红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺全解
2、半导体与光学常数之间的关系 半导体对不同波长的光或电磁辐射有不同的吸收性能， 常用吸收系数α 来描述这种吸收特性。α 的大小与光的 波长λ 有关，因而可以构成一个α ～λ 的连续普带，即 吸收光谱。 如图所示，样品受到一束强度为 I0，分为三部分： IR 、 IK 和 IT ，因此有
5）在700 ～550cm-范围内扫描，得到607.2cm-处的硅-碳吸 收带。 6）若要提高灵敏度，采用77K测量时，峰值位于607.5cm-处, 要求半峰宽为3cm-，试样厚度增加到5mm,最大扫描速度为 1cm/min。
6、测量结果的计算：将测量值代入 系数 。 7、碳含量的计算：
计算吸收
5）在1300 ～1000cm-范围内扫描，得到1105cm-处的硅-氧 吸收带。 6）吸收峰（T0-T)小于5%时，应采用低温测量。 7）采用78K测量时，峰值位于1127.6cm-(8.8684μm）处，半 峰宽为20cm-。 8）重复测量三次，取结果的平均值。
6、测量结果的计算：将测量值代入 系数 。 7、氧含量的计算：
3、测量仪器 （1）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。 （光谱范围700～550cm,室温下仪器在607.2cm- 处的分辨 率小于2cm- ,在77K时，偏移到仪器在607.5cm- 处的分辨 率小于1cm- 。） （2）低温恒温器能使试样与参比样品维持在77K的温度。 （3）厚度测量仪，精度0.025mm. （4)被测试样架和参比样品架避免任何绕过样品的红外辐射。
四、我国测试硅晶体中替位碳含量的标准方法 1、测试方法与范围： （1）红外吸收法：利用红外光谱进行定性定量分析的方法 （2）范围：适用于室温电阻大于0.1Ω.cm的硅晶体，载流 子浓度小于 5×1016at.cm-3。测量范围为:室温下1×1016at.cm-3 至最大固溶度。77K时下限降为5×1015at.cm-3 。 2、测试原理：用红外光谱仪测定Si-C键在607.2cm（16.47μm)处的吸收系数来确定硅晶体中替位碳的含量。
国家标准硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法
国家标准《硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》（预审稿）编制说明一、工作简况1、立项目的及意义半导体材料（尤其是集成电路工业）是电子信息产业的基础和核心，是国民经济现代化与信息化建设的先导与支柱产业。
半导体硅单晶材料则是半导体工业的最重要的主体功能材料，至今全球信息产业使用的硅材料仍占半导体材料总量的95％以上，而且国际集成电路（IC）芯片及各类半导体器件的95％以上也是用硅片制造的。
高纯硅材料产业是重要的战略性新兴产业，符合国家的产业发展方向。
该标准项目是对高纯硅（单晶或多晶）材料中痕（微）量氧杂质进行准确地分析检测，为国内高纯硅材料的生产、质量判定及国际贸易提供技术支撑。
半导体产业的发展是建立在晶体硅材料的研究基础上，一般要求晶体的质量越高越好。
而硅晶体的质量与其中的杂质和缺陷相关。
氧是硅晶体中最主要的轻元素杂质，它们在器件制造过程中极易形成沉淀，导致器件性能的下降或失效。
氧在硅中大部分处于间隙位置，由氧形成的热施主会使得n型硅单晶样品电阻率下降，p型样品电阻率增加，而这些性质的变化影响硅片径向电阻率的均匀度，对电子器件的生产有着重要的影响，使电阻率热稳定性变差，器件成品率下降。
氧在硅中也有一些积极作用，氧含量达到一定浓度以上时，对硅单晶机械强度有增强作用，但这种增强作用只有氧处于溶解状态时才会产生，当氧沉淀时，不但不能增强反而会有所破坏。
氧在后期制造太阳能电池的过程中也容易引起沉淀或者和某些金属杂质结合在一起，形成新施主、电学中心等，使所制作的太阳能电池的性能不稳定，影响太阳能电池的转换效率和光衰减效率。
因此，准确地检测氧含量，对硅材料具有重要意义。
2、任务来源根据国家标准委《关于下达2014年第二批国家标准修订计划的通知》（国标委综合[2014] 89号）文件精神，由新特能源股份有限公司负责修订《硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》，计划编号-T-469，计划完成时间为2017年。
3、编制单位简况新特能源股份有限公司，成立于2008年，主要推崇绿色制造、循环经济发展模式，在致力太阳能光伏产业链建设的基础上，从循环经济的减量化、再利用和循环使用原则出发，采用全闭环的多晶硅生产工艺。
硅中氧、碳及其含量测定
硅中氧、碳及其含量测定1.硅晶体中的氧直拉硅单晶中不可避免地存在氧。
尽管氧的含量不高，在百万分之二十（20ppma）左右，相当于硅晶体中直线距离不到40个硅原子有一个氧原子，它们的作用却不可忽视。
硅中的氧，取决于它存在的量、分布和存在的方式，对硅中缺陷的形成和晶片的特性有重要的影响。
因此，精确地测定和控制硅单晶中的氧含量是硅材料制造和器件加工中必不可少的环节，硅中氧含量是当今硅材料与器件制造业进行验收、工艺监控以及研究开发所必需掌握的关键数据。
直拉硅单晶中的氧是在晶体生长过程中由熔硅进入。
而熔硅中的氧主要由石英坩埚的溶解而引入。
高温下的熔硅会和它与接触的石英坩埚壁反应，使石英溶解，石英中的氧溶入熔硅。
含氧的熔硅被强烈的对流搅拌，带至熔硅上部暴露的表面和生长晶体的界面附近。
到达表面的氧以SiO的组成向气氛发散，被气流带走。
到达生长界面的氧就进入生长中的晶体。
在实际的生长系统中，由石英溶解进来的氧绝大部分被带到暴露的表面挥发走，只有很小部分（大约2%）进入硅晶体。
进入硅晶体的氧含量与上述过程中的每一个环节都有关，因此影响因素较多：原料多晶硅和吹扫气氩气的含氧量，石英坩埚材质和表面涂层，熔硅直径与深度的比例，石墨热场设计所决定的坩埚壁的温度，由坩埚和晶体转动所引起的对流，吹扫气流在炉内（特别是熔硅上部）流动的分布，以及外加磁场的方式，都可能对氧的引入，即晶片中氧的浓度及其分布，产生重要作用。
在晶体生长过程中这些因素会发生变化，所以，晶体中不同部位的氧含量也会相应变化。
在高温下引入硅中的氧处于固溶体状态。
随着晶体生长后的冷却，这些氧逐渐处于过饱和状态。
这时，由于已处于固态，氧原子在硅晶格中的移动受到限制。
如果高温下的历程不是太久的话，这些氧原子会保持这种过饱和状态，以填隙原子的形式存在于硅晶格中。
通常由直拉法生产的硅晶片中的氧大多都是处于这种状态。
