淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-0103201809582300
中文論文名稱 精密輪磨加工矽晶圓造成表面/次表面破壞之研究
英文論文名稱 Study on Surface/sub-surface damage induced by Precision grinding of Silicon Wafers
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 106
學期 1
出版年 107
研究生中文姓名 高培晃
研究生英文姓名 Pei-Huang Kao
學號 604350123
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-01-23
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-陳大同
委員-周文成
委員-趙崇禮
中文關鍵字 精密輪磨  表面粗糙度  表面/次表面破壞層  火花散放 
英文關鍵字 Precision grinding  Surface Roughness  Surface/sub-surface layer  Spark-out 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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
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