在傳統的研磨加工中，研磨盤為維持其加工能力以確保工件的品質，必須使用修整機構定期地修整研磨盤表面，這將使其逐漸變薄，最終必失去研磨能力而需更換。為此，本研究提出新式超精密拋光機之構想，在鹼性錫鍍液中以Sn-Al2O3複合鍍層對矽晶圓進行鏡面研磨加工，並在研磨加工過程中持續搭配電鍍，使研磨盤的加工能力能得以維持。
在本研究中，首先，由理論分析晶圓和磨盤兩者的轉速比對晶圓加工面上的研磨軌跡型態的影響。得知當轉速比愈不規則或是趨近除不盡的數值時，研磨軌跡的分佈愈緻密。
之後，探討陰極電流密度、磨盤轉速及電鍍時間對鍍層特性的影響。得知陰極電流密度愈高，則晶粒尺寸較小，鍍層厚度增大，鍍層中Al2O3含量稍微下降。磨盤轉速的提高可稍提升晶粒尺寸、鍍層厚度及Al2O3含量。電鍍時間愈長，晶粒形狀愈分明、鍍層厚度愈厚，並可提升Al2O3含量。
最後，探討陰極電流密度及陽離子型界面活性劑PEI對鍍層結構特性及晶圓加工特性的影響。得知晶圓移除率隨著陰極電流密度的提升而增加。而添加PEI確實能增加鍍層中Al2O3含量。且在相同研磨條件下，在添加PEI的鍍液環境中，移除率略高於未添加PEI的鍍液環境。

In conventional abrasive machining , it must using dresser to dress the surface of polishing disc periodically , in order for polishing disc to maintain its ability of machining , and then ensuring the quality of work piece. It will make polishing disk thin , finally it must losing it ability of machining , and then be replaced by a new disc. For this reason , in the study , an idea of a new type ultraprecision polisher is proposed . Using Sn-Al2O3 composite coating to reach the mirror surface grinding of silicon wafer in the tin bath , and grinding with electroplating continuously . It will ensure the ability of machining of polishing disc .
In the study , first , analyzing the effect of rotational speed rate of wafer and polishing disc on the grinding trajectories type of machining surface . From the result of analysis , find that , when the rotational speed rate is more irregular or it could not divided , the arrangement of grinding trajectories is more complex .
And then , investigating the effect of cathode current density , rotational speed of polishing disc and time of plating on the characteristics of composite coating . In the experiment of composite electroplating , when cathode current density is higher , the size of crystal is smaller , the thickness of coating is thicker , and the quantity of Al2O3 within coating decrease lightly . The increase of the rotational speed of polishing disk could increase the size of crystal , the thickness of coating and the quantity of Al2O3 lightly . The time of plating is longer , the shape of crystal is more obvious , the thickness of coating is thicker and it also increase the quantity of Al2O3 .
Finally , investigating the effect of cathode current density and cationic surfactant PEI on the characteristics of coating and wafer . In practical abrasive machining , the removal rate of wafer increases with cathode current density , and the addition of PEI could increase the quantity of Al2O3 indeed . Besides , under the same machining condition , in the tin bath with PEI , the removal rate is higher than the one in the tin bath without PEI .

目錄
封面 I
授權書 II
論文口試審定書 III
謝誌 IV
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIII
中文摘要 XIV
英文摘要 XV

第一章 緒論
1-1 前言 1
1-2 研究動機 3
1-3 文獻回顧 4
1-3-1 複合鍍層（Composite Coating） 4
1-3-2 電氣泳動（Electrophoresis） 5
1-3-3 界面活性劑（Surfactant） 7
1-3-4 研磨盤或拋光墊的修整方式及其在研磨加工
的應用 9
1-3-5 研磨加工中常見的參數探討 12
1-3-6 化學效應在矽晶圓研磨加工的應用 15

第二章 理論基礎 17
2-1 電鍍 17
2-1-1 電鍍液成分介紹 19
2-1-2 電解質離子在鍍液中之三種移動方式 21
2-1-3 電鍍的結晶過程 21
2-2 錫金屬電鍍 23
2-2-1 鍍錫的用途 23
2-2-2 錫的基本性質 23
2-2-3 錫鍍液的種類 24
2-2-4 錫鍍液的正常操作程序 26
2-3 複合電鍍 28
2-3-1 複合電鍍的形成機制 28
2-3-2 影響析鍍的原因 31
2-4 單晶矽的結構特性 33
2-5 單晶矽的化學水合反應 35

