1、v一、硅單晶中氧、碳的分布情況一、硅單晶中氧、碳的分布情況v1、氧、氧 ：在硅單晶中，以間隙氧的形式存在：在硅單晶中，以間隙氧的形式存在v（1）硅中氧的含量：）硅中氧的含量：v直拉單晶硅：直拉單晶硅：4101731018原子原子/cm3v多晶硅：多晶硅：10161017原子原子/cm3v（2）最大溶解度：）最大溶解度：v熔硅：熔硅： 2.21018原子原子/cm3v固體硅：固體硅： 2.751018原子原子/cm3 v（3）分布：硅單晶中的氧，由于分凝作用在晶體中呈條紋）分布：硅單晶中的氧，由于分凝作用在晶體中呈條紋狀分布，頭部高，尾部低。狀分布，頭部高，尾部低。v（4）間隙氧對硅單晶結(jié)構(gòu)和性

2、能產(chǎn)生的影響：）間隙氧對硅單晶結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生的影響：v1）可以增加硅片的機(jī)械強(qiáng)度，避免彎曲和翹曲等變形。）可以增加硅片的機(jī)械強(qiáng)度，避免彎曲和翹曲等變形。v2）形成熱施主，會改變器件的電阻率和反向擊穿電壓，形）形成熱施主，會改變器件的電阻率和反向擊穿電壓，形成堆垛層錯和漩渦缺陷。成堆垛層錯和漩渦缺陷。v3）形成氧沉淀，產(chǎn)生位錯、堆垛層錯等缺陷。）形成氧沉淀，產(chǎn)生位錯、堆垛層錯等缺陷。v2、碳：在硅單晶中，一間隙氧的形式存在、碳：在硅單晶中，一間隙氧的形式存在v（1）單晶硅中氧碳的含量：）單晶硅中氧碳的含量：10161017原子原子/cm3v（2）最大溶解度：）最大溶解度：v熔硅：熔硅： 3410

3、18原子原子/cm3v固體硅：固體硅： 5.51017原子原子/cm3v（3）分布：硅單晶中的碳，由于分凝作用在晶體中呈條紋）分布：硅單晶中的碳，由于分凝作用在晶體中呈條紋狀分布，頭部低，尾部高。狀分布，頭部低，尾部高。v（4）碳對硅單晶的影響）碳對硅單晶的影響v1）碳以替位形式存在，使晶格發(fā)生畸變，是硅的生長條紋）碳以替位形式存在，使晶格發(fā)生畸變，是硅的生長條紋可能與碳的分布有關(guān)?？赡芘c碳的分布有關(guān)。v2）碳在硅單晶中成為雜質(zhì)氧的成核點(diǎn)，促進(jìn)氧的沉淀。）碳在硅單晶中成為雜質(zhì)氧的成核點(diǎn)，促進(jìn)氧的沉淀。v3）導(dǎo)致晶體中堆垛層錯、漩渦缺陷等的產(chǎn)生。降低器件的）導(dǎo)致晶體中堆垛層錯、漩渦缺陷等的產(chǎn)生。

4、降低器件的反向電壓，增大漏電電流，降低器件的性能。反向電壓，增大漏電電流，降低器件的性能。v二、紅外光譜法測單晶硅中氧、碳的含量二、紅外光譜法測單晶硅中氧、碳的含量v1、硅中氧和碳的紅外吸收光譜。如圖所示、硅中氧和碳的紅外吸收光譜。如圖所示v（1）氧吸收峰：）氧吸收峰：v1）波長為）波長為 1 1=8.3m(=8.3m(波波數(shù)為數(shù)為1205.cm-), 1205.cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要為為分子分子對稱對稱伸伸縮縮振振動產(chǎn)動產(chǎn)生的，生的，吸收峰吸收峰強(qiáng)度強(qiáng)度很小很小。v2) 2) 波長為波長為 2 2=9m(=9m(波波數(shù)為數(shù)為1105.cm-), 1105.cm-), 此吸收

5、波峰主要此吸收波峰主要為為分子分子反反對稱對稱伸伸縮縮振振動產(chǎn)動產(chǎn)生的，生的，吸收峰吸收峰強(qiáng)度最大。強(qiáng)度最大。v3）波長為）波長為 3 3=19.4m(=19.4m(波波數(shù)為數(shù)為515515.cm-), .cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要為為分子分子彎彎曲振曲振動產(chǎn)動產(chǎn)生的，生的，吸收峰吸收峰強(qiáng)度強(qiáng)度較較小。小。v（2）碳吸收峰：）碳吸收峰：v1）波長為）波長為 1 1=16.47m(=16.47m(波波數(shù)為數(shù)為607.2cm-), 607.2cm-), 此吸收波峰此吸收波峰為為基基頻頻峰，峰，吸收峰吸收峰強(qiáng)度強(qiáng)度較大較大。v2) 2) 波長為波長為 2 2=8.2m(=8.2m(波波

