微細發泡射出成形於拋光墊製造及化學機械平坦化應用研究

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研究生：	李怡萱 Yi-Shiuan Li
論文名稱：	微細發泡射出成形於拋光墊製造及化學機械平坦化應用研究 Microcellular Injection Molding Process of Polishing Pad and Application in Chemical Mechanical Planarization Process
指導教授：	陳炤彰 Chao-Chang Chen
口試委員:	劉士榮 Shih-Jung Liu 趙崇禮 Choung-Lii Chao 黃世欣 Shih-Hsin Huang 鄭逸琳 Yih-Lin Cheng 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：	140
中文關鍵詞：	超臨界微細發泡射出成形、化學機械平坦化、拋光墊、孔隙率
外文關鍵詞：	Microcellular Injection Molding, Chemical Mechanical Planarization, Polishing Pad, Porosity
相關次數：	點閱：307 下載：23
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上一筆

本研究主要為結合超臨界微細發泡射出成形技術(Microcellular Injection Molding, MIM)與化學機械平坦化製程(Chemical Mechanical Planarization, CMP)，由於微細發泡射出成形技術具有製程時間短、工件微結構形貌易透過加工參數調控等優點，本研究希望將此技術應用於CMP耗材之拋光墊製造。本研究分為三部分：首先探討微細發泡射出成形製程中加工參數與材料對於射出成品之結構影響，本研究以材料種類與氣體填充劑量(SCF dosage)作為控制變因，透過Moldex3D模流軟體對二種TPU材料以及四種氣體填充劑量共計八種不同參數進行製程模擬，最後選用二種TPU材料以及二種氮氣填充劑量製作出四款不同微孔洞結構之拋光墊樣品，分別具有孔洞尺寸62.9、72.8、86.4、99.1μm。第二部分則對拋光墊樣品進行結構觀察與機械性質量測，量測項目包含拋光墊常用標準：壓縮性、壓縮回彈率、硬度、楊氏係數、蒲松比、承載比，並將各拋光墊之量測結果繪製成靜態特性雷達圖，此雷達圖可清楚表示各拋光墊之性質並判別該款拋光墊適合應用之製程種類及適用之加工參數。最後，將四款拋光墊應用於玻璃之化學機械平坦化製程，同時採用商用IC1000拋光墊作為對照。以複合材料中基材/添加材之分配與分散性概念應用於拋光墊基材/孔隙的計算，以拋光墊表面孔洞數量計算孔隙率以及孔洞尺寸分布，發現孔洞尺寸呈常態分佈， MRR則與孔隙率成正比。雷達圖各項機械性質與MRR之相關性：呈高度正相關者包含硬度0.99、楊氏係數0.97、蒲松比0.88以及Spk為0.95。

This study aims to develop a microcellular injection molding (MIM) process of molded pads for chemical mechanical planarization (CMP). Due to its advantages of short process time and adjustable microstructure, this study applies MIM for manufacturing CMP consumables, polishing pads. This study is divided into three parts: the first is the influence of processing parameters and different materials on the structure of the finished microcellular injection molded product is discussed. The material type and supercritical fluid (SCF) dosage have been set as control variables. Moldex3D has been used to simulate two types of TPU and four different SCF dosage. Then, two types of TPU material and two SCF dosage levels have been used to manufacture four types of polishing pad samples with pore sizes 62.9, 72.8, 86.4, and 99.1 μm, respectively. In the second part, polishing pad samples have performed structural observation and mechanical properties measurement, including compressibility, compression recovery rate, hardness, Young's modulus, Poisson’s ratio and bearing area ratio. Experimental results can be drawn into a static property radar chart, which clearly indicates the properties of each polishing pad, and thereby identify the suitable process for the polishing pad and the applicable processing parameters. Finally, the MIM polishing pads have been applied to glass polishing, where a commercial IC1000 polishing pad is used as a reference. The MRR of IC1000 pad is 210.89 nm/min, and 135.88, 127.38, 106.15, 93.4 nm/min for the developed MIM pads. Results of correlation analysis show that hardness, Young's modulus, Poisson’s ratio and bearing area ratio (Spk) are highly correlated with MRR. Concept of dispersion and distribution that are usually used in composite materials have been applied to describe the pore structure distribution in polishing.

