GBT 1558-2023 硅中代位碳含量的紅外吸收測試方法

硅中代位碳含量的紅外吸收測試方法2023-12-28發(fā)布I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件代替GB/T1558—2009《硅中代位碳原子含量紅外吸收測量方法》。與GB/T1558—2009相比，除結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯性改動外，主要技術(shù)變化如下：a)更改了范圍(見第1章，2009年版的第1章);b)更改了術(shù)語和定義(見第3章，2009年版的第3章);c)更改了方法原理(見第4章，2009年版的第4章);e)增加了試驗條件(見第6章);f)更改了儀器設(shè)備要求(見7.2,2009年版的6.2),刪除了“窗口材料”和“溫度計”的要求(見2009年g)更改了樣品(見第8章，2009年版的第7章);h)更改了試驗步驟(見第9章，2009年版的第8章);i)更改了精密度(見第11章，2009年版的第10章);j)更改了試驗報告(見第12章，2009年版的第11章);k)增加了附錄A(見附錄A)。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由全國半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC203)與全國半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會材料分會(SAC/TC203/SC2)共同提出并歸口。本文件起草單位：中國電子科技集團公司第四十六研究所、青海芯測科技有限公司、天津中環(huán)領(lǐng)先材料技術(shù)有限公司、浙江金瑞泓科技股份公司、山東有研半導(dǎo)體材料有限公司、浙江海納半導(dǎo)體股份有限公司、布魯克(北京)科技有限公司、中國計量科學(xué)研究院、有色金屬技術(shù)經(jīng)濟研究院有限責(zé)任公司、開化縣檢驗檢測研究院、四川永祥新能源有限公司、亞洲硅業(yè)(青海)股份有限公司、新疆新特新能材料檢測中心有限公司、陜西有色天宏瑞科硅材料有限責(zé)任公司、中電晶華(天津)半導(dǎo)體材料有限公司、浙江眾晶電子有限公司、義烏力邁新材料有限公司、湖南三安半導(dǎo)體有限責(zé)任公司。本文件于1979年首次發(fā)布，1997年第一次修訂，2009年第二次修訂，本次為第三次修訂。1硅中代位碳含量的紅外吸收測試方法本文件描述了硅中代位碳原子含量的紅外吸收測試方法。本文件適用于電阻率大于3Ω·cm的p型硅單晶片及電阻率大于1Ω·cm的n型硅單晶片中代位碳原子含量的測試(室溫下測試范圍：5×101?cm-3至硅中碳原子的最大固溶度；溫度低于80K時測試范圍：不小于5×101?cm-3)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T8170數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定GB/T8322分子吸收光譜法術(shù)語GB/T14264半導(dǎo)體材料術(shù)語GB/T29057用區(qū)熔拉晶法和光譜分析法評價多晶硅棒的規(guī)程GB/T35306硅單晶中碳、氧含量的測定低溫傅立葉變換紅外光譜法3術(shù)語和定義GB/T14264和GB/T8322界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。在紅外光譜儀中，無樣品存在的情況下使用單光束測試獲得的譜線。注：通常包括氮氣、空氣等信息。從測試圖譜中碳峰的兩側(cè)最小吸光度處作出的切線。與計算吸收峰高度的碳峰相對應(yīng)波數(shù)處的基線值。參比樣品的光譜。注：在用雙光束光譜儀測試時，將參比樣品置于樣品光路，參比光路空著時獲得；在用傅立葉變換紅外光譜儀及單光束光譜儀時，用參比樣品的光譜扣除背景光譜后獲得。樣品光譜samplespectrum測試樣品的光譜。2注：在用雙光束儀器，將測試樣品放置于樣品光路，參比光路空著時獲得；在用傅立葉變換紅外光譜儀及單光束光譜儀時，用測試樣品的光譜扣除背景光譜后獲得。4方法原理室溫測試時，分別采集背景、參比樣品、測試樣品的透射光譜，參比光譜和樣品光譜扣除背景光譜后轉(zhuǎn)換為吸收光譜，并采用差譜法扣除碳吸收譜帶位置上的硅晶格吸收。