为什么检测CMP研磨液中Large Particle Count（LPC）如此重要？（下）

2024-08-23122

全文分为上下两篇。此篇为下篇，共 5632 字，阅读大约需要 18 分钟；

前文回顾

上篇，我们系统介绍了化学抛光技术（CMP）技术、LPC对CMP工艺的影响、控制研磨液中的大颗粒技术（LPC）对确保晶圆表面质量和提高产品良品率的重要性。特别是随着工艺向更小的纳米级发展，对LPC的检测精度提出了更高的要求。

在本篇，我们将讲究LPC检测的技术难点（包括高浓度样品干扰和大颗粒计数量化问题），并提出自动稀释技术和高灵敏度的单颗粒光学传感技术（SPOS）解决方案，奥法美嘉可提供从原材料到CMP slurry制造端的整套LPC监控方案，以优化工艺参数和保证设备稳定运行。

LPC 检测的难点

LPC检测通常通过光阻法半导体和基于光阻法的单颗粒传感技术（SPOS）来进行，这类技术的特点是可以对微观粒子（微米纳米级）进行颗粒计数，所以也称之为颗粒计数器（Particle Counter）。半导体发展初期，曾经使用过光散射法、或图像分析等分析方法进行Slurry的检测。光散射法通过检测颗粒对光的散射强度来等效计算颗粒的大小分布；颗粒计数法则通过液体流经检测区域时对光的遮挡（光阻效应）或光散射，从而产生脉冲信号，通过光电信号转化得到粒径数量信息并同时进行粒径大小的测量；而图像分析法则是通过显微镜或者扫描电镜等拍摄颗粒图像并进行分析。

光散射原理：光线通过不均匀介质时与颗粒产生相互作用，发生吸收、反射、折射、透射和衍射等现象而使光线偏离原先的光路。如下图所示。^[1-3]

光散射现象

在实际应用中，又分为静态光散射法和动态光散射法。

静态光散射法（Static light scattering，SLS）是采用光电探测器收集散射光的光强、能量等信号后，依据散射原理对信息进行计算解读从而获取颗粒尺寸信息的测量方法。这种方法获取的是一次得到的瞬时信息，因此称为静态法。
动态光散射法（Dynamic light scattering， DLS）是通过测量光强随时间的变化来实现粒度测量的，在更早的文献中也称作光子相关光谱（PCS）和准弹性光散射（QELS）。

动态光散射法是依据颗粒在作布朗运动时，散射光的总光强会产生波动、散射光频率产生频移的原理，从而通过测量散射光强度函数随时间的衰减程度，利用斯托克斯-爱因斯坦关系来分析得到颗粒的流体动力学尺寸及其分布信息。采取动态光散射法测量可将粒子直径的检测范围延伸到纳米级或亚纳米数量级。

动态光散射原理图

静态和动态光散射法有着各自的优缺点，如下表所示：

方法	静态光散射法	动态光散射法
优点	范围广，速度快，重复性高，可在线测量。	精准、稳定，对尺寸分布范围窄的颗粒测量分辦率达到较高精度。
缺点	仅限于稀释液体中的颗粒测定，在高密度介质中的多次散射会导致误差；仪器体积大，价格高，操作复杂，维护频繁。	大颗粒的存在会严重影响尺寸精度，不适用于测量多分散样品。

依据样品性质可选用不同的测试技术。二者相比，静态光散射的粒度分析仪是测量数百纳米到几毫米颗粒的广泛使用仪器，而动态光散射法已经成为测量亚微米颗粒的行业标准技术。

但是，无论是静态光散射还是动态光散射，其无法对体系中的颗粒进行一颗颗计数，也就意味着，其对体系中的少量大颗粒不敏感。

扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）:通过高能量的电子束在样品表面扫描获得的，从而放大人类肉眼无法看到的微小特征或物体。

SEM由三个主要部分组成：电子光学柱、样品室和计算机/电子控制器，如下图所示。^[4-5]电子柱的最顶端是一个电子枪，用于产生电子束。位于柱内的电磁透镜将电子束聚焦到一个小直径（几纳米）的探针上。柱内的扫描线圈将探针在位于样品室内的样品表面进行光栅扫描。电子枪、电子光学柱和样品室都处于真空状态，以便产生和推进电子束。

