線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)仿真研究

彭宜昌，吳易龍，徐 偉，張 威，陳特超

( 湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙410111)

鈍化發(fā)射極及背接觸太陽能電池（PERC 電池）是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的高效太陽能電池，其產(chǎn)能逐年擴(kuò)大[1]。與常規(guī)鋁背場電池相比，PERC 電池的工藝流程中增加了全覆蓋的背面鈍化膜，通過化學(xué)氣相沉積方式在背面形成氧化鋁鈍化層，并加覆一層氮化硅保護(hù)膜，兩者形成層疊降低表面載流子的復(fù)合，以減少缺陷帶來的電池背面光電損失，從而保證電池轉(zhuǎn)換效率[2]。微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（MW-PECVD）法是制備高質(zhì)量背面鈍化膜的重要方法[3]，其成膜過程在真空狀態(tài)下進(jìn)行，成膜質(zhì)量好且成膜速率快。

隨著微波等離子體技術(shù)在光伏鈍化薄膜材料沉積中的應(yīng)用，電池生產(chǎn)廠商成本控制成為至關(guān)重要的問題，大產(chǎn)能工藝設(shè)備成為首選。作為平板式PECVD 設(shè)備核心部件的微波等離子體源的性能越來越受到人們的關(guān)注。目前線形同軸耦合等離子體系統(tǒng)的長度主要集中在1100～1300 mm，輸入的微波功率一般小于3 kW。而進(jìn)一步的增加等離子體源長度，則需要提高微波功率，但微波功率的提高，會使磁控管無法在高功率下長時(shí)間穩(wěn)定工作而造成壽命偏低。為找到合適的微波等離子體源長度，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)的等離子體源分布規(guī)律以及均勻性進(jìn)行仿真分析，探討了平板式PECVD 設(shè)備提升產(chǎn)能的可行性。

1 線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)

線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由微波源、模式轉(zhuǎn)換天線、真空腔體、真空抽氣系統(tǒng)、氣體系統(tǒng)、載片托盤等幾個(gè)部分組成。矩形真空腔體長為2875 mm，寬1470 mm，極限真空度可達(dá)0.5 Pa。系統(tǒng)采用2個(gè)輸出功率分別為3 kW 的磁控管來產(chǎn)生頻率為2.45 GHz 微波，經(jīng)過環(huán)形器、矩形波導(dǎo)和模式轉(zhuǎn)換天線將微波耦合進(jìn)入腔體內(nèi)。作為微波放電的介質(zhì)窗，沿轉(zhuǎn)換天線的徑向分布有兩端密封的同軸石英管。石英管外部產(chǎn)生的等離子體和作為微波發(fā)射天線的銅天線兩者一同構(gòu)成了同軸波導(dǎo)，不僅構(gòu)成了微波負(fù)載，同時(shí)也起著傳輸微波能量的作用[4，5]。工藝氣體從石英管上方輸入真空腔體，吸收耦合的微波使其成為等離子狀態(tài)，在電磁場的約束下，當(dāng)托盤以一定工藝速度水平傳輸經(jīng)過等離子區(qū)時(shí)，即會沉積在其表面上形成薄膜。此外，微波傳輸過程中能量被負(fù)載吸收造成微波功率減弱。為保證成膜質(zhì)量，需調(diào)節(jié)輸入的微波功率和工藝氣體壓力等來產(chǎn)生均勻的等離子體。

圖1 線形同軸耦合微波等離子體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 等離子體的空間分布規(guī)律

圖2 微波等離子體源二維軸對稱模型

為研究不同線性耦合微波等離子體源長度對沉積均勻性的影響，采用COMSOL 仿真分析軟件對等離子體模塊進(jìn)行仿真研究，將等離子體源簡化成二維軸對稱模型，如圖2 所示。設(shè)定平均微波功率為2 kW（實(shí)際設(shè)定功率為4 kW，占空比8/8），真空腔體內(nèi)壓力為20 Pa，工藝溫度為650 K（377 ℃），工藝氣體為氬氣，L 為等離子體源的長度。

圖3 為在氣壓20 Pa、微波功率2 kW 放電條件下，不同長度源的電子密度分布情況。從圖3 可以看出，在其它參數(shù)不變的條件下，隨著等離子體源長度的增大，電子密度軸向均勻性逐漸變差，特別是當(dāng)長度增大到1700 mm 時(shí)，中間區(qū)域電子密度嚴(yán)重衰減。但是同時(shí)也觀察到電子密度大小并未發(fā)生明顯變化，同時(shí)，在徑向方向上電子密度分布區(qū)域反而擴(kuò)大。

圖3 軸向電子密度分布結(jié)果

圖4 為托盤處電子密度分布結(jié)果。從圖4 可以看出，托盤處的電子密度變化規(guī)律與整個(gè)腔室內(nèi)電子密度變化規(guī)律相同，都是隨著長度增加，均勻性變差，導(dǎo)致均勻性變差的主要因素是腔室中間區(qū)域電子密度急劇降低。

圖4 托盤處電子密度分布結(jié)果

圖5 為電子密度不均勻性定量分析結(jié)果。從圖5 可以看出，當(dāng)微波等離子體源長度從1300 mm增加到1700 mm，電子密度不均勻性從3.8%增大到18.9%；但長度在1300～1500 mm 范圍，電子密度均勻性變化不大，隨著長度繼續(xù)增大(1500～1700 mm)，電子密度劇烈變化，不利于成膜。

圖5 電子密度不均勻性定量分析結(jié)果

3 結(jié)論

基于COMSOL 有限元分析軟件，對比分析了不同長度的等離子體源電子密度分布規(guī)律，結(jié)果表明，隨著線性微波等離子體源長度增大，腔室中間區(qū)域電子密度大小和均勻性都會降低。但將長度從1300 mm 增大到1500 mm，均勻性變化可控，長度增加是可行的，對設(shè)備設(shè)計(jì)可進(jìn)一步優(yōu)化。