GB/T39145-2020
硅片表面金属元素含量的测定电感耦合等离子体质谱法
Testmethodforthecontentofsurfacemetalelementsonsiliconwafers—Inductivelycoupledplasmamassspectrometry
- 中国标准分类号（CCS）H17
- 国际标准分类号（ICS）77.040
- 实施日期2021-09-01
- 文件格式PDF
- 文本页数8页
- 文件大小645.22KB
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硅片表面金属元素含量的测定电感耦合等离子体质谱法
国家标准 GB/T39145一2020 硅片表面金属元素含量的测定 电感耦合等离子体质谱法 Testmethodforthecontentofsurfacemetaleleentsosilicowafers nductivelyeoupledplasmamassspectrometry 2020-10-11发布 2021-09-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花警理委员会国家标准
GB/39145一2020 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草
本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)与全国半导体设备和材料标准 化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归口
本标准起草单位:南京国盛电子有限公司、有研半导体材料有限公司,浙江金瑞泓科技股份有限公 司、上海合晶硅材料有限公司、有色金属技术经济研究院、无锡华瑛微电子技术有限公司、龙腾半导体有 限公司、厦门科鑫电子有限公司
本标准主要起草人:骆红、潘文宾、赵而敬、孙燕、张海英、徐新华温子瑛、胡金枝、李素青、马林宝、 李俊需
GB/39145一2020 硅片表面金属元素含量的测定 电感耦合等离子体质谱法 范围 本标准规定了电感耦合等离子体质谱法测定硅片表面金属元素含量的方法
本标准适用于硅单晶抛光片和硅外延片表面痕量金属钠、镁、铝、钾、钙、铬、缸、铁、钻、镍、铜、锌元 素含量的测定,测定范围为10'em'~1o1cem-?
本标准同时也适用于硅退火片、硅扩散片等无图形 硅片表面痕量金属元素含量的测定
硅片表面的金属元素含量以每平方厘米的原子数计 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的
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GB/T6624硅抛光片表面质量目测检验方法 GB/T14264半导体材料术语 GB/T17433冶金产品化学分析基础术语 GB/T19921硅抛光片表面颗粒测试方法 GB/T25915.1一2010洁净室及相关受控环境第1部分;空气洁净度等级 GB/T37837四级杆电感合等离子体质谱方法通则 JF1159四级杆电感耦合等离子体质谱仪校准规范 SEMIF63半导体加工用超纯水指南(Guide forultrapurewaterusedin semiconductorprocess ing 术语和定义 GB/T14264、GB/T17433,GB/T37837和JJF1159界定的以及下列术语和定义适用于本文件
3.1 扫描溶液 mmingsolutionm Scanr 通过扫描方式收集的含有硅片表面痕量金属元素的溶液
3.2 直接酸滴分解法direetaeiddropletdeompositon;DADD 用含有氢氟酸的提取液分解硅片表面的氧化层,形成疏水性表面,使硅片表面的痕量金属被收集到 提取液中形成扫描溶液
