GB/T 35306-2017 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法

GB/T 35306
2017《硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》是一项中国国家标准，于2017年12月29日发布，2018年7月1日实施，是针对半导体硅材料中关键杂质检测的专业技术标准，具体内容如下：
1. 适用范围 适用于直拉硅单晶、区熔硅单晶中间隙氧和代位碳含量的测定，测定范围为：
氧含量：1×10¹⁶～2×10¹⁸ atoms/cm³
碳含量：5×10¹⁵～5×10¹⁷ atoms/cm³
2. 测定原理 利用硅单晶中的间隙氧、代位碳杂质在低温（液氮环境，约77K）下会产生尖锐且特征性强的红外吸收峰的特性：
间隙氧的特征吸收峰位于1106 cm⁻¹波数处
代位碳的特征吸收峰位于607 cm⁻¹波数处
通过傅立叶变换红外光谱仪采集样品的红外吸收光谱，基于朗伯
比尔定律，测量特征吸收峰的积分吸光度，结合校准系数或标准物质校准曲线，计算出硅单晶中碳、氧的含量。
3. 核心技术内容
样品制备：需将硅单晶切割、研磨、抛光成厚度均匀（通常0.5mm~2mm）、表面光洁的薄片，避免表面损伤和杂质污染；
仪器要求：傅立叶变换红外光谱仪分辨率≤0.5 cm⁻¹，配套能稳定维持77K温度的低温样品池；
校准方法：采用有证硅单晶标准物质建立校准曲线或确定校准系数；
测量与计算：将样品置于低温池稳定后扫描光谱，扣除背景后测量特征峰积分吸光度，通过公式（如$N_O=\alpha_O \times A_O/d$，$N_C=\alpha_C \times A_C/d$，其中$\alpha$为校准系数，$A$为积分吸光度，$d$为样品厚度）计算杂质含量；
精密度规定：明确了方法的重复性和再现性指标，确保检测结果的可靠性。
4. 应用意义 硅单晶中的碳、氧杂质会显著影响半导体材料的电学性能、机械稳定性及缺陷形成，该标准相比室温红外光谱法，低温环境下杂质吸收峰干扰更小、信噪比更高，能实现更低含量的杂质检测，为集成电路、光伏等领域的硅单晶生产质量控制提供了准确可靠的分析手段。
GB/T 35306-2017 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法标准
GB/T 35306
2017《硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》是我国针对硅单晶中碳、氧杂质含量检测的专业国家标准，以下是该标准的核心内容梳理：
一、适用范围 本标准规定了采用低温傅立叶变换红外光谱法测定硅单晶中间隙氧和替位碳含量的方法，适用于n型和p型硅单晶，检测范围为：
碳含量：\(1×10^{15} \sim 5×10^{17}\) atoms/cm³
氧含量：\(5×10^{16} \sim 2×10^{18}\) atoms/cm³
二、规范性引用文件 引用了GB/T 25044《硅单晶片厚度和总厚度变化测试方法》、GB/T 1554《硅单晶电阻率测定方法》、JJG 681《傅里叶变换红外光谱仪检定规程》等文件。
三、检测原理 硅单晶中的间隙氧、替位碳在液氮温度（77K）下会产生特征红外吸收峰：
间隙氧的特征吸收峰波数为\(1106\ \text{cm}^{
1}\)