根據(jù)比耳定律計算硅中代位碳原子在波數(shù)為605cm-1處紅外吸收峰的吸收系數(shù)，按本方法給出的標(biāo)定因子確定代位碳原子含量。溫度低于80K測試時，將硅單晶樣品冷卻到低于15K溫度下，分別采集背景、參比樣品、測試樣品的透射光譜，參比光譜和樣品光譜扣除背景光譜后轉(zhuǎn)換為吸收光譜，并采用差譜法扣除碳吸收譜帶位置上的硅晶格吸收。根據(jù)比耳定律計算硅中代位碳原子在波數(shù)為607.5cm1處紅外吸收峰的吸收系數(shù)，按給出的標(biāo)定因子來確定代位碳原子含量，具體測試方法按GB/T35306的規(guī)定進行。5干擾因素5.1投射到探測器上的雜散光會降低吸收系數(shù)的計算值，從而降低碳含量的測試值。5.2碳含量的標(biāo)定因子是溫度的函數(shù)，硅晶格吸收譜帶也會隨著測試溫度改變而變化。測試樣品和參比樣品宜保持相同的溫度，以降低溫度對晶格吸收帶峰強度的影響。5.3室溫測試時，參比樣品的碳含量應(yīng)小于1×1015cm-3,參比樣品造成的誤差應(yīng)低于本方法檢出限5.4樣品厚度及儀器分辨率設(shè)置過低有可能造成半高寬變寬。5.5樣品尺寸小于儀器測試光路的光圈直徑會產(chǎn)生誤差，可縮小光圈或采用合適的聚光器消除因樣品尺寸小于儀器測試光路的光圈直徑而產(chǎn)生的誤差。5.6硅中雙聲子晶格吸收在波數(shù)610cm-1處非常強，用參比法消除該處的晶格吸收帶，才能在室溫下測出碳的吸收光譜。5.7本方法的檢測下限取決于儀器的信噪比。為獲得最高的測試靈敏度，應(yīng)增加樣品的掃描時間。5.8本方法不適用于硅多晶樣品，硅多晶樣品應(yīng)按照GB/T29057的規(guī)定進行切取和制樣。5.9由于碳可能存在于間隙位置，本方法不能測試總碳含量。5.10測試樣品和參比樣品之間的厚度差宜盡可能小，以避免硅晶格吸收對測試的影響。5.11實驗室應(yīng)無機械沖擊、振動和電磁干擾。5.12測試時溫度浮動宜不大于±2℃;儀器內(nèi)部的相對濕度宜不大于20%,測試前宜采用氮氣或干燥空氣對儀器光路進行充分吹掃。5.13樣品表面拋光質(zhì)量對測試結(jié)果會產(chǎn)生影響，樣品表面應(yīng)無刀痕、劃傷、橘皮、小凹坑等。6試驗條件6.1環(huán)境溫度為27℃±5℃。6.2環(huán)境相對濕度小于60%。7儀器設(shè)備7.1傅里葉變換紅外光譜儀室溫紅外光譜儀的分辨率應(yīng)不大于2cm-1,低溫紅外光譜儀的分辨率應(yīng)不大于1cm-1,測試光譜3范圍為500cm-1～700cm-1。7.2厚度測試設(shè)備千分尺或其他適用于測試樣品厚度的設(shè)備的精度應(yīng)不低于0.001mm.7.3樣品架樣品架應(yīng)垂直或基本垂直于紅外光束的軸線方向。如果測試樣品較小，則應(yīng)放在有小孔的架子上避免任何紅外光線從樣品的旁路通過。8樣品8.1參比樣品代位碳原子含量應(yīng)小于1×101?cm-3。8.2樣品測試尺寸應(yīng)大于紅外光的通光面積。8.3樣品應(yīng)雙面拋光至鏡面，表面無刀痕、劃傷，測試區(qū)域應(yīng)無橘皮和小凹坑等。8.4室溫測試時，樣品厚度約為2mm,測試樣品和參比樣品厚度差宜不大于0.010mm。8.5樣品測試區(qū)的厚度變化應(yīng)不大于0.005mm。9試驗步驟9.1儀器檢查9.1.1雙光束儀器通過測試確定100%基線的噪聲水平，在樣品及參比光路都空著的情況下記錄透射光譜。對于單光束儀器，在樣品光路空著的情況下先后2次記錄光譜之比獲得透射光譜。畫出透射光譜在500cm-1～700cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的100%基線，使基線范圍達到99.5%～100.5%。9.1.2將樣品光路遮擋，記錄500cm-1～700cm-1波數(shù)范圍內(nèi)儀器的零點，在此范圍內(nèi)避免較大的非零信號。9.1.3用空氣參比法測試厚度為2mm的雙面拋光本征區(qū)熔硅單晶片在1600cm-1～2000cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的光譜圖，檢查儀器中刻度的線性度，在此波數(shù)范圍內(nèi)透光率應(yīng)為53.8%±2%。