材料是社會進(jìn)步的重要物質(zhì)條件，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近年來已成為材料產(chǎn)業(yè)中備受矚目的焦點(diǎn)。從沙子到晶片直至元器件的制造和創(chuàng)新，都需要應(yīng)用不同的表征與檢測方法去了解其特殊的物理化學(xué)性能，從而為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。儀器信息網(wǎng)策劃了“半導(dǎo)體檢測”專題，特別邀請到布魯克光譜中國區(qū)總經(jīng)理趙躍就此專題發(fā)表看法。

布魯克光譜中國區(qū)總經(jīng)理 趙躍

趙躍先生擁有超過20年科學(xué)分析儀器領(lǐng)域豐富的從業(yè)經(jīng)歷，先后服務(wù)于四家跨國企業(yè)，對于科學(xué)分析儀器以及材料研發(fā)行業(yè)具有深刻理解，促進(jìn)了快速引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)服務(wù)于中國的科研創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。

2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上，明確提出中國力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)?！半p碳”目標(biāo)的直接指向是改變能源結(jié)構(gòu)，即從主要依靠化石能源的能源體系，向零碳的風(fēng)力、光伏和水電轉(zhuǎn)換。加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展光伏等新能源是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的必然選擇。目前，光伏產(chǎn)業(yè)已成為我國少有的形成國際競爭優(yōu)勢、并有望率先成為高質(zhì)量發(fā)展典范的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是推動我國能源變革的重要引擎。

太陽能光伏是通過光生伏特效應(yīng)直接利用太陽能的綠色能源技術(shù)。2021年，全球晶硅光伏電池產(chǎn)能達(dá)到423.5GW，同比增長69.8%；總產(chǎn)量達(dá)到223.9GW，同比增長37%。中國大陸電池產(chǎn)能繼續(xù)領(lǐng)跑全球，達(dá)到360.6GW，占全球產(chǎn)能的85.1%；總產(chǎn)量達(dá)到197.9GW，占全球總產(chǎn)量的88.4%。

截止到2021年底，我國光伏裝機(jī)量為3.1億千瓦時(shí)。據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織預(yù)測，到2030、2050、2060年我國光伏裝機(jī)量將分別達(dá)到10、32.7、35.51億千瓦時(shí)，到2060年光伏的裝機(jī)量將是今天的10倍以上。從發(fā)電量來看，雖然其發(fā)電容量仍只占人類用電總量的很小一部分，不過，從2004年開始，接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電量以年均60%的速度增長，是當(dāng)前發(fā)展速度最快的能源。2021年我國光伏發(fā)電量3259億千瓦時(shí)，同比增長25.1％，全年光伏發(fā)電量占總發(fā)電量比重達(dá)4％。預(yù)計(jì)到2030年，我國火力發(fā)電將從目前的49%下降至28%，光伏發(fā)電將上升至27%。預(yù)計(jì)2030年之后，光伏將超越火電成為所有能源發(fā)電中最重要的能源，

光伏新能源作為一種可持續(xù)能源替代方式，經(jīng)過幾十年發(fā)展已經(jīng)形成相對成熟且有競爭力的產(chǎn)業(yè)鏈。在整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈中，上游以晶體硅原料的采集和硅棒、硅錠、硅片的加工制作為主；產(chǎn)業(yè)鏈中游是光伏電池和光伏組件的制作，包括電池片、封裝EVA膠膜、玻璃、背板、接線盒、逆變器、太陽能邊框及其組合而成的太陽能電池組件、安裝系統(tǒng)支架；產(chǎn)業(yè)鏈下游則是光伏電站系統(tǒng)的集成和運(yùn)營。

硅料是光伏行業(yè)中最上游的產(chǎn)業(yè)，是光伏電池組件所使用硅片的原材料，其市場占有率在90%以上，而且在今后相當(dāng)長一段時(shí)期也依然是光伏電池的主流材料。在2011年以前，多晶硅料制備技術(shù)一直掌握在美、德、日、韓等國外廠商手中，國內(nèi)企業(yè)主要依賴進(jìn)口。近幾年隨著國內(nèi)多晶硅料廠商在技術(shù)及工藝上取得突破，國外廠商對多晶硅料的壟斷局面被打破。我國多晶硅料生產(chǎn)能力不斷提高，綜合能耗不斷下降，生產(chǎn)管理和成本控制已達(dá)全球領(lǐng)先水平。2021年，全球多晶硅總產(chǎn)量64.2萬噸，其中中國多晶硅產(chǎn)量50.5萬噸，約占全球總產(chǎn)品的79%。全球前十硅料生產(chǎn)企業(yè)中中國有7家，世界多晶硅料生產(chǎn)中心已移至中國，我國多晶硅料自給率大幅提升。與此同時(shí)，在多晶硅直接下游硅片生產(chǎn)中，因單晶硅片純度更高，轉(zhuǎn)化效率更高， 消費(fèi)占比也不斷走高，至 2020 年，單晶硅片占比已達(dá) 90%的水平。

