本文隸屬于半導(dǎo)體應(yīng)用專題，全文共 2445字，閱讀大約需要 8分鐘

摘要：在先進(jìn)制程化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）工藝中，納米氧化鈰（CeO?）研磨液中的大顆粒（Large Particle Count, LPC）是導(dǎo)致晶圓表面微劃痕缺陷的主要因素。研磨液本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定體系，在存儲(chǔ)、使用中外界條件的輕微變化均有可能導(dǎo)致LPC的產(chǎn)生。本研究基于單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)，系統(tǒng)考察了納米氧化鈰（CeO?）研磨液不同存儲(chǔ)和使用條件下其中LPC的濃度變化。并以此為基礎(chǔ)確定一個(gè)合適的存儲(chǔ)方式。

關(guān)鍵詞：化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP），納米氧化鈰（CeO?），尾端大顆粒（LPC），單顆粒光學(xué)傳感（SPOS技術(shù)）

在半導(dǎo)體芯片制造中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是實(shí)現(xiàn)晶圓表面全局平坦化的核心工藝。而CMP研磨液（Slurry），就是這個(gè)工藝過(guò)程中的化學(xué)軟化和機(jī)械去除的結(jié)合體，Slurry是一種由超細(xì)納米磨料、多種化學(xué)添加劑和離子水組成的復(fù)雜懸浮液。研磨液中的化學(xué)氧化劑等成分，會(huì)與晶圓表面的材料發(fā)生反應(yīng)，生成一層結(jié)構(gòu)疏松、易于去除的薄層。而懸浮在液體中的納米級(jí)磨料顆粒（如氧化硅、氧化鈰等），在拋光機(jī)的壓力和旋轉(zhuǎn)作用下，通過(guò)物理摩擦將這層軟化后的薄膜精確地磨除掉，最終留下原子級(jí)平整的表面。研磨液中的大顆粒（Large Particle Count, LPC）是導(dǎo)致晶圓表面微劃痕缺陷的主要因素。隨著制程的越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)于LPC的控制越來(lái)越成為芯片高制程工藝中的關(guān)鍵要素。

在眾多磨料中，氧化鈰（CeO?）因其獨(dú)特的螢石型晶體結(jié)構(gòu)和高化學(xué)活性，已成為介電層拋光的主流磨料。然而，納米氧化鈰極易團(tuán)聚，尤其在存儲(chǔ)靜置和管道輸送過(guò)程中，外界條件的輕微變化都會(huì)導(dǎo)致LPC顯著增加。本文聚焦于CMP全流程中的三個(gè)可控節(jié)點(diǎn)——靜置儲(chǔ)存、超聲分散、過(guò)濾處理，系統(tǒng)考察它們對(duì)LPC的影響，并基于單顆粒光學(xué)傳感（SPOS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)，為實(shí)際產(chǎn)線提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制策略。

在實(shí)際生產(chǎn)中，研磨液從配制到最終使用完畢，經(jīng)歷了一個(gè)完整的“生命周期"，每個(gè)階段都可能引入或改變大顆粒（LPC）濃度，如下圖所示是研磨液生產(chǎn)到使用中產(chǎn)生LPC的一個(gè)流程圖：

圖1 研磨液產(chǎn)生LPC流程圖

表1  研磨液產(chǎn)生LPC的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)

如上表所示，CMP工藝中研磨液經(jīng)歷了從配制到拋光的多個(gè)階段，每個(gè)階段都可能引入或改變大顆粒計(jì)數(shù)（LPC）。在實(shí)際產(chǎn)線中，影響晶圓表面質(zhì)量的因素眾多，本文選擇其中三個(gè)有可控性且對(duì)LPC影響顯著的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，即：

1. 儲(chǔ)存/靜置環(huán)節(jié)（考察自然團(tuán)聚規(guī)律）

2. 在線分散環(huán)節(jié)（以超聲為代表，考察主動(dòng)破碎效果）

3. 過(guò)濾環(huán)節(jié)（考察不同孔徑濾膜的去除效率）

通過(guò)單顆粒光學(xué)傳感（SPOS）技術(shù)對(duì)各環(huán)節(jié)處理前后的LPC進(jìn)行精確量化，旨在為CMP工藝中研磨液的存儲(chǔ)時(shí)限、超聲介入策略及過(guò)濾器選型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

