JP2005090987A - Temperature rising desorption gas analyzer and analyzing method - Google Patents

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Toshihiro Otsuka
俊宏 大塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reliably measure the characteristics of a desorption gas of a halogen element by preventing the adsorption of the halogen element on the inner wall of a heating chamber. <P>SOLUTION: In this temperature rising desorption gas analyzer equipped with a load locking chamber 1 evacuated under vacuum and the heating chamber 11 for heating the sample fed from the load locking chamber 1 to raise the temperature thereof and measuring the characteristics of the desorption gas of the halogen element generated from the sample 21, the surface of the inner wall of the heating chamber 1 is coated with an aluminum sesquioxide film or a chromium sesquioxide film. By coating the inner wall of the heating chamber 11 with the aluminum sesquioxide film or the chromium sesquioxide film having high corrosion resistance, the adsorption of the halogen element (F, Cl, Br or the like) on the inner wall of the heating chamber is prevented when the sample is raised in temperature by heating and the characteristics of the desorption gas can be measured reliably. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、昇温脱離ガス分析装置、特に試料を加熱・昇温した際、加熱チャンバ内壁へのハロゲン元素(F、Cl、Brなど)の吸着を防止でき、また、加熱・昇温測定前の試料前処理と、試料表面にX線を照射しながら試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を同時に測定できる昇温脱離ガス分析装置およびそれを用いた分析方法に関する。   This invention can prevent the adsorption of halogen elements (F, Cl, Br, etc.) to the inner wall of the heating chamber when the sample is heated and heated, especially when the sample is heated and heated. The present invention relates to a temperature-programmed desorption gas analyzer capable of simultaneously measuring the previous sample pretreatment, the chemical bonding state of the sample surface and desorption gas characteristics while irradiating the sample surface with X-rays, and an analysis method using the same.

昇温脱離ガス分析装置とは、試料を真空中で加熱した時に放出されるガスを質量分析計により分析するものである。従来、この種の装置としては、「真空、第34巻、第11号、813−819頁(1991)」に開示されるものがあり、ロードロック方式の採用により、外気が加熱チャンバに直接導入されることがなく、試料ステージからの脱離ガスの影響を抑え、さらに短時間で加熱チャンバを1E−7Pa以下の真空度に到達させて、試料からの脱離ガスを質量分析計で測定できる。   A temperature-programmed desorption gas analyzer analyzes a gas released when a sample is heated in a vacuum using a mass spectrometer. Conventionally, this type of device is disclosed in “Vacuum, Vol. 34, No. 11, pages 813-819 (1991)”. By adopting a load lock method, outside air is directly introduced into the heating chamber. In this way, the influence of desorbed gas from the sample stage is suppressed, and the heating chamber can reach a vacuum level of 1E-7 Pa or less in a short time, and the desorbed gas from the sample can be measured with a mass spectrometer. .

この測定方法は、半導体薄膜材料からの脱離ガス分析に多く利用されており、特に半導体製造工程の途中あるいは終点で抜取された積層膜あるいは製品の試料を真空雰囲気にセットして加熱・昇温する。試料の昇温とともに、試料表面に吸着している微量な物質が脱離ガスとして真空雰囲気に放出され、この脱離ガスを質量分析計で測定することで、この脱離ガスの成分を特定することができる。   This measurement method is often used for the analysis of desorbed gas from semiconductor thin film materials. In particular, a laminated film or product sample extracted during or at the end of the semiconductor manufacturing process is set in a vacuum atmosphere and heated and heated. To do. As the temperature of the sample rises, a small amount of material adsorbed on the sample surface is released as a desorbed gas into the vacuum atmosphere, and the desorbed gas is measured with a mass spectrometer to identify the desorbed gas components. be able to.

また、昇温過程における吸着熱の小さい、即ち脱離エネルギーが小さい分子・原子から順次脱離し、試料温度に対する脱離スペクトルの解析により、吸着分子量および吸着分子の反応過程、脱離の活性化エネルギーなどを把握することができる。   In addition, molecules and atoms with low adsorption heat in the temperature rising process, that is, with low desorption energy, are sequentially desorbed, and by analyzing the desorption spectrum with respect to the sample temperature, the amount of adsorbed molecules, the reaction process of adsorbed molecules, and the activation energy of desorption Etc. can be grasped.

図11は従来の昇温脱離ガス分析装置の断面構成図を示す。ロードロックチャンバ1は、パージ用の窒素ボンベ2に接続されたバルブ3と試料交換口4を接続しているとともに、試料搬送機構5を有し、ターボ分子ポンプ6とロータリーポンプ7を接続して真空排気されている。また前記ロードロックチャンバ1内の真空度を計測するために真空ゲージ8が設置されている。前記試料搬送機構5は試料9をロードロックチャンバ1から加熱ステージ10上に移載することができる。加熱チャンバ11は、ゲートバルブ12によって仕切られており、透明石英ロッド13と前記加熱ステージ10を有している。前記透明石英ロッド13には試料加熱用の赤外線加熱ユニット14、温度制御装置15、コンピューター16が配備されている。またターボ分子ポンプ17とロータリーポンプ18を接続して、前記加熱チャンバ11を真空排気している。また前記加熱チャンバ11内の真空度を計測するために真空ゲージ19が設置されている。さらに脱離ガス測定用の質量分析計20が接続されている。   FIG. 11 shows a cross-sectional configuration diagram of a conventional temperature-programmed desorption gas analyzer. The load lock chamber 1 is connected to a valve 3 connected to a purge nitrogen cylinder 2 and a sample exchange port 4, and has a sample transport mechanism 5, and is connected to a turbo molecular pump 6 and a rotary pump 7. It has been evacuated. A vacuum gauge 8 is installed for measuring the degree of vacuum in the load lock chamber 1. The sample transport mechanism 5 can transfer the sample 9 from the load lock chamber 1 onto the heating stage 10. The heating chamber 11 is partitioned by a gate valve 12 and has a transparent quartz rod 13 and the heating stage 10. The transparent quartz rod 13 is provided with an infrared heating unit 14 for heating a sample, a temperature control device 15 and a computer 16. A turbo molecular pump 17 and a rotary pump 18 are connected to evacuate the heating chamber 11. A vacuum gauge 19 is installed to measure the degree of vacuum in the heating chamber 11. Further, a mass spectrometer 20 for measuring desorbed gas is connected.

図11に示されるように、前記加熱ステージ10上に測定の試料21をセットする。前記加熱チャンバ11内の真空度が、1E−7Pa以下に到達したら試料加熱を開始する。この試料加熱は赤外線導入用の前記透明石英ロッド13を介して、赤外線を前記試料21の裏面から照射して、加熱・昇温するにともない前記試料21から放出される脱離ガスを前記質量分析計20で測定する。   As shown in FIG. 11, a measurement sample 21 is set on the heating stage 10. When the degree of vacuum in the heating chamber 11 reaches 1E-7 Pa or less, sample heating is started. In this sample heating, infrared rays are irradiated from the back surface of the sample 21 through the transparent quartz rod 13 for introducing infrared rays, and the desorption gas released from the sample 21 as the sample is heated and heated is subjected to mass analysis. Measure in total 20.

半導体関連以外で、電子部品関連(ガス封入電子管、水晶振動子、ディスプレイパネルなど)における脱離ガス分析は、電子部品を気密なチャンバ内に収納した後で、チャンバ内を真空状態にして、その後にチャンバ内で電子部品を物理的に破壊することで、電子部品内の封入ガスを強制的に放出させて、その放出されたガスを質量分析する方法が一般的に知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−349870号公報
Desorption gas analysis in electronic parts (gas filled electron tubes, crystal resonators, display panels, etc.) other than semiconductors is performed after the electronic parts are stored in an airtight chamber and then the chamber is evacuated and then In general, a method of forcibly releasing an enclosed gas in an electronic component by physically destroying the electronic component in the chamber and performing mass spectrometry on the released gas is known (for example, Patent Document 1).
JP 2001-349870 A

しかしながら、前記従来の昇温脱離ガス分析装置において、図12に示す半導体薄膜材料の積層膜を脱離ガス分析する際、最表面に脱離ガスをブロックする窒化シリコン膜22が存在すると、前記窒化シリコン膜22下方のシリコン基板23上に製膜されたフッ素添加シリコン酸化膜24からの脱離ガスを測定できないという課題を有している。   However, in the conventional temperature-programmed desorption gas analyzer, when the desorption gas analysis is performed on the laminated film of the semiconductor thin film material shown in FIG. 12, if the silicon nitride film 22 that blocks the desorption gas exists on the outermost surface, There is a problem that the desorption gas from the fluorine-added silicon oxide film 24 formed on the silicon substrate 23 below the silicon nitride film 22 cannot be measured.

