sampling analysis, In-Process monitoring
相關次數：	點閱：306 下載：3
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本研究主要為研發線上拋光墊監測系統，透過彩色共軛焦量測系統架設應用於旋轉式拋光機台，利用拋光盤面的旋轉運動以及搖臂的搖擺旋轉運動，搭配彩色共軛焦系統擷取高度資訊，進行線上監測之拋光墊表面形貌的掃描及重組。目前化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization/Polishing, CMP)常用硬式發泡拋光墊表面突起(Asperity)尺度在微米(??)等級，拋光墊孔洞大小約在 20~50 微米左右，因此對於動態量測系統需有足夠的解析度，才足以還原拋光墊表面形貌，避免失真的現象。本研究之線上量測系統為一雙輸入單輸出系統，系統控制輸入分別為拋光機台之拋光盤面轉速、搖臂旋轉速度，並對搖臂來回運動掃描時馬達變向以及停頓時間進行回授校正，系統輸出為拋光墊表面形貌。由於此系統為動態量測會受到許多干擾，如水平誤差、機台旋轉產生的振動及濕式量測時空氣清除系統都會影響到量測結果。實驗結果顯示當取樣頻率為 1000 Hz、拋光盤轉速為 40 rpm 及計算樣本截斷值為 200 點時量測軌跡分佈準確度達 93.61%。研究結果可進一步用於改進 IPPMS 整合到 CMP 機台。

This study is to develop an in-process pad monitoring system (IPPMS) with chromatic confocal measurement probe attached on a swing dressing arm in Chemical Mechanical Planarization/Polishing, CMP tool. The rotary motion of the polishing pad surface and the swing motion of dressing arm need to be combined to capture the pad height information measured by chromatic confocal system for in-process monitoring of the polishing pad. The pad asperities of most common hard and porous polishing pad have a pore size is about 20 to 50 microns. Thus the IPPMS needs to have sufficient resolution to restore the surface topography of pad to avoid distortion. The IPPMS system is a dual-input, single-output system from the point-of-view of control theory. The system control inputs are the rotation speed of polishing plate or pad surface and also the swing arm rotation speed of CMP tool, and the feedback correction of the motor in motion scanning. The system output is the surface topography of polishing pad. Some system disturbances for dynamic measurement include the horizontal position error and the periodic vibration, and the air purging system during the wet condition measurement can strongly affect the measurement results. Experimential results show that when the sampling frequency is 1000 Hz and the polishing pad rotation speed is 40 rpm, the distribution accuracy of measurement is 93.61%. Results of this study can be further used to improve the IPPMS for integration into CMP tool.

目錄
摘要    III
Abstract    IV
致謝    V
目錄    VII
圖目錄    X
表目錄    XV
第一章　導論    1
1.1 研究背景    1
1.2 研究目的與方法    4
1.3 論文架構    5
第二章 文獻回顧    7
2.1 拋光墊性能狀態評估相關文獻    7
2.2 拋光墊量測方法相關文獻    12
2.3 文獻回顧總結    17
第三章 彩色共軛焦系統與拋光墊表面形貌分析    18
3.1 彩色共軛焦量測系統    18
3.1.1 彩色共軛焦量測原理    18
3.1.2 線上拋光墊量測系統架構    19
3.1.3 量測系統軌跡方程式    22
3.2 拋光墊結構與表面形貌分類及分析    24
3.2.1 拋光墊種類    24
3.2.2 承載面積比(Bearing Area Ratio, BAR)    27
3.3 希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang Transform, HHT)    31
3.3.1 本質模態函數(IMF)    31
3.3.2 經驗模態分析(EMD)    32
3.3.3 HHT程式應用    36
第四章 線上拋光墊監測系統實驗設備及結果    41
4.1 實驗設備    41
4.1.1 拋光機台    41
4.1.2 彩色共軛焦量測設備    42
4.2 實驗耗材    43
4.2.1 拋光墊    43
4.2.2 晶圓    44
4.2.3 鑽石修整器    45
4.2.4 拋光液    45
4.3 實驗規劃及結果    47
4.3.1 實驗A量測軌跡驗證    48
4.3.2 實驗B 靜態及乾濕式動態量測比對    60
4.3.3 實驗C 線上拋光墊製程監測    78
4.3.4 綜合結果與討論    84
第五章 結論與建議    86
5.1 結論    86
5.2 建議    87
參考文獻    88
附錄A 量測軌跡驗證    90
附錄B 取樣後量測軌跡分佈    106
附錄C 拋光墊表面性能    111
附錄D 乾式動態量測數據    113
附錄E 濕式動態量測數據    131

