KR0172623B1 - 오염 원소 농도 분석 방법 및 장치 - Google Patents

오염 원소 농도 분석 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

검량선을 이용하지 않고 오염 원소의 피파괴 분석을 행할 수 있는 에너지 분산형 전반사 형광 X선 분석을 이용한 오염 원소 농도 분석 장치를 제공한다.
기판 표면에서 X선을 전반사시켰을 때 발생하는 형광 X선을 검출하는 형광 X선 검출 회로(46)와, 형광 X선 검출 회로(46)에서 검출된 형광 X선의 파형을 입력해서 기판에서 발생한 형광 X선의 피크와 오염물 원소에서 발생한 형광 X선의 피크를 분리하는 피크 분리 회로(12)와 피크 분리 회로(12)에서 분리된 피크를 입력해서 기판에서 발생한 형광 X선의 피크 적분 강도 I0및 오염물 원소에서 발생한 형광 X선의 피크의 적분 강도 I를 산출하는 적분 강도 산출 회로(13)와, 적분 강도 산출 회로(13)로부터 적분 강도 I0와 I를 입력해서 오염 원소 농도 N=N0(n0/I0)ㆍ(I/n) (N0은 기판의 표면 농도, n0는 기판의 형광 수율, n은 오염물의 형광 수율)을 산출하는 오염 원소 농도 산출 회로(14)를 구비한다.

Description

오염 원소 농도 분석 방법 및 장치
제1도는 본 발명의 하나의 실시예에 관한 오염 원소 농도 분석 장치에서의 검출기 및 연산 처리 회로의 구성을 도시한 블록도.
제2도는 제1도에 도시한 적분 강도 산출 회로에서의 적분 방법을 설명하기 위한 개념적인 그래프.
제3도는 제1도에 도시한 오염 원소 농도 분석 장치에 의한 농도 분석과 WSA 및 원자 흡광 분석을 이용하여 행한 농도 분석의 정밀도의 비교를 위한 그래프.
제4도는 종래의 오염 원소 농도 분석 장치의 하나의 구성예를 도시한 개념도.
제5도는 제4도에 도시한 펄스 프로세서의 출력 파형을 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 디컨벌루션 처리 회로 12 : 피크 분리 회로
13 : 적분 강도 산출 회로 14 : 오염 원소 농도 산출 회로
46 : 검출기 47 : 펄스 프로세서
48 : 연산 처리회로
본 발명은 에너지 분산형 전반사 형광 X선 분석을 이용하여 예를 들면 반도체 기판(基판) 등의 오염 원소 농도를 측정하는 오염 원소 농도 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래, 비파괴형 오염 원소 농도 분석 장치로서 전반사 형광 X선 분석을 이용한 것이 알려져 있다(시마자끼 아야꼬, 미야자끼 구니히로; 니께이 마이크로 디바이스 1992년 8월호, No.86, pp.148 참조). 또, 전반사 형광 X선 분석을 이용한 오염 원소 농도 분석 장치로서는 에너지 분산형 장치나 파장 분산형 장치가 알려져 있다.
이와 같은 전반사 형광 X선 분석을 이용한 오염 원소 농도 분석 장치를 사용함으로써 오염 원소 농도의 분석을 비파괴로 행할 수 있으므로, 실리콘 웨이퍼의 오염에 대한 관리를 반도체 제조 공정 중에 행할 수 있게 되고, 이러한 오염의 저감을 도모하는 데 유효하다.
제4도는 에너지 분산형 전반사 형광 X선 분석을 이용한 오염 원소 농도 분석 장치의 하나의 구성예를 도시한 개념도이다.
같은 도면에 있어서, 진공 챔버(41)내에는 시료대(42)가 설치되어 있고, 이 시료대(42) 위에는 시료(여기서는 실리콘 웨이퍼; 43)가 놓여 있다. 그리고, 회전쌍 음극형 X선원(線源; 44)에서 발생한 X선이 모노크로미터(45)에서 단색화되며, 슬릿(49)을 통과하여 전반사하는 것과 같은 각도로 시료(43)에 조사된다. 이에 의하여, 상기 시료(43)의 표면에서 형광 X선이 발생된다. 이 형광 X선은 검출기(예를 들면, 반도체 검출기; 46)에서 검출되고 전기 신호로 변환된다. 이와 같이하여 검출된 형광 X선의 신호를 펄스 프로세서(47)에서 처리함으로써 제5도에 도시한 바와 같은 관측 파형을 얻을 수 있다. 제5도에서, 횡축은 검출된 형광 X선의 에너지, 종축은 형광 X선의 강도[검출기(46)에 입사된 광자수에 따른 상대적인 강도]이다. 같은 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 그래프의 관측 파형은 실리콘 웨이퍼(43)에 함유되는 원소(실리콘 및 오염 원소)마다 피크를 갖고 있다. 또, 각 피크의 적분 강도(피크 부분의 면적에 상당함)는 해당 원소의 농도에 비례하고 있다.