また、従来のチャンバ内で物理的に破壊する方法では、前記窒化シリコン膜22のみを除去することはできない。また前記窒化シリコン膜22を除去できたとしても、前記フッ素添加シリコン酸化膜24から放出されるフッ素脱離ガスは、前記加熱チャンバ11内壁に吸着しやすいので、前記質量分析計20で正確にイオンカウントできない課題を有している。   Further, only the silicon nitride film 22 cannot be removed by a conventional method of physically destroying in a chamber. Even if the silicon nitride film 22 can be removed, the fluorine desorbed gas released from the fluorine-added silicon oxide film 24 is easily adsorbed on the inner wall of the heating chamber 11. Has issues that cannot be counted.

この点について、図13を用いて説明する。図13は前記窒化シリコン膜22が存在しない前記シリコン基板23上に、膜厚300nm程度に製膜された単層からなる前記フッ素添加シリコン酸化膜24からのフッ素昇温脱離スペクトルを示す。この単層からなる前記フッ素添加シリコン酸化膜を測定毎に新しく試料交換した際、測定1回目のフッ素昇温脱離スペクトル25から、測定2回目のフッ素昇温脱離スペクトル26でフッ素脱離ガスのMS強度が増えて、さらに測定3回目のフッ素昇温脱離スペクトル27でフッ素脱離ガスのMS強度が増えていることがわかる。   This point will be described with reference to FIG. FIG. 13 shows a fluorine temperature-programmed desorption spectrum from the fluorine-added silicon oxide film 24 made of a single layer formed on the silicon substrate 23 on which the silicon nitride film 22 does not exist to a thickness of about 300 nm. When the fluorine-added silicon oxide film composed of this single layer is replaced with a new sample every measurement, the fluorine desorption gas is measured from the fluorine temperature-programmed desorption spectrum 25 of the first measurement to the fluorine temperature-programmed desorption spectrum 26 of the second measurement. It can be seen that the MS intensity of the fluorine desorption gas is increased by the fluorine temperature-programmed desorption spectrum 27 of the third measurement.

図13に示すように、測定回数毎にフッ素脱離量は増加しており、前記加熱チャンバ11内壁にフッ素ガスが吸着することで、前記質量分析計20でのイオンカウントが増加したと推察される。   As shown in FIG. 13, the fluorine desorption amount increases with each measurement, and it is assumed that the ion count in the mass spectrometer 20 is increased by the adsorption of fluorine gas on the inner wall of the heating chamber 11. The

また、試料表面処理(洗浄、プラズマ処理など)後の膜からの脱離の活性化エネルギーと、分子・原子が試料表面で化学結合しているエネルギーとの関連性を同時に把握する方法がなかった。   In addition, there was no method to simultaneously grasp the relationship between the activation energy of desorption from the film after sample surface treatment (cleaning, plasma treatment, etc.) and the energy with which molecules and atoms are chemically bonded on the sample surface. .

したがって、この発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、真空チャンバ内で試料を加熱・昇温させて、発生する脱離ガス成分を測定する昇温脱離ガス分析装置において、加熱チャンバ内壁に吸着するハロゲン元素(F、Cl、Brなど)を吸着防止し、信頼性のあるハロゲン元素の脱離ガス特性を測定でき、また加熱・昇温測定前の試料前処理と、試料表面にX線を照射しながら試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を同時に測定できる昇温脱離ガス分析装置および分析方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is made in view of the above problems, and in a temperature-programmed desorption gas analyzer for measuring a generated desorption gas component by heating and heating a sample in a vacuum chamber, Halogen elements (F, Cl, Br, etc.) adsorbed on the inner wall of the heating chamber can be prevented from being adsorbed, reliable desorption gas characteristics of halogen elements can be measured, sample pretreatment before heating / heating measurement, and sample To provide a temperature-programmed desorption gas analyzer and an analysis method capable of simultaneously measuring the chemical bonding state of a sample surface and desorption gas characteristics while irradiating the surface with X-rays.

前記課題を解決するためにこの発明の請求項1記載の昇温脱離ガス分析装置は、真空排気されたロードロックチャンバと、前記ロードロックチャンバから搬送された試料を加熱、昇温させる加熱チャンバとを備え、前記試料から発生するハロゲン元素の脱離ガス特性を測定する昇温脱離ガス分析装置であって、前記加熱チャンバ内壁の表面が、三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜で被覆されている。   In order to solve the above problems, a temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 1 of the present invention includes a load-lock chamber that is evacuated and a heating chamber that heats and raises the temperature of a sample conveyed from the load-lock chamber. And a heated desorption gas analyzer for measuring desorption gas characteristics of a halogen element generated from the sample, wherein a surface of the inner wall of the heating chamber is a dialuminum trioxide film or a dichromium trioxide film. It is covered.

請求項2記載の昇温脱離ガス分析装置は、請求項1記載の昇温脱離ガス分析装置において、前記加熱チャンバ内壁温度を制御する制御機構を備えた。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 2 is the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 1, further comprising a control mechanism for controlling the inner wall temperature of the heating chamber.

請求項3記載の昇温脱離ガス分析装置は、請求項1記載の昇温脱離ガス分析装置において、前記加熱チャンバ上部に、赤外線を試料裏面から照射して加熱する際の漏出赤外線による前記三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜からの脱離ガス発生を防止する石英窓が設けられた。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 3 is the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 1, wherein the leaked infrared rays are heated when the upper portion of the heating chamber is heated by irradiating infrared rays from the back of the sample. A quartz window was provided to prevent the generation of desorbed gas from the dialuminum trioxide film or the dichromium trioxide film.

請求項4記載の昇温脱離ガス分析装置は、真空排気されたロードロックチャンバと、前記ロードロックチャンバから搬送された試料を加熱、昇温させる加熱チャンバとを備え、前記試料から発生するハロゲン元素の脱離ガス特性を測定する昇温脱離ガス分析装置であって、前記加熱チャンバ内部に、試料の表面層を引っかき剥離する機構を備えた。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 4 includes a load-lock chamber that is evacuated and a heating chamber that heats and raises the temperature of the sample conveyed from the load-lock chamber, and generates halogen generated from the sample. A temperature-programmed desorption gas analyzer for measuring desorption gas characteristics of an element, comprising a mechanism for scratching and peeling a surface layer of a sample inside the heating chamber.

請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置は、真空排気されたロードロックチャンバと、前記ロードロックチャンバから搬送された試料を加熱、昇温させる加熱チャンバとを備え、前記試料から発生するハロゲン元素の脱離ガス特性を測定する昇温脱離ガス分析装置であって、前記加熱チャンバ外部に直接連結された試料前処理チャンバを備え、前記試料前処理チャンバは、前記試料の表面層をエッチング可能な機構を備えた。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 5 comprises a load-lock chamber that is evacuated and a heating chamber that heats and raises the temperature of the sample conveyed from the load-lock chamber, and the halogen generated from the sample. A temperature-programmed desorption gas analyzer for measuring desorption gas characteristics of an element, comprising a sample pretreatment chamber directly connected to the outside of the heating chamber, wherein the sample pretreatment chamber etches a surface layer of the sample With possible mechanisms.

請求項6記載の昇温脱離ガス分析装置は、請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置において、前記試料前処理チャンバは、前記試料の表面を化学修飾可能な機構を備えた。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 6 is the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 5, wherein the sample pretreatment chamber includes a mechanism capable of chemically modifying the surface of the sample.

請求項7記載の昇温脱離ガス分析装置は、請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置において、前記試料前処理チャンバは、前記試料の表面上の膜をパターンエッチング可能な機構を備えた。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 7 is the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 5, wherein the sample pretreatment chamber includes a mechanism capable of pattern-etching a film on the surface of the sample. It was.

