引用本文:胡芳菲，刘丽媛，刘红，等. 我国单晶硅产品中元素含量分析测试进展[J]. 化学试剂，2024，46(11)：10-16.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2024.0278
背景介绍
提高能源效率、推广清洁能源已成为实现我国“双碳”战略目标的有效措施。相较于煤、石油、天然气等传统能源而言，太阳能是一种重要的可再生清洁能源。而晶硅太阳能电池是目前发展最好的光伏电池产业，单晶硅作为太阳能电池和电子集成电路的主要材料，占据了光伏市场的80%以上。单晶硅的质量决定着太阳能电池的效率，直接制约下游终端领域的发展。准确测定单晶硅中的痕量元素含量有助于推动光伏等相关产业的发展。
文章亮点
1.综述了我国单晶硅产品标准中对元素种类和含量限值的要求；
2.综述了单晶硅中痕量元素的主要测试方法和优缺点；
3.展望了单晶硅中元素含量检测的发展方向。
内容介绍
我国“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式，提高能源效率、推广清洁能源成为实现“双碳”目标的有效措施。相比较煤、石油、天然气等传统能源而言，太阳能是一种重要的可再生清洁能源，近几十年来太阳能光伏产业发展迅速。晶硅太阳能电池是发展最好的光伏电池产业，单晶硅作为太阳能电池和电子集成电路的主要材料，占据了光伏市场的80 %以上[1]。单晶硅材料一直都是光伏及半导体行业的研究热点[2]，主要用于制作半导体元件。
我国产品标准对单晶硅中杂质元素种类及含量有各自的规定[11-17]，如表1所示。杂质元素主要有4类，第1类是气体元素，如碳和氧等；第2类是表面金属杂质，如钠、铝、钾、钙等；第3类是体金属（铁）；第4类是硼、磷、砷、锑等单晶硅必需的杂质元素。
1 分析方法
表面金属含量是衡量单晶硅片表面质量的重要指标，单晶硅表面金属含量的测定方法有全反射X射线荧光光谱法（TXRF）[30,31]、ICP-MS法[32-35]、SIMS法[36-38]等。
TXRF对于轻质量元素如Na、Al、K没有足够低的下限，TXRF和SIMS技术因为其测量单点的面积有限，不能准确判定整个硅片表面的金属含量，并且设备价格高。ICP-MS法可以测定整个硅片表面的金属含量，且可以做到与SIMS相当的检出限，但对实验室环境要求较高、分析速度较慢。
1.3 体金属（铁）含量的测定
单晶硅中体金属含量的测试方法通常有ICP-MS法[39,40]、中子活化法（NAA）[41-43]、GDMS法[44]以及表面光电压法（SPV）[45-47]等。
1.4 硼、磷、砷、锑含量的测定
单晶硅中硼、磷、砷、锑含量测定的标准分析方法及文献报道的方法主要有SIMS法[48-54]、光致发光法[55-57]、XRF法[58-61]、分光光度法[62,63]、NAA法[64-66]、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）[67,68]及ICP-MS法[69,70]。
XRF和分光光度法检出限较高，为0.00X %；ICP-AES和ICP-MS法检出限为（0.0X ~ X）μg/g；中子活化方法和SIMS的检出限为（0.X ~ X）ng/g；光致发光的检出限可以达到0.X pg/g。XRF法和NAA法是无损的检测方法，对于整块晶圆的检测具有一定的优势。
2 结论与展望
单晶硅中痕量元素的检测方法有各自的优缺点，实际应用较多的有FT-IR法以及ICP-MS法、GDMS法和SIMS法等质谱检测方法，检出限能够满足我国单晶硅相关产品标准对元素含量的要求。材料的发展对单晶硅中痕量元素含量的检测要求也越来越高，单晶硅中气体元素含量的测试越来越受到重视，目前主要用SIMS和FT-IR法测定单晶硅中气体元素含量。近些年来，液氮冷却的低流速GDMS也尝试用于单晶硅中气体元素的检测，GDMS检测技术的成功开发，将大大降低单晶硅生产企业的检测成本。但是由于成分均匀的固体标准物质和标准样品的缺乏，限制了GDMS的应用和发展。未来，单晶硅中元素含量的检测发展方向主要集中在以下几个方面：第一，提高灵敏度、降低背景（特别是气体元素）以获得更低的检出限；第二，提高前处理及测试的自动化程度，减少人为因素的干扰，同时也提高检测效率；第三，随着材料研发技术的进步，痕量元素分析用固体标准物质和标准样品的成功研制，将提高分析测试的准确度和方法间的可比性，助力分析检测技术的完善。能更好地满足我国单晶硅及其他材料的分析检测需求。
