磨料浆(Slurry)

CMP Slurry

1、什么是CMP Slurry

     

     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。CMP工艺的基本原理是将待抛光的硅片在一定的下压力及slurry(由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液)的存在下相对于一个抛光垫作旋转运动,借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面材料的去除,并获得光洁表面。

 

2、CMP Slurry的应用

 

     区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法,CMP 通过化学的和机械的综合作用,从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。它利用了磨损中的“软磨硬”原理,即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。在一定压力及抛光浆料存在下,被抛光工件相对于抛光垫作相对运动,借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合,在被研磨的工件表面形成光洁表面。CMP 技术最广泛的应用是在集成电路(IC)和超大规模集成电路中(ULSI)对基体材料硅晶片的抛光。而国际上普遍认为,器件特征尺寸在0.35 μm 以下时,必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率,而CMP 是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术,其应用范围正日益扩大。

 

     目前,CMP技术已经发展成以化学机械抛光机为主体,集在线检测、终点检测、清洗等技术于一体的CMP技术,是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。同时也是晶圆由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。

 

3、CMP Slurry中粒径的影响

 

     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。

   

     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的大角散射的改变,而这种散射角度的变化不仅取决于粒子粒径与激光波长,还与粒子的吸光性质与折射率有关。

 

     遗憾的是,由于LD技术综合了上述两种物理量的性质而限制了仪器的分辨率与灵敏度,也就是说,无论是FD产生的衍射环的大小与亮度,还是MS带来的大角散射的变化情况,都是同一时间所有粒径的粒子产生的单个衍射和/或散射响应信号的叠加。所以,这些FD和MS响应信号的组合,必须先经过一些适当的方式合并,然后通过相应的数学运算方法将其转化,目的是得到相对精确且接近真实的粒径分布图。众所周知,任何数学运算其本身都有一定的不足,因而在给出粒径分布图时将会产生无法避免的误差与假象。

 

     对超小微粒的胶体混悬液与分散体,激光衍射仪对粒径分布图中相对较少的尾部大粒子不敏感,而正是这部分粒子对超小微粒的混悬液/分散体至关重要。举例来说,“好”与“坏”的CMP slurry间的光散射强度和/或光衍射强度的信号净变化值很小,小到使用现有的数学转换技术都不能提供可靠的结果。不幸的是,这少部分“尾部”大粒子分布才能提供CMP slurry是否“安全”的关键性信息。

 

4、CMP Slurry的检测仪器

 

      基于SPOS技术获得的粒径分布来自于每一个粒子,因而从根本上杜绝了仪器的不稳定性和严重假象的实验结果,而这在使用光衍射型仪器时经常发生。由于对单个粒子进行检测,SPOS技术对影响CMP slurry质量的粒子(如粒径0.5 ~ 20 μm)提供了极高的分辨率和灵敏度。当然,SPOS方法对CMP slurry的绝大部分(体积比> 99.9 %)粒径小于0.5 μm的粒子没有响应。这绝大部分粒子在CMP过程中不会对晶片表面造成损害。所以,观察粒径分布图中的很少一部分尾部的大粒子分布,就可获得许多与CMP slurry“安全性”有关的信息。

 

平均粒径检测

残留大粒子检测