Trong quá trình sản xuất silicon đơn tinh thể, các tạp chất như carbon và oxy chắc chắn được đưa vào do các yếu tố như nguyên liệu và phương pháp, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của silicon đơn tinh thể. Ví dụ, tấm wafer silicon ủ do chúng tôi cung cấp, được hiển thị như Hình 1, chi tiết hơn vui lòng tham khảohttps://www.powerwaywafer.com/what-are-annealed-silicon-wafer%ef%bc%9f.html.
Hình 1. Wafer silicon ủ với hàm lượng oxy và carbon
Hàm lượng oxy trong silicon là dữ liệu quan trọng cần phải nắm vững để chấp nhận, giám sát quá trình và nghiên cứu phát triển sản xuất thiết bị và vật liệu silicon ngày nay. Carbon là tạp chất quan trọng thứ hai trong silicon sau oxy và có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất của silicon đơn tinh thể, đặc biệt là hoạt động của oxy trong quá trình xử lý nhiệt. Vì vậy, việc xác định chính xác và kiểm soát hàm lượng oxy trong đơn tinh thể silic là một mắt xích không thể thiếu trong sản xuất vật liệu silic và gia công thiết bị. Ở đây chúng tôi đề xuất một phương pháp tiêu chuẩn để đo hàm lượng cacbon được thay thế và hàm lượng oxy xen kẽ trong các đơn tinh thể silic bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ở nhiệt độ thấp (LT).
1. Phạm vi áp dụng của quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier nhiệt độ thấp
Phương pháp này thích hợp để xác định các tạp chất cacbon thay thế và ôxy xen kẽ trong đơn tinh thể silic loại N có điện trở suất nhiệt độ phòng lớn hơn 0,1 Ω * cm và đơn tinh thể silic loại P có điện trở suất nhiệt độ phòng lớn hơn 0,5 Ω * cm.
Phạm vi hiệu quả của tiêu chuẩn này để xác định hàm lượng cacbon và oxy là từ 5X1014nguyên tử.cm-3(0,01ppma) đến độ hòa tan rắn tối đa của cacbon thay thế và oxy xen kẽ trong silic. Tiêu chuẩn đo lường thực tế sẽ cao hơn tiêu chuẩn quy định.
2. Nguyên tắc đo của quang phổ hồng ngoại biến đổi LT Fourier
Làm nguội mẫu đơn tinh thể silic đến nhiệt độ dưới 15 K. Truyền trực tiếp mẫu bằng chùm tia hồng ngoại, thu phổ hấp thụ và sử dụng phương pháp chuẩn để xác định hệ số hấp thụ của đỉnh hấp thụ hồng ngoại ở số sóng 607,5cm.-1bởi nguyên tử cacbon thay thế trong silic. Xác định hàm lượng cacbon và hệ số hấp thụ của đỉnh hấp thụ tia hồng ngoại của các nguyên tử oxy ở kẽ trong silic ở sóng số 1136,3 cm-1để xác định hàm lượng oxy.
3. Các yếu tố gây nhiễu để đo Carbon & Oxy trong Silicon
Các yếu tố được liệt kê dưới đây sẽ ảnh hưởng đến việc đo oxy carbon / silicon trong silicon:
1) Các yếu tố gây nhiễu tồn tại trong các dải hấp thụ của cacbon và oxy, và có các dải hấp thụ dao động của mạng tinh thể silic, sẽ ảnh hưởng đến việc xác định cacbon và oxy. Một tấm wafer đơn silicon hợp nhất vùng có hàm lượng carbon và oxy nhỏ hơn 5X 1014nguyên tử * cm-3(0,01 ppma) nên được sử dụng làm mẫu chuẩn, và độ dày của mẫu chuẩn và mẫu thử phải nhất quán nhất có thể để loại bỏ ảnh hưởng của dải dao động hấp thụ mạng tinh thể silic;
2) Phản xạ bên trong đa mức có thể tạo ra nhiễu thứ cấp và độ lệch đường cơ sở. Có thể loại bỏ nhiễu thứ cấp và trôi đường cơ sở bằng cách thay đổi độ dày mẫu, xử lý bề mặt hoặc độ phân giải;
3) Mẫu thử và mẫu đối chứng phải được giữ ở cùng nhiệt độ càng tốt để tránh ảnh hưởng của sự hấp thụ mạng tinh thể phụ thuộc vào nhiệt độ đối với kết quả thử nghiệm;
