晶圓表面上凝結性oAMCs分析技術

閘極氧化層只要有單分子層有機污染吸附即會對元件產生缺陷，因 此針對 oAMCs 表面污染物之分析儀器，就必需具有偵測分子等級 (molecular scale)之分析能力，而目前符合此條件之儀器有大氣常壓游離 質譜儀(atmospheric pressure ionization mass spectrometer, APIMS)、傅利 葉轉換紅外線光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、飛行 時 間 二 次 游 離 質 譜 儀(Time-of-flight secondary ion mass spectrometer, TOF-SIMS)、表面聲波儀(surface acoustic wave, SAW)、壓電晶體感測器 (quartz crystal microbalance, QCM)、晶圓熱脫附-氣相層析質譜儀(wafer thermal desorption- GC/MS)等。其中大氣常壓游離質譜儀(APIMS)係利用 IR 燈加熱，高溫下使吸附在晶圓表面之有機污物氣熱脫附，並導入質譜 儀以分析脫附氣體之離子成分質荷比(m/z)，雖然靈敏度佳、偵測極限 低，但其對於混合物成分之鑑別或分離能力較差。FTIR 偵測儀較適合用 於鑑別表面均勻薄膜之有機成分與表面材料結構鑑定分析，對於表面微 量有機污染物之量測分析，在文獻上則是較少看到。

飛行時間二次游離質譜儀(TOF- SIMS)，則為一固態表面分析技術，

係利用電子束射入晶圓表面，將表面污染物質游離產生二次離子，再藉 由二次離子之飛行時間與質譜儀來定性之。此儀器定性能力極佳，但定 量上因檢量線製作不易，且分析時樣品試片亦須在高度真空的系統下進 行，因此恐會造成部分有機物質揮發而損失，故TOF-SIMS 較適合用於 表面未知污染物分析鑑定，加上此機台也較為昂貴，而且無法同時量測 環境中污染物濃度，其應用性也因此受到限制。

SAW與QCM表面偵測儀，此兩儀器偵測原理大致相同，係利用一壓 電晶體材質作為感應器，當氣體分子吸附於感應器表面時，會改變感應 器之振動頻率，經由計算轉換後可獲得表面吸附量，雖然SAW相當靈 敏，偵測極限可達 0.02 ng cm^-2 (QCM之偵測極限則為 6 ng cm^-2)，但由於 無法辨別出吸附於表面物種之化學組成成份(無法定性)，故常需借助其

他儀器，如TOF-SIMS來鑑定其感應器表面上之污染物種。另外，由於 SAW感應器對於環境中凝結性oAMCs氣體相當敏感，故其只適用於超潔 淨之環境中量測，否則當表面吸附量快速累積達100 ng cm^-2以上時，將 開始對於偵測結果產生偏差，或失去偵測能力(因表面吸附已達飽和)，

而此儀器對於水汽之吸附干擾亦特別嚴重，因此在使用時需注意環境中 水汽變化之影響。

由於不同的有機氣體分子，吸附沈積速率會隨其物化性而有所差 異，因此 SAW 所量測之沈積速率值，將無法直接反應出環境中之污染 物種與濃度值。故若在SAW 前端搭配 GC 層析儀來進行物種之分離，將 可成為一不錯之應用技術。不過由於感應器很容易因吸附覆蓋有機污染 物而改變其表面特性，故感應器表面之再生、污染物清除與定期更換將 顯得重要，否則 GC-SAW 分析儀將常因感應器佈滿有機物質，使得偵測 訊號將發生偏差或失效。

而一般最常使用晶圓表面分析方法則是WTD-GC/MS，其方法係直 接將晶圓置放至一密閉系統，如石英槽等，將表面之oAMCs熱脫附收集 至吸附管中，再利用GC/MS來定性、定量，由於TD-GC/MS可同時偵測 環境中污染物之種類與濃度值，故在oAMCs環境濃度與表面沈積關聯性 調查研究上，將較為適合。ASTM F1982-99 亦已將而WTD-GC/MS訂為 晶圓表面有機污染物之標準分析方法^[51]。本研究亦將參考此方法進行晶 圓表面之oAMCs分析。

學者Ishiwari et al.^[7]為了簡化晶圓表面分析之程序，發展出一套晶圓 切片採樣方法(silicon plate method)，即將完整的晶圓破片切成條狀，經 由環境曝露沈積之後，直接將表面之oAMCs利用石英管加熱脫附至冷凍 捕集井(cold trap)中進行GC/MS分析，此做法將比一般WTD-GC/MS方法 少了活性碳吸附管吸/脫附之程序，因此減少分析時之污染風險與樣品損 失、並可縮短分析時間，其實驗流程如圖 2.3 所示。經由實驗測試的結 果，與一般WTD-GC/MS所得之結果並無明顯差異。藉由此分析方

圖 2.3、晶圓切片採樣分析方法(silicon plate method)流程示意圖^[7]

法，將可更快速獲得多項有機污染物於晶圓表面吸附競爭之實驗數據，

進一步做為吸附競爭模式(MOSAIC)之驗證。

而其他表面分析方法部分，Uritsky et al.^[52]首次成功將掃描式電子顯 微 鏡/ 能 量 分 散 光 譜 儀 (scanning electron microscope/energy dispersive X-ray spectroscopy, SEM/EDS)應用於半導體產業中，檢測發生於鎢金屬 氣相沈積製程中之污染物質，並分析探討晶圓表面上污染微粒的外觀與 化學組成成份，以確定污染質發生之原因與來源進而著手防治。Liou et al.^[53]利用氣相分解法/全反射X-ray螢光技術(vapor phase decomposition / total reflection X-ray fluorescence, VPD/TXRF)監控晶圓表面上微金屬污 染物質，其研究結果發現晶圓儲存在級數為Class 1 之儲存盒超過三天以 上，將無法滿足晶圓表面金屬污染濃度低於 5×10⁹ atom cm^-2之潔淨要 求，故建議應儘量降低半成品曝露在潔淨室之時間。Witte et al.^[54]曾進 行TOF-SIMS使用於晶圓表面金屬污染物質分析之性能探討，並與全反 射X-ray螢光表面分析儀(TXRF)做比較，結果顯示兩種儀器所偵測之結 果無明顯差異。