GB/T 35306-2023 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法

　　ICS 77 . 040 CCS H 17

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 35306—2023代替 GB/T35306—2017

　　硅单晶中碳 、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法

　　Determinati0n 0f carb0n and 0xygen c0ntent in single crystal silic0n—

　　L0w temperature f0urier transf0rm infrared spectr0metry meth0d

　　2023-08-06 发布 2024-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 35306—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件代替 GB/T 35306—2017《硅单晶中碳 、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》, 与GB/T 35306—2017 相比 , 除结构调整和编辑性改动外 , 主要技术变化如下:

　　a) 更改了适用范围(见第 1 章 , 2017 年版的第 1 章) ;

　　b) 更改了方法原理(见第 4 章 , 2017 年版的第 4 章) ;

　　c) 更改了干扰因素(见第 5 章 , 2017 年版的第 5 章) ;

　　d) 更改了仪器的波数范围(见 7 . 1 , 2017 年版的 7 . 1) ;

　　e) 更改了样品及参比样品要求(见第 8 章 , 2017 年版的第 8 章 、第 9 章) ;

　　f) 更改了样品厚度要求(见 9 . 2 , 2017 年版的 8 . 3) ;

　　g) 增加了代位碳 、间隙氧的基线范围 、积分范围及校准因子(见 10 . 1) ;

　　h) 更改了试验数据处理(见第 10 章 , 2017 年版的第 11 章) ;

　　i) 更改了精密度(见第 11 章 , 2017 年版的第 12 章) ;

　　j) 删除了不同温度的碳 、氧红外光谱吸收峰位置和标定因子(见 2017 年版的附录 A) 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归口 。

　　本文件起草单位:青海芯测科技有限公司 、隆基绿能科技股份有限公司 、有色金属技术经济研究院有限责任公司 、青海黄河上游水电开发有限责任公司新能源分公司 、洛阳中硅高科技有限公司 、布鲁克(北京)科技有限公司 、亚洲硅业(青海)股份有限公司 、宜昌南玻硅材料有限公司 、陕西有色天宏瑞科硅材料有限责任公司 、新疆新特新能材料检测中心有限公司 、弘元新材料(包头)有限公司 、高景太阳能股份有限公司 。

　　本文件主要起草人:薛心禄 、秦榕 、李素青 、杨晓青 、邓浩 、岳玉芳 、李明珍 、赵雄 、张园园 、赵跃 、雷浩东 、蔡延国 、陈卫国 、路盛刚 、徐岩 、张遵 、邱艳梅 、李向宇 、杨阳 、徐志群 、汪奇 。

　　本文件于 2017 年首次发布 , 本次为第一次修订 。

　　I

　　GB/T 35306—2023

　　硅单晶中碳 、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法

　　1 范围

　　本文件描述了采用低温傅立叶变换红外光谱法测定硅单晶中代位碳 、间隙氧含量的方法。

　　本文件适用于室温电阻率大于 1 Ω ● cm 的 n 型硅单晶和室温电阻率大于 3 Ω ● cm 的 p 型硅单晶中代位碳 、间隙氧含量的测定 , 测定范围(以原子数计)为 2 . 5×10 14 cm—3 ~1 . 5×10 17 cm— 3 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定

　　GB/T 8322 分子吸收光谱法 术语

　　GB/T 14264 半导体材料术语

　　GB/T 29057 用区熔拉晶法和光谱分析法评价多晶硅棒的规程

　　3 术语和定义

　　GB/T 8322 和 GB/T 14264 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1

　　背景光谱 background spectrum

　　在红外光谱仪中 , 无样品存在的情况下使用单光束测量获得的谱线。

　　注 : 通常包括氮气 、空气等信息。 3.2

　　参比光谱 reference spectrum

　　参比样品的光谱。

　　注 : 在用双光束光谱仪测试时 , 将参比样品置于样品光路 , 参比光路空着时获得;在用傅立叶变换红外光谱仪及单光束光谱仪时 , 用参比样品的光谱扣除背景光谱后获得。

