專利名稱：用于分析存在于氣體中的物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物質(zhì)分析方法，更具體地涉及一種分析存在于氣體(例如，空氣)中的物質(zhì)以查找和識別存在于其中的雜質(zhì)的方法，它最好用于評估在通常用于制造半導(dǎo)體器件的凈室中的環(huán)境或空氣。
通常在用于制造半導(dǎo)體器件的凈室中的空氣內(nèi)包含各種對該器件產(chǎn)生不良影響的有機雜質(zhì)。例如，如果某些有機物質(zhì)(即，有機雜質(zhì))附著于一塊單晶硅(Si)晶片上，該所附著的物質(zhì)或雜質(zhì)可能會降低用于形成于硅晶片上的電子元件(如，晶體管)的硅氧化膜(SiO2)的介電強度。另一方面，該附著的物質(zhì)或雜質(zhì)可能會削弱用于光刻工藝中的清潔化學(xué)物的清潔效果，結(jié)果不能夠徹底地清除自然氧化物和/或金屬雜質(zhì)。
通常，可以用如下方式檢測和識別存在于凈室中的空氣內(nèi)的作為通用的硅器件的雜質(zhì)的有機物質(zhì)。
首先，把一種基于樹脂的吸附劑裝入一個吸附管，然后通過適當?shù)谋盟拖到y(tǒng)把在該凈室中的空氣注入該吸附管中，作為樣本。這樣，包含于該注入的樣本空氣中的有機物質(zhì)被吸附劑所吸附和截留。然后，對該吸附管進行加熱，以在約為250℃-300℃的高溫下從該吸附劑中熱還原出所吸附的物質(zhì)。
然后，利用氣體色譜儀和質(zhì)譜儀對該熱還原的有機物質(zhì)進行分析。具體來說，在該吸附管中的熱還原物質(zhì)首先被通過載運氣體送到該氣體色譜儀，并在其中進行物理分離。接著，這樣物理分離后的物質(zhì)被送到質(zhì)譜儀，并進行定性和定量分析。結(jié)果，存在于該樣本氣體中的有機物質(zhì)被識別。
通過上述傳統(tǒng)方法，可以檢測出存在于該樣本氣體中的大量對半導(dǎo)體器件產(chǎn)生不良影響的不期望的有機物質(zhì)。這是因為用于傳統(tǒng)方法中的基于樹脂的吸附劑是由具有幾乎吸附所有存在于氣體中的有機物質(zhì)的特性。因此，從該吸附劑中還原的有機物質(zhì)內(nèi)很可能包含不期望的有機物質(zhì)。
該不期望的有機物質(zhì)在用于檢測對該半導(dǎo)體器件有不良影響的所期望的有機物質(zhì)的分析中是噪聲源。換句話說，該不期望的有機物質(zhì)使得要在該氣體色譜儀中分析的有機物質(zhì)不能夠徹底地進行物理分離，結(jié)果造成在質(zhì)譜儀中的定性和定量分析不正確。
結(jié)果，所產(chǎn)生的問題是不能夠在對該所期望的有機物質(zhì)的分析中獲得滿意的正確結(jié)果。
另外，為了從該吸附劑中有效地?zé)徇€原出所吸附的有機物質(zhì)，則該熱還原溫度最好盡可能地高。但是，由于在傳統(tǒng)方法中采用的基于樹脂的吸附劑通常是由某種有機材料所制成的，則該熱還原溫度必須要設(shè)在相對較低的溫度下，約為250-300℃。
這樣所產(chǎn)生的另一個問題是不能夠按需要的升高熱還原溫度。
相應(yīng)地，本發(fā)明的第一個目的是提供一種能夠提高分析對半導(dǎo)體器件產(chǎn)生某種不良影響的所期望物質(zhì)的正確性的物質(zhì)分析方法。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種可以有選擇地分析所期望的物質(zhì)的物質(zhì)分析方法。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種降低在分析中所產(chǎn)生的噪聲的物質(zhì)分析方法。
本發(fā)明的第四個目的是提供一種增加所吸附物質(zhì)的熱還原溫度的物質(zhì)分析方法。
對于本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)技術(shù)人員來說，從下文的描述中上述目的以及其它未具體說明的目的將變的更加清楚。
