硅作为地球存储量第二丰富的元素，研究人员对硅基材料的研究最多，技术也最成熟。硅基材料广泛应用于半导体器件和太阳能电池中。当前，因为电子信息产业的基础就是集成电路，电子信息产业的飞速发展，引领着集成电路产业蓬勃发展。硅基材料是集成电路制造过程中必不可少的原料，在外延、刻蚀、清洗、化学气相沉积、掺杂、离子注入、掩蔽膜生成等工艺中均有应用。集成电路的发展趋势遵循摩尔定律，芯片特征尺寸不断减小，处理速度不断提高，要求集成电路制备过程中使用的各种硅基材料的质量纯度、特定技术指标也随之不断提高。
红外光谱法可以通过分子中原子间的振动以及分子的转动等信息确定物质的分子结构及其含量。当分子中某个基团的振动频率或转动频率与红外光的频率一致时，该分子就会吸收红外辐射，产生相应的振动或转动能级的跃迁，生成对应波长的红外光谱。
红外光谱法在半导体材料中也有一定的应用：砷化镓半绝缘材料中碳杂质的测试以及硅单晶中氧、碳杂质含量的测定；测试半导体中外延层的厚度；测试重掺杂半导体中载流子的浓度；利用K-K关系测试极性晶体光学常数以及测量半导体材料的禁带宽度等[1-3]。
1红外光谱技术在硅基材料上的应用
1.1红外光谱测定杂质元素含量
氧是直拉硅单晶中常见的杂质之一，氧以间隙态形式存在，氧含量过高会导致硅单晶中形成氧施主和氧沉淀，使得硅单晶电阻虚高，影响硅单晶的电学性能，并导致黑心低效以及光衰减现象。而当氧沉淀过量时，会导致器件在热循环过程中产生滑移和弯曲现象，严重降低器件的成品率。因此，若想提高集成电路的成品率，必须降低硅单晶中的氧含量。除氧元素外，产品的性能还与碳元素的含量密切相关。与氧元素类似，除代位碳之外，碳元素在硅单晶中还可以其他形式存在，当器件经过高温工艺加工后，碳杂质会导致硅单晶中产生大量缺陷，从而对产品质量和性能造成不利影响[4-5]。
GB/T 1558—2009《硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》中规定利用傅立叶变换红外光谱仪测量p型硅片和n型硅片中的代位碳原子含量，代位碳原子在硅单晶中会在波数为607.2 cm-1(16.47μm）处产生红外吸收峰，通过该位置的吸收系数即可确定代位碳原子浓度。温度在室温（300 K）时，可测量硅片中代位碳原子含量的最低下限为5×1015at·cm-3，其测试精度为1×1015at·cm-3。但GB/T 1558—2009存在一定的局限性，当p型硅片电阻率低于3Ω·cm或n型硅片电阻率低于1Ω·cm时，GB/T 1558—2009将不再适用[6]。
GB/T 1557—2018《硅晶体中间隙氧含量红外吸收测量方法》规定了如何利用红外光谱法测定硅单晶中的间隙氧含量。GB/T 1557—2018可测量室温条件下电阻率大于0.1Ω·cm的n型硅单晶以及室温条件下电阻率大于0.5Ω·cm的p型硅单晶中间隙氧含量。利用常温红外测试设备和低温红外测试设备均可进行测试。样品的厚度范围为（0.04～0.4）cm。根据测试得到的样品厚度、样品透过率和基线透过率计算得到峰值和基线吸收系数，利用校准因子计算硅片间隙氧浓度。本方法的结果中，单个实验室的测试结果精密度为0.1%～4.4%，不同的实验室间测试结果精密度为7%～13%[7]。
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》中利用低温傅立叶变换红外光谱法测定硅单晶中的碳、氧含量。首先将硅单晶样品冷却至15 K以下，然后用红外光束直接透射样品，采集吸收光谱，在硅单晶中，代位碳原子在波数607.5 cm-1处产生红外吸收峰，间隙氧原子在波数1136.3 cm-1处产生红外吸收峰，根据碳原子及氧原子在这两个位置处的吸收系数分别确定其含量。与GB/T 1557—2018相同的是，GB/T 35306—2017仅适用于测量室温条件下电阻率大于0.1Ω·cm的n型硅单晶以及室温条件下电阻率大于0.5Ω·cm的p型硅单晶中间隙氧含量。此外，测定碳、氧含量的有效范围从5×1014atoms·cm-3(0.01 ppma）到硅中代位碳和间隙氧的最大固溶度，与GB/T 1557—2018和GB/T 1558—2009的规定相同[8]。
GB/T 24581—2022《硅单晶中Ⅲ、Ⅴ族杂质含量的测定低温傅立叶变换红外光谱法》中规定了用红外光束直接透射样品并转换为吸收光谱，测量吸收谱带面积后根据比尔定律计算得到硅单晶中电活性元素硼（B）、铝（Al）、磷（P）、镓（Ga）、砷（As）、铟（In）以及锑（Sb）的含量。但该方法要求被测样品温度必须冷却至15 K以下，而且要有足量连续的白光，因此该方法具有一定的局限性。该方法是一种重要的多晶硅质量评价方法，但多晶中晶界的存在会严重影响样品的红外吸收，因此测试时需要先将多晶硅转变为单晶硅后才可以应用[9]。
