本研究旨在探討精密鑽石磨削引起的矽晶圓表面/次表面損傷並證明火花散放對加工表面的影響，精密磨削矽晶圓的損傷層通常是由非晶層、差排和微裂紋等缺陷所組成，而本研究發現加工參數對這些缺陷的範圍和分佈有著很大的影響。根據本研究的結果，透過施加中等的火花散放（5~6轉）可以使加工後的表面有效地減小損傷層的厚度，但當火花散放轉數增加到12~24轉時，則效果較無明顯變化。本研究已於12吋矽晶圓上分別透過粗磨與精磨獲得了表面粗糙度Ra小於11 nm和5 nm，同時損傷層的厚度小於180 nm和70 nm的成果。

This research aims to investigate the surface/subsurface damage of silicon wafer induced by precision diamond grinding. Effort has been made to clarify the effect of spark out on surface integrity of the obtained surface. It is found that the damaged layer of precision ground silicon wafer are typically composed of defects such as amorphous layer, dislocation and micro-cracks. The machining parameters have profound effect on the extent and distribution of these defects. Based on the results of this study, surface generated by applying moderate spark out (5-6 revolutions) can effectively reduce the thickness of the damaged layer. Very little improvement can be obtained when spark out are pushed to 12-24 revolutions.  12" silicon wafers of Ra better than 11 nm and 5 nm and thickness of the damaged layer smaller than 180nm and 70nm are obtained by rough and fine grinding respectively in this research.

第一章	緒論	1
1.1前言	1
1.2研究動機	3
1.3研究目的	5
第二章	文獻回顧與理論基礎	6
2.1單晶矽特性	6
晶體起源凹陷(COPs)	13
2.2精密磨削加工機制	14
2.2.1 磨削力	17
2.2.2 磨削力比	17
2.2.3 比磨削能	17
2.2.4矽晶圓背磨原理	18
2.3磨輪的耗損與鈍化	19
2.3.1 磨輪填塞	20
2.3.2 火花散放(spark out)	21
2.4硬脆材料之移除與破壞機制	21
2.4.1脆性及延性移除	22
2.4.2 邊緣破裂(Edge chipping)	24
2.4.3晶圓表面/次表面特性	27
壓痕與刮痕試驗	30
第三章 實驗方法與設備	36
3.1實驗設計	36
3.1.1斜拋實驗	36
3.1.2 火花散放試片觀察	38
3.1.3 磨削試片觀察	38
3.2實驗設備	39
3.2.1 平面研磨機	39
3.2.2 簡易試片夾具	40
3.3 觀察量測儀器	41
3.3.1 光學顯微鏡	41
3.3.2 共軛焦顯微鏡	41
3.3.3 穿透式電子顯微鏡	42
第四章 結果與討論	44
4-1 斜拋實驗	44
4.2 火花散放試片	50
4.2.1 試片表粗與表面形貌	50
4.2.2 TEM試片觀察:	52
4-3 晶圓磨削試片觀察	59
4.3.1晶圓表粗與表面形貌	59
4.3.2 TEM試片觀察:	65
五.結論	71
六.參考文獻	73
圖2- 1矽晶圓加工流程圖【1】	6
圖2- 2矽晶圓P、N型規格示意圖【2】	8
圖2- 3矽晶格示意圖【4】	8
圖2- 4單晶矽相態轉換圖【5】	10
圖2- 5矽壓痕測試之金屬態示意圖【3】	11
圖2- 6 a-Si&c-Si沉積溫度對硬度、彈性係數、壓應力之關係圖【7】	12
圖2- 7 a-Si&c-Si退火溫度對硬度、彈性係數、壓應力之關係圖【7】	13
圖2- 8單粒磨料磨削原理圖【11】	14
圖2- 9刮痕實驗示意圖【12】	15
圖2- 10刮痕實驗示意圖【12】	15
圖2- 11切屑形成示意圖【13】	16
圖2- 12粗細砂輪應用無火花磨削次數與表粗關係圖【16】	21
圖2- 13硬脆及延性破斷強度關係圖【17】	22
圖2- 14刮痕破裂示意圖【18】	23
圖2- 15延性加工表面圖【19】	24
圖2- 16晶圓薄化加工示意圖【20】	24
圖2- 17邊緣破裂示意圖(加工前)【20】	25
圖2- 18邊緣破裂示意圖(加工後)【20】	25
圖2- 19磨料號數與臨界加工厚度關係圖【20】	26
圖2- 20邊緣破裂圖(三角形)【20】	26
圖2- 21邊緣破裂圖(矩形)【20】	27
圖2- 22次表面破壞層示意圖【18】	28
圖2- 23壓痕裂紋產生過程示意圖【23】	31
圖2- 24較銳磨粒刮痕示意圖【24】	32
圖2- 25較鈍磨粒刮痕示意圖【24】	32
圖2- 26單晶矽裂紋模式示意圖【25】	33
圖2- 27矽晶圓研磨加工產生之裂紋圖【27】	34
圖2- 28矽晶圓磨削加工產生之裂紋圖【27】	34
圖2- 29鈍化磨粒刮削表面示意圖【28】	35
圖3- 1平面研磨機	40
圖3- 2簡易試片夾具	40
圖3- 3光學顯微鏡	41
圖3- 4共軛焦雷射顯微鏡	42
圖3- 5穿透式電子顯微鏡	42
圖3- 6穿透式電子顯微鏡原理圖【29】	43
 
