樣品分析系統(tǒng)以及樣品分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種樣品分析系統(tǒng)以及樣品分析方法，具體來說，涉及一種利用橢圓偏光儀的樣品分析系統(tǒng)以及采用橢圓偏光法的樣品分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔薄膜微電子學(xué)(低介電常數(shù)膜)、細(xì)胞膜、催化膜、傳感器等諸多領(lǐng)域中具有較為廣闊的應(yīng)用。其中一個(gè)很重要的應(yīng)用是對(duì)在超大規(guī)模集成電路(ULSI)裝置的先導(dǎo)工藝后道互聯(lián)(advanced interconnects)中所使用的低介電常數(shù)膜(簡(jiǎn)稱低_k膜)進(jìn)行評(píng)價(jià)。與此同時(shí)，傳感器等領(lǐng)域的薄膜材料的應(yīng)用正在迅速擴(kuò)大。在以下的專利文獻(xiàn)1?4以及非專利文獻(xiàn)中記載了利用橢圓偏光法(e 11 ipsometry)對(duì)多孔低_k膜進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。
[0003]專利文獻(xiàn)1:US 6,435,008 B2
[0004]專利文獻(xiàn)2:US6,662,631
[0005]專利文獻(xiàn)3:US2006/0254374 A1
[0006]專利文獻(xiàn)4:US7,568,379 B2
[0007]非專利文南犬-Adsorpt1n and Desorpt1n Isotherms at Ambient TemperatureObtained by Ellipsometric Porosimetry to Probe Micropores in OrderedMesoporous Silica Fi1ms.Bourgeois A.,Brunet-Bruneau A.，F(xiàn)isson S.,RivoriJ.Adsorpt1n 11:195-199,2005
[0008]近年來，人們對(duì)低介電常數(shù)材料(簡(jiǎn)稱低_k材料)的研究在微米、納米技術(shù)領(lǐng)域等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的興趣。利用橢圓偏光法可對(duì)材料的孔隙度進(jìn)行研究，并能夠在溶劑蒸氣環(huán)境中對(duì)多孔層的厚度和參數(shù)進(jìn)行研究。多孔材料的折射率的變化是溶劑蒸氣的相對(duì)壓力變化的函數(shù)，這使得能夠確定導(dǎo)入孔隙的溶劑體積，并能夠建立一個(gè)等溫曲線。由此能夠測(cè)量多孔材料的孔隙度，從而研究其機(jī)械電學(xué)特性。專利文獻(xiàn)1記載了利用橢圓偏光儀測(cè)試材料孔隙度的方法。如圖8所示，專利文獻(xiàn)1中所使用的測(cè)試裝置la包括真空測(cè)試腔室2、溶劑罐4、栗6、吸附閥5、解吸閥7、壓力傳感器8、橢圓偏光儀9、以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)10。其中，在真空測(cè)試腔室2中放置有多孔材料3，吸附閥5用于控制流入測(cè)試腔室2的溶劑流量，栗6和解吸閥7用于栗取溶劑蒸氣，壓力傳感器8用于對(duì)測(cè)試腔室2內(nèi)的溶劑蒸氣壓力，由此利用橢圓偏光法對(duì)元器件3的材料性能進(jìn)行測(cè)試。專利文獻(xiàn)4在專利文獻(xiàn)1的基礎(chǔ)上對(duì)溶劑蒸氣壓力控制做了進(jìn)一步的改進(jìn)，提高了對(duì)測(cè)試腔室2內(nèi)溶劑蒸氣壓力進(jìn)行控制的精度，從而提高了測(cè)量結(jié)果的精確度和可靠性。但是這些專利文獻(xiàn)記載的系統(tǒng)均需要測(cè)試真空腔室2，使得設(shè)備的成本較為昂貴。另外，測(cè)試通常需要在一定的氣氛壓力下進(jìn)行，形成特定的溶劑蒸氣壓力需要一定時(shí)間，并且為了建立等溫曲線，需要多次變化作為變量的溶劑蒸氣壓力，這都比較耗費(fèi)時(shí)間，從而降低了測(cè)試的效率。同時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)需要大量的溶劑蒸氣填充真空腔室2，使得測(cè)量的成本相對(duì)較高。