3.3 气相分解法vaprphasedecompsition;VPD 用氢氟酸蒸汽分解硅片表面的氧化层,形成疏水性表面,再用含有氢氟酸的提取液提取硅片表面的
GB/T39145一2020 痕量金属形成扫描溶液
3.4 背景噪声backgroundnoise 未引人被测元素(或引人空白试液),由非被测组分在被测元素谱线处产生的信号响应值
方法原理 采用直接酸滴分解法或气相分解法,收集硅片表面的金属元素到扫描溶液中
扫描溶液试料通过 电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)进样系统由载气带人高频等离子体源中,并在高温和惰性气氛中燕 发、解离、原子化和电离
绝大多数金属离子成为单价离子,这些离子高速通过双锥接口进人离子透镜 后,在电场作用下聚焦成离子束并进人四极杆离子分离系统
离子被提取出并按照其质荷比分离后经 离子检测器进行检测
按照质荷比进行定性分析、特定质荷比的检测信号进行定量分析,得出扫描溶液 中待测金属元素的质量浓度,进而计算出硅片表面的金属元素含量
5 干扰因素 5.1检测人员的洁净检测能力会影响样品的测试结果,检测人员应经过严格的痕量分析培训并具备- 定洁净室工作经验,对于测试过程中各环节可能存在的沾污具有控制技术和能力
5.2由于硅片表面金属杂质分布不均匀,测试样品的选择会影响硅片表面金属杂质元素含量的评价结 果,因此所取样品应具有代表性
5.3测试硅片前可按照GB/T6624目检表面质量、按照GB/T19921测试颗粒等,确认硅片表面没有 沾污,以免影响测试结果
超纯水,晴股、叙氧般.过氧化银等化学试剂中的杂质含量.以及器里.,工具的清净程度都会影响测 5.4 试结果 5.5用于校准的系列混合标准溶液、提取液,应遵循现用现配原则,不宜长期储存
5.6每个样品测试之前,应确认进样管洁净,避免交叉污染
电感耦合等离子体质谱仪存在记忆效应,不应测试表面金属杂质含量高的硅片,否则仪器会被污 5.7 染,影响仪器的检出限和准确度
5.8待检测金属在提取液中的溶解性,以及硅片表面的颗粒污染物会影响提取效率;提取液在硅片表 面的扫描时间、扫描次数也会影响提取效果
5.9盐酸对单质金属污染的提取效率较高,但是盐酸会产生谱线干扰,影响V(51),Cr(52,53、Fe (54)、Cu(63、65)、Zn(6466)等元素的检测
5.10电感耦合等离子体质谱仪的调谐,如气压设定、稳定性、零点漂移、灵敏度等均会影响测试结果
5.11元素间的干扰,如双原子离子,多原子离子、背景噪声的干扰会影响测试结果,可通过冷等离子 体、,碰撞池/反应池或双聚焦扇区场电感耦合等离子体质谱仪等有效抑制
5.12超纯水和提取液中的微量杂质、扫描溶液基体的效应,均对校准曲线有影响,建议制备第2套系 列标准溶液,用以核对校准曲线 是否准确 5.13测试环境直接影响检出限和测试结果,应长期保持测试环境的洁净度符合要求,制样区域和试剂 放置区域宜加装碉磷过滤系统,消除环境污染 5.14设备和方法的检出限严重影响测试结果的可靠性,当单个实验室的重复性很好时,并不能表示该 设备的测试数据是准确可靠的,因此电感合等离子体质谱仪应定期参照JF1159进行校准,并通过 回收试验进行测试可靠性的确认,回收率应控制在75%125%
5.15扫描溶液的制备、扫描硅片的表面面积选取、硅片边缘去除量的选取等均会影响测试结果,引人
GB/39145一2020 测试误差
自动化程度较高的设备会比人工操作更精确和稳定,测试误差相对会偏小
试剂和材料 n各待测金属元索含量均小于1ng/L,其他应符合sMEIF的 6.1超纯水:电阻率大于18.0MQem 规定
6.2硝酸:质量分数65.0%一68.0%,各待测金属元素含量均小于10ng/I
6.3氢氟酸;质量分数30.0%50.0%
用于配置提取液的氢氟酸中各待测金属元素含量均小于 10ng/L;用于VPD工艺的氢氟酸中各待测金属元素含量可小于100ng/I. 6.4过氧化氢:质量分数30.0%一35.0%,各待测金属元素含量均小于10ng/I 6.5混合元素标准溶液;采用可以量值溯源的有证标准物质.钠、镁、铝、钾、钙、铬、孟、铁、钻、镍、铜、锌 元素质量浓度均为10nmg/L100mg/L
