KR0127497B1 - 오염 원소 분석 방법 - Google Patents

Abstract

반도체 웨이퍼 중의 오염 원소를 확실하게 특정하고 오염 원소의 농도를 정밀하게 구하는 것을 목적으로 한다. 피측정 물체에서 얻어진 형광 X선의 측정 파형에 대해 평활화 미분 처리해서 측정 파형의 피크를 검출한다. 각 피크 별로 초기 파라메터를 변수로 한 모델 함수를 준비해서 모델 파형을 구성한다. 모델 파형과 측정 파형의 잔차 제곱의 합이 최소로 되도록 비선형 최적화 처리하고 초기 파라메터를 결정해서 분리 파형을 구한다. 각 분리 파형으로부터 대응하는 오염 원소를 특정한다. 분리 파형의 적분 강도를 구함과 동시에 비오염 물질로부터 배경 강도를 구해서 분리 파형의 적분 강도로부터 감산한다.

Description

오염 원소 분석 방법

제1도는 본 발명에 의한 오염 원소 분석 방법의 한 실시예를 도시하는 플로우챠트.

제2도는 에너지 분산형 형광 X선 분석 장치를 도시하는 개략도.

제3도는 본 발명의 구체예에 있어서의 측정 파형, 평활화 파형 및 분리 파형을 각각 도시하는 도면.

제4도는 본 발명에 의한 K원소의 검량선을 종래 방법과 비교해서 도시하는 도면.

제5도는 X광원 피크에 매립된 Zn원소의 피크를 파형 분리한 상태를 도시하는 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 시료2 : 반도체 검출기

3 : 신호처리장치

본 발명은 형광 X선을 이용한 오염 원소 분석 방법에 관한 것으로, 특히 오염 원소의 특정 및 농도 산출을 정밀하게 할 수 있는 오염 원소 분석 방법에 관한 것이다.

시료(피측정 물체)의 비파괴 원소 분석 방법으로서 종래에는 형광 X선을 이용한 원소 분석 방법이 사용되어 왔다. 또 그 감도 향상을 위해 전반사 형광 X선 분석 방법이 개발되어 반도체 공정에서의 오염 관리에의 적용이 검토되고 있다.

전반사 형광 X선 분석 방법중에서도 에너지 분산형 형광 X선 분석 방법은 광범위한 에너지 영역의 스펙트럼을 측정할 수 있어서 시료 바로 위에 배치된 단일 반도체 검출기(SSD)로 다원소를 동시에 측정하는 것이 가능하다. 또 에너지 분산형 형광 X선 분석 방법은 결정 분광을 행할 필요가 없기 때문에 시료와 SSD를 근접시킬 수 있어서 예를 들면 파장 분산형 형광 X선 분석 방법에 비해 고감도의 분석을 기대할 수 있다.

종래의 에너지 분산형 형광 X선 분석 방법에서는 오염 원소 농도가 높은 경우에는(∼10¹¹atoms/cm²), 형광 X선의 측정 파형중에 있어서 원소 피크와 원소의 이탈 피크(escape peak)와의 식별도 용이하고, 원소 농도를 구하기 위한 적분 강도 산출에 관련된 적은 처리가 가능해진다.

그러나 에너지 분산형 형광 X선 분석 방법으로써 반도체 공정 분야에서 요구되는 10⁸∼10⁹atoms/cm²레벨의 오염 원소를 정량화한 경우 다음과 같은 문제가 발생한다. 즉,

(1) 본래의 총 카운트수가 낮아서 오염 원소 농도가 낮으면 형광 X선의 측정 파형에서 원소 피크가 배경(background)에 묻혀버려서 피크 식별이 매우 곤란해진다.

(2) 원소 피크의 존재를 식별할 수 있어도 원소의 이탈 피크와의 분리가 곤란한 경우가 있어서, 적분 강도 산출시 오차 요인으로 된다. 또 이 원소의 이탈 피크는 1차 X선 강도 및 오염량 등에도 의존하기 때문에 정량화해서 피드백하기가 곤란하다.

