對(duì)帶有微小裂紋的多晶硅圓片的機(jī)械壓力試驗(yàn)
摘要：顯微裂紋檢測(cè)和機(jī)械扭曲試驗(yàn)主要用于原切割晶圓來進(jìn)行太陽能電池生產(chǎn)。關(guān)于機(jī)械力與裂紋長度之間的關(guān)系已經(jīng)有答案了。小于臨界壓力時(shí)由于反復(fù)壓力試驗(yàn)裂紋長度并沒有顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在相同長度下邊緣裂紋比內(nèi)部裂紋更具有危險(xiǎn)性。斷裂力取決于裂紋幾何形狀和其位置。一旦施加的壓力超過它的臨界壓力，就無法加工成為晶片了。通常會(huì)在觀察到微裂的地方發(fā)生斷裂。
關(guān)鍵詞： 微裂，壓力，硅太陽能電池
1. 簡介
在硅光電生產(chǎn)過程中zui大的問題就是硅片的斷裂。由于原硅材料是生產(chǎn)太陽能電池的主要成本，所以一個(gè)zui自然的一個(gè)方法就是減小它的厚度，但是這樣做的話會(huì)潛在地導(dǎo)致晶片變脆弱，而且會(huì)使它的屈服力變低。未受損害的晶片很堅(jiān)固而且有韌性，但裂紋的存在會(huì)降低它的這種機(jī)械強(qiáng)度。裂紋主要來源有：材料缺陷，來自于晶錠本身或是在晶片生產(chǎn)過程中的壓力（1)，割鋸晶片時(shí)的機(jī)械力或者在運(yùn)輸買賣過程中的機(jī)械力造成的缺陷。在太陽能電池生產(chǎn)過程中，對(duì)晶片進(jìn)行加工時(shí)晶片會(huì)暴露在高溫和機(jī)械力下，所以那些有裂紋，缺陷，以及有鋸痕的晶片的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)大大的降低。、（2）從經(jīng)濟(jì)方面考慮應(yīng)當(dāng)在發(fā)生斷裂前盡早的檢測(cè)出生產(chǎn)線上的脆弱的晶片。對(duì)此可以用多種裂紋檢測(cè)系統(tǒng)（MCD）來進(jìn)行檢測(cè)。建立在光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)上用來檢測(cè)裂紋的紅外線檢測(cè)方法已經(jīng)研制出來了。先檢測(cè)出斷裂的尺寸，然后在扭曲試驗(yàn)中對(duì)晶片施加機(jī)械力。以此來對(duì)原切割晶圓建立一種不同的機(jī)械力與裂紋之間的關(guān)系。
2. 試驗(yàn)
在這項(xiàng)研究中采用的是156*156mm, 厚度為200微米的多晶硅圓片。采用A，B兩種商用MCD系統(tǒng)，讓紅外線穿過晶片，然后通過電荷藕荷攝像機(jī)來檢測(cè)。晶片事先通過A和B 兩種系統(tǒng)檢測(cè)到有裂紋，然后把檢測(cè)到有裂紋的晶片再次通過MCD系統(tǒng)A，并把晶片的圖片保存下來。人工分析這些圖片，在這次研究中使用了127種可以檢測(cè)到有裂紋的硅片。一些有污垢的和存在不同類型的點(diǎn)缺陷的硅片也被采用到這次研究中。
圖1：上部是扭曲試驗(yàn)圖像，下部是在扭曲試驗(yàn)中對(duì)晶片施加的主要的力分布。
