安曉君

（寧夏新能源研究院（有限公司），銀川 750021）

硅材料雜質(zhì)元素檢測(cè)技術(shù)比較

安曉君

（寧夏新能源研究院（有限公司），銀川 750021）

硅材料中雜質(zhì)直接影響太陽(yáng)能組件的光電轉(zhuǎn)換效率和壽命，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越需要一種檢測(cè)限低、能快速檢測(cè)多種元素的分析方法。本文比較分析了常見(jiàn)硅材料雜質(zhì)元素檢測(cè)技術(shù)的測(cè)試原理和優(yōu)缺點(diǎn)，如電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）、輝光放電質(zhì)譜（GDMS）、二次離子質(zhì)譜（SIMS）、傅立葉紅外光譜儀（FTIR）和低溫傅立葉紅外光譜（LT-FTIR）等，尋求適合太陽(yáng)能級(jí)硅材料的快捷而準(zhǔn)確的檢測(cè)設(shè)備和方法。

硅材料；檢測(cè)；雜質(zhì)元素

《GB/T25074-2010太陽(yáng)能級(jí)多晶硅》和《GB/T25076-2010太陽(yáng)能用單晶硅》要求，硅材料中碳氧要達(dá)到ppma級(jí)別，硼磷要達(dá)到ppba級(jí)別，所有金屬雜質(zhì)總量≤0.2 ppma，由此可見(jiàn)，晶體雜質(zhì)含量檢測(cè)對(duì)光伏材料發(fā)展極為重要[1]。本文比較分析了先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)在硅材料檢測(cè)中的應(yīng)用，以期尋求一種檢測(cè)限低、能同時(shí)檢測(cè)多元素的快速分析方法。

1 硅材料雜質(zhì)檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）

1.1.1 檢測(cè)原理

將樣品溶液霧化送入ICP中心石英管內(nèi)，在高溫和惰性氣氛中汽化，解離出離子化氣體，轉(zhuǎn)化成帶正電荷的離子，經(jīng)濾質(zhì)器質(zhì)量分離后，到達(dá)離子探測(cè)器，根據(jù)探測(cè)器的計(jì)數(shù)與濃度的比例關(guān)系，可測(cè)出元素的含量。

1.1.2 樣品處理

使用濕法ICP-MS檢測(cè)最為復(fù)雜的就是樣品在潔凈室中的前處理。濕法消解晶體硅時(shí)，首先要把晶體硅塊狀樣品研磨成粉末狀。放在PTFE消解罐中進(jìn)行消解，粉末越細(xì)，消解的效率就越高，同時(shí)需要用高純度的HF和HNO3按一定比例分步加入進(jìn)行消解，以防止反應(yīng)過(guò)分激烈而帶來(lái)樣品的損失。由于樣品處理采用的是基體硅與HF反應(yīng)生成SiF4在加熱過(guò)程中揮發(fā)的方法，受揮發(fā)溫度的影響，晶體硅中痕量雜質(zhì)元素（如As、P、B等）難以測(cè)定[2]。

1.2 輝光放電質(zhì)譜儀（GDMS）

1.2.1 檢測(cè)原理

輝光放電質(zhì)譜儀是將輝光放電離子源與高分辨率質(zhì)譜結(jié)合。輝光放電直接利用低壓惰性氣體電離出電子，加速正離子到撞擊由待測(cè)樣品構(gòu)成的陰極產(chǎn)生濺射，產(chǎn)生待測(cè)離子進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.2 樣品的前處理

樣品要加工成表面光滑致密的形狀尺寸。

1.3 二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）

1.3.1 檢測(cè)原理

一次離子轟擊固體材料，在穿透的過(guò)程中發(fā)生一系列碰撞或進(jìn)入晶格，引起晶格畸變。濺射產(chǎn)生的帶電粒子經(jīng)過(guò)靜電分析器、質(zhì)譜計(jì)，按質(zhì)荷比被分離，檢測(cè)器收集所需的粒子，從而獲得樣品表面和本體的元素組成和分布信息[3]。

