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CMP Slurry均一性的一體化解決方案

均一性與穩定性控制

化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術被譽為是當今時代能實現集成電路（IC）制造中晶圓表面平坦化的重要技術，CMP的效果直接影響到晶圓、芯片最終的質量和良率¹。CMP是通過表面化學作用和機械研磨相結合的技術來實現晶圓表面平坦化。CMP過程中將Slurry（拋光液，也稱拋光液）滴在晶圓表明，用拋光墊以一定的速度進行拋光，使得晶圓表面平坦化。

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

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，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 調節劑以及氧化劑等組分，每個組分都具有相應的功能，對化學機械拋光過程起到不同的作用。珠磨機均質拋光液后經過過濾通過PSS的Nicomp粒度分析儀測試平均粒徑、AccuSizer顆粒計數器測試過大顆粒濃度、Lum穩定性分析儀快速篩選拋光液配方穩定性，工業中還需采用Entegris的濃度計和過濾器分別對工業生產中重復使用的Slurry進行濃度監測和除雜（過濾金屬雜質及過大研磨顆粒）。

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拋光研磨去除率起著重要作用。在對拋光液的磨料粒徑進行考察時，主要評估其平均粒徑大小，大顆粒、小顆粒濃度等指標。

HM&M珠磨機

HM&M珠磨機是通過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，從而快速達到要求的粒徑。

l                      實驗室研究工作用的珠磨機，50cc、100cc和150cc三種容量可供選擇。（Apex Labo實驗型）

l                      無篩網設計，沒有物料堵塞風險，運行平穩，無累積壓力，無壓力損失。

l                      可處理高粘度漿料

l                      可使用最小15um，最大0.5mm研磨珠，一臺設備滿足大多數物料研磨和分散需求。

平均粒徑檢測

CMP Slurry平均粒徑的大小決定了整體拋光液的水平，用于確認是用于“粗拋”或“精拋”工序。在一定范圍內，同類拋光液，在質量濃度相同的情況下，磨料的粒徑越大，機械去除性能越好，但是由于磨料粒徑的增加則同樣質量下磨料顆粒的數量降低，拋光研磨效果只在一定范圍內隨粒徑增加呈增長趨勢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態光散射原理檢測分析樣品的粒度分布，基于多普勒電泳光散射原理檢測ZETA電位。

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

l                      搭載Nicomp多峰算法，可以實時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，Nicomp納米激光粒度儀對于小于10nm的粒子仍然現實較好的分辨率和準確度。

小粒子和尾端大粒子濃度檢測

目前，CMP用Slurry的磨料粒徑為納米級別或亞微米級別。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，更易團聚形成大顆粒，拋光液磨料中“大顆粒”濃度較高時，這些過大的顆粒易在CMP過程對晶圓表面造成劃痕，從而降低良率。而當拋光液中過小的顆粒濃度過高時，這部分顆粒的存在雖不會造成晶圓表面劃痕，但過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顆粒計數器系列

AccuSizer系列在檢測液體中顆粒數量的同時精確檢測顆粒的粒度及粒度分布，通過搭配不同傳感器、進樣器，適配不同的樣本的測試需求，能快速而準確地測量顆粒粒徑以及顆粒數量/濃度。

l                      檢測范圍為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個數據通道，能反映復雜樣品的細微差異，為研發及品控保駕護航。

l                      靈敏度高達10PPT級別，即使只有微量的顆粒通過傳感器，也可以精準檢測出來。

穩定性分析檢測        

由于拋光液的均一性及穩定性程度對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，在規定時間內不能產生沉淀、團聚，以及分層等問題³。當前拋光液的穩定性可以通過平均粒徑大小、粒徑分布寬窄、尾端大顆粒濃度、Zeta電位絕對值等觀察，長效穩定性可通過離心加速進行評估。

LUM穩定性分析儀

LumiFuge穩定性分析儀可以直接測量整個樣品的分散體的穩定性，檢測和區分各種不穩定現象，如上浮、絮凝、聚集、聚結、沉降等，通過測量結果可用來開發新的配方和優化現有的配方及工藝。

l                      快速、直接測試穩定性，無需稀釋，溫度范圍寬廣

l                      可同時測8個樣品，測量及辨別不同的不穩定現象及不穩定性指數

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

過濾

過濾是在CMP Slurry制備及使用過程中都非常重要的一道工序，用于除去CMP Slurry中的雜質和尾端大顆粒。在實際應用中，過濾涉及的工況復雜多樣，有在Facility階段高濃度高流速、低濃度高流速的狀態，也有在Point of Use階段的低濃度低流速階段，Entegris具有多年服務于半導體CMP工藝經驗，提供不同狀態的過濾方案。

Entegris濾芯

Entegris是一家為半導體和其他高科技工業提供加工和制造產品及材料的全球性開發商、制造商和供應商。對于半導體行業，Entegris的產品保持半導體生產過程中關鍵原料的純度和完整性。

濃度計監控

在工業生產線中，Slurry是循環使用的，如果濃度過高或者過低均會影響最后拋光效果。化合物濃度的高低直接影響化學效應，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Slurry中的化合物濃度和研磨顆粒濃度進行監控，濃度過低時及時添加對應組分，濃度過高時及時稀釋，這對濃度計的檢測速度和準確度有一定要求，能夠真實且快速地反映當前Slurry各組分的濃度計能有效把控CMP工藝的拋光效果。

Entegris濃度計

Entegris旗下有兩類濃度計用于CMP Slurry應用，一類是基于折射率變化原理的InVue濃度計，可用于實時檢測H2O2, Slurries, KOH濃度變化。另一類是基于滴定，氧化還原，離子吸附原理的SemiChem濃度計，可用于H2O2, H2SO4, HF 濃度監測。

[1] 燕禾,吳春蕾,唐旭福,段先健,王躍林.化學機械拋光技術研究現狀及發展趨勢[J].材料研究與應用,2021,15(04):432-440.

[2] 張竹青. SiC單晶片固結磨料化學機械拋光液設計[D].河南工業大學,2014.

[3] 王方. 藍寶石化學機械拋光液用硅溶膠制備工藝研究[D].貴州大學,2016.