6、數(shù)為數(shù)為1217cm-), 1217cm-), 此吸收波峰主要此吸收波峰主要為為倍倍頻頻峰，峰，吸收峰吸收峰很小。很小。v2 2、半導(dǎo)體與光學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系、半導(dǎo)體與光學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系v半導(dǎo)體對不同波長的光或電磁輻射有不同的吸收性能，半導(dǎo)體對不同波長的光或電磁輻射有不同的吸收性能，常用吸收系數(shù)常用吸收系數(shù)來描述這種吸收特性。來描述這種吸收特性。的大小與光的的大小與光的波長波長有關(guān)，因而可以構(gòu)成一個(gè)有關(guān)，因而可以構(gòu)成一個(gè)的連續(xù)普帶，即的連續(xù)普帶，即吸收光譜。吸收光譜。v如圖所示，樣品受到一束強(qiáng)度為如圖所示，樣品受到一束強(qiáng)度為 I0 0，分為三部分：，分為三部分：v IR R 、 IK K 和和

7、IT T ，因此有，因此有0RKTIIIIdv將上式除將上式除 I I0 0 ，可得，可得vR、K、T分別為反射率、吸收率和透射率。分別為反射率、吸收率和透射率。v在上圖中的理想鏡面，且兩面平行的樣品的情況下，考慮在上圖中的理想鏡面，且兩面平行的樣品的情況下，考慮光在樣品內(nèi)部經(jīng)多次反射，忽略干涉效應(yīng)，透射光的強(qiáng)度光在樣品內(nèi)部經(jīng)多次反射，忽略干涉效應(yīng)，透射光的強(qiáng)度v因此有因此有v吸收系數(shù)吸收系數(shù)定義為定義為相當(dāng)于波的能量經(jīng)過相當(dāng)于波的能量經(jīng)過1/1/距離時(shí)減弱為距離時(shí)減弱為1/e1/e倍。倍。因此因此越大，光強(qiáng)度透射減弱越多，光的吸收性能越大，光強(qiáng)度透射減弱越多，光的吸收性能越高。越高。v對于硅

8、，對于硅，R=30%,R=30%,因此分析紅外光譜，根據(jù)上式可以計(jì)算得因此分析紅外光譜，根據(jù)上式可以計(jì)算得到吸收系數(shù)到吸收系數(shù)。v2、maxmax和半峰寬和半峰寬 v的求法的求法v用如下公式來求吸收系數(shù)用如下公式來求吸收系數(shù) maxmax 比較麻煩，比較麻煩，v一般用如下公式來求一般用如下公式來求 ：vI-從吸收峰到零透射線的測量值從吸收峰到零透射線的測量值vI0-從氧峰所對應(yīng)的波數(shù)值橫坐標(biāo)的垂線與基線的從氧峰所對應(yīng)的波數(shù)值橫坐標(biāo)的垂線與基線的交點(diǎn)到零透射線的測量值交點(diǎn)到零透射線的測量值v半波峰半波峰 ：在吸收系數(shù)與波數(shù)的關(guān)系曲線上，?。涸谖障禂?shù)與波數(shù)的關(guān)系曲線上，取1/2v maxmax為

9、半峰高，在半峰高處吸收峰的寬度波數(shù)值。如圖所為半峰高，在半峰高處吸收峰的寬度波數(shù)值。如圖所示示ACABD基線v實(shí)際半波峰的作法：實(shí)際半波峰的作法：v令令C點(diǎn)在上紅外光譜吸收峰值的縱坐標(biāo)上的一點(diǎn)，由點(diǎn)在上紅外光譜吸收峰值的縱坐標(biāo)上的一點(diǎn)，由C點(diǎn)對點(diǎn)對應(yīng)的透射強(qiáng)度大小為應(yīng)的透射強(qiáng)度大小為 ,過點(diǎn)過點(diǎn)C作基線的平行線，與波峰兩作基線的平行線，與波峰兩側(cè)交點(diǎn)之間的波數(shù)寬度為半峰寬側(cè)交點(diǎn)之間的波數(shù)寬度為半峰寬 。v只要證明只要證明A點(diǎn)的吸收系數(shù)為點(diǎn)的吸收系數(shù)為1/2maxmax ,則說明該處得到的波數(shù)則說明該處得到的波數(shù)寬即為半峰寬：寬即為半峰寬：v證明：證明：v因?yàn)橐驗(yàn)?v及及v所以所以v3、氧、碳含

