红外吸收法测定硅单晶中氧和碳
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。
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。
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。
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。
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。
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。
单晶硅、多晶硅“氧碳含量测试仪”说明书
WQF-520型FTIR硅中氧、碳含量测量分析系统使用说明书信息部电子第四十六所WQF-520型FTIR硅中氧、碳含量测量分析系统使用说明书一、仪器的规格与性能（由北京瑞利分析仪器公司提供）1.1、波数范围7000cm-1～400cm-11.2、分辩率1.0 cm-11.3、波数准确度优于所设分辨率的1/21.4、透过率重复性0.5%T二、测量条件2.1、样品2.1.1、试样经双面研磨/单面抛光/双面抛光（机械/化学抛光）硅晶片均可。
一般测量时，试样需用金刚砂305#粗磨和303#细磨，以致双面平行，表面无划痕，并且试样在1300 cm-1～900 cm-1范围内基线透过率不低于20%。
要求试样在室温下电阻率＞0.1Ω.cm,试样的厚度范围为2.00mm—3.00mm。
2.1.2、参样参样的厚度约为2.00mm，双面抛光呈镜面，并且参样中的氧、碳含量均小于1×1016cm-3。
2.2、测量精密度及检测下限2.2.1、本方法在常温下测碳含量精密度为±20%，检测下限为1.0×1016 cm-3。
对于低碳含量样品,多个实验室测量碳含量精密度，按照“硅中代位碳含量的红外吸收测量方法”国家标准(GB/T 1558-1997)为：+0.6*1016SSD=0.134 NC式中：SSD—试样的标准偏差，cm-3；—碳含量，cm-3 。
NC2.2.2、本方法在常温下测氧含量分两种情况：(1) CZ-Si(直拉硅)中氧含量精密度为±10%。
(2) FZ-Si（区熔硅）中氧含量精密度为±20%，检测下限为1×1016 cm-3。
符合“硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法”国家标准(GB/T 1557-89)的要求。
三、测量系统组成3.1、硬件3.1.1、正常运行的WQF-520型FTIR仪器一台。
3.1.2、通用微型计算机一台。
3.2、软件测量分析软件光盘1张。
多重透射反射红外光谱(MTR-IR)测量晶硅薄片碳氧含量和晶硅表面高分子刷图案化
多重透射反射红外光谱（MTR-IR）测量晶硅薄片碳氧含量和晶硅表面高分子刷图案化在CZ直拉法生产硅片的过程中,由于使用了石英(Si02)坩埚和石墨(C)加热部件,所以在熔硅过程中会不同程度地引入氧碳杂质。
氧以间隙原子的形式存在于硅晶格中,故称间隙氧(InterstitialOxygen,Oi)。
碳在硅晶体中取代硅原子的位置,称为代位碳(Substitutional Carbon,Cs)。
间隙氧和代位碳是直拉(CZ)硅中氧碳的最主要存在形式,其含量的高低不仅影响硅材料的本征吸收,而且对材料的物理和导电特性产生影响。
氧的不利之处是产生微缺陷,有利之处是对位错的延伸产生钉扎作用,增强硅片强度,其本征吸杂技术可防止生产工艺中缺陷的产生。
高碳含量影响氧的成核和沉淀,还会导致器件软化特性和二次击穿。
因此,硅中氧碳含量的控制成为改善材料性能的一种手段,然而,要控制氧碳含量首先必须测量准确。
利用双嵌段共聚物聚苯乙烯-聚乙烯吡啶(polystyrene-block-poly-(4-vinylpyridine),PS-b-P4VP;polystyrene-block-poly-(2-vinylpyridine),PS-b-P2VP)在不同处理条件时发生相分离,产生一定规则图案的特性,把双嵌段共聚物制作成不同形貌的模版,如点状、直线条状、规则指纹状等。
然后利用这些模版,通过氢氟酸(Hydroflouricacid,HF)腐蚀、氧等离子刻蚀、反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)等技术在硅片表面制作出各种由Si-Hx端和SiOx交替间隔组成的图案,然后再在这些图案基础上接种各种高分子刷,从而实现各种不同的功能,如集成电路、生物芯片、微型化学反应器等。
本文中,一、我们利用多重透射-反射红外光谱(Multiple Transmission-Re flectionInfrared Spectroscopy,MTR-IR)法对太阳能电池用单晶硅片、薄单晶硅片、多晶硅片中代位碳和间隙氧含量进行了红外定量分析和相关理论探讨。
(四组)八英寸直拉单晶棒氧和碳的检测
5、检测数据分析
3）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：
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。 1）空气参考法： 室温下（300K): [O]=2.45×1017（α max －0.4） （原子/厘米3） 77K：[O]=0.95×1017（α max －0.2）（原子/厘米3） 2）差别法： 室温下（300K):[O]=2.45×1017α max （原子/厘米3） 77K ：[O]=0.95×1017α max （原子/厘米3）
3、检测原理及作业指导书
3、检测原理及作业指导书
作业指导书 (1)样品加工
1、取样 硅单晶测氧取头部、测碳取尾部多晶硅片及外部送样不限部位 2、研磨 用W20给晶刚砂去掉刀痕,并调整平整度,样品测量部位厚度差 ≦0.01mm 3、抛光 将研磨好的样品清洗干净，放入耐腐蚀塑料容器中倒入事先 配制好的抛光液并不断晃动塑料容器. (2)仪器操作步骤 1、现将仪器通电预热20min再打开计算机 2、进入windows98窗口，点击窗口中的快键方式“硅中氧、碳测量分析 ”图标，双击鼠标左键，启动自动测试系统，进入主界面和主菜单。 3、测试步骤
1 采样及样品处理
2）样品处理 1、研磨 （ 用W20给晶刚砂去掉刀痕,并调整平整度,样 品测 量部位厚度差≦0.01mm） 2、再将样品测试面抛光成镜面； （方法：液体抛光——细粒度金刚石磨料的硅溶胶作为介质） 3、将处理后的试样用水冲洗；