圖4- 1KINIK外側試片原始樣貌	44
圖4- 2 KINIK#4000中段試片(乾拋80 mins濕拋80 mins)	45
圖4- 3濕拋120分鐘	45
圖4- 4濕拋60分鐘	46
圖4- 5乾拋80 mins濕拋80 mins	46
圖4- 6腐蝕5秒	47
圖4- 7腐蝕10秒	47
圖4- 8腐蝕15秒	47
圖4- 9(2.541°)	48
圖4- 10(2.698°)	48
圖4- 11(2.767°)	48
圖4- 12  8吋晶圓試片表粗折線圖Ra	51
圖4- 13  8吋晶圓試片表粗折線圖Rq	51
圖4- 14無火花散放(0 rev)-1	53
圖4- 15無火花散放(0 rev)-2	53
圖4- 16火花散放(2 rev)-1	53
圖4- 17火花散放(2 rev)-2	54
圖4- 18火花散放(6 rev)-1	54
圖4- 19火花散放(6 rev)-2	54
圖4- 20火花散放(12 rev)-1	55
圖4- 21火花散放(12 rev)-2	55
圖4- 22火花散放(24 rev)-1	55
圖4- 23火花散放(24 rev)-2	56
圖4- 24 火花散放(24 rev)-3	56
圖4- 25 變質層與火花散放轉數關係曲線圖	58
圖4- 26(DISCO-中段)	60
圖4- 27(KINIK-中段)	60
圖4- 28(EHWA-中段)	61
圖4- 29(DISCO表面形貌)	62
圖4- 30(KINIK表面形貌)	62
圖4- 31(EHWA表面形貌)	63
圖4- 32  12吋晶圓試片表粗折線圖Ra	64
圖4- 33  12吋晶圓試片表粗折線圖Rq	64
圖4- 34(DISCO-100 nm)	66
圖4- 35(DISCO-50 nm)	66
圖4- 36(KINIK-100 nm)	67
圖4- 37(KINIK-50 nm)	68
圖4- 38(EHWA-100 nm)	69
圖4- 39(EHWA-50 nm)	70

表2- 1單晶矽基本機械性質表【4】	9
表2- 2矽特性表【5】	11
表2- 3單晶矽結晶面破裂韌性表【18】	33
表3- 1乾式斜拋參數表	37
表3- 2濕式斜拋參數表	37
表3- 3火花散放參數表	38
表3- 4  12吋晶圓磨削參數表	39
表4- 1火花散放加工後粗糙度表	50
表4- 2火花散放各轉數之最大非晶層、結經損傷層及變質層厚度表	56
表4- 3  3組砂輪試片加工粗糙度表	63
表4- 4 3種砂輪加工試片之最大非晶層、結經損傷層及變質層厚度表 65

