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 -=0
0/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。
硅晶体中处于填隙位置的氧原子与临近的两个硅原子形成硅氧键，硅氧键的振动引起红
外光三个频率的吸收，分别在1106、513和1718cm-1处，其中最强的1106cm-1吸收峰被用来标定硅中填隙氧的浓度。
各国已对红外光谱法测定硅中填隙氧浓度制订了标准。
具体的标准测试方法是制备2mm厚双面镜面抛光的硅的标准样品，采用氧浓度极低的区熔法制备的单晶硅制作参考样品，待测材料制成一定厚度的样品，分别测定它们的红外光谱，利用两者的红外谱中氧特征峰的透过率的值，两样品厚度，标准样品中的氧含量浓度(已经定标，由其它方法测得)，通过比较就可直接计算出待测样品中的氧含量浓度。
这就是FTIR定量分析法中的直接计算法。
硅中的碳也有红外吸收的特征峰，位于605cm-1，叫做局部模吸收。
可以用同对氧一样的方法由红外光谱计算碳的含量，并且也都已建立了标准。
同样地，为了提高测定的准确度，各国的标准也有所修正。
硅中的氧和碳就是基于这种原理进行测定的。
四. 实验仪器介绍
本实验所用仪器设备为FTIR-650型傅立叶变换红外光谱仪（天津港东），如图所示
傅立叶变换红外光谱仪的工作原理图
其红外光谱的原理图等已在实验三中详细介绍，这里不再赘述。
本实验要求环境温度：25℃左右，湿度小于60%，无强电场干扰（在测量的过程中，在机器旁不要接打手机），需将设备
置于专业实验室，实验室配置空调，除湿机。
另外，需要定期对干燥盒进行烘干（每次140℃烘干4个小时），需要配置烤箱。
仪器主要的技术参数如下：
1) 检测下限：1.0X1016cm-3(常温)；
2) 检测硅料硅片厚度范围为：0.1~3.5mm；
3) 波数范围：7800cm-1~400cm-1
4) 分辨率：优于0.5 cm-1
5) 波数精度：±0.01 cm-1
(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1×1016cm-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。
6) 扫描速度：0.2~2.5 cm/s，微机控制，选择不同的扫描速度，档次连续可调。
7) 信噪比：优于15，000：1（RMS值，在2100 cm-1处，4 cm-1分辨率，DTGS探测器，1分钟数据采集。
）
8) 分数器：KBr基片镀锗
9) 探测器：标准配置DTGS，任选MCT
10) 光源：高强度空气冷却红外光源
本仪器适合于硅材料的氧、碳含量的测定，可实现硅料中氧碳含量自动、快速、准确的测量；具备完整的谱图采集、光谱转换、光谱处理、光谱分析及输出功能，使得操作更简单、方便、灵活。
外置式红外光源部件的设计使得仪器具有更高的热学稳定性，无须动态调整就具有稳定的干涉度。
高强度红外光源采用球形反射装置，可获得均匀、稳定的红外辐射。
5．实验内容
了解并初步掌握傅立叶变换红外光谱仪定量分析的基本原理，认识FTIR-650的构造；通过测定硅的标准样品中的碳氧含量和待测试样的红光谱图，利用比尔-兰勃特定律，学会分析并计算待测样品中的碳氧含量。
具体实验操作步骤如下：
1.检查温湿度计，观察环境是否符合要求：温度为16°C～25°C，相对湿度为20％～50％。
2.检查湿度指示卡是否为淡蓝色，否则应立即更换干燥剂。
（干燥剂应用110°C烘烤至少3
小时，冷却后才可以使用）确认仪器的开关处于关闭档，连接好电源线和USB线。
将样品仓内的干燥剂和防尘罩取出。
3.开机，预热15分钟以上。
4.在进行测试之前，需要插入加密狗。
5.将事先制好的硅标准样品用夹具夹好，放入仪器内的固定支架上准备进行测定。
6.打开操作软件，进行参数设置，先后进行采集背景、采集参比、采集样品三项操作；测定
完成后取出硅标准样品；
7.重复上述步骤测试其它硅样品，计算出待测硅样品中的硕氧含量并详细记录，完成实验报
告。
8.测试完成后请按照操作规程关闭仪器、电脑，关好水、电、门、窗。
表1.FTIR测硅碳氧含量记录表
6．思考题或作业
(1) 简述红外光谱定量分析的基本原理？
(2) 本实验所用的红外光谱定量分析与X射线衍射定量分析中所用的K值法有何异同？。