根據(jù)本發(fā)明的分析存在于氣體中的物質(zhì)的方法包括以下第一至第三步驟。
在第一步驟中，要被分析的氣體與一種吸附劑相接觸，從而把存在于該氣體中的物質(zhì)吸附到該吸附劑中，該吸附劑由與要被在該氣體中處理的半導(dǎo)體材料相同的材料制成。
在第二步驟中，該吸附劑被加熱，以在特定的熱還原溫度下從該吸附劑中熱還原該所吸附的物質(zhì)。
在第三步驟中，該所吸附的物質(zhì)被通過利用一個分析系統(tǒng)進行分離和識別。
通過本發(fā)明的這種物質(zhì)分析方法，在第一步驟中，要被分析的氣體要與該吸附劑相接觸，從而把存在于該氣體中的物質(zhì)吸附到吸附劑中，該吸附劑由與要被在該氣體中處理的半導(dǎo)體材料相同的材料制成。
因此，每種被吸附到該吸附劑中的物質(zhì)具有與被吸附到要在該氣體中處理的半導(dǎo)體材料中的物質(zhì)相同的特性。
結(jié)果，從該吸附劑中還原的物質(zhì)不包含不對由該半導(dǎo)體材料所制成的半導(dǎo)體器件產(chǎn)生不良影響的不期望的物質(zhì)。這意味著，在第三步驟中，該不期望的物質(zhì)不會被分析系統(tǒng)所分析，并且該不期望物質(zhì)所造成的噪聲被降低或消除。
因此，在第三步驟中，可以有選擇地分析對該半導(dǎo)體器件產(chǎn)生不良影響的所期望物質(zhì)，這樣就提高了對該所期望物質(zhì)分析的準確性。
另外，用于第一步驟中的吸附劑是由與要被在氣體中處理的半導(dǎo)體材料相同材料所制成的。因此，相對于使用基于樹脂的吸附劑的傳統(tǒng)方法來說，在第二步驟中熱還原溫度可以被升高。
在本發(fā)明的方法的最佳實施例中，用于第一步驟中的吸附劑是由硅的顆粒所制成的。這種硅可以是多晶硅、單晶硅、或者無定形硅。在本實施例中，可以明顯地示出本發(fā)明的優(yōu)點，這是因為在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)工藝中硅是非常普通的材料。
最好該吸附劑是由多晶硅的顆粒所制成的，因為在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)工藝中更容易獲得這種材料。
在本發(fā)明的方法的另一最佳實施例中，在第一步驟中，該吸附劑是位于一個中空的耐火管道中的，并且該氣體被注入到該管道中。在該實施例中，該管道最好由石英所制成，因為，石英是具有高熔點并且易于得到的材料。
在本發(fā)明的方法的又一實施例中，在第三步驟是通過利用氣體色譜儀所進行的。在該實施例中，最好在第三步驟采用質(zhì)譜儀作為用于該氣體色譜儀的檢測器。
在本發(fā)明的方法的再一實施例中，該要被分析的氣體是存在于用于制造半導(dǎo)體器件的凈室中的氣體。在該實施例中，可以明顯地展示出本發(fā)明的優(yōu)點。最好該物質(zhì)是有機物質(zhì)，因為有機物質(zhì)易于對該半導(dǎo)體器件造成不良影響。為了使本發(fā)明易于實現(xiàn)，現(xiàn)在將參照附圖進行描述。


圖1是該吸附管的截面示意圖，其中示出在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的物質(zhì)分析方法中，把存在于該樣本氣體中的有機物質(zhì)吸附到裝于該吸附管內(nèi)的吸附劑上的過程。
圖2是示出用于根據(jù)本發(fā)明的實施例的物質(zhì)分析方法的分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。
下面將參照附圖對本發(fā)明的最佳實施例進行具體描述。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的物質(zhì)分析方法中，存在用于制造硅器件的凈室內(nèi)的氣體被用作為一個樣本。換句話說，在本方法中，該凈室氣體被用作為一個樣本。因此，作為樣本的凈室氣體可以被稱為“樣本氣體”。
