樣品分析系統以及樣品分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種樣品分析系統以及樣品分析方法，具體來說，涉及一種利用橢圓偏光儀的樣品分析系統以及采用橢圓偏光法的樣品分析方法。
【背景技術】
[0002]多孔薄膜微電子學(低介電常數膜)、細胞膜、催化膜、傳感器等諸多領域中具有較為廣闊的應用。其中一個很重要的應用是對在超大規模集成電路(ULSI)裝置的先導工藝后道互聯(advanced interconnects)中所使用的低介電常數膜(簡稱低_k膜)進行評價。與此同時，傳感器等領域的薄膜材料的應用正在迅速擴大。在以下的專利文獻1?4以及非專利文獻中記載了利用橢圓偏光法(e 11 ipsometry)對多孔低_k膜進行評價的方法。
[0003]專利文獻1:US 6,435,008 B2
[0004]專利文獻2:US6,662,631
[0005]專利文獻3:US2006/0254374 A1
[0006]專利文獻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.，Fisson S.,RivoriJ.Adsorpt1n 11:195-199,2005
[0008]近年來，人們對低介電常數材料(簡稱低_k材料)的研究在微米、納米技術領域等諸多領域表現出巨大的興趣。利用橢圓偏光法可對材料的孔隙度進行研究，并能夠在溶劑蒸氣環境中對多孔層的厚度和參數進行研究。多孔材料的折射率的變化是溶劑蒸氣的相對壓力變化的函數，這使得能夠確定導入孔隙的溶劑體積，并能夠建立一個等溫曲線。由此能夠測量多孔材料的孔隙度，從而研究其機械電學特性。專利文獻1記載了利用橢圓偏光儀測試材料孔隙度的方法。如圖8所示，專利文獻1中所使用的測試裝置la包括真空測試腔室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、以及數據記錄系統10。其中，在真空測試腔室2中放置有多孔材料3，吸附閥5用于控制流入測試腔室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用于對測試腔室2內的溶劑蒸氣壓力，由此利用橢圓偏光法對元器件3的材料性能進行測試。專利文獻4在專利文獻1的基礎上對溶劑蒸氣壓力控制做了進一步的改進，提高了對測試腔室2內溶劑蒸氣壓力進行控制的精度，從而提高了測量結果的精確度和可靠性。但是這些專利文獻記載的系統均需要測試真空腔室2，使得設備的成本較為昂貴。另外，測試通常需要在一定的氣氛壓力下進行，形成特定的溶劑蒸氣壓力需要一定時間，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，這都比較耗費時間，從而降低了測試的效率。同時，這個系統需要大量的溶劑蒸氣填充真空腔室2，使得測量的成本相對較高。
[0009]另外，雖然專利文獻1?3記載的系統當前已經批量化生產，并且大多數先進的集成電路1C制造商利用該系統對所沉積的多孔低-k膜進行定性分析，并對其工藝流程中的改良進行評估。然而，該系統的缺點在于橢圓偏光儀所必須配置的、復雜的高真空腔室。精確的蒸氣壓力測量系統和壓力控制系統使得該系統非常昂貴，這限制了其在微電子以外的領域的應用。另外一個問題是其效率較低，測試一個樣品需要大約1小時或1小時以上。同時，這個系統需要大量的溶劑蒸氣。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于提供一種樣品分析系統，其能夠降低設備的成本，能夠降低樣品測試消耗品的成本，并能夠提高樣品孔隙度的測試速度。
[0011 ]本發明的另一目的在于提供一種使用該系統對樣品進行分析的樣品分析方法。
[0012]本發明所涉及的樣品分析系統的特征在于，具備:樣品臺；樣品溫度調控單元，其包括樣品溫度測試裝置、樣品溫度調節裝置、和樣品溫度控制裝置;氣體供給單元，其包括氣體儲罐、減壓裝置、混合氣體制備裝置、和氣流噴出裝置；以及光學分析單元，其包括偏光儀和分析儀。
[0013]優選為，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、起泡器溫度調控單元、以及混合氣體溫度調控單元。
[0014]優選為，所述起泡器溫度調控單元包括起泡器溫度測試裝置、起泡器溫度調節裝置和起泡器溫度控制裝置，所述混合氣體溫度調控單元包括混合氣體溫度測試裝置、混合氣體溫度調節裝置和混合氣體溫度控制裝置。
[0015]優選為，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]優選為，本發明的樣品分析系統還包括:計算機控制單元，其對所述樣品溫度調控單元、所述氣體供給單元、和所述光學分析單元總體進行控制。