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。
4.1 红外吸收法测定硅单晶中氧和碳1
4、分子振动的形式：伸缩振动和弯曲振动 （1）伸缩振动：键长发生周期性变化，键角不变。 原子沿着键的方向往复运动，伸缩振动有对称和反对 称两种：
（2）弯曲振动：也称变形、变角或剪式振动。弯曲 振动在平面上运动，不改变键长而改变角的大小。
除此之外还有：横振动 、非平面摇摆振动 、非平 面卷曲摇摆振动
3、红外吸收光谱产的条件 （1）分子吸收红外辐射的条件 分子吸收红外辐射必须同时满足以下两个条件： a）辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。
E 振 =（ n + 1/2 ）h V V ： 化学键的 振动频率； n ： 振动量子数。 任意两个相邻的能级间的能量差为：
其中： K 为 化学键的力常数，与键能和键长有关； m 为双原子的折 合质量。
b）只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红外辐射。
(2）特征峰、基频峰和倍峰 1）特征峰:把能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称 为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰（n=0） 2)基频峰:分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（n=0）跃 迁至第一振动激发态（n=1）时，所产生的吸收峰称为基频 峰。 3）倍峰：在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由 基态（ n=0）跃迁至第二激发态（ n=2）、第三激发态 （ n=3…），所产生的吸收峰称为倍频峰。 除此之外，还有合频峰（n1+n2，2n1+n2…），差频峰 （ n1-n2，2n1-n2，… ）等，这些峰多数很弱，一般不容易 辨认。倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。
5、吸收谱带的强度与偶极矩 a)谱带强度与偶极矩变化的大小有关，偶极矩变化 的愈大，谱带强度愈大； b)极性较强的基团，振动中偶极矩变化较大，对应 的吸收谱带较强； c)结构对称性愈强，振动时偶极矩变化愈小，对应 的吸收谱带愈弱。
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。
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。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺全解
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺全解1.样品制备：
样品制备是红外吸收法测定硅单晶中氧和碳含量的首要步骤。
通常需
要将硅单晶样品切割成薄片，并进行必要的清洁处理，以去除表面污染物。
2.选择与调整测试仪器：
选择一款适合的红外吸收测试仪器，通常采用红外分光光度计。
根据
样品的特性和测试要求，选择适当的光源、检测器和红外滤光片等。
然后
进行测试仪器的调整，确保仪器正常工作。
3.测量操作步骤：
将制备好的样品放置在红外分光光度计中，固定好位置。
选择合适的
测试波长范围，通常在红外光的2-25μm波长范围内。
打开光源并确保光
束对准样品表面，启动红外分光光度计进行测量。
4.数据处理：
冶金、材料科学和化学等领域广泛应用的红外吸收法测定硅单晶中氧
和碳的测试方法，具有非破坏性、快速准确、操作简便等优点。
可以用于
监测硅单晶材料的质量和性能，以及指导硅材料的制备工艺和工艺控制，
对研究和生产具有重要意义。
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
（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。
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❖ 五、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
❖ (2）范围：适用于室温电阻大于0.1Ω.cm的硅晶体，载流子
❖ 因此有
❖ 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。
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6
❖ 2、 和半峰宽 的求法 ❖ 用如下公式来求吸收系数
比较麻烦，
❖ 一般用如下公式来求
：
❖ ---从吸收峰到零透射线的测量值
❖ ---从氧峰所对应的波数值横坐标的垂线与基线的交
点到零投射线的测量值
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3
❖ 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 I 0
❖
IR
、I
和
K
I T ，因此有
，分为三部分：
I0IRIKIT
（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。
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（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。
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2
❖ 碳的特征峰：
❖ （1）波长为λ1=16.47μm(波数为607.2cm-), 此吸收波峰 为基本峰，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。
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❖ （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607cm1(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：
