Characterization of the influence of the sample shape on accuracy, statistics and reproducibility in TXRF analysis of semiconductor surfaces

Abstract

Die Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) ist ein Verfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse von Spurenelementen und wird in der Halbleiterindustrie zur Untersuchung von Silizium-Waferoberflächen auf Verunreinigungen verwendet.<br />Bei der TXRF werden Absorptionseffekte betreffend anregende und detektierte Strahlung üblicherweise vernachlässigt. Dies ist für kleine Probenmengen (pg- bis ng-Bereich) gerechtfertigt. Für größere Probenmengen wurden jedoch Abweichungen vom linearen Zusammenhang zwischen Fluoreszenzintensität und Probenmasse beobachtet (Sättigungseffekt). Diese Abweichungen führen zu Schwierigkeiten bei der Quantifizierung mit externem Standard, welcher bei der Waferoberflächenanalyse zur Kalibrierung des Spektrometers verwendet wird.<br />Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Untersuchung des Absorptionsphänomens, um die Quantifizierung mit externem Standard durch eine Reduktion des Sättigungseffektes zu verbessern.<br />Zur Untersuchung des Absorptionseffektes wurden sowohl Messungen als auch theoretische Berechnungen mit einem selbstentwickelten Simulationsmodel durchgeführt. Es wurde herausgefunden, dass die Obergrenze für die Probenmasse, bei der der Zusammenhang zwischen Fluoreszenzintensität und Probenmasse von der Linearität abweicht, von der Anregungsenergie abhängt. Liegt die Anregungsenergie näher bei der Absorptionskante des angeregten Elements, was stärkere Absorption bedeutet, so tritt der Sättigungseffekt bei einer kleineren Probenmasse auf.<br />Nun wurde das Simulationsmodel für die Bestimmung der idealen TXRF-Probe verwendet. Die von theoretischen Proben mit verschiedenen Formen emittierte Fluoreszenzintensität wurde berechnet. Der Vergleich der verschiedenen Probenformen ergab, dass die Ringform der idealen TXRF-Probe am nächsten kommt.<br />Schließlich wurde eine Möglichkeit zur Produktion ringförmiger Proben gefunden. Die Kombination einer Nanoliter-Applikationseinheit mit einer Positioniervorrichtung ermöglicht die kontrollierte Herstellung ringförmiger Proben, wobei der Ring aus einzelnen Nanotropfen besteht.<br />Ein Vergleich der emittierten Fluoreszenzintensitäten von zusammengezogenen und ringförmigen Proben zeigt, dass der Sättigungseffekt für ringförmige Proben bei einer größeren Probenmasse auftritt.<br />

Total reflection X-ray fluorescence analysis (TXRF) is a method for qualitative and quantitative analysis of trace elements and is used in semiconductor industry for wafer surface analysis (WSA).<br />In TXRF, absorption effects concerning exciting and detected radiation are usually disregarded. This is justified for small sample amounts (pg to ng range). For higher amounts deviations from the linear relation between fluorescence intensity and sample amount occur (saturation effect). These lead to difficulties in external standard quantification, which is the calibration method used in TXRF-WSA.<br />Content of the presented work is an investigation of the absorption phenomenon to improve external standard quantification by reducing the saturation effect.<br />For the investigation of the absorption effect measurements and theoretical simulations were accomplished. It was found that the upper limit of sample mass where the saturation effect starts to occur is dependent on the excitation energy. If it is closer to the absorption edge of the excited element (which means higher absorption) the saturation effect appears at a lower sample mass.<br />Now the simulation model was used for the determination of the ideal TXRF sample. The fluorescence intensities emitted by theoretical samples with different shapes were calculated. Comparison of different shapes showed that a ring matches the ideal TXRF sample best.<br />Finally a method for the realization of a ring sample was found. A combination of a nanodispensing system and a positioning device enables the controlled production of samples with the ring consisting of individual nanodroplets. A comparison of the fluorescence intensities emitted by contracted and ring samples shows that the saturation effect occurs at a higher sample mass for ring samples.<br />