[0009]另外，雖然專利文獻(xiàn)1?3記載的系統(tǒng)當(dāng)前已經(jīng)批量化生產(chǎn)，并且大多數(shù)先進(jìn)的集成電路1C制造商利用該系統(tǒng)對(duì)所沉積的多孔低-k膜進(jìn)行定性分析，并對(duì)其工藝流程中的改良進(jìn)行評(píng)估。然而，該系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于橢圓偏光儀所必須配置的、復(fù)雜的高真空腔室。精確的蒸氣壓力測(cè)量系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)使得該系統(tǒng)非常昂貴，這限制了其在微電子以外的領(lǐng)域的應(yīng)用。另外一個(gè)問題是其效率較低，測(cè)試一個(gè)樣品需要大約1小時(shí)或1小時(shí)以上。同時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)需要大量的溶劑蒸氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種樣品分析系統(tǒng)，其能夠降低設(shè)備的成本，能夠降低樣品測(cè)試消耗品的成本，并能夠提高樣品孔隙度的測(cè)試速度。
[0011 ]本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用該系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行分析的樣品分析方法。
[0012]本發(fā)明所涉及的樣品分析系統(tǒng)的特征在于，具備:樣品臺(tái)；樣品溫度調(diào)控單元，其包括樣品溫度測(cè)試裝置、樣品溫度調(diào)節(jié)裝置、和樣品溫度控制裝置;氣體供給單元，其包括氣體儲(chǔ)罐、減壓裝置、混合氣體制備裝置、和氣流噴出裝置；以及光學(xué)分析單元，其包括偏光儀和分析儀。
[0013]優(yōu)選為，所述混合氣體制備裝置包括起泡器、第一流量控制器、第二流量控制器、起泡器溫度調(diào)控單元、以及混合氣體溫度調(diào)控單元。
[0014]優(yōu)選為，所述起泡器溫度調(diào)控單元包括起泡器溫度測(cè)試裝置、起泡器溫度調(diào)節(jié)裝置和起泡器溫度控制裝置，所述混合氣體溫度調(diào)控單元包括混合氣體溫度測(cè)試裝置、混合氣體溫度調(diào)節(jié)裝置和混合氣體溫度控制裝置。
[0015]優(yōu)選為，所述混合氣體制備裝置包括吸附物液滴噴射器、第三流量控制器和密閉氣體混合室。
[0016]優(yōu)選為，本發(fā)明的樣品分析系統(tǒng)還包括:計(jì)算機(jī)控制單元，其對(duì)所述樣品溫度調(diào)控單元、所述氣體供給單元、和所述光學(xué)分析單元總體進(jìn)行控制。
[0017]本發(fā)明所涉及的樣品分析方法所使用的樣品分析系統(tǒng)具備:樣品臺(tái)；樣品溫度調(diào)控單元;氣體供給單元，其包括氣體儲(chǔ)罐、減壓裝置、混合氣體制備裝置、和氣流噴出裝置；以及光學(xué)分析單元，其包括偏光儀和分析儀，該樣品分析方法的特征為，具有:樣品溫度調(diào)控步驟，通過所述樣品溫度調(diào)控單元將置于所述樣品臺(tái)上的樣品的溫度調(diào)節(jié)控制為某一恒定溫度;混合氣體制備步驟，使來自所述氣體儲(chǔ)罐的氣體經(jīng)過減壓裝置后，在所述混合氣體制備裝置形成混合氣體;氣體噴出步驟，利用所述氣流噴出裝置，將混合氣體以一定的流量噴射到樣品表面;光學(xué)分析步驟，利用所述偏光儀和所述分析儀，采用橢圓偏光法對(duì)所述樣品進(jìn)行分析。
[0018]優(yōu)選為，所述混合氣體制備步驟中，使來自所述氣體儲(chǔ)罐的氣體經(jīng)由第一流量控制器進(jìn)入起泡器后與從所述氣體儲(chǔ)罐經(jīng)由第二流量控制器而來的氣體混合，通過起泡器溫度調(diào)控單元，將起泡器的溫度調(diào)節(jié)控制為某一恒定溫度。
[0019]優(yōu)選為，所述混合氣體制備步驟中，利用混合氣體溫度調(diào)控單元將從起泡器流出的混合氣體的溫度更加精細(xì)地調(diào)節(jié)控制為某一恒定溫度。
