一种沾污检测系统及检测方法与流程

本发明涉及测试分析领域，具体涉及一种沾污检测系统及检测方法。

背景技术：

在摩尔定律的强势推动下以鳍式场效应晶体管(finfet)为主的14纳米代高性能、低功耗器件早已进入我们的生活。但是，要制造如此强大的器件需要引入大量新的化学元素，也由此使得对芯片加工厂的污染监控达到空前的难度。由于每个元素对硅基器件的影响各不相同，有些是必需的，添加以实现功能，有些则是无意中带入的，成为降低器件性能甚至使器件失效的污染源。因此，凡可能涉及到的元素均要严格监控。在元素周期表中，金属元素占多数，而且因其活泼的化学、物理性能，在大部分情况下将成为沾污。在污染监控工作中称之为金属沾污。

之前主流的在线金属沾污检测仪器——全反射荧光光谱分析仪(txrf)对钠、镁、铝等元素的检测底线是近1e¹¹原子/cm²，对铁、铜等检测底线是1e⁹原子/cm²。以上这些重点监控元素因加入的工序不一样，有时候会成为降低器件性能，甚至使器件失效的主要污染源。然而，全反射荧光光谱分析仪本身已经满足不了元素污染监控需求(≥1e⁹原子/cm²)。虽然有检测底线高等缺点，日本理学(rigaku)公司研发出的全反射荧光光谱分析仪的扫荡(sweeping)模式可以在一个晶圆上多点收集沾污数据，最终以图谱(mapping)的形式分析整个晶圆表面沾污情况。全反射荧光光谱分析仪的扫荡模式大大增加了其应用领域，如在晶圆边缘3～4点检测出铬、镍和铁等元素的话，基本可以判断不锈钢机械手可能接触到晶圆。同时，兼顾国际半导体技术规划(internationaltechnologyroadmapforsemiconductor，简称itrs)的晶圆表面沾污浓度，弥补全反射荧光光谱分析仪的高检测底线的气相分解金属沾污收集系统(vpd)被引入到在线监测辅助型仪器中。气相分解金属沾污收集系统的作用是用气相的氟化氢蒸汽腐蚀晶圆表面的自然氧化层，使其亲水表面变成疏水。然后，用特殊的液体收集液以扫描晶圆的方式把散落在整个晶圆表面的金属沾污收集到一个点上，配合全反射荧光光谱分析仪做测试。因为晶圆表面和一个收集点在面积上存在数量级的差异，所以几乎所有元素的晶圆级检测底线降了2个数量级，这样大大提升了全反射荧光光谱分析仪机台的测试灵敏度(100倍以上)。但是，vpd-txrf是单点分析，只能是定量的，这种方式无法描述上述机械手沾污等情况。

目前，整个半导体相关制造行业的兴起，常规金属沾污检测是各种晶圆加工厂必须考虑的问题。全反射荧光光谱分析仪等机台本身价格较为昂贵。为了满足预算不是特别丰厚的中小型晶圆加工厂对沾污检测需求，兼顾低检测底线的定量分析和图谱式的整个晶圆沾污分析，本发明公开一种能够同时实现上述两种测试方式的沾污检测系统及检测方法。

技术实现要素：

一种沾污检测系统包括：包括：激光剥蚀机，对样品表面进行剥蚀，并将沾污以气溶胶形式提供给电感耦合等离子体质谱仪，或者化学液溶解单元；化学液溶解单元，利用化学腐蚀液溶解所述样品表面沾污，并将其浓缩为一个液体样品；电感耦合等离子体质谱仪，测出激光剥蚀机提供的气溶胶，或者化学液溶解单元提供的液体样品；以及中央控制单元，对系统进行总括控制并以气溶胶做实时沾污分析或以液体样品做总沾污分析。

优选为，所述激光剥蚀机的激光波长是193nm、213nm和266nm中的一种或其组合。

优选为，所述化学液溶解单元包括：微型化学腐蚀槽、化学腐蚀液源瓶和自动取样装置，所述微型化学腐蚀槽分别与所述激光剥蚀机、所述化学腐蚀液源瓶和所述自动取样装置相连，其中，所述化学腐蚀源瓶向所述微型化学腐蚀槽供给腐蚀液，所述激光剥蚀机将样品表面沾污所形成的气溶胶通入所述微型化学腐蚀槽并溶于其腐蚀液形成液体样品，所述自动取样装置从所述微型化学腐蚀槽提取所述液体样品传输至所述电感耦合等离子体质谱仪。

