紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳的測試方法與工藝

一、硅單晶中氧、碳的分布情況1、氧：在硅單晶中，以間隙氧的形式存在（1）硅中氧的含量：直拉單晶硅：4×1017～3×1018原子/cm3多晶硅：1016～1017原子/cm3（2）最大溶解度：熔硅：2.2×1018原子/cm3固體硅：2.75×1018原子/cm3

（3）分布：硅單晶中的氧，由于分凝作用在晶體中呈條紋狀分布，頭部高，尾部低。（4）間隙氧對硅單晶結構和性能產生的影響：1）可以增加硅片的機械強度，避免彎曲和翹曲等變形。2）形成熱施主，會改變器件的電阻率和反向擊穿電壓，形成堆垛層錯和漩渦缺陷。3）形成氧沉淀，產生位錯、堆垛層錯等缺陷。2、碳：在硅單晶中，一間隙氧的形式存在（1）單晶硅中氧碳的含量：1016～1017原子/cm3（2）最大溶解度：熔硅：3～4×1018原子/cm3固體硅：5.5×1017原子/cm3（3）分布：硅單晶中的碳，由于分凝作用在晶體中呈條紋狀分布，頭部低，尾部高。（4）碳對硅單晶的影響1）碳以替位形式存在，使晶格發(fā)生畸變，是硅的生長條紋可能與碳的分布有關。2）碳在硅單晶中成為雜質氧的成核點，促進氧的沉淀。3）導致晶體中堆垛層錯、漩渦缺陷等的產生。降低器件的反向電壓，增大漏電電流，降低器件的性能。二、紅外光譜法測單晶硅中氧、碳的含量1、硅中氧和碳的紅外吸收光譜。如圖所示（1）氧吸收峰：1）波長為λ1=8.3μm(波數(shù)為1205.cm-),此吸收波峰主要為分子對稱伸縮振動產生的，吸收峰強度很小。2)波長為λ2=9μm(波數(shù)為1105.cm-),此吸收波峰主要為分子反對稱伸縮振動產生的，吸收峰強度最大。3）波長為λ3=19.4μm(波數(shù)為515.cm-),此吸收波峰主要為分子彎曲振動產生的，吸收峰強度較小。（2）碳吸收峰：1）波長為λ1=16.47μm(波數(shù)為607.2cm-),此吸收波峰為基頻峰，吸收峰強度較大。2)波長為λ2=8.2μm(波數(shù)為1217cm-),此吸收波峰主要為倍頻峰，吸收峰很小。2、半導體與光學常數(shù)之間的關系半導體對不同波長的光或電磁輻射有不同的吸收性能，常用吸收系數(shù)α來描述這種吸收特性。α的大小與光的波長λ有關，因而可以構成一個α～λ的連續(xù)普帶，即吸收光譜。如圖所示，樣品受到一束強度為I0，分為三部分：

IR、IK和IT，因此有d將上式除I0，可得R、K、T分別為反射率、吸收率和透射率。在上圖中的理想鏡面，且兩面平行的樣品的情況下，考慮光在樣品內部經多次反射，忽略干涉效應，透射光的強度因此有吸收系數(shù)α定義為相當于波的能量經過1/α距離時減弱為1/e倍。因此α越大，光強度透射減弱越多，光的吸收性能越高。對于硅，R=30%,因此分析紅外光譜，根據(jù)上式可以計算得到吸收系數(shù)α。2、αmax和半峰寬Δv的求法用如下公式來求吸收系數(shù)αmax比較麻煩，一般用如下公式來求：I---從吸收峰到零透射線的測量值I0---從氧峰所對應的波數(shù)值橫坐標的垂線與基線的交點到零透射線的測量值半波峰：在吸收系數(shù)與波數(shù)的關系曲線上，取1/2

αmax為半峰高，在半峰高處吸收峰的寬度波數(shù)值。如圖所示ACABD基線實際半波峰峰的作法：：令C點在上上紅外光譜譜吸收峰值值的縱坐標標上的一點點，由C點點對應的透透射強度大大小為,過點C作基線的的平行線，，與波峰兩兩側交點之之間的波數(shù)數(shù)寬度為半半峰寬。。只要證明A點的吸收收系數(shù)為1/2αmax,則說明該該處得到的的波數(shù)寬即即為半峰寬寬：證明：因為及所以3、氧、碳碳含量的計計算公式：：（1）愛因因斯坦模型型理論計算算公式：此公式在公公式推導過過程中把Si-O振振子電荷看看成是完整整的電子電電荷，與實實際不符，，目前不采采用此公式式計算。（2）定氧氧含量的ASTM(美國材料料試驗協(xié)會會）經驗公公式：此方法設定定將半峰寬寬固固定為一常常數(shù)：32厘米-1，硅單晶晶中的氧與與αmax成正比關系系（波數(shù)為為1105cm-1的特征峰峰），采用用真空熔化化氣體分析析法，并用用空氣參考考法和差別別法測得到到紅外吸收收光譜計算算吸收系數(shù)數(shù)，因此得得到ASTM經驗公公式：1）空氣參參考法：室溫下（300K):77K：：2）差別法法：室溫下（300K):77K：：（3）定碳碳含量的ASTM經經驗公式：：用差別法測測量得到紅紅外光譜，，由于Si-C振動動的波數(shù)為為607cm-1(16.4微米)。。由于在室室溫條件下下，在波長長為16微微米處出現(xiàn)現(xiàn)硅晶格的的吸收波峰峰，強度很很大，因此此采用差別別法消除晶晶格吸收系系數(shù)。得到到經驗公式式：ASTM公司司通過對C的放射性性元素C14試驗得得到吸收系系數(shù)與碳含含量的關系系，得到經經驗公式：：（4）德國國工業(yè)標準準測氧、碳碳的經驗公公式：這一公式與與ASTM經驗公式式相比較，，由于吸收收系數(shù)換算算為氧、碳碳含量的折折算系數(shù)。。