연산 처리 회로(48)는 형광 X선의 적분 강도와 농도의 관계를 도시한 정보를 오염 원소마다 기억하고 있다. 이 정보는 일반적으로「검량선」이라 불린다. 그리고, 연산 처리 회로(48)는 펄스 프로세서(47)로부터 입력된 관측 파형(제4도 참조)에서 농도 검출을 행하는 오염 원소의 피크를 분리해서 적분 강도를 산출하고, 이 적분 강도와 검량선에 의해 오염 원소 농도를 구한다.
여기서, 상기 검량선은 해당하는 오염 원소의 농도와 형광 X선 강도 분포(제4도 참조)를 실제로 측정함으로써 작성하고 있다. 즉, 소정의 오염 원소의 농도를 측정함과 동시에 이와 동일한 시료의 형광 X선 분포(제4도 참조)를 검출하여 해당하는 피크의 적분 강도를 산출하고, 이 농도와 적분 강도의 관계를 그래프(종축이 농도이고 횡축이 적분 강도)에 플롯함으로써 검량선을 작성하고 있다. 여기서, 오염 원소의 농도의 측정은 예를 들면, WSA(Wafer Surface Analysis) 및 원자 흡광 분석(AAS; Atomic Absorption Spectromertry; A. Simazaki, ECS Proceedings, Defects in Silicon Ⅱ, Ed. M. Bullis et al., pp. 47, 1991참조)을 이용한 파괴 분석으로 행할 수 있다.
그러나, 제4도에 도시한 바와 같은 종래의 오염 원소 농도 분석 장치에서는 검량선의 작성을 오염 원소마다 행할 필요가 있으므로, 검량선의 작성에 시간과 노력이 든다는 결점이 있었다.
또, 원자 흡광 분석에서는 단일 원소마다의 농도 측정밖에 할 수 없으므로, 다종류의 오염 원소에 관해 검량선의 작성을 행하는 경우에는 WSA에 의한 회수 용액을 분할해서 사용할 필요가 있다. 이 때문에 저농도(109atoms/㎠이하)의 경우에 측정 결과의 변동이 발생할 가능성이 있으므로, 정밀도가 양호한 검량선을 얻기 위해서는 플롯수를 늘려야만 하고, 이 점에서도 검량선 작성에 시간과 노력이 들었다.
또한, 검출기(46)가 검출하는 형광 X선의 강도는 상대적인 값이므로, 이 강도의 적분치와 농도의 관계는 광학계가 변경되면 변화한다. 따라서, 종래의 오염 원소 농도 분석 장치에서는 장치의 수리 등에서 광학계가 변경된 경우에 검량선을 다시 작성해야 한다는 결점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 결점을 감안하여 구성된 것으로, 검량선을 이용하지 않고 오염 원소의 피파괴 분석을 행할 수 있는 오염 원소 농도 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 오염 원소 농도 분석 장치는 에너지 분산형의 전반사 형광 X선 분석을 이용하여 기판 표면의 오염 원소 농도를 측정하는 오염 원소 농도 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 오염 원소 농도 분석 장치는 에너지 분산형의 전반사 형광 X선 분석을 이용하여 기판 표면의 오염 원소 농도를 측정하는 오염 원소 농도 분석 장치에 있어서, 상기 기판 표면에서 X선을 전반사시켰을 때 발생하는 형광 X선을 검출하는 형광 X선 검출 수단과, 상기 형광 X선 검출 수단에서 검출된 상기 형광 X선의 파형을 입력하고, 이 파형으로 부터 상기 기판에서 발생한 상기 형광 X선의 피크 및 상기 오염물 원소에서 발생한 상기 형광 X선의 피크를 분리하는 피크 분리 수단과, 상기 피크 분리 수단에서 분리된 상기 피크를 입력하고, 상기 기판에서 발생한 상기 형광 X선의 피크의 적분 강도 I0및 상기 오염물 원소에서 발생한 상기 형광 X선의 피크의 적분 강도 I를 산출하는 적분 강도 산출 수단과, 이 적분 강도 산출 수단으로부터 상기 적분 강도 I0와 I를 입력하고, 오염 원소 농도
N=N0ㆍ(n0/I0)ㆍ(I/n)
N0; 상기 기판의 표면 농도
n0; 상기 기판의 형광 수율
n ; 상기 오염물의 형광 수율
를 산출하는 오염 원소 농도 산출 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명자는 기판의 표면 농도 N0(atoms/㎠)와 기판 중의 오염 원소의 농도 N이
N(n/I)=N0ㆍ(n0/I0)
I0: 기판에서 발생한 형광 X선의 적분 강도
I : 오염물 원소에서 발생한 상기 형광 X선의 피크 적분 강도
n0: 상기 기판의 형광 수율
n : 상기 오염 원소의 형광 수율
이라는 관계를 갖고 있다는 것을 새롭게 발견하였다.