然后開始進(jìn)行扭曲試驗(yàn)（圖1），zui大力為1.5N。在以前的實(shí)驗(yàn)中1.5N以下的斷裂已經(jīng)做過，所以誤差實(shí)驗(yàn)對(duì)有裂紋的晶片斷裂可以估計(jì)出來。通過這次實(shí)驗(yàn)，記錄下zui大的彎曲度，斷裂力也記錄下來。把斷裂后的晶片拿來與MCD圖像作對(duì)比以此來找出原來存大于晶片上的缺陷或者導(dǎo)致這種缺陷的情況。對(duì)于那些沒有斷裂的晶片再重復(fù)進(jìn)行5次這樣的實(shí)驗(yàn)，然后讓晶片再通過MCD系統(tǒng)B然后比照前后圖像以此來查看裂紋是否在壓力實(shí)驗(yàn)中有所加大。然后通過對(duì)那些經(jīng)過斷裂壓力未受損害的原切割晶片以及那些有斷紋的晶片進(jìn)行不同的力直至其斷裂。在這次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)所有的裂紋都是正常生產(chǎn)下造成的，通過實(shí)驗(yàn)晶片不會(huì)受到人為故意的損害。
3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果&討論
3.1 原切割晶圓
由于晶片通過MCD系統(tǒng)進(jìn)行分析并在扭曲試驗(yàn)中檢測(cè)，以不同方式進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了三種不同類型能影響晶片強(qiáng)度的裂紋。
3.2 三種不同的裂紋
在這次研究中發(fā)現(xiàn)的三種的裂紋
1. 短裂紋
2. 邊緣裂紋
3. 內(nèi)部裂紋
存在于一個(gè)小水晶體內(nèi)部的短裂紋(小于1mm)通常是比較直，而且有特定的走向。橫跨一個(gè)或多個(gè)水晶體長裂紋通常形狀不規(guī)則，如圖2。由于外部造成的裂紋例如在晶體表面進(jìn)行沖擊而形成的裂紋經(jīng)常會(huì)有這種形狀。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，晶體邊緣的裂紋，即邊緣裂紋，和在晶體的整個(gè)內(nèi)部表面上的裂紋，這種裂紋不與邊緣接觸，即內(nèi)部裂紋，這兩種類型的裂紋之間有很大的區(qū)別。在1.5N以內(nèi)的壓力試驗(yàn)中只有那些有可檢測(cè)到有微小裂紋的晶體斷裂。所有的斷裂后的晶片被重組到一起后與通過微小裂紋檢測(cè)時(shí)的圖像進(jìn)行對(duì)比。
Figure 2: 箭頭所指為來自晶片邊緣的不規(guī)則的長裂紋（~30mm）。
無一例外，裂痕會(huì)從檢測(cè)到的裂紋那繼續(xù)延伸。
當(dāng)裂紋是長裂紋時(shí)，斷裂力通常很低，晶片會(huì)碎成2-4個(gè)小的晶片。對(duì)于有小裂紋的晶片來說，施加在的力后，晶片會(huì)破碎成幾個(gè)大的或者很多小的碎片（如圖3）。
圖3：左邊：帶有13.5mm的內(nèi)部裂紋的晶片在壓力為1.49N時(shí)斷裂。
      右邊：帶有24.8mm的邊緣裂紋的晶片在壓力為0.51N時(shí)斷裂。
  斷裂延伸跟點(diǎn)陣紋理走向有關(guān)系，當(dāng)斷裂繼續(xù)延伸時(shí)，裂紋一般會(huì)在比較弱的點(diǎn)陣方向（3）。裂紋通常垂直延伸。
帶有邊緣裂紋的晶片在斷裂時(shí)所受的力一般比內(nèi)部裂紋晶片需力小。對(duì)于有鋸形痕跡的晶片來說，當(dāng)力達(dá)到1.5N時(shí)，不會(huì)斷裂，但是有些情況下斷裂會(huì)順著鋸痕延伸。

4. 結(jié)論：
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一些還有裂紋的晶片仍然能夠通過1.5N的彎曲試驗(yàn)。94%的有內(nèi)部裂紋（小于10mm）的原切割圓晶片能通過壓力試驗(yàn)。有邊緣裂紋的晶片都不能通過此次試驗(yàn)，即使此邊緣裂紋小于2mm。

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