[0020]優(yōu)選為，所述混合氣體制備步驟中，通過控制第二流量控制器的流量而對(duì)混合氣體中的溶劑蒸氣分壓進(jìn)行控制。
[0021]優(yōu)選為，所述混合氣體制備步驟中，使來自氣體儲(chǔ)罐的氣體經(jīng)由第三流量控制器進(jìn)入密閉氣體混合室，利用吸附物液滴噴射器向所述密閉氣體混合室內(nèi)噴射溶劑蒸氣或液滴，從而形成混合氣體。
[0022]利用本發(fā)明所涉及的樣品測(cè)試系統(tǒng)和樣品測(cè)試方法能夠以低廉的成本，高效率地對(duì)樣品內(nèi)表面面積、滲透率和孔隙度進(jìn)行測(cè)定并加以分析。
【附圖說明】
[0023]圖1是表示本發(fā)明的樣品分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖2是表示本發(fā)明的樣品分析系統(tǒng)中的混合氣體制備系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖3是表示本發(fā)明的樣品分析系統(tǒng)中的混合氣體制備系統(tǒng)的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖4是表示本發(fā)明的樣品分析方法的流程圖。
[0027]圖5是表示本發(fā)明的樣品分析方法中的混合氣體制備步驟的子流程圖。
[0028]圖6A是兩種多孔低介電常數(shù)材料(介電常數(shù)分別為1.8和2.2)的總孔體積隨著吸附介質(zhì)分壓的變化曲線。
[0029]圖6B是兩種多孔材料測(cè)試出的孔徑大小。
[0030]圖7示出了針對(duì)某一樣品A(孔隙度45%、厚度200nm、孔半徑2.2nm，介電常數(shù)1.8)吸附和解吸階段達(dá)到平衡所用的時(shí)間。
[0031 ]圖8是表示現(xiàn)有技術(shù)的樣品分析裝置的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0033]圖1是表示本發(fā)明的樣品分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明的樣品分析系統(tǒng)1具備:樣品臺(tái)12、溫度調(diào)控單元13、氣體供給單元14、和光學(xué)分析單元15。溫度調(diào)控單元13包括溫度測(cè)試裝置131、溫度調(diào)節(jié)裝置132、和溫度控制裝置133。氣體供給單元14包括氣體儲(chǔ)罐141、減壓裝置142、混合氣體制備裝置143、和氣流噴出裝置144。光學(xué)分析單元15包括橢圓偏光儀151和分析儀152。混合氣體制備裝置143包括起泡器1431、第一流量控制器1432、第二流量控制器1433、起泡器溫度調(diào)控單元1434、和混合氣體溫度調(diào)控單元1435。第一流量控制器1432和第二流量控制器1433可以采用現(xiàn)有技術(shù)的流量控制裝置，如專利文獻(xiàn)4所記載的吸附閥7和解吸閥5的結(jié)構(gòu)。
[0034]雖然在圖2中沒有示例，所述起泡器溫度調(diào)控單元1434包括起泡器溫度測(cè)試裝置、起泡器溫度調(diào)節(jié)裝置和起泡器溫度控制裝置，所述混合氣體溫度調(diào)控單元1435包括混合氣體溫度測(cè)試裝置、混合氣體溫度調(diào)節(jié)裝置和混合氣體溫度控制裝置。
[0035]另外，本發(fā)明的樣品分析系統(tǒng)1也可以還具備計(jì)算機(jī)控制單元16，其對(duì)溫度調(diào)控單元13、氣體供給單元14、和光學(xué)分析單元15總體進(jìn)行控制。
[0036]溫度測(cè)試裝置131可以是熱電偶或熱電阻。溫度控制裝置133可以是珀?duì)柼蜏乜貎x。
[0037]作為另一個(gè)實(shí)施例，混合氣體制備裝置143也可以包括吸附物液滴噴射器1436、第三流量控制器1437、和密閉氣體混合室1438。該實(shí)施例的混合氣體制備裝置143中，將特定數(shù)量的液滴導(dǎo)入進(jìn)載氣流，并允許對(duì)吸附濃度容易地進(jìn)行控制。由于混合氣體制備裝置143只包括一個(gè)流量控制器、吸附物液滴噴射器和密閉氣體混合室，因此使用了液滴噴射器的系統(tǒng)使得吸附劑濃度能夠以最快的速度變化。
[0038]以下，結(jié)合圖4對(duì)本發(fā)明所涉及的樣品分析方法進(jìn)行說明。首先，將