Zeta 电位在CMP中的应用

要了解什么是Zeta 电位，首先要了解一个概念什么是斯特恩双电层理论，如下图1所示以研磨液溶液体系为例，在胶体溶液体系里，由于研磨颗粒自身带电荷（比如带负电荷），它会在周围通过电荷吸引吸附一层反离子（正电荷），这层反离子层被称为斯特恩层也称为紧密层，斯特恩层之外则被称为扩散层，在扩散层的反离子按照一定的浓度梯度扩散至溶液体系。双电层的形成其实就是静电吸引力与热运动效应的共同结果。

在实际的胶体溶液体系里，在颗粒表面总是会有一部分溶剂分子与其紧密结合，因此这部分溶剂会跟随颗粒一起运动，那么这个运动过程中在固液界面会发生相对滑动，也就是滑动面（假想面，具体位置不清楚）。

Zeta电位指的就是滑动面处的电势。它可以用来衡量溶液中颗粒之间的吸引力和排斥力，也可以用来表示胶体溶液体系的稳定性。Zeta电位也被常用来监控研磨液体系的稳定性。例如研磨液中较大的Zeta电位使得颗粒之间的排斥力增强，溶液趋于稳定；反之，较低的Zeta电位则可能使得溶液趋于不稳定易发生团聚。影响Zeta电位的主要因素是溶液的pH值与离子浓度等。

图1：斯特恩双电层模型示意图

Zeta电位可以反映研磨液体系的稳定性，当Zeta电位有减小趋势代表研磨液趋于不稳定，有可能发生团聚沉降，这个时候研磨液的大颗粒数和粒径可能就会发生变化，会对工艺产生影响（例如刮伤会增多）。但在实际应用中Fab厂通常会通过检测研磨液的pH, 浓度，粒径分布及大颗粒数（LPC）等参数直接来监控研磨液是否有异常，研磨液厂商通常会监控Zeta电位的数据。

Zeta电位的大小与pH有很强的相关性，因此保持研磨液有稳定的pH值至关重要。

图2：Zeta电位大小与pH值的关系

Zeta电位在CMP的清洗工艺中有着很重要的应用，CMP研磨后的脏污类型或者来源一般包括：abrasive particles,slurry residue,pad debris, metallic contaminants等。在CMP清洗工艺中NH₃∙H₂O是比较普遍使用的一种清洗化学品，下面以W CMP中Zeta 电位在NH₃∙H₂O清洗过程中的应用为例：

如下图3所示在碱性环境中SiO₂ 颗粒（研磨颗粒）、PU颗粒(Pad debris)、W 表面的电位均为负，利用同种电荷互相排斥的作用去除W表面SiO₂研磨颗粒残留以及Pad debris，同时清洗刷PVA Brush在碱性环境中也带负电荷，这样可以减少在刷洗过程中颗粒黏附在Brush 上，以达到理想的清洗效果。

图3：不同pH 值下，不同物质的Zeta 电位大小