本文隸屬于半導體應用專題，全文共 2445字，閱讀大約需要 8分鐘

摘要：在先進制程化學機械平坦化（CMP）工藝中，納米氧化鈰（CeO?）研磨液中的大顆粒（Large Particle Count, LPC）是導致晶圓表面微劃痕缺陷的主要因素。研磨液本身是一個動態穩定體系，在存儲、使用中外界條件的輕微變化均有可能導致LPC的產生。本研究基于單顆粒光學傳感技術，系統考察了納米氧化鈰（CeO?）研磨液不同存儲和使用條件下其中LPC的濃度變化。并以此為基礎確定一個合適的存儲方式。

關鍵詞：化學機械平坦化（CMP），納米氧化鈰（CeO?），尾端大顆粒（LPC），單顆粒光學傳感（SPOS技術）

在半導體芯片制造中，化學機械拋光（CMP）是實現晶圓表面全局平坦化的核心工藝。而CMP研磨液（Slurry），就是這個工藝過程中的化學軟化和機械去除的結合體，Slurry是一種由超細納米磨料、多種化學添加劑和離子水組成的復雜懸浮液。研磨液中的化學氧化劑等成分，會與晶圓表面的材料發生反應，生成一層結構疏松、易于去除的薄層。而懸浮在液體中的納米級磨料顆粒（如氧化硅、氧化鈰等），在拋光機的壓力和旋轉作用下，通過物理摩擦將這層軟化后的薄膜精確地磨除掉，最終留下原子級平整的表面。研磨液中的大顆粒（Large Particle Count, LPC）是導致晶圓表面微劃痕缺陷的主要因素。隨著制程的越來越先進，對于LPC的控制越來越成為芯片高制程工藝中的關鍵要素。

在眾多磨料中，氧化鈰（CeO?）因其獨特的螢石型晶體結構和高化學活性，已成為介電層拋光的主流磨料。然而，納米氧化鈰極易團聚，尤其在存儲靜置和管道輸送過程中，外界條件的輕微變化都會導致LPC顯著增加。本文聚焦于CMP全流程中的三個可控節點——靜置儲存、超聲分散、過濾處理，系統考察它們對LPC的影響，并基于單顆粒光學傳感（SPOS）技術實現精確檢測，為實際產線提供數據驅動的控制策略。

在實際生產中，研磨液從配制到最終使用完畢，經歷了一個完整的“生命周期"，每個階段都可能引入或改變大顆粒（LPC）濃度，如下圖所示是研磨液生產到使用中產生LPC的一個流程圖：

圖1 研磨液產生LPC流程圖

表1  研磨液產生LPC的幾個節點

如上表所示，CMP工藝中研磨液經歷了從配制到拋光的多個階段，每個階段都可能引入或改變大顆粒計數（LPC）。在實際產線中，影響晶圓表面質量的因素眾多，本文選擇其中三個有可控性且對LPC影響顯著的關鍵節點進行系統研究，即：

1. 儲存/靜置環節（考察自然團聚規律）

2. 在線分散環節（以超聲為代表，考察主動破碎效果）

3. 過濾環節（考察不同孔徑濾膜的去除效率）

通過單顆粒光學傳感（SPOS）技術對各環節處理前后的LPC進行精確量化，旨在為CMP工藝中研磨液的存儲時限、超聲介入策略及過濾器選型提供實驗依據。

由于氧化鈰（CeO?）本身所具有的高粘度和附著性，為了避免管路和閥門的堵塞和污染等，本文使用Entegris旗下的PSS AccuSizer A7000 AD作為檢測設備（以下簡稱A7000 AD），A7000 AD采用手動進樣，一步稀釋功能，在擴大檢測濃度的基礎上避免管路和閥門的污染。其檢測原理如下圖所示：

圖2  SPOS法原理圖

AccuSizer A7000 AD的主要技術參數如下：

(1) 檢測范圍：0.5 ~ 400 μm

(2) 通道數：512個（可自定義至1024通道）

(3) 檢測技術：SPOS（單顆粒光學傳感）

與傳統光散射技術（如激光衍射）不同，SPOS技術對每個通過傳感器的顆粒進行逐一計數與粒徑分析，能夠精準獲取顆粒的粒徑分布與絕對濃度信息。尤其對于氧化鈰研磨液，A7000 AD采用SPOS技術，將傳感器的濃度上限提升至傳統光阻傳感器的200倍以上，實現了原樣（或僅需單級稀釋）條件下的高精度檢測。

樣品采集后進行測試。每個樣品重復測量3次，取平均值作為最終LPC濃度。測試參數設置：流速60 mL/min，檢測閾值0.5 μm，數據采集時間90s。

圖3  A7000 AD實物圖

上圖為此次實驗檢測設備實物圖，圖中右側玻璃瓶中（Chamber）為混合樣品和去離子水的部分，其主要的作用是對高濃樣品做稀釋，以降低檢測濃度，確保通過傳感器的樣品濃度在合適的范圍之內（10000#/ml）。