这种过饱和的氧处于一种不稳定的状态。
硅晶格中处于填隙位置的氧原子引起临近的局部挤压应力。
实验四 FTIR测定硅材料中的碳氧含量(定量分析)实验指导书
实验四 FTIR 测定硅材料中的碳氧含量(定量分析)一. 实验目的1、 理解傅里叶红外光谱测试定量方法的原理；2、 掌握FTIR-650红外光谱仪的基本结构和使用方法；3、 学会FTIR-650红外光谱仪测试硅材料中碳氧含量的方法；二. 实验仪器FTIR-650型傅立叶变换红外光谱仪，标准硅样品，多个测试硅样品等三. 实验原理单晶硅材料可以用于制造太阳能电池、半导体器件等，由于其应用领域的特殊性要求其纯度达到99.9999%甚至更高。
在单晶硅生产过程中由原料及方法等因素难以避免的引入了碳、氧等杂质，直接影响了单晶硅的性能，因而需对单晶硅材料中的氧碳含量进行控制。
红外光谱可用于定性分析，获取分子结构、振动能级等相关信息。
实际上，红外光谱还可用于定量分析，可以对混合物中各组分进行相对含量的测定，其基本原理就是对比吸收谱带的强度。
对处于一定状态的物质和其中的各种组分，所吸收的红外光的频率是固定的，并且存在一个规律，就是吸收率与组分的浓度和光程（红外光在样品内经过的路程）成正比，这就是红外光谱进行定量分析的基本原理。
对于不同频率的红外光，硅片的透过率是不同的，这是因为硅晶格和其中所含杂质种类和浓度不同(如氧和碳等)，所以红外光的吸收率是不同的。
因此对单晶硅材料中的氧碳含量的测试可以采用红外光谱的定量分析来完成。
红外光谱法进行定量分析的理论基础是比尔-兰勃特定律，即当红外光源通过样品时，由于样品的共振吸收，使用入射光的强度减弱，这种入射光强度的减弱与可见光的吸收本质是一样的，也可以用光吸收定律表示：Kb e I I -=00/I I T =cb K Kb I I T A 00)/lg()/1lg(====其中T 为样品对红外光的透过率，A 为样品的吸收率， b 为样品厚度，c 为组分的浓度，K 为待测样品的吸收系数，与待测物质的浓度成正比，K 0为物质的吸光系数，有如下关系K=K 0c 。
对于不同碳、氧含量的硅片(c 不同)，不同区域的红外光的吸收率是不同的。
工业硅化学分析方法碳含量的测定红外吸收法
国家标准《硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法》（送审稿）编制说明一、工作简况1、项目背景和立项意义在半导体生产过程中的质量控制领域，硅材料中C、O 及B、P 等杂质分析是一个非常关注的课题。
氧和碳是硅单晶中十分重要的杂质元素，无论是对太阳能电池还是电子器件的硅单晶材料性能都存在一定的影响，因此需要对其进行准确测量和有效控制。
随着市场竞争日益激烈，对多晶硅产品的质量要求越来越高，目前在多晶硅产品标准GB/T 25074-2010《太阳能级多晶硅》和GB/T 12963-2014《电子级多晶硅》分别规定了氧和碳的指标要求，其中最新修订的GB/T 12963-2014规定了电子一级碳浓度＜4×1015atoms·cm-3(0.08ppma)、氧浓度≤1×1016atoms·cm-3(0.2ppma)。
常温红外光谱由于其快速、无损、易于维护等特点被广泛用于检测硅单晶中的间隙氧和代位碳含量，但在常温条件下，碳和氧的检测灵敏度不高，现行国家标准GB/T 1557-2006《硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》规定的最低检出限为1×1016atoms·cm-3(0.2ppma)；GB/T 1558-2009《硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》规定的最低检出限为5×1015atoms·cm-3(0.1ppma)，低温条件下77K时检测下限为5×1014atoms·cm-3(0.01ppma)，常温红外光谱法已经不能很好地满足检测要求。
因此，提高碳氧含量的测量精度、降低检测限已经成为进一步提高多晶硅产品质量的一个亟待解决的问题。
低温技术是研究红外光谱的重要手段之一，低温红外光谱技术在国内外Hemlok、Wacker 、MEMC等知名厂家和研究单位半导体分析中均有广泛的应用。
与常温红外相比有许多优点，在硅单晶检测过程中，温度不同时所获得的最低检测限会大有不同。
国家标准硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法
国家标准《硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》（预审稿）编制说明一、工作简况1、立项目的及意义半导体材料（尤其是集成电路工业）是电子信息产业的基础和核心，是国民经济现代化与信息化建设的先导与支柱产业。
半导体硅单晶材料则是半导体工业的最重要的主体功能材料，至今全球信息产业使用的硅材料仍占半导体材料总量的95％以上，而且国际集成电路（IC）芯片及各类半导体器件的95％以上也是用硅片制造的。
高纯硅材料产业是重要的战略性新兴产业，符合国家的产业发展方向。
该标准项目是对高纯硅（单晶或多晶）材料中痕（微）量氧杂质进行准确地分析检测，为国内高纯硅材料的生产、质量判定及国际贸易提供技术支撑。
半导体产业的发展是建立在晶体硅材料的研究基础上，一般要求晶体的质量越高越好。
而硅晶体的质量与其中的杂质和缺陷相关。
氧是硅晶体中最主要的轻元素杂质，它们在器件制造过程中极易形成沉淀，导致器件性能的下降或失效。
氧在硅中大部分处于间隙位置，由氧形成的热施主会使得n型硅单晶样品电阻率下降，p型样品电阻率增加，而这些性质的变化影响硅片径向电阻率的均匀度，对电子器件的生产有着重要的影响，使电阻率热稳定性变差，器件成品率下降。
氧在硅中也有一些积极作用，氧含量达到一定浓度以上时，对硅单晶机械强度有增强作用，但这种增强作用只有氧处于溶解状态时才会产生，当氧沉淀时，不但不能增强反而会有所破坏。
氧在后期制造太阳能电池的过程中也容易引起沉淀或者和某些金属杂质结合在一起，形成新施主、电学中心等，使所制作的太阳能电池的性能不稳定，影响太阳能电池的转换效率和光衰减效率。
因此，准确地检测氧含量，对硅材料具有重要意义。
2、任务来源根据国家标准委《关于下达2014年第二批国家标准修订计划的通知》（国标委综合[2014] 89号）文件精神，由新特能源股份有限公司负责修订《硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》，计划编号-T-469，计划完成时间为2017年。