由于氧化鈰（CeO?）本身所具有的高粘度和附著性，為了避免管路和閥門的堵塞和污染等，本文使用Entegris旗下的PSS AccuSizer A7000 AD作為檢測(cè)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱A7000 AD），A7000 AD采用手動(dòng)進(jìn)樣，一步稀釋功能，在擴(kuò)大檢測(cè)濃度的基礎(chǔ)上避免管路和閥門的污染。其檢測(cè)原理如下圖所示：

圖2  SPOS法原理圖

AccuSizer A7000 AD的主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1) 檢測(cè)范圍：0.5 ~ 400 μm

(2) 通道數(shù)：512個(gè)（可自定義至1024通道）

(3) 檢測(cè)技術(shù)：SPOS（單顆粒光學(xué)傳感）

與傳統(tǒng)光散射技術(shù)（如激光衍射）不同，SPOS技術(shù)對(duì)每個(gè)通過(guò)傳感器的顆粒進(jìn)行逐一計(jì)數(shù)與粒徑分析，能夠精準(zhǔn)獲取顆粒的粒徑分布與絕對(duì)濃度信息。尤其對(duì)于氧化鈰研磨液，A7000 AD采用SPOS技術(shù)，將傳感器的濃度上限提升至傳統(tǒng)光阻傳感器的200倍以上，實(shí)現(xiàn)了原樣（或僅需單級(jí)稀釋）條件下的高精度檢測(cè)。

樣品采集后進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次，取平均值作為最終LPC濃度。測(cè)試參數(shù)設(shè)置：流速60 mL/min，檢測(cè)閾值0.5 μm，數(shù)據(jù)采集時(shí)間90s。

圖3  A7000 AD實(shí)物圖

上圖為此次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備實(shí)物圖，圖中右側(cè)玻璃瓶中（Chamber）為混合樣品和去離子水的部分，其主要的作用是對(duì)高濃樣品做稀釋，以降低檢測(cè)濃度，確保通過(guò)傳感器的樣品濃度在合適的范圍之內(nèi)（10000#/ml）。

AccuSizer A7000 AD在本次研究中展現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。首先，其SPOS技術(shù)克服了高濃度氧化鈰樣品難以直接進(jìn)樣的難題。傳統(tǒng)光阻傳感器設(shè)備在樣品濃度超過(guò)10000 #/mL時(shí)會(huì)出現(xiàn)“重合限"效應(yīng)，導(dǎo)致計(jì)數(shù)偏低。而A7000 AD通過(guò)自動(dòng)稀釋步驟，實(shí)現(xiàn)了氧化鈰原樣的直接檢測(cè)，更適合濃度較高的研磨液檢測(cè)。其次，超高的數(shù)據(jù)通道的高分辨率配置使研究者能夠精確識(shí)別不同過(guò)濾條件下LPC的粒徑分布演變。如下圖3所示，納米氧化鈰的粒度分布由譜圖呈現(xiàn)，相互之間對(duì)比方便，更加直觀清晰。另外還有像超高的分辨率和靈敏度等優(yōu)勢(shì)明顯。

本研究使用的納米氧化鈰研磨液（固含量15%，平均粒徑80nm和86nm）。過(guò)濾測(cè)試采用PTFE濾膜，標(biāo)稱孔徑等級(jí)分別為0.22 μm、0.45 μm和0.5 μm。所有樣品在測(cè)試前經(jīng)渦旋以確保分散均勻。

靜置處理旨在模擬研磨液在儲(chǔ)存、輸送及機(jī)臺(tái)待機(jī)過(guò)程中的自然沉降與團(tuán)聚行為。實(shí)際生產(chǎn)中，研磨液在供液罐中可能經(jīng)歷數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)的靜置，其間顆粒因重力沉降、布朗運(yùn)動(dòng)減弱以及顆粒間相互作用力的累積，可能發(fā)生不同程度的團(tuán)聚或沉淀，進(jìn)而影響LPC水平。

操作流程：取新鮮配制的納米氧化鈰研磨液樣品，充分渦旋混合后，分裝至若干潔凈的玻璃樣品瓶中。將樣品瓶置于相同環(huán)境（25℃）中，分別靜置不同時(shí)間梯度。靜置結(jié)束后，渦旋樣品瓶后取樣，立即使用A7000 AD檢測(cè)樣品LPC，并與初始狀態(tài)（靜置前）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

通過(guò)靜置實(shí)驗(yàn)，可揭示研磨液在靜態(tài)條件下的穩(wěn)定性特征，明確自然沉降對(duì)LPC的貢獻(xiàn)程度，為制定合理的研磨液靜置時(shí)限及供液策略提供依據(jù)。