4) Vị trí đỉnh hấp thụ phổ hồng ngoại và hệ số hiệu chuẩn của cacbon thay thế và oxy xen kẽ thay đổi theo nhiệt độ, vị trí đỉnh hấp thụ tương ứng và hệ số hiệu chuẩn cũng khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau, xem Bảng A;
A.1 Vị trí đỉnh hấp thụ cacbon và hệ số hiệu chuẩn
| Nhiệt độ / K | Vị trí đỉnh hấp thụ tia hồng ngoại carbon / cm-1 | Hệ số hiệu chuẩn (Fc) / cm-2 |
| 300 | 607.2 | 0,82 × 1017 |
| 78 | 607.5 | 0,40 × 1017 |
| 10 | 607.5 | 0,37 × 1017 |
A.2 Vị trí đỉnh hấp thụ oxy và các yếu tố hiệu chuẩn
| Nhiệt độ / K | Vị trí đỉnh hấp thụ tia hồng ngoại carbon / cm-1 | Hệ số hiệu chuẩn (Fc) / cm-2 |
| 300 | 1106 | 3,14 × 1017 |
| 78 | 1127 | 1,32 × 1017 |
| 10 | 1136 | 0,20 × 1017 |
5) Ở nhiệt độ thấp, sự hấp thụ của các hạt tải điện tự do có thể bị triệt tiêu ở một mức độ nhất định. Tuy nhiên, đối với các đơn tinh thể silic được pha tạp nhiều, nồng độ của hạt tải điện tự do rất cao, và cũng khó đo được phổ hấp thụ hồng ngoại của silic do ảnh hưởng của sự hấp thụ chất mang nặng.
4. Dụng cụ
1) Máy đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier nhiệt độ thấp: với các bộ phận quang học và máy dò cho các số sóng 250 cm-1~ 1300 cm-1, độ phân giải của máy quang phổ phải đạt 1 cm-1 hoặc tốt hơn ở nhiệt độ 15 K;
2) Giá đỡ mẫu: Được làm bằng vật liệu kim loại có độ dẫn nhiệt cao, có các lỗ nhỏ và có thể chặn bất kỳ tia hồng ngoại nào đi qua mẫu;
3) Panme hoặc thiết bị khác thích hợp để đo độ dày của mẫu với độ chính xác 0,001mm.
5. Các mẫu Silicon
1) Cắt đơn tinh thể silicon thành các mẫu đơn tinh thể silicon, mài cả hai mặt và đánh bóng cả hai mặt lên bề mặt gương bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học;
2) Sự thay đổi độ dày của vùng thử nghiệm trên cả hai bề mặt của mẫu đã xử lý không được lớn hơn 0,05mm và bề mặt không được có lớp oxit;
3) Chiều dày của mẫu đã chuẩn bị từ 2,0 mm đến 4,0 mm. Đường kính phù hợp với kích thước của giá đỡ mẫu;
4) Đối với các mẫu silicon đa tinh thể, silicon đơn tinh thể nên được chuẩn bị trước và tham khảo các phương pháp khác.
6. Các bước đo hàm lượng cacbon và oxy
1) Lau bề mặt của mẫu bằng etanol tuyệt đối;
2) Đo chiều dày của mẫu theo quy định của GB / T 6618, chính xác đến 0,001 mm, và ghi lại chiều dày của mẫu;
3) Nạp mẫu vào ngăn chứa mẫu. Sau đó cố định ngăn chứa mẫu trong khoang chứa mẫu;
4) Cài đặt các thông số của thiết bị và làm nguội mẫu đến nhiệt độ thấp hơn 15K thông qua thiết bị điều nhiệt được cấu hình bởi thiết bị;
5) Chạy chương trình phân tích, quét khẩu độ trống và thu thập phổ nền; quét mẫu đối chứng và thu thập phổ đối chứng; quét mẫu cần kiểm tra và thu thập phổ của mẫu cần kiểm tra. Hàm lượng cacbon thay thế và oxy xen kẽ được tính bằng phương pháp tham chiếu. Vị trí đỉnh hấp thụ của 10,6 cacbon thay thế và oxy xen kẽ được thể hiện trong Bảng 1. Phổ hồng ngoại được thể hiện trong Hình 2 và 3:
Bảng 1 Vị trí đỉnh hấp thụ oxy xen kẽ và cacbon được thay thế
| Thành phần | Vị trí đỉnh / cm-1 |
| Carbon | 607.5 |
| Ôxy | 1136.3 |
Hình 2 Phổ hồng ngoại nhiệt độ thấp của cacbon thay thế
Hình 3 Phổ hồng ngoại nhiệt độ thấp của oxy xen kẽ
Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email victorchan@powerwaywafer.com và powerwaymaterial@gmail.com.