Application Note AN–CMP11

Ultra-Sensitive Online Monitoring of CMP Slurries by Single-Particle Optical Sensing (SPOS)    通过单颗粒光学传感（SPOS）对CMP浆料进行超灵敏的在线监测

我们已经开发了一个强大的工具，可以对CMP浆料进行连续的在线监控。我们的新AccuSizer 780 / OL系统基于单颗粒光学传感（SPOS）技术，可以快速，准确地确定大于0.5微米的“异常”颗粒的粒径分布（PSD），这可能会导致严重的缺陷。抛光过程中的晶圆表面。 PSD中这些大颗粒“尾巴”的来源包括浆液分配系统中的泵和过滤器不良，以及由于pH或热冲击引起的胶体不稳定性的发生，以及其他影响。与“集成”方法（例如激光衍射（将亚微米区域的Mie散射与1微米以上的Fraunhofer衍射结合在一起））相比，SPOS技术仅对总粒子数量的一小部分敏感，例如，大于0.5μm的颗粒。但是，SPOS方法可为这些较大的颗粒提供真实的分布，而不会出现严重困扰激光衍射的严重伪影。由于SPOS方法具有较高的灵敏度和分辨率，因此很容易揭示出较大的离群值（通常是较小的基团的团聚体）的浓度变化很小。这些“细节”对于评估CMP浆料的质量至关重要，但通常会被诸如激光衍射或超声衰减之类的集成方法完全忽略。 780 / OL系统利用专有的两阶段自动稀释系统（正在申请专利），该系统可以容纳组成和浓度变化很大的浆料。 SPOS传感器基于新颖的设计（已获得专利），该技术结合了光散射和消光的物理原理，使其能够实现高灵敏度和宽动态范围（0.5至400μm）。先进的电子设计可产生高分辨率和稳定性的多通道PSD结果。该系统易于实现，可以在Windows NT下作为应用程序进行操作。作为在线系统的选件，可以提供“ DLS”（动态光散射）模块，该模块能够表征CMP浆料的整个亚微米PSD。将对二氧化硅，氧化铝和氧化铈CMP浆料的基本原理以及代表性PSD结果进行审查。

I.技术-简要摘要

A.单粒子光学传感（SPOS）

· 问题：定量确定CMP浆料的粒度分布（PSD）中大颗粒“离群值”的浓度/大小

· 解决方案：具有自动稀释功能的单颗粒光学传感（SPOS）

· 两种SPOS技术，它们可以检测穿过小的光学传感区域（≈30×400×1000μm）的单个粒子：

· 消光（LE）–跨流道的透射光强度的瞬时小幅减小（有用的大小范围：≈1.5至≈400μm）

· 光散射（LS）–在一定的散射角范围内，光强度会瞬时增加（有用的尺寸范围：≈0.5至≈3-5μm）

·  SPOS提供了最高分辨率的单颗粒检测。 SPOS可以真实地显示CMP浆料的粒径分布（PSD）的大颗粒“尾巴”（≥0.5μm），这与“集成”方法不同。 激光衍射，超声衰减，光学浊度

·  SPOS与集成方法：对有问题的异常粒子的一小部分的详细“快照”，以及整个PSD的全局图片

·  SPOS提供了真实的PSD粒子数量与直径的关系（8到512个通道），无需假设PSD的形状

· 大动态范围–≈0.5至400μm（新传感器设计，请参见下文）

· 高速和可重复性–通常在1-2分钟的分析时间内对100,000至500,000个颗粒进行计数和尺寸调整

· 在线监测的理想选择，当与用于自动稀释浓缩CMP浆料的机制一起使用时（通常需要5-10毫升）

· 与动态光散射（DLS）技术兼容，可以提供整个“几乎亚微米” PSD的有用的全局“快照” –可以用于在线CMP浆料监控

· 专有的传感器设计（专利）–“ LE + LS”。 结合了LE技术（大尺寸范围和对颗粒成分的相对不敏感性）和LS方法（高灵敏度，低颗粒直径限制）的优势。 参见下面的图1。

Figure 1: Simplified block diagram of a combination “LE+LS” sensor (Pat.)

· 下面的图2显示了LE400-05SE传感器（标称尺寸范围为0.5-400μm）的典型响应（校准曲线），它结合了消光（LE）和光散射（LS）响应。

Figure 2: Typical response (pulse height vs particle size) for “LE+LS” sensor.

B.自动样品稀释

· 已经开发出两种自动稀释浓缩CMP浆料的方法，它们非常适合在线应用：

· 自动＃1 –单级自动稀释系统，基于注入的CMP浓缩浆的连续，指数稀释（已颁发专利）。 主要优点：简单，速度快（图3A）

·V =稀释室中液体的体积（ml）

·ΔV=捕获/注入的浓缩浆液样品的体积（ml）

·F_D =进入稀释室的过滤后稀释液的流速（ml / s）

·C_S =浓缩浆液样品中的颗粒浓度（＃/ ml）

·C（t）=穿过传感器的流体中的颗粒浓度（＃/ ml）

·C（t）= C₀ exp（-t /τ），其中τ= V / F_D和C₀≈（ΔV/ V）C_S（ΔV<< V）

· 自动装置＃2 –两阶段自动稀释系统，基于预先稀释的CMP浆料的稳态混合流稀释（正在申请专利）。 主要优点：灵活性强，稀释范围广（以简化形式显示，图3B）

·V₁ =预稀释室中的液体体积（ml）

·F_S =预稀释样品进入第二级稀释器的流速（ml / s）

·F_D =稀释剂进入第二级稀释器的流速（ml / s）

DF1 ≈ V₁/ΔV ;

DF2 = 1 + F_D/F_S

Figure 3a: Single-stage Autodilution module, AccuSizerTM 780/ONLINE system      Figure 3b: Two-stage Autodilution module, AccuSizerTM 780/ONLINE system

II.技术-简要介绍

图4：用于自动监控浓缩CMP浆料的AccuSizerTM 780 / ONLINE光学粒度仪。

三， AccuSizer结果—简要介绍

图5：通过DLS（NICOMP 380）获得的“优质”氧化铈浆料（＃1）的近似PSD –简单的“高斯”（2参数）分析，体积重量平均直径为324 nm（0.32μm） ，且适合度高（chi sq = .25）

图6：通过Fraunhofer（激光）衍射获得的氧化铈＃1的体积-重量PSD，这是另一种“集成”方法-体积-重量的平均直径也≈0.3μm。

图7：使用SPOS（AccuSizer 780）为氧化铈＃1中较大颗粒（直径> 1.09μm）的异常“尾部”获得的准确PSD。 在60秒的分析过程中，确定大小的颗粒总数为475,982。

图8：从对应于图7 PSD的原始“通道”数据获得的氧化铈＃1中的颗粒数/ ml估计值与粒径的关系。

图9：通过DLS对“不良”氧化铈浆料（＃2）获得的PSD结果（强度和体积-重量）。 由于高斯拟合的高chi-sq值（35），因此使用了多模式“ Nicomp”分析。 双峰PSD在0.37μm处显示了预期的“主要”峰，在3.5μm处显示了第二个峰，代表较大颗粒/聚集体的“尾部”。

图10：通过弗劳恩霍夫（激光）衍射获得的氧化铈＃2的体积-重量PSD。 曲线“ A”代表未经处理从样品获得的结果，与预期的PSD几乎没有相似之处。 超声处理30秒后获得曲线“ B”，产生以≈0.4μm为中心的预期峰。 第二个峰极大地夸大了异常的“尾巴”。