本文隸屬于半導(dǎo)體應(yīng)用專題，全文共 4696字，閱讀大約需要 12分鐘

摘要：在藍(lán)寶石晶圓的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝?yán)铮枞苣z磨料是影響拋光質(zhì)量與效率的關(guān)鍵要素，其顆粒粒度極大影響了晶圓的品質(zhì)與性能，尤其是少數(shù)大粒子（LPC）更是關(guān)鍵影響因素。SPOS單顆粒光學(xué)技術(shù)能全面精確檢測(cè)不同粒徑范圍的粒子，優(yōu)化硅溶膠磨料粒度分析，提升藍(lán)寶石晶圓CMP加工質(zhì)量與效率，提高良品率。

關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石精加工；CMP；硅溶膠磨料；粒度；SPOS

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)演進(jìn)的進(jìn)程中，藍(lán)寶石晶圓憑借其的物理與化學(xué)屬性，諸如高硬度、高熱導(dǎo)率、出色的化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)透過性等，在眾多關(guān)鍵領(lǐng)域占據(jù)地位。藍(lán)寶石晶圓主要加工工藝流程如圖1所示，其中化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石表面全局平坦化的主要的加工方式。

圖1 藍(lán)寶石晶圓主要加工工藝流程^[1]

CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）將化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨結(jié)合起來，化學(xué)腐蝕利用化學(xué)反應(yīng)溶解材料表面的原子，實(shí)現(xiàn)微觀層面的平整化；機(jī)械研磨則通過研磨頭與磨料對(duì)材料表面進(jìn)行物理磨削，去除表面的凸起和缺陷，二者協(xié)同作用，讓材料表面達(dá)到高的平整度和光潔度。

在藍(lán)寶石晶圓的CMP工藝中，硅溶膠磨料扮演著關(guān)鍵角色，其性能和特性直接決定了拋光過程的效率、質(zhì)量以及最終的產(chǎn)品性能。硅溶膠研磨液一般由硅溶膠磨料、溶劑、pH調(diào)節(jié)劑、表面活性劑、分散穩(wěn)定劑、其他添加劑等組成，其中硅溶膠磨料作為研磨液的核心部分，其粒徑大小、濃度及純度，直接關(guān)乎研磨的速率與精度。

硅溶膠研磨液的平均粒徑和LPC（尾端大顆粒）是粒度控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

一般來說，較小粒徑的硅溶膠磨料適用于精拋階段，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的表面質(zhì)量和更低的粗糙度；而較大粒徑的磨料則在粗拋階段具有更高的材料去除速率。磨料濃度過高可能會(huì)引起磨粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，降低拋光的均勻性；而濃度過低則會(huì)導(dǎo)致材料去除速率過慢，影響生產(chǎn)效率。

在硅溶膠研磨液的粒度控制中，平均粒徑和LPC（尾端大顆粒濃度）是兩個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo)。平均粒徑是決定研磨液適用于粗拋還是精拋的關(guān)鍵因素，只有符合特定粒徑范圍的顆粒，才能在CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）過程中發(fā)揮有效的研磨作用。而LPC指標(biāo)則專注于控制大顆粒的數(shù)量。這些偏離主體粒徑分布的大顆粒，在拋光過程中極易劃傷晶圓，引發(fā)缺陷，從而顯著降低產(chǎn)品的良品率。這些缺陷不僅影響器件的電性能，還會(huì)在后續(xù)的工藝步驟中引發(fā)更多問題。研磨液中的大顆粒還會(huì)影響CMP過程中的拋光速率和均勻性；大顆粒在拋光過程中會(huì)導(dǎo)致局部壓力增大，使得拋光速率不均勻，從而影響整個(gè)晶圓表面的拋光均勻性。并且研磨液中的大顆粒容易在拋光過程中對(duì)拋光墊造成損傷，增加設(shè)備的維護(hù)和更換成本，還可能導(dǎo)致研磨液供給系統(tǒng)的堵塞，影響工藝的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

激光衍射法基于光的衍射現(xiàn)象，顆粒樣品以合適的濃度分散于適宜的液體或氣體中，使其通過單色光束（通常是激光），當(dāng)光遇到顆粒后以不同角度散射，由多元探測(cè)器測(cè)量散射光，存儲(chǔ)這些與散射圖樣有關(guān)的數(shù)值隨后的分析。通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)模型和數(shù)學(xué)過程，轉(zhuǎn)換這些量化的散射數(shù)據(jù)，得到一系列離散的粒徑段上的顆粒體積相對(duì)于顆粒總體積的百分比，從而得出顆粒粒度體積分布。

激光衍射法分辨率低、靈敏度低；一般適用于微米級(jí)到毫米級(jí)的顆粒測(cè)量，對(duì)于納米級(jí)的微小顆粒，由于其散射光信號(hào)較弱，測(cè)量精度會(huì)受到影響。

