实验四 测定硅材料中的碳氧含量(定量分析)

实验四 测定硅材料中的碳氧含量(定量分析)―，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TENSOR27红外光谱仪的基本结构和使用方法；3、学会TENSOR27红外光谱仪测试硅材料中碳氧含量的方法；二. 实验仪器TENSOR27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99.99997。

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 I I -=e 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)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。

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。

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。

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。