红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺

1、v一、硅单晶中氧、碳的分布情况一、硅单晶中氧、碳的分布情况 v1、氧、氧 ：在硅单晶中，以间隙氧的形式存在：在硅单晶中，以间隙氧的形式存在 v（1）硅中氧的含量：）硅中氧的含量： v直拉单晶硅：直拉单晶硅：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固体硅：固体硅： 2.751018原子原子/cm3 v（3）分布：硅单晶中的氧，由于分凝作用在晶体中呈条纹）分布：硅单晶中的氧，由于分凝作用在晶体中呈条纹 状分布，头部高，尾部低。状分布，头部高，尾部低。 v（4）间隙

2、氧对硅单晶结构和性能产生的影响：）间隙氧对硅单晶结构和性能产生的影响： v1）可以增加硅片的机械强度，避免弯曲和翘曲等变形。）可以增加硅片的机械强度，避免弯曲和翘曲等变形。 v2）形成热施主，会改变器件的电阻率和反向击穿电压，形）形成热施主，会改变器件的电阻率和反向击穿电压，形 成堆垛层错和漩涡缺陷。成堆垛层错和漩涡缺陷。 v3）形成氧沉淀，产生位错、堆垛层错等缺陷。）形成氧沉淀，产生位错、堆垛层错等缺陷。 v2、碳：在硅单晶中，一间隙氧的形式存在、碳：在硅单晶中，一间隙氧的形式存在 v（1）单晶硅中氧碳的含量：）单晶硅中氧碳的含量：10161017原子原子/cm3 v（2）最大溶解度：）最大

3、溶解度： v熔硅：熔硅： 341018原子原子/cm3 v固体硅：固体硅： 5.51017原子原子/cm3 v（3）分布：硅单晶中的碳，由于分凝作用在晶体中呈条纹）分布：硅单晶中的碳，由于分凝作用在晶体中呈条纹 状分布，头部低，尾部高。状分布，头部低，尾部高。 v（4）碳对硅单晶的影响）碳对硅单晶的影响 v1）碳以替位形式存在，使晶格发生畸变，是硅的生长条纹）碳以替位形式存在，使晶格发生畸变，是硅的生长条纹 可能与碳的分布有关。可能与碳的分布有关。 v2）碳在硅单晶中成为杂质氧的成核点，促进氧的沉淀。）碳在硅单晶中成为杂质氧的成核点，促进氧的沉淀。 v3）导致晶体中堆垛层错、漩涡缺陷等的产生。

4、降低器件的）导致晶体中堆垛层错、漩涡缺陷等的产生。降低器件的 反向电压，增大漏电电流，降低器件的性能。反向电压，增大漏电电流，降低器件的性能。 v二、红外光谱法测单晶硅中氧、碳的含量二、红外光谱法测单晶硅中氧、碳的含量 v1、硅中氧和碳的红外吸收光谱。如图所示、硅中氧和碳的红外吸收光谱。如图所示 v（1）氧吸收峰：）氧吸收峰： v1）波长为）波长为 1 1=8.3m(=8.3m(波波数为数为1205.cm-), 1205.cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要 为为分子分子对称对称伸伸缩缩振振动产动产生的，生的，吸收峰吸收峰强度强度很小很小。 v2) 2) 波长为波长为 2 2=9m(=9m

5、(波波数为数为1105.cm-), 1105.cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要为为 分子分子反反对称对称伸伸缩缩振振动产动产生的，生的，吸收峰吸收峰强度最大。强度最大。 v3）波长为）波长为 3 3=19.4m(=19.4m(波波数为数为515515.cm-), .cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要 为为分子分子弯弯曲振曲振动产动产生的，生的，吸收峰吸收峰强度强度较较小。小。 v（2）碳吸收峰：）碳吸收峰： v1）波长为）波长为 1 1=16.47m(=16.47m(波波数为数为607.2cm-), 607.2cm-), 此吸收波峰此吸收波峰为为 基基频频峰，峰，吸收峰吸收峰强度

6、强度较大较大。 v2) 2) 波长为波长为 2 2=8.2m(=8.2m(波波数为数为1217cm-), 1217cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要为为 倍倍频频峰，峰，吸收峰吸收峰很小。很小。 v2 2、半导体与光学常数之间的关系、半导体与光学常数之间的关系 v半导体对不同波长的光或电磁辐射有不同的吸收性能，半导体对不同波长的光或电磁辐射有不同的吸收性能， 常用吸收系数常用吸收系数来描述这种吸收特性。来描述这种吸收特性。的大小与光的的大小与光的 波长波长有关，因而可以构成一个有关，因而可以构成一个的连续普带，即的连续普带，即 吸收光谱。吸收光谱。 v如图所示，样品受到一束强度为如图所示