扫描电子显微镜（SEM）原理图

电子束中的电子进入样品表面然后穿透约几微米的深度（具体的穿透深度取决于加速电压的大小），与样品的原子相互作用后产生各种信号，如二次电子SE和背向散射电子BSE以及特征X射线，这些信号被收集和处理，就可以获得样品表面的图像和化学成分。SEM所获得图像的最终横向分辨率与电子探针的直径相对应。电磁透镜和电子枪设计的进步使探针直径变得非常细，从而使图像分辨率＜1nm。

随着半导体制造技术的不断发展，对研磨液（slurry）粒径要求越来越小，现在高端制程基本都是纳米级别的。这样就对LPC的检测提出来了更高的要求。传统的光散射方法仅能对粒度进行总体描绘，出具粒径分布（PSD）。但是这种对于极少数的尾端大颗粒不敏感。

往250 mL 二氧化硅研磨液中加入3.4 μL 1 μm的标准粒子。利用 SPOS 技术测量其结果，下图为测试结果。测试结果不仅出现研磨液主峰，而且在主峰附近1μm左右处出现了一个小鼓包，即为额外添加的1μm标粒。^[6]

CMP slurry SPOS测试结果（监测到尾端颗粒）

用相同的二氧化硅研磨液和1μm标准粒子相互混合，向250 mL的研磨液中加入177μL 1μm的标准粒子，其测试结果未显示1μm左右的尾端分布。继续增大混合体系中标准粒含量，当研磨液的体积减少至4 mL，添加的1μm标准粒子增加至360μl时，其在激光衍射的谱图中显示1μm左右的峰。也相当于往250 ml研磨液中，添加22.5 ml标准粒子。汇总结果如下图所示。

CMP slurry激光衍射测试结果

由此可看出SPOS对于尾端颗粒的灵敏度是激光衍射的数千倍之多。

一种定义分辨率的方式是通过对比计算结果与预期值的分布的宽度。计算结果分布的越宽，它的分辨率越低。为了调查这两种技术测试样品的分辨率高低，我们分别用激光衍射原理粒度仪和SPOS原理粒度仪测试了通过直径45μm的筛孔的样品。结果如下图所示。分布较窄蓝线的是 SPOS测试结果，而分布较宽的红线是激光衍射仪的测试结果，它的分布范围较宽还包含了大于 100μm 的不存在的粒子。

筛分样品的SPOS与激光衍射结果对比

由此也看到了SPOS在粒度检测方面具有更高的分辨率。

Slurry的检测有三个难点：1）浓度极高；2）要求对少数尾端大粒子进行计数量化；3）不同的slurry性质不同，检测的方法也有所不同。

1. 浓度极高

Slurry的浓度通常非常高，这导致颗粒之间的相互干扰增加，影响测量的准确性。浓度高的slurry会导致多散射现象，这使得光学检测方法（如动态光散射DLS）的数据解读更加复杂。此外，高浓度还可能导致颗粒在测量过程中发生聚集，进一步影响检测结果。对于SPOS单颗粒传感技术而言，其宗旨是确保颗粒一颗颗进行计数，从而确保其分辨率和准确性。对于高浓度的CMP slurry而言，其在经过SPOS传感器时也要确保颗粒浓度在合适范围，避免将多个颗粒当成一个颗粒进行计数。

解决方案：为了应对这一问题，可以考虑使用稀释技术将样品稀释到适合检测的浓度，但这可能会引入误差。因此，开发高浓度下直接测量的技术显得尤为重要。例如，可以采用光学设计优化的设备，减少多散射效应，同时通过特殊算法进行数据分析，从而提高高浓度slurry的检测精度。

美国PSS粒度仪（现归属于Entegris公司）专为其AccuSizer颗粒计数器系列开发出两套自动稀释系统，分别是自动稀释系统和二步稀释系统。该系统可将超高浓度样品稀释至目标浓度，减少人工稀释的误差和时间成本。将样品自动稀释后，保证粒子“单个”通过传感器，开始采集数据。系统根据稀释因子自动还原样品的原始颗粒浓度，解决了高浓度样品的检测难题。