采用圖1中所示的中空的吸附管1來截留在該樣本氣體中的有機物質(zhì)。該管道1具有帶著兩個開口端的圓筒形狀，其中包含作為吸附劑的多晶硅顆粒1a。在此，該顆粒1a具有1μm的直徑。但是，如果能夠提供足夠大的表面積(即，吸附面積)，還可以采用除了具有約為1μm的直徑外的其它直徑的顆粒1a。
兩個凸起1b形成于接近管1的兩端的內(nèi)表面上。該多晶硅顆粒1a固定于由該凸起1b所隔開的管1的中間部分內(nèi)。
通過利用真空泵(未示出)或類似的裝置，從其中一個開口端把樣本氣體導(dǎo)入該吸附管1中，然后所導(dǎo)入的氣體被從另一個開口端放出。在這一過程中，包含于該樣本氣體中的有機物質(zhì)被吸附到作為吸附劑的多晶硅顆粒1a上。這樣，在該樣本氣體中的有機物質(zhì)被截留。
在此，這樣吸附到多晶硅顆粒1a上的包含于樣本氣體中的有機物質(zhì)被稱為“樣本有機物質(zhì)”或“樣本物質(zhì)”。
然后，如下文所述包含該樣本物質(zhì)的吸附管被送到氣體色譜儀中。
用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法的分析儀器或系統(tǒng)在圖2中簡要地示出，其中該分析系統(tǒng)被標為10。
如圖2中所示，該分析系統(tǒng)10中包括一個加熱器11、一個載運氣體供給裝置12、一個低溫調(diào)焦子系統(tǒng)13、一個離析圓柱14、以及一個檢測器15。
該加熱器11具有一個容納吸附管的開孔，該吸附管1的其中一個開口端插入于該開孔中。該加熱器11用于加熱已經(jīng)插入于該加熱器11的開孔中的吸附管1。從而把吸附于該多晶硅顆粒1a上的樣本有機物質(zhì)還原。
該載運氣體供給裝置12具有一個該吸附管1的其中一個開孔端所插入的并與其相連接的端口。在該管道1的特定端連接到該端口上之后，載運氣體供給裝置12開始向管道1提供氦氣(He)這樣的特定載運氣體，并由一個質(zhì)量流量控制器17控制該載運氣體的流速。該載運氣體用于運載或傳輸已經(jīng)從吸附管1的多晶硅顆粒1a中熱還原出來的樣本有機物質(zhì)。該管道1的另一端通過一個連接導(dǎo)管16連接到離析圓柱14上。
設(shè)置該低溫調(diào)焦子系統(tǒng)13以覆蓋在該加熱器11與離析圓柱14之間的連接導(dǎo)管16的一個特定部位。低溫調(diào)焦子系統(tǒng)13被提供象液氮(N)這樣的冷卻介質(zhì)以冷卻該載運氣體以及沿著導(dǎo)管16運動的所分離的樣本物質(zhì)。所提供的冷卻介質(zhì)然后返回到它的來源(未示出)中，以用于循環(huán)。由于低溫調(diào)焦子系統(tǒng)13的冷卻，傳送所吸附的樣本物質(zhì)的載運氣體的體積減少或被濃縮。
離析圓柱14用于通過利用已知的原理來對由該載運氣體所傳送的樣本有機物質(zhì)進行物理分離。所分離的樣本物質(zhì)被送到作為檢測器15的質(zhì)譜儀中。
該加熱器11、載運氣體供給裝置12、低溫調(diào)焦子系統(tǒng)13、和離析圓柱14構(gòu)成一個氣體色譜儀20。
檢測器15用于定性和定量的分析所分離的樣本有機物質(zhì)，從而識別出在該樣本氣體(即，存在于凈室中的氣體)中的有機物質(zhì)或雜質(zhì)。
接著，在下文中具體解釋根據(jù)本發(fā)明實施例的物質(zhì)分析方法。
首先，自備一個其中裝有約為1μm直徑的多晶硅顆粒1a的吸附管1，然后通過利用一個氣泵把凈室中的氣體導(dǎo)入該管道1中作為要與顆粒1a相接觸的樣本(即，樣本氣體)。這樣，該樣本氣體中的有機物質(zhì)(其中每種物質(zhì)具有被物理吸附到多晶硅上的特性)被有選擇地吸附到該多晶硅顆粒1a上。
接著，把吸附管1插入到加熱器11的管道接收開孔中，然后載運氣體供給裝置12的端口連接到該管道1的其中一端上。在此時，該連接導(dǎo)管16的相對端連接到該管道1的另一端上，其中連接導(dǎo)管16另一端與離析圓柱14相接。
然后，當把特定的載運氣體輸送到吸附管1內(nèi)時，該吸附管1被加熱器11加熱到一個特定的熱還原溫度，從而把該有機物質(zhì)吸附到多晶硅顆粒1a上(即，樣本有機物質(zhì))。這樣，通過該載運氣體的流動，所還原的樣本物質(zhì)被運送到連接導(dǎo)管16中。