7、，样品受到一束强度为 I0 0，分为三部分：，分为三部分： v IR R 、 IK K 和和 IT T ，因此有，因此有 0RKT IIII d v将上式除将上式除 I I0 0 ，可得，可得 vR、K、T分别为反射率、吸收率和透射率。分别为反射率、吸收率和透射率。 v在上图中的理想镜面，且两面平行的样品的情况下，考虑在上图中的理想镜面，且两面平行的样品的情况下，考虑 光在样品内部经多次反射，忽略干涉效应，透射光的强度光在样品内部经多次反射，忽略干涉效应，透射光的强度 v因此有因此有 v吸收系数吸收系数定义为定义为相当于波的能量经过相当于波的能量经过1/1/距离时减弱为距离时减弱为 1/e1/

8、e倍。倍。因此因此越大，光强度透射减弱越多，光的吸收性能越大，光强度透射减弱越多，光的吸收性能 越高。越高。 v对于硅，对于硅，R=30%,R=30%,因此分析红外光谱，根据上式可以计算得因此分析红外光谱，根据上式可以计算得 到吸收系数到吸收系数。 v2、max max和半峰宽 和半峰宽 v的求法的求法 v用如下公式来求吸收系数用如下公式来求吸收系数 max max 比较麻烦， 比较麻烦， v一般用如下公式来求一般用如下公式来求 ： vI-从吸收峰到零透射线的测量值从吸收峰到零透射线的测量值 vI0-从氧峰所对应的波数值横坐标的垂线与基线的从氧峰所对应的波数值横坐标的垂线与基线的 交点到零透射

9、线的测量值交点到零透射线的测量值 v半波峰半波峰 ：在吸收系数与波数的关系曲线上，取：在吸收系数与波数的关系曲线上，取1/2 v max max为半峰高，在半峰高处吸收峰的宽度波数值。如图所 为半峰高，在半峰高处吸收峰的宽度波数值。如图所 示示 A C A B D 基线 v实际半波峰的作法：实际半波峰的作法： v令令C点在上红外光谱吸收峰值的纵坐标上的一点，由点在上红外光谱吸收峰值的纵坐标上的一点，由C点对点对 应的透射强度大小为应的透射强度大小为 ,过点过点C作基线的平行线，与波峰两作基线的平行线，与波峰两 侧交点之间的波数宽度为半峰宽侧交点之间的波数宽度为半峰宽 。 v只要证明只要证明A点

10、的吸收系数为点的吸收系数为1/2max max ,则说明该处得到的波数 则说明该处得到的波数 宽即为半峰宽：宽即为半峰宽： v证明：证明： v因为因为 v及及 v所以所以 v3、氧、碳含量的计算公式：、氧、碳含量的计算公式： v（1）爱因斯坦模型理论计算公式：）爱因斯坦模型理论计算公式： v此公式在公式推导过程中把此公式在公式推导过程中把Si-O振子电荷看成是完整的电子振子电荷看成是完整的电子 电荷，与实际不符，目前不采用此公式计算。电荷，与实际不符，目前不采用此公式计算。 v（2）定氧含量的）定氧含量的ASTM(美国材料试验协会）经验公式：美国材料试验协会）经验公式： v此方法设定将半峰宽此

11、方法设定将半峰宽 固定为一常数：固定为一常数：32厘米厘米-1，硅单晶，硅单晶 中的氧与中的氧与max max 成正比关系（波数为 成正比关系（波数为1105cm-1的特征峰），的特征峰）， 采用真空熔化气体分析法，并用空气参考法和差别法测得到采用真空熔化气体分析法，并用空气参考法和差别法测得到 红外吸收光谱计算吸收系数，因此得到红外吸收光谱计算吸收系数，因此得到ASTM经验公式：经验公式： v1）空气参考法：）空气参考法： v室温下（室温下（300K): v77K ： v2）差别法：）差别法： v室温下（室温下（300K): v77K ： v（3）定碳含量的）定碳含量的ASTM经验公式：经验

12、公式： v用差别法测量得到红外光谱，由于用差别法测量得到红外光谱，由于Si-C振动的波数为振动的波数为 607cm-1(16.4微米微米)。由于在室温条件下，在波长为。由于在室温条件下，在波长为16微米微米 处出现硅晶格的吸收波峰，强度很大，因此采用差别法消除处出现硅晶格的吸收波峰，强度很大，因此采用差别法消除 晶格吸收系数。得到经验公式：晶格吸收系数。得到经验公式： ASTM公司通过对公司通过对C的放射的放射 性元素性元素C14试验得到吸收系数与碳含量的关系，得到经验公试验得到吸收系数与碳含量的关系，得到经验公 式：式： v（4）德国工业标准测氧、碳的经验公式：）德国工业标准测氧、碳的经验公

