《Materials Science in Semiconductor Processing》：Quantitative assessment of contamination suppression and removal techniques for PVA brush in Post-CMP cleaning
编辑推荐：
本研究开发了一种基于紫外-可见分光光度法的非破坏性方法，用于定量评估PVA刷在CMP后清洗中的污染程度。通过对比内DIW注射、超声清洗、挤压棒和打磨预处理四种策略，发现内DIW注射3分钟内可减少约90%的颗粒，超声清洗效果迅速，挤压棒去除表面颗粒，打磨预处理有效降低刷污染。该方法为优化清洗流程、延长刷寿命及降低成本提供了实用工具。
郑赫英（Hokyoung Jung）|金多妍（Doyeon Kim）|李泰英（Taekyung Lee）|郑海铎（Haedo Jeong）|赵汉哲（Hanchul Cho）
韩国工业技术院极端过程控制小组，釜山，46938，大韩民国
摘要
本研究开发了一种基于分光光度法的方法，用于在不对PVA刷子造成物理损伤的情况下定量评估CMP后清洗过程中的污染情况。该方法通过测量去离子水与刷子接触后的吸光度变化，直接指示清洗过程中释放的残留浆料颗粒的数量。
为了建立定量框架，制备了不同浓度的浆料稀释样品，并利用其吸光度绘制了校准曲线。该校准曲线表现出优异的线性（R2 = 99.9%），使得在广泛的稀释范围内吸光度与颗粒浓度之间能够实现精确的相关性。
利用这种方法，评估了四种清洗策略下的刷子污染程度。内部去离子水（inner DIW）注入法在3分钟内将颗粒浓度降低了约90%，而超声波清洗在几秒钟内几乎完全去除了颗粒。挤压棒清洗通过直接机械接触进一步去除了表面附着的颗粒。与这些接触后清洗方法相比，抛光作为一种预处理方法，在刷子接触前就清除了晶圆表面的颗粒，有效减少了刷子上的颗粒积累，从而降低了后续清洗过程中的再污染风险。
总体而言，这种无损且快速的方法为监测刷子性能和评估清洗策略提供了实用工具，有助于优化工艺流程、延长刷子使用寿命并降低半导体制造中的清洗成本。
引言
在现代半导体行业中，芯片集成度的提高和CMP步骤数量的增加进一步凸显了CMP后清洗的重要性[[1], [2], [3], [4]]。随着设计规则的不断缩小和器件架构的日益复杂，对晶圆表面残留浆料、有机残留物和纳米级颗粒的严格控制变得愈发关键。因此，必须不断改进CMP后清洗工艺，以确保工艺稳定性，特别是要精确去除颗粒并有效管理污染[[5], [6], [7]]。
在各种清洗技术中，PVA刷子清洗因其开孔结构和高效的颗粒去除能力而被广泛采用（图1）[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。然而，由于反复使用，PVA刷子会不可避免地积累浆料颗粒和其他污染物，导致性能逐渐下降，并可能引起晶圆再污染，如图2中的SEM图像所示[[15], [16], [17]]。此外，PVA刷子属于相对昂贵的消耗品，频繁更换会带来成本和环境负担[[17], [18], [19]]。因此，减少污染和延长刷子使用寿命对于实现可持续且经济高效的工艺控制至关重要。
以往的研究主要集中在新引入的PVA刷子的初始污染情况及其对早期清洗性能的影响[5,[19], [20], [21], [22], [23]]。例如，Myong等人发现PDMS和SDS等有机残留物是初始交叉污染的主要来源，因此建议使用虚拟晶圆或去离子水冲洗来进行磨合[24]。Lee等人随后提出了一种基于低频超声波的磨合方法，证明了几分钟内能有效去除内部污染[6]。然而，大多数先前的研究仅关注初始污染，缺乏系统的方法来描述和减轻重复使用过程中的长期污染积累[20,[25], [26], [27]]。此外，这些研究对污染的定量分析有限，也未提出实际策略来维持长期的清洗性能。例如，尽管在高产量生产中已经采用了内部去离子水注入等技术来防止刷子干燥和减少颗粒滞留，但其对减少刷子污染的有效性尚未得到定量验证[21,27]。同样，普遍认为抛光可以在刷子清洗前通过清除晶圆表面的污染物来减少颗粒转移，但关于其对抑制刷子污染或提高清洗稳定性的影响的定量证据有限[28,29]。
为了解决这些局限性，本研究提出了一种无损方法来定量评估PVA刷子的污染情况，并评估了多种清洗技术，以确定维持清洗性能的实际策略。采用基于UV–Vis分光光度法的方法来评估污染程度，而不会损坏刷子，从而可以对比评估直接应用于受污染刷子的内部去离子水清洗、挤压棒清洗和超声波清洗的效果。相比之下，抛光在刷子清洗前进行，作为一种预防措施，减少了颗粒的负载，从而降低了再污染的风险。这一框架为评估它们在抑制颗粒积累和提高清洗稳定性方面的相对有效性提供了定量依据，为经济高效和环保的CMP后清洗控制提供了指导。
分节摘录
利用分光光度法定量评估PVA刷子污染
本研究采用分光光度法在不对PVA刷子造成物理损伤的情况下定量评估其污染情况。分光光度法通过测量光的强度来确定物质的吸光度，从而基于样品中特定分子吸收或发射的电磁辐射进行定性和定量分析[30]。工作原理如图3所示：分光光度仪比较入射光（P?）的强度
维持PVA刷子清洗性能的清洗方法
如表1所示，受污染的刷子与清洁状态相比显示出显著更高的硅（Si）浓度，证实了颗粒在表面和多孔内部的成功沉积。这些结果建立了污染的基线水平，并补充了用于跟踪清洗动态的UV–Vis方法。
结论
本研究提出了一种实用策略，通过引入无损的分光光度法进行定量污染评估，并系统评估了四种清洗方法（内部去离子水清洗、挤压棒清洗、超声波清洗和抛光），以维持PVA刷子在CMP后清洗中的长期性能。该方法能够实时跟踪刷子释放的颗粒情况，并提供了关于污染程度的直接见解。
CRediT作者贡献声明
郑赫英（Hokyoung Jung）：撰写原始草稿、可视化处理、方法论设计、数据分析、概念构建。
金多妍（Doyeon Kim）：撰写原始草稿、可视化处理、方法论设计、数据分析、概念构建。
李泰英（Taekyung Lee）：方法论设计、数据分析。
郑海铎（Haedo Jeong）：撰写与编辑、监督、项目管理。
赵汉哲（Hanchul Cho）：撰写与编辑、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了韩国政府（科学技术信息通信部）资助的韩国国家研究基金会（NRF）项目（RS-2022-NR068259和RS-2024-00426823）的支持。