請求項8記載の昇温脱離ガス分析装置は、請求項4,5または6記載の昇温脱離ガス分析装置において、前記加熱チャンバ内部に集束したX線照射装置を備え、前記試料を加熱しながら試料表面の化学結合状態と脱離ガス特性とを同時に測定可能な機構を備えた。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 8 is the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 4, 5 or 6, comprising an X-ray irradiation device focused inside the heating chamber, and heating the sample While equipped with a mechanism capable of simultaneously measuring the chemical bonding state and desorbed gas characteristics of the sample surface.

請求項9記載の昇温脱離ガス分析方法は、請求項4記載の昇温脱離ガス分析装置を用いた昇温脱離ガス分析方法であって、前記加熱チャンバの内部で前記試料の表面層を引っかき剥離する際、前記試料表面に剥離用接着剤を塗布し、前記加熱チャンバの内部で前記剥離用接着剤が塗布された表面を急凍結した後で剥離された試料の新生面を測定する。   The temperature-programmed desorption gas analysis method according to claim 9 is the temperature-programmed desorption gas analysis method using the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 4, wherein the surface of the sample is formed inside the heating chamber. When the layer is scratched and peeled off, a peeling adhesive is applied to the surface of the sample, and after the surface coated with the peeling adhesive is rapidly frozen inside the heating chamber, the new surface of the peeled sample is measured. .

請求項10記載の昇温脱離ガス分析方法は、請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置を用いた昇温脱離ガス分析方法であって、前記加熱チャンバ外部に直接連結された試料前処理チャンバにおいて前記試料の表面上の膜をパターンエッチングする際、前記試料の表面上に脱離ガスをブロックするためのパターンとなる膜を残し、前記パターンのない部分からの脱離ガスを測定する。   The temperature-programmed desorption gas analysis method according to claim 10 is a temperature-programmed desorption gas analysis method using the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 5, wherein the sample is directly connected to the outside of the heating chamber. When pattern-etching the film on the surface of the sample in the pretreatment chamber, the film that becomes the pattern for blocking the desorbed gas is left on the surface of the sample, and the desorbed gas from the portion without the pattern is measured. To do.

この発明の請求項1記載の昇温脱離ガス分析装置によれば、加熱チャンバ内壁の表面が、三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜で被覆されているので、信頼性のあるハロゲン元素の脱離ガス特性を測定できる。すなわち、加熱チャンバ内壁を高耐腐食性のある三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜で被覆することで、試料を加熱・昇温した際、加熱チャンバ内壁に吸着するハロゲン元素(F、Cl、Brなど)の吸着防止し、信頼性のある脱離ガス特性を収集できる。   According to the temperature-programmed desorption gas analyzer of claim 1 of the present invention, since the surface of the inner wall of the heating chamber is covered with the dialuminum trioxide film or the dichromium trioxide film, a reliable halogen element The desorption gas characteristics of can be measured. That is, by coating the inner wall of the heating chamber with a highly corrosion-resistant dialuminum trioxide film or dichromium trioxide film, a halogen element (F, Cl adsorbed on the inner wall of the heating chamber when the sample is heated and heated. , Br, etc.) can be prevented and reliable desorbed gas characteristics can be collected.

請求項2では、加熱チャンバ内壁温度を制御する制御機構を備えたので、加熱チャンバ内において加熱・昇温する試料の温度を制御することができる。   According to the second aspect, since the control mechanism for controlling the inner wall temperature of the heating chamber is provided, the temperature of the sample to be heated and heated in the heating chamber can be controlled.

請求項3では、加熱チャンバ上部に、赤外線を試料裏面から照射して加熱する際の漏出赤外線による三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜からの脱離ガス発生を防止する石英窓が設けられたので、試料から漏れ出た赤外線を石英窓から透過させることができる。このため、加熱チャンバ内壁に被覆されている三酸化二アルミニウム膜から脱離ガスが発生することを防止する。   According to a third aspect of the present invention, a quartz window for preventing generation of desorbed gas from the dialuminum trioxide film or the dichromium trioxide film due to leaked infrared rays at the time of heating by irradiating infrared rays from the back of the sample is provided at the upper part of the heating chamber. Therefore, infrared rays leaking from the sample can be transmitted through the quartz window. For this reason, desorption gas is prevented from being generated from the dialuminum trioxide film coated on the inner wall of the heating chamber.

この発明の請求項4記載の昇温脱離ガス分析装置によれば、加熱チャンバ内部に、試料の表面層を引っかき剥離する機構を備えたので、試料表面から放出される脱離ガスを測定し、かつ化学結合状態スペクトルをX線照射により測定することができる。   According to the temperature-programmed desorption gas analyzer of claim 4 of the present invention, since the heating chamber is provided with a mechanism for scratching and peeling the surface layer of the sample, the desorbed gas released from the sample surface is measured. In addition, the chemical bonding state spectrum can be measured by X-ray irradiation.

この発明の請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置によれば、加熱チャンバ外部に直接連結された試料前処理チャンバを備え、試料前処理チャンバは、試料の表面層をエッチング可能な機構を備えたので、試料表面から放出される脱離ガスを測定し、かつ化学結合状態スペクトルをX線照射により測定することができる。   According to the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 5 of the present invention, the sample pretreatment chamber includes the sample pretreatment chamber directly connected to the outside of the heating chamber, and the sample pretreatment chamber has a mechanism capable of etching the surface layer of the sample. Since it is provided, the desorbed gas released from the sample surface can be measured, and the chemical bond state spectrum can be measured by X-ray irradiation.

請求項6では、試料前処理チャンバは、試料の表面を化学修飾可能な機構を備えたので、加熱・昇温測定前の試料前処理と、試料表面にX線を照射しながら試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を測定することができる。   According to the sixth aspect of the present invention, since the sample pretreatment chamber has a mechanism capable of chemically modifying the surface of the sample, the sample pretreatment before heating / heating measurement and the chemistry of the sample surface while irradiating the sample surface with X-rays The bound state and desorbed gas characteristics can be measured.

請求項7では、試料前処理チャンバは、試料の表面上の膜をパターンエッチング可能な機構を備えたので、パターンがない部分から脱離ガスを放出させて測定することができる。   According to the seventh aspect of the present invention, since the sample pretreatment chamber has a mechanism capable of pattern-etching the film on the surface of the sample, measurement can be performed by releasing desorbed gas from a portion where there is no pattern.

請求項8では、加熱チャンバ内部に集束したX線照射装置を備え、試料を加熱しながら試料表面の化学結合状態と脱離ガス特性とを同時に測定可能な機構を備えているので、試料表面にX線を照射しながら試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を同時に測定することができる。   According to the eighth aspect of the present invention, an X-ray irradiation apparatus focused inside the heating chamber is provided, and a mechanism capable of simultaneously measuring the chemical bonding state and desorption gas characteristics of the sample surface while heating the sample is provided. While irradiating X-rays, the chemical bonding state of the sample surface and the desorbed gas characteristics can be measured simultaneously.

この発明の請求項9記載の昇温脱離ガス分析方法によれば、加熱チャンバの内部で試料の表面層を引っかき剥離する際、試料表面に剥離用接着剤を塗布し、加熱チャンバの内部で剥離用接着剤が塗布された表面を急凍結した後で剥離された試料の新生面を測定するので、試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を同時に測定することができる。特に金属膜と非金属膜の界面剥離に有効である。   According to the temperature-programmed desorption gas analysis method according to claim 9 of the present invention, when the surface layer of the sample is scratched and peeled inside the heating chamber, a peeling adhesive is applied to the surface of the sample, and inside the heating chamber, Since the new surface of the peeled sample is measured after rapidly freezing the surface to which the peeling adhesive is applied, the chemical bonding state of the sample surface and the desorbed gas characteristics can be measured simultaneously. It is particularly effective for interfacial peeling between a metal film and a nonmetal film.

この発明の請求項10記載の昇温脱離ガス分析方法によれば、加熱チャンバ外部に直接連結された試料前処理チャンバにおいて試料の表面上の膜をパターンエッチングする際、試料の表面上に脱離ガスをブロックするためのパターンとなる膜を残し、パターンのない部分からの脱離ガスを測定するので、加熱・昇温測定前の試料前処理と、試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を同時に測定することができる。   According to the temperature-programmed desorption gas analysis method of claim 10 of the present invention, when the film on the surface of the sample is pattern-etched in the sample pretreatment chamber directly connected to the outside of the heating chamber, the desorption is performed on the surface of the sample. Measures the desorption gas from the part without the pattern, leaving the film to be a pattern for blocking the degassing, so the sample pretreatment before heating / heating measurement, the chemical bonding state of the sample surface, desorption Gas characteristics can be measured simultaneously.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態にかかわる昇温脱離ガス分析装置の断面構成図においては、同一構成部分については同一符号を付す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in the cross-sectional block diagram of the thermal desorption gas analyzer concerning each embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

この発明の第1の実施の形態を図1および図2に基づいて説明する。図1は本発明の第1の実施形態による昇温脱離ガス分析装置の断面構成図である。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a temperature programmed desorption gas analyzer according to a first embodiment of the present invention.