13、式： v这一公式与这一公式与ASTM经验公式相比较，由于吸收系数换算为氧、经验公式相比较，由于吸收系数换算为氧、 碳含量的折算系数。因此有：碳含量的折算系数。因此有： v此测试条件与此测试条件与ASTM经验公式的测试条件相同经验公式的测试条件相同 v（5）我国测定标准的经验计算公式：）我国测定标准的经验计算公式： v国内用氦载气熔化国内用氦载气熔化-气相色谱装置测定硅中氧含量与红外吸气相色谱装置测定硅中氧含量与红外吸 收系数之间的关系，得到如下经验公式收系数之间的关系，得到如下经验公式: v三、我国测试硅晶体中间隙氧含量的标准方法三、我国测试硅晶体中间隙氧含量的标准方法 v1、测试方法与范围：

14、、测试方法与范围： v（1)红外吸收法红外吸收法 v(2）范围：适用于室温电阻大于）范围：适用于室温电阻大于0.1.cm的硅晶体。测量范的硅晶体。测量范 围为围为:3.51015at.cm-3至至最大固溶度最大固溶度。 v2、用红外光谱仪测定、用红外光谱仪测定Si-O键在键在1105cm-处的吸收系数来确处的吸收系数来确 定硅晶体中间隙氧的含量。定硅晶体中间隙氧的含量。 v3、测量仪器、测量仪器 v（1）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。 （仪器在仪器在1105cm- 处的分辨率小于处的分辨率小于5cm- 。）。） v（2）低温测量装置。

15、）低温测量装置。 v（3）千分尺，精度）千分尺，精度0.01mm. v（4)被测试样架和参比样品架。被测试样架和参比样品架。 v4、试样制备：、试样制备： v（1）测试试样）测试试样 v1）试样切取（从头部取）、研磨，试样的厚度偏差小于）试样切取（从头部取）、研磨，试样的厚度偏差小于 10m。 v2）抛光：机械抛光或化学抛光，使两表面均呈镜面。）抛光：机械抛光或化学抛光，使两表面均呈镜面。 v3）在）在 试样测量部位，两表面的平整度均不大于试样测量部位，两表面的平整度均不大于2.2 m. v4）试样测量部位试验的厚度差均不大于）试样测量部位试验的厚度差均不大于10 m。 v5）氧含量大于或等于

16、）氧含量大于或等于11017at.cm-3 的试样厚度约为的试样厚度约为2mm; 氧含量氧含量 小于小于11017at.cm-3 的试样厚度约为的试样厚度约为10mm。 v（2）参比样的制备方法同上，要求参比样品与待测试样品）参比样的制备方法同上，要求参比样品与待测试样品 的厚度差小于的厚度差小于0.5%。 5.测试步骤：测试步骤： （1）选择方法：）选择方法：O 11017at.cm-3 的试样，用空气参考法的试样，用空气参考法 或差别法；含量或差别法；含量 O 11017at.cm-3 的试样的试样,采用差别。采用差别。 具体操作步骤：具体操作步骤： 1）分别在试样光束和参考比光束中安放样

17、品架，通光孔径为）分别在试样光束和参考比光束中安放样品架，通光孔径为 直径直径510mm. 2）调整透过率）调整透过率0%和和100%. 3) 放置在样品架上分别放置待测样品和参考样品（空气参考放置在样品架上分别放置待测样品和参考样品（空气参考 法不需放）。法不需放）。 4）双光束红外分光光度计要调整扫描速度、时间常数、狭缝）双光束红外分光光度计要调整扫描速度、时间常数、狭缝 宽度和增益等仪器参数。在宽度和增益等仪器参数。在1105cm-处作半峰宽。如图所示处作半峰宽。如图所示。 5）在）在1300 1000cm-范围内扫描，得到范围内扫描，得到1105cm-处的硅处的硅-氧吸氧吸 收带。收带

18、。 6）吸收峰（）吸收峰（T0-T)小于小于5%时，应采用低温测量。时，应采用低温测量。 7）采用）采用78K测量时，峰值位于测量时，峰值位于1127.6cm-(8.8684m）处，半）处，半 峰宽为峰宽为20cm-。 8）重复测量三次，取结果的平均值。）重复测量三次，取结果的平均值。 v6、测量结果的计算：将测量值代入、测量结果的计算：将测量值代入 计算吸收计算吸收 系数系数 。 v7、氧含量的计算：、氧含量的计算： v8、精确度：单个实验室为、精确度：单个实验室为2%，多个实验室测试为，多个实验室测试为3%。 9、测试的影响因素：、测试的影响因素： （1）在氧吸收谱带位置有一个硅晶格吸收振

