中子活化分析技術支持多晶硅生產(chǎn)
雖然用太陽能電池對硅純度（五至九個9）的要求要低于半導體，但是太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率主要取決于硅原材料中所含的雜質(zhì)程度。測量多晶硅原材料中所含雜質(zhì)元素的濃度和硅片的處理非常重要www.shengjie-jh，為了降低太陽能電池的生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)過程中嚴格控制質(zhì)量，人們開發(fā)出各種新的多晶硅生產(chǎn)技術。隨著越來越多的制造商進入多晶硅高純度材料的生產(chǎn)領域，多晶硅的控制質(zhì)量日益重要。人們在1960年就開始用中子活化儀（INAA）分析鉭元素[2]。INAA從此成為最靈敏和最準確的分析技術之一，滿足太陽能產(chǎn)業(yè)對高純度硅微量元素分析的需求。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，針對與高純度硅的INAA分析業(yè)務有關的需求，美國密蘇里大學原子能研究所（MURR）接到的比過去三年的總和提高了兩倍。本文簡要介紹了高純度硅的INAA分析技術。
INAA的優(yōu)點是不必溶解或者浸漬樣品，就能測量出質(zhì)量比較重的樣品（幾十克）并得出準確的結果。另外，通過適當?shù)谋砻婵涛g處理，它能夠保證INAA測量的微量元素肯定取自大塊樣品上，不會有任何來自生產(chǎn)廠或分析實驗室的污染。在評估來自新的生產(chǎn)技術或新生產(chǎn)廠家的樣品時，這一點非常重要。全反射X射線熒光分析、次生粒子質(zhì)譜儀、氣相分解電感耦合等離子質(zhì)譜儀是半導體產(chǎn)業(yè)常用的檢測方法，可以用來保證半導體硅和太陽能級硅的純度。INAA是對這些表面分析技術的補充，這是因為它在分析大塊硅樣品時具有與這些分析技術相同的靈敏度。用INAA檢查硅中由硅烷和冶金過程產(chǎn)生的雜質(zhì)就是一個例子，詳情可以在Holt等人最近發(fā)表的論文中找到[5]。
圖1. 中子俘獲的INAA分析示意圖
J.D. Robertson、M.D. Glascock和H. Newcomb, 美國密蘇里大學原子能研究所
MURR的科學家在硅樣品微量元素INAA領域有三十多年的從業(yè)經(jīng)驗。在Herrera等人的論文中可以找到有關我們的分析方法備忘錄的完整說明[4]圣潔風淋室。
最常用的硅樣品是半導體硅拋光晶片、硅錠、多晶硅塊和多晶硅珠。樣品的質(zhì)量一般在10-80g之間，分別裝在石墨容器中（圖2）。這些容器綁成一束，放在反應堆中接受輻射的位置，讓樣品在中子流中暴露54小時。經(jīng)過48小時半衰期之后，在超聲波槽中用去離子水清洗樣品，或者用輕度刻蝕或苛性刻蝕工藝處理。根據(jù)委托人的要求，對表面作輕度表面清洗的樣品進行輕度刻蝕處理。當委托人要求去掉整個樣品表面時，進行苛性刻蝕處理。清洗/刻蝕之后，對樣品進行干燥、稱重，然后放進塑料容器中。在暗背景、高分辨率的伽瑪射線光譜儀上計數(shù)，每個樣品分別計數(shù)兩次。清洗/刻蝕后立即進行第一次計數(shù)，為時30分鐘，這次計數(shù)是測量半衰期為12-48小時的放射性原子核。接下來，進行第二次耗時6小時的計數(shù)，這必須在完成14天的最小衰變后進行，測量壽命較長的放射性原子核。INAA的靈敏度有助于測量高純度硅中的40種雜質(zhì)元素。INAA測量這40種元素的靈敏度詳見表1。
