一种新型重掺硅晶体内碳含量测试工艺

技术领域

本发明涉及硅晶体内氧、碳含量测试技术领域，具体为一种新型重掺硅晶体内碳含量测试工艺。

背景技术

氧原子在熔硅中的最大溶解度约为3×10

硅晶体内氧、碳含量测试，目前业内一般采用GFA测试重掺氧含量、用SIMS测试重掺碳含量，采用FTIR测试轻掺氧含量和轻掺碳含量。

采用GFA测试重掺氧含量：每个样品测试成本约100元，每年氧含量测试成本10万元左右，坩埚材质为高纯石墨，石墨成分为单一碳元素，硅晶体样品熔融时，石墨坩埚会大量释放出碳原子，因此此方法不适用于测试硅晶体中的碳含量。

用SIMS测试重掺碳含量：每个样品测试费用约1000多元，每年重掺硅晶体中的碳含量测试成本超过100万元。

采用FTIR测试轻掺氧含量和轻掺碳含量：每个样品测试成本约50元，每年氧和碳含量测试总成本10万元左右，晶体中硼、磷、砷、锑浓度又远高于氧或碳，会干扰氧或碳测试数据精准度，因此FTIR不适用重掺硅晶体中的氧或碳含量的测试。因此我们需要提出一种新型重掺硅晶体内碳含量测试工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型重掺硅晶体内碳含量测试工艺，重掺碳含量样品测试可直接采用内部实验室既有的GFA仪器，并搭配钨坩埚，方便快捷，且每个样块测试过程只需1小时即可得到数据，缩短测试周期；每个重掺碳含量样品测试成本约300元，300元主要为高纯金属钨坩埚定制成本，每年重掺碳Cs含量测试成本30万元左右，成本大幅度降低，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型重掺硅晶体内碳含量测试工艺，包括如下步骤：

S1、材料准备：准备GFA测试仪器、高频加热设备、红外检测器、以及与GFA测试仪器配套的高纯金属钨坩埚，并制备硅晶体样块；

S2、在高温条件下，将硅晶体样块通过坩埚钳放置在惰性气氛的高纯金属钨坩埚中，并通过高频加热设备将硅晶体样块加热至完全熔化；

S3、在加热熔融的过程中，硅晶体样块中的碳元素和氧元素从熔融的液态硅晶体中逸出，碳元素与氧元素发生反应，以CO的形式释放；

S4、CO随氦气流过400℃的CuO，CO与CuO反应生成CO

优选的，在步骤S1中，采用直拉单晶制造法制备硅晶体样块，在制备的过程中：

CZ法生长时，多晶硅原料在高纯石英坩埚中熔融，高纯石英坩埚会大量释放出氧元素进入硅溶液，最终溶液结晶时大量氧元素存在于硅晶体中；

CZ长晶时，石墨加热器部件挥发出碳元素，以气态渗透进硅溶液或硅晶体，直拉单晶制造法制备的硅晶体样块中氧元素含量比碳元素含量高两个数量级。

优选的，钨坩埚在使用前，需要对钨坩埚的表面进行清洁，去除钨坩埚表面的杂质和污垢，并将钨坩埚放进烘箱或其他加热设备中进行预热，用于去除钨坩埚清洗时残留的水分和杂质，减少与硅晶体样块接触时的化学反应。

优选的，在步骤S2中，采用高频加热设备将硅晶体样块加热至1500-1700℃，硅晶体的熔点为1410℃。

优选的，高频加热设备包括电性连接的高频发生器和工作线圈，熔化硅晶体样块时，将钨坩埚放置在工作线圈的内部，打开高频发生器，产生高频电磁场，电磁场通过工作线圈传导至钨坩埚，产生感应电流，感应电流在钨坩埚中产生热量，并将热量传递给硅晶体样块，使得硅晶体样块的温度不断升高，直至达到硅晶体样块的熔点。

