表面沾污仪

p style="text-indent: 2em text-align: justify "半导体器件生产中硅片须经严格清洗。微量污染也会导致器件失效。硅片是从硅棒上切割下来的晶片表明的多层晶格处于被破坏的状态，布满了不饱和的悬挂键，悬挂键的活性非常高，十分容易吸附外界的杂质粒子，导致硅片表面被污染且性能变差。清洗的目的在于清除表面污染杂质，包括有机物和无机物。这些杂质会导致各种缺陷。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "随着大规模集成电路的发展，集成度不断提高，线宽不断减小，抛光片表面的颗粒和金属杂质沾污对器件的质量和成品率影响越来越严重。对于线宽为span0.35/spanμspanm/span的span64/span兆spanDRAM/span器件，影响电路的临界颗粒尺寸为span0.06/spanμspanm/span，抛光片的表明金属杂质沾污全部小于span5/span× span10sup16/supat/cmsup2/sup/span，抛光片表面大于span0.2/spanμspanm/span的颗粒数应小于span20/span个span//span片。因此对硅片的质量要求也越来越高，特别是对硅抛光片的质量要求越来越严，对硅片沾污的检测便显得尤为关键。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "以下为硅片沾污检测技术与仪器概览：/ptable border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" style="border-collapse:collapse border:none" align="center"tbodytr class="firstRow"td width="56" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p沾污种类/p/tdtd width="113" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p杂质成分/p/tdtd width="156" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p沾污危害/p/tdtd width="118" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p检测技术或仪器/p/tdtd width="110" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p主要厂商/p/td/trtrtd width="56" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p颗粒沾污/p/tdtd width="113" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p聚合物、光致抗蚀剂等/p/tdtd width="156" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p图形缺陷、离子注入不良、spanMOS/span晶体管特性不稳定/p/tdtd width="118" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px word-break: break-all " align="center"p硅片颗粒检测设备/p/tdtd width="110" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"pspanKLA/span等/p/td/trtrtd width="56" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p有机沾污/p/tdtd width="113" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p人的皮肤油脂、防锈油、润滑油、蜡、光刻胶等/p/tdtd width="156" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p栅极氧化膜耐压不良、spanCVD/span膜厚产生偏差热、氧化膜产生偏差/p/tdtd width="118" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px word-break: break-all " align="center"p热解吸质谱，a href="https://www.instrument.com.cn/zc/70.html" target="_self"spanX/span射线光电子能谱/a，a href="https://www.instrument.com.cn/zc/519.html" target="_self"俄歇电子能谱/a/p/tdtd