GB/T 24574—2015《硅单晶中Ⅲ-Ⅴ族杂质的光致发光测试方法》中利用了低温条件下样品的非辐射复合减小，发光带的热展宽也会相应减少的原理，通过该方法可观察到激子发光精细结构。首先将单晶硅样品冷却至4.2 K，然后用高于硅带隙能量的激光器激发它，可测量本征硅发射强度与非本征杂质发射强度的强度比，处理得到强度比与杂质浓度关系的校正曲线，通过该校正曲线获得杂质浓度[10]。
1.2红外光谱法测定外延层厚度
外延片的外延生长成为整个半导体行业的支柱。如今，半导体行业需要制造越来越复杂的外延片结构，具有专门定制的电学和光学特性，以适应各种新的应用。生产这些不仅需要改进外延片制造，还需改进用于分析结果的表征技术。
外延生长是半导体器件制造的核心，但仅靠外延生长是不够的。还必须能够分析生长的外延晶圆结构，以确定它们是否具有预期用途所需的特性。而生产出真正高纯度或高质量的半导体器件依赖于大量的表征技术。所有的表征技术中用于研究外延层厚度均匀性的测试方法尤为重要。这在确定整个外延晶片的电学和光学特性的一致性中起到了重要作用，这两个特性必须保持一致，才能最大化适用于器件制造的可用外延晶片表面。因此，能够测量整个外延片表面均匀性的同外延薄膜厚度表征技术，对于保持高工业产量至关重要。
GB/T 14847—2010《重掺杂衬底上轻掺杂硅外延层厚度的红外反射测量方法》中规定了n型和p型硅外延层厚度的测量方法，该方法适用条件为：在23℃条件下衬底电阻率小于0.02Ω·cm，外延层电阻率大于0.1Ω·cm，外延层厚度大于2μm，使用该测量方法得到的测试结果重复性好于2%。如果对测试精度要求不高，硅外延层厚度在（0.5～2）μm之间时也可使用该方法进行测量。GB/T 14847—2010中硅外延沉积层厚度是根据反射波谱中极值波数、红外光束在试样上的入射角以及外延层与衬底光学常数计算得到的[11]。
傅立叶变换红外光谱学利用干涉图和被探测探针光束的电磁波谱之间的傅立叶关系来返回与光束相互作用的样品信息。光束与样品相互作用的特定性质决定了可获得的样品信息，并且为了确定厚度，需在分析前将探测光束从外延层的顶部和底部反射回来。这些光束在探测器处的建设性干涉在产生的干涉图中产生周期性振荡，这些周期决定了涂层的厚度。
1.3红外光谱法研究中子辐照缺陷
硅单晶中子嬗变掺杂方法（NTD）利用了硅原子核与反应堆中发射的慢中子发生核反应，产生中子，使得部分硅原子嬗变成磷原子，从而实现单晶硅掺杂。NTD是一种掺杂精度很高的技术，可以使掺杂剂均匀分布，且该掺杂方法非常有效。
但反应堆中发射的快中子则会在NTD过程中导致硅晶体产生晶格损伤及辐照缺陷现象，形成硅自间隙原子（I）和空位（V）。辐照缺陷一方面会导致硅晶体中原有的周期性势场被破坏，影响单晶硅的电学性能；另一方面还会与硅中的间隙氧（Oi）、磷（P）、硼（B）等主要杂质相结合，形成结构更为复杂的缺陷杂质复合体，改变硅中氧、磷、碳等杂质的存在方式，使得杂质原子的热处理性质发生很大的变化。
研究人员可通过测试NTD单晶硅样片的红外吸收光谱图，得到单晶硅中各种元素的化学键的吸收波长，进一步分析单晶硅中杂质的种类和存在形态。中子和电子辐照直拉硅中主要的空位型缺陷包括空位氧（VO）和双空位（V2），室温下其红外吸收峰位置分别为830 cm-1和2757 cm-1。经过480℃高温热处理后，测试中子辐照直拉硅的红外光谱，在920 cm-1和1009 cm-1的位置出现了红外吸收峰，据推测该现象是由于VO2的亚稳态缺陷VO2*造成的，该缺陷由VO与临近的Oi原子相互作用而形成，是一种非稳态缺陷[12-13]。
硅中辐照缺陷越来越多地采用傅立叶红外光谱（FTIR）的方法来研究，目前最常用的还是利用低温红外技术同时配合其他测试手段，利用其在热处理过程中的变化研究缺陷性质[14]。
研究人员利用红外光谱研究了不同热处理的硅样品含氧硅电子辐照的退火行为。空位氧中心的红外带在830 cm-1处，通过对其观察，得到了VO中心是导致该红外谱带缺陷的结论[15]。
硅基材料中的杂质元素对多晶硅制成的太阳电池少子寿命和光衰减均有影响，傅立叶变换红外光谱技术在太阳电池制备过程中对其杂质含量的监控起到了重要的作用。硅外延片的相关工艺中，外延层的厚度是其中需重点关注的技术指标。在硅外延片的制备过程中，红外光谱技术能够持续检测外延层厚度。通过研究硅单晶的红外吸收光谱图可以高效分析其中的中子辐照缺陷。因此，傅立叶变换红外光谱技术的广泛应用，提高了硅基材料的成品率和质量。