図1に示されるように、本発明の実施形態の昇温脱離ガス分析装置は、真空排気されたロードロックチャンバ1と、ロードロックチャンバ1から搬送された試料を加熱、昇温させる加熱チャンバ11とを備え、試料から発生するハロゲン元素の脱離ガス特性を測定する。   As shown in FIG. 1, a temperature-programmed desorption gas analyzer according to an embodiment of the present invention includes a load-lock chamber 1 that has been evacuated and a heating chamber that heats and raises the temperature of a sample conveyed from the load-lock chamber 1. 11 and the desorption gas characteristic of the halogen element generated from the sample is measured.

ロードロックチャンバ1は、パージ用の窒素ボンベ2に接続されたバルブ3と試料交換口4を接続しているとともに、試料搬送機構5を有し、ターボ分子ポンプ6とロータリーポンプ7を接続して真空排気されている。また前記ロードロックチャンバ1内の真空度を計測するために真空ゲージ8が設置されている。前記試料搬送機構5は試料9を前記ロードロックチャンバ1から加熱ステージ10上に移載することができる。加熱チャンバ11はゲートバルブ12によって仕切られており、透明石英ロッド13と前記加熱ステージ10を有している。前記透明石英ロッド13には試料加熱用の赤外線加熱ユニット14、温度制御装置15、コンピューター16が配備されている。またターボ分子ポンプ17とロータリーポンプ18を接続して、前記加熱チャンバ11を真空排気している。また前記加熱チャンバ11内の真空度を計測するために真空ゲージ19が設置されている。さらに脱離ガス測定用の質量分析計20が接続されている。   The load lock chamber 1 is connected to a valve 3 connected to a purge nitrogen cylinder 2 and a sample exchange port 4, and has a sample transport mechanism 5, and is connected to a turbo molecular pump 6 and a rotary pump 7. It has been evacuated. A vacuum gauge 8 is installed for measuring the degree of vacuum in the load lock chamber 1. The sample transport mechanism 5 can transfer the sample 9 from the load lock chamber 1 onto the heating stage 10. The heating chamber 11 is partitioned by a gate valve 12 and has a transparent quartz rod 13 and the heating stage 10. The transparent quartz rod 13 is provided with an infrared heating unit 14 for heating a sample, a temperature control device 15 and a computer 16. A turbo molecular pump 17 and a rotary pump 18 are connected to evacuate the heating chamber 11. A vacuum gauge 19 is installed to measure the degree of vacuum in the heating chamber 11. Further, a mass spectrometer 20 for measuring desorbed gas is connected.

前記試料搬送機構5を用いて、前記加熱ステージ10上に測定の試料21をセットする。前記試料21を昇温・加熱する前に、ゲートバルブ28を開けて、前記試料21の試料表面膜を引っかき剥離するために、膜剥離機構29を用いて前記加熱ステージ10上の前記試料21の試料表面膜を引っかき剥離する。その引っかき剥離された膜は、試料廃棄スロープ30を通じて、前記ターボ分子ポンプ6と前記ロータリーポンプ7で真空排気されている試料廃棄チャンバ31に落下回収される。そして、X線銃32を用いて、引っかき剥離された前記試料21の新生面にX線を照射して、この新生面から発生する光電子を電子分光器33で検出することにより、化学結合状態スペクトルを測定する。その際、この新生面の表面組成もわかるので、前記試料21の試料表面膜の引っかき剥離状況も把握できる。   A measurement sample 21 is set on the heating stage 10 using the sample transport mechanism 5. Before heating and heating the sample 21, the gate valve 28 is opened, and the sample surface film of the sample 21 is scratched and peeled off by using a film peeling mechanism 29. The sample surface film is scratched and peeled off. The scratch-separated film is dropped and collected through the sample disposal slope 30 into the sample disposal chamber 31 evacuated by the turbo molecular pump 6 and the rotary pump 7. Then, the X-ray gun 32 is used to irradiate the nascent surface of the sample 21 that has been peeled off, and the photoelectrons generated from the nascent surface are detected by the electron spectrometer 33 to measure the chemical bond state spectrum. To do. At this time, since the surface composition of this new surface is also known, it is possible to grasp the scratch peeling state of the sample surface film of the sample 21.

そして前記ゲートバルブ28を閉めて、前記加熱チャンバ11内の真空度が1E−7Pa以下に到達したら試料加熱を開始する。この試料加熱は赤外線導入用の前記透明石英ロッド13を介して、赤外線を前記試料21裏面から照射して、加熱・昇温するにともない前記試料21から放出される脱離ガスを前記質量分析計20で測定し、かつ前記X線銃32によるX線照射と前記電子分光器33を用いて、試料表面の化学結合状態スペクトルを測定する。   Then, the gate valve 28 is closed, and the sample heating is started when the degree of vacuum in the heating chamber 11 reaches 1E-7 Pa or less. In this sample heating, infrared rays are irradiated from the back surface of the sample 21 through the transparent quartz rod 13 for introducing infrared rays, and the desorbed gas released from the sample 21 as the sample is heated and heated is measured by the mass spectrometer. 20 and the X-ray irradiation by the X-ray gun 32 and the electron spectrometer 33 are used to measure the chemical bonding state spectrum of the sample surface.

ここで、前記の第1の実施形態による昇温脱離ガス分析装置における別の膜剥離方法を述べると、前記試料9を前記試料交換窓口4に導入する前に、大気中で前記試料9上にエポキシ系の接着剤を塗布・乾燥させて、前記ロードロックチャンバ1内に接着剤が塗布された前記試料9をセットする。前記ロードロックチャンバ1内の真空度が1E−5Pa以下に到達したら、前記ゲートバルブ12を開けて前記試料搬送機構5を用いて、前記加熱チャンバ11内の前記加熱ステージ10上に前記試料9を移載する。この移載された試料表面に銅製の急凍結棒34を接触させ、前記急凍結棒34の内部に液体窒素を注入することにより、試料表面の接着剤を収縮硬化させて、前記膜剥離機構29で試料表面の膜を引っかき剥離する。そして試料加熱を開始して、試料表面から放出される脱離ガスを前記質量分析計20で測定し、かつ化学結合状態スペクトルを前記X線銃32によるX線照射および前記電子分光器33を用いて同時に測定する方法である。   Here, another membrane peeling method in the temperature-programmed desorption gas analyzer according to the first embodiment will be described. Before the sample 9 is introduced into the sample exchange window 4, the sample 9 is exposed to the atmosphere in the atmosphere. Then, the epoxy adhesive is applied and dried, and the sample 9 coated with the adhesive is set in the load lock chamber 1. When the degree of vacuum in the load lock chamber 1 reaches 1E-5 Pa or less, the gate valve 12 is opened and the sample transport mechanism 5 is used to place the sample 9 on the heating stage 10 in the heating chamber 11. Transfer. A copper quick freezing bar 34 is brought into contact with the transferred sample surface, and liquid nitrogen is injected into the quick freezing bar 34 to shrink and harden the adhesive on the surface of the sample. Remove the film on the sample surface by scratching. Then, the sample heating is started, the desorbed gas released from the sample surface is measured by the mass spectrometer 20, and the chemical bond state spectrum is measured by the X-ray irradiation by the X-ray gun 32 and the electron spectrometer 33. It is a method to measure simultaneously.