替位碳的特征吸收峰波数为\(607\ \text{cm}^{
1}\)
基于朗伯
比尔定律，通过测量特征吸收峰的积分吸光度，结合样品厚度及校准系数，计算碳、氧的原子浓度。
四、试剂与材料 1. 液氮：纯度满足低温冷却要求； 2. 硅单晶碳、氧标准物质：有证标准样品，用于校准仪器； 3. 抛光试剂：如二氧化硅抛光液，用于制备无损伤的样品表面。
五、仪器设备 1. 傅立叶变换红外光谱仪：配备MCT（汞镉碲）检测器、低温恒温器（可稳定维持77K）、合适的分束器（如Ge或KBr分束器）； 2. 厚度测量装置：精度不低于\(\pm0.001\ \text{mm}\)，如螺旋测微器或符合GB/T 25044的设备； 3. 样品抛光设备：如精密研磨抛光机，用于制备表面无损伤的样品。
六、样品制备 1. 将硅单晶切割为厚度1~5mm的样品，表面需经机械研磨、化学抛光处理，确保无损伤层、表面光洁； 2. 清洁样品表面，去除污染物； 3. 准确测量样品厚度（多点测量取平均值）。
七、试验步骤 1. 仪器预热与参数设置：设置光谱分辨率为\(2\ \text{cm}^{
1}\)，扫描次数≥32次，完成背景扫描（以高纯硅样品或空样品架为背景）； 2. 样品冷却：将样品放入低温恒温器，冷却至77K并稳定； 3. 样品扫描：采集样品的红外光谱，获取特征吸收峰信号； 4. 积分吸光度计算：对\(607\ \text{cm}^{
1}\)（碳）和\(1106\ \text{cm}^{
1}\)（氧）的吸收峰进行积分，得到积分吸光度。
八、结果计算 根据朗伯
比尔定律，碳、氧含量计算公式如下：
氧含量：\(C_O = \frac{A_O}{d \times \alpha_O}\)
碳含量：\(C_C = \frac{A_C}{d \times \alpha_C}\)
其中：
\(C_O\)、\(C_C\)：分别为氧、碳的原子浓度（atoms/cm³）；
\(A_O\)、\(A_C\)：分别为氧、碳特征峰的积分吸光度；
\(d\)：样品厚度（cm）；
\(\alpha_O\)、\(\alpha_C\)：分别为氧、碳的吸收系数（标准中规定：\(\alpha_O=4.0×10^{
17}\ \text{cm}^2/\text{atom}\)，\(\alpha_C=1.8×10^{
16}\ \text{cm}^2/\text{atom}\)）。
九、精密度 标准规定了方法的重复性和再现性：
重复性：同一实验室对同一样品多次测定，结果的相对偏差不超过5%；
再现性：不同实验室对同一样品测定，结果的相对偏差不超过10%。
十、注意事项 1. 样品需充分冷却至77K，避免温度不均导致吸收峰偏移； 2. 背景扫描需定期更新，确保背景扣除彻底； 3. 样品厚度测量精度直接影响结果准确性，需严格控制； 4. 定期使用有证标准物质校准仪器，保证检测结果的溯源性。
若需要标准的完整文本，可通过国家标准化管理委员会官网、中国标准服务网等官方平台购买查阅。
GB/T 35306-2017 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法流程
GB/T 35306
2017《硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》的检测流程围绕低温红外光谱的特征峰定量分析展开，以下是标准规定的完整操作流程：

