В процессе производства монокристаллического кремния неизбежно вводятся примеси, такие как углерод и кислород, из-за таких факторов, как сырье и методы, которые непосредственно влияют на характеристики монокристаллического кремния. Например, поставляемая нами отожженная кремниевая пластина, показанная на рис. 1, более подробную информацию см.https://www.powerwaywafer.com/what-are-annealed-silicon-wafer%ef%bc%9f.html.
Рис. 1. Отожженная кремниевая пластина с содержанием кислорода и углерода.
Содержание кислорода в кремнии является ключевыми данными, которые необходимо учитывать для принятия, мониторинга процессов, а также исследований и разработок современного производства кремниевых материалов и устройств. Углерод является второй по значимости примесью в кремнии после кислорода и оказывает решающее влияние на свойства монокристаллического кремния, особенно на поведение кислорода при термообработке. Поэтому точное определение и контроль содержания кислорода в монокристалле кремния является незаменимым звеном производства кремниевых материалов и обработки устройств. Здесь мы рекомендуем стандартный метод измерения содержания замещенного углерода и межузельного кислорода в монокристаллах кремния с использованием низкотемпературной (LT) инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье.
1. Область применения низкотемпературной инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье.
Этот метод подходит для определения примесей замещенного углерода и межузельного кислорода в монокристаллах кремния N-типа с удельным сопротивлением при комнатной температуре более 0,1 Ом*см и монокристаллах кремния P-типа с сопротивлением при комнатной температуре более 0,5 Ом*см.
Эффективный диапазон настоящего стандарта для определения содержания углерода и кислорода составляет от 5Х10.14атомы.см-3(0,01ppma) до максимальной растворимости замещенного углерода и межузельного кислорода в твердом состоянии в кремнии. Фактический эталон измерения будет выше указанного стандартом.
2. Принцип измерения инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье
Охладите образец монокристалла кремния до температуры ниже 15 К. Непосредственно передайте образец инфракрасным лучом, соберите спектр поглощения и используйте эталонный метод для определения коэффициента поглощения пика инфракрасного поглощения при волновом числе 607,5 см.-1замещающим атомом углерода в кремнии. Определить содержание углерода и коэффициент поглощения инфракрасного пика поглощения междоузельных атомов кислорода в кремнии при волновом числе 1136,3 см-1для определения содержания кислорода.
3. Факторы, мешающие измерению содержания углерода и кислорода в кремнии
Факторы, перечисленные ниже, будут влиять на измерение содержания углерода/кислорода кремния в кремнии:
1) Интерференционные факторы существуют в полосах поглощения углерода и кислорода, а также имеются колебательные полосы поглощения решетки кремния, которые будут влиять на определение углерода и кислорода. Одна кремниевая пластина зонного плавления с содержанием углерода и кислорода менее 5×1014атомы*см-3(0,01 ppm) следует использовать в качестве эталонного образца, а толщина эталонного образца и испытуемого образца должна быть как можно более постоянной, чтобы исключить влияние полосы колебаний поглощения решетки кремния;
2) Многоуровневые внутренние отражения могут вызывать вторичные помехи и отклонение базовой линии. Вторичные помехи и дрейф базовой линии можно устранить, изменив толщину образца, обработку поверхности или разрешение;
3) Образец для испытаний и эталонный образец должны храниться при одинаковой температуре, насколько это возможно, чтобы избежать влияния зависящего от температуры поглощения на решетке на результаты испытаний;
4) Положения пиков поглощения в инфракрасном спектре и калибровочные коэффициенты замещенного углерода и междоузельного кислорода меняются в зависимости от температуры, и соответствующие положения пиков поглощения и калибровочные коэффициенты также различны при разных температурах, см. Таблицу A;
A.1 Положение пика поглощения углерода и калибровочный коэффициент
| Температура / К | Положение пика поглощения углеродного инфракрасного излучения / см-1 | Калибровочный коэффициент (Fc)/см-2 |
| 300 | 607.2 | 0,82×1017 |
| 78 | 607.5 | 0,40×1017 |
| 10 | 607.5 | 0,37×1017 |
А.2 Положения пиков поглощения кислорода и калибровочные коэффициенты
| Температура / К | Положение пика поглощения углеродного инфракрасного излучения / см-1 | Калибровочный коэффициент (Fc)/см-2 |
| 300 | 1106 | 3,14×1017 |
| 78 | 1127 | 1,32×1017 |
| 10 | 1136 | 0,20×1017 |
5) При низкой температуре поглощение свободных носителей может быть до некоторой степени подавлено. Однако для сильно легированных монокристаллов кремния концентрация свободных носителей очень высока, и также трудно измерить спектр инфракрасного поглощения кремния из-за влияния сильного поглощения носителей.
4. Инструменты
1) Низкотемпературный инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье: с оптическими компонентами и детекторами для волновых чисел 250 см-1~ 1300 см-1, разрешение спектрометра должно достигать 1 см-1 или лучше при температуре 15 К;
2) Держатель образца: он изготовлен из металлического материала с высокой теплопроводностью, с небольшими отверстиями и может блокировать любой инфракрасный свет, проходящий через образец;
3) Микрометр или другое оборудование, подходящее для измерения толщины образца с точностью до 0,001 мм.
5. Образцы кремния
1) Разрезать монокристалл кремния на образцы монокристалла кремния, отшлифовать обе стороны и отполировать обе стороны до зеркального блеска механическими или химическими методами;
2) изменение толщины испытательного участка на обеих поверхностях обрабатываемого образца не должно превышать 0,05 мм, а поверхность не должна иметь оксидного слоя;
3) Толщина подготовленного образца составляет от 2,0 мм до 4,0 мм. Диаметр соответствует размеру держателя образца;
4) Для образцов поликристаллического кремния монокристаллы кремния должны быть приготовлены заранее по отношению к другим методам.
6. Этапы измерения содержания углерода и кислорода
1) Протрите поверхность образца абсолютным этанолом;
2) Измерьте толщину образца в соответствии с положениями GB/T 6618 с точностью до 0,001 мм и запишите толщину образца;
3) Загрузите образец в держатель образца. Затем закрепите держатель образца в камере образца;
4) Установите параметры прибора и охладите образец до температуры ниже 15 К через криостат, настроенный прибором;
5) Запустите программу анализа, просканируйте пустую апертуру и соберите фоновый спектр; сканировать эталонный образец и собирать эталонный спектр; отсканируйте образец для тестирования и соберите спектр тестируемого образца. Содержание замещающего углерода и междоузельного кислорода рассчитывали по эталонному методу. Положения пиков поглощения 10,6 замещенного углерода и междоузельного кислорода показаны в таблице 1. Инфракрасные спектры показаны на рисунках 2 и 3:
Таблица 1. Положения пиков поглощения замещенного углерода и интерстициального кислорода
| Элемент | Пиковое положение / см-1 |
| углерод | 607.5 |
| Кислород | 1136.3 |
Рис.2 Низкотемпературный инфракрасный спектр замещенного углерода
Рис.3 Низкотемпературный инфракрасный спектр внутритканевого кислорода
Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресу victorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.