国家标准《用区熔拉晶法和光谱分析法评价多晶硅棒的标准规程》（

ICS中华人民共和国国家标准GB/T××××—××××用区熔拉晶法和光谱分析法评价多晶硅棒的标准规程Practiceforevaluationofpolocrystallinesiliconrodsbyfloat-zonecrystalgrowthandspectroscopy（等同）（讨论稿）××××-××-××发布××××-××-××实施中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布GB/T××××—××××II前言本标准等同采用SEMIMF1723-1104《用区熔拉晶法和光谱分析法评价多晶硅棒的标准规程》。本标准与SEMIMF1723-1104标准相比，主要有如下改动：——在“规范性引用文件”中，凡我国已有国家标准的，均用相应的国家标准代替SEMIMF1723-1104中的“引用文件”。——洁净室等级标准引用ISO标准。——将14.1条中“在SEMIMF1391中碳的测量精度为0.02ppma”改为“在GB/T1558中碳的测量精度为0.02ppma”本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会（SAC/TC203）提出。本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会（SAC/TC203）归口。本标准起草单位：四川新光硅业科技有限责任公司。本标准主要起草人：梁洪GB/T××××—××××1用区熔拉晶法和光谱分析法评价多晶硅棒的标准规程1目的1.1多晶硅中施、受杂质浓度可以通过测量其生长的单晶硅锭得到。根据施主、受主杂质浓度，可用来计算生长给定电阻率的硅锭所需要的掺杂量，也可以用来预测非掺杂硅锭的电阻率。1.2多晶硅中施主、受主杂质的浓度及碳杂质浓度可以用来确定材料是否满足要求。1.3多晶硅中杂质浓度可用来监测原料气体的纯度，多晶硅生产工艺、新工艺开发以及产品的合格性。1.4本规程描述了为分析多晶硅中施主、受主及碳元素所采用的取样和区熔拉晶工艺。2范围2.1本规程包括多晶硅棒取样以及将这些样品通过区熔工艺拉制成单晶的程序。用光谱分析方法对拉制好的单晶硅锭进行分析，以确定多晶硅中的痕量杂质。这些痕量杂质包括受主杂质(通常是硼或铝，或二者兼有)、施主杂质(通常是磷或砷、或二者兼有)及碳杂质。2.2本规程适用的有效杂质浓度范围是:受主和施主杂质为0.002～100ppba，碳杂质为0.02～15ppma。采用红外光谱法或光致发光光谱分析样品中的这些杂质。2.3本规程仅适用于评价采用在细硅硅芯上沉积多晶硅的方法所得到的多晶硅锭。3局限性3.1有裂纹，高应力或深度枝状生长的多晶硅不能用于制备样芯，因为在取样过程中会破碎或裂开。3.2表面有裂缝或空隙的多晶硅样芯难以清洗，杂质很难完全地从裂缝或空隙中腐蚀清除，腐蚀残留物可能留在裂缝中，因而造成污染。有裂缝或高应力的样芯在区熔过程中可能破裂。样芯制备后必须清洗，以除去油、脂或加工带来的玷污。3.3酸和去离子水的纯度至关重要。腐蚀用的器皿、酸及水中的杂质都会对分析的准确性、重复性产生影响。必须在洁净间中进行腐蚀和区熔，尽量减少来自周围空气、墙壁、地板和家具的杂质污染。其他的因素如酸的混合比例，酸腐蚀温度，酸剥离硅的速率，腐蚀冲洗次数以及暴露时间等都必须加以控制，以防杂质干扰。所有与腐蚀后的样芯接触的材料，如舟和容器，都必须在使用前清洗并监控，以防玷污。手套或其他用来包裹腐蚀后的样芯的材料必须检测和监控以免污染。3.4区熔炉，特别是预热器会将杂质引入到正在生长的硅锭中。炉壁、预热器、线圈和密封圈都是常见的污染源。在本操作规程中，保持区熔炉的洁净是非常重要的。3.5区熔过程的任何波动都会影响易挥发杂质在气相、液相和固相中的分布，从而改变测试结果。样芯直径、熔区尺寸、拉速、密封圈纯度与炉膛条件的变化都可能改变有效分凝系数或蒸发速率，从而使晶体中的杂质含量发生变化。