超聲處理作為一種有效的物理分散手段，可破碎弱結(jié)合的顆粒團(tuán)聚體。本階段旨在探究超聲處理對(duì)納米氧化鈰研磨液中已有大顆粒的分散效果，評(píng)估其作為在線分散手段的可行性。

操作流程：取靜置后或初始研磨液樣品，置于恒溫超聲水浴槽中進(jìn)行處理。超聲功率、頻率及處理時(shí)間為關(guān)鍵控制參數(shù)。為保持樣品溫度恒定，采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)控制超聲過(guò)程中樣品溫度不超過(guò)30°C，以防止溫度升高引發(fā)的化學(xué)性質(zhì)變化。超聲處理后，樣品經(jīng)適度冷卻恢復(fù)至室溫，隨即進(jìn)行LPC檢測(cè)。

過(guò)濾是CMP工藝中控制LPC的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本階段旨在考察不同孔徑濾膜及不同過(guò)濾順序?qū){米氧化鈰研磨液中LPC的去除效率，為研磨液輸送系統(tǒng)中的過(guò)濾器選型與配置提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

操作流程：過(guò)濾實(shí)驗(yàn)前，先用去離子水沖洗管路并排除系統(tǒng)中殘留空氣。將研磨液樣品加入儲(chǔ)液罐，啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，調(diào)節(jié)流速至設(shè)定值（如50 mL/min），使研磨液依次流經(jīng)過(guò)濾器。分別收集過(guò)濾前（上游）與過(guò)濾后（下游）的樣品，立即進(jìn)行LPC檢測(cè)。

表2 不同靜置時(shí)間下LPC數(shù)據(jù)

圖4  靜置一天與兩天粒度對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)80nm樣品靜置不同時(shí)間后的顆粒計(jì)數(shù)（LPC）對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，靜置時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致體系內(nèi)LPC顯著增加，顆粒團(tuán)聚趨勢(shì)明顯。該趨勢(shì)在圖3中亦有直觀體現(xiàn)，圖三藍(lán)色圖譜是靜置兩天后的測(cè)試結(jié)果，紅色圖譜是靜置一天后的測(cè)試結(jié)果。圖譜整體趨勢(shì)一致，但是從1μm局部放大圖中可以看出，靜置兩天后尾端大粒子數(shù)量大于靜置一天的。

具體來(lái)看：

• 在≥0.5μm粒徑范圍內(nèi)，靜置一天后的平均顆粒數(shù)為 16,635,327 顆/mL，靜置兩天后上升至 17,416,747 顆/mL，增幅約 4.7%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內(nèi)，從 526,298 顆/mL 增至 632,381 顆/mL，增幅約 20.2%；

• 在≥1.5μm粒徑范圍內(nèi)，從 39,208 顆/mL 增至 86,115 顆/mL，增幅約 119.6%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內(nèi)，從 22,342 顆/mL 增至 48,241 顆/mL，增幅約 115.9%。

上述結(jié)果表明，靜置時(shí)間由1天延長(zhǎng)至2天后，≥1.5μm與≥2.0μm的LPC分別增加了約119.6%和115.9%，表明顆粒團(tuán)聚效應(yīng)顯著加劇。雖然亞微米級(jí)顆粒（≥0.5μm）總數(shù)變化不顯著，但微米級(jí)以上LPC成倍增加，說(shuō)明體系中發(fā)生了明顯的顆粒團(tuán)聚或沉降再分散性變差的現(xiàn)象。對(duì)于CMP漿料等對(duì)顆粒粒徑分布敏感的體系，應(yīng)嚴(yán)格控制靜置時(shí)間，避免因大顆粒增加而導(dǎo)致晶圓表面劃傷等工藝風(fēng)險(xiǎn)。

表3 超聲前后LPC數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 超聲前后LPC數(shù)據(jù)對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)86nm樣品在超聲處理前后的顆粒計(jì)數(shù)（LPC）對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，超聲處理可顯著降低各粒徑區(qū)間的顆粒數(shù)量，尤其對(duì)大顆粒的去除或解團(tuán)聚效果最為明顯。

具體來(lái)看：

• 僅過(guò)0.5μm濾膜時(shí)，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量為 234,268,816 顆/mL；經(jīng)過(guò)0.5μm濾膜后再過(guò)0.22μm濾膜，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量降至 2,327,788 顆/mL，去除效率高達(dá) 99.0%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 18,467,908 顆/mL 降至 193,304 顆/mL，去除效率約 99.0%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 463,263 顆/mL 降至 14,777 顆/mL，去除效率約 96.8%；

