太阳能级晶体硅中杂质的质谱检测方法.docx

太阳能级晶体硅中杂质的质谱检测方法 当今社会光伏产业的迅猛发展，推进了晶体硅检测技术的更新和发展。太阳能级品体硅中的杂质元素主要有硼、磷、神、碳等非金属杂质和铁、铝、铜、竦、钛等金属杂质，这些杂质主要是由材料工艺特点和影响材料最终性能两方面因素综合确定的含量较高的元素。随着光伏产业的快速发展，硅中各种杂质的检测方法不断的更新和发展，质谱法作为一种现代分析技术手段，以具备多元素检测能力、谱图简单、灵敏度高、分析快速和检测限低等特点而受到晶体硅行业的重视。本文介绍了4种可用于太阳能级晶体硅杂质检测的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法、辉光放电质谱(GDMS)法、二次离子质谱(SIMS)法和激光电离质谱(LIMS)法。 1电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法1.1检测原理 电感耦合等离子体质谱法有湿法消解进样和激光溅射进样2种进样方式。湿法消解进样是把固体样品通过强酸或强碱溶液处理后采取溶液进样；而激光溅射法是采用一束经过聚焦的激光照射在固体样品表面上，使样品表层原子化和少量离子化而进样。湿法消解后的溶液经过雾化器雾化和激光溅射后，产生的样品颗粒被流动的载气(Ar)送到ICP中心石英管内，在高温(ICP焰炬电离区形成等离子体的温度7000?8000K)和惰性气氛中被去溶剂化、汽化解离和电离，转化成带正电荷的离子，经过离子采集系统和离子透镜系统进入质谱仪，根据元素质谱峰强度测定样品中相应元素的含量。 1.2样品处理 湿法消解晶体硅时，首先要把晶体硅块状样品捣碎研磨成粉末状，放在PTFE消解罐中进行消解，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。激光溅射(LA)进样只要求很少的样品处理：1)硅锭切成符合激光溅射池尺寸的平整圆片；2)去除切割过程留在样品表面的油污；3)进行预溅射，去除表面污染。LA固体进样提高了样品处理的效率，节省了大量的人力、财力和物力。样品处理后，将其导入ICP-MS进行测试。 3检测的特点和存在的问题 太阳能级品体硅中杂质的含量非常低，一些主要的杂质元素含量都在10-6g/g以下，且杂质元素分布不均，需要进行微区分析。用湿法ICP-MS检测的优点是检出限低，可达至Jpg/g；而用LA-ICP-MS法检测可以对样品进行微区分析，得到样品的空间信息，但最低检测限为10-6g/g，达不到要求。 ICP-MS法仍存在较多的问题。首先，如果使用湿法检测，样品前处理可能带来污染并消耗大量的时间；而用激光进样则存在元素分馏效应问题，从而导致检测到的信息与样品信息不一致。再者，无论是消解进样还是激光进样，最终都是在ICP焰炬中电离的，ICP温度虽高，但对于硅中杂质（如P、S、Cl、I等）的第一电离能较高元素的电离效应都很低，难以检测，各元素的相对灵敏度因子也存在差异，另外，F元素也因第一电离能比Ar高而无法检测。用ICP-MS法检测品体硅中杂质元素的另一重要特点是同量异位素和多原子离子干扰。 2辉光放电质谱（GDMS）法2.1检测原理 辉光放电质谱法是一种直接有效的分析固体导电材料痕量和超痕量元素的方法。辉光放电离子源是直接利用低压（10?150Pa）惰性气体（氩气或氦气）在上千伏电压下电离出电子，形成正离子后被加速到阴极表面，撞击由待测样品构成的阴极产生溅射，溅射出的阴极原子在等离子体中通过电子轰击和彭宁碰撞电离产生待测离子，进而引入质谱进行检测。 2.2样品的前处理 辉光放电质谱仪可以直接对晶体硅固体进行检测，在一定程度上减轻了样品处理的工作量，也避免了样品处理可能带来的污染和空间信息的丢失。然而GDMS法检测品体硅也并非不需要样品前处理，它要求样品必须致密，且加工成一定的形状和尺寸以适合分析要求，但当分析片状样品时则要求其中一个表面必须光滑以获得稳定的放电，这往往是比较难处理的，尤其是处理那些形状不规则的样品更是困难，往往要耗费大量时间在样品的处理上。而当分析条状样品时则无此要求。 3检测特点和存在的问题 GDMS法是目前被认为唯一具有足够灵敏度对太阳能级品体硅材料中的多种杂质（可达73种）进行直接分析的方法。GDMS用于品体硅检测具有以下优点：1）样品消耗量小，对样品的破坏性较小；2）具有很高的深度分辨率（约10nm），可对样品进行深度剖析；3）多元素检测能力可检测晶体硅中73种杂质元素；4）基体效应较小；5）使用高分辨的双聚焦扇形场电磁质量检测器检测限低（10-6?10-9g/g）。 虽然GDMS被认为是检测太阳能晶体硅的最有效方法之一，但还存在一些不足：1）微区分辨率严重不足，最小分辨率只能达到1mm，因此无法进行微区分析；2）由于扇形场电磁检测器按原子质量顺序检测的本性使得其在快速分析时受到限制，每个样品检测时间较长；3）使用相对灵敏度因数（RSF）进行定量