晶體Si片切割表面損傷及其對電學性能的影響

更新時間：2016-08-09

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摘要：對比觀察了不同工藝條件下金剛石線鋸和砂漿線鋸切割晶體Si片的表面微觀形貌；分析了其切割機理及去除模式；對比分析了三種不同化學方法鈍化Si片的效果和穩(wěn)定性；采用逐層腐蝕去除Si片的損傷層，使用碘酒對其進行化學鈍化，然后測試其少子壽命，分析Si片少子壽命隨去除深度的變化趨勢，根據(jù)Si片少子壽命達到zui大值時的腐蝕深度，測試確定Si片的損傷層厚度。經(jīng)實驗測得，砂漿線鋸切割Si片的損傷層厚度為10μm左右，金剛石線鋸切割Si片的損傷層厚度為6μm左右。結(jié)果表明，相比于砂漿線鋸切割Si片，金剛石線鋸切割Si片造成的表面損傷層更淺，表面的機械損傷也更小。

關(guān)鍵詞：硅片；切割；表面損傷；少子壽命；鈍化

0 引言

Si片表面和近表面特性對晶體硅太陽電池的性能有很大影響。太陽電池用Si片普遍采用砂漿線鋸切割技術(shù)切片。近年來Si片的切割設(shè)備與工藝技術(shù)不斷改進，各個廠家的Si 片表面機械損傷情況實際有很大差異，特別是近期固結(jié)金剛石磨料線鋸開始應用于Si片切割，其表面機械損傷情況更有本質(zhì)不同。因此，對切割Si片的機械損傷及其對電學性能影響的測定顯得極其重要。

　　研究和測量Si片的表面質(zhì)量和近表面損傷的方法有很多^［¹^］：張力誘導畸變測量法、X 射線雙晶衍射法、表面粗糙度測量法、光譜漫放射法、去極化紅外掃描法和激光聲波法等。還有一些間接表征Si片表面損傷的方法，例如通過表面光電壓法或微波光電導衰減法測定Si片的少子壽命等。微波光電導衰減法（μ-PCD）測試少子壽命具有無接觸、相對簡單、快捷準確等優(yōu)點，較其他測量損傷層深度的方法更加方便，適合生產(chǎn)上應用^［²^］。此方法測量損傷層的基礎(chǔ)是依靠于Si片的少子壽命與機械損傷引入的復合中心密度緊密相關(guān)。μ-PCD方法實測得到的少子壽命稱為有效少子壽命，它主要受兩個因素影響：體壽命和表面壽命。Si片較薄時，表面壽命遠遠小于體壽命，此時的有效壽命基本上等于表面壽命；在Si片厚度一定的情況下，如果表面復合速率很大，則在測試高體壽命樣品時，測試的壽命值與體壽命值就會偏差很大；而對于低體壽命的樣品，不會使少子壽命降低很多。因此，表面復合對有效少子壽命的影響是非常明顯的。

　　砂漿線鋸切割Si片的機械損傷，多數(shù)學者已經(jīng)進行了大量的研究，而金剛石線鋸切割Si片的近表面損傷，學者們對此研究較少。本文采用逐層腐蝕的方法去除Si片的近表面損傷層，并結(jié)合微波光電導衰減法測量其少子壽命，然后根據(jù)少子壽命的變化趨勢，對砂漿線鋸和金剛石線鋸切割Si片的損傷層進行測定，對比分析其切割損傷的深度及其原因機理。

1 實驗方法

　　實驗中所選用的材料為直拉法制備的電子級單晶硅棒，尺寸為Ø42mm；線鋸切割而成的太陽能級Si片，厚度為200μm左右。采用金剛石線鋸對單晶Si棒進行切割加工，去除頭尾較差的Si料，垂直于單晶Si棒軸線方向進行切片，切得Si片的厚度為1.50mm左右。如圖1 （a）所示為國外某廠生產(chǎn)，直徑為300μm，其表層鑲嵌尺寸為Ø25～40μm的金剛石顆粒，分布很稀疏; 如圖1（b）所示金剛石線鋸為國內(nèi)某廠生產(chǎn)，直徑為270μm，表面鑲嵌較密集的金剛石顆粒，顆粒大小為Ø20～35μm，切割實驗在沈陽科晶601A 型往復式單線切割機上進行，線張力為30N，切割線速度為2m/s，進給速度為6μm/s，采用水作為切削液。切割后的Si片在無水乙醇中超聲波清洗10min，超純水清洗數(shù)次，質(zhì)量濃度為18%的HCl溶液中清洗5min，然后在超純水中超聲波清洗10min，超純水沖洗數(shù)次，冷風吹干備用。