19、动谱带，参考样）在氧吸收谱带位置有一个硅晶格吸收振动谱带，参考样 品与待测样品的厚度小于品与待测样品的厚度小于 0.5%，以避免晶格吸收的影响。，以避免晶格吸收的影响。 （2）由于氧吸收谱带与硅晶格吸收谱带都会随样品温度的改）由于氧吸收谱带与硅晶格吸收谱带都会随样品温度的改 变而改变，因此测试期间光谱仪样品室的温度恒定为变而改变，因此测试期间光谱仪样品室的温度恒定为 275 。 （3）电阻率低于）电阻率低于1 .cm的的n型硅单晶和电阻率型硅单晶和电阻率低于低于3 .cm的的 p型硅单晶中的型硅单晶中的自由载流子自由载流子吸收比较严重，因此保证参考样吸收比较严重，因此保证参考样 品的电阻率尽量

20、一致品的电阻率尽量一致。 （4）电阻率低于）电阻率低于0.1 .cm的的n型硅单晶和电阻率型硅单晶和电阻率低于低于0.5 .cm的的p型硅单晶中的型硅单晶中的自由载流子自由载流子吸收会使大多数光谱仪难吸收会使大多数光谱仪难 以获得满意的能量。以获得满意的能量。 （5）沉淀氧浓度沉淀氧浓度较高时，其在较高时，其在1230cm-或或1073cm-处的吸收处的吸收 谱带可能会导致间隙氧浓度的测量误差。谱带可能会导致间隙氧浓度的测量误差。 （6）300K时，硅中间隙氧吸收带的半峰宽应为时，硅中间隙氧吸收带的半峰宽应为32cm-。宽较。宽较 大时会导致误差。大时会导致误差。 v四、我国测试硅晶体中替位碳

21、含量的标准方法四、我国测试硅晶体中替位碳含量的标准方法 v1、测试方法与范围：、测试方法与范围： v（1）红外吸收法：利用红外光谱进行定性定量分析的方法）红外吸收法：利用红外光谱进行定性定量分析的方法 v（2）范围：适用于室温电阻大于）范围：适用于室温电阻大于0.1.cm的硅晶体，载流的硅晶体，载流 子浓度小于子浓度小于 51016at.cm-3。测量范围为。测量范围为:室温下室温下11016at.cm-3 至最大固溶度。至最大固溶度。77K时下限降为时下限降为51015at.cm-3 。 v2、测试原理：用红外光谱仪测定、测试原理：用红外光谱仪测定Si-C键在键在607.2cm- （16.4

22、7m)处的吸收系数来确定硅晶体中替位碳的含量。处的吸收系数来确定硅晶体中替位碳的含量。 v3、测量仪器、测量仪器 v（1）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。 （光谱范围（光谱范围700550cm,室温下仪器在室温下仪器在607.2cm- 处的分辨处的分辨 率小于率小于2cm- ,在在77K时，偏移到仪器在时，偏移到仪器在607.5cm- 处的分辨处的分辨 率小于率小于1cm- 。）。） v（2）低温恒温器能使试样与参比样品维持在）低温恒温器能使试样与参比样品维持在77K的温度。的温度。 v（3）厚度测量仪，精度）厚度测量仪，精度0.025

23、mm. v（4)被测试样架和参比样品架避免任何绕过样品的红外辐射。被测试样架和参比样品架避免任何绕过样品的红外辐射。 v4、试样制备：、试样制备： v（1）测试试样）测试试样 v1）试样切取（从尾部取样）、研磨）试样切取（从尾部取样）、研磨。 v2）抛光：机械抛光或化学抛光，使两表面均呈镜面。）抛光：机械抛光或化学抛光，使两表面均呈镜面。 v3）试样厚度约为）试样厚度约为2mm或更薄。或更薄。 v4）在）在 试样测量部位，两表面的平整度均不大于试样测量部位，两表面的平整度均不大于2.2 m。 v5）试样测量部位试验的厚度均不大于）试样测量部位试验的厚度均不大于0.005mm。 v（2）制备方法同上，要求参比样品与待测试样品的厚度差）制备方法同上，要求参比样品与待测试样品的厚度差 小于小于0.01mm。参比样品替位碳浓度小于。参比样品替位碳浓度小于11015at.cm-3 5.测试步骤：测试步骤： 1）分别在试样光束和参考比光束中安放样品架，通光孔径为）分别在试样光束和参考比光束中安放样品架，通光孔径为 直径直径510mm. 2）调整透过率）调整透过率0%和和100%. 3) 放置在样品架上分别放置待测样品和参考样品。放置在样品架上分别放置待测样品和参考样品。 4）双光束红外分光光度计要调整扫描速度、时间常数、狭缝）双光束红外分光光度计要调整扫描速度