用于光伏生產(chǎn)的太陽能級多晶硅料一般純度在6N～9N之間。無論對于上游的硅料生產(chǎn)，還是單晶硅片、多晶硅片生產(chǎn)，硅中氧含量、碳含量、III族、V族施主、受主元素含量、氮含量測量是硅材料界非常重要的課題，直接影響硅片電學(xué)性能。故準(zhǔn)確測試上游硅料、單晶硅片中相應(yīng)雜質(zhì)元素含量顯得尤為必要、重要。在過去的十幾年中，ASTM International（前身為美國材料與試驗(yàn)協(xié)會）已經(jīng)對上述雜質(zhì)元素的定量分析方法提出了國際普遍通行的標(biāo)準(zhǔn)，其中，分子振動光譜學(xué)方法因其相對低廉的設(shè)備成本、快速、無損、高靈敏度的測試過程，以及較低的檢測下限，倍受業(yè)內(nèi)從事品質(zhì)控制的機(jī)構(gòu)和組織的青睞。值得一提的是，我國也在近幾年陸續(xù)制定和出臺了多個(gè)以分子振動光譜學(xué)為品控方法的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) （見附錄）。這標(biāo)志著我國硅料生產(chǎn)與品控規(guī)范進(jìn)入了更成熟、更完善、更科學(xué)、更自主的新階段。

德國布魯克集團(tuán)，作為分子振動光譜儀器領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，幾十年來堅(jiān)持為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究提供先進(jìn)方法學(xué)的助力。由布魯克光譜（Bruker Optics）研發(fā)制造的CryoSAS全自動、高靈敏度低溫硅分析系統(tǒng)，基于傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，專為工業(yè)環(huán)境使用而設(shè)計(jì)。順應(yīng)ASTM及我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的測試要求，此系統(tǒng)可以室溫和低溫下（＜15K）工作，通過測試中/遠(yuǎn)紅外波段（1250-250cm-1）硅單晶紅外吸收光譜（此波段紅外吸光光譜涵蓋了硅晶體中間隙氧，代位碳，III-V族施主、受主元素以及氮氧復(fù)合體吸收譜帶。），可以直接或間接計(jì)算出相應(yīng)雜質(zhì)元素含量值。檢測下限可低至ppta(施主，受主雜質(zhì))和ppba量級(代位碳，間隙氧)，很好地滿足了上游硅料品控的要求，為中游光伏電池和光伏組件的制作打下了扎實(shí)的原料品質(zhì)基礎(chǔ)。隨著硅晶原料產(chǎn)能的逐年提高，布魯克公司的 CryoSAS儀器作為光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的重要品控工具之一，已在全球硅料制造業(yè)中達(dá)到了極高的保有量。

隨著需求的提升，電子級硅的生產(chǎn)需求也在持續(xù)增加。布魯克公司紅外光譜技術(shù)也有成熟的方案和設(shè)備，目前國內(nèi)已有多個(gè)用戶采用并取得了良好的效果。

低溫下(~12 K)，硅中碳測試結(jié)果（上圖），硅中硼、磷測試結(jié)果（下圖）

附錄：

產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)：

《GB/T 25074 太陽能級多晶硅》

《GB/T 25076 太陽能電池用硅單晶》

測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)：

《GB/T 1557 硅晶體中間隙氧含量的紅外吸收測量方法》

《GB/T 1558 硅中代位碳原子含量紅外吸收測量方法》

《GB/T 35306 硅單晶中碳、氧含量的測定 低溫傅立葉變換紅外光譜法》

《GB/T 24581 硅單晶中III、V族雜質(zhì)含量的測定 低溫傅立葉變換紅外光譜法》