GB∕T 35306-2023 硅單晶中碳、氧含量的測定 低溫傅立葉變換紅外光譜法（正式版）

硅單晶中碳、氧含量的測定低溫傅立葉變換紅外光譜法2023-08-06發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會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/T35306—2017《硅單晶中碳、氧含量的測定低溫傅立葉變換紅外光譜法》,與GB/T35306—2017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)更改了適用范圍(見第1章，2017年版的第1章);b)更改了方法原理(見第4章，2017年版的第4章);c)更改了干擾因素(見第5章，2017年版的第5章);d)更改了儀器的波數(shù)范圍(見7.1,2017年版的7.1);e)更改了樣品及參比樣品要求(見第8章，2017年版的第8章、第9章);f)更改了樣品厚度要求(見9.2,2017年版的8.3);g)增加了代位碳、間隙氧的基線范圍、積分范圍及校準(zhǔn)因子(見10.1);h)更改了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(見第10章，2017年版的第11章);i)更改了精密度(見第11章，2017年版的第12章);j)刪除了不同溫度的碳、氧紅外光譜吸收峰位置和標(biāo)定因子(見2017年版的附錄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(jī)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)委員會材料分技術(shù)委員會(SAC/TC203/SC2)共同提出并歸口。本文件起草單位：青海芯測科技有限公司、隆基綠能科技股份有限公司、有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院有限責(zé)任公司、青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司新能源分公司、洛陽中硅高科技有限公司、布魯克(北京)科技有限公司、亞洲硅業(yè)(青海)股份有限公司、宜昌南玻硅材料有限公司、陜西有色天宏瑞科硅材料有限責(zé)任公司、新疆新特新能材料檢測中心有限公司、弘元新材料(包頭)有限公司、高景太陽能股份有限公司。本文件主要起草人：薛心祿、秦榕、李素青、楊曉青、鄧浩、岳玉芳、李明珍、趙雄、張園園、趙躍、本文件于2017年首次發(fā)布，本次為第一次修訂。1硅單晶中碳、氧含量的測定低溫傅立葉變換紅外光譜法本文件描述了采用低溫傅立葉變換紅外光譜法測定硅單晶中代位碳、間隙氧含量的方法。本文件適用于室溫電阻率大于1Ω·cm的n型硅單晶和室溫電阻率大于3Ω·cm的p型硅單晶中代位碳、間隙氧含量的測定，測定范圍(以原子數(shù)計(jì))為2.5×1011cm-3～1.5×10l?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(jià)多晶硅棒的規(guī)程3術(shù)語和定義GB/T8322和GB/T14264界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。背景光譜backgroundspectrum在紅外光譜儀中，無樣品存在的情況下使用單光束測量獲得的譜線。參比樣品的光譜。注：在用雙光束光譜儀測試時(shí)，將參比樣品置于樣品光路，參比光路空著時(shí)獲得；在用傅立葉變換紅外光譜儀及單光束光譜儀時(shí)，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。注：在用雙光束儀器，將樣品放置于樣品光路，參比光路空著時(shí)獲得；在用傅立葉變換紅外光譜儀及單光束光譜儀時(shí)，用測試樣品的光譜扣除背景光譜后獲得。4方法原理將硅單晶樣品冷卻到低于15K溫度下，分別采集背景、參比、樣品的透射光譜，參比光譜和樣品光2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(間隙氧吸收峰面積不受硅晶格振動吸收峰的影響，因此計(jì)算間隙氧含量不需要扣除參比光譜),根據(jù)硅中碳在波數(shù)607.5cm-1處和氧在波數(shù)1136.3cm-1處的特征吸收峰，在其吸收譜帶上建立基線，測量吸收譜帶峰面積，按本方法給出的校準(zhǔn)因子，根據(jù)比耳定律，計(jì)算出代位碳和間隙氧的含量。5干擾因素5.1在碳的吸收譜帶位置存在硅晶格吸收振動譜帶，該吸收振動譜帶會影響碳的測定，應(yīng)采用碳含量(以原子數(shù)計(jì))小于2.5×101cm-3的區(qū)熔硅單晶片作為參比樣品，對于碳含量更低的樣品應(yīng)采用碳含量更低的區(qū)熔硅單晶片作為參比樣品，以獲得更低的檢測下限。