#SPOS技術(shù)在半導(dǎo)體CMP制程中的應(yīng)用摘要：使用單粒子光學(xué)傳感技術(shù)進行粒徑分析，具有高分辨率和精確度的特點，將其與激光衍射等整體檢測技術(shù)進行比較，應(yīng)用實例，說明了單粒子光學(xué)傳感技術(shù)對半導(dǎo)體CMP制程的必要性。關(guān)鍵詞：單粒子光學(xué)傳感技術(shù)；高分辨率；激光衍射；化學(xué)機械研磨；粒徑分析High-SensitivityParticleSizeAnalysisofColloidalSuspensions(CMPSlurries)bySPOS:WhereLessBecomesMoreAbstract：Thetechniqueofsingleparticleopticalsensing(SPOS)offershighresolutionandsensitivityinparticlesizeanalysiscomparedwithensembletechniqueslikeLaserDiffraction,givesanumberofsamples,describesthenecessityofusingSPOSinCMPprocess.Keywords：SingleParticleOpticalSensing(SPOS)；Highresolution；LaserDiffraction；CMP；Particlesizeanalysis膠體混懸液與分散體有著十分廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，而決定這些體系質(zhì)量和穩(wěn)定性的重要因素就是其內(nèi)部的粒徑分布，因而準(zhǔn)確掌握這些體系的粒徑分布特征就能確保其在廣泛領(lǐng)域的成功應(yīng)用。相對于一些整體檢測技術(shù)，如：激光衍射技術(shù)與超聲衰減技術(shù)，單粒子光學(xué)傳感技術(shù)(SingleParticleOpticalSensing,SPOS)在分辨率與精確度方面取得了重大的突破。因此，對多種混懸液和分散體的質(zhì)量與穩(wěn)定性的研究，如：濃縮飲料、傳遞藥物與營養(yǎng)用的水包油乳劑，包衣與粘合用的高分子分散體及半導(dǎo)體CMP制程中使用的slurry等,SPOS方法更有價值。粒徑分析的重要性對多數(shù)膠體混懸液來說，絕大多數(shù)粒子的粒徑小于1gm，典型的平均粒徑范圍(體積/重量分布)為0.1~0.3Mmo然而我們希望得到的是粒徑大于1gm或0.5gm這段量極少且易被忽略的粒子的信息，因為這段偏離主體的尾部粒子決定了膠體乳液或分散體的質(zhì)量和穩(wěn)定性。SPOS應(yīng)用的一個典型例子是半導(dǎo)體制程中的一個工藝過程一化學(xué)機械研磨，即稱CMP。CMPslurry的主要組成是氧化物，包括二氧化硅、氧化鋁或氧化鈰，另外還有一些專屬性添加劑。當(dāng)硅片表面經(jīng)過特定沉積或蝕刻處理后，需用CMPslurry研磨或拋光。通過機械研磨或化學(xué)蝕刻除去表面被覆的部分氧化物或金屬。為獲得超大規(guī)模集成(verylargescaleintegrated,VLSI)電路的高成品率，CMPslurry在拋光過程中決不能引進刮痕或其它缺陷。因此，在粒徑分布圖中監(jiān)測粒子的聚集程度及尾部大粒子的分布信息，對于控制質(zhì)量至關(guān)重要。膠體混懸液或分散體本質(zhì)上皆是不穩(wěn)定體系，有許多因素包括：稀釋與pH突變導(dǎo)致的電荷穩(wěn)定作用降低；兩種組分不適當(dāng)?shù)幕旌?；泵、濾器及管路給予的剪切力；溫度的變化；污染物的引入；貯存期的沉淀等等，皆可加速其粒子聚集。傳統(tǒng)的激光衍射的分析方法早期因為激光衍射儀分析具有動態(tài)粒徑范圍廣(0.1?1000Rm)、檢測時間短及重現(xiàn)性高等特點，所以常用來檢測CMPslurry的粒徑分布特征。激光衍射儀的工作原理是基于不同性質(zhì)的兩個物理量：Fraunhofer衍射(氏2口口卜0￡?「diffraction,FD)與Mie散射(Miescattering,MS)。理論上講，對于特定粒徑的粒子，激光衍射會產(chǎn)生一個明暗相間的衍射環(huán)。衍射環(huán)的位置及相鄰光環(huán)間的距離與粒子的粒徑成反比。但是對于粒徑小于2gm的粒子，衍射環(huán)就檢測不到，此時必須以另一種的方法，即MS。該方法描述了一個特定粒子由于各點散射光波的相互干涉導(dǎo)致的大角散射的改變，而這種散射角度的變化不僅取決于粒子粒徑與激光波長，還與粒子的吸光性質(zhì)與折射率有關(guān)。遺憾的是，由于LD技術(shù)綜合了上述兩種物理量的性質(zhì)而限制了儀器的分辨率與靈敏度，也就是說，無論是FD產(chǎn)生的衍射環(huán)的大小與亮度，還是MS帶來的大角散射的變化情況，都是同一時間所有粒徑的粒子產(chǎn)生的單個衍射和/或散射響應(yīng)信號的疊加。