激光诱导击穿光谱应用于硅片中金属元素的扩散分析

摘要

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一种全元素分析技术。基于LIBS的应用研究近年来仍然为人们所广泛关注,目前该技术在工业生产、环境监测、生物医药、等领域都得到了广泛的应用。　　在半导体行业,晶体管的制造通常是利用金属沉积于硅片表面。在形成晶体管的过程中,金属经常容易扩散入硅片,这可能导致弱化晶体管的电子性能甚至导致晶体管的损坏。硅芯片的分析一般在制造过程结束时,分析过程总是需要几天的时间,并且需要一系列复杂的样品制备。不符合标准的硅芯片意味着要被淘汰,从而导致了时间和材料的浪费。目前,国内并没有高效的硅材料分析方法和标准。LIBS技术自身具有快速,高效,多种成分同时检测等诸多优点,因此,利用LIBS技术准确判定硅中金属的扩散程度,建立行之有效的测试方法,具有重要的意义。　　由于在之前的工作中,硅中磷(P)、氧(O)含量是在真空环境下利用LIBS测得的。检测环境要求苛刻,通用性不强。因此,此次检测是在大气环境下实现的。由于LIBS技术在大气环境下存在很多影响其精度的因素,本文首先就环境气压对检测的影响进行了实验分析。实验表明,气压的变化会影响等离子体的温度,进而影响检测样品离子峰与原子峰的强度比例。不仅如此,气压的微弱变化也会影响激光诱导击穿光谱定量测试的精度。　　此后,我们改善了检测环境气压的稳定性,利用LIBS系统检测硅片中金属的扩散情况。实验制备了带有铝(Al)、锡(Sn)、锰(Mn)、锗(Ge)金属薄膜的硅片,并利用高温使金属元素向硅片内部扩散。实验中详细分析了Al-Si样品中Al元素的扩散深度情况,其次就其他3种样品进行了LIBS元素扩散检测,并针对几种金属的检测效果分析了LIBS对硅片中金属扩散检测的适用性。　　在Al-Si样品的测试中,由于EDS能谱仪的检测限低,使用EDS电子能谱几乎无法分辨三种样品在硅片更深位置的浓度区别。相反,利用激光诱导击穿光谱仪就能清楚的分辨。实验结果表面LIBS技术更加适用于Al在硅片中的扩散分析。　　实验还分析了金属Sn、Mn、Ge在不同退火温度下在硅片中的扩散情况。从实验结果来看,Sn-Si样品的测试效果良好,能明显区分不同深度的元素浓度差别。然而,Mn-Si样品的测试则不理想,测试几乎检测不出差别。对于Ge-Si样品的测试,尽管特征谱中能分辨的特征峰很少,但是在深度分布测试中,也能有一定的分辨率。最后就几种样品的检测结果,对LIBS技术在硅中金属浓度检测的应用进行了适用性分析。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 激光诱导击穿光谱技术发展历史

1.3 激光诱导击穿光谱技术特点

1.4 激光诱导击穿光谱技术的应用

1.5 本课题的研究意义及内容

第2章 激光诱导击穿光谱原理

2.1 激光诱导击穿光谱系统整体原理

2.2 激光诱导等离子体形成理论

2.3 激光诱导等离子体形态

2.4 激光诱导等离子体的参数

2.5 激光诱导原子发射光谱

2.6 激光诱导击穿光谱检测方法

2.7 本章小节

第3章 实验设计

3.1 样品制备

3.2 实验仪器与设备

3.3 实验方法

3.4本章小节

第4章 环境气压对激光诱导击穿光谱的影响

4.1 前言

4.2 测试说明

4.3 实验结果和讨论

4.4 本章小节

第5章 硅片中铝元素的扩散浓度检测

5.1 样品的制备

5.2 样品的表征

5.3 样品检测方法

5.4 样品的晶体结构和形貌

5.5 EDS扫描结果

5.6 实验测试结果

5.7 本章小节

第6章 硅片中其他金属的扩散浓度检测

6.1 硅片中锡元素的检测

6.2 硅片中锰元素的检测

6.3 硅片中锗元素的检测

6.4 本章小节

第7章 结论与展望

参考文献

致谢

附录