3.6每种受主或施主元素以及碳都有其特定的分凝系数。通过拉制几根长度达到30倍熔区长度的晶体，可以测出有效分凝系数，这些数值应该和公开发表的数值一致。从晶锭上对应于分凝系数的平衡位置切取硅片。从其他部分切取的硅片不能准确地代表多晶硅中的杂质含量。如果单晶不能拉制到足够长度，从而不能获得轴向浓度分布曲线的平坦部分，则可从晶锭上切取硅片，并根据重复测量控制棒得到的有效分凝系数来修正测量结果。3.7在样芯被区熔拉制成单晶的过程中，有可能失去结晶结构从而导致区熔后的晶锭不是单晶。晶锭中过多的晶体缺陷会给给光致发光或红外光谱造成较大的干扰，这样的光谱难于被准确地分析。在极端情况下，甚至不能得到可接受的光谱。GB/T××××—××××24规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。4.1国家标准GB/T620化学试剂氢氟酸GB/T626化学试剂硝酸GB/T1550非本征半导体材料导电类型测试方法GB/T1551硅、锗单晶电阻率测定直流二探针法测量方法GB/T1554硅晶体完整性化学择优腐蚀检验方法GB/T1555半导体单晶晶向测定方法GB/T1558硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法GB/T10624高纯氩GB/T11446.1中国国家电子级超纯水标准GB/T13389掺硼掺磷硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程GB/T14264半导体材料术语4.2SEMI标准SEMIMF1389光致发光分析单晶硅中的III-V族杂质的测试方法SEMIMF1630低温傅立叶变换红外光谱法测量硅单晶中Ⅲ、Ⅴ族杂质含量的标准方法4.3ISO标准ISO14644-1洁净室和相关受控环境—第一部分：空气悬浮颗粒洁净等级5术语5.1半导体技术相关术语参见GB/T14264。5.2定义5.2.1控制棒——从有均匀沉积层的多晶硅棒上取得的多晶硅圆柱体，重复分析其已知的硼、磷和碳的含量值。5.2.2样芯——使用空心金刚石钻头从较大块多晶硅上钻取的多晶硅圆柱体。5.2.3沉积层(生长层)——环绕硅芯并延伸到多晶棒外径的多晶硅层。5.2.4硅芯——小直径硅棒，装配成U形，作为供多晶硅沉积的基体或晶种。6方法概述6.1按照规定方案从多晶硅棒上选取一个或多个样芯用于多晶硅的分析检测。在多晶硅棒两端平行或垂直于硅芯钻取样芯。两种取样方式的备样过程和区熔工艺是相同的，但其数据计算和碳含量分析不同。6.2检查损伤后，对多晶硅样芯编号以便腐蚀和区熔。用酸液腐蚀样芯，再冲洗干净后装入区熔炉拉制成单晶。为了避免表面玷污，样芯腐蚀后，尽快进行区熔。在ISO5级的洁净实验室里进行的研究表明：36小时后会出现表面玷污。对每一个实验室来说，必须确定最长的保存时间及有关处理包装程序，如果超过最长的保存时间，样芯必须重新腐蚀。为延长保存周期，样芯可以用适当的清洁材料包裹并密封，并在使用前一直贮存在洁净的环境中。6.3把控制棒和样芯棒一起腐蚀，并区熔，以监测制样和悬浮区熔过程中所造成的污染干扰。6.4采用悬浮区熔技术，在氩气氛下将样芯经一次区熔的方式拉制成单晶。检查拉制单晶锭的晶体完整性、直径和长度。6.5根据受主、施主和碳杂质元素各自不同的分凝系数，确定其在单晶锭上的取样位置。GB/T××××—××××36.6从单晶锭上的取样位置处切取样片，并按照GB/T1558，SEMIMF1391，SEMIMF1630所述的光谱技术进行制样和分析。7设备7.1取样芯设备。7.1.1钻床——具备水冷功能。7.1.2金刚石样芯钻——钻头的尺寸应能钻出直径约为20mm且长度至少为100mm多晶硅平行样芯；为取垂直样芯，其长度应能完全钻穿晶棒直径。直径为3mm或5mm钻头的钻机用于制备籽晶。7.2腐蚀设备7.2.1腐蚀柜——放在ISO14644-1中规定的ISO6级的洁净室中以尽量降低外界污染，具备酸雾排放装置，腐蚀酸液槽和去离子水漂洗装置，以及在清洁环境中烘干样芯的设备。