破解半导体CMP抛光液缺陷难题：岛津多技术联用实现精准分析
化学机械研磨（CMP）是将化学反应与机械研磨结合，半导体行业需要在纳米级尺度下打磨硅晶圆表面。作为CMP工艺的“血液”，抛光液浆料的颗粒粒径分布、硬质异物颗粒含量及表面活性剂浓度直接关乎抛光效率与表面缺陷控制。然而，抛光液体系高度复杂：既包含纳米级的单分散初级磨料，又可能潜藏亚微米级团聚体与微米级的异物颗粒；其分散稳定性与抛光性能更高度依赖表面活性剂的精密调控。传统的单一检测手段往往受限于测量范围与灵敏度，难以兼顾“全尺度”颗粒表征与微量成分的精准定量，极易在研发与品控中留下质量盲区。
为解决以上问题，往往需要多技术手段协同研究。岛津作为分析测试设备的综合服务商，整合了多种分析技术，构建了一套覆盖纳米至微米尺度、兼顾颗粒形貌、分布状态与化学成分的综合表征方案。希望能为CMP抛光液的配方优化、工艺监控与缺陷溯源提供科学、精准的决策依据，助力实现更高抛光效率与产品良率。
1 采用激光粒度仪SALD-7500nano获取纳米（nm）级尺度信息
激光衍射·散射法（LD）是表征和评估颗粒的常用测试方法，可以测定数十~数百nm磨料粒径分布。将CMP抛光液的二氧化硅原液稀释1000倍后，使用岛津SALD-7500nano（激光衍射·散射法）测定，得到单分散粒径分布图（图2），样品中值直径为88nm，未检测到微米级的颗粒信息。
普通激光衍射·散射法测量浓度范围在数百ppm，通常样品需要根据主成分含量适当调整浓度后测试，所以很难检测到微量微小异物颗粒。
2 采用动态粒子图像分析系统iSpect DIA-10评估微米（μm）级异物
图3. 动态粒子图像分析系统iSpect DIA-10
动态粒子图像分析系统iSpect DIA-10是一种通过拍摄流动粒子图片，从图像中提取粒子、评估粒子形状和浓度的技术。
iSpect DIA-10分析颗粒样品的优点：
可在两分钟内完成颗粒成像、尺寸分析和异物检测，并获得粒度分布和计数浓度。
采用微池方式，可以测量混浊不透光的样品，实现了几乎无遗漏的异物检测和高精度的浓度评估。
在评估以亚微米级成分为主的样品时，可以不稀释或在低稀释倍数测量到样品中少量微米级异物。
DIA-10直接测定抛光液原液，得到μm级粒子的个数浓度为3315个/mL，检测到最大粒子的面积当量直径约为73 μm。通过各粒子的面积当量直径换算为球体后的体积，并累加所有粒子的体积，得出的体积浓度为2.337ppm。
此外，使用DIA-10测定稀释1000倍的样品，检测出的异物、粗大粒子也非常少（图6）。所以，评价微量异物时，最好使用原液或低稀释率进行评价。
3 利用离心式场流分离技术和扫描探针显微镜（SPM）对亚微米（subμm）级异物进行评价
DIA-10测量范围在微米以上，对于subμm级异物颗粒，可以先利用离心式场流分离技术*1（离心FFF）对样品粒子进行分级，并使用多角度光散射检测器进行粒径测量。结果显示：样品颗粒粒径分布区间为 20～240 nm。在测试中，如果样品是多种单分散颗粒的混合物，会呈现多个尖锐的特征峰，但本次 CMP 抛光液样品仅观测到单个宽峰（图8）。据此可推断：该 CMP 抛光液中的颗粒呈连续粒径分布。
*1离心式场流分离技术：在一个扁平通道中，流过的样品粒子会受到“场力”的影响，样品在场力影响下会出现不同的移动速度从而达到分离和尺寸分级的目的。这个“场”是基于离心力场实现。
*2离心式场流分离系统FFF-8030尚未在中国销售。
为进一步确认亚微米级峰值粒子是否为团聚体，使用SPM-9700HT Plus（图9）观测样品。将CMP抛光液样品稀释1000倍，滴在云母片上风干，然后在大气中观察。获得的图像和截面分析结果如图10所示。
从SPM图像和截面分析来看，初级粒子的粒径主要在20~30nm，且没有发现粒径大于100nm的大粒子。从形状图像可以判断，亚微米级的粗颗粒可能是由20~30nm的初级粒子聚集形成的。
4 使用LC-MS/MS测定抛光液中表面活性剂含量，调控颗粒分散性和抛光效率
CMP抛光液中添加表面活性剂，能调控抛光液的分散性、抛光效率等整体性能。常用表面活性剂有聚氧乙烯醚类，如APEO（烷基酚聚氧乙烯醚）。若APEO添加含量过低容易造成颗粒物团聚，从而产生划痕；含量过高，则泡沫增多，使得抛光效率下降，因此需要对其含量进行准确控制。采用三重四极杆型液质联用仪LCMS-8045RX可以测定APEO含量，实现ppb级别的准确定量分析。
图11. 三重四极杆型液质联用仪LCMS-8045RX
在CMP浆料研究中，颗粒结构信息至关重要，对需要精细控制粒径分布、优化抛光液工艺具有重要指导作用：
如果CMP浆料的初级颗粒本身很大，则需要优化初级颗粒的造粒和粉碎方法。
如果初级颗粒很小、大颗粒仅是聚集体，则可以考虑优化分散剂和分散处理工艺，进一步可考虑优化表面活性剂种类及含量。
方案总结
对于需要精细控制和管理粒径分布的CMP抛光液浆料，不仅需要通用的激光衍射/散射法，还要结合图像颗粒分析（DIA）、离心场分离和原子力显微镜（SPM）等分析技术，才能获取颗粒的全面信息。此外，还可以使用三重四极杆型液质联用仪（LC-MS/MS）对抛光液中的表面活性剂含量进行监控，从而调控其分散性，以获取更好的抛光效果，提升良品率。