該加熱或熱還原溫度可以是與在上述傳統(tǒng)方法中所用的約為250-300℃的溫度。但是，最好把該加熱溫度設(shè)置在比300℃更高的溫度值上，因為這樣能夠更加有效的從該多晶硅顆粒1a中還原出該樣本物質(zhì)。在這種情況下，最高的加熱溫度一般設(shè)為400-450℃，這取決于該樣本有機物質(zhì)的熱分解溫度。
即使當加熱溫度升高到該樣本物質(zhì)的分解溫度時，也可能在多晶硅顆粒1a中遺留下一些樣本有機物質(zhì)。在這種情況下，需要把加熱溫度升高到500℃或更高；但是，最高的加熱溫度要低于多晶硅顆粒1a的熔點。為了滿足這種需要，需要采用象石英這樣的耐火材料來制造該吸附管1。
在加熱或熱還原過程之后，所還原的樣本有機物質(zhì)被載運氣體通過低溫調(diào)焦子系統(tǒng)13移到圓柱14中。該包含樣本物質(zhì)的載運氣體被低溫調(diào)焦子系統(tǒng)13所冷卻，并且其體積變小。換句話說，該包含樣本物質(zhì)的載運氣體被濃縮。
然后，包含樣本有機物質(zhì)的濃縮載運氣體在圓柱14中被物理分離。這樣，該樣本有機物質(zhì)被根據(jù)氣體色譜儀的已知的分離原理而相互物理分離。
最后，這樣分離的各樣本物質(zhì)與該載運氣體一同被送到作為檢測器15的質(zhì)譜儀中，然后，它們被同時地進行定性和定量分析。結(jié)果，可以查找或識別包含在該樣本氣體(即，存在于凈室中的氣體)中的有機物質(zhì)或雜質(zhì)。
通過這種根據(jù)本發(fā)明實施例的物質(zhì)分析方法，如上文所述，該多晶硅顆粒1a被用作為用于截留包含于凈室中的樣本有機物質(zhì)的吸附劑。因此，所吸附的有機物質(zhì)易于吸附到通常用于硅器件生產(chǎn)中的單晶硅晶片上。而且，即使在凈室中存在難以吸附到該硅晶片上的揮發(fā)性有機物質(zhì)也不會吸附到多晶硅顆粒1a上。
相應(yīng)地，只有被吸附到該多晶硅顆粒1a上的有機物質(zhì)(即，對硅設(shè)備產(chǎn)生不良影響的所期望的有機物質(zhì))可以被有選擇地分析。換句話說，其它具有不吸附到硅晶片上的特性的任何物質(zhì)不會被分析，這意味著所不期望的物質(zhì)造成的噪聲被降低或消除。
另外，由于該吸附劑是由與要被在凈室中處理的硅材料相同的多晶硅所制成的，所以與上述采用基于樹脂的吸附劑的傳統(tǒng)方法相比可以升高在熱還原過程中的加熱溫度。
為了證實本發(fā)明的優(yōu)點，本發(fā)明人進行了一個證實試驗。在該試驗中，根據(jù)上述采用多晶硅作為吸附劑的實施例實際執(zhí)行本發(fā)明的方法。用一個稱為“TENAX TA”的基于樹脂的吸附劑(由一個稱為TENAX FIBERSGmbH&Co.KG的公司所生產(chǎn))實際執(zhí)行上述傳統(tǒng)方法。
該試驗的結(jié)果如下文的表1和表2中所示。
表1
從表1中可以看出，在傳統(tǒng)方法中檢測和識別出8種有機物質(zhì)(第1-7種，和第9種)。在表1中，“MEK”表示“甲基乙基酮”。
表2<
>另一方面，如表2所示，在本發(fā)明的方法中檢測和識別出7種有機物質(zhì)(第1種、第3-6種、以及第8和第9種)。在表2中，“DBP”表示“鄰苯二甲酸二丁酯”。
從表1和表2中可以清楚地看出，在傳統(tǒng)方法(表1)中檢測出來的第1-4種以及第6和第7種有機質(zhì)沒有在本發(fā)明的方法(表2)中檢測到。這是因為即使當這些物質(zhì)被吸附到硅晶片上，也容易揮發(fā)掉，或者它們難以吸附到硅晶片。因此，這些物質(zhì)不會對硅器件造成任何問題。
相反，如表2所示，實際吸附到硅晶片上的物質(zhì)被在本發(fā)明的方法中有選擇地檢測到。因此，對硅器件造成問題的物質(zhì)可以在方法中被有選擇地檢測。