여기서, 기판의 표면농도 N0는 결정 구조와 방위를 알고 있으면 계산에 의해 구할 수 있고, 기판 및 오염 원소의 형광 수율 n0와 n도 원자 번호를 알고 있으면 계산에 의해 구할 수 있다.
따라서, 형광 X선 검출 수단에서 형광 X선의 파형을 검출하고, 피크 분리 수단에서 이 파형으로부터 기판에서 발생한 형광 X선의 피크와 오염물 원소에서 발생한 형광 X선의 피크를 분리하며, 이들 피크의 적분 강도 I0와 I를 적분 강도 산출 수단에서 산출하고, 이 적분 강도 I0와 I를 오염 원소 농도 산출 수단에 입력해서 상기 식의 연산을 행함으로써 오염 원소 농도 N을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 한 실시예에 관해 실리콘 웨이퍼(100)면의 오염 원소를 분석하는 경우를 예를 들어 설명한다.
본 실시예에 관한 오염 원소 농도 분석 장치의 구성은 연산 처리 회로(48)에서 실행되는 연산 처리 내용이 제4도에 도시한 종래의 장치와 다르다.
제1도는 본 실시예에 관한 오염 원소 농도 분석 장치에서의 검출기 및 연산 처리 회로의 구성을 도시한 블록도이다.
실리콘 웨이퍼(43; 제1도 참조 ; 본 발명의 「기판」에 해당함)의 표면에서 발생한 형광 X선은 제1도에 도시한 예를 들면 반도체 검출기 등의 검출기(본 발명의 「형광 X선 검출 수단」에 해당함; 46)에 입사된다. 검출기(46)는 입사된 형광 X선을 전기 신호로 변환시켜서 출력한다. 이 전기 신호는 펄스 프로세서(47)에 입력되어 종래와 같은 관측 파형(제4도를 참조)을 얻을 수 있다.
상기 관측 파형은 연산 처리 회로(48)내의 디컨벌루션 처리 회로(11)에 입력되어 디컨벌루션 처리가 행해진다. 이로써, 상기 관측 파형의 왜곡을 개선할 수 있다. 상기 디컨벌루션 처리는 예를 들면 검출기(46)의 에너지 분해능 등을 기초로 하는 장치 함수를 이용해서 가우스 함수에 의한 근사 연산을 실행함으로써 행할 수 있다.
디컨벌루션 처리가 행해진 관측 파형은 피크 분리 회로(12)에 입력된다. 이 피크 분리 회로(12)는 입력된 관측 파형으로부터 실리콘의 피크 및 농도 검출의 대상이 되는 오염 원소의 피크를 분리시킨다. 피크 분리 방법으로서는, 예를 들면 비선형 최적화법을 이용해서 해당 피크를 가우스 함수로 근사하는 방법이 있다.
이와 같이하여 분리된 각 피크의 정보는 적분 강도 산출 회로(13)에 입력된다. 이 적분 강도 산출 회로(13)는 실리콘 피크의 적분 강도 I0및 오염 원소의 피크의 적분 강도 I를 산출한다. 이 적분 강도 I0와 I는 예를 들면 제2도에 도시한 바와 같이 해당 피크가 극대치를 취하는 위치 E0로부터 ±4σ(σ는 반값 반폭; 半値 半幅)의 범위에 대하여 적분을 행함으로써 산출된다. 그리고, 산출된 적분 강도 I0, I는 오염 원소 농도 산출 회로(14)로 보낸다.
오염 원소 농도 산출 회로(14)는 연산부 및 기억부(모두 도시하지 않음)를 구비하고 있다. 기억부는 미리 산출된 실리콘 웨이퍼의 표면 농도 N0, 실리콘 웨이퍼의 형광 수율 n0및 오염 원소의 형광 수율 n을 기억하고 있다.
여기서, 실리콘의 (100)면은 면심입방 격자로서, 각 유니트 셀에 관해서 최표면 원자는 2개, 최근접 원자 간 거리(2.35Å)내의 원자는 2개, 격자 정수는 5.431Å이므로,
N0=4/(5.431×10-8)2=1.355×1015(atoms/㎠)가 된다.
또, 원자 번호를 z로 하면, 형광 수율η(n0또는 n)은
η=(a+bz+cz3)4/{1+(a+bz+cz3)4}
a=-0.038
b=0.034
c=-0.116×10-6
에서 부여 된다[J.W.Robinson : Handbook of Spectroscopy, Vol. 1, CRC Press(1974) 참조]. 예를 들면, 실리콘의 형광 수율 n0는 0.047이 되고, 오염 원소의 형광 수율 n은 Fe의 경우는 0.347, Ni의 경우는 0.414이다.
