摘要
半導體行業(yè)中，硅片表面沉積的有機物會對后續(xù)的工藝產(chǎn)生很大影響，本文介紹了一種硅片表面有機物監(jiān)測系統(tǒng)(Wafer Outgassing Monitoring System，WOMS)，使用了珀金埃爾默的TurboMatrix 300型熱脫附儀、GCMS 2400氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和銳譜科技提供的硅片加熱系統(tǒng)，整個系統(tǒng)自動化程度高，穩(wěn)定性好，C16標準品連續(xù)6次加標重復性在3.83%以內(nèi)，線性相關性系數(shù)平方大于0.999，對常見的12英寸晶圓，定量限可達到0.233pg/cm2(以C16 計)。
前言
硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)環(huán)境和存儲環(huán)境中存在大量有機物，如塑料，清洗劑，生物組織等，這些有機物通過化學反應或加熱等途徑揮發(fā)到潔凈間和存儲空間的空氣中，并沉積在硅片表面。而沉積的有機物會引起硅片表面霧化、硅片表面張力變化、不規(guī)則的氧化率以及表面氧化層不均勻等，使得硅片擊穿電壓下降，對后續(xù)的化學氣相沉積(CVD)、光刻和刻蝕工藝都會帶來影響。隨著晶圓制造工藝的提升，有機污染物對提高硅片良率的影響權重越來越大。
為了進一步提高硅片良率和對有機污染物進行溯源控制，有必要對硅片表面有機污染物及其來源進行監(jiān)測。目前現(xiàn)有的國內(nèi)外標準，采用的是熱脫附-氣相色譜的離線檢測方法，樣品前處理和樣品收集過程較為復雜，而且氣相色譜無法對未知化合物進行定性，不能溯源化合物的來源。
目前市面上的硅片表面有機物監(jiān)測系統(tǒng)(Wafer Outgassing Monitoring System，WOMS)也主要是離線監(jiān)測方案，采用蘇瑪罐或者熱脫附管的采樣方式，自動化程度不高，需要人工離線采集或者富集樣品后再上機檢測，且硅片表面的有機沉降物多為高沸點的化合物，采集過程中容易出現(xiàn)損失。
本文介紹了一種自動化WOMS方案，添加完硅片樣品之后，全程可以自動化進行樣品前處理、樣品富集、樣品檢測及出具結(jié)果，整個過程無需人工干預。
實驗部分
設備
使用珀金埃爾默的TurboMatrix 300型熱脫附儀以及GCMS 2400氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進行分析，設備如圖1所示，前處理系統(tǒng)和自動化控制軟件由銳譜科技提供，整套WOMS方案集成在箱體中，如圖2所示。
圖1.TurboMatrix熱脫附儀以及GCMS 2400氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀
圖2.WOMS設備示意圖
硅片加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，整套系統(tǒng)為石英材質(zhì)，采用紅外輻射加熱的方式進行加熱，升溫速率快，溫度控制精準。樣品艙經(jīng)過特殊設計，可以對硅片兩面的有機物或者單面的有機物進行分析，且適配各種不同尺寸的晶圓。樣品艙到熱脫附儀的管路全程加熱，防止高沸點有機物的殘留。
圖3.硅片加熱系統(tǒng)示意圖(點擊查看大圖)
在線熱脫附儀的閥圖如圖4所示，可選擇是否加裝在線除水裝置(Naflon Dries)，如果樣品中含水率較高，可除去樣品中的水分，可防止樣品中水分過高導致冷阱結(jié)冰，堵塞冷阱的現(xiàn)象。
圖4.在線熱脫附閥示意圖(點擊查看大圖)
珀金埃爾默熱脫附的冷阱為三段式半導體冷阱設計，冷阱最低溫度可達-40℃，對低沸點化合物有很好的捕集效果，冷阱示意圖見圖5，可以有效捕集C2~C3的化合物，例如乙烷、乙炔、丙烷等，見圖6。
珀金埃爾默熱脫附配置耐高溫的金屬閥，最高加熱溫度可達300℃，傳輸線的最高溫度也可達300℃，可有效防止目標物在傳輸過程中冷凝損失，金屬閥見圖7。
(左)圖5.冷阱示意圖；(中)圖6.低沸點化合物結(jié)果；(右)圖7.金屬閥示意圖(點擊查看大圖)
儀器參數(shù)
分析條件如下表1所示
表1.儀器條件
實驗結(jié)果
C16標準樣品結(jié)果：
在硅片加熱前處理系統(tǒng)中添加1μL 200μg/mL的C16標液，加標量為200ng，連續(xù)6次的結(jié)果如下圖所示：
圖8.200ng C16連續(xù)6次進樣標準圖譜(點擊查看大圖)
連續(xù)六次加標的重復性結(jié)果：
表2.200ng C16重復性(點擊查看大圖)
定量限
在硅片加熱前處理系統(tǒng)中添加1μL 1μg/mL的C16標液，加標量為1ng，響應強度如下圖所示，信噪比為29.58。根據(jù)10倍的信噪比計算定量限為0.34ng。
換算到硅片樣品中的定量限為 0.233pg/cm2 (12英寸晶圓，雙面檢測)
圖9.1ng C16信噪比(點擊查看大圖)
線性
配置10 μg/mL、20 μg/mL、50 μg/mL、100 μg/mL、200 μg/mL和500 μg/mL的C16標液，分別在硅片加熱前處理系統(tǒng)中添加1 μL ，加標量分別為10ng、20ng、50ng、100ng、200ng和500ng，校準曲線如下圖所示，r²>0.999。
圖10.標準曲線(點擊查看大圖)
實際樣品
某公司提供的硅片的檢測結(jié)果如下所示，主要的高沸點化合物有己內(nèi)酰胺、烷烴、鄰苯二甲酸酯類化合物。
圖11.實際樣品檢測結(jié)果(點擊查看大圖)
結(jié)論
本文通過珀金埃爾默的TurboMatrix 300型熱脫附儀、GCMS 2400氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和銳譜科技提供的硅片加熱系統(tǒng)，組成了全自動硅片表面有機物監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過客戶實際驗證，整個系統(tǒng)自動化程度高，穩(wěn)定性好。
參考標準
[1] GB/T 24577-2009 熱解吸氣相色譜法測定硅片表面的有機污染物
[2] SEMI MF1982 :2017 TEST METHOD FOR ANALYZING ORGANIC CONTAMINANTS ON SILICON WAFER SURFACES BY THERMAL DESORPTION GAS CHROMATOGRAPHY
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