9.2繪制樣品的參比法差譜圖9.2.1室溫下測試時，設(shè)置儀器的分辨率不大于2cm-1;低于80K測試時，設(shè)置儀器的分辨率不大于9.2.2多次掃描，獲取光譜宜不少于64次。9.2.3紅外光束應(yīng)通過測試樣品和參比樣品的中心位置。對于雙光束儀器，將測試樣品放在樣品光束下，將參比樣品放在參比樣品光束下，測試500cm-1～700cm-'波數(shù)范圍內(nèi)的吸收光譜。對單光束儀器，用測試樣品光譜和參比樣品光譜計算出吸收光譜，分別測得測試樣品和參比樣品在500cm-1~700cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的吸收光譜。室溫下碳吸收帶的半高寬(FWHM)應(yīng)不大于6cm-1。低溫下，碳吸收帶的半高寬(FWHM)應(yīng)不大于3cm-1。9.2.4繪制樣品的碳含量參比法差譜圖，選取基線、確定半高寬的方法按附錄A的規(guī)定進行。10試驗數(shù)據(jù)處理10.1吸收系數(shù)(a)按公式(1)進行計算：4………(1)式中：α——吸收系數(shù)，單位為每厘米(cm-1);X——樣品厚度，單位為毫米(mm);Ap——吸收峰頂點處吸光度值；A,——基線處吸光度值。10.2代位碳原子含量(Nrcj)按公式(2)進行計算：Ntc]=F×α………………(2)式中：Nrc代位碳原子含量，單位為每立方厘米(cm-3);F標(biāo)定因子，單位為每平方厘米(cm-2);室溫時，F(xiàn)=8.2×101?cm-2;低于80K時，F(xiàn)=3.7×101?cm-2。α——吸收系數(shù)，單位為每厘米(cm-1)。計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字，數(shù)值修約按GB/T8170的規(guī)定進行。11精密度選取6個厚度約為2mm,碳含量范圍為6.0×101?cm-3～4.0×101?cm-3的樣品，在7個實驗室進行測試。單個實驗室測試的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于11%,多個實驗室測試的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于15%。12試驗報告試驗報告至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：b)測試樣品編號，c)環(huán)境溫度和環(huán)境濕度；d)樣品厚度；e)測試結(jié)果；f)本文件編號；5吸光度吸光度吸光度吸光度(規(guī)范性)硅在室溫和低溫下碳含量參比法差譜圖A.1硅在室溫下碳含量參比法差譜圖見圖A.1。標(biāo)引說明：1——碳吸收峰頂點處吸光度(A。);2——半高寬(△v),單位為每厘米(cm-1);3——基線處吸光度(Ab);v1——碳吸收帶半高寬處左側(cè)對應(yīng)波數(shù)，單位為每厘米(cm-1);v2——碳吸收帶半高寬處右側(cè)對應(yīng)波數(shù)，單位為每厘米(cm-l);A'——半高寬處吸光度。圖A.1硅樣品在室溫下碳含量參比法差譜圖A.2硅在低溫下碳含量參比法差譜圖見圖A.2。標(biāo)引說明：1——碳吸收峰處吸光度(Ag);2——半高寬(△v),單位為每厘米(cm-1);3——基線處吸光度(A,);vl——碳吸收帶半高寬處左側(cè)對應(yīng)波數(shù)，單位為每厘米(cm-1);v2——碳吸收帶半高寬處右側(cè)對應(yīng)波數(shù)，單位為每厘米(cm-1);A'——半高寬處吸光度。圖A.2硅樣品在低溫下碳含量參比法差譜圖6A.3室溫下測試時，在波數(shù)范圍500cm-1～700cm-1處分別測得測試樣品和參比樣品的吸收光譜。在波數(shù)范圍550cm-1～650cm-1處畫一條直線作為基線，取550cm-1～570cm-1和630cm-1~650cm-1兩個波數(shù)范圍內(nèi)吸光度的平均值，記為基線處吸光度(A,)。A.4室溫下測試時，取波數(shù)范圍603cm-1～607cm-1區(qū)域內(nèi)的最大吸光度值；低于80K測試時，取波數(shù)范圍605cm-1～609cm-1區(qū)域內(nèi)的最大吸光度值，記為碳吸收峰頂點處的吸光度值(Ap)。A.5基線處吸光度(Ap)和碳吸收峰頂點處的吸光度值(A。),保留三位有效數(shù)字。A.6半高寬處的吸光度(A')按公式(A.1)進行計算：式中：A'——半高寬處的