width="110" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p岛津、span style="color:#444444"ThermoFisher/spanspan style="color:#444444"、恒久等/span/p/td/trtrtd width="56" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p金属沾污/p/tdtd width="113" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p电化学沉积、氢氧化物析出物、膜夹杂物/p/tdtd width="156" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p栅极氧化膜耐压劣化、spanPN/span结逆方向漏电流增大、绝缘膜耐压不良、少数载流子寿命缩短/p/tdtd width="118" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px word-break: break-all " align="center"pa href="https://www.instrument.com.cn/zc/293.html" target="_self"电感耦合等离子体质谱仪/a/p/tdtd width="110" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p安捷伦、赛默飞等/p/td/tr/tbody/tablep style="text-indent: 2em text-align: justify "span style="text-indent: 28px "国家也出台了多个相关国家标准。/spanbr//ptable border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" style="border-collapse:collapse border:none"tbodytr class="firstRow"td width="184" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p标准号/p/tdtd width="369" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p标准名称/p/td/trtrtd width="184" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"pspanGB/T 24578-2015/span/p/tdtd width="369" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p《硅片表面金属沾污的全反射spanX/span光荧光光谱测试方法》/p/td/trtrtd width="184" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"pspanGB/T 24580-2009/span/p/tdtd width="369" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p《重掺spann/span型硅衬底中硼沾污的二次离子质谱检测方法》/p/td/trtrtd width="184" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"pspanGB/T 30701-2014/span/p/tdtd width="369" valign="middle" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px " align="center"p《表面化学分析 硅片工作标准样品表面元素的化学收集方法和全反射spanX/span射线荧光光谱法span(TXRF)/span测定》/p/td/tr/tbody/tablepspan /span/ppbr//p

一、概念1. X光电子能谱法(XPS)是一种表面分析方法，提供的是样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。如果利用离子作为剥离手段，利用XPS作为分析方法，则可以实现对样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行XPS分析。2. 俄歇电子能谱法(AES)作为一种最广泛使用的分析方法而显露头角。这种方法的优点是：在靠近表面5-20埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快；能探测周期表上He以后的所有元素。虽然最初俄歇电子能谱单纯作为一种研究手段，但现在它已成为常规分析手段了。它可以用于许多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。俄歇效应虽然是在1925年时发现的，但真正使俄歇能谱仪获得应用却是在1968年以后。