硅材料雜質元素檢測技術比較

安曉君

（寧夏新能源研究院（有限公司），銀川 750021）

硅材料雜質元素檢測技術比較

安曉君

（寧夏新能源研究院（有限公司），銀川 750021）

硅材料中雜質直接影響太陽能組件的光電轉換效率和壽命，隨著光伏產業(yè)的快速發(fā)展，人們越來越需要一種檢測限低、能快速檢測多種元素的分析方法。本文比較分析了常見硅材料雜質元素檢測技術的測試原理和優(yōu)缺點，如電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）、輝光放電質譜（GDMS）、二次離子質譜（SIMS）、傅立葉紅外光譜儀（FTIR）和低溫傅立葉紅外光譜（LT-FTIR）等，尋求適合太陽能級硅材料的快捷而準確的檢測設備和方法。

硅材料；檢測；雜質元素

《GB/T25074-2010太陽能級多晶硅》和《GB/T25076-2010太陽能用單晶硅》要求，硅材料中碳氧要達到ppma級別，硼磷要達到ppba級別，所有金屬雜質總量≤0.2 ppma，由此可見，晶體雜質含量檢測對光伏材料發(fā)展極為重要[1]。本文比較分析了先進檢測技術在硅材料檢測中的應用，以期尋求一種檢測限低、能同時檢測多元素的快速分析方法。

1 硅材料雜質檢測設備簡介

1.1 電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）

1.1.1 檢測原理

將樣品溶液霧化送入ICP中心石英管內，在高溫和惰性氣氛中汽化，解離出離子化氣體，轉化成帶正電荷的離子，經濾質器質量分離后，到達離子探測器，根據探測器的計數(shù)與濃度的比例關系，可測出元素的含量。

1.1.2 樣品處理

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

1.2 輝光放電質譜儀（GDMS）

1.2.1 檢測原理

輝光放電質譜儀是將輝光放電離子源與高分辨率質譜結合。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樣品構成的陰極產生濺射，產生待測離子進行檢測。

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 二次離子質譜儀（SIMS）

1.3.1 檢測原理

一次離子轟擊固體材料，在穿透的過程中發(fā)生一系列碰撞或進入晶格，引起晶格畸變。濺射產生的帶電粒子經過靜電分析器、質譜計，按質荷比被分離，檢測器收集所需的粒子，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 檢測原理

半導體材料中的III-V族雜質在國際上被稱為淺能雜質，這些雜質的外層電子或空穴在半導體中的能量（能級）處于能帶能級的禁帶中，當受到外來能量激發(fā)時，如果這一外來能量正好合適，就會被這個雜質吸收，上述電子或空穴就會上升到導帶中（躍遷一個能級），這一剛好被吸收的能量正是紅外光。不同的淺能雜質因為能級差不同，所以吸收的紅外光波長有所差異，因此用紅外光譜儀就可以測量到淺能雜質的吸收光譜圖。

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 檢測原理

在室溫下，上述電子或空穴受溫度的影響會自由運動，不會處于固定的能級帶上，所以就沒有固定不變的紅外吸收峰。只有在15 K這樣的低溫下，這些電子才會處于固定的能級帶上。由于低溫下雙聲子譜帶減弱，透射光增強，可以使更多信號到達檢測器，可以比室溫測更低的碳濃度。

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 硅材料雜質檢測方法性能比較

目前，國內硅材料金屬元素檢測準確穩(wěn)定，碳、氧、硼、磷的含量是生產和科研中重點關注的對象。人們需要用傅立葉紅外進行碳氧測試，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）測磷，用電感耦合等離子體發(fā)射質譜（ICP-MS）測硼。此外，人們需要多種設備進行檢測，檢測周期長，并且由于硼磷屬于痕量檢測，現(xiàn)行濕法消解制樣過程技術要求極高，人為因素對檢測結果影響較大，對操作人員要求高。硅材料雜質檢測方法的性能比較如表1、表2所示。

表1 硅材料雜質檢測方法性能比較一

3 結論

在硅材料檢測設備和技術調研中，人們不僅要不斷完善國標規(guī)定的檢測設備和方法，更要探索和建立最適合太陽能級硅材料的快捷準確的檢測設備和方法。筆者希望通過深入調研以便更好地為硅材料雜質檢測提供相關依據。

表2 硅材料雜質檢測方法性能比較二

1 楊德仁.半導體材料測試與分析[M].北京：科學出版社，2010.

2 魏奎先，鄭達敏，馬文會，等.定向凝固技術在冶金法多晶硅制備過程中的應用[J].真空科學與技術學報，2014，34（12）：1358-1365.

3 楊旺火，李靈鋒，黃榮夫，等.太陽能級晶體硅中雜質的質譜檢測方法[J].質譜學報，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，高級工程師，從事新能源光伏產品檢測技術研究工作。