 
圖目錄
圖 1 1  化學機械平坦化示意圖[24]    3
圖 1 2  CMP材料移除機制[24]    3
圖 1 3  CMP耗材市場成長趨勢(Source：LINX Consuliting Co.)[2]    3
圖 1 4  論文研究架構圖    6
圖 2 1  雷射共軛焦顯微技術示意圖[3]    9
圖 2 2  碎形維度計算示意圖[3]    9
圖 2 3  (a)輪胎磨耗指示記號 (b)已磨耗到指示記號的胎紋[4]    10
圖 2 4  拋光墊有效壽命指標示意圖[4]    10
圖 2 5  拋光墊磨合期指標(BTI)為S_p與S_a比值[5]    10
圖 2 6  彩色共軛焦量測系統架構[10]    11
圖 2 7  比較Stylus與WL隨製程時間增加粗糙度的變化[6]    13
圖 2 8  探針式表面輪廓儀受限於探針大小[6]    14
圖 2 9  使用三角雷射位移計建構監控拋光墊系統[7]    14
圖 2 10 拋光墊溝槽深度的變化[7]    14
圖 2 11 複合式拋光墊監控系統[8]    15
圖 2 12  Smart CMP於濕式環境下穿透水膜量測拋光墊性能[9]    15
圖 3 1  彩色共軛焦量測原理(Source：STIL Co.)    18
圖 3 2  多波長光源聚焦至不同的深度位置(Source：STIL Co.)    19
圖 3 3  量測系統架構    21
圖 3 4  量測系統模型    21
圖 3 5  量測軌跡示意圖[11]    22
圖 3 6  乘載比與承載輪廓曲線[3]    29
圖 3 7  承載比之等價直線示意圖[3]    29
圖 3 8  S_k上下兩點界限和承載比曲線相交之位置[3]    30
圖 3 9  承載比分區[3]    30
圖 3 10  EMD過程[21]    34
圖 3 11  EMD流程圖 [21]    35
圖 3 12  原始訊號    38
圖 3 13  原始訊號之頻譜分佈    38
圖 3 14  HHT訊號分解後IMF訊號    39
圖 3 15  HHT訊號分解後頻譜圖    39
圖 3 16  殘餘訊號(單調函數)    40
圖 4 1   彩色共軛焦安裝於HAMAI之系統圖    41
圖 4 2   彩色共軛焦量測設備    42
圖 4 3   KINIK Company co., ltd. 3EA-3 鑽石修整器    45
圖 4 4   Sn2050_1黏度及酸鹼值對溫度變化特性圖    47
圖 4 5   實驗總體架構    47
圖 4 6   實驗A流程圖    48
圖 4 7   PML字樣    50
圖 4 8   量測軌跡示意圖    50
圖 4 9   乾式量測軌跡原始數據    52
圖 4 10  量測軌跡平面校正後    53
圖 4 11  量測軌跡還原至相對高度位置    54
圖 4 12  拋光盤轉速40 rpm (a)正向運動軌跡 (b)停頓時軌跡 (c)反向運動軌跡 (d)來回運動軌跡    54
圖 4 13  搖臂配電箱    56
圖 4 14  搖臂轉速及角度位置    56