3、编制单位简况新特能源股份有限公司，成立于2008年，主要推崇绿色制造、循环经济发展模式，在致力太阳能光伏产业链建设的基础上，从循环经济的减量化、再利用和循环使用原则出发，采用全闭环的多晶硅生产工艺。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺
首先，准备样品。
将硅单晶样品切成适当的尺寸，并进行表面处理，确保表面光洁度和平整度。
样品应尽量避免表面有杂质和损伤，以保证测量的准确性。
接下来，进行测量。
将样品放置在红外光源和红外检测器之间，调节仪器，使红外光源的辐射能够通过样品并被检测器接收到。
通过调节光源波长、光强度和检测器灵敏度等参数，选择使氧和碳的吸收峰能够被有效检测到的条件。
然后，进行背景吸收校正。
在测量样品之前，需要先测量一片没有氧和碳的纯硅样品，作为背景吸收。
通过测量背景吸收，可以减少其他因素对测量结果的干扰，并消除仪器系统本身的吸收。
在进行样品测量时，应注意避免其他气体和杂质对测量结果的干扰。
通常情况下，样品需要处于真空或气体保护环境中，以减少氧和碳的氧化和吸收。
最后，通过对测量结果进行数据处理和分析，可以得出硅单晶样品中氧和碳的含量。
常用的分析方法有峰面积法和比值法。
峰面积法是通过测量吸收峰的面积来计算氧和碳的含量，并与标准曲线进行比较。
比值法是通过两个吸收峰的强度比值来计算氧和碳的含量。
这两种方法都需要建立标准曲线，以确定氧和碳的浓度与吸收峰强度之间的关系。
总结起来，红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺主要包括样品准备、仪器调节、背景吸收校正、测量环境控制以及数据处理等步骤。
这种方法简单、快速，并且是一种非破坏性的分析方法，适用于硅单晶中氧和碳含量的定量分析。
区熔硅单晶的红外吸收差谱测量
烟台师范学院学报(自然科学版)Yantai Teachers Univ ersity Jour na l(Na tural Science)1998,14(1):47～50区熔硅单晶的红外吸收差谱测量吴 康(山东省体育运动技术学院教育部,济南250014)摘要 通过红外光谱测量,研究了原生区熔硅单晶、中子辐照区熔硅单晶以及热处理后的中子辐照区熔硅单晶的中心部位与边缘部位之间的红外吸收差谱.根据这些红外吸收谱,讨论了区熔硅单晶中替位式杂质碳、间隙式杂质氧的径向分布以及中子辐照、热处理温度对它们的影响.用四探针法测量了中子辐照区熔硅单晶的电阻率随退火温度的变化关系.关键词 硅单晶,中子嬗变掺杂,红外光谱,退火热处理中图法分类号 O472 半导体硅单晶对红外线吸收很弱,有良好的透明性.因此,测量硅单晶的红外吸收性质可以推知半导体的能带结构、禁带宽度、杂质含量及其能级位置等〔1〕.碳、氧是硅单晶中浓度比较高的杂质元素.它们在硅中的含量和行为,对材料的性质有重大影响.多年来,人们对之进行的深入研究已证明,Si C振动波数为607cm-1.在300K时就出现一个碳的红外吸收峰〔2〕,波长为16.4μm,并以此作为检测替位式碳浓度的方法.但是,波数为606cm-1的地方也出现硅晶格的吸收峰,而且它的强度很大,其吸收系数为8cm-1,比碳的吸收系数还大.因此,测定硅单晶中碳杂质含量时,必须用差别法.所谓差别法是指若采用双光束红外光谱仪,在一个光路中应放上同样厚度、低氧、低碳的纯硅晶体标样作为参比样品,以便抵消晶格吸收对杂质吸收的干扰.在另一个光路中放上被测样品.若是采用付里叶变换红外光谱或单光束光谱仪,先测标样的红外吸收谱,然后与待测样品的红外吸收谱相除以抵消晶格吸收的影响.这种方法也称样品参比法.硅单晶中的氧杂质是间隙型的〔3〕.氧把两个硅原子的键断开,形成两个Si O键.对于Si O Si非线性分子,可以有三个独立的简正振动.它们都是红外活泼的.但是,在室温下以1106cm-1(9μm)的振动最为突出.所以常以1106cm-1处的吸收系数来计算硅单晶中间隙氧的含量〔4〕.一般分析硅单晶中的碳、氧含量,都是选取真空下区熔硅单晶作参比样品.本文采用同一晶棒的中心部位切取参比样品,测量晶棒边缘部位的红外吸收光谱,更有利于观测同一晶棒中杂质的径向分布.实验发现在400～4000cm-1波数范围内,只有在606cm-1和1106cm-1处有吸收峰.根据这些吸收峰的变化,对中子辐照以及热处理的影响进行初步讨论.1 实验 将直径为35mm、n型、生长方向〔111〕、氢气氛下区熔硅单晶棒一分为二,一段记为 收稿日期:1996-12-17;改定日期:1997-03-28F Z (H)Si,即原生态区熔硅单晶.另一段在轻水反应堆经中子辐照后记为N TD FZ(H)Si.中子辐照条件如附表所示.附表 轻水反应堆中子辐照条件原始电阻率(Ψ.cm)中子通量(n ·cm -2)热快中子比辐照时间(h )辐照温度(℃)目标电阻率(Ψ·cm )350～450 6.7×101710 3.64040～50 在晶棒圆心附近,平行晶体生长方向〔111〕切割中心部位2m m 厚的片子作红外吸收光谱测量的参比样品.在离圆心R = 1.4cm 处,切割同样厚度的平行片子,即边缘部位的晶体作待测样品.在管式石英炉内,对N TD FZ(H)Si 进行变温等时1h 热处理.测量红外光谱的样品热处理时,高纯氮气作保护气体.待测样品和参比样品同时入炉同时出炉.W T-702型温度控制仪(上海自动化仪表六厂)控温精度±0.5℃. 红外光谱测量前,参比样品和待测样品都经过两面研磨、机械抛光成镜面并且控制待测样品与参比样品之间的厚度差在±0.01mm 以内.用美国产Perkin -Elmer PEG 983双光束红外分光光度计进行室温红外吸收光谱测量.采用四探针方法测定热处理后N TD FZ(H)Si 样品的电阻率.2 结果与讨论 1)原生区熔硅单晶的红外吸收光谱 图1是原生态区熔硅单晶FZ(H)Si 样品以中心部位为参比,测量边缘部位的红外吸收曲线.606cm -1处有一强吸收峰说明原生晶棒中边缘区域替位式碳浓度比中心区域高.而在1106cm -1处的吸收弱峰说明边缘区域间隙氧的浓度也略比中心区域高.图1说明在原生晶棒内,杂质碳、氧沿径向分布不是均匀的,周边区域内杂质含量相对要高. 2)中子辐照区熔硅单晶的红外吸收光谱 与图1中所用样品同一晶棒的另一段,经中子辐照后也以中心部位切出的片子作为参比样品,测量边缘部位平行样品的红外吸收曲线绘于图 2.可以看出,606cm -1处出现了一个负的吸收峰,说明边缘区域的替位式碳浓度比中心区域低.中子辐照之目的是通过中子嬗变反应产生磷,可得到非常均匀电阻率图1 原生FZ(H)Si 的红外吸收光谱 图2 中子辐照N T D FZ(H)Si 的红外光谱分布的晶体.但是核反应堆辐射出来的中子,特别是快中子具有很高的能量.