目錄
摘要…………………..    I
Abstract……………….    II
致謝……….    III
目錄…………    IV
圖目錄…………..    VIII
表目錄……….    XIV
符號表………..    XVII
第一章 緒論    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 微細發泡射出成形技術相關文獻    7
2.2 拋光墊分析相關文獻    13
2.3 拋光墊製作方式相關專利    20
2.4 玻璃化學機械平坦化相關文獻    26
2.5 文獻回顧總結    31
第三章 微細發泡射出製造拋光墊製程    32
3.1 微細發泡射出成形技術介紹    32
3.1.1 超臨界流體    32
3.1.2 微細發泡射出成形之背景    35
3.1.3 微細發泡射出成形技術反應機制    36
3.1.4 成形參數對發泡之影響    38
3.1.5 射出發泡件之孔隙率控制    40
3.2 實驗設備與規劃    42
3.2.1 微細發泡射出成形相關設備    42
3.2.2 實驗規劃    45
3.3 微細發泡射出成形拋光墊(實驗A)    46
3.3.1 模流分析    46
3.3.2 實驗參數    51
3.3.3 取樣方法    53
3.3.4 射出成品與模擬結果比較    53
第四章 拋光墊性質與分析方法    58
4.1 拋光墊性質    58
4.1.1 拋光墊功能與分類    58
4.1.2 拋光墊表面形貌觀測方法    61
4.1.3 拋光墊孔隙之分配與分散性質    63
4.1.4 拋光墊結構與承載面積比    65
4.1.5 拋光墊機械性質    69
4.2 實驗規劃    70
4.3 拋光墊性質分析(實驗B)    71
4.3.1 試片初始條件    71
4.3.2 拋光墊表面形貌與微結構分析    74
4.3.3 拋光墊承載比分析    79
4.3.4 拋光墊機械性質    82
4.3.5 接觸角量測    88
4.3.6 拋光墊特性雷達圖建立    91
第五章 拋光墊拋光效益實驗    95
5.1 實驗設備與規劃    95
5.1.1 化學機械平坦化製程設備    95
5.1.2 實驗耗材    96
5.1.3 實驗規劃    101
5.2 玻璃化學機械平坦化實驗(實驗C-1)    102
5.2.1 製程最佳參數測試    102
5.2.2 微細發泡射出成形拋光墊拋光實驗    105
5.2.3 拋光墊孔洞微結構對材料移除率之影響    107
5.2.4 拋光墊特性對於材料移除率之影響    109
5.3 矽晶圓化學機械平坦化實驗(實驗C-2)    114
5.3.1 拋光參數設定    114
5.3.2 矽晶圓拋光結果    115
5.4 製程後拋光墊特性變化    118
5.4.1 拋光墊承載比分析    118
5.4.2 拋光墊機械性質    121
5.5 綜合結果與討論    123
第六章 結論與建議    124
6.1 結論    124
6.2 建議    125
參考文獻………….    126
附錄A 射出成形機規格    131
附錄B量測儀器與設備    132
附錄C 拋光墊SEM觀察    137
附錄D 玻璃拋光後表面粗糙度    141

 
圖目錄
Fig. 1-1    (a)熱回流法 (b)光阻回蝕法 (c)玻璃旋轉塗佈法[1]    2
Fig. 1-2    CMP製程示意圖[2]    3
Fig. 1-3    CMP耗材市場成長趨勢    3
Fig. 1-4    批次製程生產微細發泡塑膠之反應爐[4]    3
Fig. 1-5    論文架構圖    6
Fig. 2-1    表層厚度量測:充填/發泡時間差(a)2秒(b)5秒[5]    10
Fig. 2-2    不同背壓控制對於各項結構與機械性質之影響[6]    10
Fig. 2-3    機械性質與超臨界流體比例關係(a)拉伸強度(b)彎曲強度[7]    10
Fig. 2-4    各影響因子之成品預測模型    11
(1)溫度與二氧化碳含量vs.孔隙尺寸 (2)二氧化碳含量與射速vs.孔隙密度 (3)溫度與射速vs.表層厚度 (4)溫度與射速vs.楊氏係數[8]    11
Fig. 2-5    SEM觀察試片外層(左)與中心結構(右)    12
(a)第一階段 (b)第二階段 (c)第三階段[9]    12
Fig. 2-6    拋光墊壓縮性與晶圓材料移除率比較圖[10]    17
Fig. 2-7    (a) Rpk與材料移除率 (b) Rpk與摩擦力[11]    17
