Как определить содержание углерода и кислорода в монокристалле кремния?

Как определить содержание углерода и кислорода в монокристалле кремния?

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.

отожженная кремниевая пластина

Рис. 1. Отожженная кремниевая пластина с содержанием кислорода и углерода.

The oxygen content in silicon is the key data that must be mastered for acceptance, process monitoring and research and development of today’s silicon material and device manufacturing. Carbon is the second most important impurity in silicon after oxygen and has a decisive influence on the properties of single crystal silicon, especially the behavior of oxygen during heat treatment. Therefore, accurate determination and control of the oxygen content in silicon single crystal is an indispensable link in the manufacture of silicon materials and device processing. Here we recommend a standard method for measuring the substituted carbon and interstitial oxygen content in silicon single crystals using low temperature (LT) Fourier transform infrared spectroscopy.

1. Applicable Scope of Low Temperature Fourier Transform Infrared Spectroscopy

This method is suitable for the determination of substitutional carbon and interstitial oxygen impurities in N-type silicon single crystals with room temperature resistivity greater than 0.1 Ω*cm and P-type silicon single crystals with room temperature resistivity greater than 0.5Ω*cm.

The effective range of this standard for the determination of carbon and oxygen content is from 5X1014atoms.cm-3 (0.01ppma) to the maximum solid solubility of substituted carbon and interstitial oxygen in silicon. The actual measurement standard will be higher than that specified by the standard.

2. Measuring Principle of LT Fourier Transform Infrared Spectroscopy

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.2 Низкотемпературный инфракрасный спектр замещенного углерода

 

Рис.3 Низкотемпературный инфракрасный спектр внутритканевого кислорода

Рис.3 Низкотемпературный инфракрасный спектр внутритканевого кислорода

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресу [email protected] и [email protected].

Поделиться этой записью