摘要
半導體行業中，硅片表面沉積的有機物會對后續的工藝產生很大影響，本文介紹了一種硅片表面有機物監測系統(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-質譜聯用儀和銳譜科技提供的硅片加熱系統，整個系統自動化程度高，穩定性好，C16標準品連續6次加標重復性在3.83%以內，線性相關性系數平方大于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
硅片生產環節、生產環境和存儲環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測。目前現有的國內外標準，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測系統(Wafer Outgassing Monitoring System，WOMS)也主要是離線監測方案，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-質譜聯用儀進行分析，設備如圖1所示，前處理系統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-質譜聯用儀
圖2.WOMS設備示意圖
硅片加熱系統的結構示意圖如圖3所示，整套系統為石英材質，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冰，堵塞冷阱的現象。
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.低沸點化合物結果；(右)圖7.金屬閥示意圖(點擊查看大圖)
儀器參數
分析條件如下表1所示
表1.儀器條件
實驗結果
C16標準樣品結果：
在硅片加熱前處理系統中添加1μL 200μg/mL的C16標液，加標量為200ng，連續6次的結果如下圖所示：
圖8.200ng C16連續6次進樣標準圖譜(點擊查看大圖)
連續六次加標的重復性結果：
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果如下所示，主要的高沸點化合物有己內酰胺、烷烴、鄰苯二甲酸酯類化合物。
圖11.實際樣品檢測結果(點擊查看大圖)
結論
本文通過珀金埃爾默的TurboMatrix 300型熱脫附儀、GCMS 2400氣相色譜-質譜聯用儀和銳譜科技提供的硅片加熱系統，組成了全自動硅片表面有機物監測系統，經過客戶實際驗證，整個系統自動化程度高，穩定性好。
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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