CN103712946A - 低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术。本发明针对现有技术中设备投入高、测试时间长以及一次测试费用高的问题，提供低温下测定单晶硅中替位碳含量的方法，首先，取已知替位碳含量标称值的单晶硅作为替位碳单晶硅标样，并获取所需测定的单晶硅样品，对单晶硅样品进行抛光腐蚀；在15K温度下，用低温傅里叶变换红外光谱仪分别测量替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱，并转换为吸收谱；找出吸收谱中在607.5cm^-1吸收峰，计算出替位碳单晶硅标样及单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的净吸收系数；计算出单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数；最后，计算出单晶硅中替位碳含量。通过利用吸收系数与浓度的关系，测出碳含量。适用于测定单晶硅中的替位碳含量。

Description

低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及低温下（<15K）用傅里叶变换红外光谱仪测定单晶硅中替位碳含量的方法。

背景技术

随着信息技术和太阳能产业的快速发展，全球对多晶硅和单晶硅的需要迅猛增长。在可预见的未来，还不会有其他材料可以替代硅材料而成为电子和光伏产业的主要原材料。多晶硅、单晶硅具有半导体性质，广泛用于制造收音机、录音机、电冰箱、电子计算机等的基础材料。更是生产太阳能电池的主要原材料，可制成不同型号的太阳能电池。

在光伏产业中，尤其是基于西门子法工艺的多晶硅企业，在进行多晶硅质检时，先要把多晶硅区熔转换成单晶，此时的单晶氧含量很小，最需要测定的是三五族（主要是硼、磷）和碳杂质的含量。在现有技术中（SEMI MF1391-1107、GB/T1558-2009、SEMI MF1630-0704、GB/T24581-2009），通常用红外光谱仪在常温（300K,）和低温（77K）条件下，实现单晶硅中替位碳含量的定量分析。而三五族杂质（主要是硼、磷）的定量分析必须在极低温（<15K）下进行。要完成单晶硅中三五族（主要是硼、磷）和碳杂质的定量分析,只能采用方案1：常温红外+低温红外（<15K）的两台光谱仪，或方案2：低温红外在两个温度条件下（77K和15K）的两次测试。

其中，方案1用到了两种仪器，方案2需要两次降温。上述方案不仅需要在仪器设备上投入更大的费用，并且在整个测量过程中需要花费更多的时间，此外，每次测试的成本也会更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种低温下测定单晶硅中替位碳含量的方法，以解决现有技术中设备投入高、测试时间长以及一次测试费用高的问题。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，包括以下步骤：

步骤1、取已知替位碳含量标称值的单晶硅作为替位碳单晶硅标样，并获取所需测定的单晶硅样品，对单晶硅样品进行抛光腐蚀；

步骤2、在15K温度下，用低温傅里叶变换红外光谱仪分别测量替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱；

步骤3、将替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱分别转换为吸收谱，找出替位碳单晶硅标样及单晶硅样品吸收谱中在607.5cm^-1吸收峰，计算出替位碳单晶硅标样及单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的净吸收系数；

步骤4、根据替位碳单晶硅标样及单晶硅样品在607.5cm^-1处的净吸收系数计算出单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数；

步骤5、根据单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数计算出单晶硅中替位碳含量。

具体的，所述步骤1中，对单晶硅样品进行抛光腐蚀，具体方法为：获取一块小圆片形状的单晶硅样品，并用金刚砂研磨、氢氟酸和硝酸抛光腐蚀成厚度约为1.85-2.1mm，厚度偏差小于0.005mm，直径9.5-11mm的样片。

具体的，所述步骤2中，在15K温度下，用低温傅里叶变换红外光谱仪分别测量替位碳单晶硅标样及单晶硅样品在270cm^-1-1000cm^-1范围的红外光谱。

具体的，所述步骤3中，包括以下几个步骤：

步骤301A、将替位碳单晶硅标样的红外光谱分别转换为吸收谱，在替位碳单晶硅标样吸收谱的612-632cm^-1和557-577cm^-1范围内选取两个合适的基线点，对607.5cm^-1峰划定基线；

步骤302A、由吸收谱读出替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₀和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₀；

步骤303A、根据替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₀和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₀，分别计算出替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀；

