GBT 1558-2023 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2023-12-28发布I本文件按照GB/T1.1—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/T1558—2009《硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》。与GB/T1558—2009相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：a)更改了范围(见第1章，2009年版的第1章);b)更改了术语和定义(见第3章，2009年版的第3章);c)更改了方法原理(见第4章，2009年版的第4章);e)增加了试验条件(见第6章);f)更改了仪器设备要求(见7.2,2009年版的6.2),删除了“窗口材料”和“温度计”的要求(见2009年g)更改了样品(见第8章，2009年版的第7章);h)更改了试验步骤(见第9章，2009年版的第8章);i)更改了精密度(见第11章，2009年版的第10章);j)更改了试验报告(见第12章，2009年版的第11章);k)增加了附录A(见附录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会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归口。本文件起草单位：中国电子科技集团公司第四十六研究所、青海芯测科技有限公司、天津中环领先材料技术有限公司、浙江金瑞泓科技股份公司、山东有研半导体材料有限公司、浙江海纳半导体股份有限公司、布鲁克(北京)科技有限公司、中国计量科学研究院、有色金属技术经济研究院有限责任公司、开化县检验检测研究院、四川永祥新能源有限公司、亚洲硅业(青海)股份有限公司、新疆新特新能材料检测中心有限公司、陕西有色天宏瑞科硅材料有限责任公司、中电晶华(天津)半导体材料有限公司、浙江众晶电子有限公司、义乌力迈新材料有限公司、湖南三安半导体有限责任公司。本文件于1979年首次发布，1997年第一次修订，2009年第二次修订，本次为第三次修订。1硅中代位碳含量的红外吸收测试方法本文件描述了硅中代位碳原子含量的红外吸收测试方法。本文件适用于电阻率大于3Ω·cm的p型硅单晶片及电阻率大于1Ω·cm的n型硅单晶片中代位碳原子含量的测试(室温下测试范围：5×10¹⁵cm-3至硅中碳原子的最大固溶度；温度低于80K时测试范围：不小于5×10¹⁴cm-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/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T8322分子吸收光谱法术语GB/T14264半导体材料术语GB/T29057用区熔拉晶法和光谱分析法评价多晶硅棒的规程GB/T35306硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法3术语和定义GB/T14264和GB/T8322界定的以及下列术语和定义适用于本文件。在红外光谱仪中，无样品存在的情况下使用单光束测试获得的谱线。注：通常包括氮气、空气等信息。从测试图谱中碳峰的两侧最小吸光度处作出的切线。与计算吸收峰高度的碳峰相对应波数处的基线值。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。样品光谱samplespectrum测试样品的光谱。2注：在用双光束仪器，将测试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方法原理室温测试时，分别采集背景、参比样品、测试样品的透射光谱，参比光谱和样品光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。根据比耳定律计算硅中代位碳原子在波数为605cm-¹处红外吸收峰的吸收系数，按本方法给出的标定因子确定代位碳原子含量。温度低于80K测试时，将硅单晶样品冷却到低于15K温度下，分别采集背景、参比样品、测试样品的透射光谱，参比光谱和样品光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。根据比耳定律计算硅中代位碳原子在波数为607.5cm¹处红外吸收峰的吸收系数，按给出的标定因子来确定代位碳原子含量，具体测试方法按GB/T35306的规定进行。5干扰因素5.1投射到探测器上的杂散光会降低吸收系数的计算值，从而降低碳含量的测试值。5.2碳含量的标定因子是温度的函数，硅晶格吸收谱带也会随着测试温度改变而变化。测试样品和参比样品宜保持相同的温度，以降低温度对晶格吸收带峰强度的影响。5.3室温测试时，参比样品的碳含量应小于1×10¹5cm-3,参比样品造成的误差应低于本方法检出限5.4样品厚度及仪器分辨率设置过低有可能造成半高宽变宽。5.5样品尺寸小于仪器测试光路的光圈直径会产生误差，可缩小光圈或采用合适的聚光器消除因样品尺寸小于仪器测试光路的光圈直径而产生的误差。5.6硅中双声子晶格吸收在波数610cm-1处非常强，用参比法消除该处的晶格吸收带，才能在室温下测出碳的吸收光谱。5.7本方法的检测下限取决于仪器的信噪比。为获得最高的测试灵敏度，应增加样品的扫描时间。5.8本方法不适用于硅多晶样品，硅多晶样品应按照GB/T29057的规定进行切取和制样。