一种测量单晶硅代位碳和间隙氧含量的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量单晶硅代位碳和间隙氧含量的方法，属于半导体材料检验与分析领域。将参比硅片与样品硅片分别放置在多次透射-反射测量附件的样品固定架上，采用p-线偏振红外光束经过N次透射与反射过程；p线偏振红外光束到达红外检测器，得到红外吸收图谱，计算样品硅片与参比硅片的红外图谱上的代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度差值，即得到样品硅片中代位碳和间隙氧的吸光度；根据单次布儒斯特红外透射方程式和Lambert-Beer定律可得代位碳和间隙氧的浓度。本发明专利技术能够测量厚度为0.1mm～2.0mm的单晶硅，且测量精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料检验与分析领域，更具体的说是一种测量单晶硅代位碳和间隙氧含量的方法。
技术介绍
硅是当今产量最大和应用最广的半导体材料，它的产量和用量标志着一个国家的电子和太阳能工业的研发和生产水平。优质硅材料的生产及检测技术与硅基器件高新技术相互促进。如1)基于硅的半导体工业是人类历史上的奇迹，它的出现革命性地变革了人类生活的方方面面，从日常生活中如影随形的手机、通讯、计算机及其网络到智能生产和交通系统如数码机床、汽车、高铁、和飞机的控制等都是基于硅芯片技术，每天我们都和几十个硅的器件打交道。2)硅太阳能电池正在勃勃兴起，由于化石能源(石油、煤、天然气等)在不久的将来会使用殆尽，各国政府都在寻找绿色可持续发展能源，硅太阳能电池由于成熟的工艺技术和可靠的性能是市场上唯一行销的太阳能电池产品。3)基于硅材料的光电技术被预测将继续统治市场几十年甚至几百年，新出现的硅基器件广泛地应用于生物检测、传感器、太阳能电池、和分子识别等许多领域。晶硅的纯度对其电学和机械性能有重要影响，半导体电子工业要求晶硅材料具有很高的纯度(杂质浓度<1ppb)。中国硅材料及半导体工业起步于20世纪50年代，20世纪60年代中期实现了产业化，21世纪初硅太阳能电池产业的发展驱动了中国晶硅材料产业的蓬勃发展，但晶硅生产厂家对提纯工艺的掌握还处于发展中阶段，晶硅材料中的碳、氧和金属杂质含量的检测和控制变成了硅材料产业的难题和瓶颈。另外，硅片生产过程中的铸锭和拉棒环节还会引入大量碳氧杂质。晶硅材料中的杂质会严重影响太阳能电池的转换效率、半导体器件成品率和生产过程中的碎片率。单(多)晶硅片的代位碳和间隙氧杂质含量直接影响和降低硅器件的理化性质及功效，提高晶硅代位碳和间隙氧杂质含量检测的灵敏度和准确度是刻不容缓的一项工作。目前用来测量晶硅中代位碳和间隙氧杂质含量的技术包括气体熔化分析、二次离子质谱分析、带电粒子活化分析、中子活化分析等，而上述技术都需要对样品进行预处理，将块状样品粉碎或溶解，因而具有一定的环境影响性，耗时耗工，并且设备昂贵。另外，以上技术都是针对晶硅中碳和氧的总量进行测量，对于单晶硅中代位碳和间隙氧的测量(可更准确判断硅片质量和性能)，产业界乐于采取的方法是红外吸收光谱分析法。代位碳以Si-C的形式存在，其红外吸收峰在605cm-1；间隙氧以Si-O-Si的形式存在，红外吸收峰分别在1107cm-1(强)，513cm-1(中)和1718cm-1(弱)。根据Lambert-Beer定律，红外的吸光度与元素的含量成正比关系，可表示如下：A＝α·b·c，其中，A代表吸光度；α代表吸光系数，单位为cm-1；b代表样品厚度，单位为cm，c代表杂质浓度，单位为at/cm3。