Automated Surface Analysis of Metal Contaminants in Silicon Wafers by Online VPD-ICP-MS/MS

Význam tématu

Řízení kovové kontaminace na povrchu křemíkových waflí je klíčové pro maximalizaci výtěžnosti a spolehlivosti integrovaných obvodů. Moderní polovodičové linky vyžadují nepřetržité a ultracitlivé sledování stopových kovů, které mohou ovlivnit elektrické vlastnosti a životnost čipů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo ověřit plně automatizovaný systém VPD-ICP-MS/MS, skládající se z VPD modulu IAS Expert PS integrováného s ICP-QQQ Agilent 8900. Klíčovým úkolem bylo stanovit detekční limity, přesnost a reprodukovatelnost měření kovové kontaminace navozené přesným nanášením známých množství stopových prvků na povrch wafle.

Použitá instrumentace

• IAS Expert PS s automatizovaným systemem přidávání standardů ASAS-Cal a ASAS-ISTD
• ICP-QQQ Agilent 8900 v konfiguraci pro polovodiče s platinovými kužely
• PFA inert kit s C-Flow nebulizérem a plazmovým generátorem s vysokou stabilitou

Použitá metodika

Metoda využívá proces VPD (vapor phase decomposition) k rozkladu SiO2 vrstvy HF parou. Následně je tenká vrstva kovů sbírána skenovací kapkou obsahující 3 % HF + 4 % H2O2, případně 10× naředěnou aqua regii pro drahé kovy. Kapka je poté převedena do ICP-QQQ, kde v režimu MS/MS s různými plynovými koktejly (H2, He, O2) a optimalizovanými podmínkami plazmy probíhá kvantifikace. Kalibrace probíhá externími standardy připravenými ASAS-Cal a interní standardy (Be, In) vnosí ASAS-ISTD.

Hlavní výsledky a diskuse

• Detekční limity ve směru 2,3×106 až 3,0×107 atomů/cm2 (pod 1 pg/mL) pro 30 prvků
• Obnova 95 až 100 % pro většinu prvků, u Pt 86 % a Cu 81 % vzhledem k vysoké afinitě k povrchu
• Automatizace minimalizuje ruční zásahy, riziko kontaminace a zkracuje čas analýzy

Přínosy a praktické využití metody

Automatizovaný systém umožňuje nepřetržitou kontrolu waflí 24/7 s přesnými výsledky v přímé vazbě na výrobní řídicí systém fab. Vysoká robustnost plazmy a efektivní odstraňování spektrálních interferencí zabezpečují spolehlivou detekci ultrastopových kovů při vysokém průtoku vzorků.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se širší integrace VPD-ICP-MS/MS do systémů průmyslu 4.0 pro on-line monitoring a automatické vyhodnocování. Další rozvoj může zahrnovat rozšíření na nové materiály a tenčí vrstvy, implementaci umělé inteligence pro prediktivní analýzu a zrychlení odezvy na odchylky v kontaminaci.

Závěr

Plně automatizovaný VPD-ICP-MS/MS systém IAS Expert PS s Agilent 8900 ICP-QQQ prokázal nízké detekční limity, vysokou přesnost a spolehlivost pro měření kovových kontaminantů na křemíkových waflích. Díky kompatibilitě s výrobním CIM-systémem je metoda vhodná pro nejmodernější polovodičové provozy.

Reference

1. Measuring Inorganic Impurities in Semiconductor Manufacturing, Agilent 5991-9495EN
2. Bohling C et al Self-Limitation of Native Oxides Explained, Silicon 2016, 8:339–343
3. Expert Auto Scanning System Fully Automated VPD-ICP-MS, IAS Inc.
4. Auto Scanning System Fully Automated VPD-ICP-MS, IAS Inc.
5. Automated Standard Addition System ASAS II, IAS Inc.
6. Sakai K et al Automated Analysis of Ultratrace Elemental Impurities in Isopropyl Alcohol, Agilent 5994-0273EN