红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺解析.pptVIP

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1217cm-), 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 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 半波峰 ：在吸收系数与波数的关系曲线上，取1/2 αmax为半峰高，在半峰高处吸收峰的宽度波数值。如图所示 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，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： 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）范围：适用于室温电阻大于0.1Ω.cm的硅晶体。测量范围为