Wafer surface analysis of total reflection X-ray fluorescence analysis: influence of shading effects

Abstract

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in engl. SpracheDie Totalreflexionsröntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) ist ein leistungsfähiges Verfahren zur Detektion und Untersuchung von Kontamination auf Waferoberflächen. Die Anwendung und Gültigkeit dieser Nachweismethode wird durch Absorptionseffekte limitiert. Durch die Erforschung von Picolitertechnologien ist es möglich, die auftretende Absorption zu minimieren und den linearen Verlauf des TXRF Signals für höhere Massen zu erweitern. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst der Waferanalysator TXRF 8300W in Betrieb genommen. Aufgrund einer Kontamination im Detektor wurde der ursprüngliche eingebaute Siliziumdriftdetektor mit einem Si(Li)-Detektor getauscht. Dazu wurde eine spezielle Halterung konstruiert, um Positionierungsfehler auszugleichen und die manuelle Füllung des Dewars mit Stickstoff zu ermöglichen. Nachdem die genaue Ausrichtung der Messposition kontrolliert wurde, konnte ein leistungsfähiger Betrieb der Anlage gewährleistet werden. Bei der ersten Untersuchung wurden die Vorzüge von Picoliterproben gegenüber den in der Waferanalyse üblichen µl-Proben analysiert. Die Messungen zeigten, dass die Absorption für µl-Proben bei geringeren Massen auftritt, was zu einer Limitierung der TXRF für diesen Probentyp führte. Dagegen konnte für die Picoliterproben ein linearer Verlauf bis zur größten Probenmasse gemessen werden. Dies rechtfertigte die Untersuchung und Anwendung von kleinen Probenvolumina in der TXRF. In einer weiteren Messserie wurden in Kooperation mit dem Los Alamos National Laboratory, USA, und der Universität Hamburg, Deutschland, drei unterschiedliche Picoliter Dropletanordnungen mit dem Waferanalysator untersucht. Schwerpunkt bei den Messungen lag auf der Erforschung von Abschattungseffekten, welche fundamental für die auftretende Absorption in der TXRF bei höheren Massen sind. Die Proben hatten jeweils dieselbe Gesamtmasse und wurden durch eine unterschiedliche Anordnung der Droplets charakterisiert. Um die Resultate zu vergleichen, wurden die Geometrien auch mit einem Simulationsmodell berechnet. Es zeigte sich eine Linearität bis zur größten Probenmasse, was auch das Ergebnis der Simulationen war. Dadurch konnte die Anwendung der drei Strukturen als mögliche Referenzprobe in der TXRF bestätigt werden. Aufgrund der Orientierung des Siliziumeinkristalls mussten die Messungen allerdings unter einem Rotationswinkel von 37 ° durchgeführt werden, um den Hintergrund und die Totzeit des Detektors zu minimieren. Die Berechnungen unter einem anderen Rotationswinkel zeigten in der Labor-TXRF einen messbaren Abschattungseffekt. Außerdem konnte bei einem flacheren Strahleinfall eine signifikante Abschattung für alle drei Geometrien simuliert werden. Dies ist relevant für Synchrotronmessungen, da hier mit sehr flachen Einfallswinkeln gemessen wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden als Vorträge bei der European Conference on X-Ray Spectrometry in Bologna, Italien, im Juni 2014 und bei der Denver X-Ray Conference in Montana, USA, im August 2014 präsentiert.The Total Reflection X-Ray Fluorescence (TXRF) is a powerful tool when detecting and analyzing contaminants on wafer surfaces. The application and validation of this method is limited by absorption effects. Investigations of picoliter technologies indicate that it is possible to minimize this absorption and extend the linearity of the TXRF signal to higher sample masses. In this thesis the spectrometer TXRF 8300W was brought into operation for the first time. As a result of a nickel contamination in the first implemented silicon drift detector the detector had to be removed and replaced by a Si(Li)-Detector. To integrate the new detector a new detector device was constructed which was able to compensate positioning errors and enable the filling of the Dewar vessel with liquid nitrogen. After controlling the exact place of the measuring position the spectrometer could be brought into operation for analyzing real samples. The first study focused on the comparison of picoliter samples and µl-samples, which are currently used in wafer surface analysis. It could be shown that the absorption starts at lower masses for µl-samples which shortened the application of TXRF for those sample types. In contrast to this the picoliter samples showed a linear relation of the count rate over the total sample mass. According to the results of this study, the exploration and application of small sample volumes in TXRF analysis could be justified. In the next study three different picoliter droplet arrays were investigated with the wafer analyzer in cooperation with the Los Alamos University, USA, and the University of Hamburg, Germany. The investigations were focused on shading effects, which are significant for the absorption in TXRF analysis when analyzing higher sample masses. Each of the samples had the same total masses and was characterized by different droplet arrangements on the wafer surfaces. For a better understanding of the measurement results all three geometries were also calculated by a simulation model. It could be shown that all three arrays show a good TXRF linearity including the highest sample masses. This was also the result of the data evaluation using the simulation model. The application of the three picoliter structures as an appropriate reference sample for laboratory TXRF could be confirmed. As a result of the orientation of the silicon crystal the measurements had to be performed at an angle of 37 ° of wafer rotation to reduce the background and the dead time of the detector. The simulations of a 0° rotation angle showed a significant shading effect for all three geometries. Furthermore a higher shading effect could be calculated for a very low beam angle, which is used at Synchrotron facilities. The results of this master thesis were presented as an oral talk on the European Conference on X-Ray Spectrometry in Bologna, Italy, in June 2014 and on the Denver X-Ray Conference in Montana, USA, in August 2014.13