• 在≥5.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 44,986 顆/mL 降至 5,958 顆/mL，去除效率約 86.8%

可以看到，超聲處理3分鐘后，≥2μm及≥5μm的LPC分別顯著減少了約69.3%和71.2%，而對(duì)≥0.5μm的顆?？倲?shù)影響相對(duì)較小（僅減少約4.1%），說(shuō)明其主要作用是破碎已形成的軟團(tuán)聚體。上述結(jié)果表明，超聲處理能夠有效破壞顆粒間的軟團(tuán)聚體，顯著減少微米級(jí)以上大顆粒的數(shù)量，而對(duì)亞微米級(jí)顆粒（≥0.5μm）的總量影響相對(duì)較小。對(duì)于CMP漿料等對(duì)顆粒分散狀態(tài)敏感的體系，超聲處理可作為改善分散性、降低大顆粒風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，有助于減少因大顆粒導(dǎo)致的晶圓表面劃傷等工藝缺陷。

表4 使用濾膜過(guò)濾前后LPC數(shù)據(jù)

圖6 使用不同規(guī)格濾膜過(guò)濾前后LPC數(shù)據(jù)對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)86nm樣品在不同過(guò)濾方式下的顆粒計(jì)數(shù)（LPC）對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用0.5μm濾膜過(guò)濾后，再經(jīng)0.22μm濾膜二次過(guò)濾，可顯著降低各粒徑區(qū)間的顆粒數(shù)量，尤其對(duì)亞微米級(jí)顆粒的去除效果極為顯著。

具體來(lái)看：

• 僅過(guò)0.5μm濾膜時(shí)，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量為 234,268,816 顆/mL；

• 經(jīng)過(guò)0.5μm濾膜后再過(guò)0.22μm濾膜，≥0.5μm顆粒的平均數(shù)量降至 2,294,455 顆/mL，降幅高達(dá) 99.0%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 18,801,241 顆/mL 降至 193,304 顆/mL，降幅約 99.0%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 429,930 顆/mL 降至 14,777 顆/mL，降幅約 96.6%；

• 在≥5.0μm粒徑范圍內(nèi)，由 41,652 顆/mL 降至 5,958 顆/mL，降幅約 85.7%。

上述結(jié)果表明，0.5μm濾膜結(jié)合0.22μm濾膜的雙重過(guò)濾工藝，能夠有效截留體系中絕大部分顆粒，尤其是對(duì)0.5μm以上的顆粒去除效率接近99%。對(duì)于CMP漿料等高純度要求的體系，采用多重過(guò)濾可大幅降低顆粒污染風(fēng)險(xiǎn)，有助于提升晶圓表面質(zhì)量，是控制大顆粒缺陷的重要手段。

本文通過(guò)靜置、超聲及過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)考察了物理處理方式對(duì)納米氧化鈰研磨液中大顆粒計(jì)數(shù)（LPC）的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，未來(lái)研究可從化學(xué)改性對(duì)研磨液穩(wěn)定性的增強(qiáng)機(jī)制深入拓展，進(jìn)一步解決納米氧化鈰研磨液的穩(wěn)定性與工藝適配性問(wèn)題。

物理處理方法（如超聲和過(guò)濾）雖能有效降低LPC，但這無(wú)法從根本上抑制顆粒的再團(tuán)聚行為。隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)LPC又重新發(fā)生了團(tuán)聚。因此，引入化學(xué)分散劑以增強(qiáng)研磨液的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是未來(lái)研究的重要方向。

總結(jié)本文實(shí)驗(yàn)，本研究的主要結(jié)論如下：

(1) 靜置時(shí)間對(duì)LPC影響顯著：靜置2天后，≥1.5μmLPC增加約120%，建議縮短研磨液靜置時(shí)間或采用持續(xù)循環(huán)供液。

(2) 超聲處理能有效破碎軟團(tuán)聚：3分鐘超聲可使≥2μm顆粒減少約69%，可作為在線分散手段。

(3) 組合過(guò)濾：0.5μm與0.22μm雙重過(guò)濾對(duì)≥0.5μm顆粒的去除效率高達(dá)99%，建議在實(shí)際CMP工藝中采用多級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)。

綜上，在實(shí)際CMP工藝中，建議采用“縮短靜置/循環(huán)供液 + 在線超聲 + 多級(jí)過(guò)濾"的組合策略，以最大限度降低大顆粒含量，有效提升晶圓表面質(zhì)量，減少微劃痕缺陷。

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