一种精炼冶金硅的杂质含量检测分析方法技术

本发明专利技术公开了一种精炼冶金硅的杂质含量检测方法，包括如下步骤：（１）在所需检测的晶棒或晶锭上沿结晶方向选取测量点，测定电阻率，获得电阻率随结晶分数分布的实测值；（２）给出每个测量点的硼和磷含量的预估值，算出预估净余载流子浓度，以及该点的实测净余载流子浓度；（３）比较各个测量点的净余载流子浓度实测值和预估值，调整硅材料中的杂质含量预估值，获得新的每个测量点预估净余载流子浓度，通过回归分析法确定硼和磷的杂质含量分布情况；（４）根据各个测量点的杂质分布情况，得出待测材料中的硼和磷的平均杂质含量。本发明专利技术能够准确地测出精炼冶金硅中硼和磷的杂质含量，且操作简便，成本低廉，适于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硅材料中杂质量的检测分析方法，具体涉及一种精炼冶金 硅的杂质含量检测方法。
技术介绍
随着对能源和环境污染问题的认识，对太阳能的利用开始从研究阶段进入 工业化利用阶段。其中，太阳能光电技术受到普遍重视，硅太阳能电池开始被 广泛使用。常规的硅电池片是在P型硅半导体衬底上制成的，这种P型晶片是在超 纯硅材料(优于8N)中掺微量硼(0.02 0.25ppmw),使其长晶后电阻率控制 在0.5 5Q.cm范围内。这样制作的晶片纯度高，其它杂质元素含量可以忽略 不计。但是采用超纯硅材料制作硅电池片，材料价格非常昂贵，这是影响太阳 能电池普及应用的一大问题。精炼冶金硅是一种廉价的新型硅太阳能电池材料，其纯度比常规太阳能级 硅材料低2 3个N，也就是说只有5 6N。精炼冶金硅不仅杂质硼含量高达 1 2ppmw，而且杂质磷的含量也较多，通常在3 12ppmw。硼是P型杂质， 磷是N型杂质，所以精炼冶金硅属于杂质补偿型材料。在对精炼冶金硅材料 进行提纯时，通常采用定向结晶的方法，由于硼的分凝系数约为0.8，硼杂质 在整个材料中分布较均匀；但磷在硅中的分凝系数较小，约为0.33，使得精炼 冶金硅中磷杂质含量极不均匀，其杂质磷的含量从晶体的头到尾呈指数型增 长。用于检测杂质含量的常规测量分析方法包括辉光放电质谱法(GDMS)和等 离子体质谱法(ICP-MS)，当应用于上述精炼冶金硅的杂质含量检测时，这两 种方法都存在下列缺陷(l)由于每次只能对约lg左右的样品进行测量分析， 而精炼冶金硅的杂质含量比范围较大，因而无法给出大批材料(如240kg—炉 的浇铸晶锭)的准确杂质平均含量；(2)这两种常规方法设备昂贵、制样过程复杂，采用多点采样检测的成本过高，不适用于实际生产。这使得使用精炼冶金硅材料来浇铸太阳能电池用晶锭时的掺杂及电阻无 法准确控制，从而导致成品率极低。因而，如果能提供一种用于可以准确测定大量精炼冶金硅材料中的杂质含 量的检测分析方法，将有利于制备太阳能电池时的掺杂量的确定，从而控制电 阻率，提高成品率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，以简便且 准确地分析出大量精炼冶金硅中的磷硼杂质含量平均值。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种精炼冶金硅的杂质含量 检测分析方法，包括如下步骤(1) 在所需检测的晶棒或晶锭上沿结晶方向选取测量点，晶棒上相邻测量点 间距不大于2cm,晶锭上相邻测量点间距不大于lcm，从晶棒或晶锭起始点至每一测量点的重量与晶棒或晶锭投料量的比值称为结晶分数，测定每个测量点处材料的电阻率，获得电阻率随结晶分数分布的实测值；(2) 根据初始硅材料中的杂质含量预估值及杂质的分凝系数，得出每个测量 点的硼和磷含量的预估值，并计算出预估净余载流子浓度；又根据每个测量点 的实测电阻率，再计算该点的实测净余载流子浓度；(3) 比较各个测量点的净余载流子浓度实测值和预估值，根据指数分凝规律 及每个点的结晶分数，再调整硅材料中的杂质含量预估值，获得新的每个测量 点预估净余载流子浓度，反复上述过程，通过回归分析法确定硼和磷的杂质含 量分布情况，使各个测量点的净余载流子浓度实测值和预估值差值平方平均值 小于0.01;(4) 根据各个测量点的杂质分布情况，得出待测材料中的硼和磷的平均杂质 含量。上述技术方案中，所述晶棒由单晶炉拉制，所述晶锭由浇铸炉浇铸而成。 上述技术方案的总体构思是利用硅在定向结晶过程中由于磷、硼不同的 分凝系数引起的杂质及电阻率沿结晶方向的分布规律，通过测量电阻率分布，利用计算机模拟预估值与实测值的比较分析而推算出待测材料的平均磷、硼杂 质含量。