步骤304A、根据替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀，计算出替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

进一步的，所述步骤303A中，计算替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀，其计算公式为：

$\mathrm{\&alpha;}{1}_0=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{1_0}^2{R}^2}}{2T{1}_0{R}^2},(T{1}_0={10}^{-A{1}_0});$

$\mathrm{\&alpha;}{2}_0=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{2_0}^2{R}^2}}{2T{2}_0{R}^2},(T{2}_0={10}^{-A{2}_0});$

其中，d为标准样品厚度，R为反射系数取值为0.3-0.33；

所述步骤304A中，计算替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数，其计算公式为：

α_ref=α1₀-α2₀；

其中，α_ref为替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

进一步的，所述步骤3中，包括以下几个步骤：

步骤301B、将单晶硅样品的红外光谱分别转换为吸收谱，在单晶硅样品吸收谱的612-632cm^-1和557-577cm^-1范围内选取两个合适的基线点，对607.5cm^-1峰划定基线；

步骤302B、根据吸收谱读出单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₁和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₁；

步骤303B、根据单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₁、和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₁，分别计算出单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁；

步骤304B、根据单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁，计算出单晶硅样品在607.5cm^-1处的净吸收系数。

进一步的，所述步骤303B中，计算单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁，其计算公式为：

$\mathrm{\&alpha;}{1}_1=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{1_1}^2{R}^2}}{2T{1}_1{R}^2},(T{1}_1={10}^{-A{1}_1});$

$\mathrm{\&alpha;}{2}_1=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{2_1}^2{R}^2}}{2T{2}_1{R}^2},(T{2}_1={10}^{-A{2}_1});$

其中，d为标准样品厚度，R为反射系数取值为0.3-0.33；

所述步骤304B中，计算单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数，其计算公式为：

α_sam=α1₁-α2₁；

其中，α_sam为单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

进一步的，所述步骤4中，计算单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数，其计算公式为：

α_c=α_sam-α_ref；

其中，α_c为单晶硅样品中替位碳原子的吸收系数。

再进一步的，所述步骤5中，计算单晶硅中替位碳含量，其计算公式为：

C=F*α_c+S₀；

其中，C为单晶硅中替位碳含量，S₀为替位碳含量标称值，F为转换因子。

本发明的有益效果是，通过利用标准样品的已知含量、低温下（<15K）红外吸收峰的基线设定、净吸收系数以及吸收系数与浓度的关系等条件和原理，测定出碳含量。本发明可与低温下（<15k）用傅里叶变换红外光谱仪测定单晶硅中的磷、硼含量的条件完全一致，在测定硅中三五族杂质含量时，可同时一并测出替位碳含量。另外，无需用到常温红外光谱仪、而且进行低温红外检测时也无需77K和15K的两次测试，在节约了分析成本的同时，还缩短了检测时间，提升了工作效率。解决了现有技术中设备投入高、测试时间长以及一次测试费用高的问题。

附图说明

图1为本发明低温下测定单晶硅中替位碳含量的方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案：

本发明针对现有技术中设备投入高、测试时间长以及一次测试费用高的问题，提供一种低温下测定单晶硅中替位碳含量的方法，首先，取已知替位碳含量标称值的单晶硅作为替位碳单晶硅标样，获取所需测定的单晶硅样品，对单晶硅样品进行抛光腐蚀；其次，在15K温度下，用低温傅里叶变换红外光谱仪分别测量替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱；然后，将替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱分别转换为吸收谱，找出替位碳单晶硅标样及单晶硅样品吸收谱中在607.5cm^-1吸收峰，计算出替位碳单晶硅标样及单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的净吸收系数；再然后，根据替位碳单晶硅标样及单晶硅样品在607.5cm^-1处的净吸收系数计算出单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数；最后，根据单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数计算出单晶硅中替位碳含量。通过利用标准样品的已知含量、低温下（<15K）红外吸收峰的基线设定、净吸收系数以及吸收系数与浓度的关系等条件和原理，测定出碳含量。本发明可与低温下（<15k）用傅里叶变换红外光谱仪测定单晶硅中的磷、硼含量的条件完全一致，在测定硅中三五族杂质含量时，可同时一并测出替位碳含量。另外，无需用到常温红外光谱仪、而且进行低温红外检测时也无需77K和15K的两次测试，在节约了分析成本的同时，还缩短了检测时间，提升了工作效率。解决了现有技术中设备投入高、测试时间长以及一次测试费用高的问题。