また図2は本発明の第1の実施形態による昇温脱離ガス分析装置を使用した際、接着剤が塗布された試料表面の引っかき剥離状態の模式図を示す。図2の試料はシリコン基板35上に膜厚300nm程度の炭素添加シリコン酸化膜36が製膜されており、さらに上方に膜厚500nm程度の銅膜37が製膜されている。そしてエポキシ系の接着剤38を前記銅膜37上に塗布・乾燥させて、前記加熱チャンバ11内で、液体窒素で冷却された前記急凍結棒34を用いて、前記接着剤38を収縮硬化させた後、前記膜剥離機構29の先端に搭載されたダイヤモンドブレード39で、前記銅膜37と前記炭素添加シリコン酸化膜36の界面を引っかき剥離する。特に前記の液体窒素を用いた引っかき剥離方法は、金属膜と非金属膜の界面剥離に有効であることが確認されている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a scratch-peeled state of a sample surface to which an adhesive is applied when the temperature-programmed desorption gas analyzer according to the first embodiment of the present invention is used. In the sample of FIG. 2, a carbon-added silicon oxide film 36 having a film thickness of about 300 nm is formed on a silicon substrate 35, and a copper film 37 having a film thickness of about 500 nm is further formed thereon. Then, an epoxy adhesive 38 is applied and dried on the copper film 37, and the adhesive 38 is shrink-hardened in the heating chamber 11 using the quick freezing rod 34 cooled with liquid nitrogen. After that, the interface between the copper film 37 and the carbon-added silicon oxide film 36 is scratched and peeled off with a diamond blade 39 mounted at the tip of the film peeling mechanism 29. In particular, it has been confirmed that the scratch peeling method using liquid nitrogen is effective for peeling an interface between a metal film and a non-metal film.

この発明の第2の実施の形態を図3〜図6に基づいて説明する。図3は本発明の第2の実施形態による昇温脱離ガス分析装置の断面構成図である。   A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram of the temperature-programmed desorption gas analyzer according to the second embodiment of the present invention.

図3に示されるように、本発明の実施形態の昇温脱離ガス分析装置は、第1の実施形態とロードロックチャンバ1と加熱チャンバ11とを備えている。また、加熱チャンバ11外部に直接連結された試料前処理チャンバを備え、試料前処理チャンバは、試料の表面層をエッチング可能な機構を備えている。この場合、試料前処理チャンバは、ドライエッチングを兼ねたロードロックチャンバ1である。   As shown in FIG. 3, the temperature-programmed desorption gas analyzer according to the embodiment of the present invention includes the first embodiment, a load lock chamber 1, and a heating chamber 11. In addition, a sample pretreatment chamber directly connected to the outside of the heating chamber 11 is provided, and the sample pretreatment chamber has a mechanism capable of etching the surface layer of the sample. In this case, the sample pretreatment chamber is a load lock chamber 1 that also serves as dry etching.

前記ロードロックチャンバ1は、パージ用の窒素ボンベ2およびエッチング用ボンベ40に接続されたバルブ3と、試料交換口4を接続しているとともに、試料搬送機構5を有し、ターボ分子ポンプ6とロータリーポンプ7を接続して真空排気されている。また前記ロードロックチャンバ1内の真空度を計測するために真空ゲージ8が設置されている。前記試料搬送機構5は、試料9を前記ロードロックチャンバ1からカソード電極41上または加熱ステージ10上に移載させることができる。そして前記試料搬送機構5を用いて前記試料9を前記カソード電極41上に移載する。前記カソード電極41とアノード電極42の間で、高周波電源43から印加された電力により、マッチングボックス44で整合をとり、チャンバ内でプラズマを発生させ、前記カソード電極41上の試料45表面をエッチングする。そしてエッチング終了後、ゲートバルブ12を開けてエッチングされた前記試料45を前記試料搬送機構5で、加熱チャンバ11の前記加熱ステージ10上に移載する。そしてエッチングされた試料21を透明石英ロッド13、赤外線加熱ユニット14、温度制御装置15、コンピューター16を使用して試料加熱を開始する。そして試料表面から放出される脱離ガスを質量分析計20で測定し、かつX線銃32で試料表面にX線照射しながら、電子分光器33で化学結合状態スペクトルを測定する。   The load lock chamber 1 is connected to a valve 3 connected to a purge nitrogen cylinder 2 and an etching cylinder 40 and a sample exchange port 4, and has a sample transport mechanism 5. A rotary pump 7 is connected and evacuated. A vacuum gauge 8 is installed for measuring the degree of vacuum in the load lock chamber 1. The sample transport mechanism 5 can transfer the sample 9 from the load lock chamber 1 onto the cathode electrode 41 or the heating stage 10. Then, the sample 9 is transferred onto the cathode electrode 41 using the sample transport mechanism 5. A matching box 44 performs matching between the cathode electrode 41 and the anode electrode 42 by the power applied from the high frequency power source 43, plasma is generated in the chamber, and the surface of the sample 45 on the cathode electrode 41 is etched. . After the etching is completed, the sample 45 etched by opening the gate valve 12 is transferred onto the heating stage 10 of the heating chamber 11 by the sample transport mechanism 5. Then, the heated sample 21 is heated using the transparent quartz rod 13, the infrared heating unit 14, the temperature controller 15, and the computer 16. The desorption gas released from the sample surface is measured by the mass spectrometer 20 and the X-ray gun 32 irradiates the sample surface with X-rays, and the chemical spectrometer 33 measures the chemical bond state spectrum.

次に、図4は本発明の第2の実施形態による昇温脱離ガス分析装置を使用した際の窒素昇温脱離スペクトルであり、図5は本発明の第2の実施形態による昇温脱離ガス分析装置を使用した際のシリコン化学結合状態スペクトルである。図4、図5の測定試料はシリコン基板上に製膜された膜厚300nm程度のシリコン酸化膜である。図3の前記カソード電極41上で、この試料を窒素プラズマ処理した後、前記加熱チャンバ11の前記加熱ステージ10上に、この試料を移載かつ昇温・加熱を開始して、昇温脱離スペクトルおよび化学結合状態スペクトルを測定した。   Next, FIG. 4 is a nitrogen temperature-programmed desorption spectrum when using a temperature-programmed desorption gas analyzer according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a temperature-programmed temperature according to the second embodiment of the present invention. It is a silicon chemical bond state spectrum when using a desorption gas analyzer. The measurement sample of FIGS. 4 and 5 is a silicon oxide film having a thickness of about 300 nm formed on a silicon substrate. After the sample is subjected to nitrogen plasma treatment on the cathode electrode 41 in FIG. 3, the sample is transferred onto the heating stage 10 of the heating chamber 11 and heating / heating is started. Spectra and chemical bonding state spectra were measured.

図4、図5より、窒素プラズマ処理前の窒素昇温脱離スペクトル46に比べて、窒素プラズマ処理後の窒素昇温脱離スペクトル47は、ピークトップ温度(Tp)360℃付近で、大きな窒素脱離ガスを発生させている。また化学結合状態スペクトルにおいては、窒素プラズマ処理前のシリコン化学結合状態スペクトル48のピークトップエネルギー(約103.5eV)に比べて、窒素プラズマ処理後のシリコン化学結合状態スペクトル49のピークトップエネルギー(約103.3eV)は、ほとんどケミカルエネルギーシフトがないことがわかる。即ち窒素プラズマ処理に関係なく、シリコン酸化膜表面はシリコンオキサイド状態にあることがわかる。   4 and 5, the nitrogen temperature-programmed desorption spectrum 47 after the nitrogen plasma treatment shows a large nitrogen at peak top temperature (Tp) of 360 ° C. as compared with the nitrogen temperature-programmed desorption spectrum 46 before the nitrogen plasma treatment. Desorbed gas is generated. Further, in the chemical bonding state spectrum, the peak top energy (about about 103.5 eV) of the silicon chemical bonding state spectrum 49 after the nitrogen plasma processing is compared with the peak top energy (about 103.5 eV) of the silicon chemical bonding state spectrum 48 before the nitrogen plasma processing. 103.3 eV) shows almost no chemical energy shift. That is, it can be seen that the silicon oxide film surface is in a silicon oxide state regardless of the nitrogen plasma treatment.

また図6は本発明の第2の実施形態による昇温脱離ガス分析装置を使用した際の窒素プラズマ処理後に関するアレニウスプロットであり、窒素プラズマ処理後の試料に対して、昇温速度(φ)を変更しながら窒素脱離ガスのピークトップ温度(Tp)をもとめて、アレニウスプロット50を作成した。   FIG. 6 is an Arrhenius plot for the nitrogen plasma treatment after using the temperature programmed desorption gas analyzer according to the second embodiment of the present invention. ) To obtain the peak top temperature (Tp) of the nitrogen desorption gas, and an Arrhenius plot 50 was created.

