Come determinare il contenuto di carbonio e ossigeno nel cristallo singolo di silicio?

Come determinare il contenuto di carbonio e ossigeno nel cristallo singolo di silicio?

Nel processo di produzione del silicio monocristallino, vengono inevitabilmente introdotte impurità come carbonio e ossigeno a causa di fattori quali materie prime e metodi, che influiscono direttamente sulle prestazioni del silicio monocristallino. Ad esempio, il wafer di silicio ricotto da noi fornito, mostrato in Fig.1, maggiori dettagli si prega di fare riferimentohttps://www.powerwaywafer.com/what-are-annealed-silicon-wafer%ef%bc%9f.html.

fetta di silicio ricotto

Fig. 1 Wafer di silicio ricotto con contenuto di ossigeno e carbonio

Il contenuto di ossigeno nel silicio è i dati chiave che devono essere controllati per l'accettazione, il monitoraggio del processo e la ricerca e sviluppo dell'odierna produzione di materiali e dispositivi in ​​silicio. Il carbonio è la seconda impurità più importante nel silicio dopo l'ossigeno e ha un'influenza decisiva sulle proprietà del silicio monocristallino, in particolare sul comportamento dell'ossigeno durante il trattamento termico. Pertanto, la determinazione e il controllo accurati del contenuto di ossigeno nel cristallo singolo di silicio è un collegamento indispensabile nella produzione di materiali in silicio e nella lavorazione dei dispositivi. Qui si consiglia un metodo standard per misurare il carbonio sostituito e il contenuto di ossigeno interstiziale in cristalli singoli di silicio utilizzando la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier a bassa temperatura (LT).

1. Ambito applicabile della spettroscopia a infrarossi con trasformata di Fourier a bassa temperatura

Questo metodo è adatto per la determinazione delle impurità di carbonio sostitutivo e ossigeno interstiziale in cristalli singoli di silicio di tipo N con resistività a temperatura ambiente maggiore di 0,1 Ω*cm e cristalli singoli di silicio di tipo P con resistività a temperatura ambiente maggiore di 0,5Ω*cm.

L'intervallo effettivo di questo standard per la determinazione del contenuto di carbonio e ossigeno è da 5X1014atomi.cm-3(0,01ppma) alla massima solubilità solida del carbonio sostituito e dell'ossigeno interstiziale nel silicio. Lo standard di misurazione effettivo sarà superiore a quello specificato dallo standard.

2. Principio di misurazione della spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier LT

Raffreddare il campione di cristallo singolo di silicio a una temperatura inferiore a 15 K. Trasmettere direttamente il campione con un raggio infrarosso, raccogliere lo spettro di assorbimento e utilizzare il metodo di riferimento per determinare il coefficiente di assorbimento del picco di assorbimento infrarosso al numero d'onda di 607,5 cm-1dall'atomo di carbonio sostitutivo nel silicio. Determinare il contenuto di carbonio e il coefficiente di assorbimento del picco di assorbimento infrarosso degli atomi di ossigeno interstiziali nel silicio al numero d'onda 1136,3 cm-1per determinare il contenuto di ossigeno.

3. Fattori interferenti per la misurazione del carbonio e dell'ossigeno nel silicio

I fattori elencati di seguito influiranno sulla misurazione dell'ossigeno di carbonio/silicio nel silicio:

1) Esistono fattori di interferenza nelle bande di assorbimento del carbonio e dell'ossigeno e ci sono bande di assorbimento vibrazionale del reticolo di silicio, che influenzeranno la determinazione del carbonio e dell'ossigeno. Un singolo wafer di silicio fuso in zona con contenuto di carbonio e ossigeno inferiore a 5X 1014atomi*cm-3(0,01 ppma) dovrebbe essere utilizzato come campione di riferimento e lo spessore del campione di riferimento e del campione di prova dovrebbe essere il più coerente possibile per eliminare l'influenza della banda di vibrazione dell'assorbimento del reticolo di silicio;

2) Le riflessioni interne multilivello possono produrre interferenza secondaria e deviazione della linea di base. L'interferenza secondaria e la deriva della linea di base possono essere eliminate modificando lo spessore del campione, la gestione della superficie o la risoluzione;

3) Il campione di prova e il campione di riferimento devono essere mantenuti alla stessa temperatura possibile per evitare l'effetto dell'assorbimento del reticolo dipendente dalla temperatura sui risultati della prova;

