红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺

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1、一、硅单晶中氧、碳的分布情况1、氧：在硅单晶中，以间隙氧的形式存在（1）硅中氧的含量：直拉单晶硅：4×1017～3×1018原子/cm3多晶硅：1016～1017原子/cm3（2）最大溶解度：熔硅：2.2×1018原子/cm3固体硅：2.75×1018原子/cm3（3）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。（4）间隙氧对硅单晶结构和性能产生的影响：1）可以增加硅片的机械强度，避免弯曲和翘曲等变形。2）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。3）形成氧沉淀，产生位错、堆垛

2、层错等缺陷。2、碳：在硅单晶中，一间隙氧的形式存在（1）单晶硅中氧碳的含量：1016～1017原子/cm3（2）最大溶解度：熔硅：3～4×1018原子/cm3固体硅：5.5×1017原子/cm3（3）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。（4）碳对硅单晶的影响1）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。2）碳在硅单晶中成为杂质氧的成核点，促进氧的沉淀。3）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。二、红外光谱法测单晶硅中氧、碳

3、的含量1、硅中氧和碳的红外吸收光谱。如图所示（1）氧吸收峰：1）波长为λ1=8.3μm(波数为1205.cm-),此吸收波峰主要为分子对称伸缩振动产生的，吸收峰强度很小。2)波长为λ2=9μm(波数为1105.cm-),此吸收波峰主要为分子反对称伸缩振动产生的，吸收峰强度最大。3）波长为λ3=19.4μm(波数为515.cm-),此吸收波峰主要为分子弯曲振动产生的，吸收峰强度较小。（2）碳吸收峰：1）波长为λ1=16.47μm(波数为607.2cm-),此吸收波峰为基频峰，吸收峰强度较大。2)波长为λ2=8.2μm(波数为1217

4、cm-),此吸收波峰主要为倍频峰，吸收峰很小。2、半导体与光学常数之间的关系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α来描述这种吸收特性。α的大小与光的波长λ有关，因而可以构成一个α～λ的连续普带，即吸收光谱。如图所示，样品受到一束强度为I0，分为三部分：IR、IK和IT，因此有d将上式除I0，可得R、K、T分别为反射率、吸收率和透射率。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，透射光的强度因此有吸收系数α定义为相当于波的能量经过1/α距离时减弱为1/e倍。因此α越

5、大，光强度透射减弱越多，光的吸收性能越高。对于硅，R=30%,因此分析红外光谱，根据上式可以计算得到吸收系数α。2、αmax和半峰宽Δv的求法用如下公式来求吸收系数αmax比较麻烦，一般用如下公式来求：I---从吸收峰到零透射线的测量值I0---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线的测量值半波峰：在吸收系数与波数的关系曲线上，取1/2αmax为半峰高，在半峰高处吸收峰的宽度波数值。如图所示ACABD基线实际半波峰的作法：令C点在上红外光谱吸收峰值的纵坐标上的一点，由C点对应的透射强度大小为,过点C作基线的平行线，

6、与波峰两侧交点之间的波数宽度为半峰宽。只要证明A点的吸收系数为1/2αmax,则说明该处得到的波数宽即为半峰宽：证明：因为及所以3、氧、碳含量的计算公式：（1）爱因斯坦模型理论计算公式：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电荷，与实际不符，目前不采用此公式计算。（2）定氧含量的ASTM(美国材料试验协会）经验公式：此方法设定将半峰宽固定为一常数：32厘米-1，硅单晶中的氧与αmax成正比关系（波数为1105cm-1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红外吸收光谱计算吸收系数，因此得到

7、ASTM经验公式：1）空气参考法：室温下（300K):77K：2）差别法：室温下（300K):77K：（3）定碳含量的ASTM经验公式：用差别法测量得到红外光谱，由于Si-C振动的波数为607cm-1(16.4微米)。由于在室温条件下，在波长为16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晶格吸收系数。得到经验公式：ASTM公司通过对C的放射性元素C14试验得到吸收系数与碳含量的关系，得到经验公式：（4）德国工业标准测氧、碳的经验公式：这一公式与ASTM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：

8、此测试条件与ASTM经验公式的测试条件相同（5）我国测定标准的经验计算公式：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收系数之间的关系，得到如下经验公式:三、我国测试硅晶体中间隙氧含量的标准方法1、测试方法与范围：（1)红外吸收法(2）范