这些高能量的中子撞击晶格原子的结果,使其发生位移而造成晶格损伤.只有通过适当的退火热处48烟台师范学院学报(自然科学版)第14卷 理,才能消除这种晶格损伤,同时也使嬗变产生的施主元素磷恢复其电学性质〔5〕.从图2结果来看,中子辐照还会使替位式碳杂质偏离其原来位置.这是因为中子流是从晶棒周边逐渐向里作用的.未进行中子辐照前边缘区域替位式碳浓度比中心区域高,而中子辐照后结果正好相反.这说明在晶棒的边缘区域中子辐照造成的晶格损伤要比中心区域严重得多.从中子辐照样品的退火温度来看,也证实了这一点.因为边缘部位的电阻率恢复温度总比中心部位的恢复温度高. 3)热处理后的中子辐照样品的红外光谱 图3曲线a 是与图2同样的样品,先经过400℃1h 热处理后,再进行红外光谱测量.很明显,606cm -1处的负峰比未热处理时减弱了.这说明在400℃热处理1h ,可使部分偏离的替位式碳复位,但恢复的程度还不够.曲线b 是800℃1h 热处理的样品.这时606cm -1处又出现了正的吸收峰.虽然其强度还不如未进行中子辐照的原生硅单晶的相应强度,但也足以说明大部分偏离碳原子已恢复到替位式位置.另外在1230cm -1处出现了一个弱的吸收带,这认为是间隙氧的聚集沉淀造成的〔3〕.因为从未中照的样品图1可知,边缘区域间隙氧含量高于中心区域,而图3b 也正说明800℃热处理后边缘区域比中心区域含有更多的氧沉淀. 4)中子辐照区熔硅单晶的电阻率退火曲线 中子辐照后,不仅晶格原子硅发生位移,而且由嬗变产生的磷原子也偏离其替位式位置.因此,中照后的硅单晶都要进行退火热处理〔5〕.图4是上述中子辐照区熔硅单晶样品在不同温度下退火1h ,然后室温下测量图3 热处理后N T D F Z(H)Si图4 中子辐照后区熔硅单晶经不同温度的红外吸收光谱热处理1h 后的电阻率变化关系其电阻率的变化关系.从图4可以看出,在400℃以前退火,样品的电阻率比未中照时还高.随着退火温度的升高,电阻率下降,到480℃左右,出现了电阻率极小值.如果退火温度再升高,样品的电阻率又逐渐增大,直到640℃以上退火时,电阻率趋于平稳,且接近目标电阻率.在这之前,比目标电阻率更低的数值说明样品中产生了过量的浅施主〔5〕.为防止这种电阻率失真的出现,退火温度应高于640℃.3 结论 用红外光谱测量区熔硅单晶中心部位与边缘部位的吸收差谱,可明显观察到替位式杂质碳的吸收信号.在原生区熔硅单晶中,周边区域内碳的浓度高于中心区域,说明杂质碳在晶棒内存在着径向分布不均匀且由中心到周边是含量增加.根据中子辐照后的光谱49第1期吴 康:区熔硅单晶的红外吸收差谱测量50烟台师范学院学报(自然科学版)第14卷 分析,中子辐照后替位式碳要偏离开其原来位置,且由周边向中心这种偏离逐渐减弱,从而可推断中照损伤也是由周边到中心逐渐减弱的.400℃退火1h并不能使这种偏离恢复,但800℃退火1h这种偏离和辐照损伤基本上可以恢复.从电阻率退火曲线来看,嬗变产生的施主元素磷在退火前也不在其替位式施主位置,但经过640℃1h退火,电阻率基本上达到中照时的目标电阻率,说明磷原子恢复其施主位置.因此,对于中子辐照掺杂的n型区熔硅,可选择在800℃以上退火1h,即可使电阻率恢复又可消除由辐照造成的晶格损伤.参 考 文 献1 孙以材.半导体测试技术.北京:冶金工业出版社,1984.2212 刘锦春等.半导体器件材料.北京:电子工业出版社,1995.2813 Bo rgh esi A,et,a l.Ox yg en precipita tion in silico n.J Appl Ph ys,1995,77(9):41694 中华人民共和国国家标准,GB1557—895 王正元,林兰英.氢气和氩气中区熔生长的中子嬗变掺杂硅退火行为的研究.半导体学报,1982,3(4):282 作者简介:吴康,女,43岁,大专,讲师.Infrared absorption differential spectra for mnocrystalsilicon grown by floating-zone techniqueWu Kang(Educational Departm ent,Shandong Athletic Spo rts&Techniqu e In stitute,J inan250014)Abstract Different mo nocrystal silicon g ro w n by floa ting-zo ne technique,neutron transm utatio n doping(N TD)and annealed N TD a re studied by infrared abso rption differ-ential spectra measurements.The effects of neutron ir radia tio n and a nnealing o n the sub-stitutio nal carbon a nd interstitial ox ygen are discussed based o n the differential spectra betw een the edg e and the middle of the cry stal ing ot.The resistivity of the N TD is mea-sured as a functio n o f annealing tem perature.Key words monocrystal silicon,neutro n transmutatio n do ping,infrared abso rption sperctra,annealing trea tment(责任编辑 迟玉华)。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺摘要红外吸收法是一种常用的测定硅单晶中氧和碳含量的测试方法。
本文介绍了红外吸收法的基本原理、测试方法和相关工艺，以及该方法的优点和局限性。
通过了解和掌握红外吸收法的测定原理和操作流程，可以有效地实施硅单晶中氧和碳的测试工作。
引言在硅单晶材料的制备过程中，氧和碳的含量是非常重要的指标。
正确测定硅单晶中氧和碳的含量，对于保证材料的质量和性能至关重要。
红外吸收法作为一种无损、快速、精确的测试方法，被广泛应用于硅单晶中氧和碳的测试。
本文将详细介绍红外吸收法的原理、测试方法和相关工艺。
红外吸收法的原理红外吸收法是基于不同物质对红外辐射吸收特性的不同原理。
在红外辐射中，不同分子具有不同的振动基态和激发态之间的跃迁能级，当红外辐射的能量与分子的能级差相匹配时，分子就会吸收红外光谱。