传统红外方法，单晶硅的透射率、吸光系数和硅片厚度的关系如下方程所示：T=(1-R)2exp(-αb)1+R2exp(-2αb)-2Rcos(2ψ)exp(-αb),]]>ψ＝2πnbσ，其中，T为单晶硅的透射百分比；R为反射率；n为折射率；σ为波数，单位为cm-1。红外光谱能够无损伤地检测出碳、氧等微量元素的含量，简单、快捷，并且能够及时反馈给生产线以调整生产参数，故受到硅材料上下游厂家的青睐。目前采用的红外吸收测量晶硅中碳、氧杂质含量的国际和国家标准方法为：常温下，厚度2.0mm(直径1cm)的双面化学机械抛光的单晶硅片作为样品、红外光垂直入射和单次透射的方式进行测量。但以下两点影响了晶硅中碳、氧杂质含量的测量：1)目前太阳能电池片模块制造厂商通用的衬底硅片为0.1mm～0.2mm厚(薄硅片能降低成本，但薄硅片也更容易在生产过程中导致碎片化，二者择其优)，使用标准方法测量0.1mm～0.2mm薄硅片时产生很强的干涉峰，干扰了有用信号的测量，因此电池片模块制造厂商容易与铸锭和切片厂商发生对购买薄晶硅片材料质量的争议。2)当碳、氧杂质的含量在0.1ppm以下时，标准法的单次垂直入射的红外吸收测量误差大，特别是碳的测量需要使用差谱，采集到的信号信噪比低，难以区分信号与噪音。人们期待着出现一种新的信噪比好、数据重复性高、实验操作容易、还经济实用的优秀方法。中国专利技术专利，申请号：200610097859.4，公开号：CN1975386A，公开了一种红外光谱仪多次透射-反射测量附件，它包括两个平行的平面反射镜，在两个平面反射镜之间有样品固定架，样品固定架将样品硅片固定在两个平面反射镜之间、并与平面反射镜平行，在测量时，红外光谱仪发射的红外光与平面反射镜呈一入射角进入两个平面反射镜之间，在两个平面反射镜之间进行多次反射，样品片则被红外光多次透射-反射测量，经过对样品多次透射-反射测量后的红外光进入红外光谱仪的检测器。该专利技术的红外光谱仪多次透射-反射测量附件，采用多次透射-反射的方法提高图谱的信噪比。操作简单，不需要对样品进行特殊的处理以及昂贵的全反射晶体，测量结果重复性好。除了可以检测表面的微量成分外，也可以用于材料体内的微量成分测量。其不足之处在于，只能进行定性实验研究，不能够进行定量计算，且无法解释减干涉机理。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题针对现有技术中可测量的厚度为0.2～2.0mm的晶硅薄片的代位碳和间隙氧的含量，却不可测量厚度为0.1mm～0.2mm的晶硅薄片的代位碳和间隙氧含量的问题，本专利技术提出了一种测量单晶硅代位碳和间隙氧含量的方法。它能够测量厚度为0.1mm～0.2mm的晶硅薄片的代位碳和间隙氧含量，比现有技术降低了一个数量级的检测限，提高了一个数量级的精密度，实现了准确测量，在实用性、经济性等方面具有很大的优势。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：一种测量单晶硅代位碳和间隙氧含量的方法，其步骤为：(A)、双面抛光且平行的参比硅片与样品硅片的表面无划痕，除去表面氧化硅；(B)、将参比硅片与样品硅片分别置于红外光谱仪的多次透射-反射测量附件的样品固定架上；(C)、使用p线偏振红外光束，投射光路如下：光束以布儒斯特角入射并全部透过硅片→金属镜面反射→布儒斯特角入射并全部透过硅片→金属镜面反射，光线在硅片内N次重复上述透射与反射过程；(D)、经过上述N次透射与反射过程后，N为整数，p线偏振红外光束到达红外检测器，得到以空气为参比时单晶硅中杂质代位碳和间隙氧的吸收峰增强后的红外图谱，在样品硅片的红外图谱上找到代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度，在参比硅片的红外光图谱上...