优选为，所述微型化学腐蚀槽的体积在10ml～1000ml之间，所述化学腐蚀液源瓶的体积在1l～10l之间。

优选为，所述微型化学腐蚀槽为多个。

优选为，所述样品为硅基。

优选为，所述化学腐蚀液的成分为氢氟酸、硝酸、高氯酸和水。

一种沾污检测方法，包括以下步骤：模式选择步骤，通过中央控制单元选择图谱式检测模式或定量低检测底线检测模式；

在图谱式检测模式下，包括：样品表面剥蚀子步骤，利用激光剥蚀机对样品表面进行剥蚀，将样品表面沾污送入电感耦合等离子体质谱仪；沾污浓度测定子步骤，利用电感耦合等离子体质谱仪实时测出沾污浓度并把数据传输到中央控制单元；以及图谱分析子步骤，中央控制单元根据激光剥蚀机提供的位置信息和电感耦合等离子体质谱仪提供的实时沾污浓度，做出图谱分析；

在定量低检测底线检测模式下，包括：样品表面剥蚀子步骤，激光剥蚀机对整个样品表面进行剥蚀，将样品表面沾污送入化学液溶解系统；沾污收集子步骤，化学液溶解单元利用腐蚀性液体溶解并收集所述激光刻蚀机所剥蚀的样品表面总沾污，并将其浓缩于一个液体样品，送到电感耦合等离子体质谱仪；沾污浓度测定子步骤，利用电感耦合等离子体质谱仪测出沾污浓度，启动各种抗干扰模式消除硅基体带来的干扰并将数据传输到中央控制单元；以及痕量金属沾污高灵敏度分析子步骤，中央控制单元做出痕量金属沾污低检测底线分析。

优选为，在所述定量低检测底线检测模式下，激光剥蚀厚度为0.1～10微米。

优选为，在所述定量低检测底线检测模式下，所述抗干扰模式为标准模式、碰撞模式和反应模式中的一种或者多种组合。

本发明的沾污检测系统能够兼顾低检测底线的定量分析(液体样品)和图谱式的整个晶圆沾污分析(气溶胶)，功能强大且成本低廉。

附图说明

图1是沾污检测系统的功能框图。

图2是化学液溶解单元的功能框图。

图3是沾污检测方法的流程图。

图4是图谱式检测步骤的子流程图。

图5是定量低检测底线检测步骤的子流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是沾污检测系统的功能框图。如图1所示，沾污检测系统包括激光剥蚀机1、化学液溶解单元2、电感耦合等离子体质谱仪3和中央控制单元4。其中，激光剥蚀机1对样品表面进行剥蚀，收集样品表面沾污使其升华形成气溶胶；化学液溶解单元2利用腐蚀性液体溶解所述激光刻蚀机1所剥蚀的样品表面沾污，并将其浓缩于一个液体样品；电感耦合等离子体质谱仪3测量激光剥蚀机提供的气溶胶，或者化学液溶解单元提供的液体样品；中央控制单元4对系统进行总括控制并以气溶胶做实时沾污图谱分析或以液体样品做总沾污汇总低检测底线精准分析。

本发明的沾污检测系统兼顾低检测底线的定量分析和图谱式的整个晶圆沾污分析两种检测模式。在两种检测模式下，系统各单元所执行的功能及相互间的连接关系有所不同。具体而言，如图1所示，在图谱(mapping)式分析沾污的分布及浓度(较高检测底线)的情况下，该系统中涉及的单元和连接关系是：激光剥蚀机1对样品表面进行剥蚀，将样品表面沾污送入电感耦合等离子体质谱仪3；电感耦合等离子体质谱仪3测出实时沾污浓度并把数据传输到中央控制单元4；中央控制单元4根据激光剥蚀机1提供的位置信息和电感耦合等离子体质谱仪3提供的实时沾污浓度，做出图谱分析。如果是定量低检测底线分析的话，该系统中涉及的单元和连接关系是：激光剥蚀机1对整个样品表面进行剥蚀，将样品表面沾污送入化学液溶解系统2；化学液溶解单元2利用腐蚀性液体溶解并收集激光刻蚀机1所剥蚀的样品表面沾污，并将其浓缩于一个液体样品，送到电感耦合等离子体质谱仪3；电感耦合等离子体质谱仪3启动各种抗干扰模式消除硅基体带来的干扰测出沾污浓度并把数据传输到中央控制单元4；中央控制单元4进行痕量金属沾污高灵敏度分析。进一步地，中央控制单元4还根据样品大小进行沾污浓度单位转换，将ppt与原子/cm²之间互相转换，便于对比分析。

激光剥蚀机和电感耦合等离子体质谱仪(icp-ms)均可采用现有产品。激光剥蚀机可以是特勒帝尼cetac技术公司(teledynecetactechnologies)公司的analyte系列的某一种的晶圆兼容定制版，或者是esi公司的nwr系列中的某一种的晶圆兼容定制版。激光波长可以是193nm、213nm和266nm的某一种或者组合。激光剥蚀机的工作原理是用激光束照射晶圆表面使其产生高温，让样品快速升华，同时在腔体通入惰性气体，一般是氦或者氩气，流量范围是0.1l/min～10l/min之间，与升华的固体样品形成气溶胶带入电感耦合等离子体质谱仪做分析。电感耦合等离子体质谱仪可以是安捷伦公司的7xxx系列或者8xxx系列的任何一种，或者是泊尔金艾尔默公司的nexion(商品商标)的任何一种，或者是塞默飞公司的任何一种。

