單晶硅材料可以用于制造太陽能電池、半導體器件等，由于其應用領域的特殊性要求其純度達到99.9999% 甚至更高。在單晶硅生產過程中由原料及方法等因素難以避免的引入了碳、氧等雜質，直接影響了單晶硅的性能。因而需對單晶硅材料中的氧碳含量進行控制。

 

 

 

一、硅單晶中氧、碳的分布情況

 

1、氧：

 

在硅單晶中，以間隙氧的形式存在；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。

 

直拉單晶硅中氧的含量：4×1017～3×1018原子/cm3；

 

多晶硅中氧的含量：1016～1017原子/cm3；

 

間隙氧對硅單晶結構和性能產生的影響：

 

1）可以增加硅片的機械強度，避免彎曲和翹曲等變形。

 

2）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。

 

3）形成氧沉淀，產生位錯、堆垛層錯等缺陷。

 

2、碳：

 

在硅單晶中，以間隙氧的形式存在；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。

 

單晶硅中碳的含量：1016～1017原子/cm3；

 

碳對硅單晶的影響：

 

1）碳以替位形式存在，使晶格發生畸變，是硅的生長條紋可能與碳的分布有關。

 

2）碳在硅單晶中成為雜質氧的成核點，促進氧的沉淀。

 

3）導致晶體中堆垛層錯、漩渦缺陷等的產生。降低器件的反向電壓，增大漏電電流，降低器件的性能。

 

二、紅外光譜法測單晶硅中氧、碳的含量

 

 

硅中氧和碳的紅外吸收光譜,如圖所示。

 

氧吸收峰：

 

1）波長為λ1=8.3μm（波數為1205.cm-1），此吸收波峰主要為分子對稱伸縮振動產生的，吸收峰強度很小。

 

2) 波長為λ2=9.0μm（波數為1105.cm-1），此吸收波峰主要為分子反對稱伸縮振動產生的，吸收峰強度最大。

 

3）波長為λ3=19.4μm（波數為515.cm-1），此吸收波峰主要為分子彎曲振動產生的，吸收峰強度較小。

 

碳吸收峰：

 

1）波長為λ1=16.47μm（波數為607.2cm-1），此吸收波峰為基頻峰，吸收峰強度較大。

 

2) 波長為λ2=8.2μm（波數為1217cm-1），此吸收波峰主要為倍頻峰，吸收峰很小。

 

三、硅晶體中間隙氧和替位碳含量的測試方法

 

1、測試方法：利用紅外光譜進行定性定量分析的方法；

 

2、測試范圍：適用于室溫電阻大于0.1Ω.cm的硅晶體。

 

3、測試原理：用紅外光譜儀測定Si-O鍵在1105cm-1處的吸收系數來確定硅晶體中間隙氧的含量；在607.2cm-1（16.47μm）處的吸收系數來確定硅晶體中替位碳的含量。

 

4、測量儀器：

 

（1）傅里葉變換紅外光譜儀。

 

（2）低溫測量裝置。

 

（3）千分尺，精度0.01mm。

 

（4）被測試樣架和參比樣品架。

 

5、試樣制備：

 

（1）測試試樣

 

1）試樣切取（從頭部取）、研磨，試樣的厚度偏差小于10μm。

 

2）拋光：機械拋光或化學拋光，使兩表面均呈鏡面。

 

3）在試樣測量部位，兩表面的平整度均不大于2.2μm.

 

4）試樣測量部位試驗的厚度差均不大于10 μm。

 

5）氧含量≥1×1017at.cm-3的試樣厚度約為2mm；

 

氧含量＜1×1017at.cm-3的試樣厚度約為10mm；

 

碳含量試樣厚度約為2mm或更薄；

 

（2）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0.5%。

 

6、測試的影響因素：

 

（1）在氧吸收譜帶位置有一個硅晶格吸收振動譜帶，參考樣品與待測樣品的厚度小于± 0.5%，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變而改變，因此測試期間光譜儀樣品室的溫度恒定為27℃±5℃。

 

（3）電阻率低于1 Ω.cm的n型硅單晶和電阻率低于3 Ω.cm的p型硅單晶中的自由載流子吸收比較嚴重，因此保證參考樣品的電阻率盡量一致。

 

（4）電阻率低于0.1 Ω.cm的n型硅單晶和電阻率低于0.5 Ω.cm的p型硅單晶中的自由載流子吸收會使大多數光譜儀難以獲得滿意的能量。

 

（5）沉淀氧濃度較高時，其在1230cm-1或1073cm-1處的吸收譜帶可能會導致間隙氧濃度的測量誤差。

 

（6）300K時，硅中間隙氧吸收帶的半峰寬應為32cm-1。寬較大時會導致誤差。

 

（7）投射到探測器的雜散光會降低吸收系數的計算值。

 

（8）參比樣品和被測樣品的溫度必須相同，以避免與溫度有關的晶格吸收對測量的影響。

 

（9）參比樣品的碳濃度應小于1×1015at.cm-3，使樣品造成的誤差低于最低檢測下限的10%。

 

（10）室溫下碳吸收帶的半峰寬小于6cm-1。儀器平衡調節不正確或掃描速度過快會導致半峰寬變寬。

 

（11）硅中的晶格吸收在625cm-1處很強，應用差別法測量，以消除硅晶格吸收帶的影響。

 

7、實際應用案例

 

某單晶硅產品客戶要求測試硅片的間隙氧和替位碳含量，按照標準來制樣測試。

 

 

圖1待測樣品（已經過雙面拋光）

 

 

圖2樣品的紅外光譜測試圖（ATR全反射法）

 

從紅外光譜的測試結果以及Omnic譜庫檢索結果可知，本樣品主要是單晶硅制品。

 

 

圖3待測樣品的紅外光譜測試圖（透射法）

 

解析：波數為1106cm-1處，主要是Si-O的分子反伸縮振動峰，此吸收峰的強度最大；波數為1205cm-1處，為分子對稱伸縮振動峰，信號很弱；波數為515cm-1處，是分子的彎曲振動產生的，吸收峰的強度比較小。

 

波數為610cm-1處，主要是Si-C的分子反伸縮振動峰，此吸收峰的強度最大；波數為1217cm-1處，主要是倍頻峰，此峰的信號很弱。

 

 

經過用omnic專業的計算軟件，得出本硅片中的O含量在16.16447ppmA，碳含量為0.1745ppmA,檢出限為0.4ppmA。