(3) 반도체 공정에서는 피측정 물체인 시료가 Si로 이루어지고, Mg, Al등과 같이 Si와 원소 번호가 가까운 원소의 피크 식별은 오염 농도와 무관하게 곤란하다. 또 Si-Kα의 정수배의 에너지 위치에 합산 피크(sum peak)가 존재해서 방해 피크로 된다.

(4) 고감도화를 도모하기 위해서 X선 광원에는 회전쌍 음극을 탑재해서 파워 향상을 실현하는 경우가 많다. 이 경우 1차 X선의 컴프턴 산란 효과(Compton effect)도 커서 오염 원소의 피크가 가려지는 경우가 있다. 예를 들면 천이 금속에 대한 여기 효율이 높은 X선원의 W-Lβ₁에서는 Zn의 피크 식별이 곤란한 경우가 많다.

본 발명은 이와 같은 점을 고려하여 이루어진 것으로, 오염 원소의 특성 및 그 농도 산출을 정밀하게 할 수 있는 형광 X선을 이용한 오염 원소 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 오염 원소를 포함하는 피측정 물체로부터 얻어진 형광 X선의 측정 파형에 대해 평활화 미분 처리를 행하여 측정 파형의 피크를 검출하는 단계, 측정 파형의 각 피크마다 초기 파라메터를 변수로 한 모델 함수를 준비하고, 이 모델 함수의 선형합에 의해 모델 파형을 구성하는 단계, 모델 파형과 측정 파형의 잔차(remainder)의 제곱의 합이 최소로 되도록 비선형 최적화 처리해서 각 모델 함수의 초기 파라메터를 결정해서 분리 파형을 구하는 단계, 각 분리 파형에 기초해서 대응하는 오염 원소를 측정함과 동시에, 특정한 오염 원소마다 분리 파형의 적분 강도를 구하는 단계, 오염 원소를 포함하지 않는 비오염 물체에서의 형광 X선의 측정 파형에 기초해서 배경 강도를 구하고, 오염 원소마다 분리 파형의 적분 강도에서 배경 강도를 감산해서 각 오염 원소의 농도를 구하는 단계로 이루어지는 오염 원소 분석 방법이다.

본 발명에 따르면 비선형 최적화 처리에 의해 구한 분리 파형에 따라 용이하게 오염 원소를 특정할 수 있다. 이 오염 원소의 적분 강도에서 배경 강도를 감산함으로써 각 오염 원소의 농도를 정밀하게 구할 수 있다. 이하 도면을 참조해서 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 제1도 내지 제5도는 본 발명에 의한 오염 원소 분석 방법의 한 실시에를 도시하는 도면이다.

제2도에서 먼저 에너지 분산형 형광 X선 분석 장치를 개략적으로 설명한다. 제2도에서 Si로 이루어지는 반도체 웨이퍼 등의 시료 1(피측정 물체)에 대해 X선이 조사되고, 시료 1에서 발생하는 형광 X선이 반도체 검출기(2)(SSD)에 의해 검출된다. 반도체 검출기(2)에는 자신에서 출력되는 전기 신호를 처리하는 신호처리장치(3)이 접속되어 있다.

다음에 에너지 분산형 형광 X선 분석 장치를 이용한 오염 원소 분석 방법에 대해 제1도 및 제2도에 의해 설명한다.

먼저 오염 원소를 포함하는 시료 1에 대해 X선을 조사하고 시료 1에서 발생하는 형광 X선을 반도체 검출기(2)로서 검출한다. 다음에 신호 처리 장치(3)으로 형광 X선의 측정 파형이 입력된다.

이 형광 X선의 측정 파형에 대해, 신호처리장치(3)에서 다음과 같은 신호 처리가 행해진다. 제1도에 도시하는 바와 같이, 우선 측정 파형에 대해 평활화하는 경우의 처리 점수는 채널(측정 파형의 가로축의 각점)의 에너지 폭 및 에너지 분해능을 고려해서 5점으로 실시한다. 다음에 미분 파형에서 0점을 검출하고 이것을 측정 파형의 피크 후보로 한다.