　　3.3

　　样品光谱 sample spectrum

　　测试样品的光谱。

　　注 : 在用双光束仪器 , 将样品放置于样品光路 , 参比光路空着时获得;在用傅立叶变换红外光谱仪及单光束光谱仪时 , 用测试样品的光谱扣除背景光谱后获得。

　　4 方法原理

　　将硅单晶样品冷却到低于 15 K 温度下 , 分别采集背景 、参比 、样品的透射光谱 , 参比光谱和样品光

　　1

　　GB/T 35306—2023

　　谱扣除背景光谱后转换为吸收光谱,并采用差谱法扣除碳吸收谱带位置上的硅晶格吸收(间隙氧吸收峰面积不受硅晶格振动吸收峰的影响 , 因此计算间隙氧含量不需要扣除参比光谱),根据硅中碳在波数607 . 5 cm—1 处和氧在波数 1 136 . 3 cm—1 处的特征吸收峰,在其吸收谱带上建立基线,测量吸收谱带峰面积,按本方法给出的校准因子,根据比耳定律,计算出代位碳和间隙氧的含量 。

　　5 干扰因素

　　5 . 1 在碳的吸收谱带位置存在硅晶格吸收振动谱带,该吸收振动谱带会影响碳的测定,应采用碳含量(以原子数计)小于 2 . 5 × 1014 cm—3 的区熔硅单晶片作为参比样品,对于碳含量更低的样品应采用碳含量更低的区熔硅单晶片作为参比样品,以获得更低的检测下限 。

　　5 . 2 若参比样品和测试样品的厚度相对偏差大,则无法消除硅晶格吸收振动谱带对检测结果的影响 。

　　5 . 3 光谱仪分辨率会影响检测结果,多级内部反射会产生次级干涉和基线偏离,通过改变样品厚度 、表面处理方式或分辨率可以消除次级干涉和基线偏离 。

　　5 . 4 若测试样品和参比样品的温度不同,则无法消除与温度有关的晶格吸收对测试结果的影响 。

　　5 . 5 为了获得低噪声的红外吸收光谱图,样品应采用相同的方法双面抛光至镜面,抛光后残留的划痕 、损伤等都会对测量结果有影响 。

　　5 . 6 低温条件通常会抑制 自 由载流子的吸收,对于掺杂剂浓度较高的硅单晶,受 自 由载流子吸收的严重影响,硅的红外吸收光谱很难测定 。

　　5 . 7 基线噪声对低含量代位碳和间隙氧样品测试干扰较大,因峰高法计算不能避免基线噪声对低含量代位碳和间隙氧样品测试的影响,而无法获得准确的测试结果,低含量代位碳和间隙氧的样品测试选用面积法计算可获得更准确的测试结果 。

　　5 . 8 间隙氧对测试温度比较敏感,低温测量条件下间隙氧吸收峰位相对室温测量条件下的吸收峰位有一定的偏移,吸收峰的半高宽变窄,测试温度不稳定和分辨率低会对测量结果有影响 。

　　6 试剂或材料

　　6 . 1 无水乙醇:优级纯 。

　　6 . 2 氮气:体积分数不小于 99 . 9%,露点小于 —40 ℃ 。

　　6 . 3 氦气:体积分数不小于 99 . 999% 。

　　7 仪器设备

　　7 . 1 低温傅立叶变换红外光谱仪:具有波数 270 cm— 1 ~1 250 cm—1 的光学部件和检测器,样品室温度低于 15 K,光谱仪分辨率不应大于 1 cm— 1 。