10、量的計(jì)算公式：、氧、碳含量的計(jì)算公式：v（1）愛因斯坦模型理論計(jì)算公式：）愛因斯坦模型理論計(jì)算公式：v此公式在公式推導(dǎo)過程中把此公式在公式推導(dǎo)過程中把Si-O振子電荷看成是完整的電子振子電荷看成是完整的電子電荷，與實(shí)際不符，目前不采用此公式計(jì)算。電荷，與實(shí)際不符，目前不采用此公式計(jì)算。v（2）定氧含量的）定氧含量的ASTM(美國材料試驗(yàn)協(xié)會）經(jīng)驗(yàn)公式：美國材料試驗(yàn)協(xié)會）經(jīng)驗(yàn)公式：v此方法設(shè)定將半峰寬此方法設(shè)定將半峰寬 固定為一常數(shù)：固定為一常數(shù)：32厘米厘米-1，硅單晶，硅單晶中的氧與中的氧與maxmax 成正比關(guān)系（波數(shù)為成正比關(guān)系（波數(shù)為1105cm-1的特征峰），的特征峰），采用真空熔化

11、氣體分析法，并用空氣參考法和差別法測得到采用真空熔化氣體分析法，并用空氣參考法和差別法測得到紅外吸收光譜計(jì)算吸收系數(shù)，因此得到紅外吸收光譜計(jì)算吸收系數(shù)，因此得到ASTM經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：v1）空氣參考法：）空氣參考法：v室溫下（室溫下（300K):v77K ：v2）差別法：）差別法：v室溫下（室溫下（300K):v77K ：v（3）定碳含量的）定碳含量的ASTM經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：v用差別法測量得到紅外光譜，由于用差別法測量得到紅外光譜，由于Si-C振動的波數(shù)為振動的波數(shù)為607cm-1(16.4微米微米)。由于在室溫條件下，在波長為。由于在室溫條件下，在波長為16微米微米處出現(xiàn)硅晶格的吸收

12、波峰，強(qiáng)度很大，因此采用差別法消除處出現(xiàn)硅晶格的吸收波峰，強(qiáng)度很大，因此采用差別法消除晶格吸收系數(shù)。得到經(jīng)驗(yàn)公式：晶格吸收系數(shù)。得到經(jīng)驗(yàn)公式： ASTM公司通過對公司通過對C的放射的放射性元素性元素C14試驗(yàn)得到吸收系數(shù)與碳含量的關(guān)系，得到經(jīng)驗(yàn)公試驗(yàn)得到吸收系數(shù)與碳含量的關(guān)系，得到經(jīng)驗(yàn)公式：式：v（4）德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測氧、碳的經(jīng)驗(yàn)公式：）德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測氧、碳的經(jīng)驗(yàn)公式：v這一公式與這一公式與ASTM經(jīng)驗(yàn)公式相比較，由于吸收系數(shù)換算為氧、經(jīng)驗(yàn)公式相比較，由于吸收系數(shù)換算為氧、碳含量的折算系數(shù)。因此有：碳含量的折算系數(shù)。因此有：v此測試條件與此測試條件與ASTM經(jīng)驗(yàn)公式的測試條件相同經(jīng)驗(yàn)公式的測試條

13、件相同v（5）我國測定標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：）我國測定標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：v國內(nèi)用氦載氣熔化國內(nèi)用氦載氣熔化-氣相色譜裝置測定硅中氧含量與紅外吸氣相色譜裝置測定硅中氧含量與紅外吸收系數(shù)之間的關(guān)系，得到如下經(jīng)驗(yàn)公式收系數(shù)之間的關(guān)系，得到如下經(jīng)驗(yàn)公式:v三、我國測試硅晶體中間隙氧含量的標(biāo)準(zhǔn)方法三、我國測試硅晶體中間隙氧含量的標(biāo)準(zhǔn)方法 v1、測試方法與范圍：、測試方法與范圍：v（1)紅外吸收法紅外吸收法v(2）范圍：適用于室溫電阻大于）范圍：適用于室溫電阻大于0.1.cm的硅晶體。測量范的硅晶體。測量范圍為圍為:3.51015at.cm-3至至最大固溶度最大固溶度。v2、用紅外光譜儀測定、用紅外光譜儀