圖 4 15  拋光盤轉速40 rpm搖臂轉速校正後 (a)正向運動軌跡 (b)停頓運動軌跡 (c)反向運動軌跡 (d)來回運動軌跡    57
圖 4 16  PML字樣設置圖    58
圖 4 17  濕式量測原始數據    59
圖 4 18  濕式量測軌跡還原至相對高度位置    59
圖 4 19  拋光盤轉速40 rpm濕式量測軌跡    60
圖 4 20  實驗B流程圖    61
圖 4 21  Olympus Laser Confocal量測機台    62
圖 4 22  Olympus Laser Confocal靜態量測結果    63
圖 4 23  穩定性量測    63
圖 4 24  量測原始數據(f = 1000, r = 40)    65
圖 4 25  移動平均數填補溝槽(f = 1000, r = 40)    66
圖 4 26  二維輪廓種類示意圖[14]    67
圖 4 27  IMF(f = 1000, r = 40)    67
圖 4 28  殘餘訊號(f = 1000, r = 40)    68
圖 4 29  IMF值頻譜圖(f = 1000, r = 40)    68
圖 4 30  f = 1000 Hz, r = 40 rpm, 計算樣本截斷值為(a)10點(b)20點(c)50點(d)100點(e)200點(f)300點(g)400點(h)500點粗糙度變化    70
圖 4 31  f = 1000 Hz, r = (a)40 rpm (b)50 rpm(c) 60 rpm 在不同計算樣本截斷值下粗糙度變化    71
圖 4 32  f = 500, r = (a)40 rpm (b)50 rpm (c)60 rpm 在不同計算樣本截斷值下粗糙度變化    72
圖 4 33  f = 250, r = (a)40 rpm (b)50 rpm (c)60 rpm在不同計算樣本截斷值下粗糙度變化    72
圖 4 34  f = 1000, r = 40, c = 10 軌跡分佈    73
圖 4 35  f = 1000, r = 40, c = 200 軌跡分佈    74
圖 4 36  f = 1000, r = 40, c = 500 軌跡分佈    74
圖 4 37  空氣去除系統示意圖[10]    75
圖 4 38  f = 1000, r =(a)40 rpm (b)50 rpm (c)60 rpm濕式動態量測    77
圖 4 39  f = 500, r = (a)40 rpm (b)50 rpm (c)60 rpm濕式動態量測    77
圖 4 40  f = 250, r = (a)40 rpm (b)50 rpm (c)60 rpm濕式動態量測    78
圖 4 41  實驗C流程圖    79
圖 4 42  量測流程圖    80
圖 4 43  紅色為計算粗糙度區域(a)所有量測區域(b)晶圓與拋光墊反應區域    82
圖 4 44  銅膜晶圓MRR與拋光墊粗糙度R_a相關性示意圖    83
圖 4 45  銅膜晶圓MRR與拋光墊反應區域粗糙度R_a相關性示意圖    83