ここでの窒素脱離の活性化エネルギー0.62eV(Ea)は、シリコンと窒素間の化学結合状態が存在した場合の二原子間の結合解離エネルギー4.6eV(参考文献:日本化学会編、“化学便覧”、p976丸善(1993))に比べて、遥かに小さいことが確認された。即ち窒素プラズマ処理後のシリコン酸化膜の表面に存在する窒素は、他の原子と結合せずに、単体の分子でシリコン酸化膜表面に存在している可能性が高いと推測される。   Here, the activation energy of nitrogen elimination 0.62 eV (Ea) is the bond dissociation energy between two atoms in the presence of a chemical bond state between silicon and nitrogen 4.6 eV (reference: edited by Chemical Society of Japan, Compared to “Chemical Handbook”, p976 Maruzen (1993), it was confirmed to be much smaller. That is, it is presumed that nitrogen existing on the surface of the silicon oxide film after the nitrogen plasma treatment is likely to exist on the surface of the silicon oxide film as a single molecule without being bonded to other atoms.

この発明の第3の実施の形態を図7〜図10に基づいて説明する。図7は本発明の第3の実施形態による昇温脱離ガス分析装置の断面構成図である。   A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram of a temperature-programmed desorption gas analyzer according to the third embodiment of the present invention.

図7に示されるように、本発明の昇温脱離ガス分析装置は、第1の実施形態と同様にロードロックチャンバ1と加熱チャンバ11とを備えている。また、試料前処理として、ロードロックチャンバ1に連結された気相化学エッチングチャンバ51を有している。   As shown in FIG. 7, the temperature-programmed desorption gas analyzer of the present invention includes a load lock chamber 1 and a heating chamber 11 as in the first embodiment. Further, as a sample pretreatment, a gas phase chemical etching chamber 51 connected to the load lock chamber 1 is provided.

前記気相化学エッチングチャンバ51内部の上部には、フッ酸蒸気が噴射されるシャワーヘッド52がある。前記シャワーヘッド52にはフッ酸ボトル53および洗浄水ボトル54に接続され、蒸気噴射用のバルブ55と窒素導入用のバルブ56がある。前記ロードロックチャンバ1は、ターボ分子ポンプ6とロータリーポンプ7を接続して真空排気されている。また前記ロードロックチャンバ1内の真空度を計測するために真空ゲージ8が設置されている。   In the upper part of the gas phase chemical etching chamber 51, there is a shower head 52 to which hydrofluoric acid vapor is jetted. The shower head 52 is connected to a hydrofluoric acid bottle 53 and a washing water bottle 54, and has a steam injection valve 55 and a nitrogen introduction valve 56. The load lock chamber 1 is evacuated by connecting a turbo molecular pump 6 and a rotary pump 7. A vacuum gauge 8 is installed for measuring the degree of vacuum in the load lock chamber 1.

試料搬送機構5を使用した試料9の試料移載は、前記気相化学エッチングチャンバ51から前記ロードロックチャンバ1上、または加熱チャンバ11の加熱ステージ10上まで移載させることができる。そして前記試料搬送機構5を用いて前記試料9を化学エッチングステージ57上に移載する。そして前記フッ酸ボトル53のバルブ58および前記バルブ55を開けて、前記シャワーヘッド52を通じて、前記気相化学エッチングチャンバ51内部にフッ酸蒸気を充満させて、試料45の表面を化学エッチングする。化学エッチングされた前記試料45の洗浄は前記バルブ58を閉めて、前記洗浄水ボトル54のバルブ59を開けて試料表面を洗浄する。前記気相化学エッチングチャンバ51内部で使用された洗浄水はドレインに排出される。そして洗浄後の試料乾燥は前記バルブ55を閉めて、前記バルブ56を開けて前記気相化学エッチングチャンバ51内部に窒素を導入し乾燥させる。試料乾燥後、ゲートバルブ60を開けて前記試料搬送機構5を用いて、前記試料45を前記ロードロックチャンバ1に移載する。   The sample transfer of the sample 9 using the sample transport mechanism 5 can be transferred from the gas phase chemical etching chamber 51 to the load lock chamber 1 or the heating stage 10 of the heating chamber 11. Then, the sample 9 is transferred onto the chemical etching stage 57 using the sample transport mechanism 5. Then, the surface of the sample 45 is chemically etched by opening the valve 58 and the valve 55 of the hydrofluoric acid bottle 53 and filling the vapor-phase chemical etching chamber 51 with the hydrofluoric acid vapor through the shower head 52. Cleaning the chemically etched sample 45 closes the valve 58 and opens the valve 59 of the cleaning water bottle 54 to clean the sample surface. The cleaning water used in the gas phase chemical etching chamber 51 is discharged to the drain. After cleaning, the sample is dried by closing the valve 55 and opening the valve 56 to introduce nitrogen into the gas phase chemical etching chamber 51 and dry it. After the sample is dried, the gate valve 60 is opened, and the sample 45 is transferred to the load lock chamber 1 using the sample transport mechanism 5.

そして前記ロードロックチャンバ1内の真空度が1E−5Pa以下に到達したら、前記ゲートバルブ12を開けて前記試料搬送機構5を用いて、加熱チャンバ11内の加熱ステージ10上に前記試料45を移載する。そして化学エッチングされた試料21を透明石英ロッド13、赤外線加熱ユニット14、温度制御装置15、コンピューター16を使用して試料加熱を開始する。そして試料表面から放出される脱離ガスを質量分析計20で測定し、かつX線銃32で試料表面にX線照射しながら、電子分光器33で化学結合状態スペクトルを測定する。   When the degree of vacuum in the load lock chamber 1 reaches 1E-5 Pa or less, the gate valve 12 is opened and the sample 45 is transferred onto the heating stage 10 in the heating chamber 11 using the sample transport mechanism 5. Included. Then, sample heating of the chemically etched sample 21 is started using the transparent quartz rod 13, the infrared heating unit 14, the temperature control device 15, and the computer 16. The desorption gas released from the sample surface is measured by the mass spectrometer 20 and the X-ray gun 32 irradiates the sample surface with X-rays, and the chemical spectrometer 33 measures the chemical bond state spectrum.

因みに、前記加熱チャンバ11の内壁表面は三酸化二アルミニウム膜で被覆されており、また前記加熱チャンバ11の内壁を加熱するためのヒーター61も配備されている。また前記透明石英ロッド13を介して、赤外線を試料21裏面に照射するが、前記試料21から漏れ出た赤外線が前記加熱チャンバ11内壁上部に照射される。そして被覆されている三酸化二アルミニウム膜から脱離ガスが発生する可能性があるので、前記加熱チャンバ11の上部に赤外線を透過させる石英窓62も配備されている。   Incidentally, the inner wall surface of the heating chamber 11 is covered with a dialuminum trioxide film, and a heater 61 for heating the inner wall of the heating chamber 11 is also provided. Further, infrared light is irradiated on the back surface of the sample 21 through the transparent quartz rod 13, and the infrared light leaking from the sample 21 is irradiated on the inner wall upper portion of the heating chamber 11. Since there is a possibility that desorbed gas is generated from the coated dialuminum trioxide film, a quartz window 62 that transmits infrared rays is also provided at the top of the heating chamber 11.

前記加熱チャンバ11の内壁材に三酸化二アルミニウム膜を選択した理由は、ハロゲン系ガスプラズマに対して、高耐腐食性(参考文献:日本空気清浄協会編、“空気清浄”、第39巻、第5号、p10(2002))を有すると言われている。特に化学修飾された試料はハロゲン系ガスを測定するので、高耐腐食性のある三酸化二アルミニウム膜で被覆されている前記加熱チャンバ11を使用すると共に、前記ヒーター61で前記加熱チャンバ11内壁を約60℃以上で加熱することで、さらにハロゲン系ガスによるチャンバ内壁への吸着防止に有効であると考えられる。   The reason why a dialuminum trioxide film is selected as the inner wall material of the heating chamber 11 is that it is highly corrosion resistant to halogen-based gas plasma (reference: edited by Japan Air Cleaning Association, “Air Cleaning”, Vol. 39, No. 5, p10 (2002)). In particular, a chemically modified sample measures a halogen-based gas. Therefore, the heating chamber 11 covered with a highly corrosive-resistant dialuminum trioxide film is used, and the inner wall of the heating chamber 11 is covered with the heater 61. It is considered that heating at about 60 ° C. or higher is effective in preventing adsorption of the halogen-based gas to the inner wall of the chamber.