4) Le posizioni dei picchi di assorbimento spettrale dell'infrarosso ei fattori di calibrazione del carbonio sostituito e dell'ossigeno interstiziale variano con la temperatura, e anche le corrispondenti posizioni dei picchi di assorbimento e fattori di calibrazione sono diversi a temperature diverse, vedere la tabella A;

A.1 Posizione del picco di assorbimento del carbonio e fattore di calibrazione

Temperatura / K Posizione del picco di assorbimento degli infrarossi del carbonio / cm-1 Fattore di calibrazione(Fc)/cm-2
300 607.2 0,82×1017
78 607.5 0,40×1017
10 607.5 0,37×1017

 

A.2 Posizioni del picco di assorbimento dell'ossigeno e fattori di calibrazione

Temperatura / K Posizione del picco di assorbimento degli infrarossi del carbonio / cm-1 Fattore di calibrazione(Fc)/cm-2
300 1106 3.14×1017
78 1127 1,32×1017
10 1136 0,20×1017

 

5) A bassa temperatura, l'assorbimento dei vettori liberi può essere soppresso in una certa misura. Tuttavia, per i cristalli singoli di silicio fortemente drogati, la concentrazione di portatori liberi è molto alta ed è anche difficile misurare lo spettro di assorbimento infrarosso del silicio a causa dell'influenza di un forte assorbimento dei portatori.

4. Strumenti

1) Spettrometro a infrarossi in trasformata di Fourier a bassa temperatura: con componenti ottici e rivelatori per numeri d'onda 250 cm-1~ 1300 cm-1, la risoluzione dello spettrometro dovrebbe raggiungere 1 cm-1 o migliore ad una temperatura di 15 K;

2) Portacampioni: È realizzato in materiale metallico ad alta conducibilità termica, con piccoli fori e può bloccare qualsiasi luce infrarossa che passa attraverso il campione;

3) Micrometro o altra attrezzatura idonea a misurare lo spessore del campione con una precisione di 0,001 mm.

5. Campioni di silicio

1) Tagliare il cristallo singolo di silicio in campioni di cristallo singolo di silicio, macinare entrambi i lati e lucidare entrambi i lati su una superficie a specchio con metodi meccanici o chimici;

2) La variazione di spessore dell'area di prova su entrambe le superfici del campione trattato non deve essere maggiore di 0,05 mm e la superficie deve essere priva di strato di ossido;

3) Lo spessore del campione preparato è compreso tra 2,0 mm e 4,0 mm. Il diametro è adatto alle dimensioni del portacampioni;

4) Per i campioni di silicio policristallino, i cristalli singoli di silicio devono essere preparati in anticipo con riferimento ad altri metodi.

6. Fasi di misurazione del contenuto di carbonio e ossigeno

1) Pulire la superficie del campione con etanolo assoluto;

2) Misurare lo spessore del campione secondo quanto previsto da GB/T 6618, con una precisione di 0,001 mm, e registrare lo spessore del campione;

3) Caricare il campione nel portacampioni. Quindi fissare il supporto del campione nella camera del campione;

4) Impostare i parametri dello strumento e raffreddare il campione a una temperatura inferiore a 15K attraverso il dispositivo criostato configurato dallo strumento;

5) Eseguire il programma di analisi, scansionare l'apertura vuota e raccogliere lo spettro di sfondo; scansionare il campione di riferimento e raccogliere lo spettro di riferimento; scansionare il campione da testare e raccogliere lo spettro del campione da testare. Il contenuto di carbonio sostitutivo e ossigeno interstiziale è stato calcolato con il metodo di riferimento. Le posizioni dei picchi di assorbimento di 10,6 carbonio sostituito e ossigeno interstiziale sono mostrate nella Tabella 1. Gli spettri infrarossi sono mostrati nelle Figure 2 e 3:

Tabella 1 Posizioni del picco di assorbimento del carbonio sostituito e dell'ossigeno interstiziale

Elemento Posizione Picco / cm-1
Carbonio 607.5
Ossigeno 1136.3

 

Fig.2 Spettro infrarosso a bassa temperatura del carbonio sostituito

Fig.2 Spettro infrarosso a bassa temperatura del carbonio sostituito

 

Fig.3 Spettro infrarosso a bassa temperatura dell'ossigeno interstiziale

Fig.3 Spettro infrarosso a bassa temperatura dell'ossigeno interstiziale

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