化学液溶解单元2，如图2所示，包含：微型化学腐蚀槽21、化学腐蚀液源瓶22和自动取样装置23。微型化学腐蚀槽21分别与激光剥蚀机1、化学腐蚀液源瓶22和自动取样装置23相连，其中，化学腐蚀源瓶22向微型化学腐蚀槽21供给腐蚀液，激光剥蚀机1将样品表面沾污所形成的气溶胶通入化学腐蚀槽21，自动取样装置23从微型化学腐蚀槽21中提取液体样本即被化学腐蚀液溶解的样品表面沾污，传输至电感耦合等离子体质谱仪3。微型化学腐蚀槽21可以是一个或多个，在图2中示出为两个，其体积在10ml～1000ml之间，形状可以是圆柱或者长方体。化学腐蚀液源瓶22内可灌入1l～10l腐蚀性液体，可以通过氮气压入或者以微型计量泵等方式输送到微型化学腐蚀槽21。对于硅基样品，化学腐蚀性液的成分可以是氢氟酸、硝酸、高氯酸、水，其中，氢氟酸：硝酸：高氯酸：水的体积比的范围为1～100:1～100：1～100：1～1000。

自动取样装置23(autosampler)可以是伊莱克森有限公司(esi)的sc系类的任何一种，或者是安捷伦公司asx-500系列的任何一种。通常自动取样装置自带icp-ms校准液、质量监控液(qualitycheck，qc液)、雾化器、雾化室和各种阀与控制模块直接与icp-ms实时互动。

接下来，结合图3～图5针对本发明的沾污检测方法进行说明。图3是沾污检测方法的流程图。如图3所示，本发明的沾污检测方法包括以下步骤：首先，在模式选择步骤s1中，通过中央控制单元4选择图谱式检测模式或定量低检测底线检测模式。接下来，进行图谱式检测步骤s2或者进行定量低检测底线检测步骤s3。

具体而言，如图4所示，图谱式检测步骤s2包括以下子步骤：

在样品表面剥蚀子步骤s21中，激光剥蚀机1对样品表面进行剥蚀，将样品表面沾污送入电感耦合等离子体质谱仪3。

在沾污浓度测定子步骤s22中，电感耦合等离子体质谱3测出实时沾污浓度并把数据传输到中央控制单元4。

在图谱分析子步骤s23中，中央控制单元4根据激光剥蚀机1提供的位置信息和电感耦合等离子体质谱仪3提供的实时沾污浓度，做出图谱分析。

定量低检测底线检测步骤s3，如图5所示，包括以下子步骤：

在校准子步骤s31中，自动取样装置23与电感耦合等离子体质谱仪3互动，完成对电感耦合等离子体质谱仪3的校准。

在腐蚀液供给子步骤s32中，化学腐蚀源瓶22向微型化学腐蚀槽21供给化学腐蚀液。

在质量检测子步骤s33中，自动取样装置23从微型腐蚀槽21提取样品与自带的qc液，做质量检测。如果微型腐蚀槽21有意外沾污，不符合要求，则自动切换至另一微型腐蚀槽21，重复进行质量检测，如果两者都不符合要求，用高纯去离子水和化学腐蚀液交替冲洗微型腐蚀槽21直到质量检测达标。

在样品表面剥蚀子步骤s34中，激光剥蚀机1剥蚀收集样品表面所有沾污，即从整个样品表面上均匀的剥蚀0.1微米～10微米的基底，例如硅，并将产生的气体溶胶通入已盛满化学腐蚀液的微型腐蚀槽21。

在沾污收集子步骤s35中，将样品表面沾污物(主要是金属和基底如硅颗粒)在微型化学腐蚀槽21中均匀腐蚀成离子，由自动取样装置23提取样品并输送到电感耦合等离子体质谱仪3。

在沾污浓度测定步骤s36中，电感耦合等离子体质谱仪3进行质谱测量，从而测出沾污浓度。进一步地，可以采用标准模式、碰撞模式和反应模式等一种或者多种组合消除硅基体带来的干扰。

最后，在痕量金属沾污高灵敏度分析子步骤s37中，中央控制单元4做出痕量金属沾污低检测底线分析。

本发明能够兼顾低检测底线的定量分析和图谱式的整个晶圆沾污分析，并且成本较低，能够满足预算不是特备丰厚的中小型晶圆加工厂对沾污检测需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。