优选的，在熔化硅晶体样块时，需实时调节控制加热功率和加热时间，并使用温度计或红外测温仪监测硅晶体样块的温度变化。

优选的，在步骤S4中，氦气用作二氧化碳的载体气体，二氧化碳被加压装入氦气中，传输和输送至过滤装置、除尘装置和除水装置分别处理；

过滤装置：用于去除二氧化碳中的杂质，杂质包括颗粒物、油脂、气体污染物，过滤装置包括过滤器和吸附剂；

除尘装置：用于去除二氧化碳携带的颗粒物和粉尘；

除水装置：用于去除二氧化碳中的水分，通过采用吸附剂、冷凝器的去湿方式降低二氧化碳的湿度。

优选的，通过红外检测器检测硅晶体中碳含量的过程包括：当CO

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明重掺碳含量样品测试可直接采用内部实验室既有的GFA仪器，并搭配钨坩埚，方便快捷，且每个样块测试过程只需1小时即可得到数据，缩短测试周期；每个重掺碳含量样品测试成本约300元，300元主要为高纯金属钨坩埚定制成本，每年重掺碳Cs含量测试成本30万元左右，成本大幅度降低。

附图说明

图1为本发明的工艺流程框图；

图2为本发明重掺碳含量GFA测试与SIMS测试线型拟合图；

图3为本发明重掺碳Cs含量GFA测试与SIMS测试对数拟合图；

图4为传统SIMS测试原理图；

图5为传统SIMS测试重掺碳Cs含量baseline概率图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当前技术采用GFA测试重掺氧含量的详情如下：

在高温条件下，样品在惰性气氛的石墨坩埚中熔融，将试片加热到硅熔点以上温度(1500～1700℃)完全熔化时，样品中的氧Oi元素由于高温从熔体里逸出，并跟石墨坩埚里的碳Cs元素发生反应，以CO的形式释放，CO随氦气流过400℃的CuO，两者反应生成CO2，由载气(高纯He氦气)携带经过滤、除尘和除水装置后，以CO2的形式进入红外检测器进行检测。

当CO2气体通过辐射IR能的池体时，特定波长的IR能被吸收，所有其他的IR能从到达检测器起就被特征波长过滤器消除，因此，IR只会被CO2吸收；CO2气体浓度可根据能量的变化由检测器测得。根据峰线强弱(面积)计算出含量。

GFA测试仪器设备相对价格便宜。硅材料制造企业大都内部实验室标配GFA做重掺硅晶体中的氧Oi含量测试，每个样品测试成本约100元，每年氧Oi含量测试成本10万元左右。

GFA测试用坩埚须耐高温、适用高频感应线圈加热导电并提供碳元素Cs，坩埚材质为高纯石墨，石墨成分为单一碳元素Cs，硅晶体样品熔融时，石墨坩埚会大量释放出碳Cs原子，因此此方法不适用于测试硅晶体中的碳Cs含量。

请参阅图4和图5，当前技术采用SIMS测试重掺碳含量的详情如下：

二次离子质谱(SIMS)是通过高能量的一次离子束轰击样品表面，使样品表面的原子或原子团吸收能量而从表面发生溅射产生二次粒子,这些带电粒子经过质量分析器后就可以得到关于样品表面信息的图谱。

在传统的SIMS实验中，高能一次离子束，如Ga,Cs,或Ar离子在超真空条件下聚焦于固体样品表面。一次离子束与样品相互作用，材料表面溅射和解吸出二次离子。这些二次离子随后被提取到质量分析器中，从而呈现具有分析表面特征的质谱图，同时产生元素、同位素及分子的信息。

SIMS测试仪器常用的二次离子质谱分析器有磁质谱、四极杆质谱、飞行时间质谱等，一般仪器装置均需从欧美日进口，价格昂贵，硅材料制造企业大都委托外部实验室做重掺硅晶体中的碳Cs含量测试，每个样品测试费用约1000多元，每年重掺硅晶体中的碳Cs含量测试成本超过100万元。

从图5可以看出，常规重掺碳Cs含量数据的baseline，依照传统SIMS测试一般在0.4～1.25ppm之间。

当前技术采用FTIR测试轻掺氧含量和轻掺碳含量的详情如下：

傅里叶变换红外光谱仪，简写为FTIR，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。FTIR傅立叶远红外光谱将博力叶数学法应用于红外检测中。分子间的连续运动，每种运动方式都代表一定的特殊振动频率，而这里频率通常落在红外线的频率之内(14000～20cm

氧原子光谱范围1300～900cm

碳原子光谱范围700～500cm

因此轻掺单晶硅材料中的氧Oi和碳Cs含量的测试都可以采用红外光谱的定量分析来完成。

FTIR测试仪器设备相对价格便宜，硅材料制造企业大都内部实验室标配FTIR做轻掺硅晶体中的氧Oi和碳Cs含量测试，每个样品测试成本约50元，每年氧Oi和碳Csi含量测试总成本10万元左右。

