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（正式版）

硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法2023-08-06发布国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会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/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》,与GB/T35306—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、本文件于2017年首次发布，本次为第一次修订。1硅单晶中碳、氧含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法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1Ω·cm的n型硅单晶和室温电阻率大于3Ω·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2.5×10¹¹cm-3～1.5×10l⁷cm-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3术语和定义GB/T8322和GB/T14264界定的以及下列术语和定义适用于本文件。背景光谱backgroundspectrum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。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。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15K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2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607.5cm-¹处和氧在波数1136.3cm-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2.5×10¹cm-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6.2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270cm-1～1250cm-¹的光学部件和检测器，样品室温度低于15K,光谱仪分辨率不应大于1cm-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0.001mm。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0.05mm,表面应无氧化层。8.3制备好的样品厚度在2.5mm～4.0mm,直径应与样品架匹配。3吸光度吸光度8.4对于多晶硅样品，按GB/T29057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2.5×10¹cm-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0.01mm,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15K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。元素吸收峰位置基线范围积分范围校准因子上限下限上限下限碳3.7×10¹6氧3.27×10¹⁶图1代位碳的低温红外谱图4GB/T波数/cm-l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。式中：Nc——碳含量(以原子数计),单位为每立方厘米(cm-³);Ic——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15K时，Fc为3.55×10¹⁶cm-2。计算结果保留两位小数，数值修约按GB/T8170的规定进行。10.3间隙氧的含量按公式(2)进行计算。式中：N₀——氧含量(以原子数计),单位为每立方厘米(cm-3);I₀——氧吸收峰的积分面积；d——样品厚度，单位为厘米(cm);F。——校准因子，单位为每平方厘米(cm-2),当温度低于15K时，F。为3.27×10¹⁶cm-²。计算结果保留两位小数，数值修约按GB/T8170的规定进行。11精密度取7个硅单晶样品在3个实验室进行巡回测