SPOS技术在半导体CMP制程中的应用High-Sensitivity-激光粒度仪.PDF

SPOS 技术在半导体 CMP 制程中的应用 摘 要：使用单粒子光学传感技术进行粒径分析，具有高分辨率和精确度的特点，将其与激光 衍射等整体检测技术进行比较，应用实例，说明了单粒子光学传感技术对半导体 CMP 制程的 必要性。 关键词：单粒子光学传感技术；高分辨率；激光衍射；化学机械研磨；粒径分析 High-Sensitivity Particle Size Analysis of Colloidal Suspensions (CMP Slurries) by SPOS: Where Less Becomes More Abstract ：The technique of single particle optical sensing (SPOS) offers high resolution and sensitivity in particle size analysis compared with ensemble techniques like Laser Diffraction, gives a number of samples, describes the necessity of using SPOS in CMP process. Keywords ：Single Particle Optical Sensing (SPOS)；High resolution ；Laser Diffraction ；CMP ； Particle size analysis 胶体混悬液与分散体有着十分广泛应用领域，而决定这些体系质量和稳定性的重要因素就 是其内部的粒径分布，因而准确掌握这些体系的粒径分布特征就能确保其在广泛领域的成功应 用。相对于一些整体检测技术，如：激光衍射技术与超声衰减技术，单粒子光学传感技术 (Single Particle Optical Sensing, SPOS) 在分辨率与精确度方面取得了重大的突破。因此，对多 种混悬液和分散体的质量与稳定性的研究，如：浓缩饮料、传递药物与营养用的水包油乳剂， 包衣与粘合用的高分子分散体及半导体 CMP 制程中使用的 slurry 等, SPOS 方法更有价值。 1 粒径分析的重要性 对多数胶体混悬液来说，绝大多数粒子的粒径小于 1µm，典型的平均粒径范围 (体积/重量 分布) 为 0.1~0.3µm 。然而我们希望得到的是粒径大于 1µm 或 0.5µm 这段量极少且易被忽略的 粒子的信息，因为这段偏离主体的尾部粒子决定了胶体乳液或分散体的质量和稳定性。SPOS 应用的一个典型例子是半导体制程中的一个工艺过程—化学机械研磨，即称 CMP 。 CMP slurry 的主要组成是氧化物，包括二氧化硅、氧化铝或氧化铈，另外还有一些专属性 添加剂。当硅片表面经过特定沉积或蚀刻处理后，需用 CMP slurry 研磨或抛光。通过机械研磨 或化学蚀刻除去表面被覆的部分氧化物或金属。为获得超大规模集成（very large scale integrated, VLSI ）电路的高成品率，CMP slurry 在抛光过程中决不能引进刮痕或其它缺陷。因 此，在粒径分布图中监测粒子的聚集程度及尾部大粒子的分布信息，对于控制质量至关重要。 胶体混悬液或分散体本质上皆是不稳定体系，有许多因素包括：稀释与 pH 突变导致的电荷稳 定作用降低；两种组分不适当的混合；泵、滤器及管路给予的剪切力；温度的变化；污染物的 引入；贮存期的沉淀等等，皆可加速其粒子聚集。 2 传统的激光衍射的分析方法 早期因为激光衍射仪分析具有动态粒径范围广(0.1～1000µm)、检测时间短及重现性高等 特点，所以常用来检测 CMP slurry 的粒径分布特征。激光衍射仪的工作原理是基于不同性质的 两个物理量：Fraunhofer 衍射(Fraunhofer diffraction, FD) 与 Mie 散射 (Mie scattering, MS) 。理论 上讲，对于特定粒径的粒子，激光衍射会产生一个明暗相间的衍射环。衍射环的位置及相邻光 环间的距离与粒子的粒径成反比。但是对于粒径小于 2µm 的粒子，衍射环就检测不到，此时 必须以另一种的方法，即 MS 。该方法描述了一个特定粒子由于各点散射光波的相互干涉导致 1 的大角散射的改变，而