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CMP Slurry均一性的一體化解決方案

均一性與穩(wěn)定性控制

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)被譽(yù)為是當(dāng)今時(shí)代能實(shí)現(xiàn)集成電路（IC）制造中晶圓表面平坦化的重要技術(shù)，CMP的效果直接影響到晶圓、芯片最終的質(zhì)量和良率¹。CMP是通過(guò)表面化學(xué)作用和機(jī)械研磨相結(jié)合的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)晶圓表面平坦化。CMP過(guò)程中將Slurry（拋光液，也稱(chēng)拋光液）滴在晶圓表明，用拋光墊以一定的速度進(jìn)行拋光，使得晶圓表面平坦化。

在CMP工藝中，對(duì)于Slurry而言，影響其拋光效率的因素有：Slurry的化學(xué)成分、濃度；磨粒的種類(lèi)、大小、形狀和濃度；Slurry的黏度、pH值、流速、流動(dòng)途徑等。 Slurry的磨料粒子通常為納米或亞微米級(jí)別，粒徑越小，表面積越大，表面能越大（或表面張力越大），越易團(tuán)聚，而團(tuán)聚而成的大顆粒會(huì)在晶圓表面產(chǎn)生劃痕缺陷，直接影響產(chǎn)品良率。拋光液平均粒徑越小，則對(duì)穩(wěn)定性的控制挑戰(zhàn)越大。

CMP流程概述

在 CMP 拋光液中，一般使用水基拋光液作為加工介質(zhì)，以去離子水作為溶劑，加入磨料（如 SiO2、ZrO2 納米粒子等）、分散劑、pH 調(diào)節(jié)劑以及氧化劑等組分，每個(gè)組分都具有相應(yīng)的功能，對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程起到不同的作用。珠磨機(jī)均質(zhì)拋光液后經(jīng)過(guò)過(guò)濾通過(guò)PSS的Nicomp粒度分析儀測(cè)試平均粒徑、AccuSizer顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)試過(guò)大顆粒濃度、Lum穩(wěn)定性分析儀快速篩選拋光液配方穩(wěn)定性，工業(yè)中還需采用Entegris的濃度計(jì)和過(guò)濾器分別對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中重復(fù)使用的Slurry進(jìn)行濃度監(jiān)測(cè)和除雜（過(guò)濾金屬雜質(zhì)及過(guò)大研磨顆粒）。

圖1 CMP slurry離線及在線解決方案圖示

拋光液磨料粒度控制

磨料的粒徑大小、硬度、粒徑分布均一性等因素對(duì)拋光研磨去除率起著重要作用。在對(duì)拋光液的磨料粒徑進(jìn)行考察時(shí)，主要評(píng)估其平均粒徑大小，大顆粒、小顆粒濃度等指標(biāo)。

HM&M珠磨機(jī)

HM&M珠磨機(jī)是通過(guò)研磨珠與物料的高剪切和高碰撞力將物料尺寸粒徑磨小并更好的分散。通過(guò)不同的研磨珠子粒徑、填充率及研磨頻率可適用不同配方樣品的研磨要求，從而快速達(dá)到要求的粒徑。

l                      實(shí)驗(yàn)室研究工作用的珠磨機(jī)，50cc、100cc和150cc三種容量可供選擇。（Apex Labo實(shí)驗(yàn)型）

l                      無(wú)篩網(wǎng)設(shè)計(jì)，沒(méi)有物料堵塞風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)累積壓力，無(wú)壓力損失。

l                      可處理高粘度漿料

l                      可使用最小15um，最大0.5mm研磨珠，一臺(tái)設(shè)備滿足大多數(shù)物料研磨和分散需求。

平均粒徑檢測(cè)

CMP Slurry平均粒徑的大小決定了整體拋光液的水平，用于確認(rèn)是用于“粗拋”或“精拋”工序。在一定范圍內(nèi)，同類(lèi)拋光液，在質(zhì)量濃度相同的情況下，磨料的粒徑越大，機(jī)械去除性能越好，但是由于磨料粒徑的增加則同樣質(zhì)量下磨料顆粒的數(shù)量降低，拋光研磨效果只在一定范圍內(nèi)隨粒徑增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)²。一般而言，拋光液平均粒徑大，則用于“粗拋”工序，平均粒徑小，則用于“精拋”工序。

Nicomp納米激光粒度儀系列

Nicomp系列納米激光粒度儀采用動(dòng)態(tài)光散射原理檢測(cè)分析樣品的粒度分布，基于多普勒電泳光散射原理檢測(cè)ZETA電位。

l                      粒徑檢測(cè)范圍0.3nm-10μm，ZETA電位檢測(cè)范圍為+/-500mV

l                      搭載Nicomp多峰算法，可以實(shí)時(shí)切換成多峰分布觀察各部分的粒徑。

l                      高分辨率的納米檢測(cè)，Nicomp納米激光粒度儀對(duì)于小于10nm的粒子仍然現(xiàn)實(shí)較好的分辨率和準(zhǔn)確度。

小粒子和尾端大粒子濃度檢測(cè)