【技术保护点】
一种测量单晶硅代位碳和间隙氧含量的方法，其步骤为：(A)、双面抛光且平行的参比硅片与样品硅片的表面无划痕，除去表面氧化硅；(B)、将参比硅片与样品硅片分别置于红外光谱仪的多次透射‑反射测量附件的样品固定架上；(C)、使用p线偏振红外光束，投射光路如下：光束以布儒斯特角入射并全部透过硅片→金属镜面反射→布儒斯特角入射并全部透过硅片→金属镜面反射，光线在硅片内N次重复上述透射与反射过程；(D)、经过上述N次透射与反射过程后，N为整数，p线偏振红外光束到达红外检测器，得到以空气为参比时单晶硅中杂质代位碳和间隙氧的吸收峰增强后的红外图谱，在样品硅片的红外图谱上找到代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度，在参比硅片的红外光图谱上找到代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度，使用样品硅片代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度减去参比硅片的代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度，即得到样品硅片中代位碳和间隙氧的吸光度；(E)、根据单次布儒斯特红外透射方程式和Lambert‑Beer定律，得到最终透射率与代位碳或间隙氧含量的比例关系，由此根据得到的透射率换算出代位碳或间隙氧的浓度；其中，单次布儒斯特红外透射方程式：TB=12exp(-αbB)+12(1-RS)21+RS2exp(-2αbB)-2RScos(2ψ)exp(-αbB)exp(-αbB),]]>RS：偏振光反射率；α：吸收系数；ψ：光透过样品一次时引起的相变；TB：单次布儒斯特角透射时的透光率，％；bB：代表单次布儒斯特角入射时穿过硅片的光程；Lambert‑Beer定律：红外的吸光度与元素的含量成正比关系，表示如下：A＝α·b·c,其中A代表吸光度；α代表吸光系数，单位为cm‑1；b代表样品厚度，单位为cm；c代表杂质浓度，单位为at/cm3。...

【技术特征摘要】
1.一种测量单晶硅代位碳和间隙氧含量的方法，其步骤为：
(A)、双面抛光且平行的参比硅片与样品硅片的表面无划痕，除去表面氧化硅；
(B)、将参比硅片与样品硅片分别置于红外光谱仪的多次透射-反射测量附件的样品固定
架上；
(C)、使用p线偏振红外光束，投射光路如下：光束以布儒斯特角入射并全部透过硅片
→金属镜面反射→布儒斯特角入射并全部透过硅片→金属镜面反射，光线在硅片内N次重复
上述透射与反射过程；
(D)、经过上述N次透射与反射过程后，N为整数，p线偏振红外光束到达红外检测器，
得到以空气为参比时单晶硅中杂质代位碳和间隙氧的吸收峰增强后的红外图谱，在样品硅片
的红外图谱上找到代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度，在参比硅片的红外光图谱上
找到代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度，使用样品硅片代位碳和间隙氧的吸收峰所
在位置的吸光度减去参比硅片的代位碳和间隙氧的吸收峰所在位置的吸光度，即得到样品硅
片中代位碳和间隙氧的吸光度；
(E)、根据单次布儒斯特红外透射方程式和Lambert-Beer定律，得到最终透射率与代位
碳或间隙氧含量的比例关系，由此根据得到的透射率换算出代位碳或间隙氧的浓度；
其中，单次布儒斯特红外透射方程式：
TB=12exp(-αbB)+12(1-RS)21+RS2exp(-2αbB)-2RScos(2ψ)exp(-αbB)exp(-αbB),]]>RS：偏振光反射率；α：吸收系数；ψ：光透过样品一次时引起的相变；TB：单次布儒斯特角
透射时的透光率，％；bB：代表单次布儒斯特角入射时穿过硅片的光程；
Lambert-Beer定律：
红外的吸光度与元素的含量成正比关系，表示如下：
A＝α·b·c,
其中A代表吸光度；α代表吸光系数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖守军，路小彬，
申请(专利权)人：南京秀科仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32