自动稀释原理图（一步动态稀释）	自动稀释原理图（专利的二步稀释）

AccuSizer系列稀释原理图

2. 要求对少数尾端大粒子进行计数量化

少数大颗粒的存在会显著影响slurry的性能，尤其是在半导体制造中，尾端大粒子（Tailing particles）可能导致设备损坏或产品缺陷。因此，检测少量大粒子的存在并进行准确计数和量化非常重要。但这些大颗粒的浓度极低，在检测时容易被忽视，或与背景噪音混淆。

解决方案：可以采用高灵敏度的颗粒计数技术，如AccuSizer系列的颗粒计数器，采用SPOS技术能够区分并精确计数少量大颗粒。同时，搭配自动稀释系统及强大的信号处理模块，具有高的计数效率，可以快速统计几十万颗粒子，具有统计学意义。AccuSizer 颗粒计数器系列具有1024个数据通道，对颗粒计数器而言，数据通道是指在检测量程范围内，按照粒径大小划分的精细程度。通道数越高，则划分的越精细，展现出来更加真实的颗粒分布情况。能反映复杂样品的细微差异，为研发及品控保驾护航。如下图所示为六种不同粒径的混合标粒测试结果谱图。

六种不同粒径的混合标粒测试结果谱图

3. 不同的slurry性质不同，检测的方法也有所不同

不同种类的slurry具有不同的化学和物理特性，这使得标准化的检测方法难以满足所有情况。例如，氧化铈（Cerium oxide）slurry具有较高的粘度，这使得颗粒在溶液中的稳定性下降，导致检测数据的波动性增大。此外，粘性大的slurry更容易在检测设备中形成堵塞，增加了操作的难度。

解决方案：对于氧化铈slurry等粘性较大的样品，PSS粒度仪专门为其研发了FX传感器，创新的采用Focus Beam结合拓宽的Flow Cell相结合。具备以下特点：

更强的抗堵塞能力：通过对流体通道设计优化，拓宽的Flow Cell设计能够处理高粘度样品，减少堵塞风险。
更高的检测效率：利用特殊的光学检测方法，创新的采用Focus Beam，即聚焦光束的方式，可以使得传感器的浓度上限至10⁶颗/ml ，能够在高浓较粘的环境下依然准确捕捉颗粒信息。
针对性的数据处理算法：采用适应性强的算法，通过标准粒子及研磨液样品对系统进行校正，确保数据的稳定性和可靠性。

此外，对于更小颗粒的计数，FXnano通过Focus Beam结合光散检测器，可将颗粒计数检测下限下探至0.15 μm。下图展示了FX传感器及FXnano传感器示意图。

通过这些措施，可以有效克服不同slurry在检测过程中的难点，提高检测效率和准确性。


FX传感器示意图	FXnano传感器示意图

FX传感器及FXnano传感器示意图

LPC检测的整体解决方案

通过前面的LPC来源探讨可知：LPC不光来源于生产制备的CMP slurry，同样也来源于运输、存储和使用过程。这就意味着在CMP（化学机械抛光）过程中的LPC检测，提供一个涵盖全流程的全面的解决方案非常关键，因为这关系到工艺控制的精确性以及最终产品的质量。要成功地实施这一方案，必须合理选择使用lab型（实验室型）还是online型（在线型）检测设备，并清晰地认识到它们各自的优势和应用场景。