1.3.2 樣品處理

研磨和拋光處理使樣品表面獲得較好的平整度。

1.4 傅立葉紅外光譜儀（FTIR）

1.4.1 檢測(cè)原理

半導(dǎo)體材料中的III-V族雜質(zhì)在國(guó)際上被稱為淺能雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的外層電子或空穴在半導(dǎo)體中的能量（能級(jí)）處于能帶能級(jí)的禁帶中，當(dāng)受到外來(lái)能量激發(fā)時(shí)，如果這一外來(lái)能量正好合適，就會(huì)被這個(gè)雜質(zhì)吸收，上述電子或空穴就會(huì)上升到導(dǎo)帶中（躍遷一個(gè)能級(jí)），這一剛好被吸收的能量正是紅外光。不同的淺能雜質(zhì)因?yàn)槟芗?jí)差不同，所以吸收的紅外光波長(zhǎng)有所差異，因此用紅外光譜儀就可以測(cè)量到淺能雜質(zhì)的吸收光譜圖。

1.4.2 樣品的前處理

加工成一定的形狀和尺寸，研磨和拋光處理使樣品表面獲得較好的平整度。

1.5 低溫傅立葉紅外光譜儀（LT-FTIR）

1.5.1 檢測(cè)原理

在室溫下，上述電子或空穴受溫度的影響會(huì)自由運(yùn)動(dòng)，不會(huì)處于固定的能級(jí)帶上，所以就沒(méi)有固定不變的紅外吸收峰。只有在15 K這樣的低溫下，這些電子才會(huì)處于固定的能級(jí)帶上。由于低溫下雙聲子譜帶減弱，透射光增強(qiáng)，可以使更多信號(hào)到達(dá)檢測(cè)器，可以比室溫測(cè)更低的碳濃度。

1.5.2 樣品的前處理

區(qū)熔成單晶，加工成一定的形狀和尺寸，研磨和拋光處理使樣品表面有較好的平整度。

2 硅材料雜質(zhì)檢測(cè)方法性能比較

目前，國(guó)內(nèi)硅材料金屬元素檢測(cè)準(zhǔn)確穩(wěn)定，碳、氧、硼、磷的含量是生產(chǎn)和科研中重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。人們需要用傅立葉紅外進(jìn)行碳氧測(cè)試，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）測(cè)磷，用電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜（ICP-MS）測(cè)硼。此外，人們需要多種設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)周期長(zhǎng)，并且由于硼磷屬于痕量檢測(cè)，現(xiàn)行濕法消解制樣過(guò)程技術(shù)要求極高，人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，對(duì)操作人員要求高。硅材料雜質(zhì)檢測(cè)方法的性能比較如表1、表2所示。

表1 硅材料雜質(zhì)檢測(cè)方法性能比較一

3 結(jié)論

在硅材料檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)調(diào)研中，人們不僅要不斷完善國(guó)標(biāo)規(guī)定的檢測(cè)設(shè)備和方法，更要探索和建立最適合太陽(yáng)能級(jí)硅材料的快捷準(zhǔn)確的檢測(cè)設(shè)備和方法。筆者希望通過(guò)深入調(diào)研以便更好地為硅材料雜質(zhì)檢測(cè)提供相關(guān)依據(jù)。

表2 硅材料雜質(zhì)檢測(cè)方法性能比較二

1 楊德仁.半導(dǎo)體材料測(cè)試與分析[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

2 魏奎先，鄭達(dá)敏，馬文會(huì)，等.定向凝固技術(shù)在冶金法多晶硅制備過(guò)程中的應(yīng)用[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，34（12）：1358-1365.

3 楊旺火，李靈鋒，黃榮夫，等.太陽(yáng)能級(jí)晶體硅中雜質(zhì)的質(zhì)譜檢測(cè)方法[J].質(zhì)譜學(xué)報(bào)，2011，32（2）：121-128.

Comparison of Impurity Element Detection Techniques for Silicon Materials

An Xiaojun
(Ningxia New Energy Research Institute (Co., Ltd.), Yinchuan 750021, China)

Im The impurities in silicon materials directly affect the photoelectric conversion efficiency and lifetime of solar modules, with the rapid development of photovoltaic industry, more and more people need a kind of analysis method of low detection limit, can rapid detection of various elements. This paper analyzes the testing principle for detecting the common silicon impurity elements and the advantages and disadvantages, such as inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS), glow discharge mass spectrometry (GDMS), two secondary ion mass spectrometry (SIMS), infrared spectroscopy(FTIR) and low-temperature Fourier transform infrared spectroscopy (LT-FTIR), which is used to find fast and accurate testing equipment and methods suitable for solar grade silicon.

silicon material; detection; impurity elements

TN304.12

A

1008-9500(2017)09-0120-04

2017-08-12

安曉君（1977-），男，甘肅鎮(zhèn)原人，高級(jí)工程師，從事新能源光伏產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)研究工作。