第三章 實驗流程規劃及實驗設備介紹 37
3-1 實驗流程規劃 39
3-2 實驗機台介紹 40
3-2-1 複合電鍍系統 41
3-2-2 循環攪拌系統 42
3-2-3 精密研磨系統 43
3-3 試片介紹及前處理方式 44
3-3-1 銅磨盤 44
3-3-2 矽晶圓 48
3-4 量測儀器 49
3-5 實驗步驟 50
3-5-1 電鍍實驗 50
3-5-2 搭配複合電鍍之研磨加工實驗 51

第四章 實驗結果與討論 52
4-1 研磨軌跡 52
4-1-1 機台加工型式 52
4-1-2 研磨軌跡方程式之推導 53
4-1-3 研磨軌跡型態 55
4-1-4 轉速比選取原則 64
4-2 複合電鍍實驗 65
4-2-1 電鍍參數規劃及電鍍條件 69
4-2-2 鍍層結構及成分分析的檢測方式 71
4-2-3 各電鍍條件下的鍍層特性分析 72
4-3 陰極電流密度對晶圓研磨加工的影響 89
4-3-1 研磨加工參數及試片量測方式的設定 89
4-3-2 在陰極電流密度0.28A/dm2的晶圓加工特性 91
4-3-3 在陰極電流密度2.8A/dm2的晶圓加工特性 96
4-3-4 在陰極電流密度5.6A/dm2的晶圓加工特性 101
4-3-5 三種電流密度的加工結果比較 106
4-4 添加PEI實際進行電鍍及研磨加工實驗 116
4-4-1 複合電鍍實驗的電鍍操作條件設定 117
4-4-2 三種電流密度情況下的磨盤表面變化 118
4-4-3 三種電流密度情況下的鍍層SEM觀察 122
4-4-4 研磨加工實驗的加工條件設定 125
4-4-5 在陰極電流密度5.6A/dm2的情況下，錫鍍液＋PEI0.1wt﹪的環境中，
晶圓的加工特性 126
4-4-6 在陰極電流密度5.6A/dm2的情況下，錫鍍液的環境中，晶圓的加工特性 131
4-4-7 兩種鍍液環境下的整體加工特性比較 134