1. Lab型检测方案：Lab型检测设备通常用于更加详细和精确的分析。它们能够在更严格的控制条件下，提供高度准确的粒子检测数据，适用于以下场景的使用：

CMP slurry的制造商：对于CMP slurry的制造商而言，Lab型设备即是其产品质量确认的裁判，检测判定是否满足出厂要求。更重要的是一个“教练”角色，可以通过检测LPC的数据来合理优化其生产、制备工艺。如配方的调整、如制备设备的选择、如制备工艺参数的优化等等。为CMP slurry的研发、制备、质检保驾护航。
CMP slurry使用方的原料监控和根因分析：CMP slurry使用法可以通过对于来料的检验来确保供应商提供的产品符合其质量控制要求。另外，更重要的是，当出现工艺异常或产品缺陷时，lab型设备能够帮助工程师进行详细的根因分析，找出问题的源头并提供修正建议。
CMP slurry使用方的研发和工艺优化：在工艺开发阶段，lab型设备可以对CMP工艺参数进行详细研究，提供深入的不同工艺参数下各个点位的LPC数据分析，从而帮助优化CMP工艺。诸如滤芯、管阀件、泵的选型；滤芯寿命的确认；研磨压力，CMP slurry流速等等参数的设置。

2. Online型检测方案：Online型检测设备则主要用于实时监控CMP过程中的粒子浓度，确保工艺稳定性和生产效率。其主要应用场景包括：

实时过程监控：在CMP生产过程中，online型设备可以实时检测和反馈粒子浓度，帮助工程师迅速发现并纠正工艺波动，减少因工艺偏差引起的质量问题。
自动化生产控制：对于大批量生产，online型设备能够与工艺控制系统集成，实现自动化生产控制，确保每个批次的产品都能符合质量标准，减少人工干预。
成本和时间效率：在线监控能够大幅度降低检测和处理的时间成本，提高整体生产效率，特别适用于生产速度要求高的工厂环境。
通过结合lab型和online型检测设备，可以为客户提供一个综合性的解决方案，解决他们在不同阶段遇到的痛点。Lab型设备提供了详细分析和优化工具，适合深度研究和问题根因分析；而online型设备则确保了生产过程的稳定性和高效性，适用于实时监控和自动化控制。这两种设备的相辅相成，可以为客户提供更高的工艺可靠性和产品质量，满足不同阶段的需求。
Entegris生产的AccuSizer系列颗粒计数器（原美国 PSS 粒度仪公司）采用单颗粒光学传感技术（Single Particle Optical Sizing，SPOS）和自动稀释技术，检测范围从纳米级到微米级，不仅能给出粒径大小，还能对样本中颗粒数目进行定量计数。尤其能精准地计数出对于光散射和激光衍射方法检测不到的极少数的大粒子（Large Particle Count，LPC）。专利的自动稀释技术解决了其他技术手段无法解决的对高浓度样本进行颗粒计数的难题。另外，AccuSizer Mini系列在线大颗粒计数器，可用于产线实时监测LPC变化，省时省力。Entegris提供从Fab POU端到CMP slurry制造端整套的LPC监控解决方案。

Entegris提供从Fab POU端到CMP slurry制造端整套LPC监控方案

（蓝色-Lab型颗粒计数器；红色-Online型颗粒计数器）

参考文献

[1] Li Y , Liu Y , Wang C ,et al.Role of Dispersant Agent on Scratch Reduction during Copper Barrier Chemical Mechanical Planarization[J].ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2018, 7(6):P317-P322.DOI:10.1149/2.0101806jss.

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_size_analysis

[3]隋修武,李瑶, 胡秀兵,等. 激光粒度分析仪的关键技术及研究进展[J].电子测量与仪器学报, 2016(30):1459.

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering

[5]https://www.nanoscience.com/techniques/scanning-electron-microscopy/

[6]https://lab.jgvogel.cn/c/2023-12-12/1353736.shtml

[7]Entegris Application Note Detecting Tails in CMP Slurries.

展望

LPC（Large Particle Count）检测在半导体CMP工艺中具有重要意义。通过控制研磨液中的大颗粒数量，可以有效提高晶圆表面平整度，减少缺陷，保证抛光速率和均匀性，减少设备和材料损耗。随着检测技术的发展，LPC检测的精度和效率不断提高，为CMP工艺的优化和质量控制提供了有力支持。

未来，随着半导体工艺的不断进步，对研磨液的要求也将越来越高。LPC检测作为研磨液质量控制的重要手段，将在CMP工艺中发挥更加重要的作用。通过不断优化LPC检测技术，半导体制造企业可以进一步提高产品质量和生产效率，在激烈的市场竞争中占据有利地位。

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