次に、図8は本発明の第3の実施形態による昇温脱離ガス分析装置を使用した際のリン昇温脱離スペクトルである。図8の測定試料はシリコン基板上に製膜された膜厚100nm程度のリンドープ多結晶シリコン膜であり、この試料表面には膜厚10nm程度のシリコン酸化膜が堆積されている。図7の前記化学エッチングステージ57で、この試料表面を化学エッチング処理後、前記加熱チャンバ11の前記加熱ステージ10上に、この試料を移載かつ昇温・加熱を開始して、昇温脱離スペクトルを測定した。図8より化学エッチング処理前のリン昇温脱離スペクトル63に比べて、化学エッチング処理後のリン昇温脱離スペクトル64は、700℃付近からリン脱離ガスが発生している。   Next, FIG. 8 is a phosphorus temperature programmed desorption spectrum when using the temperature programmed desorption gas analyzer according to the third embodiment of the present invention. The measurement sample of FIG. 8 is a phosphorus-doped polycrystalline silicon film having a thickness of about 100 nm formed on a silicon substrate, and a silicon oxide film having a thickness of about 10 nm is deposited on the surface of the sample. After the chemical etching process is performed on the surface of the sample at the chemical etching stage 57 in FIG. 7, the sample is transferred onto the heating stage 10 of the heating chamber 11 and heating / heating is started. The spectrum was measured. As shown in FIG. 8, in the phosphorus temperature-programmed desorption spectrum 64 after the chemical etching process, phosphorus desorption gas is generated from around 700 ° C. as compared with the phosphorus temperature-programmed desorption spectrum 63 before the chemical etching process.

また図9は本発明の第3の実施形態による昇温脱離ガス分析装置を使用した際のパターンエッチング工程の模式図である。図9で説明すると、この試料はシリコン基板65上に製膜されたリンドープ多結晶シリコン膜66であり、この試料表面には極薄シリコン酸化膜67が堆積されている。前記化学エッチングステージ57内部で、図9(a)のように試料表面をパターンのあるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のマスク68で覆う。図9(b)で試料表面をパターンエッチングする。そして前記マスク68除去後、図9(c)のようにパターンがない部分から選択的にリン脱離ガスを測定できる。   FIG. 9 is a schematic diagram of the pattern etching process when using the temperature programmed desorption gas analyzer according to the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, this sample is a phosphorus-doped polycrystalline silicon film 66 formed on a silicon substrate 65, and an ultrathin silicon oxide film 67 is deposited on the sample surface. Inside the chemical etching stage 57, the sample surface is covered with a patterned polytetrafluoroethylene (PTFE) mask 68 as shown in FIG. In FIG. 9B, the sample surface is subjected to pattern etching. After the removal of the mask 68, phosphorus desorption gas can be selectively measured from a portion having no pattern as shown in FIG.

また図10は本発明の第3の実施形態による昇温脱離ガス分析装置を使用した際のフッ素昇温脱離スペクトルである。図10の測定試料はシリコン基板上に製膜された膜厚300nm程度のフッ素濃度の異なる添加シリコン酸化膜であり、各々試料表面には膜厚10nm程度の窒化シリコン膜が堆積されている。図3の前記カソード電極41上で、この試料をドライエッチング処理した後、図7の前記加熱チャンバ11の前記加熱ステージ10上に、この試料を移載かつ昇温・加熱を開始して、各試料の昇温脱離スペクトルを測定した。   FIG. 10 is a fluorine temperature-programmed desorption spectrum when using the temperature-programmed desorption gas analyzer according to the third embodiment of the present invention. The measurement sample of FIG. 10 is an added silicon oxide film having a thickness of about 300 nm and having a different fluorine concentration formed on a silicon substrate, and a silicon nitride film having a thickness of about 10 nm is deposited on the surface of each sample. After the sample is dry-etched on the cathode electrode 41 of FIG. 3, the sample is transferred onto the heating stage 10 of the heating chamber 11 of FIG. The temperature programmed desorption spectrum of the sample was measured.

図10より測定1回目の高濃度フッ素昇温脱離スペクトル69および測定2回目の高濃度フッ素昇温脱離スペクトル70のMS強度には変化がなく、また測定1回目の低濃度フッ素昇温脱離スペクトル71および測定2回目の高濃度フッ素昇温脱離スペクトル72のMS強度にも変化がないことが確認された。即ち前記加熱チャンバ11の内壁が高耐腐食性のある三酸化二アルミニウム膜で被覆されていることで、信頼性のあるハロゲン元素(F、Cl、Brなど)の昇温脱離スペクトルが測定できる。   From FIG. 10, there is no change in the MS intensity of the high concentration fluorine temperature programmed desorption spectrum 69 of the first measurement and the high concentration fluorine temperature programmed desorption spectrum 70 of the second measurement, and the low concentration fluorine temperature desorption of the first measurement. It was confirmed that there was no change in the MS intensity of the separation spectrum 71 and the high concentration fluorine temperature programmed desorption spectrum 72 of the second measurement. That is, since the inner wall of the heating chamber 11 is coated with a highly corrosion-resistant dialuminum trioxide film, a reliable temperature programmed desorption spectrum of halogen elements (F, Cl, Br, etc.) can be measured. .

ここで、本実施形態においては、前記構成の昇温脱離ガス分析装置を用いることで、加熱チャンバ内壁に吸着するハロゲン元素(F、Cl、Brなど)を吸着防止し、信頼性のあるハロゲン元素の脱離ガス特性を測定できる。また加熱・昇温測定前の試料前処理と、試料表面にX線を照射しながら試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を同時に測定できることは、前記実施形態で説明した様態に限られるものではない。なお、第1および第2の実施形態において、第3の実施形態と同様に加熱チャンバ11内壁の表面が、三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜で被覆されていてもよい。   Here, in the present embodiment, by using the temperature-programmed desorption gas analyzer configured as described above, the halogen elements (F, Cl, Br, etc.) adsorbed on the inner wall of the heating chamber are prevented from being adsorbed, and a reliable halogen is used. Desorption gas characteristics of elements can be measured. Moreover, the ability to simultaneously measure the sample pretreatment before heating / temperature rise measurement, the chemical bonding state of the sample surface while irradiating the sample surface with X-rays, and the desorption gas characteristics is limited to the mode described in the above embodiment. It is not a thing. In the first and second embodiments, the surface of the inner wall of the heating chamber 11 may be covered with a dialuminum trioxide film or a dichromium trioxide film as in the third embodiment.

本発明にかかる昇温脱離ガス分析装置およびその分析方法は、加熱チャンバ内壁へのハロゲン元素(F、Cl、Brなど)の吸着を防止し、また加熱・昇温測定前に試料前処理を行い、試料表面にX線を照射しながら試料表面の化学結合状態と、脱離ガス特性を同時に測定できるものであり、信頼性のあるハロゲン元素の脱離ガス特性の測定および試料表面の化学結合状態と脱離ガス特性の同時測定を可能とする昇温脱離ガス分析装置およびその分析方法に適用できる。   The temperature-programmed desorption gas analyzer and the analysis method according to the present invention prevent the adsorption of halogen elements (F, Cl, Br, etc.) to the inner wall of the heating chamber, and perform sample pretreatment before heating / temperature measurement. It is possible to measure the chemical bonding state of the sample surface and the desorption gas characteristics at the same time while irradiating the sample surface with X-rays. The present invention can be applied to a temperature-programmed desorption gas analyzer capable of simultaneously measuring the state and desorption gas characteristics and its analysis method.

