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技術文章

晶體Si片切割表面損傷及其對電學性能的影響

蔡二輝,湯斌兵,周劍,辛超,周浪

(南昌大學太陽能光伏學院)

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Si片少子壽命達到*大值時的腐蝕深度,測試確定Si片的損傷層厚度。經實驗測得,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切片。近年來Si片的切割設備與工藝技術不斷改進,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、快捷準確等優點,較其他測量損傷層深度的方法更加方便,適合生產上應用2。此方法測量損傷層的基礎是依靠于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。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,多數學者已經進行了大量的研究,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,并結合微波光電導衰減法測量其少子壽命,然后根據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?42mm;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,直徑為300μm,其表層鑲嵌尺寸為?25~40μm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某廠生產,直徑為270μm,表面鑲嵌較密集的金剛石顆粒,顆粒大小為?20~35μm,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,超純水清洗數次,質量濃度為18%的HCl溶液中清洗5min,然后在超純水中超聲波清洗10min,超純水沖洗數次,冷風吹干備用。

(a)國外某廠生產的金剛石線鋸

(b)國內某廠生產的金剛石線鋸

圖1兩種不同金剛石線鋸的SEM微觀形

       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。

       用質量濃度20%的NaOH水溶液,在水浴溫度85 ℃的百分比環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NaOH溶液腐蝕后,超純水清洗數次;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;超純水沖洗數次,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,避免由于雜質在表面層的引入或吸附而形成復合中心,以此來降低少數載流子的表面復合速度。使用質量濃度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 結果與討論

       圖2 為不同切割工藝所得Si片的表面微觀形貌。可見,Si片表面多以破碎斷裂凹坑和規則平滑的劃痕為主,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))。常規工藝下,金剛石線鋸切割的Si片表面以規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。



(a)砂漿線鋸切割Si片的低倍形貌
(b)砂漿線鋸切割Si片的高倍形貌


(c)常規工藝金剛石線鋸切割Si片的低倍形貌
(d)常規工藝金剛石線鋸切割Si片的高倍形貌


(e)本實驗工藝金剛石線鋸a切割Si片的低倍形貌
(f)本實驗工藝金剛石線鋸a切割Si片的高倍形貌


(g)本實驗工藝金剛石線鋸b切割Si片的低倍形貌
(h)本實驗工藝金剛石線鋸b切割Si片的高倍形貌

圖2 Si片的SEM微觀形貌

       砂漿線鋸切割晶體Si等脆性材料的物理基礎為滾動-壓痕模型4,尖銳的SiC顆粒在鋼線的壓力作用下在晶體硅上擠壓研磨,產生很大的局部壓力進行切割,切片的表面形貌特征與研磨得到的形貌相似。而金剛石線鋸切割晶體硅的機制與此不同,在正壓力較小時為塑性刻劃,在正壓力較大時則包含脆性破碎。切割過程中,線鋸正下方對Si材料的壓力較大,金剛石顆粒以脆性模式進行多顆粒反復刻劃;而與此同時,線鋸側面金剛石顆粒難免會對已切割暴露出的Si表面進行蹭磨刻劃,但以小得多的側壓力進行,因此產生塑性模式刻劃,形成較光滑平直的特征切割紋;*終在Si片表面呈現脆性與塑性的混合切割模式5

       切割過程對晶體表層內部造成的切割損傷主要體現為位錯密度的增高。對晶體硅而言,現有成熟的腐蝕法來顯示其位錯。但是現有各種腐蝕方法都依賴于拋光和腐蝕兩個需要去除表面層的過程,需要去除到15μm以上深度。即便如此,依然可以在此深度以上發現位錯密度在靠近表面處明顯高于內部,如圖3(a)與3(b)分別為Si片經拋光腐蝕去除19和54μm厚度后,腐蝕顯示位錯坑的形貌。可見,拋光腐蝕去除19μm的Si片的位錯密度明顯高于經腐蝕去除54μm的Si片。可以推知,在更靠近表面層,晶體內部由切割損傷造成的位錯密度將更高。

(a)拋光腐蝕19μm

(b)拋光腐蝕54μm

圖3 Si片經拋光腐蝕后的位錯顯微鏡照片

        一般而言,切割在Si片表層引入的損傷從表面開始大體上可分為三個區域:非晶多晶嵌鑲區、微裂紋和嚴重畸變區及彈性畸變區4。晶體畸變,微裂紋和位錯缺陷等對Si片的電學性能有很大的影響,缺陷和表面態很容易成為載流子的復合中心,降低Si片的少子壽命,并*終造成電池效率的降低6。因此,測定Si片的有效少子壽命能夠有效地檢測Si片表層機械損傷狀況。而對太陽電池Si片而言,這將直接表征影響電池性能的表面損傷情況。

