使用BeNano檢測不同pH環(huán)境中CMP拋光液的Zeta電位和粒徑

CMP拋光液與拋光墊和固定環(huán)結(jié)合使用，以平整表面不規(guī)則的形貌，使晶圓表面光滑（圖1），光滑的表面是后期形成集成電路的必要條件。晶片的平整度非常重要，與所用拋光漿料顆粒的尺寸分布有關(guān)。拋光液中顆粒的尺寸和分布會(huì)影響拋光速率和拋光表面粗糙度，從而影響稍后加工的電路質(zhì)量，尤其是微量存在的大顆粒團(tuán)聚物，有可能對晶片表面造成劃痕。拋光液漿料顆粒上的表面電荷決定了漿料的穩(wěn)定性，即是否形成大團(tuán)聚物的傾向，因此Zeta電位也會(huì)影響拋光過程。

百特BeNano系列納米粒度及Zeta電位儀可以與BAT-1自動(dòng)滴定儀聯(lián)用，在一個(gè)測試序列中，同時(shí)檢測不同pH條件下樣品的粒徑和Zeta電位信息，全面地表征樣品的穩(wěn)定性行為。

這個(gè)應(yīng)用中，我們通過BeNano光散射技術(shù)對二氧化硅研磨液進(jìn)行了表征，以研究它們的大小、分布和表面電荷特性。

設(shè)備

我們采用百特BeNano 180 Zeta Max納米粒度及Zeta電位儀和BAT-1自動(dòng)滴定儀。儀器使用波長671nm，功率50mW激光器作為光源，使用設(shè)置在12°的檢測器進(jìn)行Zeta電位檢測，使用設(shè)置在173°的檢測器進(jìn)行粒徑測試。

樣品制備和測試條件

BeNano主機(jī)和BAT-1自動(dòng)滴定儀連用檢測了一個(gè)分散在水中的氧化硅拋光液在不同pH值下的Zeta電位和粒徑。通過軟件中內(nèi)置的SOP進(jìn)行pH滴定操作設(shè)定，向溶液中滴加HCl水溶液改變體系的pH。終點(diǎn)pH設(shè)定為2，pH間隔為1，冗余度0.2pH值。

通過BeNano內(nèi)置的溫度控制系統(tǒng)開機(jī)默認(rèn)測試溫度控制為25℃±0.1℃，采用毛細(xì)管電極進(jìn)行測試。

測試結(jié)果和討論

通過檢測不同pH下樣品拋光液的Zeta電位和粒徑值，得到Zeta電位隨pH的變化曲線。

通過圖2曲線可以看出，在滴定的pH范圍（pH=2-10）內(nèi)樣品的Zeta電位都呈現(xiàn)負(fù)值，說明顆粒表面攜帶負(fù)電荷。樣品的Zeta電位在pH大于6的范圍內(nèi)，其幅值在-25mV至-30mV范圍內(nèi)波動(dòng)，粒徑在120nm附近，通過表1中PDI數(shù)值可以看到在此范圍內(nèi)PDI較低，說明樣品均勻性較好；當(dāng)樣品的pH低于5，其電位幅值隨pH降低顯著下降，在pH=2時(shí)Zeta電位降至-5mV。隨著Zeta電位降低，顆粒間相互作用力減小，體系生成團(tuán)聚物的傾向越來越大，粒徑逐漸增大。通過圖3的粒徑分布信息可以看出隨著pH降低，粒徑分布逐漸向大尺寸方向偏移。

通過滴定實(shí)驗(yàn)可以看出，該納米氧化硅拋光液樣品在pH環(huán)境大于6的條件下能保持較高的電位，從而達(dá)到均勻分散的效果。Zeta電位會(huì)影響氧化硅顆粒與被拋光材料表面的吸附和作用。電位合適，顆粒能均勻吸附在材料表面，實(shí)現(xiàn)均勻拋光；電位不合適，顆粒吸附不均勻，會(huì)導(dǎo)致拋光不均，出現(xiàn)劃痕、凹坑等缺陷。而粒徑結(jié)果也從另一個(gè)側(cè)面反映了Zeta電位作為相互作用力對于體系分散效果的。

結(jié)論

在這個(gè)應(yīng)用報(bào)告中，通過BeNano主機(jī)和BAT-1自動(dòng)滴定儀表征了氧化硅拋光液在不同pH條件下的Zeta電位和粒徑信息。結(jié)果表明，氧化硅拋光液在pH大于6環(huán)境中比較穩(wěn)定，在低pH環(huán)境中Zeta電位幅值較低，相互作用力較小，會(huì)生成大量團(tuán)聚物，這會(huì)極大地影響拋光效果。