硅培训 检测

置于石墨容器中的多晶硅样品
最灵敏的杂质检测方法（0.0001ppbw)
多成分同时测定功能（30-40种元素）
多晶硅中杂质的其他检测方法
中子活化法(Neutron Activation Analysis(NAA))
中子源只存在于有限的几个地方
（使用极不方便）
测试所需要的时间非常长 （一到几个月）
注：1，基体金属杂质检测可采用二次离子质谱、等离子体质谱和中子活化分析，由供需双方协商解决。 2，基体金属杂质为参考项目，由供需双方协商解决。 3, 每个等级的产品应该同时满足本等级的要求，若某元素超出标准，则降为下一级。
多晶硅中氧浓度测量（GB/T1557-2006）
红外吸收谱原理
far-infrared: 10 - 400 cm-1 (1000–30 μm)
硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法
原理
间隙氧所在的Si-O-Si键的红外吸收 1107 cm-1
样品准备
多晶硅料 ---- 区熔硅单晶 ---- 去除热施主 ---- 400 m到4mm (一般2mm）硅片 间隙氧的聚合物 （双面研磨抛光）
测试条件
在室温下（27 5 C），分辨率 4 cm-1 n型大于0.1 cm（室温），p型大于0.5 cm （室温），避免自由载流子吸收
中子活化法(Neutron Activation Analysis(NAA))
n（中子） p（质子） + e-
目标原子核
瞬间辐射的 伽玛射线
放射 性原 子核
Beta粒子
衰变后的稳 定原子核 入射中子
化合物原子核
衰变而放出 的伽玛射线
多晶硅中杂质的其他检测方法
中子活化法(Neutron Activation Analysis(NAA))
低温傅立叶变换红外光谱法
样品准备
多晶硅料 ---- 区熔硅单晶 ---- 去除热施主 ---- 1 – 20 mm硅片（双面研磨抛光） 400 - 500 cm-1
测试条件
15 K，避免自由载流子吸收 分辨率 1 cm-1 （FWHMP ~ 1.1 cm-1）
浓度上限
2.5 1014 atom/cm3 （5 ppba)
多晶硅中杂质的其他检测方法
二次离子质谱（SIMS)法
ion gun (1 or 2) sample (3) sputter (4) ion lenses (5) filter(6) electron multiplier (7, top) Faraday cup (7, bottom) CCD screen (8).
N型电阻率，Ω · cm
≥100
≥40
≥20
P型电阻率，Ω · cm
≥500
≥200
≥100
少数载流子寿命，μ s
≥100
≥50
≥30
氧浓度，atoms/cm3
≤1.0×1017
≤1.0×1017
≤1.5×1017
碳浓度，atoms/cm3
≤2.5×1016
≤4.0×1016
≤4.5×1016
太阳能级多晶硅国家标准（报批稿）
不能分析原子量小的元素，如B、C、O
多晶硅中杂质的其他检测方法
酸浸取-ICPMS 法（SEMI MF-1724-1104）
电感性等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy, ICMS 所能检测的元素及其检测极限
太阳能级多晶硅的检测
提纲
1、太阳能级多晶硅国家标准 2、多晶硅中氧浓度测量
3、多晶硅中碳浓度测量
4、多晶硅中的Ⅲ-Ⅴ族杂质含量测量 5、多晶硅中金属杂质测量
太阳能级多晶硅国家标准（报批稿）
基于SEMI 16-1296《硅多晶规范》标准，增加了基体金属杂质内容
太阳能级多晶硅等级指标（一） 项目（一） 1级品 2级品 3级品
Wagging
Twisting
多晶硅中氧浓度测量（GB/T1557-2006）
红外吸收谱原理
mA
mB
利用同位素效应可以对键的类型进行确认
多晶硅中氧浓度测量（GB/T1557-2006）
红外吸收谱原理
A = ln(P0/P）
T = P/P0
P = P0exp(-A) = P0exp(-b) = P0exp(-cb) c = / = A/(b)
A为吸收率 absorbance T为透过率
为吸收系数(cm-1) absorption coefficent
为吸收截面(cm2）absorption cross section
c为杂质浓度(cm3) impurity concentration
多晶硅中氧浓度测量（GB/T1557-2006）
数据来源：Perkin Elmer
多晶硅中杂质的其他检测方法
酸浸取-ICPMS 法（SEMI MF-1724-1104）
高灵敏度（ppt） 高检测效率（3分钟分析35种元素）
多晶硅中杂质的其他检测方法
酸浸取-ICPMS 法（SEMI MF-1724-1104）