Fig. 2-8    磨料於拋光墊上運動模型[12]    17
Fig. 2-9    影響拋光效率之拋光墊特性魚骨圖[13]    18
Fig. 2-10    拋光墊使用前後之靜態特性雷達圖比較[13]    18
Fig. 2-11    線上監控量測系統之搖臂與探頭安裝簡圖[14]    19
Fig. 2-12    動態量測三維形貌[14]    19
Fig. 2-13    以US 6896593 B2專利方法製成之拋光墊[16]    22
Fig. 2-1    US 0035573 A1之專利技術代表圖[17]    23
Fig. 2-2    US 7537446 B2之專利技術代表圖[18]    24
Fig. 2-3    US 0283700 A1之專利技術代表圖[19]    25
Fig. 2-4    刮痕觀察(a)拋光前 (b)拋光後 (c)氫氟酸腐蝕200nm (d) 氫氟酸腐蝕1000nm[20]    29
Fig. 2-5    拋光盤/研磨頭轉速比對於晶圓外緣/中心移除率之影響[21]    29
Fig. 2-6    (a)晶圓/拋光墊接觸模型 (b)晶圓表面壓力分佈情形[21]……..    29
Fig. 2-7    玻璃於平坦化製程中接觸面積與壓力變化[22]    30
Fig. 2-8    平坦化製程中壓力與接觸面積之變化[22]    30
Fig. 2-9    玻璃於平坦化製程中之摩擦力變化[22]    30
Fig. 3-1    氣體相態變化(a)兩項共存 (b)次臨界態 (c)超臨界態    33
Fig. 3-2    氮氣物質三相圖    33
Fig. 3-3    MuCell®微細發泡射出成形之反應機制(Trexel)    37
Fig. 3-4    料量控制孔隙大小，料量(1)94.6% (2)86.9% (3)75.5% (4)70.9%[7]    41
Fig. 3-5    射出成形充填之噴泉流效應示意圖[25]    41
Fig. 3-6    微細發泡射出成形件之三層結構[8]    41
Fig. 3-7    Arburg 320S射出成形機    43
Fig. 3-8    Trexel© SCF供應系統    43
Fig. 3-9    Fisherbrand™ Isotemp Model 282a烘料機    44
Fig. 3-10    微細發泡射出成形拋光墊實驗流程圖    45
Fig. 3-11    發泡件射出樣品網格模型    47
Fig. 3-12    BASF-TPU1180A黏度-溫度-剪切率關係圖    47
Fig. 3-13    BASF-TPU1185A黏度-溫度-剪切率關係圖    48
Fig. 3-14    BASF-TPU1180A壓力-比容-溫度關係圖    48
Fig. 3-15    BASF-TPU1185A壓力-比容-溫度關係圖    48
Fig. 3-16    樣品膨脹情形(a)上視圖 (b)側視圖    54
Fig. 3-17    SEM觀察拋光墊微結構分層(a)MIM 8505 (b)MIM 8507 (c)MIM 8005 (d)MIM 8007    56
Fig. 3-18    SEM取樣位置示意圖    57
Fig. 4-1    拋光墊四大分類與特性表[26]    60
Fig. 4-2    使用OM觀察拋光墊型貌(a)Top view (b)Side view    61
Fig. 4-3    使用Confocal觀察拋光墊型貌    62
Fig. 4-4    使用SEM觀察拋光墊型貌(a)100x (b)500x    62
Fig. 4-5    多種複合材料結合形式示意圖[28]    64
Fig. 4-6    (a)均勻分佈的粒子 (b)圖a中各粒子間距統計結果 (c)發生團聚現象的粒子 (d) 圖b中各粒子間距統計結果[29]……..    64
Fig. 4-7    添加材分散性與分配性示意圖[30]    64
Fig. 4-8    承載比等價直線示意圖    67
Fig. 4-9    上下界限與承載比曲線相交位置    67
Fig. 4-10    承載比分區    67
Fig. 4-11    拋光墊分層示意圖    68
Fig. 4-12    (a)較硬 (b)較軟拋光墊於拋光時的變形示意圖    69
Fig. 4-13    拋光墊性質分析實驗流程圖    70
Fig. 4-14    表面實心層移除流程圖    72
Fig. 4-15    切屑形貌(a)常溫下加工 (b)冷凍後加工    72
