实验四 FTIR测定硅材料中的碳氧含量(定量分析)实验指导书
硅中氧、碳及其含量测定
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。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺
1
❖ （4）间隙氧对硅单晶结构和性能产生的影响： ❖ 1）可以增加硅片的机械强度，避免弯曲和翘曲等变形。 ❖ 2）形成热施主，会改变器件的电阻率和反向击穿电压，形
成堆垛层错和漩涡缺陷。 ❖ 3）形成氧沉淀，产生位错、堆垛层错等缺陷。
❖ 2）差别法： ❖ 室温下（300K):
❖ 77K ：
13
❖ （3）定碳含量的ASTM经验公式： ❖ 用差别法测量得到红外光谱，由于Si-C振动的波数为607cm-
1(16.4微米)。由于在室温条件下，在波长为16微米处出现硅 晶格的吸收波峰，强度很大，因此采用差别法消除晶格吸收 系数。得到经验公式： ASTM公司通过对C的放射性元素C14 试验得到吸收系数与碳含量的关系，得到经验公式：
28
5）在700 ～550cm-范围内扫描，得到607.2cm-处的硅-碳吸收 带。
6）若要提高灵敏度，采用77K测量时，峰值位于607.5cm-处,要 求半峰宽为3cm-，试样厚度增加到5mm,最大扫描速度为 1cm/min。
29
❖ 6、测量结果的计算：将测量值代入 数。
❖ 7、碳含量的计算：
❖ 1、测试方法与范围： ❖ （1)红外吸收法 ❖ (2）范围：适用于室温电阻大于0.1Ω.cm的硅晶体。测量范
围为:3.5×1015at.cm-3至最大固溶度。 ❖ 2、用红外光谱仪测定Si-O键在1105cm-处的吸收系数来确定
硅晶体中间隙氧的含量。
❖ 3、测量仪器 ❖ （1）双光束红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪。
7
❖ 因此有
❖ 吸收系数α定义为相当于波的能量经过1/α距离时减弱为1/e 倍。因此α越大，光强度透射减弱越多，光的吸收性能越高。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法
d
❖ 将上式除 I0 ，可得
❖ R、K、T分别为反射率、吸收率和透射率。
❖ 在上图中的理想镜面，且两面平行的样品的情况下，考虑 光在样品内部经多次反射，忽略干涉效应，透射光的强度
❖ 因此有
❖ 吸收系数α定义为相当于波的能量经过1/α距离时减弱为 1/e倍。因此α越大，光强度透射减弱越多，光的吸收性能 越高。
❖ （2）制备方法同上，要求参比样品与待测试样品的厚度差 小于0.01mm。参比样品替位碳浓度小于1×1015at.cm-3
5.测试步骤：
1）分别在试样光束和参考比光束中安放样品架，通光孔径为 直径5～10mm.
2）调整透过率0%和100%.
3) 放置在样品架上分别放置待测样品和参考样品。
4）双光束红外分光光度计要调整扫描速度、时间常数、狭缝 宽度和增益等仪器参数。在607.2cm-处作半峰宽。要求半 峰宽不大于6cm-，如图所示。
子反对称伸缩振动产生的，吸收峰强度最大。 ❖ 3）波长为λ3=19.4μm(波数为515.cm-), 此吸收波峰主要为
分子弯曲振动产生的，吸收峰强度较小。
❖ （2）碳吸收峰： ❖ 1）波长为λ1=16.47μm(波数为607.2cm-), 此吸收波峰为
基频峰，吸收峰强度较大。 ❖ 2) 波长为λ2=8.2μm(波数为1217cm-), 此吸收波峰主要为
氧含量 小于1×1017at.cm-3 的试样厚度约为10mm。 ❖ （2）参比样的制备方法同上，要求参比样品与待测试样品
的厚度差小于0.5%。
5.测试步骤：
（1）选择方法：[O] ≥ 1×1017at.cm-3 的试样，用空气参考法 或差别法；含量 [O] ≤ 1×1017at.cm-3 的试样,采用差别。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法
样品需要经过适当的处理和制备，以确保其表面 的平整度和清洁度，从而获得准确的测试结果。
仪器校正
为确保测试结果的准确性，需要对红外光谱仪进 行定期的校正和维护。
03
测试步骤
样品准备
选取具有代表性的硅 单晶样品，确保表面 干净、无杂质。
将研磨后的样品进行 干燥处理，以去除水 分等挥发性物质。
01
在干燥氮气中，将样品加热至一 定温度，以促进样品中气体组分 的释放。
02
03
根据吸收光谱的特征峰位置和强 度，确定气体组分的种类和浓度 。
04
04
结果分析
数据处理与解读
谱图绘制
将整理后的数据绘制成红外光谱 图，便于观察和对比不同样品之 间的差异。
定量分析
根据特征峰的强度，采用适当的 公式计算硅单晶中氧和碳的含量 。
红外吸收法测定硅单晶中 氧和碳的测试方法
目录
• 引言 • 红外吸收法原理 • 测试步骤 • 结果分析 • 结论与展望
01
引言
目的和背景
目的
红外吸收法是一种用于测定硅单晶中氧和碳含量的测试方法，通过该方法可以了解硅单晶材料的纯度、性能和 加工过程中的质量控制情况。