标准样品的准备至关重要（高超的实验技 术，超洁净的环境） 非常纯或者非常“脏”，产生记忆效应 难于准确测磷（硅和氢的干扰） 不能测C、O
基于SEMI 16-1296《硅多晶规范》标准，增加了基体金属杂质内容
太阳能级多晶硅等级指标（二） 项目（二） 1级品 施主杂质浓度ppba 受主杂质浓度ppba 氧浓度，atoms/cm3 碳浓度，atoms/cm3 少数载流子寿命，μ s ≤1.5 ≤0.5 ≤1.0×1017 ≤2.5×1016 ≥100 2级品 ≤3.76 ≤1.3 ≤1.0×1017 ≤4.0×1016 ≥50 3级品 ≤7.64 ≤2.7 ≤1.5×1017 ≤4.5×1016 ≥30
灵敏度
[Oi] 1 1016 atom/cm3
多晶硅中氧浓度测量（GB/T1557-2006）
硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法
多晶硅中氧浓度测量（GB/T1557-2006）
硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法
Tb
Tp
（x 为样品厚度）
[Oi] = 3.14 1017 = 3.14 1017 (p - b)
浓度上限： 5 1015 cm-3 （比低温红外约高20倍）
磷 电子
空穴
自由激子 Efree
束缚激子 Ebound
多晶硅中III、V杂质测量（SEMI MF 1389-0704）
低温光致发光法
束缚激子发光强度 / 自由激子发光强度 ---- 与校准曲线对比 --- 杂质浓度
电阻率 低温红外
多晶硅中杂质的其他检测方法
多晶硅中杂质的其他检测方法
辉光放电质谱（GDMS)法（SEMI PV1-0309）
国内的GDMS: 甘肃的金川镍钴研究设计院
江西的塞维LDK
上海的埃文思分析集团
总结
氧 ----------------- 红外吸收光谱 SIMS
碳 ------------------ 红外吸收光谱 SIMS III、V族杂质 ---- 红外吸收光谱 光致荧光光谱 GDMS SIMS 硼：ICP-MS
基体金属杂质，ppmw
Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、 TMI(Total metal impurities)总金 属杂质含量：≤0.01
Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、 TMI(Total metal impurities)总金属 杂质含量：≤0.1
Fe、Cr、Ni、Cu、Zn、 TMI(Total metal impurities)总金属 杂质含量：≤0.2
（b为样品厚度） (atom/cm3) 300 K (atom/cm3) 77 K
多晶硅中III、V杂质测量（SEMI MF 1630-0704）
低温傅立叶变换红外光谱法
原理
电子跃迁引起的红外吸收 300 - 500 cm-1
316.0
39.2 meV
多晶硅中III、V杂质测量（SEMI MF 1630-0704）
多晶硅中III、V杂质测量（SEMI MF 1630-0704）
低温傅立叶变换红外光谱法
多晶硅中III、V杂质测量（SEMI MF 1630-0704）
低温傅立叶变换红外光谱法
（吸收峰的）
多晶硅中III、V杂质测量（SEMI MF 1389-0704）
低温光致发光法
杂质：B、P、As、Al （种类比低温红外少）
多晶硅中杂质的其他检测方法
二次离子质谱（SIMS)法
(ppb)
多晶硅中杂质的其他检测方法
辉光放电质谱（GDMS)法（SEMI PV1-0309）
GDMS 分析示意图
多晶硅中杂质的其他检测方法
辉光放电质谱（GDMS)法（SEMI PV1-0309）
ppm
- no sample preparation
(atom/cm3)
多晶硅中碳浓度测量（GB/T1558-1997）
硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法
原理
替代碳所在的Si-C键的红外吸收 607 cm-1
样品准备
多晶硅料 ---- 区熔硅单晶 ---- 2mm硅片（双面研磨抛光）
测试条件
在室温下（27 5 C），分辨率 2 cm-1 或者77K，分辨率 1 cm-1 大于0.1 cm（室温），避免自由载流子吸收
灵敏度
[Cs] 1 1016 atom/cm3 （室温）， 5 1015 atom/cm3 （77 K）
多晶硅中碳浓度测量（GB/T1558-1997）
硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法
= [(1/b)ln(T0/T)] [Cs] = 1.0 1017 [Cs] = 4.5 1016