根据不同的吸收峰位置和峰值强度，可以确定样品中各组分的含量。
红外吸收法的测试方法红外吸收法的测试方法主要包括样品制备、红外光谱仪的选择和操作、峰值分析和结果计算几个步骤。
样品制备首先需要准备好符合测试要求的硅单晶样品。
样品应保证表面的光洁度和纯度，避免表面的污染物对测试结果的影响。
通常采用切割的方式将硅单晶样品制备成适当的尺寸和形状，以便于红外光谱仪的测试。
红外光谱仪的选择和操作选择合适的红外光谱仪非常重要。
红外光谱仪应具有高分辨率、高灵敏度和较宽的红外波段范围，以满足测试的要求。
在操作上，应注意正确调整仪器的参数，包括波数范围、光源强度和检测器灵敏度等，以获取准确的红外光谱。
峰值分析和结果计算通过红外光谱仪获取的红外光谱图，可以根据吸收峰的位置和峰值强度来分析样品中氧和碳的含量。
根据已有的标准曲线或相关计算公式，可以计算出样品中氧和碳的含量。
需要注意的是，在进行结果计算时，应考虑到样品的基体和其他可能的干扰因素。
红外吸收法的工艺红外吸收法在硅单晶制备过程中的应用主要包括材料选取、样品制备和测试过程中的实施等工艺。
国家标准《工业硅化学分析方法 第6部分：碳含量的测定 红外吸收法》编制说明
工业硅化学分析方法第六部分碳含量的测定红外吸收法（送审稿）编制说明昆明冶研新材料股份有限公司2013-11-15《工业硅化学分析方法第六部分碳含量的测定红外吸收法》国家标准编制说明1.工作简况1.1.项目背景和立项意义近十多年来，硅产业在原料精选、工艺、设备、精炼等方面不断提升和进步，工业硅产品由原来大部分作为冶金用硅发展到能满足多方面需求的化学用硅，大量用于有机硅、半导体材料及电子等诸多行业。
尤其是近年来随着光伏产业的高速发展，工业硅的需求量日益增大，对其中的杂质含量也提出了更多、更高的要求。
由于碳和其它一些杂质元素会对光伏产品有较大的影响，必须从原料工业硅进行严格控制，这对工业硅的分析检测也提出了新的要求。
现行国家标准GB/T 14849《工业硅化学分析方法》前5个部分中分别规定了铁、铝、钙、钛、锰和镍等元素的测定方法，目前云南永昌硅业正在修订的国家标准GB/T 2881-201X《工业硅》中开始规定了碳含量的指标要求，但却没有碳元素的分析方法，满足不了行业发展的新的检测需求。
因而制定科学完善的工业硅中碳含量的分析标准，在生产、使用、贸易过程中对工业硅中碳含量进行规范的检测及有效的质量控制，对硅产业的发展有积极的促进作用和长远的现实意义。
1.2.任务来源2012年5月，昆明冶研新材料股份有限公司提出《工业硅化学分析方法碳含量的测定红外吸收法》国家标准的立项申请，由国家标准化管理委员将其列入2012年度国家标准制定项目计划，2012年12月，全国有色金属标准化技术委员会根据国标委综合[2012]92号文正式下达了计划号为20121953-T-610《工业硅化学分析方法第6部分：碳含量的测定红外吸收法》国家标准的起草任务，确定由昆明冶研新材料股份有限公司为主起草单位负责本标准的制定工作，任务完成时间为2013年1月～2014年12月。
1.3.起草单位昆明冶研新材料股份有限公司是由昆明冶金研究院部分转制后成立的经国家科技部双高认证的高科技公司，2010年被云南省政府命名为“云南省自主创新型企业”。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试办法
❖及
❖ 所以
❖ 3、氧、碳含量的计算公式： ❖ （1）爱因斯坦模型理论计算公式：
❖ 此公式在公式推导过程中把Si-O振子电荷看成是完整的电子 电荷，与实际不符，目前不采用此公式计算。
❖ （2）定氧含量的ASTM(美国材料试验协会）经验公式： ❖ 此方法设定将半峰宽 固定为一常数：32厘米-1，硅单晶
中的氧与αmax 成正比关系（波数为1105cm-1的特征峰）， 采用真空熔化气体分析法，并用空气参考法和差别法测得到 红外吸收光谱计算吸收系数，因此得到ASTM经验公式：
❖ 1）空气参考法： ❖ 室温下（300K): ❖ 77K ：
❖ 2、碳：在硅单晶中，一间隙氧的形式存在 ❖ （1）单晶硅中氧碳的含量：1016～1017原子/cm3 ❖ （2）最大溶解度： ❖ 熔硅： 3～4×1018原子/cm3 ❖ 固体硅： 5.5×1017原子/cm3
❖ （3）分布：硅单晶中的碳，由于分凝作用在晶体中呈条纹 状分布，头部低，尾部高。
❖ （4）碳对硅单晶的影响 ❖ 1）碳以替位形式存在，使晶格发生畸变，是硅的生长条纹
（5）沉淀氧浓度较高时，其在1230cm-或1073cm-处的吸收 谱带可能会导致间隙氧浓度的测量误差。
（6）300K时，硅中间隙氧吸收带的半峰宽应为32cm-。宽较 大时会导致误差。
❖ 四、我国测试硅晶体中替位碳含量的标准方法 ❖ 1、测试方法与范围： ❖ （1）红外吸收法：利用红外光谱进行定性定量分析的方法 ❖ （2）范围：适用于室温电阻大于0.1Ω.cm的硅晶体，载流
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法
样品需要经过适当的处理和制备，以确保其表面 的平整度和清洁度，从而获得准确的测试结果。
仪器校正
为确保测试结果的准确性，需要对红外光谱仪进 行定期的校正和维护。
03
测试步骤
样品准备
选取具有代表性的硅 单晶样品，确保表面 干净、无杂质。
将研磨后的样品进行 干燥处理，以去除水 分等挥发性物质。
01
在干燥氮气中，将样品加热至一 定温度，以促进样品中气体组分 的释放。
02
03
根据吸收光谱的特征峰位置和强 度，确定气体组分的种类和浓度 。
04
04
结果分析
数据处理与解读
谱图绘制
将整理后的数据绘制成红外光谱 图，便于观察和对比不同样品之 间的差异。
定量分析
根据特征峰的强度，采用适当的 公式计算硅单晶中氧和碳的含量 。
红外吸收法测定硅单晶中 氧和碳的测试方法
目录
• 引言 • 红外吸收法原理 • 测试步骤 • 结果分析 • 结论与展望
01
引言
目的和背景
目的
红外吸收法是一种用于测定硅单晶中氧和碳含量的测试方法，通过该方法可以了解硅单晶材料的纯度、性能和 加工过程中的质量控制情况。
背景
随着科技的发展，硅单晶材料在电子、半导体、太阳能等领域的应用越来越广泛，对硅单晶的纯度和性能要求 也越来越高。因此，准确测定硅单晶中氧和碳的含量对于提高硅单晶材料的质量和性能具有重要意义。
将样品研磨至一定粒 度，以便后续测试。
测试环生干扰。
准备红外光谱仪，确保其性能 稳定、校准准确。
准备干燥氮气作为载气，确保 其纯度符合测试要求。
测试过程
通过红外光谱仪测定释放出的气 体组分对特定波长红外光的吸收 光谱。
实验四 FTIR测定硅材料中的碳氧含量(定量分析)实验指导书