다음에 측정 파형의 각 피크마다 모델 함수, 예를 들면 가우스 함수를 준비하고, 각 가우스 함수의 선형합으로 모델 파형을 구성한다. 이 경우 각 가우스 함수는 에너지 위치 u, 피크 높이 h 및 반값 반폭 w를 초기 파라메터로 하고 이들 초기 파라메터는 각 가우스 함수의 변수로 된다.

각 가우스 함수의 에너지 위치 u는 측정 파형 데이타의 각 피크에 대응한 채널 번호 i로부터 대략 결정된다. 또 피크 높이 h는 측정 파형의 피크로부터 대략 설정되고, 또 반값 반폭 w는 3차 미분이 0으로 되는 점을 구하고 이것에 기초해서 대략 설정된다.

다음에 측정 파형의 피크 수만큼 준비한 가우스 함수의 선형합에 의해 구성되는 모델 파형과 측정 파형과의 잔차 제곱의 합이 최소로 되도록 비선형 최적화 처리해서 상기 초기 파라미터를 결정하고, 각 가우스 함수의 분리 파형을 구한다. 즉, 모델 파형 z(i,p)와 관측 파형 y(i)와의 잔차 제곱의 합을 목적 함수 e(p)로서 이하와 같이 정의한다.

e(l)=Σ{z(i,p)-h(i)}²

여기에서

이 목적 함수 e(p)이 최소로 되는 벡터 함수 p를 단체법(simplex법)을 이용한 선형 최적화법으로 구한다. 또 단체법 대신 다른 방법을 이용해도 좋다.

다음에 비선형 최적화 처리로 구한 각 가우스 함수의 분리 파형의 에너지 위치와 각 원소의 kαX선 피크 위치를 순차로 비교한다. 이때, 케미컬 쉬프트를 고려해서 일정의 마진을 설정하여 비교하고, 원소의 KαX성 피크 위치에 대응한 가우스 함수가 발견된 경우, 이 가우스 함수를 당해 원소(오염 원소)로서 특정한다. 또, 대응하는 원소가 없는 피크는 이탈 피크, 합산 피크, 배경 노이즈로서 특정해간다. 다음에 각 원소에 대응하는 가우스 함수의 적분 강도(면적)을 구한다. 이 경우, 가우스 함수에 대해 ±4w 범위에서 적분한다. 여기서 w는 가우스 함수의 반값 반폭이다.

각 원소에 대응한 가우스함수의 적분 강도에는 배경이 포함되어 있다. 이 때문에 미리 오염 원소를 포함하지 않는 생(生) 반도체 웨이퍼(Si만의 반도체 웨이퍼)에서의 형광 X선의 측정 파형에 기초해서 배경 강도를 구할 수 있고, 이 값을 표(table)로 보관해둔다. 다음에 이 표에서 배경 강도를 추출하고, 각 원소에 대응한 가우스 함수의 적분 강도로부터 배경 강도를 감산한다. 이 값이 각 원소의 농도로 된다.

또 상기 실시예에 있어서, 모델 함수로서 가우스 함수를 이용한 예를 도시했으나 이것에 한하지 않고 로렌쯔 함수를 이용해도 좋다.

다음에 본 발명의 실시예를 제3도 내지 제5도를 이용해서 설명한다. 여기서 제3도(a)는 형광 X선의 측정 파형을, 제3도(b)는 측정 파형에 대해 5점 평활화한 평활화 파형을, 제3도(c)에 비선형 최적화 처리후의 분리 파형을 도시한다. 제3도에서 각 파형의 가로축은 에너지 영역에 대응하고, 그 크기는 2.81-3.92keV로 되어 있다.

