紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測試方法與工藝

1、紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v一、硅單晶中氧、碳的分布情況一、硅單晶中氧、碳的分布情況 v1、氧、氧 ：在硅單晶中，以間隙氧的形式存在：在硅單晶中，以間隙氧的形式存在 v（1）硅中氧的含量：）硅中氧的含量： v直拉單晶硅：直拉單晶硅：4101731018原子原子/cm3 v多晶硅：多晶硅：10161017原子原子/cm3 v（2）最大溶解度：）最大溶解度： v熔硅：熔硅： 2.21018原子原子/cm3 v固體硅：固體硅： 2.751018原子原子/cm3 v（3）分布：硅單晶中的氧，由于分凝作用在晶體中呈條紋）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，

2、尾部低。狀分布，頭部高，尾部低。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v（4）間隙氧對硅單晶結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生的影響：）間隙氧對硅單晶結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生的影響： v1）可以增加硅片的機械強度，避免彎曲和翹曲等變形。）可以增加硅片的機械強度，避免彎曲和翹曲等變形。 v2）形成熱施主，會改變器件的電阻率和反向擊穿電壓，形）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。成堆垛層錯和漩渦缺陷。 v3）形成氧沉淀，產(chǎn)生位錯、堆垛層錯等缺陷。）形成氧沉淀，產(chǎn)生位錯、堆垛層錯等缺陷。 v2、碳：在硅單晶中，一間隙氧的形式存在、碳：在硅單晶中，一間隙氧的形式存在 v（1）單晶硅中氧

3、碳的含量：）單晶硅中氧碳的含量：10161017原子原子/cm3 v（2）最大溶解度：）最大溶解度： v熔硅：熔硅： 341018原子原子/cm3 v固體硅：固體硅： 5.51017原子原子/cm3 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v（3）分布：硅單晶中的碳，由于分凝作用在晶體中呈條紋）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。狀分布，頭部低，尾部高。 v（4）碳對硅單晶的影響）碳對硅單晶的影響 v1）碳以替位形式存在，使晶格發(fā)生畸變，是硅的生長條紋）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(guān)?？赡芘c碳的分布有關(guān)。 v2）碳

4、在硅單晶中成為雜質(zhì)氧的成核點，促進氧的沉淀。）碳在硅單晶中成為雜質(zhì)氧的成核點，促進氧的沉淀。 v3）導致晶體中堆垛層錯、漩渦缺陷等的產(chǎn)生。降低器件的）導致晶體中堆垛層錯、漩渦缺陷等的產(chǎn)生。降低器件的 反向電壓，增大漏電電流，降低器件的性能。反向電壓，增大漏電電流，降低器件的性能。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v二、紅外光譜法測單晶硅中氧、碳的含量二、紅外光譜法測單晶硅中氧、碳的含量 v1、硅中氧和碳的紅外吸收光譜。如圖所示、硅中氧和碳的紅外吸收光譜。如圖所示 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v（1）氧吸收峰：）氧吸收峰： v1）波長為）波長為 1 1=8.3=8

5、.3m(m(波數(shù)為波數(shù)為1205.cm-), 1205.cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要 為分子對稱伸縮振動產(chǎn)生的，為分子對稱伸縮振動產(chǎn)生的，吸收峰強度很小。吸收峰強度很小。 v2) 2) 波長為波長為 2 2=9=9m(m(波數(shù)為波數(shù)為1105.cm-), 1105.cm-), 此吸收波峰主要為此吸收波峰主要為 分子分子反對稱伸縮振動產(chǎn)生的，吸收峰強度最大。反對稱伸縮振動產(chǎn)生的，吸收峰強度最大。 v3）波長為）波長為 3 3=19.4=19.4m(m(波數(shù)為波數(shù)為515.cm-), 515.cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要 為分子彎曲振動產(chǎn)生的，吸收峰強度較小。為分子彎曲振動