[0017]本發明所涉及的樣品分析方法所使用的樣品分析系統具備:樣品臺；樣品溫度調控單元;氣體供給單元，其包括氣體儲罐、減壓裝置、混合氣體制備裝置、和氣流噴出裝置；以及光學分析單元，其包括偏光儀和分析儀，該樣品分析方法的特征為，具有:樣品溫度調控步驟，通過所述樣品溫度調控單元將置于所述樣品臺上的樣品的溫度調節控制為某一恒定溫度;混合氣體制備步驟，使來自所述氣體儲罐的氣體經過減壓裝置后，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，采用橢圓偏光法對所述樣品進行分析。
[0018]優選為，所述混合氣體制備步驟中，使來自所述氣體儲罐的氣體經由第一流量控制器進入起泡器后與從所述氣體儲罐經由第二流量控制器而來的氣體混合，通過起泡器溫度調控單元，將起泡器的溫度調節控制為某一恒定溫度。
[0019]優選為，所述混合氣體制備步驟中，利用混合氣體溫度調控單元將從起泡器流出的混合氣體的溫度更加精細地調節控制為某一恒定溫度。
[0020]優選為，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混合氣體中的溶劑蒸氣分壓進行控制。
[0021]優選為，所述混合氣體制備步驟中，使來自氣體儲罐的氣體經由第三流量控制器進入密閉氣體混合室，利用吸附物液滴噴射器向所述密閉氣體混合室內噴射溶劑蒸氣或液滴，從而形成混合氣體。
[0022]利用本發明所涉及的樣品測試系統和樣品測試方法能夠以低廉的成本，高效率地對樣品內表面面積、滲透率和孔隙度進行測定并加以分析。
【附圖說明】
[0023]圖1是表示本發明的樣品分析系統的結構圖。
[0024]圖2是表示本發明的樣品分析系統中的混合氣體制備系統的一個實施例的結構圖。
[0025]圖3是表示本發明的樣品分析系統中的混合氣體制備系統的另一實施例的結構圖。
[0026]圖4是表示本發明的樣品分析方法的流程圖。
[0027]圖5是表示本發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材料(介電常數分別為1.8和2.2)的總孔體積隨著吸附介質分壓的變化曲線。
[0029]圖6B是兩種多孔材料測試出的孔徑大小。
[0030]圖7示出了針對某一樣品A(孔隙度45%、厚度200nm、孔半徑2.2nm，介電常數1.8)吸附和解吸階段達到平衡所用的時間。
[0031 ]圖8是表示現有技術的樣品分析裝置的結構圖。
【具體實施方式】
[0032]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號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施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0033]圖1是表示本發明的樣品分析系統的結構圖。本發明的樣品分析系統1具備:樣品臺12、溫度調控單元13、氣體供給單元14、和光學分析單元15。溫度調控單元13包括溫度測試裝置131、溫度調節裝置132、和溫度控制裝置133。氣體供給單元14包括氣體儲罐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、起泡器溫度調控單元1434、和混合氣體溫度調控單元1435。第一流量控制器1432和第二流量控制器1433可以采用現有技術的流量控制裝置，如專利文獻4所記載的吸附閥7和解吸閥5的結構。
[0034]雖然在圖2中沒有示例，所述起泡器溫度調控單元1434包括起泡器溫度測試裝置、起泡器溫度調節裝置和起泡器溫度控制裝置，所述混合氣體溫度調控單元1435包括混合氣體溫度測試裝置、混合氣體溫度調節裝置和混合氣體溫度控制裝置。
[0035]另外，本發明的樣品分析系統1也可以還具備計算機控制單元16，其對溫度調控單元13、氣體供給單元14、和光學分析單元15總體進行控制。
[0036]溫度測試裝置131可以是熱電偶或熱電阻。溫度控制裝置133可以是珀爾帖型溫控儀。
[0037]作為另一個實施例，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。該實施例的混合氣體制備裝置143中，將特定數量的液滴導入進載氣流，并允許對吸附濃度容易地進行控制。由于混合氣體制備裝置143只包括一個流量控制器、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使得吸附劑濃度能夠以最快的速度變化。
[0038]以下，結合圖4對本發明所涉及的樣品分析方法進行說明。首先，將