太陽能級晶體硅中雜質的質譜檢測技術探究

摘 要：影響太陽能電池發電的一個重要的因素就是太陽能級晶體硅的雜質種類以及質量，所以，檢測太陽能級晶體硅中雜質就成為關鍵的一個環節。伴隨著當今社會光伏產業的快速發展，雜質檢測技術也不斷地進行升級改造。文章主要詳細介紹了電感耦合等離子體質譜法、二次離子質譜（SIMS）法、輝光放電質譜（GDMS）法、激光電離質譜（LIMS）法并詳細探討這四種質譜法的應用原理以及特點，從而為檢測太陽級晶體硅中雜質提供借鑒。

關鍵詞：太陽能級晶體硅；雜質檢測；質譜檢測

1 四種質譜法的詳細介紹

1.1 電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜法興起于20世紀80年代，是一種分析測試無機元素和同位素的技術，它是一種高靈敏度的分析技術，既具備電感耦合等離子體的高溫電離特性的優點，也具備質譜計的靈敏快速掃描的優點。主要用在同時測定多種元素，也可以和聯用其他色譜分離技術，分析元素價態。

電感耦合等離子體質譜法過程是：由載氣將樣品引入霧化系統進行霧化，形成氣溶膠的形式，并進入等離子中心區，利用高溫和惰性氣氛進行電離、被去溶劑化和氣化解離，形成帶正電的正離子，經過離子采集系統進入質譜儀，并根據質荷比進行分離，從而根據元素質譜峰的強度來測定相應元素的含量。在對元素用質譜法進行分析時，要注意其相當高的靈敏度，所以，質譜法對儀器的要求是非常高的，一般情況下，儀器主要包括四極桿質量的分析器、檢測器、離子透鏡系統、電感耦合等離子體離子源、接口、樣品引入系統等，支持系統主要是指冷卻系統、氣體控制系統、真空系統、計算機控制及數據處理系統。在這里，主要介紹一下樣品引入系統。樣品引入系統主要分為液體進樣、固體進樣和氣體進樣，而通常采用的就是氣體進樣。系統主要分為提升和物化兩個環節。在提升環節，主要使用蠕動泵或者自提升霧化器。使用蠕動泵必須要注意樣品溶液能夠勻速的進入，廢液也能夠順利地排除，這就需要蠕動泵能夠有穩定的轉速和彈性良好的泵管。

1.2 二次離子質譜（SIMS）法

二次離子質譜（SIMS）法是一種有著較高靈敏度的獨具特色的分析手段，在微電子技術、納米技術、生命科學技術以及化學技術方面有著廣泛的應用。主要原理是利用一束離子轟擊樣品的表面，再用質譜儀分析樣品表面的原子濺射出來的成為帶電離子的荷質比，這樣就可以知道比較靈敏的表面成分，這一高端的表面分析技術能夠鑒定出有機成分的分子結構。

在1981年，為了能夠讓這一技術的靈敏度有所提高，chait和standing將二次離子質譜技術引入了飛行時間裝置。而且，降低脈沖的重復頻率不僅可以擴展質量范圍，而且還可以減低本底干擾和提高分辨率，所以，這項技術成為質譜儀的研究熱點。雖然，二次離子質譜技術有著許多的優點，比如，在超高真空下進行測試，樣品表層的真實信息能夠很好的保留下來，而且，可以檢測同位素，這就便于對同位素進行分析或了解。但是，這項技術也存在很大的局限，比如，包含太過豐富的信息，尤其在低分辨率時分析復雜成分就更加困難。還有，一次離子對樣品也會造成一定量的損失，尤其動態的二次離子質譜。在分析絕緣樣品時必須經過特殊的處理才能使用也給研究帶來一些困難。

