硅晶体中碳氧含量的检验-1

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1、一、测试原理氧原子在熔硅中的最大溶解度约为3×1018原子/厘米3，在接近硅熔点时，液态硅中碳原子的溶解度约为3~4×1018原子/厘米3，固态硅中碳原子的溶解度约为5.5×1018原子/厘米3。氧和碳是硅中最多的主要的杂质。在硅单晶中，除了氧和碳以及有意掺入的掺杂杂质外，其他所有杂质原子的含量都在1012原子/厘米3左右及以下，几乎全部都在活化分析的检测限以下。一般硅单晶中掺杂杂质的浓度与氧、碳相比也是较低的。例如对于电路板级单晶，P型硅掺硼原子的浓度约为1015~1016原子/厘米3，N型硅掺磷原子的浓度为1014~1015原子/

2、厘米3，而典型的区熔硅的氧原子含量约为1015~1016原子/厘米3，典型的直拉硅的氧原子含量约为1017~1018原子/厘米3；典型的碳原子含量在1016~1017原子/厘米3左右，一般来说，区熔硅中碳原子的含量要比直拉硅低。氧碳含量指标直接关系到电池片的效率和碎片率，硅中氧含量越高，则电池片的转换效率就越低；碳含量越高，则应力越大，越容易破碎。氧和碳在硅晶体中都呈螺旋纹状分布。氧的分凝系数为1.25，大于1，所以熔体一侧的氧浓度比固态单晶一侧的浓度低，因此在直拉单晶中头部氧含量比较高，尾部氧含量比较低。碳的分凝系数小于1，为0.0

3、7，因此在直拉单晶生长时，熔体中的碳浓度逐渐增加，在晶体中，碳沿轴向的分布不均匀，头部低，尾部高。目前测定硅单晶中的氧、碳含量最常用的方法是红外吸收法。本方法除制备样品较复杂外，测试和计算都是比较方便的。现在红外吸收法已成为测量硅单晶中氧、碳含量的标准方法。用红外吸收法测氧、碳含量时，所测得的氧、碳含量不是硅单晶中的总氧和总碳含量。对氧来说，测得的是晶格中的间隙氧，对碳来说，则是晶格中的替位碳。红外吸收法测定硅单晶中氧原子含量的有效范围是2.5×1015~3.0×1018原子/厘米3，测定碳的有效范围是5×1015~3×1018。二、

4、测试工艺一般可用波数范围4000~400cm-1(波长为2.5~25μm)的双光束光栅，这种仪器应具备狭缝程序，分辨率为1~3cm-1。测氧的分辨率应不大于4cm-1,；测碳的分辨率不大于2cm-1。光源发出的辐射分为强度相等的两束光。一束光穿过样品时受到样品的吸收，吸收强度与不同频率处的吸收系数有关。另一束称为参比光束。在样品光束中设置了一楔形减光器，通过它在光路中的移进移出来调节光强。在参比光束中也设有一个相似的楔形减光器，由一个伺服电机驱动。这两束光到达一个转速为660（或780）r/min的扇形转镜后，在光路上即合并成同一条光

5、路，形成由样品光束和参比光束交替出现的脉冲光。这一光束通过单色器，被装置在其中的光栅分光、色散开来，光栅旋转时，色散的的光谱逐渐扫描通过单色器的出口狭缝。这一狭缝的宽度决定了由单色器出来的波数宽度。减少狭缝宽度可以提高分辨率，但信号强度也随之降低。狭缝宽度的调节在定量分析时是很有用的。由狭缝出来的脉冲光经抛物面反射镜聚焦到热偶探测器上。样品中的光吸收时，样品光束强度便比参比光束弱，两者之间的强度差称为“误差”。样品对光的吸收越强，“误差”越大。当这两束光在扇形镜中合并后，便以11（或13）Hz的频率出现交变信号。交变信号由探测器接收，

6、信号的幅值正比于样品和参比光束强度之差。这一“误差”信号经过11（或13）Hz放大器的放大、同步整流、50(或60)Hz变频、主放大器放大后，再去驱动参比光束楔形减光器的伺服电机，改变参比光束强度，直到与样品光束相等为止。此时“误差”信号减小至零，上述动作停止。纵向记录装置和参比光束楔形减光器联动，横向记录装置与光栅转动机构联动，纵向位移（Y轴）正比于样品的透过率，而横向位移（x轴）对应于相应的波数，这样就把红外吸收的光谱记录下来了。三、样品制备样品的厚度根据样品中杂质浓度而定。测氧的样品，若样品是用直拉法制备，厚度取2~4mm，一般

7、取2mm即可；区熔样品取10mm。测碳的样品，厚度取2mm。若用差别法测量时，所用参比样品的厚度应等于被测样品的厚度，偏差在±0.5%之内。选择样品厚度的原则是使吸收峰处的透射率为20%~80%。参比样品应不含有被测杂质，一般要求氧、碳原子含量在1015个/厘米3以下。要求把样品双面抛光至镜面。两面的平行度应在5′以内，平面度应在1/4λ之内，λ为吸收处峰处的波长。在光照面积φ=7mm的范围内，两个面的平整度均应在2.2μm以内。四、检测步骤1)样品加工l       取样硅单晶测氧取头部、测碳取尾部，多晶及外单位送样不限部位。样品厚

8、度2.3mm±0.2mm，大直径单晶硅片剖小时，必须是硅片的中心部位，多晶硅片应尽量保留硅芯部位。l       研磨用W20金刚砂研磨，去掉刀痕，并调整平整度，样品测量部位的厚度差≤0.01mm。l       抛光将