因此有：：此測試條件件與ASTM經驗公公式的測試試條件相同同（5）我國國測定標準準的經驗計計算公式：：國內用氦載載氣熔化-氣相色譜譜裝置測定定硅中氧含含量與紅外外吸收系數(shù)數(shù)之間的關關系，得到到如下經驗驗公式:三、我國測測試硅晶體體中間隙氧氧含量的標標準方法1、測試方方法與范圍圍：（1)紅外外吸收法(2）范圍圍：適用于于室溫電阻阻大于0.1Ω.cm的的硅晶體。。測量范圍圍為:3.5×1015at.cm-3至最大固溶度度。2、用紅外外光譜儀測測定Si-O鍵在1105cm-處的的吸收系數(shù)數(shù)來確定硅硅晶體中間間隙氧的含含量。3、測量儀儀器（1）雙光光束紅外分分光光度計計或傅里葉葉變換紅外外光譜儀。。（儀器在1105cm-處的的分辨率小小于5cm-。）（2）低溫溫測量裝置置。（3）千分分尺，精度度0.01mm.（4)被測測試樣架和和參比樣品品架。4、試樣制制備：（1）測試試試樣1）試樣切切?。◤念^頭部?。?、、研磨，試試樣的厚度度偏差小于于10μm。2）拋光：：機械拋光光或化學拋拋光，使兩兩表面均呈呈鏡面。3）在試試樣測量部部位，兩表表面的平整整度均不大大于2.2μm.4）試樣測測量部位試試驗的厚度度差均不大大于10μμm。5）氧含量量大于或等等于1×1017at.cm-3的試樣厚度度約為2mm;氧含含量小于于1×1017at.cm-3的試樣厚度度約為10mm。（2）參比比樣的制備備方法同上上，要求參參比樣品與與待測試樣樣品的厚度度差小于0.5%。。5.測試步步驟：（1）選擇方方法：[O]≥1×1017at.cm-3的試樣，用空空氣參考法或或差別法；含含量[O]≤1×1017at.cm-3的試樣,采用用差別。具體操作步驟驟：1）分別在試試樣光束和參參考比光束中中安放樣品架架，通光孔徑徑為直徑5～～10mm.2）調整透過過率0%和100%.3)放置置在樣品架上上分別放置待待測樣品和參參考樣品（空空氣參考法不不需放）。4）雙光束紅紅外分光光度度計要調整掃掃描速度、時時間常數(shù)、狹狹縫寬度和增增益等儀器參參數(shù)。在1105cm-處作半峰寬寬。如圖所示示。5）在1300～1000cm-范圍內掃描描，得到1105cm-處的硅-氧氧吸收帶。6）吸收峰（（T0-T)小于5%時時，應采用低低溫測量。7）采用78K測量時，，峰值位于1127.6cm-(8.8684μm）處，半半峰寬為20cm-。8）重復測量量三次，取結結果的平均值值。6、測量結果果的計算：將將測量值代入入計計算吸收系數(shù)數(shù)。7、氧含量的的計算：8、精確度：：單個實驗室室為±2%，，多個實驗室室測試為±3%。9、測試的影影響因素：（1）在氧吸吸收譜帶位置置有一個硅晶晶格吸收振動動譜帶，參考考樣品與待測測樣品的厚度度小于±0.5%，以避免晶格格吸收的影響響。（2）由于氧氧吸收譜帶與與硅晶格吸收收譜帶都會隨隨樣品溫度的的改變而改變變，因此測試試期間光譜儀儀樣品室的溫溫度恒定為27℃±5℃℃。（3）電阻率率低于1Ω.cm的n型硅單晶晶和電阻率低于3Ω.cm的p型硅單晶晶中的自由載流子吸收比較嚴重重，因此保證證參考樣品的的電阻率盡量量一致。（4）電阻率率低于0.1Ω.cm的n型硅單晶和和電阻率低于0.5Ω.cm的p型硅單晶中中的自由載流子吸收會使大多多數(shù)光譜儀難難以獲得滿意意的能量。（5）沉淀氧濃度較高時，其在在1230cm-或1073cm-處的吸收譜譜帶可能會導導致間隙氧濃濃度的測量誤誤差。（6）300K時，硅中中間隙氧吸收收帶的半峰寬寬應為32cm-。寬較較大時會導致致誤差。四、我國測試試硅晶體中替替位碳含量的的標準方法1、測試方法法與范圍：（1）紅外吸吸收法：利用用紅外光譜進進行定性定量量分析的方法法（2）范圍：：適用于室溫溫電阻大于0.1Ω.cm的硅硅晶體，載流流子濃度小于于5×1016at.cm-3。測量范圍為為:室溫下1×1016at.cm-3至最大固溶度度。77K時時下限降為5×1015at.cm-3。2、測試原理理：用紅外光光譜儀測定Si-C鍵在在607.2cm-（16.47μm)處的吸吸收系數(shù)來確確定硅晶體中中替位碳的含含量。3、測量儀器器（1）雙光束紅紅外分光光度度計或傅里葉葉變換紅外光光譜儀。（光光譜范圍700～550cm,室溫下下儀器在607.2cm-處的分分辨率小于2cm-,在77K時時，偏移到儀儀器在607.5cm-處的分辨辨率小于1cm-。））（2）低溫恒恒溫器能使試試樣與參比樣樣品維持在77K的溫度度。（3）厚度測測量儀，精度度0.025mm.（4)被測試試樣架和參比比樣品架避免免任何繞過樣樣品的紅外輻輻射。4、試樣制備備：（1）測試試試樣1）試樣切取?。◤奈膊咳∪樱⒀心ツ?。2）拋光：機機械拋光或化化學拋光，使使兩表面均呈呈鏡面。3）試樣厚度度約為2mm或更薄。4）在試樣樣測量部位，，兩表面的平平整度均不大大于2.2μm。5）試樣測量量部位試驗的的厚度均不大大于0.005mm。（2）制備方方法同上，要要求參比樣品品與待測試樣樣品的厚度差差小于0.01mm。參參比樣品替位位碳濃度小于于1×1015at.cm-35.測試步驟驟：1）分別在試試樣光束和參參考比光束中中安放樣品架架，通光孔徑徑為直徑5～～10mm.2）調整透過過率0%和100%.3)放置置在樣品架上上分別放置待待測樣品和參參考樣品。