 
表目錄
表 2 1  拋光墊性能狀態評估文獻回顧    11
表 2 2  量測方法文獻回顧    16
表 3 1  四種不同的拋光墊種類特徵與性質[17]    25
表 4 1  彩色共軛焦系統規格表    42
表 4 2  拋光墊規格表    43
表 4 3  銅膜晶圓試片列表    44
表 4 4  Sn2050_1使用配比    46
表 4 5  Sn2050_1基本物性表    46
表 4 6  量測軌跡參數列表    49
表 4 7  乾式動態量測參數設定    65
表 4 8  濕式動態量測參數設定    76
表 4 9  銅膜晶圓拋光製程參數表    80
表 4 10 每片銅膜晶圓材料移除率總表    80


                                

參考文獻
[1] H. Xiao, 羅正忠, and 張鼎張, "半導體製程技術導論," 台灣培生教育出版, 台北市, 2002.
[2] http://www.linx-consulting.com/CMP-technologies-7nm-node.html
[3] 王柏凱, "雷射共軛焦三維表面形貌量測儀開發應用於拋光墊之碎形維度和承載比分析," 國立台灣科技大學, 機械工程研究所碩士論文, 2013.
[4] 溫禪儒,"單晶矽與藍寶石晶圓化學機械平坦化之拋光墊有效壽命指標分析研究," 國立台灣科技大學, 機械工程研究所碩士論文， 2014.
[5] 陳鈺庭,"拋光墊修整磨合期對銅膜晶圓化學機械拋光影響研究,"國立台灣科技大學, 機械工程研究所碩士論文, 2012.
[6] J. McGrath and C. Davis, "Polishing pad surface characterisation in chemical mechanical planarisation," Journal of Materials Processing Technology, vol. 153-154, pp. 666-673, 2004.
[7] S. Del Monaco, F. Calderone, M. Fritah, T. L. Tiec, and A. Laurent, "Chemical Mechanical Planarization (CMP) In-Situ pad groove monitor through Fault Detection and Classification (FDC) system," in Planarization/CMP Technology (ICPT 2012), International Conference on, 2012, pp. 1-6.
[8] E.-S. Lee, J.-W. Cha, and S.-H. Kim, "Evaluation of the wafer polishing pad capacity and lifetime in the machining of reliable elevations," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 66, pp. 82-94, 2013.
[9] SENSOFAR CO. "Surface Metrology for In-Situ Pad Monitoring in Chemical Mechanical Planarization (CMP)." AZO MATERIALS, 2015.
[10] 蔡明城,"開發線上監控量測方法與系統應用於拋光墊性能水準分析之研究," 國立台灣科技大學, 機械工程研究所碩士論文, 2016.
[11] 傅彥綺,"拋光墊線上量測系統於修整性能分析與同化學機械拋光之相關性研究," 國立台灣科技大學, 機械工程研究所碩士論文, 2017.
[12] "ISO 25178-2:2012 Geometrical Product Specifications (GPS) – Surface texture: Areal, Part1: Terms, definitions and surface texture parameters. "
[13] "ISO 25178-602:2010 Geometrical Product Specifications (GPS) – Surface texture: Areal, Part602: Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic probe) instruments. "
[14] P. Ettl, B. E. Schmidt, M. Schenk, I. Laszlo, and G. Haeusler, "Roughness parameters and surface deformation measured by coherence rader," in International Conforence on Applied Optical Metrology, 1988, pp. 133-140.
[15] 張奕威,"多波長差動共焦顯微三維形貌量測技術之研究," 國立台北科技大學, 機電科技研究所博士論文, 2013.
[16] 陳奕璇,"彩色共焦干涉式顯微三維形貌量測方法與探頭之研發," 國立台北科技大學, 自動化科技研究所碩士論文, 2012.
[17] Y. Li, Microelectronic applications of chemical mechanical planarization: John Wiley & Sons, 2007.
[18] M. Stewart, "A New Approach to the Use of Bearing Area Curve", International Honing Technologies and Applications, 1990.
[19] L. B. X. Jiang, "Advanced Techniques for Assessment Surface Topography-Development of a Basis for 3D surface Texture standards", 2003.
[20] H. K. Sunghoon Lee, "Development of a CMP pad with controlled micro features for improved performance", IEEE, 2005.
[21] N. E. Huang, Z. Shen, S. R. Long, M. C. Wu, H. H. Shih, Q. Zheng, N.-C. Yen, C. C. Tung, H. H. Liu, "The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis", Proc. Royal Socity, vol. 454, pp.903-995, 1998.
[22] 徐曉剛、徐冠雷、王孝通、秦緒佳，"經驗模式分解(EMD)及其應用"，中國電子學會電子學報，vol. 37, pp. 581-585, 2009.
[23] B. Huang and A. Kunoth, "An optimization base emprical mode decomposition scheme", Journal of Computational and Applied Mathematics, vol. 240, pp. 174-183, 2013.
[24] 王建榮, 林慶福 and 林必窕, "半導體平坦化CMP技術," 全華科技圖書股份有限公司, 台北市, 1999.
[25] 國立中央大學數據分析方法研究中心, “http://rcada.ncu.edu.tw/intro.html”
[26] H. Lee, Y. Zhuang, M. Sugiyama, Y. Seike, M. Takaoka, K. Miyachi, T. Nishiguchi, H. Kojima, A. Philipossian,"Pad flattening ratio, coefficient of friction and removal rate analysis during silicon dioxide chemical mechanical planarization", Thin Solid Film, vol.518, pp.1994-2000, 2010.
[27] 李德治, 林孟儒 and 童惠玲, "統計學," 博碩文化股份有限公司, 新北市, 2012.

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