干货|单晶硅片中缺陷的研究

1、前言

随着信息技术及太阳能光伏电池产业的飞速发展，半导体硅产业发展到了新的高潮。硅单晶材料在增大直径的同时，对其结构、电学、化学特征的研究也将日益深入；缺陷控制、杂质行为、杂质与缺陷的相互作用以及提高单晶硅片的表面质量已经是工艺技术研究的主攻方向。在光伏产业中广泛采用太阳能电池的单晶硅材料中存在着高密度的位错、金属杂质或晶界等缺陷，而这些缺陷和杂质的交互作用使得太阳能电池的转换效率显著下降，因此观察这些硅材料中缺陷和杂质的交互作用对于采用合适的吸杂工艺提高太阳能电池的转换效率有着十分重要的作用。

由于缺陷影响硅单晶材料的质量，对器件及太阳能电池片有不良的影响，所以我们需要研究其性质和行为。在研究过程中也出现了越来越多的问题，但现在主要的问题是对已经发现的主要缺陷，其形成机制的研究一直没有太大的突破，并且对于缺陷的消除和控制方法的研究也还处于探索中，其检测方法和检测手段也需要进一步的提高。

硅单晶材料缺陷的研究方法有许多种，如X光貌相技术、红外显微镜、投射电子显微镜及金相腐蚀显示等方法。金相腐蚀显示技术设备简单，比较操作易掌握，并且又较直观，是观察研究晶体材料缺陷的最常用的方法之一。本次的研究主要采用偏关金相显微镜，通过对单晶硅片的化学腐蚀后，用偏光金相显微镜来观察和研究各种腐蚀坑的形态，定量计数比较缺陷密度大小，并用金相显微镜拍摄各种缺陷的典型照片。

2、实验

2.1 样品化学腐蚀处理

硅单晶样品在进行检测之前，必须经过腐蚀抛光以显露其缺陷。所用的腐蚀济主要是氧化剂、络合剂和稀释剂。本实验主要用CrO3溶液或HNO3作氧化剂，氢氟酸（HF）作络合剂，去离子水充当稀释剂。用不同比例的化学试剂配制不同的腐蚀液。

2.2 腐蚀硅片中缺陷显微分析

从图1可以看出，有缺陷的地方显示明显的金属色，这主要是因为缺陷吸收了金属杂质的缘故。产生这种现象的原因是位错是线状的高应力区，有吸收杂质原子的能力，从而导致了有位错的局部地区杂质浓度增加。在拉单晶过程中，出现这种现象将影响工艺的控制，也会影响的下游产品的性能和成品率的提高等。

 
图1 缺陷对杂质的吸收

用偏光金相显微镜还可以看出单晶硅片的分布规律：边缘的缺陷密度小，中心的缺陷密度大。可以从图2和图3两幅图中明显的看出。
     

图2 单晶硅片中心缺陷分布   

图3 单晶硅片边缘缺陷分布

在实验过程中拍摄了一组比较典型的位错缺陷图片。对于位错来说，不同晶面上的位错坑的形态不一样。如硅单晶<111>方向位错腐蚀坑的形状主要呈三角形腐蚀坑，<100>晶面上呈正方形腐蚀坑，<110>晶面呈立方体腐蚀坑，但很难看出。下面三幅图显示了不同方向的位错形态。

    图4  <111>面三角形腐蚀坑 

图5  <100>面正方形腐蚀坑

 
图6  <110>面四面体腐蚀坑

在硅单晶面上，不同的腐蚀剂和不同的腐蚀时间也会影响位错坑的状态。图7、图8就是<111>面腐蚀坑，由三角行的变成圆形的凹坑。其主要原因是因为腐蚀剂和腐蚀时间的不同使得晶体中各个方向的腐蚀速度不同造成的。

    图7 <111>面三角形腐蚀坑   

图8  <111>面圆形腐蚀坑

3、结论

偏光金相显微镜是对单晶硅片缺陷研究非常有帮助的仪器，操作方便，图像清洗。通过对单晶硅片的化学腐蚀，用显微镜观察各种典型的缺陷，发现不同晶向上的腐蚀坑的形状有很大的不同：<111>面腐蚀坑呈三角行，<100>面腐蚀坑呈四边行，<110>面腐蚀坑呈四面体行等；同时发现不同的腐蚀时间对同一晶向上的腐蚀坑也有影响，如<111>面在不同的腐蚀时间腐蚀坑可以是三角形也可以是圆形；显微镜照片还可以发现单晶硅片中心的缺陷密度小，边缘的缺陷密度大。

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