動(dòng)態(tài)光散射法（DLS）是依據(jù)顆粒在作布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)，散射光的總光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)、散射光頻率產(chǎn)生頻移的原理，從而通過測(cè)量散射光強(qiáng)度函數(shù)隨時(shí)間的衰減程度，利用斯托克斯-愛因斯坦關(guān)系來分析得到顆粒的流體動(dòng)力學(xué)尺寸及其分布信息。采取動(dòng)態(tài)光散射法測(cè)量可將粒子直徑的檢測(cè)范圍延伸到納米級(jí)或亞納米數(shù)量級(jí)。

動(dòng)態(tài)光散射法在測(cè)量多分散體系時(shí)存在較大的局限性。多分散體系中包含了多種不同粒徑的顆粒，這些顆粒的散射光信號(hào)相互疊加，使得測(cè)量結(jié)果難以準(zhǔn)確反映各粒徑組分的真實(shí)情況。

LPC 往往以極低濃度存在于樣品中，檢測(cè)時(shí)極易因含量稀少而被忽略。無論是靜態(tài)光散射還是動(dòng)態(tài)光散射，其無法對(duì)體系中的顆粒進(jìn)行一顆顆計(jì)數(shù)，也就意味著，其對(duì)體系中的少量大顆粒不敏感，從而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性大打折扣。

透射電子顯微鏡法（TEM）是一種能夠直接觀察到硅溶膠磨料顆粒微觀形貌和粒徑大小的分析方法，其原理基于電子束與樣品的相互作用。在TEM中，由電子槍發(fā)射出的高能電子束，在高真空環(huán)境下經(jīng)過聚光鏡的會(huì)聚作用，形成一束高度聚焦的電子束，照射到非常薄的硅溶膠磨料樣品上，與樣品原子作用產(chǎn)生散射、吸收，透過樣品的電子束強(qiáng)度改變，經(jīng)多級(jí)電磁透鏡放大，在熒光屏或探測(cè)器形成高分辨率圖像。

透射電子顯微鏡法只能對(duì)少量樣品進(jìn)行觀測(cè)，且觀測(cè)區(qū)域有限，無法全面反映整個(gè)樣品的粒度分布情況，存在一定的抽樣誤差。

SPOS單顆粒技術(shù)將光阻法與光散法結(jié)合起來，通過光消減獲得較大的動(dòng)態(tài)粒徑范圍，能夠檢測(cè)從亞微米到數(shù)百微米的粒子；通過光散射增加對(duì)小粒子的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同粒徑范圍粒子的全面、精確檢測(cè)，原理如圖2所示。可以檢測(cè)0.5-400um的粒子，在注射液、研磨液、乳劑方面都有廣泛應(yīng)用。

圖2 SPOS原理圖

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)硅溶膠磨料進(jìn)行粒度分析時(shí)，SPOS技術(shù)能夠同時(shí)利用光阻和光散射原理，對(duì)磨料中的各種粒徑的顆粒進(jìn)行逐一檢測(cè)和計(jì)數(shù)，從而構(gòu)建出真實(shí)、準(zhǔn)確的粒徑分布圖譜。

在許多實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在半導(dǎo)體制造等對(duì)材料質(zhì)量要求高的領(lǐng)域，少量的大顆粒（即尾端大粒子）可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。但這些大顆粒的濃度極低，在檢測(cè)時(shí)容易被忽視，或與背景噪音混淆。SPOS技術(shù)具有高靈敏度，能夠區(qū)分并精確計(jì)數(shù)少量大顆粒。同時(shí)，搭配自動(dòng)稀釋系統(tǒng)及強(qiáng)大的信號(hào)處理模塊，具有高的計(jì)數(shù)效率，可以快速統(tǒng)計(jì)幾十萬顆粒子，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。AccuSizer 顆粒計(jì)數(shù)器系列具有1024個(gè)數(shù)據(jù)通道，對(duì)顆粒計(jì)數(shù)器而言，數(shù)據(jù)通道是指在檢測(cè)量程范圍內(nèi)，按照粒徑大小劃分的精細(xì)程度。通道數(shù)越高，則劃分的越精細(xì)，展現(xiàn)出來更加真實(shí)的顆粒分布情況。

Slurry的濃度通常非常高，這導(dǎo)致顆粒之間的相互干擾增加，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外，高濃度還可能導(dǎo)致顆粒在測(cè)量過程中發(fā)生聚集，進(jìn)一步影響檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于SPOS單顆粒傳感技術(shù)而言，其宗旨是確保顆粒一顆顆進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確保其分辨率和準(zhǔn)確性。對(duì)于高濃度的CMP slurry而言，其在經(jīng)過SPOS傳感器時(shí)也要確保顆粒濃度在合適范圍，避免將多個(gè)顆粒當(dāng)成一個(gè)顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)。