6、產(chǎn)生的，吸收峰強度較小。 v（2）碳吸收峰：）碳吸收峰： v1）波長為）波長為 1 1=16.47=16.47m(m(波數(shù)為波數(shù)為607.2cm-), 607.2cm-), 此吸收波峰為此吸收波峰為 基頻峰，基頻峰，吸收峰強度較大。吸收峰強度較大。 v2) 2) 波長為波長為 2 2=8.2=8.2m(m(波數(shù)為波數(shù)為1217cm-), 1217cm-), 此吸收波峰主要為此吸收波峰主要為 倍頻峰，倍頻峰，吸收峰很小。吸收峰很小。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v2 2、半導體與光學常數(shù)之間的關(guān)系、半導體與光學常數(shù)之間的關(guān)系 v半導體對不同波長的光或電磁輻射有不同的吸收性能，半

7、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)常用吸收系數(shù)來描述這種吸收特性。來描述這種吸收特性。的大小與光的的大小與光的 波長波長有關(guān)，因而可以構(gòu)成一個有關(guān)，因而可以構(gòu)成一個的連續(xù)普帶，即的連續(xù)普帶，即 吸收光譜。吸收光譜。 v如圖所示，樣品受到一束強度為如圖所示，樣品受到一束強度為 I0 0，分為三部分：，分為三部分： v IR R 、 IK K 和和 IT T ，因此有，因此有 0RKT IIII d 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v將上式除將上式除 I I0 0 ，可得，可得 vR、K、T分別為反射率、吸收率和透射率。分別為反射率、吸收率和透射率。 v在上

8、圖中的理想鏡面，且兩面平行的樣品的情況下，考慮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(nèi)部經(jīng)多次反射，忽略干涉效應，透射光的強度光在樣品內(nèi)部經(jīng)多次反射，忽略干涉效應，透射光的強度 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v因此有因此有 v吸收系數(shù)吸收系數(shù)定義為定義為相當于波的能量經(jīng)過相當于波的能量經(jīng)過1/1/距離時減弱為距離時減弱為 1/e1/e倍。倍。因此因此越大，光強度透射減弱越多，光的吸收性能越大，光強度透射減弱越多，光的吸收性能 越高。越高。 v對于硅，對于硅，R=30%,R=30%,因此分析紅外光譜，根據(jù)上式可以計算得因此分析紅外光譜，根據(jù)上式可以計算得 到

9、吸收系數(shù)到吸收系數(shù)。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v2、max max和半峰寬 和半峰寬 v的求法的求法 v用如下公式來求吸收系數(shù)用如下公式來求吸收系數(shù) max max 比較麻煩， 比較麻煩， v一般用如下公式來求一般用如下公式來求 ： vI-從吸收峰到零透射線的測量值從吸收峰到零透射線的測量值 vI0-從氧峰所對應的波數(shù)值橫坐標的垂線與基線的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交點到零透射線的測量值 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v半波峰半波峰 ：在吸收系數(shù)與波數(shù)的關(guān)系曲線上，?。涸谖障禂?shù)與波數(shù)的關(guān)系曲線上，取1/2 v max

10、 max為半峰高，在半峰高處吸收峰的寬度波數(shù)值。如圖所 為半峰高，在半峰高處吸收峰的寬度波數(shù)值。如圖所 示示 A C A B D 基線 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v實際半波峰的作法：實際半波峰的作法： v令令C點在上紅外光譜吸收峰值的縱坐標上的一點，由點在上紅外光譜吸收峰值的縱坐標上的一點，由C點對點對 應的透射強度大小為應的透射強度大小為 ,過點過點C作基線的平行線，與波峰兩作基線的平行線，與波峰兩 側(cè)交點之間的波數(shù)寬度為半峰寬側(cè)交點之間的波數(shù)寬度為半峰寬 。 v只要證明只要證明A點的吸收系數(shù)為點的吸收系數(shù)為1/2max max ,則說明該處得到的波數(shù) 則說明該處得到的波