如供需双方商定测试其他金属元素,混合元素标准溶液中应 同样包含这部分元素
6.6提取液;氢氟酸,超纯水的混合液,或氢氟酸、过氧化氢、超纯水的混合液,或氢氟酸,过氧化氢、硝 酸、超纯水的混合液等,其中氢氟酸的体积分数为1%~10%
6.7调谐液锂、忆、铺、钝、钻元素质量浓度均为10"g/L
氢气.复气.氢气=纯度(体积分数》应不小于99.99%
6.8 6.9防护用具;符合相应洁净间要求的防酸衣、防酸手套、护目镜
仪器设备 7.1电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)
7.2非金属镀子或真空吸笔;用于吸附硅片
7.3分析天平感量为0.1mg 7.4微移液器
7.5容量瓶、样品管;用于储存、,收集溶液,由聚四氟乙烯(PTFE)或全氟婉氧基树脂(PFA)等耐氢氟酸 腐蚀、,可清洗且对测试结果无影响的材料制成
7.6VPD处理盒;耐氢氟酸腐蚀的密闭容器
7.7 自动制样机
测试环境 8 8.1温度22C士2C
8.2相对湿度:45%士10%
8.3洁净度应符合下列规定 测试区域;达到或优于GB/T25915.1一2010中ISO5级的要求; a 制样区域和试剂放置区域;达到或优于GB/T25915.12010中IsO4级的要求
b 扫描溶液的制备 9.1直接酸滴分解法 9.1.1 手动法 g.1.1.1将待测硅片平放,用微移液器取适量提取液均匀滴在硅片表面中心区域
GB/T39145一2020 g.1.1.2提取液在硅片表面中心区域形成直径约5cm的液面区域后,用真空吸笔吸住硅片,进行均匀 晃动,使提取液全面均匀地扫描整个硅片表面
g.1.1.3硅片表面呈现疏水性时,硅片表面的氧化层已完全分解
g.1.1.4提取液扫描整个硅片表面至少一次,以保证足够的反应时间,获得扫描溶液
g.1.1.5用微移液器将扫描溶液收集到样品管中待测,或者直接收集扫描溶液进行测试
9.1.2 自动法 采用自动制样机收集硅片表面的金属元素获得扫描溶液
9.2气相分解法 9.2.1用非金属锻子或真空吸笔将待测硅片放置在VPD处理盒中,待测硅片暴露在氢氟酸蒸汽中直 至硅片表面的氧化层完全分解,取出待测硅片
9.2.2手动法制备扫描溶液同9.1.1
9.2.3 自动法制备扫描溶液同9.1.2
10试验步骤 10.1仪器准备 10.1.1按仪器操作说明初步设定仪器工作条件,用调谐液调整仪器,在测试元素的离子计数的同时 对仪器工作条件进行优化、调谐,以达到最佳灵敏度的测试条件
0.1.2测试超纯水中各待测金属元素的含量,确认设备的可靠性与稳定性
10.1.3各待测元素质量数的选择参见表1
表1待测元素的质量数 元素名称 质量数 元素名称 质量数 元素名称 质量数 钠 Na 钙 "Ca 钻 9Co 镁 铬 Mg Cr 镍 Ni 铜 铝 AI 糕 Mn Cu nFe “Zn mK 锌 10.2测定次数 至少独立地测定三次,取三次测试结果的算术平均值
0.3空白试验 使用提取液进行空白试验
10.4校准曲线的绘制 0.4.1用洁净的容量瓶与分析天平,配制不同质量浓度的系列标准溶液
所配制的系列标准溶液质 量浓度值应尽量接近扫描溶液中待测元素的质量浓度值
例如,扫描溶液中待测金属元素质量浓度预 计在0.504g/L,可分别取0AL,50AL、100AL,200AL,500AL、1000AL的混合元素标准溶液(各待测 元素质量浓度为10mg/L),用超纯水定容至100ml,此系列标准溶液中各元素的质量浓度分别为
GB/39145一2020 04g/L,0.05g/L,0.104g/L,0.20g/L,0.504g/L,l.00"g/L 10.4.2在电感合等离子体质谱仪上对系列标准溶液中各待测元素质量浓度进行测试,以系列标准 溶液中各元素信号值为纵坐标,各元素的质量浓度为横坐标做校准曲线