AccuSizer A7000 AD在本次研究中展現出獨特的技術優勢。首先，其SPOS技術克服了高濃度氧化鈰樣品難以直接進樣的難題。傳統光阻傳感器設備在樣品濃度超過10000 #/mL時會出現“重合限"效應，導致計數偏低。而A7000 AD通過自動稀釋步驟，實現了氧化鈰原樣的直接檢測，更適合濃度較高的研磨液檢測。其次，超高的數據通道的高分辨率配置使研究者能夠精確識別不同過濾條件下LPC的粒徑分布演變。如下圖3所示，納米氧化鈰的粒度分布由譜圖呈現，相互之間對比方便，更加直觀清晰。另外還有像超高的分辨率和靈敏度等優勢明顯。

本研究使用的納米氧化鈰研磨液（固含量15%，平均粒徑80nm和86nm）。過濾測試采用PTFE濾膜，標稱孔徑等級分別為0.22 μm、0.45 μm和0.5 μm。所有樣品在測試前經渦旋以確保分散均勻。

靜置處理旨在模擬研磨液在儲存、輸送及機臺待機過程中的自然沉降與團聚行為。實際生產中，研磨液在供液罐中可能經歷數小時至數十小時的靜置，其間顆粒因重力沉降、布朗運動減弱以及顆粒間相互作用力的累積，可能發生不同程度的團聚或沉淀，進而影響LPC水平。

操作流程：取新鮮配制的納米氧化鈰研磨液樣品，充分渦旋混合后，分裝至若干潔凈的玻璃樣品瓶中。將樣品瓶置于相同環境（25℃）中，分別靜置不同時間梯度。靜置結束后，渦旋樣品瓶后取樣，立即使用A7000 AD檢測樣品LPC，并與初始狀態（靜置前）數據進行對比分析。

通過靜置實驗，可揭示研磨液在靜態條件下的穩定性特征，明確自然沉降對LPC的貢獻程度，為制定合理的研磨液靜置時限及供液策略提供依據。

超聲處理作為一種有效的物理分散手段，可破碎弱結合的顆粒團聚體。本階段旨在探究超聲處理對納米氧化鈰研磨液中已有大顆粒的分散效果，評估其作為在線分散手段的可行性。

操作流程：取靜置后或初始研磨液樣品，置于恒溫超聲水浴槽中進行處理。超聲功率、頻率及處理時間為關鍵控制參數。為保持樣品溫度恒定，采用循環冷卻水系統控制超聲過程中樣品溫度不超過30°C，以防止溫度升高引發的化學性質變化。超聲處理后，樣品經適度冷卻恢復至室溫，隨即進行LPC檢測。

過濾是CMP工藝中控制LPC的關鍵環節。本階段旨在考察不同孔徑濾膜及不同過濾順序對納米氧化鈰研磨液中LPC的去除效率，為研磨液輸送系統中的過濾器選型與配置提供實驗依據。

操作流程：過濾實驗前，先用去離子水沖洗管路并排除系統中殘留空氣。將研磨液樣品加入儲液罐，啟動蠕動泵，調節流速至設定值（如50 mL/min），使研磨液依次流經過濾器。分別收集過濾前（上游）與過濾后（下游）的樣品，立即進行LPC檢測。

表2 不同靜置時間下LPC數據

圖4  靜置一天與兩天粒度對比圖

通過對80nm樣品靜置不同時間后的顆粒計數（LPC）對比分析發現，靜置時間延長會導致體系內LPC顯著增加，顆粒團聚趨勢明顯。該趨勢在圖3中亦有直觀體現，圖三藍色圖譜是靜置兩天后的測試結果，紅色圖譜是靜置一天后的測試結果。圖譜整體趨勢一致，但是從1μm局部放大圖中可以看出，靜置兩天后尾端大粒子數量大于靜置一天的。

具體來看：

• 在≥0.5μm粒徑范圍內，靜置一天后的平均顆粒數為 16,635,327 顆/mL，靜置兩天后上升至 17,416,747 顆/mL，增幅約 4.7%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內，從 526,298 顆/mL 增至 632,381 顆/mL，增幅約 20.2%；

• 在≥1.5μm粒徑范圍內，從 39,208 顆/mL 增至 86,115 顆/mL，增幅約 119.6%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內，從 22,342 顆/mL 增至 48,241 顆/mL，增幅約 115.9%。

上述結果表明，靜置時間由1天延長至2天后，≥1.5μm與≥2.0μm的LPC分別增加了約119.6%和115.9%，表明顆粒團聚效應顯著加劇。雖然亞微米級顆粒（≥0.5μm）總數變化不顯著，但微米級以上LPC成倍增加，說明體系中發生了明顯的顆粒團聚或沉降再分散性變差的現象。對于CMP漿料等對顆粒粒徑分布敏感的體系，應嚴格控制靜置時間，避免因大顆粒增加而導致晶圓表面劃傷等工藝風險。