11、數(shù) 寬即為半峰寬：寬即為半峰寬： v證明：證明： v因為因為 v及及 v所以所以 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v3、氧、碳含量的計算公式：、氧、碳含量的計算公式： v（1）愛因斯坦模型理論計算公式：）愛因斯坦模型理論計算公式： v此公式在公式推導過程中把此公式在公式推導過程中把Si-O振子電荷看成是完整的電子振子電荷看成是完整的電子 電荷，與實際不符，目前不采用此公式計算。電荷，與實際不符，目前不采用此公式計算。 v（2）定氧含量的）定氧含量的ASTM(美國材料試驗協(xié)會）經(jīng)驗公式：美國材料試驗協(xié)會）經(jīng)驗公式： v此方法設(shè)定將半峰寬此方法設(shè)定將半峰寬 固定為一常數(shù)：固定為一常數(shù)

12、：32厘米厘米-1，硅單晶，硅單晶 中的氧與中的氧與max max 成正比關(guān)系（波數(shù)為 成正比關(guān)系（波數(shù)為1105cm-1的特征峰），的特征峰）， 采用真空熔化氣體分析法，并用空氣參考法和差別法測得到采用真空熔化氣體分析法，并用空氣參考法和差別法測得到 紅外吸收光譜計算吸收系數(shù)，因此得到紅外吸收光譜計算吸收系數(shù)，因此得到ASTM經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式： 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v1）空氣參考法：）空氣參考法： v室溫下（室溫下（300K): v77K ： v2）差別法：）差別法： v室溫下（室溫下（300K): v77K ： 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v（

13、3）定碳含量的）定碳含量的ASTM經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式： v用差別法測量得到紅外光譜，由于用差別法測量得到紅外光譜，由于Si-C振動的波數(shù)為振動的波數(shù)為 607cm-1(16.4微米微米)。由于在室溫條件下，在波長為。由于在室溫條件下，在波長為16微米微米 處出現(xiàn)硅晶格的吸收波峰，強度很大，因此采用差別法消除處出現(xiàn)硅晶格的吸收波峰，強度很大，因此采用差別法消除 晶格吸收系數(shù)。得到經(jīng)驗公式：晶格吸收系數(shù)。得到經(jīng)驗公式： ASTM公司通過對公司通過對C的放射的放射 性元素性元素C14試驗得到吸收系數(shù)與碳含量的關(guān)系，得到經(jīng)驗公試驗得到吸收系數(shù)與碳含量的關(guān)系，得到經(jīng)驗公 式：式： 紅外吸收法測定硅單晶中

14、氧和碳測 試方法與工藝 v（4）德國工業(yè)標準測氧、碳的經(jīng)驗公式：）德國工業(yè)標準測氧、碳的經(jīng)驗公式： v這一公式與這一公式與ASTM經(jīng)驗公式相比較，由于吸收系數(shù)換算為氧、經(jīng)驗公式相比較，由于吸收系數(shù)換算為氧、 碳含量的折算系數(shù)。因此有：碳含量的折算系數(shù)。因此有： v此測試條件與此測試條件與ASTM經(jīng)驗公式的測試條件相同經(jīng)驗公式的測試條件相同 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v（5）我國測定標準的經(jīng)驗計算公式：）我國測定標準的經(jīng)驗計算公式： v國內(nèi)用氦載氣熔化國內(nèi)用氦載氣熔化-氣相色譜裝置測定硅中氧含量與紅外吸氣相色譜裝置測定硅中氧含量與紅外吸 收系數(shù)之間的關(guān)系，得到如下經(jīng)驗公式收系

15、數(shù)之間的關(guān)系，得到如下經(jīng)驗公式: 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v三、我國測試硅晶體中間隙氧含量的標準方法三、我國測試硅晶體中間隙氧含量的標準方法 v1、測試方法與范圍：、測試方法與范圍： v（1)紅外吸收法紅外吸收法 v(2）范圍：適用于室溫電阻大于）范圍：適用于室溫電阻大于0.1.cm的硅晶體。測量范的硅晶體。測量范 圍為圍為:3.51015at.cm-3至最大固溶度。至最大固溶度。 v2、用紅外光譜儀測定、用紅外光譜儀測定Si-O鍵在鍵在1105cm-處的吸收系數(shù)來確處的吸收系數(shù)來確 定硅晶體中間隙氧的含量。定硅晶體中間隙氧的含量。 v3、測量儀器、測量儀器 v（1）雙光

