Turbiscan应用：CMP浆料的分散均匀性与稳定性表征

介绍

在半导体芯片制造工艺中，化学机械抛光（CMP）是实现晶圆全局平坦化的关键步骤。该技术通过化学腐蚀与机械磨削的协同作用，有效移除表面起伏，对于构建现代集成电路，特别是多层互连结构，具有不可或缺的重要性。

抛光液作为CMP过程的核心耗材，其性能直接影响抛光效果。典型抛光液包含磨料（如纳米氧化铈、硅溶胶）、氧化剂、络合剂及pH调节剂等组分。其中，纳米级磨料的均匀与稳定分散，是确保其发挥可控、一致机械移除作用的基础物理前提。

抛光液分散稳定性的丧失将直接导致严重的工艺与品质问题，例如：

• 沉降与分层可能导致抛光液在储存或循环过程中出现成分与浓度的纵向梯度分布。这使得抛光速率随时间与空间发生变化，工艺重复性与可控性显著降低。

• 团聚与絮凝产生团聚体，在抛光过程中极易在晶圆表面产生微观划伤，成为致命的缺陷来源，严重影响器件良率。

因此，开发并采用能够精 准、定量表征浆料分散稳定性动态演变过程的分析方法，对于CMP抛光液的研发、配方优化及质量控制具有至关重要的意义。

Turbiscan 稳定性分析仪对于CMP抛光液浆料的均匀性和稳定性测试的适应性：

• 高精度的检测器：Turbiscan仪器具有同步背散射光和透射光同步双检测器，可以同时测试透光和背散射光的强度；

• 无损的测量过程：对于浓度≤95%，粒度在10nm-1000um范围内的分散体系，可以做到原样直接无损测量；

• 专业的分析工具：具有可以分析分散均匀性的分散度指数；具有智能动画模拟功能可以形象动态展现样品的不稳定性变化过程；具有雷达图以及曲线叠加叠加分析工具可以精 准确认样品不稳定性的主要原因。

Turbiscan技术回顾

Turbiscan技术基于静态多重光散射（SMLS）原理，是一种用于直接、原位表征分散体系物理稳定性的表征手段，其方法符合ISO/TR 13097指南。该技术通过一束波长为880 nm的近红外光脉冲对样品进行扫描，并同步检测透射光（T）与背向散射光（BS）的强度。测量过程中，光学探头沿样品池垂直方向移动，以高空间分辨率（通常为每20微米采集一个数据点）获取整个样品高度的光信号强度。

图1  Turbiscan检测器结构

其理论基础在于，样品中颗粒的浓度（φ）与粒径（d）的任何变化，都会依据Mie散射理论，直接导致局部透射光与背向散射光强的改变。通过连续监测这些光信号强度随时间的变化，即可实时、非侵入式地追踪体系内发生的各种不稳定过程，例如颗粒的迁移（沉降或上浮）以及粒径的演变（团聚或絮凝），且测试过程通常无需对样品进行稀释。

专用软件对整个扫描高度范围内所有数据点的变化进行整合分析，并最 终计算出一个综合性的量化指标——Turbiscan稳定性指数（TSI）。TSI值越高，表明样品在所观察时间段内的整体物理稳定性越差。Turbiscan能够灵敏、定量地揭示稳定性变化的起始与全过程，客观的量化评价体系。均匀性指数则刻画了初始状态下颗粒分布的均一程度，指数越小均匀性越佳。这些参数为不同配方或工艺条件下的样品提供了客观、可重复的比较基准。