       為了真實反應Si 片包括其表層的少子壽命,必須盡可能排除表面復合的影響,為此需對Si片進行表面鈍化處理7。為了掌握表面鈍化的效果,采用三種不同的化學鈍化方法進行了實驗,分別是5%的HF水溶液,腐蝕2min;超純水,80 ℃水浴加熱2h;以及封裝于質量濃度2.51%的碘酒中實測。采用在本實驗工藝條件下切割的電子級單晶硅片,雙面分別腐蝕去除40μm左右,以完全去除表面機械損傷層。未鈍化時,測得Si片的少子壽命為36.08μs。圖4 給出了經這三種方法鈍化后測得硅片少子壽命隨時間的變化曲線。很明顯,碘酒的鈍化效果*好,盡管隨時間有一定下降,但在可掌握的范圍內。綜合考慮,選擇質量濃度2.51%的碘酒對Si片進行鈍化。

圖4 鈍化后Si片少子壽命的衰減

       選取同一批次常規工藝條件下的砂漿線鋸和金剛石線鋸切割的Si片各三片,進行逐層腐蝕,碘酒鈍化,測試少子壽命,實驗結果如圖5。觀察分析可見,Si片經逐層腐蝕鈍化后,少子壽命逐漸變大,達到峰值后,又開始降低。



(a)砂漿線鋸切割


(b)金剛石線鋸切割

圖5 不同條件下切割Si片的少子壽命與腐蝕深度的關系(測定前經碘酒鈍化處理)

       分析圖5,原始Si片的少子壽命都為3μs左右(未去除損傷層),比較低,主要是由于近表面層晶體畸變,微裂紋,位錯密度高和表面態密度高,有較多的活性懸掛鍵,使得表面復合速率很大等原因造成的。此時,碘酒僅能鈍化Si 片的表面態,鈍化的效果不明顯。當Si片被腐蝕去除2μm時,少子壽命值未見明顯的增加,可見近表面損傷對Si片少子壽命的影響依然很大。當腐蝕深度達到4μm左右時,Si片的少子壽命值急劇增大,因為近表面損傷層大部分已被腐蝕去除,微裂紋,晶體畸變缺陷大大減少。

       繼續腐蝕Si片,其少子壽命緩慢增加并達到峰值。由此可以判定Si片的損傷層已基本被腐蝕去除,腐蝕深度即是Si片的損傷層厚度。此時,Si片的近表面層已基本不存在大量的微裂紋和碎晶區,并且位錯缺陷等晶格畸變較少,表面態得到了很好的鈍化,測得Si片的少子壽命即為Si片的真實壽命。如圖5(a)所示,砂漿線鋸切割Si片的少子壽命,在腐蝕深度達到10μm左右達到峰值;而常規工藝下金剛石線鋸切割Si片的少子壽命,在腐蝕深度達到峰值約為6μm,如圖5(b)。后期繼續腐蝕,Si片的少子壽命有一定幅度的降低,這可能跟Si片厚度的減薄,多次腐蝕受到金屬污染以及腐蝕造成輕微的表面損傷有關。相對于砂漿線鋸,金剛石線鋸切割Si片少子壽命的峰值較小,這主要跟Si片的材質有關,而這兩種試樣材料來源不同,與表面的切割損傷關系不大。

       測試結果表明,砂漿線鋸切割Si片的損傷層厚度為10μm左右;常規工藝條件下金剛石線鋸切割Si片的損傷層厚度約為6μm。可見,相比于砂漿線鋸,常規工藝下金剛石線鋸切割Si片的近表面損傷更淺,這可能跟兩種切割工藝的切割模式不同有關。

3 結論

       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,呈現出脆性切割模式;金剛石線鋸切割Si 片表面以規則平滑的劃痕為主,間或破碎凹坑,呈現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,常規工藝下金剛石線鋸切割Si片的近表面損傷更淺。

參考文獻:

【1】HAAPALINNA A,NEVAS S,P?HLER D.Rotational grinding of silicon wafers sub-surface damage inspection[J].Materials Science and Engineering,2004,107(3);321-331.

【2】宮昌萌,倪志春,趙建華,等.太陽能電池損傷層厚度和少子壽命測量方法及裝置:中國,101592469A[P].2009-12-02.

【3】STEPHENS A W,GREEN M A.Effectiveness of 0. 08molar iodine in ethanol solution as a means of chemicalsurface passivation for photo conductance decaymeasurements[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,1997,45(3):255-265.

【4】M LLERSH J.Basic mechanisms and models of multiwire sawing[J].Advanced Engineering Materials,2006,6(7):501-513.

【5】BATISTA J,MANDELIS A,SHAUGHNESSY D,et al.Deep subsurface electronic defect image contrast and resolution amplification in Si wafers using infrared photo carrier radiometry [J].Applied Physics Letters,2004,85(10):1713-1715.

【6】ABERLEA G.Overview on SiN surface passivation of crystalline silicon solar cells [J].Solar Energy Materialand Solar Cells,2001,65(1-4):239-248.

【7】ANGERMANN H.Characterization of wet-chemically treated silicon interfaces by surface photo voltage measurements[J].Analytic-Al and Bioanalytical Chemistry,2002,374(4):676-680.


   
       

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