16、束紅外分光光度計或傅里葉變換紅外光譜儀。）雙光束紅外分光光度計或傅里葉變換紅外光譜儀。 （儀器在（儀器在1105cm- 處的分辨率小于處的分辨率小于5cm- 。）。） v（2）低溫測量裝置。）低溫測量裝置。 v（3）千分尺，精度）千分尺，精度0.01mm. v（4)被測試樣架和參比樣品架。被測試樣架和參比樣品架。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v4、試樣制備：、試樣制備： v（1）測試試樣）測試試樣 v1）試樣切取（從頭部?。?、研磨，試樣的厚度偏差小于）試樣切取（從頭部?。?、研磨，試樣的厚度偏差小于 10m。 v2）拋光：機械拋光或化學拋光，使兩表面均呈鏡面。）拋光：機械拋光或

17、化學拋光，使兩表面均呈鏡面。 v3）在）在 試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于2.2 m. v4）試樣測量部位試驗的厚度差均不大于）試樣測量部位試驗的厚度差均不大于10 m。 v5）氧含量大于或等于）氧含量大于或等于11017at.cm-3 的試樣厚度約為的試樣厚度約為2mm; 氧含量氧含量 小于小于11017at.cm-3 的試樣厚度約為的試樣厚度約為10mm。 v（2）參比樣的制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品）參比樣的制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品 的厚度差小于的厚度差小于0.5%。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 5.測試

18、步驟：測試步驟： （1）選擇方法：）選擇方法：O 11017at.cm-3 的試樣，用空氣參考法的試樣，用空氣參考法 或差別法；含量或差別法；含量 O 11017at.cm-3 的試樣的試樣,采用差別。采用差別。 具體操作步驟：具體操作步驟： 1）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為 直徑直徑510mm. 2）調(diào)整透過率）調(diào)整透過率0%和和100%. 3) 放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品（空氣參考放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品（空氣參考 法不需放）。法不需放）。 4）雙光束紅外分光光度計要調(diào)整掃描速度、時間常

19、數(shù)、狹縫）雙光束紅外分光光度計要調(diào)整掃描速度、時間常數(shù)、狹縫 寬度和增益等儀器參數(shù)。在寬度和增益等儀器參數(shù)。在1105cm-處作半峰寬。如圖所示處作半峰寬。如圖所示。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 5）在）在1300 1000cm-范圍內(nèi)掃描，得到范圍內(nèi)掃描，得到1105cm-處的硅處的硅-氧吸氧吸 收帶。收帶。 6）吸收峰（）吸收峰（T0-T)小于小于5%時，應采用低溫測量。時，應采用低溫測量。 7）采用）采用78K測量時，峰值位于測量時，峰值位于1127.6cm-(8.8684m）處，半）處，半 峰寬為峰寬為20cm-。 8）重復測量三次，取結(jié)果的平均值。）重復測量三次，取

20、結(jié)果的平均值。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v6、測量結(jié)果的計算：將測量值代入、測量結(jié)果的計算：將測量值代入 計算吸收計算吸收 系數(shù)系數(shù) 。 v7、氧含量的計算：、氧含量的計算： v8、精確度：單個實驗室為、精確度：單個實驗室為2%，多個實驗室測試為，多個實驗室測試為3%。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 9、測試的影響因素：、測試的影響因素： （1）在氧吸收譜帶位置有一個硅晶格吸收振動譜帶，參考樣）在氧吸收譜帶位置有一個硅晶格吸收振動譜帶，參考樣 品與待測樣品的厚度小于品與待測樣品的厚度小于 0.5%，以避免晶格吸收的影響。，以避免晶格吸收的影響。 （2）由于

21、氧吸收譜帶與硅晶格吸收譜帶都會隨樣品溫度的改）由于氧吸收譜帶與硅晶格吸收譜帶都會隨樣品溫度的改 變而改變，因此測試期間光譜儀樣品室的溫度恒定為變而改變，因此測試期間光譜儀樣品室的溫度恒定為 275 。 （3）電阻率低于）電阻率低于1 .cm的的n型硅單晶和電阻率低于型硅單晶和電阻率低于3 .cm的的 p型硅單晶中的自由載流子吸收比較嚴重，因此保證參考樣型硅單晶中的自由載流子吸收比較嚴重，因此保證參考樣 品的電阻率盡量一致。品的電阻率盡量一致。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 （4）電阻率低于）電阻率低于0.1 .cm的的n型硅單晶和電阻率型硅單晶和電阻率低于低于0.5 .cm的的