14、測定Si-O鍵在鍵在1105cm-處的吸收系數(shù)來確處的吸收系數(shù)來確定硅晶體中間隙氧的含量。定硅晶體中間隙氧的含量。v3、測量儀器、測量儀器v（1）雙光束紅外分光光度計(jì)或傅里葉變換紅外光譜儀。）雙光束紅外分光光度計(jì)或傅里葉變換紅外光譜儀。（儀器在儀器在1105cm- 處的分辨率小于處的分辨率小于5cm- 。）。）v（2）低溫測量裝置。）低溫測量裝置。v（3）千分尺，精度）千分尺，精度0.01mm.v（4)被測試樣架和參比樣品架。被測試樣架和參比樣品架。v4、試樣制備：、試樣制備：v（1）測試試樣）測試試樣v1）試樣切?。◤念^部?。⒀心ィ嚇拥暮穸绕钚∮冢┰嚇忧腥。◤念^部?。?、研磨，試樣的厚度

15、偏差小于10m。v2）拋光：機(jī)械拋光或化學(xué)拋光，使兩表面均呈鏡面。）拋光：機(jī)械拋光或化學(xué)拋光，使兩表面均呈鏡面。v3）在）在 試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于2.2 m.v4）試樣測量部位試驗(yàn)的厚度差均不大于）試樣測量部位試驗(yàn)的厚度差均不大于10 m。v5）氧含量大于或等于）氧含量大于或等于11017at.cm-3 的試樣厚度約為的試樣厚度約為2mm;氧含量氧含量 小于小于11017at.cm-3 的試樣厚度約為的試樣厚度約為10mm。v（2）參比樣的制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品）參比樣的制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品的厚度差小于的厚度

16、差小于0.5%。5.測試步驟：測試步驟：（1）選擇方法：）選擇方法：O 11017at.cm-3 的試樣，用空氣參考法的試樣，用空氣參考法或差別法；含量或差別法；含量 O 11017at.cm-3 的試樣的試樣,采用差別。采用差別。具體操作步驟：具體操作步驟：1）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為直徑直徑510mm.2）調(diào)整透過率）調(diào)整透過率0%和和100%.3) 放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品（空氣參考放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品（空氣參考法不需放）。法不需放）。4）雙光束紅外分光光度計(jì)要調(diào)整掃描速度、

17、時(shí)間常數(shù)、狹縫）雙光束紅外分光光度計(jì)要調(diào)整掃描速度、時(shí)間常數(shù)、狹縫寬度和增益等儀器參數(shù)。在寬度和增益等儀器參數(shù)。在1105cm-處作半峰寬。如圖所示處作半峰寬。如圖所示。5）在）在1300 1000cm-范圍內(nèi)掃描，得到范圍內(nèi)掃描，得到1105cm-處的硅處的硅-氧吸氧吸收帶。收帶。6）吸收峰（）吸收峰（T0-T)小于小于5%時(shí)，應(yīng)采用低溫測量。時(shí)，應(yīng)采用低溫測量。7）采用）采用78K測量時(shí)，峰值位于測量時(shí)，峰值位于1127.6cm-(8.8684m）處，半）處，半峰寬為峰寬為20cm-。8）重復(fù)測量三次，取結(jié)果的平均值。）重復(fù)測量三次，取結(jié)果的平均值。v6、測量結(jié)果的計(jì)算：將測量值代入、測量

18、結(jié)果的計(jì)算：將測量值代入 計(jì)算吸收計(jì)算吸收系數(shù)系數(shù) 。v7、氧含量的計(jì)算：、氧含量的計(jì)算：v8、精確度：單個(gè)實(shí)驗(yàn)室為、精確度：單個(gè)實(shí)驗(yàn)室為2%，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室測試為，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室測試為3%。 9、測試的影響因素：、測試的影響因素：（1）在氧吸收譜帶位置有一個(gè)硅晶格吸收振動譜帶，參考樣）在氧吸收譜帶位置有一個(gè)硅晶格吸收振動譜帶，參考樣品與待測樣品的厚度小于品與待測樣品的厚度小于 0.5%，以避免晶格吸收的影響。，以避免晶格吸收的影響。（2）由于氧吸收譜帶與硅晶格吸收譜帶都會隨樣品溫度的改）由于氧吸收譜帶與硅晶格吸收譜帶都會隨樣品溫度的改變而改變，因此測試期間光譜儀樣品室的溫度恒定為變而改變，因此測試期