表3 超聲前后LPC數據對比

圖5 超聲前后LPC數據對比圖

通過對86nm樣品在超聲處理前后的顆粒計數（LPC）對比分析發現，超聲處理可顯著降低各粒徑區間的顆粒數量，尤其對大顆粒的去除或解團聚效果最為明顯。

具體來看：

• 僅過0.5μm濾膜時，≥0.5μm顆粒的平均數量為 234,268,816 顆/mL；經過0.5μm濾膜后再過0.22μm濾膜，≥0.5μm顆粒的平均數量降至 2,327,788 顆/mL，去除效率高達 99.0%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內，由 18,467,908 顆/mL 降至 193,304 顆/mL，去除效率約 99.0%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內，由 463,263 顆/mL 降至 14,777 顆/mL，去除效率約 96.8%；

• 在≥5.0μm粒徑范圍內，由 44,986 顆/mL 降至 5,958 顆/mL，去除效率約 86.8%

可以看到，超聲處理3分鐘后，≥2μm及≥5μm的LPC分別顯著減少了約69.3%和71.2%，而對≥0.5μm的顆粒總數影響相對較小（僅減少約4.1%），說明其主要作用是破碎已形成的軟團聚體。上述結果表明，超聲處理能夠有效破壞顆粒間的軟團聚體，顯著減少微米級以上大顆粒的數量，而對亞微米級顆粒（≥0.5μm）的總量影響相對較小。對于CMP漿料等對顆粒分散狀態敏感的體系，超聲處理可作為改善分散性、降低大顆粒風險的有效手段，有助于減少因大顆粒導致的晶圓表面劃傷等工藝缺陷。

表4 使用濾膜過濾前后LPC數據

圖6 使用不同規格濾膜過濾前后LPC數據對比圖

通過對86nm樣品在不同過濾方式下的顆粒計數（LPC）對比分析發現，采用0.5μm濾膜過濾后，再經0.22μm濾膜二次過濾，可顯著降低各粒徑區間的顆粒數量，尤其對亞微米級顆粒的去除效果極為顯著。

具體來看：

• 僅過0.5μm濾膜時，≥0.5μm顆粒的平均數量為 234,268,816 顆/mL；

• 經過0.5μm濾膜后再過0.22μm濾膜，≥0.5μm顆粒的平均數量降至 2,294,455 顆/mL，降幅高達 99.0%；

• 在≥1.0μm粒徑范圍內，由 18,801,241 顆/mL 降至 193,304 顆/mL，降幅約 99.0%；

• 在≥2.0μm粒徑范圍內，由 429,930 顆/mL 降至 14,777 顆/mL，降幅約 96.6%；

• 在≥5.0μm粒徑范圍內，由 41,652 顆/mL 降至 5,958 顆/mL，降幅約 85.7%。

上述結果表明，0.5μm濾膜結合0.22μm濾膜的雙重過濾工藝，能夠有效截留體系中絕大部分顆粒，尤其是對0.5μm以上的顆粒去除效率接近99%。對于CMP漿料等高純度要求的體系，采用多重過濾可大幅降低顆粒污染風險，有助于提升晶圓表面質量，是控制大顆粒缺陷的重要手段。

本文通過靜置、超聲及過濾實驗，系統考察了物理處理方式對納米氧化鈰研磨液中大顆粒計數（LPC）的影響規律。在此基礎上，未來研究可從化學改性對研磨液穩定性的增強機制深入拓展，進一步解決納米氧化鈰研磨液的穩定性與工藝適配性問題。

物理處理方法（如超聲和過濾）雖能有效降低LPC，但這無法從根本上抑制顆粒的再團聚行為。隨著靜置時間的延長LPC又重新發生了團聚。因此，引入化學分散劑以增強研磨液的長期穩定性，是未來研究的重要方向。

總結本文實驗，本研究的主要結論如下：

(1) 靜置時間對LPC影響顯著：靜置2天后，≥1.5μmLPC增加約120%，建議縮短研磨液靜置時間或采用持續循環供液。

(2) 超聲處理能有效破碎軟團聚：3分鐘超聲可使≥2μm顆粒減少約69%，可作為在線分散手段。

(3) 組合過濾：0.5μm與0.22μm雙重過濾對≥0.5μm顆粒的去除效率高達99%，建議在實際CMP工藝中采用多級過濾系統。

綜上，在實際CMP工藝中，建議采用“縮短靜置/循環供液 + 在線超聲 + 多級過濾"的組合策略，以最大限度降低大顆粒含量，有效提升晶圓表面質量，減少微劃痕缺陷。

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