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

2024-08-21133

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什么是CMP？

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）是半导体制造过程中至关重要的一步，其主要作用是通过化学和机械作用相结合，将晶圆表面抛光至平滑，行业内称之为平坦化(planarization)。这一过程对于确保晶圆表面平整度和降低缺陷是至关重要的。而在CMP工艺中，研磨液（CMP slurry）作为关键材料，其中的大颗粒数量（Large Particle Count, LPC）对CMP制程的影响尤为显著，因此，对大颗粒计数（LPC）检测成为了评价研磨液质量的重要指标。

什么是LPC？

LPC是指在研磨液中大于特定尺寸粒径（如：0.5微米或更大）的颗粒数量。由于大颗粒容易导致晶圆表面产生划痕、缺陷和污染，因此，严格控制研磨液中的大颗粒数量至关重要。现今随着CMP制程的越来越先进和高端，比如现在台积电（TSMC）和三星（SAMSUNG）已经在着力往2-3nm的制程上努力，对于LPC的定义也随之变得越来越小。如下是采用不同CMP slurry对晶圆进行抛光后的SEM图，可以看到在抛光后晶圆表面有不同程度的划痕存在^[1]。

LPC的来源

CMP（化学机械抛光）Slurry中的大颗粒污染物（Large Particle Contaminants, LPC）的来源主要包括以下几个方面：

1. 原材料中的杂质：Slurry的成分中可能含有一些未充分分散的大颗粒，或者在原材料中就存在的杂质，这些大颗粒会直接进入Slurry中。

2. 制造传输过程中的污染：在Slurry的生产和运输过程中，可能会因为设备、管道或储存容器中的污染物（如金属颗粒、塑料碎片等）引入大颗粒。也可能在使用过程中流经的管阀件、阀门，滤芯等部件的差异，导致POU端大颗粒的差异。

3. 化学反应生成：在Slurry的配制过程中，某些化学反应可能会生成不溶性的大颗粒沉淀物，这些沉淀物可能会形成LPC。

4. 颗粒聚集：Slurry中的纳米级颗粒在一定条件下（如pH变化、温度变化或机械搅拌）可能会发生聚集，形成较大的颗粒。

5. 存储和老化：Slurry在存储过程中可能会发生颗粒的沉降和聚集，特别是在存储时间较长的情况下，导致LPC的形成。

这些大颗粒污染物的存在可能会影响CMP过程的均匀性，甚至导致划痕等表面缺陷，因此在生产和使用中必须加以控制。另外，在使用CMP slurry过程中，诸如Slurry的存放温度，混配化合物比例，SDS系统中滤芯、管阀件的选型，滤芯更换周期等等都会影响POU端的LPC量，进而影响CMP工艺的稳定性和最终晶圆的产品质量。因此，在使用过程中，对其进行LPC检测成为了半导体制造过程中不可或缺的一环。

通过全流程的LPC检测，可以提高产品良率、优化工艺参数、保证设备稳定运行。

1. 提高产品良率

通过严格的LPC检测，可以确保研磨液中的大颗粒数量在合理范围内，从而减少晶圆表面缺陷，提高产品良率。这对于半导体制造企业而言，具有重要的经济意义和市场竞争力。

2. 优化工艺参数

LPC检测还可以为CMP工艺的优化提供数据支持。通过分析不同批次研磨液的LPC数据，可以优化研磨液配方和工艺参数，提高CMP工艺的稳定性和重复性。通过对CMP工艺段各个环节研磨液中LPC的检测，诸如在储罐中，产线混合后，过滤后，以及进入机台前等不同点位的LPC检测，可以优化产线中涉及的管阀件、滤芯等的选型及寿命评估，从而起到降本增效的作用。

3. 保证设备稳定运行

定期进行LPC检测，可以及时发现研磨液中大颗粒增多的情况，采取相应措施，避免设备损伤和生产中断，保证CMP设备的稳定运行。因为在CMP工艺产线中，研磨液在系统中循环使用，受到诸如滤芯过滤，泵运输带来的剪切力，循环过程研磨液的pH的变化等都会改变研磨液的稳定性，从而导致LPC增加的风险，进而会破坏工艺线上的设备。另外，抛光机在长期抛光过程中，是否清洁到位，也会直接影响抛光机的稳定运行及制备晶圆的良率。因此，定期进行LPC的检测或者实时监控产线上的LPC是确保设备稳定运行的必要举措。

LPC对CMP制剂工艺的影响

LPC对CMP制程工艺的影响可以从以下几个方面进行探讨：

1. 表面平整度和缺陷

CMP的核心目标之一是实现晶圆表面的平整度，以满足后续工艺的要求。研磨液中的大颗粒容易在抛光过程中造成晶圆表面划痕，导致表面缺陷的产生。这些缺陷不仅影响器件的电性能，还会在后续的工艺步骤中引发更多问题。因此，严格控制研磨液中的大颗粒数量，降低LPC，对于提高晶圆表面平整度和减少缺陷至关重要。

2. 抛光速率和均匀性

研磨液中的大颗粒还会影响CMP过程中的抛光速率和均匀性。大颗粒在抛光过程中会导致局部压力增大，使得抛光速率不均匀，从而影响整个晶圆表面的抛光均匀性。这种不均匀性会导致晶圆不同区域的厚度差异，进而影响器件的性能和可靠性。因此，控制LPC，确保研磨液中大颗粒的数量在合理范围内，对于保持抛光速率和均匀性至关重要。

3. 设备和材料损耗

CMP工艺不仅涉及晶圆的抛光，还包括抛光垫、研磨液供给系统等设备的使用。研磨液中的大颗粒容易在抛光过程中对抛光垫造成损伤，增加设备的维护和更换成本。此外，大颗粒还可能导致研磨液供给系统的堵塞，影响工艺的连续性和稳定性。因此，降低LPC，不仅有助于提高晶圆的抛光质量，还能减少设备和材料的损耗，降低生产成本。

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.

下篇预告

本文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。

下一篇，我们讲究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。

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