微小裂紋的多晶硅圓片的機械壓力試驗

1. 簡介
在硅光電生產過程中ZUI大的問題就是硅片的斷裂。由于原硅材料是生產太陽能電池的主要成本，所以一個ZUI自然的一個方法就是減小它的厚度，但是這樣做的話會潛在地導致晶片變脆弱，而且會使它的屈服力變低。未受損害的晶片很堅固而且有韌性，但裂紋的存在會降低它的這種機械強度。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過程中的壓力（1)，割鋸晶片時的機械力或者在運輸買賣過程中的機械力造成的缺陷。在太陽能電池生產過程中，對晶片進行加工時晶片會暴露在高溫和機械力下，所以那些有裂紋，缺陷，以及有鋸痕的晶片的機械強度會大大的降低。、（2）從經濟方面考慮應當在發生斷裂前盡早的檢測出生產線上的脆弱的晶片。對此可以用多種裂紋檢測系統（MCD）來進行檢測。建立在光學檢測系統上用來檢測裂紋的紅外線檢測方法已經研制出來了。先檢測出斷裂的尺寸，然后在扭曲試驗中對晶片施加機械力。以此來對原切割晶圓建立一種不同的機械力與裂紋之間的關系。
2. 試驗
在這項研究中采用的是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，讓紅外線穿過晶片，然后通過電荷藕荷攝像機來檢測。晶片事先通過A和B 兩種系統檢測到有裂紋，然后把檢測到有裂紋的晶片再次通過MCD系統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種可以檢測到有裂紋的硅片。一些有污垢的和存在不同類型的點缺陷的硅片也被采用到這次研究中。
圖1：上部是扭曲試驗圖像，下部是在扭曲試驗中對晶片施加的主要的力分布。
然后開始進行扭曲試驗（圖1），ZUI大力為1.5N。在以前的實驗中1.5N以下的斷裂已經做過，所以誤差實驗對有裂紋的晶片斷裂可以估計出來。通過這次實驗，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圖像作對比以此來找出原來存大于晶片上的缺陷或者導致這種缺陷的情況。對于那些沒有斷裂的晶片再重復進行5次這樣的實驗，然后讓晶片再通過MCD系統B然后比照前后圖像以此來查看裂紋是否在壓力實驗中有所加大。然后通過對那些經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行不同的力直至其斷裂。在這次實驗中發現所有的裂紋都是正常生產下造成的，通過實驗晶片不會受到人為故意的損害。
3. 實驗結果&討論
3.1 原切割晶圓
由于晶片通過MCD系統進行分析并在扭曲試驗中檢測，以不同方式進行試驗發現了三種不同類型能影響晶片強度的裂紋。
3.2 三種不同的裂紋
在這次研究中發現的三種的裂紋
1. 短裂紋
2. 邊緣裂紋
3. 內部裂紋
存在于一個小水晶體內部的短裂紋(小于1mm)通常是比較直，而且有特定的走向。橫跨一個或多個水晶體長裂紋通常形狀不規則，如圖2。由于外部造成的裂紋例如在晶體表面進行沖擊而形成的裂紋經常會有這種形狀。對數據進行分析后，晶體邊緣的裂紋，即邊緣裂紋，和在晶體的整個內部表面上的裂紋，這種裂紋不與邊緣接觸，即內部裂紋，這兩種類型的裂紋之間有很大的區別。在1.5N以內的壓力試驗中只有那些有可檢測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時的圖像進行對比。
Figure 2: 箭頭所指為來自晶片邊緣的不規則的長裂紋（~30mm）。
無一例外，裂痕會從檢測到的裂紋那繼續延伸。
當裂紋是長裂紋時，斷裂力通常很低，晶片會碎成2-4個小的晶片。對于有小裂紋的晶片來說，施加在的力后，晶片會破碎成幾個大的或者很多小的碎片（如圖3）。
圖3：左邊：帶有13.5mm的內部裂紋的晶片在壓力為1.49N時斷裂。
      右邊：帶有24.8mm的邊緣裂紋的晶片在壓力為0.51N時斷裂。
  斷裂延伸跟點陣紋理走向有關系，當斷裂繼續延伸時，裂紋一般會在比較弱的點陣方向（3）。裂紋通常垂直延伸。
帶有邊緣裂紋的晶片在斷裂時所受的力一般比內部裂紋晶片需力小。對于有鋸形痕跡的晶片來說，當力達到1.5N時，不會斷裂，但是有些情況下斷裂會順著鋸痕延伸。