오염 원소 농도 산출 회로(14)의 연산부(도시하지 않음)는 적분 강도 산출 회로(13)로부터 적분 강도 I0와 I를 입력함과 동시에 기억부(14b)로부터 기억 데이터 N0, n0및 n을 입력하고, 연산
N=N0ㆍ(n0/I0)ㆍ(I/n)
을 실행함으로써 오염 원소의 표면 농도 N을 산출한다.
제3도는 본 실시예에 관한 오염 원소 농도 분석 장치에 의한 농도 분석과 WSA 및 원자 흡광 분석을 이용해서 행한 농도 분석의 정밀도의 비교를 위한 그래프로서, 종축은 본 실시예에 의해 분석된 농도, 횡축은 WSA 및 원자 흡광 분석을 이용해서 분석한 농도이다. 같은 도면에서, 흑점은 오염물 원소가 Fe인 경우이고, 백점은 오염물 원소가 Ni인 경우이다.
같은 도면에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 의한 농도 분석 결과와 WSA 및 원자 흡광 분석을 이용한 농도 분석 결과는 매우 양호한 정밀도로 일치하고 있고, 이 상관성은 109atoms/㎠ 이하로도 유지된다. 이에 의하여, 본 실시예의 오염 원소 농도 분석 장치에서도 종래의 오염 원소 농도 분석 장치와 같은 정밀도의 농도 분석 결과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서는 실리콘 적분 강도 I0도 그 때마다 구하였다. 이 때문에 예를 들면 시료대(42; 제4도 참조)의 위치가 어긋남에 따라 측정 조건에 변동이 생겨도 I0와 I의 비는 변화하지 않으므로, 측정 오차의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 실리콘의 (100)면의 농도 분석을 행하는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 다른 면이나 다른 재료 기판의 농도 분석도 마찬가지로 하여 행할 수 있는 것은 물론이다.
또, 본 실시예에서는 본 발명의 피크 분리 수단, 적분 강도 산출 수단, 오염 원소 농도 산출 수단 및 디컨벌루션 처리 수단을 회로로 구성한 경우를 예를 들어 설명했으나, 연산 처리 회로(48)로서 마이크로프로세서를 사용하고, 이들 각 수단의 일부 또는 전부를 소프트웨어로 구성해도 되는 것은 물론이다.
또한, 본원 청구 범위의 각 구성 요건에 병기한 도면 참조 부호는 본원 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 본원 발명의 기술적 범위를 도면에 도시한 실시예에 한정하는 의도로 병기한 것은 아니다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 오염 원소 농도 분석 장치에 따르면 검량선을 이용하지 않고, 종래와 같은 정밀도로 오염 원소의 피파괴 분석을 행할 수 있다.
또, 기판 자체의 농도 분석도 그때마다 하였으므로, 측정 조건의 변동에 동반한 측정 오차를 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 에너지 분산형 전반사 X선 분석에 기초하여 기판 표면의 오염 원소 농도를 분석하는 방법에 있어서, 피분석 기판 상에 소정의 입사 각도로 X선을 조사하는 단계; 상기 조사된 X선이 상기 피분석 기판 표면으로부터 전반사될 때 원소들에 의해 발생되는 형광 X선을 검출하여 관측 파형을 획득하는 단계; 비선형 최적화법에 따라서 상기 기판의 원소의 피크와 피분석 오염 원소들의 피크들을 서로 분리하는 단계; 상기 기판 원소의 피크와 피분석 오염 원소들의 피크들을 서로 구별하여 상기 기판 원소 피크의 적분 강도 I0및 오염 원소 피크들의 적분 강도 I를 획득하는 단계; 해당 원소들에 대응하는 원자 번호들에 기초하여 상기 기판 원소의 형광 수율 n0와 오염 원소들의 형광 수율 n을 각각 계산하는 단계; 및 상기 계산된 적분 강도 I0와 I, 형광 수율 n0와 n, 및 기판 표면 오염 원소 농도 N0에 기초하고, 수학식 N=N0ㆍ(n0/I0)ㆍ(I/n)에 따라서, 상기 피분석 오염 원소들의 표면 원자 농도들을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 원소 농도 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피크들을 분리하기 전에, 형광 X선 검출기의 에너지 분해능에 기초하여 설정된 장치 함수를 이용하여 상기 파형에 대하여 디컨벌루션(de-convolution)처리를 실행하여 파형 왜곡을 개선하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 원소 농도 분석 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적분 강도 I0와 I는 극대값의 ½되는 지점의 파형폭의 반(σ)의 4배(four half widths of half maximum)의 범위에 대하여 적분을 수행함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는 오염 원소 농도 분석 방법.
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