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晶体Si片切割表面损伤及其对电学性能的影响
更新时间:2016-08-09   点击次数:2614次

摘要:对比观察了不同工艺条件下金刚石线锯和砂浆线锯切割晶体Si片的表面微观形貌;分析了其切割机理及去除模式;对比分析了三种不同化学方法钝化Si片的效果和稳定性;采用逐层腐蚀去除Si片的损伤层,使用碘酒对其进行化学钝化,然后测试其少子寿命,分析Si片少子寿命随去除深度的变化趋势,根据Si片少子寿命达到zui大值时的腐蚀深度,测试确定Si片的损伤层厚度。经实验测得,砂浆线锯切割Si片的损伤层厚度为10μm左右,金刚石线锯切割Si片的损伤层厚度为6μm左右。结果表明,相比于砂浆线锯切割Si片,金刚石线锯切割Si片造成的表面损伤层更浅,表面的机械损伤也更小。

关键词:硅片;切割;表面损伤;少子寿命;钝化

0 引言

      Si片表面和近表面特性对晶体硅太阳电池的性能有很大影响。太阳电池用Si片普遍采用砂浆线锯切割技术切片。近年来Si片的切割设备与工艺技术不断改进,各个厂家的Si 片表面机械损伤情况实际有很大差异,特别是近期固结金刚石磨料线锯开始应用于Si片切割,其表面机械损伤情况更有本质不同。因此,对切割Si片的机械损伤及其对电学性能影响的测定显得极其重要。

  研究和测量Si片的表面质量和近表面损伤的方法有很多1:张力诱导畸变测量法、X 射线双晶衍射法、表面粗糙度测量法、光谱漫放射法、去极化红外扫描法和激光声波法等。还有一些间接表征Si片表面损伤的方法,例如通过表面光电压法或微波光电导衰减法测定Si片的少子寿命等。微波光电导衰减法(μ-PCD)测试少子寿命具有无接触、相对简单、快捷准确等优点,较其他测量损伤层深度的方法更加方便,适合生产上应用2。此方法测量损伤层的基础是依靠于Si片的少子寿命与机械损伤引入的复合中心密度紧密相关。μ-PCD方法实测得到的少子寿命称为有效少子寿命,它主要受两个因素影响体寿命和表面寿命。Si片较薄时,表面寿命远远小于体寿命,此时的有效寿命基本上等于表面寿命;在Si片厚度一定的情况下,如果表面复合速率很大,则在测试高体寿命样品时,测试的寿命值与体寿命值就会偏差很大;而对于低体寿命的样品,不会使少子寿命降低很多。因此,表面复合对有效少子寿命的影响是非常明显的。

  砂浆线锯切割Si片的机械损伤,多数学者已经进行了大量的研究,而金刚石线锯切割Si片的近表面损伤,学者们对此研究较少。本文采用逐层腐蚀的方法去除Si片的近表面损伤层,并结合微波光电导衰减法测量其少子寿命,然后根据少子寿命的变化趋势,对砂浆线锯和金刚石线锯切割Si片的损伤层进行测定,对比分析其切割损伤的深度及其原因机理。

1 实验方法

  实验中所选用的材料为直拉法制备的电子级单晶硅棒,尺寸为Ø42mm;线锯切割而成的太阳能级Si片,厚度为200μm左右。采用金刚石线锯对单晶Si棒进行切割加工,去除头尾较差的Si料,垂直于单晶Si棒轴线方向进行切片,切得Si片的厚度为1.50mm左右。如图1 a)所示为国外某厂生产,直径为300μm,其表层镶嵌尺寸为Ø2540μm的金刚石颗粒,分布很稀疏; 如图1b)所示金刚石线锯为国内某厂生产,直径为270μm,表面镶嵌较密集的金刚石颗粒,颗粒大小为Ø2035μm,切割实验在沈阳科晶601A 型往复式单线切割机上进行,线张力为30N,切割线速度为2m/s,进给速度为6μm/s,采用水作为切削液。切割后的Si片在无水乙醇中超声波清洗10min,超纯水清洗数次,质量浓度为18%HCl溶液中清洗5min,然后在超纯水中超声波清洗10min,超纯水冲洗数次,冷风吹干备用。