美國(guó)PSS粒度儀（現(xiàn)歸屬于Entegris公司）專為其AccuSizer顆粒計(jì)數(shù)器系列開發(fā)出兩套自動(dòng)稀釋系統(tǒng)，分別是自動(dòng)稀釋系統(tǒng)和二步稀釋系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將超高濃度樣品稀釋至目標(biāo)濃度，減少人工稀釋的誤差和時(shí)間成本。將樣品自動(dòng)稀釋后，保證粒子“單個(gè)"通過傳感器，開始采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)稀釋因子自動(dòng)還原樣品的原始顆粒濃度，解決了高濃度樣品的檢測(cè)難題。

圖3 AccuSizer系列稀釋原理圖與設(shè)備圖

針對(duì)粒徑更小的顆粒，PSS采用光學(xué)聚焦技術(shù)，對(duì)納米級(jí)別的微粒進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)150nm開始計(jì)數(shù)，加載自動(dòng)稀釋模塊，對(duì)高濃度樣本進(jìn)行檢測(cè)，在半導(dǎo)體研磨液中大量采用。

圖4 聚焦光束納米技術(shù)原理圖

SPOS技術(shù)能夠?qū)蝹€(gè)粒子進(jìn)行逐一檢測(cè)，直接獲取每個(gè)粒子的真實(shí)粒徑和數(shù)量信息。通過對(duì)大量粒子的檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，能夠精確地計(jì)算出粒子的濃度和粒度分布，為研究人員提供更為準(zhǔn)確和詳細(xì)的數(shù)據(jù)。在對(duì)硅溶膠磨料進(jìn)行粒度分析時(shí)，SPOS技術(shù)可以準(zhǔn)確地測(cè)量出不同粒徑的二氧化硅顆粒的濃度，以及它們?cè)谡麄€(gè)磨料體系中的占比，這對(duì)于優(yōu)化CMP工藝參數(shù)、提高拋光質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

通過SPOS技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硅溶膠磨料粒度的精確控制，確保了磨料在拋光過程中的均勻性和穩(wěn)定性。這使得磨料能夠在藍(lán)寶石晶圓表面進(jìn)行均勻的磨削，有效填平表面的微小起伏和溝槽，從而實(shí)現(xiàn)了更高的表面平整度。

通過精確了解硅溶膠磨料的粒徑分布，企業(yè)可以合理調(diào)整拋光壓力、轉(zhuǎn)速、拋光液流量等參數(shù)，使這些參數(shù)與硅溶膠磨料的特性相匹配，從而實(shí)現(xiàn)好的拋光效果。在確定硅溶膠磨料的粒徑后，可以根據(jù)粒徑大小調(diào)整拋光壓力，確保磨料能夠有效地去除藍(lán)寶石晶圓表面的材料，同時(shí)避免過度磨削導(dǎo)致表面損傷。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，能夠顯著縮短拋光時(shí)間，提高生產(chǎn)效率及良品率。

在半導(dǎo)體制造行業(yè)，成本控制是企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在傳統(tǒng)的CMP 工藝中，由于拋光質(zhì)量不穩(wěn)定，可能會(huì)導(dǎo)致部分藍(lán)寶石晶圓因表面質(zhì)量不合格而報(bào)廢，造成材料的浪費(fèi)。而SPOS技術(shù)通過精確控制硅溶膠磨料粒度，有效提高了拋光質(zhì)量，降低了廢品率。這使得企業(yè)可以充分利用每一塊藍(lán)寶石晶圓，減少了材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。

在CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）漿料的制備以及CMP工藝中，粒度控制始終是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。粒度分布的均勻性以及顆粒濃度的高低，直接關(guān)系到CMP工藝的效率和良品率。以下是CMP漿料的關(guān)鍵關(guān)注點(diǎn)總結(jié)，如圖所示：

圖5. CMP漿料的關(guān)鍵關(guān)注點(diǎn)總結(jié)

SPOS單顆粒技術(shù)為優(yōu)化藍(lán)寶石晶圓CMP工藝提供了有力的支持。通過精確控制硅溶膠磨料的粒度，顯著提升了拋光質(zhì)量，減少了表面劃痕和缺陷的產(chǎn)生，提高了表面平整度和光潔度。基于SPOS技術(shù)提供的準(zhǔn)確粒度信息，能夠更加科學(xué)地優(yōu)化CMP工藝參數(shù)，縮短拋光時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。SPOS技術(shù)還有助于降低生產(chǎn)成本，減少材料浪費(fèi)和設(shè)備損耗。