显微裂纹检测和机械扭曲试验实验结果及讨论

摘要：显微裂纹检测和机械扭曲试验主要用于原切割晶圆来进行太阳能电池生产。关于机械力与裂纹长度之间的关系已经有答案了。小于临界压力时由于反复压力试验裂纹长度并没有显示。实验结果表明在相同长度下边缘裂纹比内部裂纹更具有危险性。断裂力取决于裂纹几何形状和其位置。一旦施加的压力超过它的临界压力，就无法加工成为晶片了。通常会在观察到微裂的地方发生断裂。

关键词： 微裂，压力，硅太阳能电池

1. 简介

在硅光电生产过程中大的问题就是硅片的断裂。由于原硅材料是生产太阳能电池的主要成本，所以一个自然的一个方法就是减小它的厚度，但是这样做的话会潜在地导致晶片变脆弱，而且会使它的屈服力变低。未受损害的晶片很坚固而且有韧性，但裂纹的存在会降低它的这种机械强度。裂纹主要来源有：材料缺陷，来自于晶锭本身或是在晶片生产过程中的压力（1)，割锯晶片时的机械力或者在运输买卖过程中的机械力造成的缺陷。在太阳能电池生产过程中，对晶片进行加工时晶片会暴露在高温和机械力下，所以那些有裂纹，缺陷，以及有锯痕的晶片的机械强度会大大的降低。、（2）从经济方面考虑应当在发生断裂前尽早的检测出生产线上的脆弱的晶片。对此可以用多种裂纹检测系统（MCD）来进行检测。建立在光学检测系统上用来检测裂纹的红外线检测方法已经研制出来了。先检测出断裂的尺寸，然后在扭曲试验中对晶片施加机械力。以此来对原切割晶圆建立一种不同的机械力与裂纹之间的关系。

2. 试验

在这项研究中采用的是156*156mm, 厚度为200微米的多晶硅圆片。采用A，B两种商用MCD系统，让红外线穿过晶片，然后通过电荷藕荷摄像机来检测。晶片事先通过A和B 两种系统检测到有裂纹，然后把检测到有裂纹的晶片再次通过MCD系统A，并把晶片的图片保存下来。人工分析这些图片，在这次研究中使用了127种可以检测到有裂纹的硅片。一些有污垢的和存在不同类型的点缺陷的硅片也被采用到这次研究中。

图1：上部是扭曲试验图像，下部是在扭曲试验中对晶片施加的主要的力分布。

然后开始进行扭曲试验（图1），大力为1.5N。在以前的实验中1.5N以下的断裂已经做过，所以误差实验对有裂纹的晶片断裂可以估计出来。通过这次实验，记录下大的弯曲度，断裂力也记录下来。把断裂后的晶片拿来与MCD图像作对比以此来找出原来存大于晶片上的缺陷或者导致这种缺陷的情况。对于那些没有断裂的晶片再重复进行5次这样的实验，然后让晶片再通过MCD系统B然后比照前后图像以此来查看裂纹是否在压力实验中有所加大。然后通过对那些经过断裂压力未受损害的原切割晶片以及那些有断纹的晶片进行不同的力直至其断裂。在这次实验中发现所有的裂纹都是正常生产下造成的，通过实验晶片不会受到人为故意的损害。

3. 实验结果&讨论

3.1 原切割晶圆

由于晶片通过MCD系统进行分析并在扭曲试验中检测，以不同方式进行试验发现了三种不同类型能影响晶片强度的裂纹。

3.2 三种不同的裂纹

在这次研究中发现的三种的裂纹

1. 短裂纹

2. 边缘裂纹

3. 内部裂纹

存在于一个小水晶体内部的短裂纹(小于1mm)通常是比较直，而且有特定的走向。横跨一个或多个水晶体长裂纹通常形状不规则，如图2。由于外部造成的裂纹例如在晶体表面进行冲击而形成的裂纹经常会有这种形状。对数据进行分析后，晶体边缘的裂纹，即边缘裂纹，和在晶体的整个内部表面上的裂纹，这种裂纹不与边缘接触，即内部裂纹，这两种类型的裂纹之间有很大的区别。在1.5N以内的压力试验中只有那些有可检测到有微小裂纹的晶体断裂。所有的断裂后的晶片被重组到一起后与通过微小裂纹检测时的图像进行对比。

Figure 2: 箭头所指为来自晶片边缘的不规则的长裂纹（~30mm）。

无一例外，裂痕会从检测到的裂纹那继续延伸。

当裂纹是长裂纹时，断裂力通常很低，晶片会碎成2-4个小的晶片。对于有小裂纹的晶片来说，施加在的力后，晶片会破碎成几个大的或者很多小的碎片（如图3）。

图3：左边：带有13.5mm的内部裂纹的晶片在压力为1.49N时断裂。

  右边：带有24.8mm的边缘裂纹的晶片在压力为0.51N时断裂。

  断裂延伸跟点阵纹理走向有关系，当断裂继续延伸时，裂纹一般会在比较弱的点阵方向（3）。裂纹通常垂直延伸。

带有边缘裂纹的晶片在断裂时所受的力一般比内部裂纹晶片需力小。对于有锯形痕迹的晶片来说，当力达到1.5N时，不会断裂，但是有些情况下断裂会顺着锯痕延伸。

4. 结论：

通过实验发现一些还有裂纹的晶片仍然能够通过1.5N的弯曲试验。94%的有内部裂纹（小于10mm）的原切割圆晶片能通过压力试验。有边缘裂纹的晶片都不能通过此次试验，即使此边缘裂纹小于2mm。

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