1936年，Von Hevesy和Levi首次提出了用中子作為分析探測工具對元素進行分析，當時主要是用這種方法來分析地質(zhì)材料中的微量稀土元素。從那個時候開始，因其固有的靈敏性、選擇性和精確性，INAA成為一種多用途、應用廣泛的分析技術。由于大多數(shù)材料對探針（中子）和信號（伽馬射線）來說是透明的，以及分析有關的基質(zhì)效應很少，因此可以簡單地把測量結果標準化。此外，這種分析不需要移動樣品，即使有這類需求，也不是很多；因此，這種高靈敏度的分析技術能夠分析大塊樣品，對于試劑及實驗室污染的分析相對少很多。
雖然INAA中不太可能出現(xiàn)基質(zhì)效應，但是還可能存在基質(zhì)的直接和間接干擾。當多重核反應產(chǎn)生放射性物質(zhì)或者對測量有用的伽瑪射線之時，就會發(fā)生基質(zhì)的直接干擾。例如，27Al俘獲熱中子后生成28Al，往往是通過測量28Al來確定樣品中的微量鋁的數(shù)量。但是，在多晶硅中，27Al吸收高能中子的吸收反應還會生成數(shù)量相當多的28Al，接著這些28Al輻射質(zhì)子生成28Si。要想確定高硅基質(zhì)中鋁的數(shù)量，我們必須計算在這個反應中交替生成的28Al。當半衰期不一樣的兩種不同的同位素輻射的伽馬射線能量一樣時，就會發(fā)生直接干擾。根據(jù)這兩種同位素半衰期的不同，和/或根據(jù)監(jiān)測從這兩種同位素輻射出來的多重伽瑪光譜射線譜，很容易解釋這種特殊干擾。通過改變伽馬射線譜的干擾信號，樣品中占優(yōu)勢的元素活化影響了有用的分析信號的信噪比，此時就會發(fā)生間接干擾。用INAA分析太陽能級硅時，如何解決基質(zhì)的直接和間接影響，Revel等人在論文中作了詳細說明[3]。
現(xiàn)在很多太陽的產(chǎn)品推出，節(jié)約能源是件好事，減少環(huán)境的污染對人體也有好處。
物理學博士J.D. Robertson是Analytical Chemistry集團的技術總監(jiān)、美國密蘇里大學原子能研究所（MURR）研究與教育副主任和密蘇里大學化學系教授。物理學博士M.D. Glascock是MURR調(diào)查研究專家，MURR的Archaeometry實驗室主任。H. Newcomb是調(diào)查研究專家，MURR高純度材料分析項目的負責人。
表1. INAA測量高純度硅的極限。
大塊多晶硅超微量分析能夠滿足太陽能電池市場對高純度硅的生產(chǎn)需要。
圖2. 被輻射的硅樣品。
和所有的分析技術一樣，INAA也有不足。首先，它需要能夠產(chǎn)生高中子流量的中子源，這樣才能達到表1所示的靈敏度。正是這個原因，它不能在需要這種技術的生產(chǎn)場所使用。分析樣品所需要的時間比較長是另一個缺點。半導體產(chǎn)業(yè)是根據(jù)確定的連續(xù)生產(chǎn)時間表進行生產(chǎn)的，如果需要4-5個星期，它對生產(chǎn)會有一定的影響。當然如果只需要分析半衰期較短的幾種元素的信息，可以相應縮短分析時間。再者，它不能分析一些原子量小的元素，特別是B、C、O的信息；而要想保證半導體器件具有良好的性能，必須監(jiān)測這些元素。
過去INAA在半導體產(chǎn)業(yè)分析大塊樣品方面取得了很大的成功，這充分證明隨著多晶硅需求的越來越高，INAA分析法在確保半導體硅產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量控制方面，它的重要性也將越來越顯著。 特別注意：本站所有轉(zhuǎn)載文章言論不代表本站觀點， fangkuaizi.com.cn
|
