LIBS系统应用​于半导体器件加工过程中的检测

背景

随着我国半导体产业的快速发展，大型化、高速化、智能化、连续化将成为发展的必然趋势，这要求我们在生产前做好充分的准备。就比如硅晶片进行生产镀膜刻蚀之前，硅晶片上往往会有一些污染物的残留，这时，应使用相对应的清洗剂来对硅晶片进行清洗。那么， 如何选择合适的清洗剂呢？这就需要知道其硅晶片表面的污染物成分。而传统的检测技术大多都需要进行复杂的样品制备或对样品造成极大的破坏且检测时间较长。有没有一种技术，可以快速简便地进行检测，并尽量少地破坏样品呢？

激光诱导透蚀光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称 LIBS）是一种利用原子发射光谱来分析物质元素组成及其含量的技术。激光诱导击穿光谱技术系统在进行元素分析的时候，需要样品量极少，对样品的破坏性小；几乎不需要样品制备；可以实现快速实时在线分析。

实验及搭建

实验采用海洋光学LIBS系统，它由三大部分组成：DY部分为Nd:YAG脉冲激光器；第二部分为海洋光学MX2500+八通道光谱仪；以及第三部分为：密闭稳定仓式结构样品仓（内含：样品平台，激光聚焦和收光光路，气体吹扫系统，成像系统，激光安全保护等配套措施）。

海洋光学MX2500+八通道光谱仪

一体化激光诱导击穿光谱仪ACCULIBS 2500

首先，我们将硅晶片放入样品仓样品台上。Nd:YAG脉冲激光器输出的脉冲光束经聚焦透镜聚焦到硅晶片表面污渍处，在样品表面形成高温高电子密度的等离子体的火花，并发射出包含原子和离子特征谱线的光谱，将等离子体光谱通过光纤导入到MX2500+八通道光谱仪平台中进行信号处理，并使用海洋光学LIBS软件进行污渍元素成分分析。

样本准备

本次样品为25x25mm的硅晶片，使用海洋光学LIBS系统进行其表面污染物的检测。其表面污染物主要为有机光刻胶质及未知成分的小颗粒污染物（厚度为几十nm、直径为几百μm左右）。另外，本次采样点选取随机的表面污染物颗粒点进行检测。

结论分析-光刻胶污染：

样品表面污染物会随着激光逐层的剥蚀效应，其元素被激发出的元素发射光谱信号会出现明显的减弱趋势，并在Z初的几次激发后谱峰消失。有机光刻胶含C元素，如样品光谱中出现C元素原子谱线，且C元素峰的强度会随着后续脉冲次数的增加而减少，我们会怀疑样品有光刻胶污染。我们分析了单个样品在随机两处采样点光谱的247.85nm位置，可发现疑似C元素的原子谱线，经过观察发现谱线强度随着后续脉冲次数的增加逐次减弱之后消失。在另外一个采样点上也发现了相同的现象。

由于本次测试未安装气体扫吹系统，在进行测试时，空气中的元素会造成干扰，为了排除其影响，我们观察了O、N两种空气中常量元素的发射峰后，可发现元素峰强度随机波动且始终存在，因此可判定，247.85nm处的疑似C元素发射峰并非空气中的元素干扰。

由于LIBS技术原理影响，单次激发的光谱信号稳定性有限，为了排除由于样品本身或采样系统的影响，我们分析了样品光谱仪的基底Si元素谱线的变化趋势，发现Si元素的谱峰在DY次激发光谱中较弱，而后较强且持续存在。同时，我们测试了已知无光刻胶污染的同批次样品，并未在247.85nm处发现元素谱峰，因此我们认为此样品含有有机光刻胶污染情况。

结论分析-金属污染：

同C元素一样，我们分析了9号样品表面的疑似金属污染位置，并分析了激发光谱，通过软件进行快速元素辅助分析，在230.6nm处、325.6nm和325.85nm处，以及余下九处发现同一元素的原子谱线峰，通过对比标准原子光谱，我们发现这些谱线峰皆符合某种金属元素的标准原子发射谱线。且其变化趋势均为随着后续脉冲次数的增加而逐次减弱并消失。为了区分是否为表面污染物，我们并分析了样品基底的Si元素峰，发现其强度均为由弱至强，而后每次激发强度变化较小。对比空白样品，并未发现在如上的9个波长位置有光谱发射峰。由此推断检测采样处的颗粒污染物为含某元素的金属颗粒。（注：光谱上同颜色的光谱显示的是同一次激发的结果）。