马尔文纳米激光粒度分析仪在测定高浓度化学机械抛光(CMP)浆料粒度分布中的应

　　1　前　言

　　化学机械抛光(CMP)是广泛使用的硅晶片平整技术,它已成为制造0.35(m高级电路或薄于0.25mm半导体器件的主流方法。

　　CMP方法大致如下:将晶片置于抛光盘上旋转。若要除去晶圆表面的材料层,则在抛光盘中放入碱性的二氧化硅类浆料;若要除去金属氧化物层,则使用酸性的氧化铝类浆料。测定这些抛光浆料的粒度分布是非常重要的。大颗粒能快速打磨;小颗粒虽然抛光速度慢,但能得到更好的抛光平面。在晶圆上记录轨迹越细,对其抛光平面的要求也就越高。

　　CMP典型的抛光浆料都是纳米级发烟硅石(5Vol%, 170-230nm),高纯硅胶(9Vol%, 60-80nm)氧化铈(6Vol%, 200-240nm)或氧化铝颗粒,它们的粒度或粒度分布必须小心地进行控制以免在抛光面上产生刮痕。CMP浆料的分散稳定性和保存期也是必须被认真考虑的重要环节。这种纳米浆料的使用浓度一般在(5-30W%),容易聚集。随着贮存时间延长,它的粒度可能增大从而导致损害的产生。

　　CMP浆料粒度分析的难点在于必须在抛光过程中全浓度条件下快速测定平均颗粒直径和粒度分布,因为稀释可能导致浆料稳定性和粒度的变化(比如进一步的团聚或解聚),另外在稀释后的浆料中很难检测本来就极少量的团聚体。马尔文HPPS是最新型的纳米粒度和分子大小分析仪,它采用非浸入式背散射DLS分析方法,适用于极稀到高浓度的样品粒度测定,对团聚体的存在非常敏感,所以我们使用HPPS来分析CMP浆料的粒度分布。

　　2　非侵入式背散射动态光谱

　　非浸入式即光学部件不接触样品,背散射即收集的是173°角的散射光。这个改进比经典的90°角采集灵敏度提高50倍以上;雪崩式光子-电子计数检测器(APD)的采用又使灵敏度高于传统的光电倍增管20倍以上。所以,非浸入式背散射法光路比传统DLS总灵敏度提高1000倍以上(见图1)。

　　传统DLS要求入射光必须穿透样品池,而背散射技术减少了光程,因此减少了多重散射和吸收的可能性,可以实现较高浓度的测量。因为所检测的是背向散射光,从而避开了散射光以前向为主的空气中尘埃污染的影响,使5nm以下小粒子测定的环境条件变得非常宽松。在样品测量过程中,需要自动调节样品池位置(如图2)。这是因为对于较稀的样品测量必须接近样品池中心以获得最大的测量体积和最小的池壁反射;而对于高浓度样品,测量需接近池壁,以减少光程。

　　马尔文HPPS是采用非浸入式背散射法的测量系统(1),仅内置3mW氦氖激光器。氦氖激光器与二极管激光器相比,相位一致性好,可提高重复性;光强稳定性好,可靠性高,尤其对光强相关性实验特别重要。因为背散射法的超高灵敏性,仅需使用非常温和的低功率激光器。3mW激光器在背散射中的效果相当于传统的动态光散射(DLS)仪器中使用了3W激光器,而3W激光器不仅成本高昂,而且易将样品“煮熟”破坏。HPPS分析系统巧妙地避开了这些缺陷。