重掺硅晶体中会掺入高浓度的杂质硼B、磷Ph、砷As、锑Sb，硼B、磷Ph、砷As、锑Sb原子直径与氧Oi或碳Cs接近，而且晶体中硼B、磷Ph、砷As、锑Sb浓度又远高于氧Oi或碳Cs，会干扰氧Oi或碳Cs测试数据精准度，因此FTIR不适用重掺硅晶体中的氧Oi或碳Cs含量的测试。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种新型重掺硅晶体内碳含量测试工艺，包括如下步骤：

S1、材料准备：准备GFA测试仪器、高频加热设备、红外检测器、以及与GFA测试仪器配套的高纯金属钨坩埚，并制备硅晶体样块；

在步骤S1中，采用直拉单晶制造法制备硅晶体样块，在制备的过程中：

CZ法生长时，多晶硅原料在高纯石英坩埚中熔融，高纯石英坩埚会大量释放出氧元素进入硅溶液，最终溶液结晶时大量氧元素存在于硅晶体中；

CZ长晶时，石墨加热器部件挥发出碳元素，以气态渗透进硅溶液或硅晶体，直拉单晶制造法制备的硅晶体样块中氧元素含量比碳元素含量高两个数量级。

钨坩埚在使用前，需要对钨坩埚的表面进行清洁，去除钨坩埚表面的杂质和污垢，并将钨坩埚放进烘箱或其他加热设备中进行预热，用于去除钨坩埚清洗时残留的水分和杂质，减少与硅晶体样块接触时的化学反应。

S2、在高温条件下，将硅晶体样块通过坩埚钳放置在惰性气氛的高纯金属钨坩埚中，并通过高频加热设备将硅晶体样块加热至完全熔化；

应小心放置硅晶体样块在钨坩埚的底部，确保硅晶体样块的位置稳固，以免在加热的过程中发生移动，然后将钨盖盖在钨坩埚上方，保护硅晶体样块免受外部环境的影响，钨盖可以防止氧气和其他气体进入，同时帮助保持加热的稳定性。

在步骤S2中，采用高频加热设备将硅晶体样块加热至1500-1700℃，硅晶体的熔点为1410℃，1500-1700℃的温度可确保硅晶体样块熔化成液态。

高频加热设备包括电性连接的高频发生器和工作线圈，熔化硅晶体样块时，将钨坩埚放置在工作线圈的内部，打开高频发生器，产生高频电磁场，电磁场通过工作线圈传导至钨坩埚，产生感应电流，感应电流在钨坩埚中产生热量，并将热量传递给硅晶体样块，使得硅晶体样块的温度不断升高，直至达到硅晶体样块的熔点。

在熔化硅晶体样块时，需实时调节控制加热功率和加热时间，并使用温度计或红外测温仪监测硅晶体样块的温度变化。

S3、在加热熔融的过程中，硅晶体样块中的碳元素和氧元素从熔融的液态硅晶体中逸出，碳元素与氧元素发生反应，以CO的形式释放；

S4、CO随氦气流过400℃的CuO，CO与CuO反应生成CO

在步骤S4中，氦气用作二氧化碳的载体气体，二氧化碳被加压装入氦气中，传输和输送至过滤装置、除尘装置和除水装置分别处理；

过滤装置：用于去除二氧化碳中的杂质，杂质包括颗粒物、油脂、气体污染物，过滤装置包括过滤器和吸附剂；

除尘装置：用于去除二氧化碳携带的颗粒物和粉尘；物理除尘可采用过滤的方式，化学除尘可采用静电或电化学方法除尘。

除水装置：用于去除二氧化碳中的水分，通过采用吸附剂、冷凝器的去湿方式降低二氧化碳的湿度。

通过红外检测器检测硅晶体中碳含量的过程包括：当CO

从图2和图3可以看出，重掺碳Cs含量数据采用GFA测试，线型拟合数据和对数拟合数据均与SIMS测试数据相当，重掺碳Cs含量数据可由内部GFA[使用定制的高纯金属钨坩埚]测试后进行数据拟合，即可得到与委外SIMS测试相当的准确度。每个重掺碳Cs含量样品内部GFA测试成本约300元(主要为高纯金属钨坩埚定制成本)，每年重掺碳Cs含量内部GFA测试成本30万元左右(传统委外SIMS测试，每年碳Cs含量测试成本超过100万元)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。