实验四 FTIR 测定硅材料中的碳氧含量(定量分析)一. 实验目的1、 理解傅里叶红外光谱测试定量方法的原理；2、 掌握FTIR-650红外光谱仪的基本结构和使用方法；3、 学会FTIR-650红外光谱仪测试硅材料中碳氧含量的方法；二. 实验仪器FTIR-650型傅立叶变换红外光谱仪，标准硅样品，多个测试硅样品等三. 实验原理单晶硅材料可以用于制造太阳能电池、半导体器件等，由于其应用领域的特殊性要求其纯度达到99.9999%甚至更高。
在单晶硅生产过程中由原料及方法等因素难以避免的引入了碳、氧等杂质，直接影响了单晶硅的性能，因而需对单晶硅材料中的氧碳含量进行控制。
红外光谱可用于定性分析，获取分子结构、振动能级等相关信息。
实际上，红外光谱还可用于定量分析，可以对混合物中各组分进行相对含量的测定，其基本原理就是对比吸收谱带的强度。
对处于一定状态的物质和其中的各种组分，所吸收的红外光的频率是固定的，并且存在一个规律，就是吸收率与组分的浓度和光程（红外光在样品内经过的路程）成正比，这就是红外光谱进行定量分析的基本原理。
对于不同频率的红外光，硅片的透过率是不同的，这是因为硅晶格和其中所含杂质种类和浓度不同(如氧和碳等)，所以红外光的吸收率是不同的。
因此对单晶硅材料中的氧碳含量的测试可以采用红外光谱的定量分析来完成。
红外光谱法进行定量分析的理论基础是比尔-兰勃特定律，即当红外光源通过样品时，由于样品的共振吸收，使用入射光的强度减弱，这种入射光强度的减弱与可见光的吸收本质是一样的，也可以用光吸收定律表示：Kb e I I -=00/I I T =cb K Kb I I T A 00)/lg()/1lg(====其中T 为样品对红外光的透过率，A 为样品的吸收率， b 为样品厚度，c 为组分的浓度，K 为待测样品的吸收系数，与待测物质的浓度成正比，K 0为物质的吸光系数，有如下关系K=K 0c 。
对于不同碳、氧含量的硅片(c 不同)，不同区域的红外光的吸收率是不同的。
硅中代位碳含量的红外吸收测试方法
硅中代位碳含量的红外吸收测试方法一、引言代位碳是指硅骨架(Si-O)上的氧原子被碳原子取代形成的结构单元，这种结构单元对硅材料的物理和化学性质具有重要影响。
对硅材料中代位碳含量进行测试具有重要的意义。
目前，常用的测试方法之一是红外吸收测试，本文将探讨硅中代位碳含量的红外吸收测试方法。
二、硅中代位碳的红外吸收原理在红外吸收测试中，硅材料中的代位碳会对红外光产生吸收作用。
硅氧键(Si-O)的振动频率通常位于红外光谱的1000-1200 cm^-1范围内，而含代位碳的硅氧键的振动频率则会产生一定的偏移。
通过对比硅材料的红外光谱，可以测定代位碳的含量。
三、常用的硅中代位碳红外吸收测试方法1. 红外光谱仪测试法红外光谱仪是一种常用的硅中代位碳含量测试仪器，它可以通过对硅材料进行红外光谱扫描，从而获取含代位碳硅氧键的振动频率。
通过对比标准硅材料的红外光谱，可以测定待测硅材料中代位碳的含量。
2. 热处理-红外测试法这是一种常用的实验室方法，首先将硅材料进行高温热解，将代位碳氧化为二氧化碳，然后再进行红外光谱测试。
通过对比热处理前后的红外光谱，可以测定代位碳的含量。
3. 核磁共振测试法核磁共振是一种能够对样品中的原子核产生共振现象的测试方法，通过测定硅材料中碳原子的核磁共振信号，可以得出代位碳的含量。
四、测试结果的分析和评价通过以上方法获得的测试结果，可以得出硅中代位碳的含量。
基于测试结果，可以对硅材料的物理和化学性质进行评价和分析，为材料的应用提供参考。
五、个人观点和理解硅中代位碳含量的测试对于材料科学领域具有重要的意义，它不仅可以帮助我们了解材料的特性，还可以指导材料的研发和应用。
在未来的研究中，希望能够开发更加准确、快速的测试方法，以满足实际应用的需要。
六、总结与回顾本文首先介绍了硅中代位碳的红外吸收原理，然后详细介绍了常用的红外吸收测试方法，并对测试结果的分析和个人观点进行了阐述。
通过本文的学习，相信读者对硅中代位碳的红外吸收测试方法有了更全面、深入的了解。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺
（仪器在1105cm- 处的分辨率小于5cm- 。） （2）低温测量装置。 （3）千分尺，精度0.01mm. （4)被测试样架和参比样品架。
4、试样制备： （1）测试试样 1）试样切取（从头部取）、研磨，试样的厚度偏差小于
如图所示，样品受到一束强度为 I0，分为三部分： IR 、 IK 和 IT ，因此有
I0 IR IK IT
d
将上式除 I0 ，可得
R、K、T分别为反射率、吸收率和透射率。
在上图中的理想镜面，且两面平行的样品的情况下，考虑 光在样品内部经多次反射，忽略干涉效应，透射光的强度
（2）定氧含量的ASTM(美国材料试验协会）经验公式： 此方法设定将半峰宽 固定为一常数：32厘米-1，硅单晶
中的氧与α max 成正比关系（波数为1105cm-1的特征峰）， 采用真空熔化气体分析法，并用空气参考法和差别法测得到 红外吸收光谱计算吸收系数，因此得到ASTM经验公式：
1）空气参考法： 室温下（300K): 77K ：
2、碳：在硅单晶中，一间隙氧的形式存在 （1）单晶硅中氧碳的含量：1016～1017原子/cm3 （2）最大溶解度： 熔硅： 3～4×1018原子/cm3 固体硅： 5.5×1017原子/cm3
（3）分布：硅单晶中的碳，由于分凝作用在晶体中呈条纹 状分布，头部低，尾部高。
（4）碳对硅单晶的影响 1）碳以替位形式存在，使晶格发生畸变，是硅的生长条纹
8）重复测量三次，取结果的平均值。
6、测量结果的计算：将测量值代入 系数 。
7、氧含量的计算：
计算吸收
8、精确度：单个实验室为±2%，多个实验室测试为±3%。
硅晶体中碳氧含量的检验
硅晶体中碳氧含量的检验Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】一、测试原理氧原子在熔硅中的最大溶解度约为3×1018原子/厘米3，在接近硅熔点时，液态硅中碳原子的溶解度约为3~4×1018原子/厘米3，固态硅中碳原子的溶解度约为5.5×1018原子/厘米3。
氧和碳是硅中最多的主要的杂质。
在硅单晶中，除了氧和碳以及有意掺入的掺杂杂质外，其他所有杂质原子的含量都在1012原子/厘米3左右及以下，几乎全部都在活化分析的检测限以下。
一般硅单晶中掺杂杂质的浓度与氧、碳相比也是较低的。