如表1中所示，對硅器件造成問題的物質(zhì)(例如，在表1中第8和第9種物質(zhì))也可以在該傳統(tǒng)方法中被檢測到。但是，各種在硅器件中造成任何問題的有機物質(zhì)都被檢測，這樣就會形成對所期望的有機物質(zhì)進行正確分析的障礙。與此不同的是，在本發(fā)明的方法中，只是有選擇地檢測出對硅器件造成不良影響的所期望的有機物質(zhì)，從而降低了噪聲。
盡管在本發(fā)明的上述實施例中，用多晶硅顆粒1a作為吸附劑，但是顯然也可以用單晶硅或無定形硅作為吸附劑。
另外，在表1和表2中的標記“---”表示該對應(yīng)的物質(zhì)沒有被檢測到的事實，即，被檢測到的數(shù)量小于該質(zhì)譜儀的檢測極限。
在上述實施例中，本發(fā)明被應(yīng)用于對被吸附到單晶硅上的有機物質(zhì)的分析。但是，顯然本發(fā)明也可以應(yīng)用于分析除了硅之外的其它半導(dǎo)體材料(例如，象GaAs這樣的合成半導(dǎo)體材料)，如果該材料與要被分析的所期望的材料相同。
盡管在上述中已經(jīng)對本發(fā)明最佳形式進行描述，應(yīng)當知道對于本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人員來說，還可以做出各種顯而易見的改變，而不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)。因此本發(fā)明的范圍只由權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種分析存在于氣體中的物質(zhì)的方法，包含如下步驟(a)第一步，把一種要被分析的氣體與一種吸附劑相接觸，從而把存在于所述氣體中的物質(zhì)吸附到所述吸附劑上；所述吸附劑由與要被在所述氣體中處理的半導(dǎo)體材料相同的材料制成；(b)第二步，加熱所述吸附劑，以在特定的熱還原溫度下從所述吸附劑中熱還原出所吸附的物質(zhì)；以及(c)第三步，通過使用分析系統(tǒng)分離和識別所述被吸附的物質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一步驟中，所用的所述吸附劑是由硅顆粒所制成的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一步驟中，所用的所述吸附劑是由多晶硅顆粒所制成的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附劑位于一個中空的耐熱管中，并且在第一步驟中把所述氣體注入所述管道。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三步驟是通過利用一氣體色譜儀而進行的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述第三步驟中，一個質(zhì)譜儀與所述氣體色譜儀一同使用。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，要被分析的所述氣體是存在于用于制造半導(dǎo)體器件的凈室中的氣體。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述物質(zhì)是有機物。
全文摘要
在此提供一種物質(zhì)分析方法,它能夠提高對給半導(dǎo)體器件造成某些不良影響的所期望物質(zhì)的分析的正確性。第一步,把一種要被分析的氣體與一種吸附劑相接觸,從而把存在于所述氣體中的物質(zhì)吸附到所述吸附劑上。所述吸附劑由與要被在所述氣體中處理的半導(dǎo)體材料相同的材料所制成。第二步,加熱所述吸附劑,以在特定熱還原溫度下從所述吸附劑中熱還原出所吸附的物質(zhì)。第三步,通過使用分析系統(tǒng)分離和識別所述被吸附的物質(zhì)。
文檔編號G01N30/72GK1236095SQ99100580
公開日1999年11月24日 申請日期1999年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月4日
發(fā)明者白水好美 申請人:日本電氣株式會社