目前，CMP用Slurry的磨料粒徑為納米級(jí)別或亞微米級(jí)別。隨著芯片制程工藝的不斷更新，線寬不斷降低，CMP用Slurry的平均粒徑也隨之降低，而粒徑降低，表面能增大，更易團(tuán)聚形成大顆粒，拋光液磨料中“大顆?！睗舛容^高時(shí)，這些過(guò)大的顆粒易在CMP過(guò)程對(duì)晶圓表面造成劃痕，從而降低良率。而當(dāng)拋光液中過(guò)小的顆粒濃度過(guò)高時(shí)，這部分顆粒的存在雖不會(huì)造成晶圓表面劃痕，但過(guò)小的顆粒研磨效率較低，且易于殘留在晶圓表面，影響晶圓表面潔凈度。

AccuSizer顆粒計(jì)數(shù)器系列

AccuSizer系列在檢測(cè)液體中顆粒數(shù)量的同時(shí)精確檢測(cè)顆粒的粒度及粒度分布，通過(guò)搭配不同傳感器、進(jìn)樣器，適配不同的樣本的測(cè)試需求，能快速而準(zhǔn)確地測(cè)量顆粒粒徑以及顆粒數(shù)量/濃度。

l                      檢測(cè)范圍為0.5μm-400μm（可將下限拓展至0.15μm）。

l                      0.01μm的超高分辨率，AccuSizer系列具有1024個(gè)數(shù)據(jù)通道，能反映復(fù)雜樣品的細(xì)微差異，為研發(fā)及品控保駕護(hù)航。

l                      靈敏度高達(dá)10PPT級(jí)別，即使只有微量的顆粒通過(guò)傳感器，也可以精準(zhǔn)檢測(cè)出來(lái)。

穩(wěn)定性分析檢測(cè)        

由于拋光液的均一性及穩(wěn)定性程度對(duì)拋光效果有很大影響，因而，最終配制成的拋光液須分散均勻，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能產(chǎn)生沉淀、團(tuán)聚，以及分層等問(wèn)題³。當(dāng)前拋光液的穩(wěn)定性可以通過(guò)平均粒徑大小、粒徑分布寬窄、尾端大顆粒濃度、Zeta電位絕對(duì)值等觀察，長(zhǎng)效穩(wěn)定性可通過(guò)離心加速進(jìn)行評(píng)估。

LUM穩(wěn)定性分析儀

LumiFuge穩(wěn)定性分析儀可以直接測(cè)量整個(gè)樣品的分散體的穩(wěn)定性，檢測(cè)和區(qū)分各種不穩(wěn)定現(xiàn)象，如上浮、絮凝、聚集、聚結(jié)、沉降等，通過(guò)測(cè)量結(jié)果可用來(lái)開(kāi)發(fā)新的配方和優(yōu)化現(xiàn)有的配方及工藝。

l                      快速、直接測(cè)試穩(wěn)定性，無(wú)需稀釋?zhuān)瑴囟确秶鷮拸V

l                      可同時(shí)測(cè)8個(gè)樣品，測(cè)量及辨別不同的不穩(wěn)定現(xiàn)象及不穩(wěn)定性指數(shù)

l                      加速離心，最高等效2300倍重力加速度

過(guò)濾

過(guò)濾是在CMP Slurry制備及使用過(guò)程中都非常重要的一道工序，用于除去CMP Slurry中的雜質(zhì)和尾端大顆粒。在實(shí)際應(yīng)用中，過(guò)濾涉及的工況復(fù)雜多樣，有在Facility階段高濃度高流速、低濃度高流速的狀態(tài)，也有在Point of Use階段的低濃度低流速階段，Entegris具有多年服務(wù)于半導(dǎo)體CMP工藝經(jīng)驗(yàn)，提供不同狀態(tài)的過(guò)濾方案。

Entegris濾芯

Entegris是一家為半導(dǎo)體和其他高科技工業(yè)提供加工和制造產(chǎn)品及材料的全球性開(kāi)發(fā)商、制造商和供應(yīng)商。對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)，Entegris的產(chǎn)品保持半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵原料的純度和完整性。

濃度計(jì)監(jiān)控

在工業(yè)生產(chǎn)線中，Slurry是循環(huán)使用的，如果濃度過(guò)高或者過(guò)低均會(huì)影響最后拋光效果?；衔餄舛鹊母叩椭苯佑绊懟瘜W(xué)效應(yīng)，研磨顆粒濃度高低則影響研磨效率及良率。因此，在線的CMP工藝還需對(duì)Slurry中的化合物濃度和研磨顆粒濃度進(jìn)行監(jiān)控，濃度過(guò)低時(shí)及時(shí)添加對(duì)應(yīng)組分，濃度過(guò)高時(shí)及時(shí)稀釋?zhuān)@對(duì)濃度計(jì)的檢測(cè)速度和準(zhǔn)確度有一定要求，能夠真實(shí)且快速地反映當(dāng)前Slurry各組分的濃度計(jì)能有效把控CMP工藝的拋光效果。

Entegris濃度計(jì)

Entegris旗下有兩類(lèi)濃度計(jì)用于CMP Slurry應(yīng)用，一類(lèi)是基于折射率變化原理的InVue濃度計(jì)，可用于實(shí)時(shí)檢測(cè)H2O2, Slurries, KOH濃度變化。另一類(lèi)是基于滴定，氧化還原，離子吸附原理的SemiChem濃度計(jì)，可用于H2O2, H2SO4, HF 濃度監(jiān)測(cè)。

[1] 燕禾,吳春蕾,唐旭福,段先健,王躍林.化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].材料研究與應(yīng)用,2021,15(04):432-440.

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[3] 王方. 藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光液用硅溶膠制備工藝研究[D].貴州大學(xué),2016.