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Application Note AN–CMP10
Analyzing Large Particles in CMP Slurries 分析CMP Slurry中的大顆粒
化學機械拋光(CMP)工藝的質(zhì)量取決于拋光設(shè)備和漿料,,漿料由包含多種化學添加劑的液體中定義明確的固體顆粒組成,。當今主要的生產(chǎn)問題之一是根據(jù)漿液的規(guī)格保證其質(zhì)量,,以及在使用時(POU)免受任何形式的降解的穩(wěn)定性。許多漿料是不穩(wěn)定的膠體體系,,具有相對較短的保存期限,。同樣,將漿液從容器傳輸?shù)?span style="font-family:'Times New Roman',serif">CMP工具可能是由于剪切,,沉降或團聚而導致降解的原因,。影響漿料性能的一個關(guān)鍵方面是在CMP過程中會導致缺陷(例如晶片上的微劃痕)的大顆粒的存在。
在這里,,我們對微電子制造工廠中使用的商用CMP漿料進行詳細分析,。由于這種特殊的漿料會引起微劃痕,因此我們使用掃描電子顯微鏡檢查了其粒徑分布,,以區(qū)分出形成大顆粒的可能原因,。與CMP過程工程師密切合作進行的這項研究用于故障排除。
CMP工藝有缺陷
該研究是在有缺陷的CMP工藝運行后開始的,;從不同批次的相同類型漿料中選擇樣品進行比較,。對于每個樣品,表1列出了漿液批號,,取樣位置(移動罐或分配系統(tǒng)),,CMP后在晶圓上觀察到的平均微劃痕數(shù)以及微濾器的影響(1.5μm)在POU之前。另外,,我們已經(jīng)報道了使用來自粒度測量系統(tǒng)公司(PSS,,加利福尼亞州圣巴巴拉)的光散射Accusizer 780儀器測量的大顆粒(> 2.1μm)的總密度。
除參考樣品外,,該列表對應于在工廠中進行的CMP運行的實際順序,。由微劃痕揭示的缺陷的第一個跡象出現(xiàn)在299號批中(PLY缺陷的正常水平為96.5%)。將漿料容器更改為批次322無法解決問題,,并且微劃痕的數(shù)量繼續(xù)急劇增加,。批號322與新批號310混合在一起,并且在POU上安裝了微過濾器,,但這并不能立即解決問題。最終,,由于再次使用批次322時,,微劃痕消失了,微過濾器開始起作用,。有限的一系列實驗的過程結(jié)果似乎令人驚訝,,特別是當考慮到降低過濾孔隙率并不能立即解決問題時。這意味著可以先驗地考慮以下幾種原因:
· 漿料的制造不良,不符合參考樣品的原始規(guī)格,。
· 移動罐中的泥漿被污染或降解,。
· 漿料分配系統(tǒng)中的降解(剪切或沉降的影響)。
· CMP工具本身受到污染,。
但是,,僅測量大顆粒(> 2.1μm)的總體濃度顯然不足以完全決定這些替代方法。 請注意,,參考樣品已經(jīng)包含?7400顆粒/ mL,,在40-200 nm的指定正常范圍之外。
掃描電鏡觀察
在以液體形式取樣之后,,將漿液進行短時干燥預處理并在過濾器支架上進行制備,,這不會導致任何其他顆粒污染。 然后將制備的樣品引入SEM設(shè)備中,,以觀察和近似計數(shù)不同類型和尺寸的顆粒,。
Figure 1: Small slurry particles in the specified size distribution.
圖1顯示了所有在指定范圍內(nèi)的原始漿料顆粒集合。 然而,,這些小顆粒中的一些趨于形成微米級的附聚物,。 這些可以分為兩類:弱結(jié)合的團塊,顯然僅通過范德華相互作用來連接(圖2a),。 牢固粘結(jié)的合金顯示出部分燒結(jié)的跡象(圖2b),。 此外,這些牢固結(jié)合的團聚體中的一些團聚體可以達到非常大的尺寸(最大10μm),,并呈現(xiàn)出具有相對尖銳角度的不規(guī)則形狀,,如圖2c所示。
a) weakly bonded agglomerates b) strongly bonded agglomerate c) large agglomerate with sharp angles
Figure 2: Agglomerates of small slurry particles:
除參考樣品外,,在所有樣品中也觀察到完全不同類型的顆粒,。 它們由完美球形的球形顆粒組成,它們大多數(shù)在微米大小的范圍內(nèi),,并且通常被小的漿料顆粒覆蓋(圖3a),。 但是其中一些球形顆粒達到了10μm(圖3b)。
Figure 3: Ball-like particles present in slurries from lots #299 and #322 and due to a defective slurry manufacturing process.
討論
表2概括了表1中顯示的一系列樣品中不同類型的團聚體和球形顆粒的出現(xiàn),。值得注意的是,,在參考樣品中只能檢測到弱結(jié)合的團聚體,因此可以解釋大于2.1μm的7400顆粒/ mL,,用Accusizer 780測量,。但是,在生產(chǎn)中使用的所有漿料批次中,,甚至在直接從移動儲罐中取樣的樣本中,,都觀察到了無論大小,都非常牢固的團聚體。
這表明它們未在分配系統(tǒng)中形成,,但可能是由于漿料在其容器中的沉降和老化所致,。 但是,在漿液的儲存或分布的溫和溫度條件下,,批號322中觀察到的大球形顆粒無法通過任何小顆粒的燒結(jié)過程形成,。 因此,它們肯定是在這些特定批次的有缺陷的漿料制造過程中生產(chǎn)的,。
通過比較這些結(jié)果和表1中的觀察結(jié)果,,可以得出微劃痕主要是由最大的團聚體和最大的球形顆粒(批號322)引起的,而亞微米的團聚體和球形顆粒則具有不可檢測的影響,, 至少對于此特定的CMP過程,。
結(jié)論
至關(guān)重要的是要確保注入CMP工具中的漿料的粒度分布,以避免嚴重的缺陷,,例如微劃痕,。 在這方面,漿料制造商給出的原始粒度規(guī)格不足以保證,。 有幾種因素會導致漿料降解,,包括沉降,老化和容器中的部分燒結(jié),,這會形成牢固結(jié)合的團塊,。
漿料制造過程中的事故也是可能的,從而導致大的球形顆粒,。 在POU處進行微過濾,,并使用常規(guī)的粒徑監(jiān)測儀對> 2.1μm的顆粒進行整體測量可以解決該問題,但是更精細的分析對于追蹤大顆粒的起源很有用,。 盡管在這項研究中分析的樣品數(shù)量有限,,但SEM仍可以根據(jù)顆粒的類型和形狀對其進行區(qū)分,并且揭示了加工晶圓上微劃痕的真正起因,。
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