例如对于电路板级单晶，P型硅掺硼原子的浓度约为1015~1016原子/厘米3，N型硅掺磷原子的浓度为1014~1015原子/厘米3，而典型的区熔硅的氧原子含量约为1015~1016原子/厘米3，典型的直拉硅的氧原子含量约为1017~1018原子/厘米3；典型的碳原子含量在1016~1017原子/厘米3左右，一般来说，区熔硅中碳原子的含量要比直拉硅低。
氧碳含量指标直接关系到电池片的效率和碎片率，硅中氧含量越高，则电池片的转换效率就越低；碳含量越高，则应力越大，越容易破碎。
氧和碳在硅晶体中都呈螺旋纹状分布。
氧的分凝系数为1.25，大于1，所以熔体一侧的氧浓度比固态单晶一侧的浓度低，因此在直拉单晶中头部氧含量比较高，尾部氧含量比较低。
碳的分凝系数小于1，为0.07，因此在直拉单晶生长时，熔体中的碳浓度逐渐增加，在晶体中，碳沿轴向的分布不均匀，头部低，尾部高。
目前测定硅单晶中的氧、碳含量最常用的方法是红外吸收法。
本方法除制备样品较复杂外，测试和计算都是比较方便的。
现在红外吸收法已成为测量硅单晶中氧、碳含量的标准方法。
用红外吸收法测氧、碳含量时，所测得的氧、碳含量不是硅单晶中的总氧和总碳含量。
对氧来说，测得的是晶格中的间隙氧，对碳来说，则是晶格中的替位碳。
国家标准《硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》编制说明
国家标准《硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法》（讨论稿）编制说明一、工作简况1、项目背景和立项意义半导体材料（尤其是集成电路工业）是电子信息产业的基础和核心，是国民经济现代化与信息化建设的先导与支柱产业。
半导体硅（单晶或多晶）材料则是半导体工业的最重要的主体功能材料，至今全球信息产业使用的硅材料仍占半导体材料总量的95％以上，而且国际集成电路（IC）芯片及各类半导体器件的95％以上也是用硅片制造的。
半导体产业的发展是建立在晶体硅材料的研究基础上，一般要求晶体的质量越高越好。
氧和碳是硅晶体中两种最主要的轻元素杂质，无论是对单晶硅材料还是太阳能电池和电子器件的性能都存在一定的影响，因此，准确地检测氧和碳含量，对硅材料具有重要意义。
GB/T 25074-2010《太阳能级多晶硅》和GB/T 12963-2009《硅多晶》分别规定了氧和碳的指标要求。
现行国家标准GB/T 1557-2006《硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》和GB/T 1558-1997《硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》分别规定了间隙氧和代位碳的常温红外测定方法。
但在常温条件下，碳和氧的检测灵敏度不高，检测下限为5×1015atoms·cm-3，而在低温条件下，碳和氧的检出限可以达到1×1015atoms·cm-3，检测灵敏度大大提高，可以很好地满足各种电子级高纯硅材料的检验需求，对进一步促进半导体及光伏产业的发展，提高产品质量，增强产品在国际市场的竞争力，具有重要的现实意义。
2、任务来源2012年11月，昆明冶研新材料股份有限公司提出《硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法》国家标准的立项申请，由国家标准化管理委员将其列入2014年度国家标准制定项目计划。
2014年12月，根据《国家标准委关于下达2014年第二批国家标准制修订计划的通知》（国标委综合[2014]89号）的要求，《硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法》国家标准的起草任务，由昆明冶研新材料股份有限公司负责，计划号为20141875-T-469，任务完成时间为2014年～2015年。
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1）空气参考法： 室温下（300K): 77K ：
2）差别法： 室温下（300K):
77K
：
（3）定碳含量的ASTM经验公式： 用差别法测量得到红外光谱，由于Si-C振动的波数为 607cm-1(16.4微米)。由于在室温条件下，在波长为16微米 处出现硅晶格的吸收波峰，强度很大，因此采用差别法消除 晶格吸收系数。得到经验公式： ASTM公司通过对C的放射 性元素C14试验得到吸收系数与碳含量的关系，得到经验公 式：
（3）分布：硅单晶中的碳，由于分凝作用在晶体中呈条纹 状分布，头部低，尾部高。 （4）碳对硅单晶的影响 1）碳以替位形式存在，使晶格发生畸变，是硅的生长条纹 可能与碳的分布有关。 2）碳在硅单晶中成为杂质氧的成核点，促进氧的沉淀。 3）导致晶体中堆垛层错、漩涡缺陷等的产生。降低器件的 反向电压，增大漏电电流，降低器件的性能。
四、我国测试硅晶体中替位碳含量的标准方法 1、测试方法与范围： （1）红外吸收法：利用红外光谱进行定性定量分析的方法 （2）范围：适用于室温电阻大于0.1Ω.cm的硅晶体，载流 子浓度小于 5×1016at.cm-3。测量范围为:室温下1×1016at.cm-3 至最大固溶度。77K时下限降为5×1015at.cm-3 。 2、测试原理：用红外光谱仪测定Si-C键在607.2cm（16.47μm)处的吸收系数来确定硅晶体中替位碳的含量。
二、红外光谱法测单晶硅中氧、碳的含量
1、硅中氧和碳的红外吸收光谱。如图所示
（1）氧吸收峰： 1）波长为λ1=8.3μm(波数为1205.cm-), 此吸收波峰主要为 分子对称伸缩振动产生的，吸收峰强度很小。 2) 波长为λ2=9μm(波数为1105.cm-), 此吸收波峰主要为分 子反对称伸缩振动产生的，吸收峰强度最大。 3）波长为λ3=19.4μm(波数为515.cm-), 此吸收波峰主要为 分子弯曲振动产生的，吸收峰强度较小。 （2）碳吸收峰： 1）波长为λ1=16.47μm(波数为607.2cm-), 此吸收波峰为 基频峰，吸收峰强度较大。 2) 波长为λ2=8.2μm(波数为1217cm-), 此吸收波峰主要为 倍频峰，吸收峰很小。
计算吸收
8、精确度：单个实验室为±2%，多个实验室测试为±3%。
9、测试的影响因素：
（1）在氧吸收谱带位置有一个硅晶格吸收振动谱带，参考样 品与待测样品的厚度小于± 0.5%，以避免晶格吸收的影响。 （2）由于氧吸收谱带与硅晶格吸收谱带都会随样品温度的改 变而改变，因此测试期间光谱仪样品室的温度恒定为 27℃±5 ℃。 （3）电阻率低于1 Ω.cm的n型硅单晶和电阻率低于3 Ω.cm的 p型硅单晶中的自由载流子吸收比较严重，因此保证参考样 品的电阻率尽量一致。