Fig. 4-16    切屑以SEM放大30倍之形貌(a)常溫下加工 (b)冷凍後加工    72
Fig. 4-17    拋光墊加工深度量測    73
Fig. 4-18    Confocal觀察IC1000表面微結構(a)10X (b)20X    75
Fig. 4-19    Confocal觀察MIM 8505表面微結構(a)10X (b)20X    75
Fig. 4-20    Confocal觀察MIM 8507表面微結構(a)10X (b)20X    75
Fig. 4-21    Confocal觀察MIM 8005表面微結構(a)10X (b)20X    76
Fig. 4-22    Confocal觀察MIM 8007表面微結構(a)10X (b)20X    76
Fig. 4-23    SEM觀察IC1000表面微結構(a)側視圖 (b)上視圖    77
Fig. 4-24    SEM觀察MIM 8505表面微結構(a)側視圖 (b)上視圖    77
Fig. 4-25    SEM觀察MIM 8507表面微結構(a)側視圖 (b)上視圖    77
Fig. 4-26    SEM觀察MIM 8005表面微結構(a)側視圖 (b)上視圖    78
Fig. 4-27    SEM觀察MIM 8007表面微結構(a)側視圖 (b)上視圖    78
Fig. 4-28    拋光墊壓縮性量測應力-應變圖(乾式)    86
Fig. 4-29    拋光墊壓縮性量測應力-應變圖(濕式)    86
Fig. 4-30    拋光墊軸向應變-橫向應變關係圖(乾式)    87
Fig. 4-31    拋光墊軸向應變-橫向應變關係圖(濕式)    87
Fig. 4-32    接觸角計算示意圖    88
Fig. 4-33    拋光墊特性雷達圖(a)IC1000 (b)MIM 8505 (c)MIM 8507 (d)MIM 8005 (e)MIM 8007    94
Fig. 5-1    M-15P拋光機台    95
Fig. 5-2    SP4080-2拋光液黏度對溫度變化之特性圖    98
Fig. 5-3    SP4080-2拋光液酸鹼值對溫度變化之特性圖    98
Fig. 5-4    Bindzil One拋光液黏度對溫度變化之特性圖    99
Fig. 5-5    Bindzil One拋光液酸鹼值對溫度變化之特性圖    99
Fig. 5-6    實驗用晶圓(a)直徑10 mm玻璃圓板 (b) 10 mm×10 mm矽晶圓 (c) 10 mm×10 mm玻璃晶圓    100
Fig. 5-7    拋光效益實驗流程圖    101
Fig. 5-8    IC1000 Glass-CMP材料移除率曲面模型    104
Fig. 5-9    各拋光墊之BAR曲線(a)IC1000 (b)MIM 8505 (c)MIM 8507 (d)MIM 8005 (e)MIM 8007    107
Fig. 5-10    綜合五款拋光墊之靜態特性雷達圖    110
Fig. 5-11    孔洞大小與材料移除率關係圖    111
Fig. 5-12    拋光墊壓縮率與材料移除率關係圖    112
Fig. 5-13    拋光墊壓縮回彈率與材料移除率關係圖    112
Fig. 5-14    拋光墊硬度與材料移除率關係圖    112
Fig. 5-15    拋光墊楊氏係數與材料移除率關係圖    113
Fig. 5-16    拋光墊蒲松比與材料移除率關係圖    113
Fig. 5-17    拋光墊承載比與材料移除率關係圖    113
Fig. 5-18    IC1000 Si-CMP材料移除率曲面模型    116
Fig. 5-19    MIM8505 Si-CMP材料移除率曲面模型    117
Fig. B-1 Zeiss Leo 1530 掃描式電子顯微鏡    133
Fig. B-2 VML250P 輪廓量測儀    133
Fig. B-3 雷射共軛焦量測儀    134
Fig. B-4 多孔性拋光墊量測儀    134
Fig. B-5 Talysurf CCI-Lite 非接觸式綠光干涉儀    135
Fig. B-6 Viscometer LVDV-II+Pro 轉子型數位黏度計    135
Fig. B-7 Mastersizer 2000 雷射繞射粒徑分佈分析儀    136
Fig. B-8 Mitutoyo 544三次元量床    136
Fig. D-1 玻璃拋光後表面粗糙度(a)IC1000-1 (b)IC1000-2 (c)IC1000-3…..    141
