硅材料杂质元素检测技术比较

安晓君

（宁夏新能源研究院（有限公司），银川 750021）

硅材料杂质元素检测技术比较

安晓君

（宁夏新能源研究院（有限公司），银川 750021）

硅材料中杂质直接影响太阳能组件的光电转换效率和寿命，随着光伏产业的快速发展，人们越来越需要一种检测限低、能快速检测多种元素的分析方法。本文比较分析了常见硅材料杂质元素检测技术的测试原理和优缺点，如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、辉光放电质谱（GDMS）、二次离子质谱（SIMS）、傅立叶红外光谱仪（FTIR）和低温傅立叶红外光谱（LT-FTIR）等，寻求适合太阳能级硅材料的快捷而准确的检测设备和方法。

硅材料；检测；杂质元素

《GB/T25074-2010太阳能级多晶硅》和《GB/T25076-2010太阳能用单晶硅》要求，硅材料中碳氧要达到ppma级别，硼磷要达到ppba级别，所有金属杂质总量≤0.2 ppma，由此可见，晶体杂质含量检测对光伏材料发展极为重要[1]。本文比较分析了先进检测技术在硅材料检测中的应用，以期寻求一种检测限低、能同时检测多元素的快速分析方法。

1 硅材料杂质检测设备简介

1.1 电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）

1.1.1 检测原理

将样品溶液雾化送入ICP中心石英管内，在高温和惰性气氛中汽化，解离出离子化气体，转化成带正电荷的离子，经滤质器质量分离后，到达离子探测器，根据探测器的计数与浓度的比例关系，可测出元素的含量。

1.1.2 样品处理

使用湿法ICP-MS检测最为复杂的就是样品在洁净室中的前处理。湿法消解晶体硅时，首先要把晶体硅块状样品研磨成粉末状。放在PTFE消解罐中进行消解，粉末越细，消解的效率就越高，同时需要用高纯度的HF和HNO3按一定比例分步加入进行消解，以防止反应过分激烈而带来样品的损失。由于样品处理采用的是基体硅与HF反应生成SiF4在加热过程中挥发的方法，受挥发温度的影响，晶体硅中痕量杂质元素（如As、P、B等）难以测定[2]。

1.2 辉光放电质谱仪（GDMS）

1.2.1 检测原理

辉光放电质谱仪是将辉光放电离子源与高分辨率质谱结合。辉光放电直接利用低压惰性气体电离出电子，加速正离子到撞击由待测样品构成的阴极产生溅射，产生待测离子进行检测。

1.2.2 样品的前处理

样品要加工成表面光滑致密的形状尺寸。

1.3 二次离子质谱仪（SIMS）

1.3.1 检测原理

一次离子轰击固体材料，在穿透的过程中发生一系列碰撞或进入晶格，引起晶格畸变。溅射产生的带电粒子经过静电分析器、质谱计，按质荷比被分离，检测器收集所需的粒子，从而获得样品表面和本体的元素组成和分布信息[3]。

1.3.2 样品处理

研磨和抛光处理使样品表面获得较好的平整度。

1.4 傅立叶红外光谱仪（FTIR）

1.4.1 检测原理

半导体材料中的III-V族杂质在国际上被称为浅能杂质，这些杂质的外层电子或空穴在半导体中的能量（能级）处于能带能级的禁带中，当受到外来能量激发时，如果这一外来能量正好合适，就会被这个杂质吸收，上述电子或空穴就会上升到导带中（跃迁一个能级），这一刚好被吸收的能量正是红外光。不同的浅能杂质因为能级差不同，所以吸收的红外光波长有所差异，因此用红外光谱仪就可以测量到浅能杂质的吸收光谱图。

1.4.2 样品的前处理

加工成一定的形状和尺寸，研磨和抛光处理使样品表面获得较好的平整度。

1.5 低温傅立叶红外光谱仪（LT-FTIR）

1.5.1 检测原理

在室温下，上述电子或空穴受温度的影响会自由运动，不会处于固定的能级带上，所以就没有固定不变的红外吸收峰。只有在15 K这样的低温下，这些电子才会处于固定的能级带上。由于低温下双声子谱带减弱，透射光增强，可以使更多信号到达检测器，可以比室温测更低的碳浓度。

1.5.2 样品的前处理

区熔成单晶，加工成一定的形状和尺寸，研磨和抛光处理使样品表面有较好的平整度。

2 硅材料杂质检测方法性能比较

目前，国内硅材料金属元素检测准确稳定，碳、氧、硼、磷的含量是生产和科研中重点关注的对象。人们需要用傅立叶红外进行碳氧测试，用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测磷，用电感耦合等离子体发射质谱（ICP-MS）测硼。此外，人们需要多种设备进行检测，检测周期长，并且由于硼磷属于痕量检测，现行湿法消解制样过程技术要求极高，人为因素对检测结果影响较大，对操作人员要求高。硅材料杂质检测方法的性能比较如表1、表2所示。

表1 硅材料杂质检测方法性能比较一

3 结论

在硅材料检测设备和技术调研中，人们不仅要不断完善国标规定的检测设备和方法，更要探索和建立最适合太阳能级硅材料的快捷准确的检测设备和方法。笔者希望通过深入调研以便更好地为硅材料杂质检测提供相关依据。

表2 硅材料杂质检测方法性能比较二

1 杨德仁.半导体材料测试与分析[M].北京：科学出版社，2010.

2 魏奎先，郑达敏，马文会，等.定向凝固技术在冶金法多晶硅制备过程中的应用[J].真空科学与技术学报，2014，34（12）：1358-1365.

3 杨旺火，李灵锋，黄荣夫，等.太阳能级晶体硅中杂质的质谱检测方法[J].质谱学报，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

安晓君（1977-），男，甘肃镇原人，高级工程师，从事新能源光伏产品检测技术研究工作。