原位看见真相—Starter Kit液体样品盒揭示抛光液中磨料的真实状态

化学机械抛光技术是迄今唯一可以提供整体平面化的表面精加工技术，已广泛用于集成电路芯片、计算机硬磁盘、微型机械系统等表面的平坦化。抛光设备、抛光液和抛光垫是CMP系统的三大基本组成部分，利用化学-机械动态耦合原理，三者的协同工作实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化。抛光液的核心组成包括磨料和pH调节剂、分散剂、氧化剂等功能性添加剂，通过这些组分的协同作用显著提高了CMP的效率和质量。抛光液作用于晶圆表面，是实现材料表面“软化”和去除的直接原因。而其中的磨料是化学和机械作用协同实施的“桥梁”，是CMP研究体系中重要的一环。

图1 CMP 系统及其产品效果示意图

早期，研究人员对CMP 中机械行为有较多的发现，但长期缺乏对化学作用的探讨。直到近年，研究人员才重视化学作用在浆料稳定性及改善抛光性能方面的作用。磨料在CMP 中也表现出一定的化学作用，最典型的案例是纯力学模型无法解释软质的CeO2 磨料却具有极佳的抛光性能，因此推测磨料本身在CMP 中必然存在某种化学作用机制[1]，同时 CMP中的化学行为仍需依赖抛光液中的化学组分，尤其是对于化学性质相对稳定的传统金刚石、Al2O3 磨料而言。

抛光液中的磨料由于其分散稳定性、力学性质、形貌和粒径以及化学活性的差异可以显著影响CMP性能。维持磨料的分散稳定性是影响抛光液能否长期保存的关键因素，同时也有助于防止因磨料团聚引起的划痕缺陷。抛光液中的纳米颗粒的分散通常依靠静电排斥和空间位阻来维持其分散性。在水性体系中，纳米颗粒基于pH获得电荷，当两个带相同电荷的颗粒接近时，会产生排斥作用，从而保持浆料系统的稳定。颗粒之间的空间力是由聚合物的吸附引起的，聚合物在颗粒表面形成覆盖层，使得粒子间的接触变得更加困难。

液体在干燥过程中，液–气界面收缩会将悬浮颗粒拉拢到一起（capillary forces），导致在基底上留下紧密堆积或桥接结构。这不是颗粒在液相中真实的相互作用结果，而是样品制备造成的伪象。干燥图像中明显的“块状/网状”聚集正是这一效应的典型体现。在液相，颗粒受表面电荷（zeta potential）与配方中分散剂或酸碱调节剂的影响而保持稳定分散；而在干燥后电解质浓缩、pH 变化与添加剂失活会促使颗粒接触并凝聚。原位液相成像允许直接评估配方在原始工作 pH/离子条件下的稳定性，这在优化分散剂或选择合适稀释/预处理条件时非常有用。

图2 SiO2抛光液干燥（上）和原位（下）状态下的分布状态

例如，SiO2 磨料具有硬度适中、形貌规则、分散性好、性能稳定的特点，已经被广泛用于半导体、光学玻璃和陶瓷等基底的平坦化处理中。SiO2 磨料在溶液中易形成稳定分散的无定型硅溶胶（mSiO2·nH2O），其表面含有大量水和羟基（-Si-OH）。硅溶胶由胶核、吸附层和扩散层构成，其中吸附层和扩散层构成硅溶胶特殊的双电层结构，这是其悬浮稳定性的保证。然而，当干燥后，原本独立分散在溶胶中的颗粒，由于腐蚀介质和助剂的挥发，逐渐形成紧密而团聚的聚集颗粒，甚至形成链状、岛状或更大尺寸的团聚体。这无异于改变了抛光液的原本性质，表征的结果也就失去了意义。如下图所示，我们分别在干燥状态下和液体状态下对SiO2抛光液进行扫描电镜观察，液体状态下采用Flow View Starter Kit液体样品盒对抛光液进行封装，直接将其放入赛默飞Apreo 2扫描电镜中进行原位观测，结果如下。

从图2中的结果可以看到，干燥后的抛光液发生了明显变化，由均匀分散到大量团聚，而磨料分散性差，是导致抛光划痕等问题产生的主要原因。相反，在液体样品盒中观察到的抛光液呈分散状态，稳定分散的无定型硅溶胶清晰可见。利用原位图像可以获得更接近真实工况的 PSD（粒径分布）、聚集体比例与局部浓度，从而为配方改良与 QC 提供可靠数据。

Flow VIEW Starter Kit 液体样品盒通过纳米级芯片薄膜封装抛光液样品，使电子束在真空腔与液体之间穿过芯片薄膜，从而能够直接在抛光液中观察颗粒的形态与分布，保留了流体中的分散状态与局部浓度梯度。对于 CMP 研磨液，这意味着可以直接观测胶体二氧化硅在其工作介质（含抛光助剂、pH、离子）下的单分散或亚微米级团聚情形，而不是看到干燥后由毛细力造成的假聚集。Starter Kit 液体样品盒系统支持原液状态下高分辨率成像与粒度分析，可检测到极小尺寸（最小粒径可达 7 nm）并配套分析软件。

图3 通过 Starter Kit液体样品盒在SEM下观察液态颗粒形态

CMP抛光液干燥状态（左）和液体状体（右）

液体状态下的真菌（左）和大肠杆菌（右）

液体状态下的油漆涂料（左）和银胶（右）