4）雙光束紅紅外分光光度度計要調整掃掃描速度、時時間常數(shù)、狹狹縫寬度和增增益等儀器參參數(shù)。在607.2cm-處作半峰寬。。要求半峰寬寬不大于6cm-，如圖所示。。5）在700～550cm-范圍圍內掃描，得得到607.2cm-處處的硅-碳吸吸收帶。6）若要提高高靈敏度，采采用77K測測量時，峰值值位于607.5cm-處,要求半峰峰寬為3cm-，試樣樣厚度增加到到5mm,最最大掃描速度度為1cm/min。6、測量結果果的計算：將將測量值代入入計計算吸收系數(shù)數(shù)。7、碳含量的的計算：8、精確度：：單個實驗室室為±10%。9、測試的影影響因素：（1）投射到到探測器的雜散光會降低吸收系系數(shù)的計算值值。（2）參比樣樣品和被測樣樣品的溫度必須相同，以以避免與溫度度有關的晶格吸收對測量的影響響。（3）參比樣樣品的碳濃度度應小于1×1015at.cm-3，使樣品造成成的誤差低于于最低檢測下下限的10%。（4）室溫下下碳吸收帶的的半峰寬小于于6cm-。。儀器平衡調調節(jié)不正確或或掃描速度過過快會導致半半峰寬變寬。。（5）硅中的的晶格吸收在在625cm-處很強，，應用差別法法測量，以消消除硅晶格吸吸收帶的影響響。（6)本方法法的最低檢測測下限取決于于記錄儀的信信噪比。9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。19:50:0719:50:0719:5012/29/20227:50:07PM11、以我獨獨沈久，，愧君相相見頻。。。12月-2219:50:0719:50Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。19:50:0719:50:0719:50Thursday,December29,202213、乍見翻疑疑夢，相悲悲各問年。。。12月-2212月-2219:50:0719:50:07December29,202214、他他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生生白白發(fā)發(fā)，，舊舊國國見見青青山山。。。。29十十二二月月20227:50:07下下午午19:50:0712月月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月227:50下下午午12月月-2219:50December29,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/2919:50:0719:50:0729December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。7:50:07下午午7:50下午午19:50:0712月-229、沒有失敗敗，只有暫暫時停止成成功！。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有結果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。19:50:0719:50:0719:5012/29/20227:50:07PM11、成功就是日日復一日那一一點點小小努努力的積累。。。12月-2219:50:0719:50Dec-2229-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。19:50:0719:50:0719:50Thursday,December29,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2219:50:0719:50:07December29,202214、意志志堅強強的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥塊一一樣任任意揉揉捏。。29十十二二月20227:50:07下下午19:50:0712月月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。十二二月月227:50下下午午12月月-2219:50December29,202216、少年十五二二十時，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/2919:50:0719:50:0729December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來來秋。。。7:50:07下下午7:50下下午午19:50:0712月月-229、楊柳散散和風，，青山澹澹吾慮。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、閱讀一切好好書如同和過過去最杰出的的人談話。19:50:0719:50:0719:5012/29/2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