Beim Herstellungsprozess von Einkristall-Silizium werden unvermeidlich Verunreinigungen wie Kohlenstoff und Sauerstoff aufgrund von Faktoren wie Rohmaterialien und Verfahren eingeführt, die sich direkt auf die Leistung von Einkristall-Silizium auswirken. Zum Beispiel der von uns gelieferte getemperte Siliziumwafer, wie in Abb. 1 gezeigt, weitere Details entnehmen Sie bittehttps://www.powerwaywafer.com/what-are-annealed-silicon-wafer%ef%bc%9f.html.
Abb. 1 Geglühter Siliziumwafer mit Sauerstoff- und Kohlenstoffanteil
Der Sauerstoffgehalt im Silizium ist die Schlüsselgröße, die für Akzeptanz, Prozessüberwachung sowie Forschung und Entwicklung des heutigen Siliziummaterials und der Geräteherstellung beherrscht werden muss. Kohlenstoff ist nach Sauerstoff die zweitwichtigste Verunreinigung im Silizium und hat einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften von einkristallinem Silizium, insbesondere das Verhalten von Sauerstoff bei der Wärmebehandlung. Daher ist die genaue Bestimmung und Kontrolle des Sauerstoffgehalts in Silizium-Einkristallen ein unverzichtbares Bindeglied bei der Herstellung von Siliziummaterialien und der Geräteverarbeitung. Hier empfehlen wir eine Standardmethode zur Messung des Gehalts an substituiertem Kohlenstoff und interstitiellem Sauerstoff in Silizium-Einkristallen mit Niedertemperatur (LT) Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie.
1. Anwendbarer Umfang der Niedertemperatur-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie
Dieses Verfahren eignet sich zur Bestimmung von Substitutionskohlenstoff- und interstitiellen Sauerstoffverunreinigungen in N-Typ-Silizium-Einkristallen mit einem spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von mehr als 0,1 Ω*cm und P-Typ-Silizium-Einkristallen mit einem spezifischen Widerstand von Raumtemperatur von mehr als 0,5 Ω*cm.
Der effektive Bereich dieses Standards zur Bestimmung des Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts liegt bei 5X1014Atome.cm-3(0,01 ppma) bis zur maximalen Feststofflöslichkeit von substituiertem Kohlenstoff und Zwischengittersauerstoff in Silizium. Der tatsächliche Messstandard wird höher sein als der durch den Standard festgelegte.
2. Messprinzip der LT-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie
Kühlen Sie die Silizium-Einkristallprobe auf eine Temperatur unter 15 K ab. Übertragen Sie die Probe direkt mit einem Infrarotstrahl, erfassen Sie das Absorptionsspektrum und verwenden Sie die Referenzmethode, um den Absorptionskoeffizienten des Infrarotabsorptionspeaks bei der Wellenzahl von 607,5 cm zu bestimmen-1durch das substitutionelle Kohlenstoffatom in Silizium. Bestimmen Sie den Kohlenstoffgehalt und den Absorptionskoeffizienten des Infrarot-Absorptionspeaks der interstitiellen Sauerstoffatome in Silizium bei der Wellenzahl 1136,3 cm-1um den Sauerstoffgehalt zu bestimmen.
3. Störfaktoren für die Messung von Kohlenstoff und Sauerstoff in Silizium
Die unten aufgeführten Faktoren beeinflussen die Messung von Kohlenstoff-/Siliziumsauerstoff in Silizium:
1) Interferenzfaktoren existieren in den Absorptionsbanden von Kohlenstoff und Sauerstoff, und es gibt Schwingungsabsorptionsbanden des Siliziumgitters, die die Bestimmung von Kohlenstoff und Sauerstoff beeinflussen. Ein zonengeschmolzener Silizium-Einzelwafer mit einem Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt von weniger als 5 x 1014Atome*cm-3(0,01 ppma) sollte als Referenzprobe verwendet werden, und die Dicke der Referenzprobe und der Testprobe sollte so konsistent wie möglich sein, um den Einfluss der Absorptionsschwingungsbande des Siliziumgitters zu eliminieren;
2) Mehrstufige interne Reflexionen können sekundäre Interferenzen und Grundlinienabweichungen erzeugen. Sekundäre Interferenzen und Basisliniendrift können durch Ändern der Probendicke, Oberflächenhandhabung oder Auflösung eliminiert werden;
3) Die Testprobe und die Referenzprobe sollten möglichst auf der gleichen Temperatur gehalten werden, um den Einfluss der temperaturabhängigen Gitterabsorption auf die Testergebnisse zu vermeiden;