实施例

本实施例为了更清楚地说明本发明，下面以流程图形式对实施例进行描述说明，流程图如图1所示。

首先，取适量替位碳单晶硅标样作为样品，替位碳单晶硅标样中的替位碳含量标称值S₀为已知的。同时，在单晶棒上切取一块小圆片，用金刚砂研磨、氢氟酸和硝酸抛光腐蚀成厚度约为1.85-2.1mm，厚度偏差小于0.005mm，直径9.5-11mm的样片，作为单晶硅样品。

然后，在15K温度下，用低温傅里叶变换红外光谱仪分别测量替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱分别为在270cm^-1-1000cm^-1范围的红外光谱。

将替位碳单晶硅标样的红外光谱分别转换为吸收谱，在替位碳单晶硅标样吸收谱上的612-632cm^-1和557-577cm^-1范围内选取两个合适的基线点，对607.5cm^-1峰划定基线。由吸收谱读出替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₀和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₀。再据替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₀和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₀，分别计算出替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀，计算公式为：

$\mathrm{\&alpha;}{1}_0=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{1_0}^2{R}^2}}{2T{1}_0{R}^2},(T{1}_0={10}^{-A{1}_0});$

$\mathrm{\&alpha;}{2}_0=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{2_0}^2{R}^2}}{2T{2}_0{R}^2},(T{2}_0={10}^{-A{2}_0});$

其中，d为标准样品厚度，R为反射系数取值为0.3-0.33。

再根据替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀，计算出替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数，计算公式为：

α_ref=α1₀-α2₀；

其中，α_ref为替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

同时将单晶硅样品的红外光谱也转换为吸收谱，并在单晶硅样品吸收谱的612-632cm^-1和557-577cm^-1范围内选取两个合适的基线点，对607.5cm^-1峰划定基线。根据吸收谱读出单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₁和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₁。并且，根据单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₁、和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₁，分别计算出单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁，计算公式为：

$\mathrm{\&alpha;}{1}_1=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{1_1}^2{R}^2}}{2T{1}_1{R}^2},(T{1}_1={10}^{-A{1}_1});$

$\mathrm{\&alpha;}{2}_1=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{2_1}^2{R}^2}}{2T{2}_1{R}^2},(T{2}_1={10}^{-A{2}_1});$

其中，d为标准样品厚度，R为反射系数取值为0.3-0.33。

再根据单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁，计算出单晶硅样品在607.5cm^-1处的净吸收系数，计算公式为：

α_sam=α1₁-α2₁；

其中，α_sam为单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

再然后，根据替位碳单晶硅标样及单晶硅样品在607.5cm^-1处的净吸收系数计算出单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数，计算公式为：

α_c=α_sam-α_ref；

其中，α_c为单晶硅样品中替位碳原子的吸收系数。

最后，根据单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数计算出单晶硅中替位碳含量的计算公式为：

C=F*α_c+S₀；

其中，C为单晶硅中替位碳含量，S₀为替位碳含量标称值、F为转换因子，其数值和红外光谱分辨率、标样替位碳含量相关，如改变分辨率或更换标样，则需要调整转换因子数值。

综上所述，本发明巧妙利用了标准样品的已知含量、低温下（<15K）红外吸收峰的基线设定、净吸收系数以及吸收系数与浓度的关系等条件和原理，测定出碳含量。由此，解决了测定碳含量的过程中，需要采用与测磷、硼含量时不同仪器或同种仪器不同温度条件的问题。因此，节约了时间和成本。

对所公开的实施例的上述说明，是本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是容易做到的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，以上实例仅为本发明的优选例子，本发明的使用并不局限于该实例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、取已知替位碳含量标称值的单晶硅作为替位碳单晶硅标样，并获取所需测定的单晶硅样品，对单晶硅样品进行抛光腐蚀；

步骤2、在15K温度下，用低温傅里叶变换红外光谱仪分别测量替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱；