本発明の第1の実施形態における昇温脱離ガス分析装置の断面構成図である。1 is a cross-sectional configuration diagram of a temperature-programmed desorption gas analyzer according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における引っかき剥離状態の模式図である。It is a schematic diagram of the scratch peeling state in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態における昇温脱離ガス分析装置の断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram of the temperature-programmed desorption gas analyzer in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態における窒素昇温脱離スペクトル図である。It is a nitrogen temperature-programmed desorption spectrum figure in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態におけるシリコン化学結合状態スペクトル図である。It is a silicon chemical bond state spectrum figure in a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態におけるアレニウスプロット図である。It is an Arrhenius plot figure in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態における昇温脱離ガス分析装置の断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram of the temperature rising desorption gas analyzer in the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態におけるリン昇温脱離スペクトル図である。It is a phosphorus temperature programmed desorption spectrum figure in the 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態におけるパターンエッチング工程の模式図である。It is a schematic diagram of the pattern etching process in the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態におけるフッ素昇温脱離スペクトル図である。It is a fluorine temperature-programmed desorption spectrum in the third embodiment of the present invention. 従来の技術における昇温脱離ガス分析装置の断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram of the temperature-programmed desorption gas analyzer in a prior art. 従来の技術における半導体薄膜材料の積層膜の断面図である。It is sectional drawing of the laminated film of the semiconductor thin film material in a prior art. 従来の技術におけるフッ素昇温脱離スペクトル図である。It is a fluorine temperature-programmed desorption spectrum diagram in the prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1 ロードロックチャンバ
2 窒素ボンベ
3,55,56,58,59 バルブ
4 試料交換口
5 試料搬送機構
6,17 ターボ分子ポンプ
7,18 ロータリーポンプ
8,19 真空ゲージ
9,21,45 試料
10 加熱ステージ
11 加熱チャンバ
12,28,60 ゲートバルブ
13 透明石英ロッド
14 赤外線加熱ユニット
15 温度制御装置
16 コンピューター
20 質量分析計
29 膜剥離機構
30 試料廃棄スロープ
31 試料廃棄チャンバ
32 X線銃
33 電子分光器
40 エッチング用ボンベ
41 カソード電極
42 アノード電極
43 高周波電源
44 マッチングボックス
51 気相化学エッチングチャンバ
52 シャワーヘッド
53 フッ酸ボトル
54 洗浄水ボトル
57 化学エッチングステージ
61 ヒーター
62 石英窓
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Load lock chamber 2 Nitrogen cylinder 3,55,56,58,59 Valve 4 Sample exchange port 5 Sample conveyance mechanism 6,17 Turbo molecular pump 7,18 Rotary pump 8,19 Vacuum gauge 9,21,45 Sample 10 Heating stage DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Heating chamber 12, 28, 60 Gate valve 13 Transparent quartz rod 14 Infrared heating unit 15 Temperature control device 16 Computer 20 Mass spectrometer 29 Membrane peeling mechanism 30 Sample disposal slope 31 Sample disposal chamber 32 X-ray gun 33 Electron spectrometer 40 Etching Gas cylinder 41 Cathode electrode 42 Anode electrode 43 High frequency power supply 44 Matching box 51 Gas phase chemical etching chamber 52 Shower head 53 Hydrofluoric acid bottle 54 Washing water bottle 57 Chemical etching stage 61 Heater 62 Quartz window

Claims (10)

真空排気されたロードロックチャンバと、前記ロードロックチャンバから搬送された試料を加熱、昇温させる加熱チャンバとを備え、前記試料から発生するハロゲン元素の脱離ガス特性を測定する昇温脱離ガス分析装置であって、前記加熱チャンバ内壁の表面が、三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜で被覆されていることを特徴とする昇温脱離ガス分析装置。   A temperature-programmed desorption gas comprising a load-lock chamber evacuated and a heating chamber that heats and raises the temperature of a sample conveyed from the load-lock chamber, and measures a desorption gas characteristic of a halogen element generated from the sample A temperature-programmed desorption gas analyzer, characterized in that the inner wall surface of the heating chamber is covered with a dialuminum trioxide film or a dichromium trioxide film. 前記加熱チャンバ内壁温度を制御する制御機構を備えた請求項1記載の昇温脱離ガス分析装置。   The temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 1, further comprising a control mechanism that controls the inner wall temperature of the heating chamber. 前記加熱チャンバ上部に、赤外線を試料裏面から照射して加熱する際の漏出赤外線による前記三酸化二アルミニウム膜または三酸化二クロム膜からの脱離ガス発生を防止する石英窓が設けられた請求項1記載の昇温脱離ガス分析装置。   A quartz window for preventing generation of desorbed gas from the dialuminum trioxide film or dichromium trioxide film due to leaked infrared rays when heating by irradiating infrared rays from the back surface of the sample is provided at the upper part of the heating chamber. The temperature-programmed desorption gas analyzer according to 1. 真空排気されたロードロックチャンバと、前記ロードロックチャンバから搬送された試料を加熱、昇温させる加熱チャンバとを備え、前記試料から発生するハロゲン元素の脱離ガス特性を測定する昇温脱離ガス分析装置であって、前記加熱チャンバ内部に、試料の表面層を引っかき剥離する機構を備えた昇温脱離ガス分析装置。   A temperature-programmed desorption gas comprising a load-lock chamber evacuated and a heating chamber that heats and raises the temperature of a sample conveyed from the load-lock chamber, and measures a desorption gas characteristic of a halogen element generated from the sample A temperature-programmed desorption gas analyzer comprising a mechanism for scratching and peeling a surface layer of a sample inside the heating chamber. 真空排気されたロードロックチャンバと、前記ロードロックチャンバから搬送された試料を加熱、昇温させる加熱チャンバとを備え、前記試料から発生するハロゲン元素の脱離ガス特性を測定する昇温脱離ガス分析装置であって、前記加熱チャンバ外部に直接連結された試料前処理チャンバを備え、前記試料前処理チャンバは、前記試料の表面層をエッチング可能な機構を備えた昇温脱離ガス分析装置。   A temperature-programmed desorption gas comprising a load-lock chamber evacuated and a heating chamber that heats and raises the temperature of a sample conveyed from the load-lock chamber, and measures a desorption gas characteristic of a halogen element generated from the sample A temperature-programmed desorption gas analyzer comprising a sample pretreatment chamber directly connected to the outside of the heating chamber, the sample pretreatment chamber having a mechanism capable of etching a surface layer of the sample. 前記試料前処理チャンバは、前記試料の表面を化学修飾可能な機構を備えた請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置。   6. The thermal desorption gas analyzer according to claim 5, wherein the sample pretreatment chamber includes a mechanism capable of chemically modifying the surface of the sample. 前記試料前処理チャンバは、前記試料の表面上の膜をパターンエッチング可能な機構を備えた請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置。   6. The thermal desorption gas analyzer according to claim 5, wherein the sample pretreatment chamber includes a mechanism capable of pattern-etching a film on the surface of the sample. 前記加熱チャンバ内部に集束したX線照射装置を備え、前記試料を加熱しながら試料表面の化学結合状態と脱離ガス特性とを同時に測定可能な機構を備えた請求項4,5または6記載の昇温脱離ガス分析装置。   The X-ray irradiation apparatus focused inside the heating chamber is provided, and a mechanism capable of simultaneously measuring the chemical bonding state and desorption gas characteristics of the sample surface while heating the sample is provided. Thermal desorption gas analyzer. 請求項4記載の昇温脱離ガス分析装置を用いた昇温脱離ガス分析方法であって、前記加熱チャンバの内部で前記試料の表面層を引っかき剥離する際、前記試料表面に剥離用接着剤を塗布し、前記加熱チャンバの内部で前記剥離用接着剤が塗布された表面を急凍結した後で剥離された試料の新生面を測定することを特徴とする昇温脱離ガス分析方法。   5. A temperature-programmed desorption gas analysis method using the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 4, wherein when the surface layer of the sample is scratched and peeled inside the heating chamber, the adhesion to the sample surface is peeled off. A temperature-programmed desorption gas analysis method characterized by measuring a new surface of a sample peeled after applying a coating agent, rapidly freezing the surface coated with the peeling adhesive inside the heating chamber. 請求項5記載の昇温脱離ガス分析装置を用いた昇温脱離ガス分析方法であって、前記加熱チャンバ外部に直接連結された試料前処理チャンバにおいて前記試料の表面上の膜をパターンエッチングする際、前記試料の表面上に脱離ガスをブロックするためのパターンとなる膜を残し、前記パターンのない部分からの脱離ガスを測定することを特徴とする昇温脱離ガス分析方法。   6. A temperature-programmed desorption gas analysis method using the temperature-programmed desorption gas analyzer according to claim 5, wherein a film on the surface of the sample is subjected to pattern etching in a sample pretreatment chamber directly connected to the outside of the heating chamber. In this case, a temperature-programmed desorption gas analysis method is characterized in that a film having a pattern for blocking desorption gas is left on the surface of the sample, and desorption gas from a portion without the pattern is measured.
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