3、测量仪器 （1）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。 （光谱范围700～550cm,室温下仪器在607.2cm- 处的分辨 率小于2cm- ,在77K时，偏移到仪器在607.5cm- 处的分辨 率小于1cm- 。） （2）低温恒温器能使试样与参比样品维持在77K的温度。 （3）厚度测量仪，精度0.025mm. （4)被测试样架和参比样品架避免任何绕过样品的红外辐射。
I 0 I R I K IT
d
将上式除 I0 ，可得
R、K、T分别为反射率、吸收率和透射率。 在上图中的理想镜面，且两面平行的样品的情况下，考虑 光在样品内部经多次反射，忽略干涉效应，透射光的强度
因此有
吸收系数α 定义为相当于波的能量经过1/α 距离时减弱为 1/e倍。因此α 越大，光强度透射减弱越多，光的吸收性能 越高。 对于硅，R=30%,因此分析红外光谱，根据上式可以计算得 到吸收系数α 。
5）在700 ～550cm-范围内扫描，得到607.2cm-处的硅-碳吸 收带。 6）若要提高灵敏度，采用77K测量时，峰值位于607.5cm-处, 要求半峰宽为3cm-，试样厚度增加到5mm,最大扫描速度为 1cm/min。
6、测量结果的计算：将测量值代入 系数 。 7、碳含量的计算：
计算吸收
一、硅单晶中氧、碳的分布情况 1、氧 ：在硅单晶中，以间隙氧的形式存在 （1）硅中氧的含量： 直拉单晶硅：4×1017～3×1018原子/cm3 多晶硅：1016～1017原子/cm3 （2）最大溶解度： 熔硅： 2.2×1018原子/cm3 固体硅： 2.75×1018原子/cm3 （3）分布：硅单晶中的氧，由于分凝作用在晶体中呈条纹 状分布，头部高，尾部低。
Байду номын сангаас8、精确度：单个实验室为±10%。
9、测试的影响因素：
（1）投射到探测器的杂散光会降低吸收系数的计算值。
（2）参比样品和被测样品的温度必须相同，以避免与温度有 关的晶格吸收对测量的影响。
（3）参比样品的碳浓度应小于1×1015at.cm-3 ，使样品造成的 误差低于最低检测下限的10%。
（4）室温下碳吸收带的半峰宽小于6cm-。仪器平衡调节不正 确或扫描速度过快会导致半峰宽变宽。 （5）硅中的晶格吸收在625cm-处很强，应用差别法测量，以 消除硅晶格吸收带的影响。 （6)本方法的最低检测下限取决于记录仪的信噪比。
三、我国测试硅晶体中间隙氧含量的标准方法 1、测试方法与范围： （1)红外吸收法 (2）范围：适用于室温电阻大于0.1Ω.cm的硅晶体。测量范 围为:3.5×1015at.cm-3至最大固溶度。 2、用红外光谱仪测定Si-O键在1105cm-处的吸收系数来确 定硅晶体中间隙氧的含量。 3、测量仪器 （1）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。 （仪器在1105cm- 处的分辨率小于5cm- 。） （2）低温测量装置。 （3）千分尺，精度0.01mm. （4)被测试样架和参比样品架。
3、氧、碳含量的计算公式： （1）爱因斯坦模型理论计算公式：
此公式在公式推导过程中把Si-O振子电荷看成是完整的电子 电荷，与实际不符，目前不采用此公式计算。 （2）定氧含量的ASTM(美国材料试验协会）经验公式： 此方法设定将半峰宽 固定为一常数：32厘米-1，硅单晶 中的氧与α max 成正比关系（波数为1105cm-1的特征峰）， 采用真空熔化气体分析法，并用空气参考法和差别法测得到 红外吸收光谱计算吸收系数，因此得到ASTM经验公式：
5.测试步骤： （1）选择方法：[O] ≥ 1×1017at.cm-3 的试样，用空气参考法 或差别法；含量 [O] ≤ 1×1017at.cm-3 的试样,采用差别。 具体操作步骤： 1）分别在试样光束和参考比光束中安放样品架，通光孔径为 直径5～10mm. 2）调整透过率0%和100%. 3) 放置在样品架上分别放置待测样品和参考样品（空气参考 法不需放）。 4）双光束红外分光光度计要调整扫描速度、时间常数、狭缝 宽度和增益等仪器参数。在1105cm-处作半峰宽。如图所示。
（4）间隙氧对硅单晶结构和性能产生的影响： 1）可以增加硅片的机械强度，避免弯曲和翘曲等变形。 2）形成热施主，会改变器件的电阻率和反向击穿电压，形 成堆垛层错和漩涡缺陷。 3）形成氧沉淀，产生位错、堆垛层错等缺陷。 2、碳：在硅单晶中，一间隙氧的形式存在 （1）单晶硅中氧碳的含量：1016～1017原子/cm3 （2）最大溶解度： 熔硅： 3～4×1018原子/cm3 固体硅： 5.5×1017原子/cm3
5）在1300 ～1000cm-范围内扫描，得到1105cm-处的硅-氧 吸收带。 6）吸收峰（T0-T)小于5%时，应采用低温测量。 7）采用78K测量时，峰值位于1127.6cm-(8.8684μm）处，半 峰宽为20cm-。 8）重复测量三次，取结果的平均值。
6、测量结果的计算：将测量值代入 系数 。 7、氧含量的计算：
5.测试步骤： 1）分别在试样光束和参考比光束中安放样品架，通光孔径为 直径5～10mm. 2）调整透过率0%和100%. 3) 放置在样品架上分别放置待测样品和参考样品。 4）双光束红外分光光度计要调整扫描速度、时间常数、狭缝 宽度和增益等仪器参数。在607.2cm-处作半峰宽。要求半 峰宽不大于6cm-，如图所示。
4、试样制备： （1）测试试样 1）试样切取（从尾部取样）、研磨。 2）抛光：机械抛光或化学抛光，使两表面均呈镜面。 3）试样厚度约为2mm或更薄。 4）在 试样测量部位，两表面的平整度均不大于2.2 μm。 5）试样测量部位试验的厚度均不大于0.005mm。 （2）制备方法同上，要求参比样品与待测试样品的厚度差 小于0.01mm。参比样品替位碳浓度小于1×1015at.cm-3
A
基线
A
C
B
D
实际半波峰的作法： 令C点在上红外光谱吸收峰值的纵坐标上的一点，由C点对 应的透射强度大小为 ,过点C作基线的平行线，与波峰两 侧交点之间的波数宽度为半峰宽 。 只要证明A点的吸收系数为1/2α max ,则说明该处得到的波数 宽即为半峰宽： 证明： 因为
及 所以
（4）电阻率低于0.1 Ω.cm的n型硅单晶和电阻率低于0.5 Ω.cm的p型硅单晶中的自由载流子吸收会使大多数光谱仪难 以获得满意的能量。 （5）沉淀氧浓度较高时，其在1230cm-或1073cm-处的吸收 谱带可能会导致间隙氧浓度的测量误差。 （6）300K时，硅中间隙氧吸收带的半峰宽应为32cm-。宽较 大时会导致误差。
2、α max和半峰宽 Δv的求法 用如下公式来求吸收系数 α max 比较麻烦，