步骤3、将替位碳单晶硅标样及单晶硅样品的红外光谱分别转换为吸收谱，找出替位碳单晶硅标样及单晶硅样品吸收谱中在607.5cm^-1吸收峰，计算出替位碳单晶硅标样及单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的净吸收系数；

步骤4、根据替位碳单晶硅标样及单晶硅样品在607.5cm^-1处的净吸收系数计算出单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数；

步骤5、根据单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数计算出单晶硅中替位碳含量。

2.根据权利要求1所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤1中，对单晶硅样品进行抛光腐蚀，具体方法为：获取一块小圆片形状的单晶硅样品，并用金刚砂研磨、氢氟酸和硝酸抛光腐蚀成厚度约为1.85-2.1mm，厚度偏差小于0.005mm，直径9.5-11mm的样片。

3.根据权利要求1所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤2中，在15K温度下，用低温傅里叶变换红外光谱仪分别测量替位碳单晶硅标样及单晶硅样品在270cm^-1-1000cm^-1范围的红外光谱。

4.根据权利要求1所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤3中，包括以下几个步骤：

步骤301A、将替位碳单晶硅标样的红外光谱分别转换为吸收谱，在替位碳单晶硅标样吸收谱的612-632cm^-1和557-577cm^-1范围内选取两个合适的基线点，对607.5cm^-1峰划定基线；

步骤302A、由吸收谱读出替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₀和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₀；

步骤303A、根据替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₀和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₀，分别计算出替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀；

步骤304A、根据替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀，计算出替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

5.根据权利要求4所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤303A中，计算替位碳单晶硅标样607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₀及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₀，其计算公式为：

$\mathrm{\&alpha;}{1}_0=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{1_0}^2{R}^2}}{2T{1}_0{R}^2},(T{1}_0={10}^{-A{1}_0});$

$\mathrm{\&alpha;}{2}_0=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{2_0}^2{R}^2}}{2T{2}_0{R}^2},(T{2}_0={10}^{-A{2}_0});$

其中，d为标准样品厚度，R为反射系数取值为0.3-0.33；

所述步骤304A中，计算替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数，其计算公式为：

α_ref=α1₀-α2₀；

其中，α_ref为替位碳单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

6.根据权利要求5所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤3中，包括以下几个步骤：

步骤301B、将单晶硅样品的红外光谱分别转换为吸收谱，在单晶硅样品吸收谱的612-632cm^-1和557-577cm^-1范围内选取两个合适的基线点，对607.5cm^-1峰划定基线；

步骤302B、根据吸收谱读出单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₁和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₁；

步骤303B、根据单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸光度A1₁、和基线在607.5cm^-1处的绝对吸光度A2₁，分别计算出单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁；

步骤304B、根据单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁，计算出单晶硅样品在607.5cm^-1处的净吸收系数。

7.根据权利要求6所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤303B中，计算单晶硅样品607.5cm^-1吸收峰的绝对吸收系数α1₁及基线在607.5cm^-1处的绝对吸收系数α2₁，其计算公式为：

$\mathrm{\&alpha;}{1}_1=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{1_1}^2{R}^2}}{2T{1}_1{R}^2},(T{1}_1={10}^{-A{1}_1});$

$\mathrm{\&alpha;}{2}_1=-\frac{1}{d}\ln \frac{-{(1-R)}^2+\sqrt{{(1-R)}^4+4T{2_1}^2{R}^2}}{2T{2}_1{R}^2},(T{2}_1={10}^{-A{2}_1});$

其中，d为标准样品厚度，R为反射系数取值为0.3-0.33；

所述步骤304B中，计算单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数，其计算公式为：

α_sam=α1₁-α2₁；

其中，α_sam为单晶硅标样在607.5cm^-1处的净吸收系数。

8.根据权利要求7所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤4中，计算单晶硅样品中替位碳原子在607.5cm^-1处的吸收系数，其计算公式为：

α_c=α_sam-α_ref；

其中，α_c为单晶硅样品中替位碳原子的吸收系数。

9.根据权利要求8所述的低温红外光谱测定单晶硅中替位碳含量的方法，其特征在于，所述步骤5中，计算单晶硅中替位碳含量，其计算公式为：

C=F*α_c+S₀；

其中，C为单晶硅中替位碳含量，S₀为替位碳含量标称值，F为转换因子。

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