校准曲线的线性相关系数应 优于0.999
10.5测定 在电感耦合等离子体质谱仪上,按表1推荐的质量数,分别对空白试液(提取液)和分析试液(扫描 溶液)进行测试
仪器根据校准曲线,自动进行数据处理,计算并输出空白试液和以空白试液为参比的 分析试液中各待测元素的质量浓度 试验数据处理 1.1硅片表面各待测金属元素的含量按式(1)计算 7
N M N 式中 待测金属元索的含量,单位为每平方厘米(em-3) N 7c" -分析试液中待测金属元索的质量浓度,单位为克每毫升g/ml) 分析试液的体积,单位为毫升(mL): M -待测金属元素的摩尔质量,单位为克每摩尔(g/mol); 阿伏伽德罗常数,单位为每摩尔(mol-l). N -硅片表面的测试面积,单位为平方厘米cm=)
11.2硅片表面各待测金属元素的检出限按式(2)计算 SD DL，=k 式中: DL 检出限,单位为每平方厘米cm-2); 相关系数,通常情况下人为3或3.29,也可为供需双方协商的其他值; sD 测试空白试液10次以上,待测金属元素的标准偏差; 校准曲线的斜率
2精密度 采用2个厂家生产的直径150mm的硅抛光片进行了两轮测试,共有五个实验室参与,每次每个实 验室至少测试2片
每轮的测试样品均为同一厂家生产的、由同一硅单晶经相同加工流程、同时清洗、 表面颗粒基本一致、相同包装规格的硅抛光片
分析各金属元素检出限在同一数量级(不大于0,50×10"em3)的三个实验室的测试数据,得出 92%的硅抛光片表面重金属元素(Cr,Mn、Fe,Co,Ni,Cu、Zn)含量低于检出限,可测试出的重金属元素 含量为0.02x10"cm了一0.59X10"cm',标准偏差不大于0.30X10"cm";测试的轻金属元素(Na、 Mg、Al.K.Ca)含量为0.04X10"em-3一1.22x10'em-?,标准偏差不大于0.90×10"em-
综上,各 待测金属元素含量测试结果的标准偏差不大于0.90×10”c cm
GB/T39145一2020 3试验报告 试验报告应包括下列内容: 试样信息:送样单位、送样日期、样品名称、规格、编号; a b 仪器型号、品牌; c 测试环境; d 试样处理方法(VPD或DADD)及时间; e 试样收集方法(手动法或自动法)及扫描区域 fD 测试结果:待测金属元素含量及其检出限; 测试日期、测试者审核者; g h)本标准编号; i) 其他
GB/T39145-2020：硅片表面金属元素含量的测定电感耦合等离子体质谱法
在半导体制造过程中，硅片表面残留的金属元素会影响芯片性能和可靠性。因此，对硅片表面金属元素含量的准确测定显得尤为重要。
GB/T39145-2020标准规定了使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定硅片表面金属元素含量的方法。该方法可以同时测定多种金属元素，并具有高灵敏度、高精度和高分辨率的特点。
下面是该方法的步骤：
1. 样品的制备
将待测试的硅片切割成约为1cm²大小的样品片，用去离子水或有机溶剂清洗干净，并在180℃的烘箱中烘干至完全干燥。
2. 样品的处理
将制备好的硅片样品放入电感耦合等离子体质谱仪的样品室中，在真空条件下进行氧化处理。然后，在氩气等离子体中对样品进行预清洗和表面活性剂处理。
3. 测定
将样品送入ICP-MS仪器中进行测定。在测量过程中，需要注意以下几点：
- 使用多重收集模式（MS/MS）进行测量，以提高分析的灵敏度和准确性。
- 根据待测元素的不同，选择合适的质谱仪工作模式和参数设置。
- 定期对仪器进行校准和清洗，以保证其准确度和可靠性。
通过以上步骤，可以得出硅片表面金属元素含量的准确测定结果。
总之，GB/T39145-2020标准规定的电感耦合等离子体质谱法是一种准确、可靠的测定硅片表面金属元素含量的方法。对于半导体制造等领域的专业人士来说，掌握并运用该方法具有重要的意义。