제3도(a)에 있어서, 측정 파형 중의 Si-kα의 합산 피크의 방해가 현저해지기 때문에 오염 원소의 피크가 불명확해지고, 측정 파형만으로는 적분 강도의 산출이 곤란하다. 그러나 제3도(c)에 도시하는 분리 파형에 따르면 Ti이탈(Ti-Si), K-kα(k), Si-kα의 합산 피크(Si 합산 피크) 및 Ca-lα(Ca)의 피크를 명확히 판별할 수 있다. 특히 제3도(c)의 화살표로 도시하는 바와 같이 K원소의 피크를 명확히 판별할 수 있다.

또 Ti 이탈은 다음과 같이해서 발생하는 피크이다. 즉 시료로 되는 Si반도체 웨이퍼 중에 오염 원소로서 Ti가 포함되어 있는 경우, X선 조사에 의해 반도체 웨이퍼로부터 Ti의 형광 X선이 발생하고, Ti의 형광 X선이 반도체 검출기(SSD)로 입사된다. SSD는 보통 Si로 형성되고, Ti의 형광 X선 입사에 의해 SSD에서 Si의 형광 X성분이 나오는 경우가 있다. 따라서 SSD에 있어서는 입사하는 Ti만큼의 에너지로부터 나오는 Si만큼의 에너지를 감산한 값이 검출되게 되고 이것이 Ti 이탈로 된다. 또 Si 합산 피크는 Si 원소의 KαX선 피크 위치에 대해 2배, 3배…등 정수배한 위치에 나타나는 피크이다.

다음에 제4도에 의해 본 발명의 방법으로 K 원소 농도를 구한 경우와 종래 방법으로 K 원소 농도를 구한 경우를 각각 비교해서 도시한다. 제4도에 도시하는 바와 같이 본 발명의 방법의 경우(○ 표시), 적분 강도와 원소 농도는 잘 대응해서 양호한 검량선이 얻어진다. 그러나 종래 방법의 경우(× 표시), 저농도로 될 수록 원소 농도에 대해 적분 강도가 크게 산란되기 때문에 정량화가 곤란해진다.

다음에 제5도에 의해 Zn원소의 피크가 X선광원인 W-Lβ₁피크에 매립된 경우의 피크 분리 결과를 도시한다. 제5도(a)는 Zn 원소가 매립된 측정 파형을, 제5도(b)는 5점 평활화 파형을, 제5도(c)는 비선형 최적화 처리 후의 분리 파형을 도시한다. 제5도(c)의 화살표로 나타내는 바와 같이 종래 방법으로는 식별이 곤란한 Zn원소의 피크도 명확히 판별가능하다.

이상 상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 방해 피크와의 분리가 곤란한 저농도 영역에 있어서도 오차없이 오염 원소의 농도를 정밀하게 구할 수 있다. 또 1차 X선의 컴프턴 산란에 의해 오염 원소의 피크가 은폐된 경우에서, 오염 원소를 명확히 특정할 수 있다. 또 Si-Kα의 피크 근방의 오염 원소를 확실히 분석할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 오염 원소를 용이하고 확실하게 특정할 수 있음은 물론 각 오염 원소의 농도를 정밀하게 검출가능할 수 있다.

Claims (1)

1. 오염 원소를 포함하는 피측정 물체로부터 얻어진 형광 X선의 측정 파형에 대해 평활화 미분 처리를 행하여 측정 파형의 피크를 검출하는 단계, 측정 파형의 각 피크마다 초기 파라메터를 변수로한 모델 함수를 준비하고 이 모델 함수의 선형합에 의해 모델 파형을 구성하는 단계, 모델 파형과 측정 파형의 잔차의 제곱합이 최소로 되도록 비선형 최적화 처리해서 각 모델 함수의 초기 파라메터를 결정해서 분리 파형을 구하는 단계, 각 분리 파형에 기초해서 대응하는 오염 원소를 특정함과 동시에 특정한 오염 원소마다 분리 파형의 적분 강도를 구하는 단계, 및 오염 원소를 포함하지 않는 비오염 물질로부터 형광 X선의 측정 파형에 기초해서 배경 강도를 구하고 오염 원소마다 분리 파형의 적분 강도로부터 배경 강도를 감산해서 각 오염 원소의 농도를 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 오염 원소 분석 방법.