第五章 結論與未來研究方向 142
5-1 結論 142
5-2 未來研究方向 144

參考文獻 145

圖目錄
圖1-1 矽晶圓相關製程 1
圖2-1 電鍍基本元件與架構 18
圖2-2 電鍍原理示意圖 18
圖2-3 錫鍍液操作程序 26
圖2-4 Guglielmi兩階段共沉機制示意圖 29
圖2-5 Celis五階段共沉機制示意圖 30
圖2-6 單晶矽的鑽石結構 33
圖2-7 常用矽晶圓之型態 34
圖3-1 操作參數一覽 37
圖3-2 實驗流程圖 39
圖3-3 新型超精密拋光機之實體圖 40
圖3-4 新型超精密拋光機之設備示意圖 41
圖3-5 壓克力循環槽體之示意圖 42
圖3-6 環型磨盤示意圖 45
圖3-7 盤型磨盤示意圖 45
圖3-8 銅磨盤的前處理過程 47
圖3-9 晶圓試片前處理示意圖 48
圖4-1 機台加工示意圖（上視） 52
圖4-2 推導軌跡方程式用的加工示意圖 53
圖4-3 各種加工條件下晶圓移除率的比較 67
圖4-4 不同陰極電流密度下的鍍層厚度成長量 68
圖4-5 EDS分析示意圖 71
圖4-6 陰極電流密度1.68A/dm2 , 磨盤轉速200rpm ,電鍍時間90min的
鍍層表面結構 75
圖4-7 陰極電流密度1.68A/dm2 , 磨盤轉速200rpm ,電鍍時間30min的
鍍層表面結構 76
圖4-8 陰極電流密度1.68A/dm2 , 磨盤轉速25rpm ,電鍍時間90min的
鍍層表面結構 77
圖4-9 陰極電流密度1.68A/dm2 , 磨盤轉速25rpm ,電鍍時間30min的
鍍層表面結構 78
圖4-10 陰極電流密度0.28A/dm2 , 磨盤轉速200rpm ,電鍍時間90min的
鍍層表面結構 79
圖4-11 陰極電流密度0.28A/dm2 , 磨盤轉速200rpm ,電鍍時間30min的
鍍層表面結構 80
圖4-12 陰極電流密度0.28A/dm2 , 磨盤轉速25rpm ,電鍍時間90min的
鍍層表面結構 81
圖4-13 陰極電流密度0.28A/dm2 , 磨盤轉速25rpm ,電鍍時間30min的
鍍層表面結構 82
圖4-14 各電鍍條件下的鍍層厚度比較 84
圖4-15 各電鍍條件下的鍍層析鍍速率 85
圖4-16 各電鍍條件下鍍層內Al2O3的含量 88
圖4-17 銅磨盤及晶圓試片的量測示意圖 91
圖4-18 陰極電流密度0.28 A/dm2下的鍍層SEM觀察 93
圖4-19 陰極電流密度0.28 A/dm2下的晶圓移除量變化 94
圖4-20 陰極電流密度0.28 A/dm2下的晶圓表面粗糙度變化 95
圖4-21 陰極電流密度2.8 A/dm2下的鍍層SEM觀察 98
圖4-22 陰極電流密度2.8 A/dm2下的晶圓移除量變化 99
圖4-23 陰極電流密度2.8 A/dm2下的晶圓表面粗糙度變化 100
圖4-24 陰極電流密度5.6 A/dm2下的鍍層SEM觀察 103
圖4-25 陰極電流密度5.6 A/dm2下的晶圓移除量變化 104
圖4-26 陰極電流密度5.6 A/dm2下的晶圓表面粗糙度變化 105
圖4-27 三種電流密度下的鍍層厚度變化比較 111
圖4-28 三種電流密度下的研磨加工前後鍍層內Al2O3含量變化比較 112
圖4-29 三種電流密度下的鍍層表面粗糙度變化比較 113
圖4-30 三種電流密度下的晶圓移除量變化比較 114
圖4-31 研磨加工前後晶圓表面外觀及表面輪廓的變化 115
圖4-32 三種陰極電流密度情況下的磨盤外觀 121
圖4-33 三種電流密度下的鍍層SEM觀察（1000X） 123
圖4-34 三種電流密度下的鍍層SEM觀察（5000X） 124
圖4-35 錫鍍液＋PEI0.1wt﹪環境中的鍍層SEM觀察 128
圖4-36 錫鍍液＋PEI0.1wt﹪環境中的晶圓移除量變化 129
圖4-37 錫鍍液＋PEI0.1wt﹪環境中的晶圓表面粗糙度變化 130
圖4-38 錫鍍液環境中的晶圓移除量變化 132
圖4-39 錫鍍液情形下的晶圓表面粗糙度變化 133
圖4-40 鍍層厚度變化比較 137
圖4-41 兩種鍍液環境中的研磨加工前後鍍層內Al2O3含量變化比較 138
圖4-42 鍍層表面粗糙度變化比較 139
圖4-43 晶圓移除量變化比較 140
圖4-44 晶圓表面外觀及表面輪廓的變化 141

表目錄
表2-1 錫的基本性質 23
表2-2 錫電鍍過程中之狀況與處理 27
表2-3 單晶矽的基本特性 33
表3-1 鹼性錫酸鉀鍍液配方 42
表3-2 酸洗液配方 46
表3-3 晶圓試片暫黏膠之特性 46
表4-1 轉速比和研磨軌跡型態的對應關係 55
表4-2 轉速比為整除的整數時的軌跡型態 57
表4-3 轉速比為除到小數第一位(小於1)時的軌跡型態 58
表4-4 轉速比為除到小數第一位(大於1)時的軌跡型態 59
表4-5 轉速比為除到小數第二位(小於1)時的軌跡型態 60
表4-6 轉速比為除到小數第二位(大於1)時的軌跡型態 61
表4-7 轉速比為循環或不規則數(小於1)時的軌跡型態 62
表4-8 轉速比為循環或不規則數(大於1)時的軌跡型態 63
表4-9 複合電鍍時的電鍍條件 70
表4-10 晶圓研磨加工的參數設定 89
表4-11 錫鍍液添加PEI時的電鍍操作條件 117
表4-12 研磨加工的操作條件 125

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