4) Die Infrarot-Spektralabsorptionspeakpositionen und Kalibrierungsfaktoren von substituiertem Kohlenstoff und Zwischengittersauerstoff variieren mit der Temperatur, und die entsprechenden Absorptionspeakpositionen und Kalibrierungsfaktoren sind auch bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich, siehe Tabelle A;
A.1 Position des Kohlenstoffabsorptionspeaks und Kalibrierungsfaktor
| Temperatur / K | Position des Kohlenstoff-Infrarot-Absorptionspeaks/cm-1 | Kalibrierungsfaktor (Fc) / cm-2 |
| 300 | 607.2 | 0,82 × 1017 |
| 78 | 607.5 | 0,40 × 1017 |
| 10 | 607.5 | 0,37 × 1017 |
A.2 Spitzenpositionen der Sauerstoffabsorption und Kalibrierungsfaktoren
| Temperatur / K | Position des Kohlenstoff-Infrarot-Absorptionspeaks/cm-1 | Kalibrierungsfaktor (Fc) / cm-2 |
| 300 | 1106 | 3,14 × 1017 |
| 78 | 1127 | 1,32 × 1017 |
| 10 | 1136 | 0,20 × 1017 |
5) Bei niedriger Temperatur kann die Absorption freier Ladungsträger bis zu einem gewissen Grad unterdrückt werden. Bei stark dotierten Silizium-Einkristallen ist jedoch die Konzentration an freien Ladungsträgern sehr hoch, und es ist auch schwierig, das Infrarot-Absorptionsspektrum von Silizium aufgrund des Einflusses einer starken Ladungsträgerabsorption zu messen.
4. Instrumente
1) Niedertemperatur-Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer: mit optischen Komponenten und Detektoren für Wellenzahlen 250 cm-1~ 1300cm-1, sollte die Auflösung des Spektrometers bei einer Temperatur von 15 K 1 cm-1 oder besser erreichen;
2) Probenhalter: Er besteht aus Metallmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit, mit kleinen Löchern und kann jegliches Infrarotlicht blockieren, das durch die Probe dringt;
3) Mikrometer oder andere Geräte, die zum Messen der Dicke der Probe mit einer Genauigkeit von 0,001 mm geeignet sind.
5. Proben von Silizium
1) Schneide den Silizium-Einkristall in Silizium-Einkristall-Proben, schleife beide Seiten und poliere beide Seiten zu einer Spiegeloberfläche durch mechanische oder chemische Verfahren;
2) Die Dickenänderung des Testbereichs auf beiden Oberflächen der verarbeiteten Probe darf nicht größer als 0,05 mm sein, und die Oberfläche darf keine Oxidschicht aufweisen;
3) Die Dicke der vorbereiteten Probe liegt zwischen 2,0 mm und 4,0 mm. Der Durchmesser ist für die Größe des Probenhalters geeignet;
4) Für polykristalline Siliziumproben sollten Silizium-Einkristalle vorab unter Bezugnahme auf andere Methoden präpariert werden.
6. Schritte zur Messung des Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts
1) Wischen Sie die Oberfläche der Probe mit absolutem Ethanol ab;
2) Messen Sie die Dicke der Probe gemäß den Bestimmungen von GB/T 6618 auf 0,001 mm genau und notieren Sie die Dicke der Probe;
3) Laden Sie die Probe in den Probenhalter. Fixieren Sie dann den Probenhalter in der Probenkammer;
4) Einstellen der Instrumentenparameter und Kühlen der Probe auf eine Temperatur von weniger als 15 K durch das vom Instrument konfigurierte Kryostatgerät;
5) Lassen Sie das Analyseprogramm laufen, scannen Sie die leere Apertur und sammeln Sie das Hintergrundspektrum; scannen Sie die Referenzprobe und sammeln Sie das Referenzspektrum; Scannen Sie die zu testende Probe und sammeln Sie das Spektrum der zu testenden Probe. Der Gehalt an Substitutionskohlenstoff und Zwischengittersauerstoff wurde nach der Referenzmethode berechnet. Die Positionen der Absorptionspeaks von 10,6-substituiertem Kohlenstoff und interstitiellem Sauerstoff sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Infrarotspektren sind in den Abbildungen 2 und 3 gezeigt:
Tabelle 1 Positionen der Peaks der Absorption von substituiertem Kohlenstoff und interstitiellem Sauerstoff
| Element | Spitzenposition / cm-1 |
| Kohlenstoff | 607.5 |
| Sauerstoff | 1136.3 |
Abb. 2 Niedertemperatur-Infrarotspektrum von substituiertem Kohlenstoff
Abb. 3 Niedertemperatur-Infrarotspektrum des interstitiellen Sauerstoffs
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