采用氫氟酸和硝酸混合溶液對砂漿線鋸切割的多晶Si片進行化學拋光數(shù)分鐘，然后浸入重鉻酸鉀、氫氟酸和冰乙酸的混合溶液中進行位錯腐蝕。所使用的化學拋光液配比為：V（HF）∶V（HNO₃）=1∶3；位錯腐蝕液配比為：V（K₂Cr2O₇溶液）（0.15mol/L）：V（HF）（49%）：V（冰乙酸）=25∶50∶1。

　　用質(zhì)量濃度20%的NaOH水溶液，在水浴溫度85 ℃的百分比環(huán)境下對砂漿線鋸和金剛石線鋸切割的單晶Si片進行逐層腐蝕，每次腐蝕數(shù)秒后，用靈敏度為0.1mg的高精度電子天平稱重，采用稱重法測算硅片被腐蝕的深度。Si片經(jīng)NaOH溶液腐蝕后，超純水清洗數(shù)次；放入體積百分比18%的HCl溶液中清洗5min，以去除腐蝕引入的金屬雜質(zhì)；超純水沖洗數(shù)次，冷風吹干，稱重。

　　為了降低和消除表面復合對Si片有效少子壽命的影響，需要對Si片表面進行鈍化，降低其表面復合速率。表面鈍化降低Si片的表面活性，使表面的復合速度降低，其主要方式就是飽和表面的懸掛鍵，降低表面活性，增加表面的清潔程序，避免由于雜質(zhì)在表面層的引入或吸附而形成復合中心，以此來降低少數(shù)載流子的表面復合速度。使用質(zhì)量濃度2.51%的碘酒^［³^］對其進行化學鈍化，裝袋密封，立即測量鈍化后Si片的少子壽命。少子壽

命測量在Semilab公司WT-2000P少子壽命測量儀上進行，采用904nm的激光注入（對于晶體硅，注入深度大約為30μm）。用FEI-QUATA-200F型掃描電子顯微鏡（SEM）和KEYENCE VHX-100型高景深三維顯微鏡觀察分析金剛石線鋸和Si片的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

　　圖2 為不同切割工藝所得Si片的表面微觀形貌?？梢?，Si片表面多以破碎斷裂凹坑和規(guī)則平滑的劃痕為主，不同切割工藝下的Si片形貌又有所不同。常規(guī)砂漿線鋸切割的Si片，整體上比較均勻平整，可見大小不一的脆性破碎凹坑和孔洞（如圖2（a）與（b））。常規(guī)工藝下，金剛石線鋸切割的Si片表面以規(guī)則平滑的深淺切痕為主，間或較尖銳的破碎凹坑（如圖2（c）與（d））。在本實驗工藝下，金剛石線鋸切割的線速度較低，造成Si片的表面多以脆性破碎斷裂的深凹坑和較平滑的斷續(xù)劃痕為主（如圖2（e），（f），（g），（h））。對比圖2（e）和（f）和圖2（g）和（h），可見在相同的切割設(shè)備工藝下，不同的金剛石線鋸切割Si片的表面微觀形貌也有一定的差異。

3 結(jié)論

　　對比分析了砂漿線鋸和金剛石線鋸切割Si片的表面形貌，兩者有較大的差異。砂漿線鋸切割Si片表面多以脆性破碎凹坑和孔洞為主，呈現(xiàn)出脆性切割模式；金剛石線鋸切割Si 片表面以規(guī)則平滑的劃痕為主，間或破碎凹坑，呈現(xiàn)出塑性和脆性的混合切割模式。

　　逐層腐蝕去除Si片的損傷層，碘酒鈍化，測試其少子壽命，當少子壽命達到峰值時的腐蝕深度，即為Si片損傷層的厚度。實驗測得常規(guī)工藝條件下砂漿線鋸切割Si片的損傷層厚度為10μm左右，金剛石線鋸切割Si片的損傷層厚度約為6μm。由此可見，相比于砂漿線鋸，常規(guī)工藝下金剛石線鋸切割Si片的近表面損傷更淺。

摘抄自蔡二輝，湯斌兵，周劍，辛超，周浪所著《晶體Si片切割表面損傷及其對電學性能的影響》

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