【1】http://semiconductormanufacturingprocess.blogspot.tw/2012/07/semiconductor-devic-e-favrication-basics.html
【2】李明陸 著,  "矽元件與積體電路製程". 全華科技圖書股份有限公司, 2002
【3】B. El-Kareh, L. N. Hutter,  “Silicon Analog Components”, Review of Single-Crystal Silicon Properties C 2(2015)pp.25-26
【4】E. Kareh, B.; Hutter, L.N., “Review of silicon Crystal Silicon Properties” Chapter 2
【5】Y. G. Gogotsi A. Kailer K. G. Nickel, "Phase transformations of silicon caused by contact loading", Journal of Applied Physics AIP, vol 81(7),pp 3057-3063, 1 April 1997
【6】J. W. Yana, T. Asamia, H. Harada, T. Kuriyagawa, "Fundamental investigation of subsurface damage in single crystalline silicon caused by diamond machining",Precision Engineering 33,pp 378–386, Elsevier, 2009
【7】V. Kulikovsky, V. Vorlíček, P. Boháč, M. Stranyánek, R. Čtvrtlík, A. Kurdyumov, "Mechanical properties of amorphous and microcrystalline silicon films", Thin Solid Films 516 (2008),pp 5368–5375
【8】W. Murray Bullis "Current trends in silicon defect technology"
【9】I. D.Marinescu, T. K. Doi, E. Uhlmann, “Handbook of Ceramics Grinding and Polishing 2nd”, Elsevier, 2014
【10】安永暢男，高木純一郎，精密機械加工原理，全華圖書，2004。
【11】E.J. Weller 著，張瑞慶 譯，Nontraditional Machining Processes 2/e非傳統加工，高立圖書有限公司，1999。
【12】許清鋒 撰, “切割/刻劃加工硬脆材料時之破裂形態研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士論文, 民國九十二年
【13】施純霖 撰, “超精密鑽石車削矽單晶之研究”, 中正理工學院兵器系統工程研究所碩士學位論文”, 民國八十六年
【14】S. Matsui, 1988 An Experimental Study on the Grinding of Silicon Wafers-the Wafer Rotation Grinding Method Bull. Japan. Soc. Prec. Engng. 22
【15】http://www.gotoic.com/bbs/page.asp?id=2147
【16】陳昭彰 著,  "精密機械加工原理"
【17】黃俊維 撰, ”二為超聲振動輔助磨削藍寶石之研究”, 國立清華大學動力機械工程研究所碩士論文, 民國一百零五年
【18】黃弘毅 撰, ”矽晶圓超精密輪磨之研究”, 國立台灣大學機械工程學研究所碩士論文, 民國九十二年
【19】T. G. Bifano,T. A. Dow and R. O. Scattergood, “Ductile regime grinding: A new technology for machining brittle materials”, Journal of Engineering for Industry Transaction ASME, 113, pp. 184-189, 1991
【20】S. Gao , R. K. Kang , Z. G. Dong , B. Zhang, "Edge chipping of silicon wafers in diamond grinding",Journal of Refractory Metals & Hard Materials 19(2001),pp 293-301, Elsevier
【21】A. Haapalinna, S. Nevas,D. Pähler, "Rotational grinding of silicon wafers—sub-surface damage inspection", Materials Science and Engineering B107 (2004) pp.321–331
【22】Z.J. Pei, S.R. Billingsley, S. Miura, "Grinding induced subsurface cracks in silicon wafers", International Journal of Machine Tools & Manufacture 39, pp1103-1116, Pergamon, 1999
【23】B. P. O’Connor, “The Effect of Crystallographic Orientation on Ductile Material Removal in Silicon master thesis”, Pennsylvania State University, 2002
【24】C. L. Chao, “Back thinning of Silicon Wafer”
【25】Y. L. Tsai and J. J. Jr Mecholsky, "Fractal Fracture of Single Crystal Silicon,"Journal of Materials Research, Vol. 6,No.6,pp.1248-1263, 1991.
【26】C. P. Chen and M. H. Leipold, "Fracture Toughness of Silicon," Journal of the American Ceramic Society, Vol. 59,pp.469-472, 1980
【27】H.T. Young‧H.T. Liao‧H.Y. Huang, "Surface integrity of silicon wafers in ultra precision machining"
【28】C.L.Chao, K.J.Ma, H.Y.Lin, “Surface and Sub-surface Characteristics of Metal-bond/ELID and Resin-bond Diamond Ground Single Crystal Silicon", International Workshop on Extreme Optics and Sensors, pp1-8
【29】http://archive.is/3rDFS#selection-499.0-502.0