1.3 輝光放電質譜（GDMS）法

輝光放電質譜（GDMS）法是一種針對固體樣品做出分析的一項技術，在半導體、導體、金屬、氣體、深度等材料的雜質分析方面有著廣泛的應用。由于離子源裝置的改進和制樣方法的改進，輝光放電質譜（GDMS）法也能用于氧化粉末、太陽能級晶體硅的雜質的測量。輝光放電質譜（GDMS）法是一種直接有效的分析固體材料的方法，輝光放電離子源是在上千伏的電壓下，利用低壓惰性氣體電離出電子，然后形成正離子之后就會加快速度到陰極表面，從而由此而產生的陰極原子在撞擊待測樣品構成的陰極之后產生濺射，最后在等離子體中通過彭寧碰撞和電子轟擊產生可以進入質樸檢測的待測離子。輝光放電質譜（GDMS）法中的輝光放電是低壓放電的一種。樣品原子會和放電之后產生大量的亞穩態惰性氣體原子或是離子相碰撞，這樣就使樣品能夠高度濺射和中離。輝光放電質譜（GDMS）法具有固體進樣、分析速度快，樣品準備過程簡單，線性范圍寬，基體效應小的優點。選擇輝光放電質譜（GDMS）法必須選擇合適的放電條件，才能夠在樣品表面形成平底坑，能夠深度分析，其分辨率可以滿足微米量級的層狀樣品。在市場中輝光放電質譜（GDMS）法主要使用直流放電源，但是必須使用混合法或者是第二陰極法才能夠對非導電材料進行測量，這些缺陷導致輝光放電質譜（GDMS）法不能夠廣泛應用在非半導體材料中。但是，如果在精確度不高的情況下，輝光放電質譜（GDMS）法還是具備一定的應用價值，尤其在固體樣品同位素的測量方面。

1.4 激光電離質譜（LIMS）法

激光電離質譜（LIMS）法的檢測原理主要是激光器發射一束激光束，聚焦到樣品的表面，樣品的表面被一下子加熱，溶化并氣化成原子的形態，形成很高的能量密度，產生高溫等離子體。樣品成為原子態后，原子最外邊的電子就會將與原子電離后的能量吸收，從而擺托原子核的束縛，發生離子化，整個過程完成的十分迅速。樣品產生離子后，與輔助氣體相互碰撞，當能量冷卻后，去除高價離子之后進入質譜質量分析器進行分析檢測，根據質荷比，對樣品進行定性分析，根據質譜峰的強度，完成對樣品的定量分析。

激光電離質譜（LIMS）法的優點主要包括以下幾點，首先，激光電離質譜（LIMS）法簡單快速，不用對樣品進行特殊的處理，不用破壞樣品，不用提前處理尺寸和形狀，這樣就大大減少了分析的時間。其次，當激光束照射在樣品表面的時候，樣品的大部分元素都被電離，所以，就算元素不同，靈敏度也是相對比較統一的。這樣，就便于得到樣品中各個元素的組成，而不用標準樣品。最后，由于激光電離質譜（LIMS）法離子化需要較高的溫度，所以分餾效應會大大的降低，這樣提高了分析的準確性，因為樣品中的離子就和濺射電離產生的離子相匹配。而且，激光電離質譜（LIMS）法分析速度快，分析的過程中由于不需要使用大量的高純度氣體而使得分析的費用大大地降低，但這個需要結合飛行時間質量檢測器。但是，激光電離質譜（LIMS）法也存在一些缺點，最大的問題就是技術尚在研究階段，無法商業化，所以沒有儀器提供，因為有些元素的檢測限還沒有達到一些太陽能級晶體硅的純度要求，無法使用飛行時間質量檢測器。另外，使用ns級的激光器必須需要標準樣品，才能準確定量。激光電離質譜（LIMS）法要想使分流效應大大減少，必須使用飛秒級的激光器。這樣在空間的分辨率和檢測限以及分析速度方面都會大大的提高。

2 結束語

質譜法是目前具有較強發展前景的一類方法，其最大的優勢是具有全元素分析能力，同時具備超低檢出限和強抗干擾能力等優點，其成本過高是當前需要重點解決的問題之一，也是限制其廣泛應用的主要原因。但是，在國內外，在太陽能級晶體硅中雜質檢測中，質譜檢測技術是比較看好的一類方法。

參考文獻

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