一、原理概述 利用硅单晶中间隙氧（特征吸收峰：1106 cm⁻¹）、替位碳（特征吸收峰：607 cm⁻¹）在低温（77K，液氮温度）下的红外特征吸收信号，通过傅立叶变换红外光谱仪采集吸收光谱，基于比尔
朗伯定律，结合校准曲线或标准吸收系数计算碳、氧的原子浓度。

二、仪器与试剂准备 1. 核心仪器
傅立叶变换红外光谱仪：配备液氮冷却的MCT（碲镉汞）检测器，分辨率≤4 cm⁻¹，波数精度≤0.5 cm⁻¹；
低温样品池：可将样品冷却至77K，保证样品与光路垂直；
厚度测量装置：螺旋测微器（精度0.01mm）或激光干涉测厚仪；
制样设备：金刚石切割机、研磨机、抛光机（配金刚石抛光膏）。
2. 试剂与材料
硅单晶碳、氧有证标准物质（含量覆盖待测样品范围）；
液氮：纯度≥99.99%；
无水乙醇、丙酮：用于样品清洁；
光学级擦拭纸：避免样品表面划伤。

三、样品制备 1. 样品选取：从待测硅单晶锭上选取无裂纹、无杂质的均匀区域，切割为厚度0.5mm~5mm的片状样品（含量低的样品选较厚片，含量高的选较薄片）。 2. 研磨抛光：
先用金刚石砂轮粗磨样品两面，去除切割损伤层；
依次用15μm、3μm、1μm金刚石抛光膏抛光至样品表面呈镜面，无划痕、麻点； 3. 清洁干燥：用丙酮、无水乙醇依次超声清洗样品5min~10min，氮气吹干后置于干燥器中备用，避免碳污染。 4. 厚度测量：在样品不同位置测量3次厚度，取平均值，记录精确至0.01mm。

四、仪器校准与基线校正 1. 仪器预热：启动红外光谱仪，预热至少30min，稳定光源与检测器； 2. 波数校准：使用标准物质（如聚苯乙烯薄膜）校准波数，确保1106 cm⁻¹、607 cm⁻¹特征峰位置准确； 3. 基线校正：将空样品池放入光路，采集背景光谱（扫描次数≥32次，分辨率4 cm⁻¹），扣除背景干扰，确保基线平直。

五、校准曲线建立（或直接使用标准吸收系数） 1. 标准样品测试：选取3个以上不同含量的硅单晶碳、氧有证标准物质，按上述样品制备方法处理后，放入低温样品池冷却至77K，采集每个标准样品的红外吸收光谱； 2. 吸光度测量：分别测量标准样品在1106 cm⁻¹（氧）、607 cm⁻¹（碳）处的特征峰吸光度（扣除基线后的峰值）； 3. 曲线拟合：以标准物质的碳、氧含量为纵坐标，对应的吸光度与样品厚度比值（A/d）为横坐标，建立线性校准曲线，要求相关系数R²≥0.999。
*注：标准中也提供了77K下的推荐吸收系数：氧α₀=3.04×10⁻¹⁷ cm²/atom，碳α_C=7.8×10⁻¹⁸ cm²/atom，可直接用于计算（无需校准曲线）。*

六、样品光谱采集 1. 将制备好的待测样品放入低温样品池，通入液氮冷却至77K，待温度稳定后（约10min~15min）； 2. 采集样品的红外吸收光谱，参数与背景采集、标准样品测试一致（分辨率4 cm⁻¹，扫描次数≥32次）； 3. 重复采集2次，确保光谱重复性良好。

七、吸光度测量 对采集的样品光谱，采用基线法测量特征峰吸光度：
氧：在1050 cm⁻¹~1150 cm⁻¹区间绘制基线，读取1106 cm⁻¹处的峰值吸光度A_O；
碳：在550 cm⁻¹~650 cm⁻¹区间绘制基线，读取607 cm⁻¹处的峰值吸光度A_C。

八、结果计算 根据比尔
朗伯定律，碳、氧原子浓度计算公式如下： $$C = \frac{A}{\alpha \times d} \times 10^{18}$$ 其中：
$C$：碳/氧原子浓度，单位为原子每立方厘米（atom/cm³）；
$A$：特征峰吸光度（A_O或A_C）；
$\alpha$：吸收系数（氧取3.04×10⁻¹⁷ cm²/atom，碳取7.8×10⁻¹⁸ cm²/atom，或使用校准曲线的斜率）；
$d$：样品厚度，单位为厘米（cm）。
结果保留三位有效数字。

九、质量保证与控制 1. 每批次样品测试时，需插入1个有证标准物质进行验证，测试值与标准值的偏差应≤±5%； 2. 平行样测试的相对偏差应≤±3%； 3. 若样品表面出现污染或光谱噪声过大，需重新制样或增加扫描次数后复测。
以上流程严格遵循GB/T 35306
2017的技术要求，核心是通过低温增强特征峰的分辨率与灵敏度，确保碳、氧含量测定的准确性。