背景
随着科技的发展，硅单晶材料在电子、半导体、太阳能等领域的应用越来越广泛，对硅单晶的纯度和性能要求 也越来越高。因此，准确测定硅单晶中氧和碳的含量对于提高硅单晶材料的质量和性能具有重要意义。
将样品研磨至一定粒 度，以便后续测试。
测试环生干扰。
准备红外光谱仪，确保其性能 稳定、校准准确。
准备干燥氮气作为载气，确保 其纯度符合测试要求。
测试过程
通过红外光谱仪测定释放出的气 体组分对特定波长红外光的吸收 光谱。
实验三 FTIR测定分子结构(定性分析)实验指导书
实验三FTIR测定分子结构(定性分析)实验一. 实验目的1、理解傅里叶红外光谱测试方法的原理；2、掌握FTIR-7600红外光谱仪的基本结构和使用方法；3、掌握红外光谱仪测试不同样品的制备方法，学会固体粉末压片法制备FTIR样品；4、学会用FTIR测试薄膜样品、粉末样品的红外光谱，学会对所测红外光谱图的解析，掌握FTIR定性分析的原理和方法；二. 实验仪器FTIR-7600型傅立叶变换红外光谱仪，薄膜样品(聚苯乙烯薄膜)；KBr固体样品，研钵，压片机，红外烧烤箱；学生自备：手机贴膜，透明塑料块(制备成方块状，较薄)三. 实验原理当用红外光(IR)照射测试样品时，样品结构中的质点会吸收一部分红外光的能量，引起质点振动能量的跃迁，从而使红外光透过物质时被吸收，而产生所谓的红外吸收光谱；根据它吸收的红外光的能量，去推导物质中质点的振动情况，从而推导样品中的分子振动情况、分子振动能级、物质结构等相关性质；也可简单理解为：连续的红外光与分子相互作用时，若样品中分子的某一振动频率恰与红外光波段的某一频率相等就引起该波段的共振吸收，使光的透射强度减弱，这就是红外光谱产生的原理；红外光谱是分子振动光谱，通过谱图解析可以获取分子结构的信息。
任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定，这是其它仪器分析方法难以做到的。
由于每种化合物均有红外吸收，尤其是有机化合物的红外光谱能提供丰富的结构信息，因此红外光谱法是物质结构解析(尤其是有机物结构解析)的重要手段之一。
傅立叶变换红外光谱仪是20世纪70年代发展起来的新一代红外光谱仪，它具有以下特点：一是扫描速度快，可以在1s测得多红外谱图；二是光通量大，可以检测透射较低的样品，可以检测气体、固体、液体、薄膜和金属镀层等不样品；三是分辨率高，便于观察气态分子的精细结构；四是测定光谱围宽，只要改变光源、分束器和检测器的配置，就可以得到整个红外区的光谱。
广泛应用于有机化学、高分子化学、无机化学、化工、催化、石油、材料、生物、医药、环境等领域。
单晶硅、多晶硅“氧碳含量测试仪”说明书
WQF-520型FTIR硅中氧、碳含量测量分析系统使用说明书信息部电子第四十六所WQF-520型FTIR硅中氧、碳含量测量分析系统使用说明书一、仪器的规格与性能（由北京瑞利分析仪器公司提供）1.1、波数范围7000cm-1～400cm-11.2、分辩率1.0 cm-11.3、波数准确度优于所设分辨率的1/21.4、透过率重复性0.5%T二、测量条件2.1、样品2.1.1、试样经双面研磨/单面抛光/双面抛光（机械/化学抛光）硅晶片均可。
一般测量时，试样需用金刚砂305#粗磨和303#细磨，以致双面平行，表面无划痕，并且试样在1300 cm-1～900 cm-1范围内基线透过率不低于20%。
要求试样在室温下电阻率＞0.1Ω.cm,试样的厚度范围为2.00mm—3.00mm。
2.1.2、参样参样的厚度约为2.00mm，双面抛光呈镜面，并且参样中的氧、碳含量均小于1×1016cm-3。
2.2、测量精密度及检测下限2.2.1、本方法在常温下测碳含量精密度为±20%，检测下限为1.0×1016 cm-3。
对于低碳含量样品,多个实验室测量碳含量精密度，按照“硅中代位碳含量的红外吸收测量方法”国家标准(GB/T 1558-1997)为：+0.6*1016SSD=0.134 NC式中：SSD—试样的标准偏差，cm-3；—碳含量，cm-3 。
NC2.2.2、本方法在常温下测氧含量分两种情况：(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1×1016 cm-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。
三、测量系统组成3.1、硬件3.1.1、正常运行的WQF-520型FTIR仪器一台。
3.1.2、通用微型计算机一台。
3.2、软件测量分析软件光盘1张。
红外吸收法测定硅单晶中氧和碳的测试方法与工艺
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
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。
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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？。