二、相似与区别：1.相同之处：它们都是得到元素的价电子和内层电子的信息，从而对原子化器表面的元素进行定性或定量分析，也可以通过氦离子对表面的刻蚀来分析原子化器近表面的元素，得到原子化器材料和分析物渗透方面的信息。2.相比之下，XPS通过元素的结合能位移能更方便地对元素的价态进行分析，定量能力也更好，使用更为广泛。但由于其不易聚焦，照射面积大，得到的是毫米级直径范围内的平均值，其检测极限一般只有0.1%，因此要求原子化器表面的被测物比实际分析的量要大几个数量级。AES有很高的微区分析能力和较强的深度剖面分析能力。现在最小入射电子束径可达30nm。但是文献还没有报道原子化器表面的俄歇电子象。另外，对于同时出现两个以上价态的元素，或同时处于不同的化学环境中时，用电子能谱法进行价态分析是比较复杂的。一、特点：X射线光电子能谱法的特点：① 是一种无损分析方法(样品不被X射线分解)；② 是一种超微量分析技术(分析时所需样品量少)；③ 是一种痕量分析方法(绝对灵敏度高)。但X射线光电子能谱分析相对灵敏度不高，只能检测出样品中含量在0.1%以上的组分。俄歇电子的特点是：① 俄歇电子的能量是靶物质所特有的，与入射电子束的能量无关。大多数元素和一些化合物的俄歇电子能量可以从手册中查到。② 俄歇电子只能从20埃以内的表层深度中逃逸出来，因而带有表层物质的信息，即对表面成份非常敏感。正因如此，俄歇电子特别适用于作表面化学成份分析。局限性：① 不能分析氢和氦元素；② 定量分析的准确度不高；③ 对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数0.1%~1.0%；④ 电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生物样品和某些陶瓷材料中的应用；⑤ 对样品要求高，表面必须清洁(最好光滑)等。三、两者的应用X射线光电子能谱分析与应用1.元素(及其化学状态)定性分析方法：以实测光电子谱图与标准谱图相对照，根据元素特征峰位置(及其化学位移)确定样品(固态样品表面)中存在哪些元素(及这些元素存在于何种化合物中)。定性分析原则上可以鉴定除氢、氦以外的所有元素。分析时首先通过对样品(在整个光电子能量范围)进行全扫描，以确定样品中存在的元素；然后再对所选择的峰峰进行窄扫，以确定化学状态。2.在固体研究方面的应用对于固体样品，X射线光电子平均自由程只有0.5~2.5nm(对于金属及其氧化物)或4~10nm(对于有机物和 聚合材料)，因而X射线光电子能谱法是一种表面分析方法。以表面元素定性分析、定量分析、表面化学结构分析等基本应用为基础，可以广泛应用于表面科学与工程领域的分析、研究工作，如表面氧化(硅片氧化层厚度的测定等)、表面涂层、表面催化机理等的研究，表面能带结构分析(半导体能带结构测定等)以及高聚物的摩擦带电现象分析等。Cr、Fe合金表面涂层——碳氟材料X射线光电子谱图X射线光电子能谱分析表明，该涂层是碳氟材料。俄歇能谱应用通过正确测定和解释AES的特征能量、强度、峰位移、谱线形状和宽度等信息，能直接或间接地获得固体表面的组成、浓度、化学状态等多种情报。1. 定性分析定性分析主要是利用俄歇电子的特征能量值来确定固体表面的元素组成。能量的确定在积分谱中是指扣除背底后谱峰的最大值，在微分谱中通常规定负峰对应的能量值。习惯上用微分谱进行定性分析。因此由测得的俄歇谱来鉴定探测体积内的元素组成是比较方便的。在与标准谱进行对照时，除重叠现象外还需注意如下情况：①由于化学效应或物理因素引起峰位移或谱线形状变化引起的差异；②由于与大气接触或在测量过程中试样表面被沾污而引起的沾污元素的峰。2. 状态分析对元素的结合状态的分析称为状态分析。AES的状态分析是利用俄歇峰的化学位移，谱线变化(包括峰的出现或消失)，谱线宽度和特征强度变化等信息。根据这些变化可以推知被测原子的化学结合状态。3. 深度剖面分析利用AES可以得到元素在原子尺度上的深度方向的分布。为此通常采用惰性气体离子溅射的深度剖面法。由于溅射速率取决于被分析的元素，离子束的种类、入射角、能量和束流密度等多种因素，溅射速率数值很难确定，一般经常用溅射时间表示深度变化。4. 界面分析用 AES研究元素的界面偏聚时，首先必须暴露界面(如晶界面，相界面，颗粒和基体界面等等。一般是利用样品冲断装置，在超高真空中使试样沿界面断裂，得到新鲜的清洁断口，然后以尽量短的时间间隔，对该断口进行俄歇分析。 对于在室温不易沿界面断裂的试样，可以采用充氢、或液氮冷却等措施。如果还不行，则只能采取金相法切取横截面，磨平，抛光或适当腐蚀显示组织特征，然后再进行俄歇图像分析。5. 定量分析AES定量分析的依据是俄歇谱线强度。表示强度的方法有：在微分谱中一般指正、负两峰间距离，称峰到峰高度，也有人主张用负峰尖和背底间距离表示强度。6. 俄歇电子能谱在材料科学研究中的应用① 材料表面偏析、表面杂质分布、晶界元素分析；② 金属、半导体、复合材料等界面研究；③ 薄膜、多层膜生长机理的研究；④ 表面的力学性质(如摩擦、磨损、粘着、断裂等)研究；⑤ 表面化学过程(如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化等)研究；⑥ 集成电路掺杂的三维微区分析；⑦ 固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。

