GB/T 35306—2017硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法

1、范围

本标准规定了低温傅立叶变换红外光谱法测定硅单晶中代位碳、冋隙氧杂质含量的方法。

本标准适用于室温电阻率大于0.1 Q - cm的N型硅单晶和室温电阻率大于0.5 Q - cm的P型硅 单晶中代位碳、间隙氧杂质含量的测定。

本标准测定碳、氧含量的冇效范I韦I从5X I011 atoms • cm_'(0.01 ppma)到硅中代位碳和间隙氧的 最大固溶度*

2、规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件.

GB/T 6618、GB/T 8170、GB/T 14264、GB/T 29057、ASTM E131

3、术语和定义

GB/T 14264和ASTM E131界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1、背景光谱 background spectrum

在红外光谱仪中.无样品存在的情况下使用单光束测量获得的谱线，通常包括氮气、空气等信息.

3.2、参比 光谱 reference spectrum

参比样品的光谱。对于双光束仪器,参比光谱是直接将参比样品放置丁样品光路.让参比光路空着 获得的.对于傅立叶变换红外光谱仪及其他单光朿仪器,参比光谱是将参比样品的光谱扣除背景光谱后 得到的結果。

3.3、样品光谱 sample spectrum

测试样品的光谱•对于双光束仪器，样品光谱是宜接将样品放置于样品光路.让参比光路空着获得 的，对于傅立叶变换红外光谱仪及其他单光朿仪器•样品光谱是将样品的光谱扣除背景光谱后得到的 结果。

3.4、基线 baseline

从测量图谱中碳、氧吸收峰的两侧最小吸光度处作出的一条切线。用来计算吸收系数。和吸收峰 面积。

4、方法提要

将硅单晶样品冷却到低于15 K温度下.用红外光束直接透射样品•采集吸收光谱，采用参比法，根

据硅中代位碳原子在波数607.5 cm'1处的红外吸收峰的吸收系数确定碳含量、硅中间隙氧原子在波数

1136.3 cm、处的红外吸收峰的吸收系数确定氧含星:， 5干扰因素

5.1、在碳、氧的吸收谱带位置均存在硅晶格吸收振动谱带，该吸收振动谱带会影响碳、氣的测定；应采 用碳、氧含量小于5 X 1011 atoms • cm-3 (0.01 ppma)的区熔硅单晶片作为参比样品，旦参比样品与测试 样品的厚度应尽可能一致.以消除硅晶格吸收振动谱带的影响。

5.2、多级内部反射会产生次级干涉和基线偏离。通过改变样品厚度、表面处理方式或分辨率可以消除 次级干涉和基线偏离。

5.3、测试样品和参比样品应尽可能地保持相同的温度.以避免与温度有关的晶格吸收对测试结果的 影响。

5.4、为了获得较好的红外吸收光谱，要求样品双面抛光.具有良好的光学表面，样品表面抛光方法应 一致。

5.5、代位碳、间隙氣的红外光谱吸收峰位置和标定因于随肴温度而变化,温度不同，对应的吸收峰位置 和标定因子也不同.参见附录A。

5.6、在低温条件下，可以一定程度上抑制自由载流子的吸收.但是对于重掺杂的硅单晶，自由载流子浓 度很高由于严重的载流子吸收的影响，也很难测量徒的红外吸收光谱。

6、试剂和材料

6.1、无水乙醇：优级纯。

6.2、氮气：体积分数貝99.9%.露点V —40 °C。

6.3、氮气：休积分数299.999%。

7、仪器

7.1、低温傅立叶变换红外光谱仪：具有用于波数250 cmf〜1 300 cm，的光学部件和检测器，15 K温 度下光谱仪分辨率应达到1 cm-*或更佳。

7.2、样品架：由高热传导系数的金属材料制成，开冇小孔并口J■阻挡通过样品以外的任何红外光线。

7.3、千分尺或其他适用于测量样品厚度的设备，精度为0.001 mm。光谱范围：1500-280 cm-1检测器最佳的测试范围

依据ASTM/SEMI MF1630标准测试单晶硅的III族 和 V族浅层杂对于3mm厚的楔形样品，可达检测限为：

- 10 ppta 磷

- 30 ppta 硼

依据ASTM/SEMI MF1391标准测试替代碳。此方法需要FZ法制备的无碳标准样品以及厚度和表面都可比的待测样品。对于厚度为3mm的楔形样品，碳浓度检测下限达20 ppba

8、试样

将硅单品切割成硅单品样片，双面研磨，采用机械或化学方法双面抛光至镜面, 加工后的样品两个面测试区域厚度变化应不大于0.05 mm,表面应无氣化层。

制备好的样品厚度在2.0 mm〜4.0 mm之间.直径适合样品架大小。

对于多品硅样品,应参照GB/T 29057或其他方法预先制备成硅单品。

9、参比样品

选取碳、氧原子含量小于5X10" atoms，cm 3 (0.01 ppma)的区熔硅单晶片作为参比样品『参比 样品的制备和要求与测试样品相同，应满足第8章中的要求。

10、分析步骤

用无水乙酔将样品表面擦拭干净。

按GB/T 6618的规定测量样品厚度，精确至0.001 mm,并记录样片厚度d。

将样品装入到样品架上，再将样品架固定在样品室内。

设置仪器参数，通过仪器配置的低温恒温装置将样品冷却至低于15 K温度下。

运行分析程序，对空光孔进行扫描，采集背景光谱；对参比样品进行扫描，采集参比光谱；对待测 样品进行扫描•采集待测样品光谱。采用参比法计算代位碳、间隙氧的含量。

10.6代位碳、间隙氧的吸收峰位置见表1,红外谱图见图1和图2°

表1代位碳、间隙氧的吸收峰位置