中子活化分析技術(shù)支持多晶硅生產(chǎn)
雖然用太陽(yáng)能電池對(duì)硅純度（五至九個(gè)9）的要求要低于半導(dǎo)體，但是太陽(yáng)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(cè)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(yáng)能電池的生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制質(zhì)量，人們開發(fā)出各種新的多晶硅生產(chǎn)技術(shù)。隨著越來越多的制造商進(jìn)入多晶硅高純度材料的生產(chǎn)領(lǐng)域，多晶硅的控制質(zhì)量日益重要。人們?cè)?960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(zhǔn)確的分析技術(shù)之一，滿足太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)對(duì)高純度硅微量元素分析的需求。隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，針對(duì)與高純度硅的INAA分析業(yè)務(wù)有關(guān)的需求，美國(guó)密蘇里大學(xué)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(jiǎn)要介紹了高純度硅的INAA分析技術(shù)。
INAA的優(yōu)點(diǎn)是不必溶解或者浸漬樣品，就能測(cè)量出質(zhì)量比較重的樣品（幾十克）并得出準(zhǔn)確的結(jié)果。另外，通過適當(dāng)?shù)谋砻婵涛g處理，它能夠保證INAA測(cè)量的微量元素肯定取自大塊樣品上，不會(huì)有任何來自生產(chǎn)廠或分析實(shí)驗(yàn)室的污染。在評(píng)估來自新的生產(chǎn)技術(shù)或新生產(chǎn)廠家的樣品時(shí)，這一點(diǎn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)常用的檢測(cè)方法，可以用來保證半導(dǎo)體硅和太陽(yáng)能級(jí)硅的純度。INAA是對(duì)這些表面分析技術(shù)的補(bǔ)充，這是因?yàn)樗诜治龃髩K硅樣品時(shí)具有與這些分析技術(shù)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(gè)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(guó)密蘇里大學(xué)原子能研究所
MURR的科學(xué)家在硅樣品微量元素INAA領(lǐng)域有三十多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。在Herrera等人的論文中可以找到有關(guān)我們的分析方法備忘錄的完整說明[4]圣潔風(fēng)淋室。
最常用的硅樣品是半導(dǎo)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(yīng)堆中接受輻射的位置，讓樣品在中子流中暴露54小時(shí)。經(jīng)過48小時(shí)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(duì)表面作輕度表面清洗的樣品進(jìn)行輕度刻蝕處理。當(dāng)委托人要求去掉整個(gè)樣品表面時(shí)，進(jìn)行苛性刻蝕處理。清洗/刻蝕之后，對(duì)樣品進(jìn)行干燥、稱重，然后放進(jìn)塑料容器中。在暗背景、高分辨率的伽瑪射線光譜儀上計(jì)數(shù)，每個(gè)樣品分別計(jì)數(shù)兩次。清洗/刻蝕后立即進(jìn)行第一次計(jì)數(shù)，為時(shí)30分鐘，這次計(jì)數(shù)是測(cè)量半衰期為12-48小時(shí)的放射性原子核。接下來，進(jìn)行第二次耗時(shí)6小時(shí)的計(jì)數(shù)，這必須在完成14天的最小衰變后進(jìn)行，測(cè)量壽命較長(zhǎng)的放射性原子核。INAA的靈敏度有助于測(cè)量高純度硅中的40種雜質(zhì)元素。INAA測(cè)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(cè)工具對(duì)元素進(jìn)行分析，當(dāng)時(shí)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(gè)時(shí)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(yīng)用廣泛的分析技術(shù)。由于大多數(shù)材料對(duì)探針（中子）和信號(hào)（伽馬射線）來說是透明的，以及分析有關(guān)的基質(zhì)效應(yīng)很少，因此可以簡(jiǎn)單地把測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。此外，這種分析不需要移動(dòng)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(shù)能夠分析大塊樣品，對(duì)于試劑及實(shí)驗(yàn)室污染的分析相對(duì)少很多。
雖然INAA中不太可能出現(xiàn)基質(zhì)效應(yīng)，但是還可能存在基質(zhì)的直接和間接干擾。當(dāng)多重核反應(yīng)產(chǎn)生放射性物質(zhì)或者對(duì)測(cè)量有用的伽瑪射線之時(shí)，就會(huì)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(cè)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(yīng)還會(huì)生成數(shù)量相當(dāng)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(jì)算在這個(gè)反應(yīng)中交替生成的28Al。當(dāng)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(shí)，就會(huì)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(cè)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(hào)，樣品中占優(yōu)勢(shì)的元素活化影響了有用的分析信號(hào)的信噪比，此時(shí)就會(huì)發(fā)生間接干擾。用INAA分析太陽(yáng)能級(jí)硅時(shí)，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(xì)說明[3]。
現(xiàn)在很多太陽(yáng)的產(chǎn)品推出，節(jié)約能源是件好事，減少環(huán)境的污染對(duì)人體也有好處。
物理學(xué)博士J.D. Robertson是Analytical Chemistry集團(tuán)的技術(shù)總監(jiān)、美國(guó)密蘇里大學(xué)原子能研究所（MURR）研究與教育副主任和密蘇里大學(xué)化學(xué)系教授。物理學(xué)博士M.D. Glascock是MURR調(diào)查研究專家，MURR的Archaeometry實(shí)驗(yàn)室主任。H. Newcomb是調(diào)查研究專家，MURR高純度材料分析項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。
表1. INAA測(cè)量高純度硅的極限。
大塊多晶硅超微量分析能夠滿足太陽(yáng)能電池市場(chǎng)對(duì)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(shù)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(dá)到表1所示的靈敏度。正是這個(gè)原因，它不能在需要這種技術(shù)的生產(chǎn)場(chǎng)所使用。分析樣品所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)是另一個(gè)缺點(diǎn)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是根據(jù)確定的連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間表進(jìn)行生產(chǎn)的，如果需要4-5個(gè)星期，它對(duì)生產(chǎn)會(huì)有一定的影響。當(dāng)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(yīng)縮短分析時(shí)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(dǎo)體器件具有良好的性能，必須監(jiān)測(cè)這些元素。
過去INAA在半導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)， www.or72.com
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