GB/T 35306—2017硅單晶中碳、氧含量的測定低溫傅立葉變換紅外光譜法

1、范圍

本標準規(guī)定了低溫傅立葉變換紅外光譜法測定硅單晶中代位碳、冋隙氧雜質含量的方法。

本標準適用于室溫電阻率大于0.1 Q - cm的N型硅單晶和室溫電阻率大于0.5 Q - cm的P型硅 單晶中代位碳、間隙氧雜質含量的測定。

本標準測定碳、氧含量的冇效范I韋I從5X I011 atoms ? cm_'(0.01 ppma)到硅中代位碳和間隙氧的 最大固溶度*

2、規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件.

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

3、術語和定義

GB/T 14264和ASTM E131界定的以及下列術語和定義適用于本文件。

3.1、背景光譜 background spectrum

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，通常包括氮氣、空氣等信息.

3.2、參比 光譜 reference spectrum

參比樣品的光譜。對于雙光束儀器,參比光譜是直接將參比樣品放置丁樣品光路.讓參比光路空著 獲得的.對于傅立葉變換紅外光譜儀及其他單光朿儀器,參比光譜是將參比樣品的光譜扣除背景光譜后 得到的結果。

3.3、樣品光譜 sample spectrum

測試樣品的光譜?對于雙光束儀器，樣品光譜是宜接將樣品放置于樣品光路.讓參比光路空著獲得 的，對于傅立葉變換紅外光譜儀及其他單光朿儀器?樣品光譜是將樣品的光譜扣除背景光譜后得到的 結果。

3.4、基線 baseline

從測量圖譜中碳、氧吸收峰的兩側最小吸光度處作出的一條切線。用來計算吸收系數(shù)。和吸收峰 面積。

4、方法提要

將硅單晶樣品冷卻到低于15 K溫度下.用紅外光束直接透射樣品?采集吸收光譜，采用參比法，根

據硅中代位碳原子在波數(shù)607.5 cm'1處的紅外吸收峰的吸收系數(shù)確定碳含量、硅中間隙氧原子在波數(shù)

1136.3 cm、處的紅外吸收峰的吸收系數(shù)確定氧含星:， 5干擾因素

5.1、在碳、氧的吸收譜帶位置均存在硅晶格吸收振動譜帶，該吸收振動譜帶會影響碳、氣的測定；應采 用碳、氧含量小于5 X 1011 atoms ? cm-3 (0.01 ppma)的區(qū)熔硅單晶片作為參比樣品，旦參比樣品與測試 樣品的厚度應盡可能一致.以消除硅晶格吸收振動譜帶的影響。

5.2、多級內部反射會產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。

5.3、測試樣品和參比樣品應盡可能地保持相同的溫度.以避免與溫度有關的晶格吸收對測試結果的 影響。

5.4、為了獲得較好的紅外吸收光譜，要求樣品雙面拋光.具有良好的光學表面，樣品表面拋光方法應 一致。

5.5、代位碳、間隙氣的紅外光譜吸收峰位置和標定因于隨肴溫度而變化,溫度不同，對應的吸收峰位置 和標定因子也不同.參見附錄A。

5.6、在低溫條件下，可以一定程度上抑制自由載流子的吸收.但是對于重摻雜的硅單晶，自由載流子濃 度很高由于嚴重的載流子吸收的影響，也很難測量徒的紅外吸收光譜。

6、試劑和材料

6.1、無水乙醇：優(yōu)級純。

6.2、氮氣：體積分數(shù)貝99.9%.露點V —40 °C。

6.3、氮氣：休積分數(shù)299.999%。

7、儀器

7.1、低溫傅立葉變換紅外光譜儀：具有用于波數(shù)250 cmf?1 300 cm，的光學部件和檢測器，15 K溫 度下光譜儀分辨率應達到1 cm-*或更佳。

7.2、樣品架：由高熱傳導系數(shù)的金屬材料制成，開冇小孔并口J■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備，精度為0.001 mm。光譜范圍：1500-280 cm-1檢測器最佳的測試范圍

依據ASTM/SEMI MF1630標準測試單晶硅的III族 和 V族淺層雜對于3mm厚的楔形樣品，可達檢測限為：

- 10 ppta 磷

- 30 ppta 硼

依據ASTM/SEMI MF1391標準測試替代碳。此方法需要FZ法制備的無碳標準樣品以及厚度和表面都可比的待測樣品。對于厚度為3mm的楔形樣品，碳濃度檢測下限達20 ppba

8、試樣

將硅單品切割成硅單品樣片，雙面研磨，采用機械或化學方法雙面拋光至鏡面, 加工后的樣品兩個面測試區(qū)域厚度變化應不大于0.05 mm,表面應無氣化層。

制備好的樣品厚度在2.0 mm?4.0 mm之間.直徑適合樣品架大小。

對于多品硅樣品,應參照GB/T 29057或其他方法預先制備成硅單品。

9、參比樣品

選取碳、氧原子含量小于5X10" atoms，cm 3 (0.01 ppma)的區(qū)熔硅單晶片作為參比樣品『參比 樣品的制備和要求與測試樣品相同，應滿足第8章中的要求。

10、分析步驟

用無水乙酔將樣品表面擦拭干凈。

按GB/T 6618的規(guī)定測量樣品厚度，精確至0.001 mm,并記錄樣片厚度d。

將樣品裝入到樣品架上，再將樣品架固定在樣品室內。

設置儀器參數(shù)，通過儀器配置的低溫恒溫裝置將樣品冷卻至低于15 K溫度下。

運行分析程序，對空光孔進行掃描，采集背景光譜；對參比樣品進行掃描，采集參比光譜；對待測 樣品進行掃描?采集待測樣品光譜。采用參比法計算代位碳、間隙氧的含量。

10.6代位碳、間隙氧的吸收峰位置見表1,紅外譜圖見圖1和圖2°

表1代位碳、間隙氧的吸收峰位置