R. S. Hockett, Karol Putyera and Larry Wang, 埃文思分析集團, Sunnyvale, CA
lwang@eaglabs.com

發表于SHINE（《光能》雜志）2009年6月刊

引言

本文是有關評估用于制造晶體或微晶硅太陽能電池的固態硅材料的分析技術的綜述。一個技術領域的任何綜述性文章，由于作者的經驗和專業水平的原因，會側重于某些主題。我們盡可能描述詳細。在埃文思分析集團（EAG，以前稱為Charles Evans & Associates），我們作為商業服務實驗室在儀器分析方面有多年的經驗。這些經驗側重于用于工業領域的測試方法和技術，而較少側重于那些無商業目的的創新性分析學（比如大學或研究機構所涉及的）。
在致力于特定的分析技術之前，了解用于商業材料領域的一種分析技術只是評估硅原料問題的一個部分很重要。典型的取樣（cf. ASTM Practice E 122, ANSI/ASQC Z1.4-1993）和硅原料的工藝穩定性也是問題的一部分，是驗證測量能力（SEMI E89）的一個過程、全部測量的統計工藝控制，成本效應也很關鍵（SEMI M56-0307）。這些問題都不簡單。
最后的告誡－在光伏產業中由什么來定義光伏硅原料（或太陽能級硅），沒有明確的定義，并且各種分析技術可能合適，也可能不合適，這依賴于我們怎樣來定義。太陽能級硅的“級”只是寬泛的限制。光伏硅工業，正如它如今所代表的，是一個非常新的工業領域。正因如此，有很多未知的因素，一些人可能會稱之為混沌。但是它正生產用于世界范圍的產品。這就是我們作為分析人員現在必須要做的。

評判原材料的因素是什么？
在我們的認知中答案是一致的－雜質，是雜質元素，而不是化合物或各種化學態形式的雜質。這是因為太陽能級硅原料在通過高溫工藝（1420oC固態硅熔融）轉換為多晶硅或多晶硅時，將失去原始材料中的化學鍵信息。

某種程度上，評判原材料的這些特定的雜質元素取決于太陽能硅片和電池片的設計和制造過程。然而，這些雜質總是包含如下幾種：摻雜物（主要是硼和磷）、氣體元素（主要是氧和碳）、和過渡金屬（尤其是鐵）。除了這些常規雜質，雜質還可能包含周期表里幾乎所有元素（冶金級硅進一步提純用作太陽能級硅原料可能引入其它非常規的雜質）。

分析技術綜述
原料分析技術包括樣品制備，而不單單是指分析本身。原因在于樣品制備過程可能會改變我們關注的雜質的濃度，或者會產生對分析有影響或無影響的化學態。舉個例子來說，取硅料將其生長為可以用于測量電阻率、少子壽命或傅立葉紅外（FTIR）的多晶硅塊。生長多晶硅塊的過程可能引入氧、碳、氮和鐵等雜質，甚至鋁等摻雜元素。或者工藝過程中可能會形成一種氧的混合的復雜的化學態，這可能會影響傅立葉紅外的測量，或者與氧有關的熱施主雜質會影響電阻率。包括樣品制備在內的“分析”必須以一種可以嚴格控制和識別這些因素而不會得出錯誤數據的方法。因此，我們會將樣品制備作為分析技術的一部分來闡述。

首先想到的測量原材料最簡單的方法是將硅料轉換為可以測試電阻率、少子壽命和FTIR的形式。如果這種新形式是FZ法生長的單晶硅（FZ, SEMI MF1723-1104, SEMI MF1708-1104）生長的單晶硅，經過熱施主湮沒處理后，從硅錠上切出2毫米厚的小塊，這時電阻率的測量可以得出純載流子濃度、少子壽命可以得出雜質的間接測量結果，FTIR可以得出間隙氧和替位碳的濃度，低溫FTIR和PL可以得出B、P、Al的濃度，但是我們必須考慮到貫穿區熔硅錠的雜質分凝系數（SEMI MF 1723-1104）。這種分析方法在上世紀80年代用來分析西門子法多晶硅很普遍，現在可能仍然很普遍。樣品制備過程可以在很潔凈的環境下進行，氧和碳趨向于形成對FTIR敏感的化學態。對于高純的西門子法多晶硅這很有效。必須注意的是高純西門子法多晶硅摻雜和金屬的濃度非常低。低溫FTIR（SEMI MF1630）對電活性雜質的測量上限是5 ppba，發光光譜（PL） (SEMI MF1398) 同樣有上限。這些濃度上限的要求限制了這些技術在高純光伏硅中的應用。如果存在不同摻雜的相互補償，那么電阻率本身也不能準確提供摻雜濃度的信息。

我們可以通過上面類似的方法用CZ法制備樣品，但是坩鍋中氧會被引入，低溫FTIR和PL也有如上所述同樣的局限性。
我們可以遵循一種類似的樣品制備方法，像直接凝固這樣的多晶生長工藝。這種情況下，可能引入氧、碳、 氮和鐵，氧和碳可能形成沉淀物而不能用FTIR去測量。如果存在多種主要摻雜元素，電阻率將不能給出正確的摻雜濃度。如果我們知道雜質的分凝系數，并且沿多晶硅錠的生長軸作為位置函數來測量電阻率，原理上可以確定摻雜濃度。這需要我們確切地知道作為生長速率函數的分凝系數，并且要排除所有來自熱施主的影響，多晶硅本身影響電阻率的因素同樣需要排除。

少子壽命測量提供了一種沾污的間接測量方法，至少是對那些會造成少子強散射的元素，除了可以用SPV法識別硼摻雜硅中的鐵之外，不可能識別其它特定金屬和他們的濃度。盡管