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Ø25～40μm的金刚石颗粒，分布很稀疏; 如图1（b）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Ø20～35μm，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%的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：V（HF）∶V（HNO3）=1∶3；位错腐蚀液配比为：V（K2Cr2O7溶液）（0.15mol/L）：V（HF）（49%）：V（冰乙酸）=25∶50∶1。
用质量浓度20%的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%的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2（a）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2（c）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2（e），（f），（g），（h））。对比图2（e）和（f）和图2（g）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》 |