19、間光譜儀樣品室的溫度恒定為275 。（3）電阻率低于）電阻率低于1 .cm的的n型硅單晶和電阻率型硅單晶和電阻率低于低于3 .cm的的p型硅單晶中的型硅單晶中的自由載流子自由載流子吸收比較嚴(yán)重，因此保證參考樣吸收比較嚴(yán)重，因此保證參考樣品的電阻率盡量一致品的電阻率盡量一致。（4）電阻率低于）電阻率低于0.1 .cm的的n型硅單晶和電阻率型硅單晶和電阻率低于低于0.5 .cm的的p型硅單晶中的型硅單晶中的自由載流子自由載流子吸收會使大多數(shù)光譜儀難吸收會使大多數(shù)光譜儀難以獲得滿意的能量。以獲得滿意的能量。（5）沉淀氧濃度沉淀氧濃度較高時(shí)，其在較高時(shí)，其在1230cm-或或1073cm-處的吸收處的

20、吸收譜帶可能會導(dǎo)致間隙氧濃度的測量誤差。譜帶可能會導(dǎo)致間隙氧濃度的測量誤差。（6）300K時(shí)，硅中間隙氧吸收帶的半峰寬應(yīng)為時(shí)，硅中間隙氧吸收帶的半峰寬應(yīng)為32cm-。寬較。寬較大時(shí)會導(dǎo)致誤差。大時(shí)會導(dǎo)致誤差。v四、我國測試硅晶體中替位碳含量的標(biāo)準(zhǔn)方法四、我國測試硅晶體中替位碳含量的標(biāo)準(zhǔn)方法v1、測試方法與范圍：、測試方法與范圍：v（1）紅外吸收法：利用紅外光譜進(jìn)行定性定量分析的方法）紅外吸收法：利用紅外光譜進(jìn)行定性定量分析的方法v（2）范圍：適用于室溫電阻大于）范圍：適用于室溫電阻大于0.1.cm的硅晶體，載流的硅晶體，載流子濃度小于子濃度小于 51016at.cm-3。測量范圍為。測量范圍為

21、:室溫下室溫下11016at.cm-3 至最大固溶度。至最大固溶度。77K時(shí)下限降為時(shí)下限降為51015at.cm-3 。v2、測試原理：用紅外光譜儀測定、測試原理：用紅外光譜儀測定Si-C鍵在鍵在607.2cm-（16.47m)處的吸收系數(shù)來確定硅晶體中替位碳的含量。處的吸收系數(shù)來確定硅晶體中替位碳的含量。v3、測量儀器、測量儀器v（1）雙光束紅外分光光度計(jì)或傅里葉變換紅外光譜儀。）雙光束紅外分光光度計(jì)或傅里葉變換紅外光譜儀。（光譜范圍（光譜范圍700550cm,室溫下儀器在室溫下儀器在607.2cm- 處的分辨處的分辨率小于率小于2cm- ,在在77K時(shí)，偏移到儀器在時(shí)，偏移到儀器在607

22、.5cm- 處的分辨處的分辨率小于率小于1cm- 。）。）v（2）低溫恒溫器能使試樣與參比樣品維持在）低溫恒溫器能使試樣與參比樣品維持在77K的溫度。的溫度。v（3）厚度測量儀，精度）厚度測量儀，精度0.025mm.v（4)被測試樣架和參比樣品架避免任何繞過樣品的紅外輻射。被測試樣架和參比樣品架避免任何繞過樣品的紅外輻射。 v4、試樣制備：、試樣制備：v（1）測試試樣）測試試樣v1）試樣切取（從尾部取樣）、研磨）試樣切?。◤奈膊咳樱?、研磨。v2）拋光：機(jī)械拋光或化學(xué)拋光，使兩表面均呈鏡面。）拋光：機(jī)械拋光或化學(xué)拋光，使兩表面均呈鏡面。v3）試樣厚度約為）試樣厚度約為2mm或更薄?；蚋　4

23、）在）在 試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于2.2 m。v5）試樣測量部位試驗(yàn)的厚度均不大于）試樣測量部位試驗(yàn)的厚度均不大于0.005mm。v（2）制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品的厚度差）制備方法同上，要求參比樣品與待測試樣品的厚度差小于小于0.01mm。參比樣品替位碳濃度小于。參比樣品替位碳濃度小于11015at.cm-3 5.測試步驟：測試步驟：1）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為）分別在試樣光束和參考比光束中安放樣品架，通光孔徑為直徑直徑510mm.2）調(diào)整透過率）調(diào)整透過率0%和和100%.3) 放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品。放置在樣品架上分別放置待測樣品和參考樣品。4）雙光束紅外分光光度計(jì)要調(diào)整掃描速度、時(shí)間常數(shù)、狹縫）雙光束紅外分光光度計(jì)要調(diào)整掃描速度、時(shí)