5.9由于碳可能存在于间隙位置，本方法不能测试总碳含量。5.10测试样品和参比样品之间的厚度差宜尽可能小，以避免硅晶格吸收对测试的影响。5.11实验室应无机械冲击、振动和电磁干扰。5.12测试时温度浮动宜不大于±2℃;仪器内部的相对湿度宜不大于20%,测试前宜采用氮气或干燥空气对仪器光路进行充分吹扫。5.13样品表面抛光质量对测试结果会产生影响，样品表面应无刀痕、划伤、橘皮、小凹坑等。6试验条件6.1环境温度为27℃±5℃。6.2环境相对湿度小于60%。7仪器设备7.1傅里叶变换红外光谱仪室温红外光谱仪的分辨率应不大于2cm-1,低温红外光谱仪的分辨率应不大于1cm-¹,测试光谱3范围为500cm-1～700cm-¹。7.2厚度测试设备千分尺或其他适用于测试样品厚度的设备的精度应不低于0.001mm.7.3样品架样品架应垂直或基本垂直于红外光束的轴线方向。如果测试样品较小，则应放在有小孔的架子上避免任何红外光线从样品的旁路通过。8样品8.1参比样品代位碳原子含量应小于1×10¹⁵cm-3。8.2样品测试尺寸应大于红外光的通光面积。8.3样品应双面抛光至镜面，表面无刀痕、划伤，测试区域应无橘皮和小凹坑等。8.4室温测试时，样品厚度约为2mm,测试样品和参比样品厚度差宜不大于0.010mm。8.5样品测试区的厚度变化应不大于0.005mm。9试验步骤9.1仪器检查9.1.1双光束仪器通过测试确定100%基线的噪声水平，在样品及参比光路都空着的情况下记录透射光谱。对于单光束仪器，在样品光路空着的情况下先后2次记录光谱之比获得透射光谱。画出透射光谱在500cm-1～700cm-¹波数范围内的100%基线，使基线范围达到99.5%～100.5%。9.1.2将样品光路遮挡，记录500cm-1～700cm-¹波数范围内仪器的零点，在此范围内避免较大的非零信号。9.1.3用空气参比法测试厚度为2mm的双面抛光本征区熔硅单晶片在1600cm-1～2000cm-¹波数范围内的光谱图，检查仪器中刻度的线性度，在此波数范围内透光率应为53.8%±2%。9.2绘制样品的参比法差谱图9.2.1室温下测试时，设置仪器的分辨率不大于2cm-¹;低于80K测试时，设置仪器的分辨率不大于9.2.2多次扫描，获取光谱宜不少于64次。9.2.3红外光束应通过测试样品和参比样品的中心位置。对于双光束仪器，将测试样品放在样品光束下，将参比样品放在参比样品光束下，测试500cm-1～700cm-'波数范围内的吸收光谱。对单光束仪器，用测试样品光谱和参比样品光谱计算出吸收光谱，分别测得测试样品和参比样品在500cm-¹~700cm-1波数范围内的吸收光谱。室温下碳吸收带的半高宽(FWHM)应不大于6cm-1。低温下，碳吸收带的半高宽(FWHM)应不大于3cm-1。9.2.4绘制样品的碳含量参比法差谱图，选取基线、确定半高宽的方法按附录A的规定进行。10试验数据处理10.1吸收系数(a)按公式(1)进行计算：4………(1)式中：α——吸收系数，单位为每厘米(cm-1);X——样品厚度，单位为毫米(mm);Ap——吸收峰顶点处吸光度值；A,——基线处吸光度值。10.2代位碳原子含量(Nrcj)按公式(2)进行计算：Ntc]=F×α………………(2)式中：Nrc代位碳原子含量，单位为每立方厘米(cm-3);F标定因子，单位为每平方厘米(cm-2);室温时，F=8.2×10¹⁶cm-2;低于80K时，F=3.7×10¹⁶cm-²。α——吸收系数，单位为每厘米(cm-1)。计算结果保留两位有效数字，数值修约按GB/T8170的规定进行。11精密度选取6个厚度约为2mm,碳含量范围为6.0×10¹⁵cm-3～4.0×10¹?cm-3的样品，在7个实验室进行测试。单个实验室测试的相对标准偏差不大于11%,多个实验室测试的相对标准偏差不大于15%。12试验报告试验报告至少应包括以下内容：b)测试样品编号，c)环境温度和环境湿度；d)样品厚度；e)测试结果；f)本文件编号；5吸光度吸光度吸光度吸光度(规范性)硅在室温和低温下碳含量参比法差谱图A.1硅在室温下碳含量参比法差谱图见图A.1。标引说明：1——碳吸收峰顶点处吸光度(A。);2——半高宽(△v),单位为每厘米(cm-1);3——基线处吸光度(Ab);v1——碳吸收带半高宽处左侧对应波数，单位为每厘米(cm-1);v2——碳吸收带半高宽处右侧对应波数，单位为每厘米(cm-l);A'——半高宽处吸光度。图A.1硅样品在室温下碳含量参比法差谱图A.2硅在低温下碳含量参比法差谱图见图A.2。标引说明：1——碳吸收峰处吸光度(Ag);2——半高宽(△v),单位为每厘米(cm-1);3——基线处吸光度(A,);vl——碳吸收带半高宽处左侧对应波数，单位为每厘米(cm-¹);v2——碳吸收带半高宽处右侧对应波数，单位为每厘米(cm-1);A'——半高宽处吸光度。图A.2硅样品在低温下碳含量参比法差谱图6A.3室温下测试时，在波数范围500cm-1～700cm-¹处分别测得测试样品和参比样品的吸收光谱。在波数范围550cm-1～650cm-1处画一条直线作为基线，取550cm-1～570cm-1和630cm-1~650cm-1两个波数范围内吸光度的平均值，记为基线处吸光度(A,)。A.4室温下测试时，取波数范围603cm-1～607cm-¹区域内的最大吸光度值；低于80K测试时，取波数范围605cm-1～609cm-¹区域内的最大吸光度值，记为碳吸收峰顶点处的吸光度值(Ap)。A.5基线处吸光度(Ap)和碳吸收峰顶点处的吸光度值(A。),保留三位有效数字。A.6半高宽处的吸光度(A')按公式(A.1)进行计算：式中：A'——半高宽处的