精炼冶金硅在定向结晶的过程中，硼、磷及电阻率会沿结晶方向按指数型 分布，每个测量点的值，可由以下公式给出 CB(F)=SB CB0(1-F)a(Sb-1) (1) CP(F)=SP Cpo(1-F)a(Sp-1) (2) Ncc=(CB-CP)X5X1017/cm3 (3) P = Ncc q卩 (4)其中，F为结晶分数，即测量点在整个硅料上的重量比，或者说，从晶棒 (锭)起始点至每一测量点的晶棒(锭)重量与晶棒(锭)投料量的比值，其 数值在0 1之间；Cb(F)和Cp(F)分别为在结晶分数为F的测量点处硼和磷的 杂质含量预估值；Cbo和Cpo分别为待测材料(投料)硼和磷的杂质平均含量 预估值；Sb和Sp分别为硼和磷在硅中的杂质分凝系数，分别为0.8和0.33;Ncc是净余载流子密度；P是沿结晶方向分布的电阻率；q是载流子的电量； P是载流子的迁移率。首先，测量定向结晶棒的沿结晶方向分布的各个测量点的电阻率P和结晶 分数F，获得电阻率的实测值相对结晶分数的分布数据；为便于运算，可以根 据公式(4)算出实测的Ncc关于F的分布数据；其次，根据材料的初始杂质含 量，根据公式(l)、 (2)得出各测量点的杂质含量预估值Cb(F)、 Cp(F)，再根据 公式(3)获得预估的Ncc关于F的分布数据N，cc。最后，把Ncc和N，cc进行比较，把两者差值的平方数厶x作为考察的对 象，即△x=(Ncc-N'cc)2 (5)由于存在多个测量点，上述公式可以获得一组数据，通过计算机程序多次 调整Cb。和Cpg直到厶x在整个拟合曲线上的分布足够小，此时的Cb。和Cpo 即是投料精炼冶金硅的平均硼磷含量。测量点的个数及分布情况，对于拟合的精确度会有影响，这种影响是本领 域技术人员所公知的，因而，本领域技术人员可以根据净余载流子密度分布曲 线的曲率情况，确定应当选择的测量点个数及各段的分布密度。由于上述技术方案的应用，本专利技术与现有技术相比，具有下列优点a)本专利技术创造性地采用了通过测量电祖率分布曲线拟合实现磷、硼杂质含量的测定，特别适合于在定向结晶后杂质含量分布不均匀的场合应用，能够准 确地测出大量精炼冶金硅中硼和磷的杂质含量平均值；据此可以准确地对浇铸 锭的掺杂、晶锭电阻分布及晶锭的有效材料利用率进行控制，大大提高制备的 太阳能电池的性能，有效利用材料，降低成本；(2)本专利技术只需测定各测量点的电阻率即可实现杂质含量检测，因而操作简 便，成本低廉，适于工业化应用。具体实施方式 下面结合实施例对本专利技术作进一步描述 实施例一在60Cz单晶炉中，装入35kg精练冶金硅，采用直拉单晶硅的方法提拉获 得精炼冶金硅晶棒，同时进行磷硼杂质含量模拟分析。在晶棒上沿结晶方向选取56个测量点，每个测量点的结晶分数F参见表 l所示，测定每个测量点的电阻率P ，根据下列公式(4)算出各点的Ncc,得到 一组Ncc的分布数据；其次，根据公式(l)、 (2)以及结晶分数F算出CB、 Cp失 于F的函数，即Cb(F)和Cp(F)，利用公式(3)得到一组预估值N，cc的分布数据。采用的公式如下CB(F)=SB CB0(1-F)A(SB-1) (1) CP(F)=SP Cpo(1-F)a(Sp-1) (2) Ncc=(CB-CP)X5X1017/cm3 (3) P = Ncc q ii (4)其中，F为结晶分数，即测量点在整个硅料上的重量比，或者说，从晶棒 (锭)起始点至每一测量点的晶棒(锭)重量与晶棒(锭)投料量的比值，其 数值在0 1之间；Cb(F)和Cp(F本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精炼冶金硅的杂质含量检测分析方法，其特征在于，包括如下步骤：（１）在所需检测的晶棒或晶锭上沿结晶方向选取测量点，晶棒上相邻测量点间距不大于２ｃｍ，晶锭上相邻测量点间距不大于１ｃｍ，从晶棒或晶锭起始点至每一测量点的重量与晶棒或晶锭投料量的比值称为结晶分数，测定每个测量点处材料的电阻率，获得电阻率随结晶分数分布的实测值；（２）根据初始硅材料中的杂质含量预估值及杂质的分凝系数，得出每个测量点的硼和磷含量的预估值，并计算出预估净余载流子浓度；又根据每个测量点的实测电阻率，再计算该点的实测净余载流子浓度；（３）比较各个测量点的净余载流子浓度实测值和预估值，根据指数分凝规律及每个点的结晶分数，再调整硅材料中的杂质含量预估值，获得新的每个测量点预估净余载流子浓度，反复上述过程，通过回归分析法确定硼和磷的杂质含量分布情况，使各个测量点的净余载流子浓度实测值和预估值差值平方平均值小于０．０１。（４）根据各个测量点的杂质分布情况，得出待测材料中的硼和磷的平均杂质含量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈根茂，彭江，
申请(专利权)人：苏州阿特斯阳光电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]