实例分析

为具体阐明Turbiscan在CMP行业中的应用，本研究对两种典型的CMP抛光液进行了为期12小时的静态稳定性监测：

• 样品A：单晶硅粗抛液。

• 样品B：纳米氧化铈抛光液。

结果与讨论

测量时间内，两款样品均表现出明显的沉降特征，由于液体从浑浊状态逐渐出现透光澄清层，所以此案例对T和BS信号均进行分析。

图2. 单晶硅粗抛液图谱

单晶硅粗抛液不稳定现象分析：

• 透射光（T）信号特征

— 底部区域（0-5mm）：T 信号持续处于低位（小于0.2%），说明该区域颗粒浓度极高，形成致密沉淀层，透光性差；

— 中上部区域（5-38mm）：T 信号显著升高（趋近 0.5%），且信号平稳无波动，对应 “高澄清层”—— 颗粒向底部迁移后，中上部颗粒浓度极低，透光性大幅提升；

— 界面特征：5mm 处 T 信号出现突变式跳升，与 BS 信号的突变同步，形成清晰的相分离界面。

• 背散射光（BS）信号特征

— 底部区域（0-5mm）：BS 信号急剧增强（从 5% 升至 20%），属于颗粒沉淀层；

— 中上部区域（5-38mm）：BS 信号同步减弱并维持低位，对应颗粒浓度降低后的澄清层；

— 界面特征：5mm 处 BS 信号出现锐利突变，是 “相分离形式沉淀” 的核心标志 —— 沉淀层与澄清层的物理边界清晰，属于快速相分离型沉降。

图3. 纳米氧化铈抛光液图谱

纳米氧化铈抛光液不稳定现象分析：

• 透射光（T）信号特征

— 底部区域（0-8mm）：T 信号缓慢降至低位，说明颗粒逐步富集，沉淀层形成速度较缓；

— 中上部区域（8-40mm）：T 信号缓慢升高（未达 1 号的高度），澄清层高度增长速率慢于 1 号；

— 界面特征：8mm 处 T 信号呈渐进式抬升，无锐利突变，界面模糊。

• 背散射光（BS）信号特征

— 底部区域（0-8mm）：BS 信号缓慢增强（从 10% 升至 60%），增强幅度大于 1 号但扩展速度更缓，说明颗粒沉降更集中但速率更低；

— 中上部区域（8-40mm）：BS 信号缓慢减弱，减弱幅度小于 1 号，澄清层颗粒残留更多；

— 界面特征：8mm 处 BS 信号呈梯度式变化，无明显突变界面，属于 “渐进式沉降”。

图4. TSI稳定性指数曲线

表1. 两款CMP抛光液的关键稳定性参数对比

样品A单晶硅粗抛液具有较大的均匀性指数（0.16）和极高的TSI值（11.27-D级），说明其初始分散状态一般，且在静置过程中发生了快速且剧烈的沉降，在12h时样品状态为D级，眼睛可以发现非常显著的不稳定现象。这提示该浆料可能存在颗粒易团聚、缺乏足够的空间位阻或静电稳定作用等问题，在实际应用中面临较高的稳定性风险。

样品B纳米氧化铈抛光液则展现出优异的初始均匀性（指数为0.10），其12小时TSI值（3.25-C级）虽显著低于样品A，但仍指示发生了明显的沉降过程，在12h时样品状态为C级，眼睛可以发现轻微的不稳定现象。这表明其分散工艺良好。相较于样品A，其工艺窗口更宽，但仍有通过调整流变特性或表面化学以进一步抑 制沉降的优化空间。

结论与展望

本研究通过Turbiscan技术清晰揭示了两款CMP抛光液在静态条件下的失稳行为与程度差异。结果表明，样品A单晶硅粗抛液的稳定性问题尤为突出；而样品B纳米氧化铈抛光液则需关注其在长期储存中的沉降趋势。这些定量数据和机理诊断为后续的配方优化（如分散剂筛选、Zeta电位调控、粘度改性等）提供了明确、可靠的实验依据。

综上所述，将Turbiscan这类先进的稳定性分析表征工具纳入CMP抛光液的研发、质量控制和来料检验流程，能够实现从经验性判断向数据化决策的转变。通过持续监测与配方迭代，有望不断提升浆料产品的稳定性，从而为更高精度的半导体制造工艺提供可靠保障。

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