所以，這些FD和MS響應(yīng)信號的組合，必須先經(jīng)過一些適當(dāng)?shù)姆绞胶喜?，然后通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算方法將其轉(zhuǎn)化，目的是得到相對精確且接近真實的粒徑分布圖。眾所周知，任何數(shù)學(xué)運算其本身都有一定的不足，因而在給出粒徑分布圖時將會產(chǎn)生無法避免的誤差與假象。對超小微粒的膠體混懸液與分散體，激光衍射儀對粒徑分布圖中相對較少的尾部大粒子不敏感，而正是這部分粒子對超小微粒的混懸液/分散體至關(guān)重要。舉例來說，“好”與“壞”的CMPslurry間的光散射強度和/或光衍射強度的信號凈變化值很小，小到使用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)都不能提供可靠的結(jié)果。不幸的是，這少部分“尾部”大粒子分布才能提供CMPslurry是否“安全”的關(guān)鍵性信息。高分辨率和精確度的 技術(shù)相對而言，SPOS技術(shù)對粒子的信號響應(yīng)方式是信號與特定粒子相對應(yīng)的。信號為每一粒子相應(yīng)產(chǎn)生的一定強度的脈沖，而不需要進行轉(zhuǎn)化。粒徑分布圖中的信號直接來自于每次一個粒子的快速檢測（＜10,000/sec）。以SPOS為基礎(chǔ)的AccuSizer780粒徑檢測系統(tǒng)（ParticleSizingSystems,SantaBarbara,CA）對濃縮混懸液進行自動稀釋（專利），以確保粒徑在量程范圍內(nèi)的粒子（＞0.5|dm）逐個通過光學(xué)傳感器，因而避免粒子重疊并在粒徑分布圖中產(chǎn)生假象。AccuSizer780中的傳感器通過兩種不同性質(zhì)的物理作用（專利）一光消減（lightextinction,LE）與光散射（lightscattering,LS）對通過傳感器的粒子進行測定。光消減技術(shù)檢測通過流動池的光強變化，擁有檢測粒子的粒徑范圍廣且與粒子組份無關(guān)等優(yōu)點。然而，它的靈敏度有限，對于通過橫切面為400Xl000Nm的流動池所能檢測到的最小粒子粒徑為1.3gmo另一方面，光散射技術(shù)具有相對窄的動態(tài)粒徑范圍（取決于檢測器/放大器的飽和值），但能檢測到0.5|dm粒徑的粒子，使用大功率激光光源還能檢測到粒徑更小的粒子。通過合并光消減和光散射響應(yīng)信號，傳感器可同時擁有這兩種方法的優(yōu)點，因而在不損失單粒子分辨率巨大優(yōu)勢的前提下?lián)碛邢鄬^廣的動態(tài)粒徑范圍（即0.5?400Mm）?；赟POS技術(shù)獲得的粒徑分布來自于每一個粒子，因而從根本上杜絕了儀器的不穩(wěn)定性和嚴(yán)重假象的實驗結(jié)果，而這在使用光衍射型儀器時經(jīng)常發(fā)生。由于對單個粒子進行檢測，SPOS技術(shù)對影響CMPslurry質(zhì)量的粒子（如粒徑0.5?20^m）提供了極高的分辨率和靈敏度。當(dāng)然，SPOS方法對CMPslurry的絕大部分（體積比,99.9%）粒徑小于0.5gm的粒子沒有響應(yīng)。這絕大部分粒子在CMP過程中不會對晶片表面造成損害。所以，觀察粒徑分布圖中的很少一部分尾部的大粒子分布，就可獲得許多與CMPslurry“安全性”有關(guān)的信息。在制程中的實例圖1a顯示的是通過SPOS技術(shù)檢測兩份氧化鈰CMPslurry樣品得到的總體粒徑分布圖，由圖可知slurryl的分布較好，而slurry2在容器底部產(chǎn)生沉淀，可視為其不穩(wěn)定。很明顯，slurry2在每一個粒徑通道比slurryl有更多的粒子。這一差異在體積一重量分布圖中表現(xiàn)的更明顯，如圖1b所示。對slurry2來說，粒徑大于2gm的粒子占據(jù)了尾部（粒徑＞1]dm）固體粒子體積的大部分。此外，使用SPOS技術(shù)能夠計算出任一特定粒徑范圍內(nèi)被檢測粒子體積的絕對百分比。在slurryl中，粒徑大于1gm的粒子的體積占所有slurry中粒子體積總和的0.25%,而在slurry2中，此值上升為0.68%。這些結(jié)果與實驗現(xiàn)象一致：slurry2比slurryl有更顯著的聚集。雖然對于每一份slurry來說，位于粒徑分布圖尾部的粒子其絕對體積很小，但是它們對slurry性能的影響卻是巨大的。Figure1:a.PopulationDistributionsofCeriumOxideSlurry1(circles)andSlurry2(triangles);b.Volume-WeightedPSDsforSlurry1andSlurry2.圖2a,b顯示的是通過激光衍射對兩