22、p型硅單晶中的型硅單晶中的自由載流子吸收會使大多數(shù)光譜儀難自由載流子吸收會使大多數(shù)光譜儀難 以獲得滿意的能量。以獲得滿意的能量。 （5）沉淀氧濃度較高時，其在）沉淀氧濃度較高時，其在1230cm-或或1073cm-處的吸收處的吸收 譜帶可能會導致間隙氧濃度的測量誤差。譜帶可能會導致間隙氧濃度的測量誤差。 （6）300K時，硅中間隙氧吸收帶的半峰寬應為時，硅中間隙氧吸收帶的半峰寬應為32cm-。寬較。寬較 大時會導致誤差。大時會導致誤差。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v四、我國測試硅晶體中替位碳含量的標準方法四、我國測試硅晶體中替位碳含量的標準方法 v1、測試方法與范圍：、測試

23、方法與范圍： v（1）紅外吸收法：利用紅外光譜進行定性定量分析的方法）紅外吸收法：利用紅外光譜進行定性定量分析的方法 v（2）范圍：適用于室溫電阻大于）范圍：適用于室溫電阻大于0.1.cm的硅晶體，載流的硅晶體，載流 子濃度小于子濃度小于 51016at.cm-3。測量范圍為。測量范圍為:室溫下室溫下11016at.cm-3 至最大固溶度。至最大固溶度。77K時下限降為時下限降為51015at.cm-3 。 v2、測試原理：用紅外光譜儀測定、測試原理：用紅外光譜儀測定Si-C鍵在鍵在607.2cm- （16.47m)處的吸收系數(shù)來確定硅晶體中替位碳的含量。處的吸收系數(shù)來確定硅晶體中替位碳的含量

24、。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v3、測量儀器、測量儀器 v（1）雙光束紅外分光光度計或傅里葉變換紅外光譜儀。）雙光束紅外分光光度計或傅里葉變換紅外光譜儀。 （光譜范圍（光譜范圍700550cm,室溫下儀器在室溫下儀器在607.2cm- 處的分辨處的分辨 率小于率小于2cm- ,在在77K時，偏移到儀器在時，偏移到儀器在607.5cm- 處的分辨處的分辨 率小于率小于1cm- 。）。） v（2）低溫恒溫器能使試樣與參比樣品維持在）低溫恒溫器能使試樣與參比樣品維持在77K的溫度。的溫度。 v（3）厚度測量儀，精度）厚度測量儀，精度0.025mm. v（4)被測試樣架和參比樣品架

25、避免任何繞過樣品的紅外輻射。被測試樣架和參比樣品架避免任何繞過樣品的紅外輻射。 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 v4、試樣制備：、試樣制備： v（1）測試試樣）測試試樣 v1）試樣切?。◤奈膊咳樱?、研磨。）試樣切?。◤奈膊咳樱?、研磨。 v2）拋光：機械拋光或化學拋光，使兩表面均呈鏡面。）拋光：機械拋光或化學拋光，使兩表面均呈鏡面。 v3）試樣厚度約為）試樣厚度約為2mm或更薄?；蚋?。 v4）在）在 試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于2.2 m。 v5）試樣測量部位試驗的厚度均不大于）試樣測量部位試驗的厚度均不大于0.005mm。 v（2

26、）制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品的厚度差）制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品的厚度差 小于小于0.01mm。參比樣品替位碳濃度小于。參比樣品替位碳濃度小于11015at.cm-3 紅外吸收法測定硅單晶中氧和碳測 試方法與工藝 5.測試步驟：測試步驟： 1）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為 直徑直徑510mm. 2）調(diào)整透過率）調(diào)整透過率0%和和100%. 3) 放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品。放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品。 4）雙光束紅外分光光度計要調(diào)整掃描速度、時間常數(shù)、狹縫）雙光束紅外分光光度計要調(diào)整掃描速