　　7 . 2 样品架:由高热传导系数的金属材料制成,开有小孔并可阻挡通过样品以外的任何红外光线 。

　　7 . 3 千分尺或其他适用于测量样品厚度的设备,精度不低于 0. 001 mm 。

　　8 样品

　　8 . 1 将硅单晶切割成硅单晶片,双面研磨,采用机械或化学方法双面抛光至镜面 。

　　8 . 2 加工后的样品两个面测试区域厚度变化不应大于 0. 05 mm,表面应无氧化层 。

　　8 . 3 制备好的样品厚度在 2 . 5 mm~4 . 0 mm,直径应与样品架匹配 。

　　2

　　GB/T 35306—2023

　　8 . 4 对于多晶硅样品 , 按 GB/T 29057 或其他方法预先制备成硅单晶 。

　　8 . 5 选取碳含量(以原子数计)小于 2 . 5×10 14 cm —3 的区熔硅单晶片作为参比样品 , 参比样品的制备与测试样品相同 。

　　9 试验步骤

　　9 . 1 用无水乙醇将样品表面擦拭干净 。

　　9 . 2 测量样品厚度 , 精确至 0 . 01 mm , 并记录样品厚度(d) 。

　　9 . 3 将样品装入到样品架上 , 再将样品架固定在样品室内 。

　　9 . 4 设置仪器参数 , 通过仪器配置的低温恒温装置将样品冷却至低于 15 K 温度下 。

　　9 . 5 运行分析程序 , 对空光孔 、参比样品 、待测样品分别进行扫描 , 采集背景光谱 、参比光谱 、待测样品光谱 。

　　9 . 6 在样品光谱扣除背景光谱后的谱图上积分得到间隙氧吸收峰的面积 , 在样品光谱扣除背景光谱和参比光谱后的谱图上积分得到代位碳吸收峰的面积 。

　　10 试验数据处理

　　10 . 1 代位碳 、间隙氧的吸收峰位置 、基线范围 、积分范围及校准因子见表 1 , 代位碳的低温红外谱图见图 1 , 间隙氧的低温红外谱图见图 2 。

　　表 1 吸收峰位置 、基线范围 、积分范围及校准因子

　　元素

　　吸收峰位置cm— 1

　　基线范围cm— 1

　　积分范围cm— 1

　　校准因子cm— 2

　　上限

　　下限

　　上限

　　下限

　　碳

　　607 . 5

　　622

　　592 . 5

　　609 . 1

　　605 . 1

　　3 . 7 × 10 16

　　氧

　　1 136 . 3

　　1 146 . 2

　　1 113 . 4

　　1 138 . 2

　　1 135

　　3 . 27 × 10 16

　　图 1 代位碳的低温红外谱图

　　3

　　4

　　GB/T

　　

　　35306—2023

　　

　　图 2 间隙氧的低温红外谱图

　　10 . 2 代位碳的含量按公式(1)进行计算 。

　　Nc Fc …………………………( 1 )

　　式中:

　　Nc — 碳含量(以原子数计) , 单位为每立方厘米(cm—3 ) ;

　　I c — 碳吸收峰的积分面积 ;

　　d — 样品厚度 , 单位为厘米(cm) ;

　　Fc — 校准因子 , 单位为每平方厘米(cm—2 ) , 当温度低于 15 K 时 , Fc 为 3 . 55×1016 cm— 2 。

　　计算结果保留两位小数 , 数值修约按 GB/T 8170 的规定进行 。

　　注 : 当样品中碳的含量单 位(以 原 子 数 计) 由 每 立 方 厘 米(cm—3 )换 算 为 原 子 数 的 百 万 分 之 一 (ppma) 时 , 除 以5 × 10 16 。

　　10 . 3 间隙氧的含量按公式(2)进行计算 。

　　NO FO …………………………( 2 )

　　式中:

　　NO — 氧含量(以原子数计) , 单位为每立方厘米(cm—3 ) ;

　　I O — 氧吸收峰的积分面积 ;

　　d — 样品厚度 , 单位为厘米(cm) ;

　　FO — 校准因子 , 单位为每平方厘米(cm—2 ) , 当温度低于 15 K 时 , FO 为 3 . 27×1016 cm— 2 。

　　计算结果保留两位小数 , 数值修约按 GB/T 8170 的规定进行 。

　　注 : 当样品中氧的含量单 位(以 原 子 数 计) 由 每 立 方 厘 米(cm—3 )换 算 为 原 子 数 的 百 万 分 之 一 (ppma) 时 , 除 以5 × 10 16 。

　　1 1 精密度

　　取 7 个硅单晶样品在 3 个实验室进行巡回测试 , 每个样品分别测试 5 次 。单个实验室代位碳含量测试的相对标准偏差不大于 20% , 间隙氧含量测试的相对标准偏差不大于 25% 。多个实验室代位碳含量测试的相对标准偏差不大于 25% , 间隙氧含量测试的相对标准偏差不大于 30% 。

　　12 试验报告

　　试验报告至少应包含以下内容:

　　GB/T 35306—2023

　　a) 试验设备 、操作者 、测试日期 ;

　　b) 测试样品的编号 ;

　　c) 测试样品的厚度 ;

　　d) 吸收峰的波数 ;

　　e) 本文件编号 ;

　　f) 测试结果 。

　　5