近期，老牌期刊 Sensors and Actuators A: Physical 刊载了C. Ranacher等人题为Mid-infrared absorption gas sensing using a silicon strip waveguide的文章。此研究工作的目的是发展一种能够与当代硅基电子器件方便集成的新型气体探测器，探测器的核心部分是条状硅基光波导，工作的机理是基于条状硅基波导在中红外波段的倏逝场传播特性会受到波导周围气氛的变化而发生改变这一现象。C. Ranacher等人通过有限元模拟以及时域有限差分方法，设计了合理的器件结构，并通过一系列微加工工艺获得了原型器件，后从实验上验证了这种基于条状硅基光波导的器件可以探测到浓度低至5000 ppm的二氧化碳气体，在气体探测方面具有高的可行性（如图1、图2）。 图1：硅基条型光波导结构示意图图2：气体测试平台示意图参考文章：Mid-infrared absorption gas sensing using a silicon strip waveguide值得指出的是，对于光波导来说，结构表面的粗糙程度对结构的固有损耗有大的影响，常需要结构的表面足够光滑。传统的SEM观测模式下，研究者们可以获取样品形貌的图像信息，但很难对图像信息进行量化，也就无法定量对比不同样品的粗糙度或定量分析粗糙度对器件特性的影响。本文当中，为了能够准确、快捷、方便、定量化地对光波导探测器不同部分的粗糙度进行表征，C. Ranacher等人联系到了维也纳技术大学，利用该校电镜中心拥有的扫描电镜专用原位AFM探测系统AFSEM™ （注：奥地利GETec Microscopy公司将扫描电镜专用原位AFM探测系统命名为AFSEM，并已注册专用商标AFSEM™ ），在SEM中选取了感兴趣的样品部分并进行了原位AFM形貌轮廓定量化表征，相应的结果如图3所示，其中硅表面和氮化硅表面的粗糙度均方根分别为1.26 nm和1.17 nm。有了明确的量化结果，对于不同工艺结果的对比也就有了量化的依据，从而可以作为参考，优化工艺；另一方面，对于考量由粗糙度引起的波导固有损耗问题，也有了量化的分析依据。图3：(a) Taper结构的SEM形貌图像；(b) Launchpad表面的衍射光栅结构的SEM形貌图像；(c) 原位AFM表征结果：左下图为氮化硅层的表面轮廓图像，右上图为硅基条状结构的表面轮廓图像；(d) 衍射光栅的AFM轮廓表征结果通过传统的光学显微镜、电子显微镜，研究者们可以直观地获取样品的形貌图像信息。不过，随着对样品形貌信息的定量化表征需求及三维微纳结构轮廓信息表征的需求增多，能够与传统显微手段兼容并进行原位定量化轮廓形貌表征的设备就显得愈发重要。另一方面，随着聚焦电子束（FEB，focused electron beam）、聚焦离子束（FIB，focused ion beam）技术的发展，对样品进行微区定域加工的各类工艺被越来越广泛地应用于微纳米技术领域的相关研究当中。通常，在FIB系统当中能够获得的样品微区物性信息非常有限，如果要对工艺处理之后的样品进行微区定量化的形貌表征以及力学、电学、磁学特性分析，往往需要将样品转移至其他的物性分析系统或者表征平台。然而，不少材料对空气中的氧气或水分十分敏感，往往短时间暴露在大气环境中，就会使样品的表面特性发生变化，从而无法获得样品经过FIB系统处理后的原位信息。此外，有不少学科，需要利用FIB对样品进行逐层减薄并配合AFM进行逐层的物性定量分析，在这种情况下需要反复地将样品放入FIB腔体或从FIB腔体中去除，而且还需要对微区进行定标处理，非常麻烦，并且同样存在样品转移过程当中在大气环境中的沾污及氧化问题。有鉴于此，一种能够与SEM或FIB系统快速集成、并实现AFM原位观测的模块，就显得非常有必要。GETec Microscopy公司致力于研发集成于SEM、FIB系统的原位AFM探测系统，已有超过十年的时间，并于2015年正式推出了扫描电镜专用原位AFM探测系统AFSEM™ 。AFSEM™ 基于自感应悬臂梁技术，因此不需要额外的激光器及四象限探测器，即可实现AFM的功能，从而能够方便地与市场上的各类光学显微镜、SEM、FIB设备集成，在各种狭小腔体中进行原位的AFM轮廓测试（图4、图5）。另一方面，通过选择悬臂梁的不同功能型针（图6、图7），还可以在SEM腔体中，原位对微纳结构进行磁学、力学、电学特性观测，大程度地满足研究者们对各类样品微区特性的表征需求。对于联用系统，相信很多使用者都有过不同系统安装、调试、匹配过程繁琐的经历，或是联用效果差强人意的经历。不过，对于AFSEMTM系统，您完全不必有此方面的顾虑，通过文章下方的视频，您可以看到AFSEM™ 安装到SEM系统的过程十分简单，并且可以快速的找到感兴趣的样品区域并进行AFM的成像。图4：(左)自感应悬臂梁工作示意图；（右）AFSEMTM与SEM集成实图情况 图5：AFSEMTM在SEM中原位获取骨骼组织的定量化形貌信息 图6：自感应悬臂梁与功能型针（1） 图7：自感应悬臂梁与功能型针（2）目前Quantum Design中国子公司已将GETec扫描电镜专用原位AFM探测系统AFSEM™ 引进中国市场。AFSEM技术与SEM技术的结合，使得人们对微观和纳米新探索新发现成为可能。