7.2.2石英舟——或其它耐酸材料，如聚四氟乙烯，用于在腐蚀、冲洗和干燥过程中可以容纳具有一定直径和长度的多晶棒。7.3悬浮区熔晶体生长设备7.3.1区熔炉——具备惰性气体氛围和大小足以保证规定直径和长度的晶体生长的水冷炉膛。安放在ISO6级或更好的洁净室内。装置能允许相对于线圈的垂直运动，但不能有明显的水平运动。这种垂直运动可由螺杆，缆索或液压机构来完成。此外，有一根支持样芯的轴和一根支持籽晶的轴。至少有一根轴能相对于另一根轴作垂直位移。籽晶轴可以绕其轴旋转，以避免熔区中热量和溶质的不平衡。在熔区冷凝的时候，样品卡头和籽晶卡头应能相对于转轴自由滑动。卡头由钼、钽、钨或石英制成以减少对硅的玷污。线圈设计和电源控制应能在晶体生长的整个过程中保持熔区的稳定且完全融透。设备中所用的材料应能够在工作条件下承受小于1×10-6托（1托=133.322pa）蒸汽压力。预热器直径应与样芯直径相同，并由钽或其他能尽量减少对硅污染的材料制成。7.3.2刻度尺——能精确到毫米，用于准确测量晶锭长度和标记晶锭切割的位置。7.3.3钢丝刷——用不锈钢制成，用于清洁真空区熔炉内室，其手柄长度足以达到整个炉膛。7.3.4真空吸尘器——适合洁净室使用，带有灵活的软管和窄吸嘴。7.3.5洁净服——手套、衣服、口罩、头罩，抹布和其它洁净室材料。7.3.6圆片锯——用于从晶锭上切取大约2mm厚的样片。8试剂8.1硝酸（HNO3）——符合GB/T626优级纯。8.2氢氟酸（HF）——符合GB/T620优级纯。8.3混合酸腐蚀剂——通常是HNO3：HF在4：1到8：1之间。8.4去离子水——纯度等于或大于GB/T11446.1中指定的EW-2型的纯度。8.5高纯氩气——符合GB/T10624优等品。标准样品9危害9.1操作人员应具备关于制造技术，酸处理操作和单晶炉的操作知识，还应熟知实验室操作规程。9.2本规程使用热酸来腐蚀多晶硅表面。腐蚀剂具有潜在危险性，必须在排酸通风柜里进行腐蚀，操作人员任何时候都要极其小心。氢氟酸溶液尤其危险。应严格遵守针对这些酸所采用的所有常规预防措施。任何不熟悉特殊预防措施和急救方法的人不得使用这些酸。9.3单晶炉使用射频(RF)功率器(发生器和线圈)来为熔硅提供能量，温度约为1400℃，操作人员必须经过电气、高压气管道，RF电场和热部件的操作培训。9.4熔区中的熔融硅发出强光，操作人员可能暴露在这种光下达数小时，所以要求操作者使用眼睛防护装置。GB/T××××—××××410制样10.1样芯应能反映多晶硅棒生长过程的特征，并能代表被取样的多晶硅棒。10.2为满足不同的取样方案，可在多晶硅棒的不同位置取一系列样芯，取样应涵盖硅棒的两端。两种典型的取样方法是平行于硅芯取样和垂直于硅芯取样，如图1、图2所示。平行取样体系详见10.2.1，垂直取样体系详见10.2.2。图1平行样芯的取样位置图2垂直样芯的取样位置10.2.1平行样芯——如图1所示，平行于硅芯方向钻取长度至少为100mm且直径为20mm的样芯。计算多晶硅棒杂质总含量需要钻取两种不同的样芯，即硅芯样芯和生长层样芯。10.2.1.1平行硅芯样芯——包括硅芯的样芯代表硅芯和硅芯上的初始沉积层，经过区熔、分析，并结合生长层样芯的数据计算总杂质含量。10.2.1.2平行生长层样芯——样芯不包括硅芯，只包括生长层，代表沉积在硅芯上的多晶硅质量。这些样芯经过区熔、分析，然后结合硅芯样芯数据计算总杂质量。10.2.1.3平行样芯取样位置10.2.1.3.1径向位置——通过沿多晶硅棒直径方向取样来检测沉积层的径向均匀性。由于外表面可能有裂缝或不平，所以距表面5mm范围内不能取样。10.2.1.3.2轴向位置——对于整个U型多晶硅棒，通常在横梁部分或在长棒上距任一端50mm范围内取样。但是也可以在任意位置取样，以检查沉积层的轴向均匀性。10.2.2垂直样芯——如图2，沿着多晶硅棒直径方向钻取20mm直径的样芯，其长度和多晶硅棒直径相同，所取的样芯要包括硅芯和沉积层的所有部分。为