引言 隨著半導體需求的增加，特別是消費電 子產品、汽車以及日益增長的太陽能發 電行業中硅器件的使用，硅晶圓的產量 預計在未來幾年將出現高速增長。 硅晶圓的生產目前采用了多種工藝，最常見的兩種是 Float Zone（FZ）和 Czochralski （CZ）工藝。FZ 工藝可以生產高純度硅晶圓，而 CZ 工藝生產的晶圓相對來說含有更多 的元素雜質（特別是碳和氧）。然而，與 FZ 工藝相比，CZ 工藝具有一些重要優勢，如更 好的熱應力特性、制造速度更快、成本更低等。此外，氧雜質的存在有一個好處，可起 到吸氣劑的作用，可以去除微量金屬雜質。因此，在硅晶圓制造行業中，CZ 工藝的使用 范圍廣。 我們需要測定硅晶圓中的碳和氧雜質水平，避免雜質水平過高，導致電活性缺陷和產品 故障/報廢。根據全球標準方法，紅外光譜提供了快速和簡易的測量方法，用于測定這些 雜質水平 1,2,3,4。
材料和方法 測量系統由配備 MappIR 晶圓支架以及安裝有自動化 軟件的 PerkinElmer Spectrum 3™ FT-IR 紅外光譜儀組成， 如圖 1 所示。
該系統能夠在透射或反射模式下分析從 2 英寸到 8 英寸 （MappIR）或 12 英寸（Mapp300）尺寸范圍的晶圓。 自動化軟件可實現在無人值守情況下自動繪制晶圓圖 譜，根據預先設置或用戶定義的圖譜繪制安排，采集整 個晶圓的光譜。數據采集完成后，根據規定的分析方法 進行計算。 在透射模式下采集直徑為 6 英寸的硅晶圓光譜，光譜分 辨率為 4 cm-1，使用 32 次掃描進行數據采集。Spectrum 3 和 MappIR 使用干燥氮氣連續吹掃，以從光譜中去除 大氣光譜干擾。 500 微米厚 Float Zone 工藝硅晶圓的光譜如圖 2 所示。
紅外光譜顯示在 1500 cm-1 以下存在多個硅晶格振動的 吸收帶。圖 3 顯示了相同的 FZ 晶圓和 CZ 晶圓在 1500 cm-1 以下光譜范圍放大的疊加光譜圖。
從光譜可以看出，兩個晶圓的光譜之間存在差異，特別是 CZ 光譜中 1100cm-1 附近的吸收峰。為了更清楚地查看光譜差異 并對光譜進行計算，標準方法規定從待分析的 CZ 工藝樣品中 扣減高純度 FZ 參考晶圓的光譜。這將生成如圖 4 所示的光譜 圖。
1107 和 513 cm-1 處的譜帶是由于存在間隙氧，而 605 cm-1 處 的譜帶則是由于存在替代碳。這些譜帶允許對光譜進行定量分 析。具有不同氧濃度范圍的晶圓光譜如圖 5 所示。 此計算方法允許使用一系列校準標準品做線性回歸或使用標 準校準因子。以前可從 NIST 機構獲取硅晶圓中的氧標準物質 用于校準工作，由于 NIST 已不銷售此系列標樣，此方法已不 再可行，因此絕大多數分析都直接使用標準校準因子。
可以清楚地看到，在不同測量中，氧的峰具有不同強度。計 算每個點的氧和碳濃度，如表 2 所示。
結果顯示，氧在整個晶圓上存在顯著變化，而碳的測量結果 更加一致。理想的晶圓應當在整個晶圓上具有一致的測量結 果，以避免在晶圓被切割成較小的單片時出現不一致。
摘要 配備 MappIR 晶圓分析系統的珀金埃爾默 Spectrum 3 證明 能夠測量硅晶圓中存在的雜質水平，這是一個對晶圓性能非 常重要的參數。可以通過使用軟件中的“宏程序"實現自動 化數據采集和計算，計算方法可以根據監管實體要求的方法 進行定制。還可以執行其他半導體應用，如涂層、電介質以 及外延膜的測量。 Spectrum 3 還可用于半導體行業中的原材料鑒定，并可整合 至 Spotlight FT-IR 顯微鏡用于缺陷分析
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