采用氢氟酸和硝酸混合溶液对砂浆线锯切割的多晶Si片进行化学抛光数分钟,然后浸入重铬酸钾、氢氟酸和冰乙酸的混合溶液中进行位错腐蚀。所使用的化学抛光液配比为:VHF)∶VHNO3)=13;位错腐蚀液配比为:VK2Cr2O7溶液)(0.15mol/L):VHF)(49%):V(冰乙酸)=25501

  用质量浓度20%NaOH水溶液,在水浴温度85 ℃的百分比环境下对砂浆线锯和金刚石线锯切割的单晶Si片进行逐层腐蚀,每次腐蚀数秒后,用灵敏度为0.1mg的高精度电子天平称重,采用称重法测算硅片被腐蚀的深度。Si片经NaOH溶液腐蚀后,超纯水清洗数次;放入体积百分比18%HCl溶液中清洗5min,以去除腐蚀引入的金属杂质;超纯水冲洗数次,冷风吹干,称重。

  为了降低和消除表面复合对Si片有效少子寿命的影响,需要对Si片表面进行钝化,降低其表面复合速率。表面钝化降低Si片的表面活性,使表面的复合速度降低,其主要方式就是饱和表面的悬挂键,降低表面活性,增加表面的清洁程序,避免由于杂质在表面层的引入或吸附而形成复合中心,以此来降低少数载流子的表面复合速度。使用质量浓度2.51%的碘酒3对其进行化学钝化,装袋密封,立即测量钝化后Si片的少子寿命。少子寿

命测量在Semilab公司WT-2000P少子寿命测量仪上进行,采用904nm的激光注入(对于晶体硅,注入深度大约为30μm)。用FEI-QUATA-200F型扫描电子显微镜(SEM)和KEYENCE VHX-100型高景深三维显微镜观察分析金刚石线锯和Si片的表面形貌。

2 结果与讨论

  图2 为不同切割工艺所得Si片的表面微观形貌。可见,Si片表面多以破碎断裂凹坑和规则平滑的划痕为主,不同切割工艺下的Si片形貌又有所不同。常规砂浆线锯切割的Si片,整体上比较均匀平整,可见大小不一的脆性破碎凹坑和孔洞(如图2a)与(b))。常规工艺下,金刚石线锯切割的Si片表面以规则平滑的深浅切痕为主,间或较尖锐的破碎凹坑(如图2c)与(d))。在本实验工艺下,金刚石线锯切割的线速度较低,造成Si片的表面多以脆性破碎断裂的深凹坑和较平滑的断续划痕为主(如图2e),(f),(g),(h))。对比图2e)和(f)和图2g)和(h),可见在相同的切割设备工艺下,不同的金刚石线锯切割Si片的表面微观形貌也有一定的差异。

 

3 结论

  对比分析了砂浆线锯和金刚石线锯切割Si片的表面形貌,两者有较大的差异。砂浆线锯切割Si片表面多以脆性破碎凹坑和孔洞为主,呈现出脆性切割模式;金刚石线锯切割Si 片表面以规则平滑的划痕为主,间或破碎凹坑,呈现出塑性和脆性的混合切割模式。

  逐层腐蚀去除Si片的损伤层,碘酒钝化,测试其少子寿命,当少子寿命达到峰值时的腐蚀深度,即为Si片损伤层的厚度。实验测得常规工艺条件下砂浆线锯切割Si片的损伤层厚度为10μm左右,金刚石线锯切割Si片的损伤层厚度约为6μm。由此可见,相比于砂浆线锯,常规工艺下金刚石线锯切割Si片的近表面损伤更浅。

            摘抄 自蔡二辉汤斌兵周剑辛超周浪所著《晶体Si片切割表面损伤及其对电学性能的影响

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