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5.测试步骤：
（1）选择方法：[O] ≥ 或差别法；含量 [O] ≤
的试样，用空气参考法 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）。
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d
4
❖ 将上式除 I 0 ，可得
❖ R、K、T分别为反射率、吸收率和透射率。在半导体中传 播时，吸收系数α的定义：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，光强度减弱越多，光的吸收 性能越高。
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5
❖ 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
❖ 三、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
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1
❖ 氧的特征峰：
❖ （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 分子弯曲振动产生的，吸收峰强度最大。
❖ 2）抛光：机械抛光或化学抛光，使两表面均呈镜面。
❖ 3）在 试样测量部位，两表面的平整度均不大于2.2 μm.
❖ 4）试样测量部位试验的厚度均不大于10 μm。
❖ 5）氧含量大于或等于
的试样厚度约为2mm;氧
含量 小于
的试样厚度约为10mm。
❖ （2）参比样的制备方法同上，要求参比样品与待测试样品 的厚度差小于0.5%。
❖ 只要证明A点的吸收系数为1/2 即为半峰宽：
则说明该
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❖ 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 固定为宜常数：32厘米-1，硅单晶
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❖ 四、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:
至最大固溶度。
❖ 2、用红外光谱仪测定Si-O键在1107cm-（9.0334μm)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1107cm- 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。
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❖ 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 10μm。
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❖ 半波峰 的定义：在吸收系数与波数的关系曲线上，取1/2 ❖ 为办峰高，在半峰高处吸收峰的宽度波数值。如图所示
A
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❖ 实际半波峰的做法：
❖ 令A点在上红外光谱吸收峰值的纵坐标上的一点，由A点对 应的透射强度大小为 ,过点A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 。
❖ 因此有
❖ 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。
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❖ 2、 和半峰宽 的求法 ❖ 用如下公式来求吸收系数
比较麻烦，
❖ 一般用如下公式来求
：
❖ ---从吸收峰到零透射线的测量值
❖ ---从氧峰所对应的波数值横坐标的垂线与基线的交
点到零投射线的测量值
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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1107cm-处作半峰宽。如图所示。
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5）在1300 ～1000cm-范围内扫描，得到1107cm-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-。
中的氧与 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：
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❖ 1）空气参考法： ❖ 室温下（300K):
❖ 77K ：
❖ 2）差别法： ❖ 室温下（300K):
❖ 77K ：
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❖ 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 I 0
❖
IR
、I
和
K
I T ，因此有
，分为三部分：
I0IRIKIT
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❖ （4）德国工业标准测氧、碳的经验公式：这一公式与 ASTM经验公式相比较，由于吸收系数换算为氧、碳含量的 折算系数。因此有：
❖ 此测试条件与ASTM经验公式的测试条件相同
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❖ （5）我国测定标准的经验计算公式：
❖ 国内用氦载气熔化-气相色谱装置测定硅中氧含量与红外吸 收系数之间的关系，得到如下经验公式: