激光诱导击穿光谱结合热膨胀原理对硅片表面污染颗粒成分无损检测方法研究

Rapid on-line and nondestructive detection for contamination particle composition on silicon wafer surface is the trend of the development of the semiconductor process requirements. Traditional detection method is difficult to meet the rapid real online detection requirements. The technology of laser induced breakdown spectroscopy(LIBS) can meet the requirements. However, the existing methods of LIBS is focused the laser pulse directly onto the silicon wafer surface. This will inevitably lead to damage on the silicon wafer surface. In order to solve the problem of damage, this project provides a new method of using LIBS technology combined with the principle of thermal expansion for silicon surface particle composition fast online and nondestructive testing. Firstly, the particles breaking away from silicon surface were accelerated using the principle of thermal expansion. And then breakiing down the particles above the silicon surface using the technology of LIBS . Based on the principle of thermal expansion, Research on the physical mechanism of the process of laser accelerated particles breaking away from silicon surface was proposed. For the first time, the movement process of particles breaking away from silicon wafer surface was analyzed and simulated. Using the method of experimental analysis, the model will be approximated and corrected. The Research project will provide the basis for nondestructive and rapid on-line detection of contamination particle composition on silicon wafer surface.

硅片表面污染颗粒成分的快速在线及无损检测是半导体工艺发展的趋势要求，传统检测方法很难真正满足快速在线的检测特点， 激光诱导击穿光谱技术（LIBS）能满足这一特点要求，然而现有方法是将脉冲激光直接聚焦到硅片表面击穿，这将不可避免对硅片表面带来损伤。为了解决损伤问题，本项目创新地提出利用LIBS技术结合热膨胀原理实现硅片表面颗粒成分的快速在线及无损检测。方案是先利用热膨胀原理将颗粒加速脱离硅片表面，再利用LIBS技术将颗粒击穿。在热膨胀原理基础上，研究激光加速硅片表面颗粒脱离过程的物理机理，并首次对颗粒脱离硅片表面后的运动过程进行分析模拟，并利用实验分析的手段对这一模型进行逼近和修正。本项目的研究将为实现硅片表面污染颗粒成分的无损及快速在线检测奠定基础。

硅片表面微米及亚微米级的污染足以导致芯片性能变差甚至器件完全失效。为了快速确定污染源，需要一种快速、在线且无损检测生产过程中每个环节可能引进污染成分的方法。传统检测方法很难同时满足快速、在线的检测特点，激光诱导击穿光谱技术（LIBS）能同时满足这一特点要求，本项目创新性地提出利用LIBS技术结合热膨胀原理实现硅片表面颗粒污染成分的快速、在线且无损检测。本项目的主要研究内容包括:(1)激光加速硅片表面颗粒脱离过程及运动的机理研究。（2）颗粒运动过程对颗粒击穿效率的影响研究。（3）激光击穿空气中颗粒的等离子体时间演化特性研究。.在项目研究过程中得到的重要结论包括：.（1）通过利用532nm脉冲激光击穿实验以及SEM观测得到了硅片的击穿阈值为1.1x10e8W/平方厘米。（2）对500nm Cu颗粒进行检测实验，实验观测到了Cu的324.7nm和327.4nm两条原子谱线。通过改变Cu颗粒的污染浓度，并观测两条原子谱线的变化，最终得到500nmCu颗粒在硅晶圆上的检测灵敏度为5.1x10e13 atoms/平方厘米。（3）实验观测了颗粒在空气中击穿的等离子体时间演化信号，CCD的采集延时从500ns到750ns时，等离子体信号主要为空气中N、O的原子光谱，Cu的两条分析谱线并没有出现，从750ns-1.5us，Cu原子的等离子体信号比较强，且在1.1us时达到最大。（4）实验发现Cu光谱信号强度随两束激光延时具有明显的变化规律，首先在0-1ms时间内，光谱信号迅速增大，在1ms处光谱信号达到最大而后减弱，直到15ms时光谱信号再次出现峰值，而后缓慢减弱。（5）根据实验观测颗粒的运动轨迹得到了颗粒运动方程，据此得到了颗粒脱离硅片表面的初始速度为1.2m/s和颗粒与空气膨胀阻力系数为9.9。（6）500nm SiO2颗粒的实验结果表明在很宽的双脉冲延时及采集延时内均观测不到SiO2的光谱信号，可能是因为SiO2颗粒具有透光性。.上述研究及其结论对硅晶圆表面纳米颗粒污染成分检测及其污染源控制具有重要科学意义，尤其对激光、纳米颗粒、硅片表面三者的相互作用机理的研究具有重要价值。同时在半导体工业生产应用领域也具有潜在的应用前景。