5.2若參比樣品和測試樣品的厚度相對偏差大，則無法消除硅晶格吸收振動譜帶對檢測結(jié)果的影響。5.3光譜儀分辨率會影響檢測結(jié)果，多級內(nèi)部反射會產(chǎn)生次級干涉和基線偏離，通過改變樣品厚度、表面處理方式或分辨率可以消除次級干涉和基線偏離。5.4若測試樣品和參比樣品的溫度不同，則無法消除與溫度有關(guān)的晶格吸收對測試結(jié)果的影響。5.5為了獲得低噪聲的紅外吸收光譜圖，樣品應(yīng)采用相同的方法雙面拋光至鏡面，拋光后殘留的劃痕、損傷等都會對測量結(jié)果有影響。5.6低溫條件通常會抑制自由載流子的吸收，對于摻雜劑濃度較高的硅單晶，受自由載流子吸收的嚴(yán)重影響，硅的紅外吸收光譜很難測定。5.7基線噪聲對低含量代位碳和間隙氧樣品測試干擾較大，因峰高法計(jì)算不能避免基線噪聲對低含量代位碳和間隙氧樣品測試的影響，而無法獲得準(zhǔn)確的測試結(jié)果，低含量代位碳和間隙氧的樣品測試選用面積法計(jì)算可獲得更準(zhǔn)確的測試結(jié)果。5.8間隙氧對測試溫度比較敏感，低溫測量條件下間隙氧吸收峰位相對室溫測量條件下的吸收峰位有一定的偏移，吸收峰的半高寬變窄，測試溫度不穩(wěn)定和分辨率低會對測量結(jié)果有影響。6試劑或材料6.2氮?dú)猓后w積分?jǐn)?shù)不小于99.9%,露點(diǎn)小于-40℃。6.3氦氣：體積分?jǐn)?shù)不小于99.999%。7儀器設(shè)備7.1低溫傅立葉變換紅外光譜儀：具有波數(shù)270cm-1～1250cm-1的光學(xué)部件和檢測器，樣品室溫度低于15K,光譜儀分辨率不應(yīng)大于1cm-1。7.2樣品架：由高熱傳導(dǎo)系數(shù)的金屬材料制成，開有小孔并可阻擋通過樣品以外的任何紅外光線。7.3千分尺或其他適用于測量樣品厚度的設(shè)備，精度不低于0.001mm。8樣品8.1將硅單晶切割成硅單晶片，雙面研磨，采用機(jī)械或化學(xué)方法雙面拋光至鏡面。8.2加工后的樣品兩個(gè)面測試區(qū)域厚度變化不應(yīng)大于0.05mm,表面應(yīng)無氧化層。8.3制備好的樣品厚度在2.5mm～4.0mm,直徑應(yīng)與樣品架匹配。3吸光度吸光度8.4對于多晶硅樣品，按GB/T29057或其他方法預(yù)先制備成硅單晶。8.5選取碳含量(以原子數(shù)計(jì))小于2.5×101cm-3的區(qū)熔硅單晶片作為參比樣品，參比樣品的制備與測試樣品相同。9試驗(yàn)步驟9.1用無水乙醇將樣品表面擦拭干凈。9.2測量樣品厚度，精確至0.01mm,并記錄樣品厚度(d)。9.3將樣品裝入到樣品架上，再將樣品架固定在樣品室內(nèi)。9.4設(shè)置儀器參數(shù)，通過儀器配置的低溫恒溫裝置將樣品冷卻至低于15K溫度下。9.5運(yùn)行分析程序，對空光孔、參比樣品、待測樣品分別進(jìn)行掃描，采集背景光譜、參比光譜、待測樣品光譜。9.6在樣品光譜扣除背景光譜后的譜圖上積分得到間隙氧吸收峰的面積，在樣品光譜扣除背景光譜和參比光譜后的譜圖上積分得到代位碳吸收峰的面積。10試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理10.1代位碳、間隙氧的吸收峰位置、基線范圍、積分范圍及校準(zhǔn)因子見表1,代位碳的低溫紅外譜圖見圖1,間隙氧的低溫紅外譜圖見圖2。元素吸收峰位置基線范圍積分范圍校準(zhǔn)因子上限下限上限下限碳3.7×1016氧3.27×101?圖1代位碳的低溫紅外譜圖4GB/T波數(shù)/cm-l圖2間隙氧的低溫紅外譜圖10.2代位碳的含量按公式(1)進(jìn)行計(jì)算。式中：Nc——碳含量(以原子數(shù)計(jì)),單位為每立方厘米(cm-3);Ic——碳吸收峰的積分面積；d——樣品厚度，單位為厘米(cm);Fc——校準(zhǔn)因子，單位為每平方厘米(cm-2),當(dāng)溫度低于15K時(shí)，F(xiàn)c為3.55×101?cm-2。計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)，數(shù)值修約按GB/T8170的規(guī)定進(jìn)行。10.3間隙氧的含量按公式(2)進(jìn)行計(jì)算。式中：N?——氧含量(以原子數(shù)計(jì)),單位為每立方厘米(cm-3);I?——氧吸收峰的積分面積；d——樣品厚度，單位為厘米(cm);F?！?zhǔn)因子，單位為每平方厘米(cm-2),當(dāng)溫度低于15K時(shí)，F(xiàn)。為3.27×101?cm-2。計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)，數(shù)值修約按GB/T8170的規(guī)定進(jìn)行。11精密度取7個(gè)硅單晶樣品在3個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巡回測