Fig. D-2 玻璃表面粗糙度(a)MIM8505-1 (b)MIM8505-2 (c)MIM8505-3……..    141
Fig. D-3 玻璃表面粗糙度(a)MIM8507-1 (b)MIM8507-2 (c)MIM8507-3…    141
Fig. D-4 玻璃表面粗糙度(a)MIM8005-1 (b)MIM8005-2 (c)MIM8005-3……    141
Fig. D-5 玻璃表面粗糙度(a)MIM8007-1 (b)MIM8007-2 (c)MIM8007-3…    142
 
表目錄
Table 2-1    微細發泡射出成形技術相關文獻回顧總表    9
Table 2-2    拋光墊相關文獻回顧總表    16
Table 2-3    雷達圖指標與其代表意義[13]    18
Table 2-4    拋光墊生產製造相關專利總表    20
Table 2-5    玻璃晶圓拋光相關文獻回顧總表    28
Table 3-1    液態/氣態/超臨界流體性質比較    34
Table 3-2    二氧化碳與氮氣之超臨界溫度與壓力    34
Table 3-3    熔融塑膠中(200℃, 27.6 MPa)超臨界流體最大溶解度    34
Table 3-4    二氧化碳及氮氣在熔融塑膠中之擴散速率    34
Table 3-5    網格建置詳細資料    47
Table 3-6    材料基本特性表    49
Table 3-7    模流分析參數表    50
Table 3-8    自製拋光墊命名代號    51
Table 3-9    微細發泡射出成形參數設定表    52
Table 3-10    氣泡分部情形模擬結果與實際結果比較    55
Table 3-11    氣泡尺寸模擬結果與實際結果比較    57
Table 4-1    拋光墊表面型貌分析方式比較表    62
Table 4-2    各參數代表意義[31]    66
Table 4-3    承壓比功能參數對應拋光墊工作特性表    68
Table 4-1    拋光墊加工後厚度變異量    73
Table 4-2    拋光墊表面粗糙度與承載比    80
Table 4-3    拋光墊表面粗糙度與承載比    81
Table 4-4    拋光墊硬度表    84
Table 4-5    拋光墊壓縮率與回彈率    85
Table 4-6    拋光墊對於去離子水之接觸角    89
Table 4-7    拋光墊對於SP4080-2拋光液之接觸角    90
Table 4-8    拋光墊靜態特性總表    92
Table 4-9    拋光墊特性指標調整因子    92
Table 4-10    調整後之拋光墊靜態特性總表    93
Table 5-1    拋光墊規格表    96
Table 5-2    SP4080-2基本物性表    98
Table 5-3    Bindzil One基本物性表    99
Table 5-4    玻璃化學機械平坦化參數表    103
Table 5-5    IC1000 Glass-CMP材料移除率結果    103
Table 5-6    IC1000材料移除率實驗數據與模型模擬值比較    104
Table 5-7    玻璃化學機械平坦化參數表    105
Table 5-8    玻璃化學機械平坦化材料移除率結果    106
Table 5-9    拋光墊孔隙數與孔隙率    108
Table 5-10    指標相關性係數定義[33]    110
Table 5-11    拋光墊各項特性之指標相關性    111
Table 5-12    矽晶圓化學機械平坦化參數表    114
Table 5-13    IC1000 Si-CMP材料移除率結果    116
Table 5-14    MIM 8505 Si-CMP材料移除率結果    117
Table 5-15    拋光後拋光墊表面粗糙度與承載比    119
Table 5-16    拋光後拋光墊表面粗糙度與承載比    120
Table 5-17    拋光墊使用前後硬度表    122
Table 5-18    拋光墊使用前後壓縮性質表    122
Table 5-19    拋光墊使用前後楊氏係數與蒲松比表    122


                                

參考文獻
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