預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu)及其對鍍膜性能影響的研究

龍會躍，李 明，郭 艷

(湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410205)

0 引言

目前，等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)是在硅片表面鍍制減反射膜的主要方法。該方法是向爐管反應(yīng)室腔體中通入工藝氣體，采用射頻放電產(chǎn)生等離子體，工藝氣體在等離子體中獲得能量被激發(fā)、電離，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮化硅，并在硅片表面沉積形成氮化硅薄膜的過程[1]。

按照樣品安放結(jié)構(gòu)的不同，PECVD設(shè)備可以分為管式PECVD設(shè)備和平板式PECVD設(shè)備。研究人員對管式PECVD設(shè)備沉積氮化硅薄膜時的工藝參數(shù)調(diào)整進行了大量研究，研究結(jié)果表明，工藝氣體流量比、沉積溫度、射頻功率、反應(yīng)室壓力等都會影響氮化硅薄膜的沉積速率、膜厚均勻性與折射率，以及鈍化效果等[2-4]。隨著光伏發(fā)電越來越趨近于平價上網(wǎng)，這就要求太陽電池制備的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)不斷提高生產(chǎn)效率，從而降低生產(chǎn)成本。

本文以提高光伏設(shè)備的產(chǎn)能來降低生產(chǎn)成本作為出發(fā)點，提出了一種優(yōu)化后的管式PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu)，其合理利用了設(shè)備的凈化臺空間，增加了具有預(yù)熱功能的結(jié)構(gòu)部件，構(gòu)成了預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備，減少了鍍膜工藝過程中的恒溫時間，從而縮短了鍍膜工藝的總時長，同時還有利于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；然后通過實驗研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備對鍍膜性能的影響。

1 預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

常規(guī)型管式PECVD設(shè)備主要由上料滑臺、凈化臺、爐體柜、氣源柜、真空泵、下料滑臺等組成。預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備是在常規(guī)型管式PECVD設(shè)備的爐體柜一側(cè)增加了預(yù)熱腔，并在凈化臺區(qū)域增加了預(yù)熱傳送區(qū)。預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 Overall structure diagram of preheating tubular PECVD equipment

在圖1所示的預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備中：

1)上料滑臺是將裝卸片區(qū)中已裝載好硅片的石墨舟載具輸送到預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的凈化臺。凈化臺分為預(yù)熱傳送區(qū)、石墨舟載具傳輸區(qū)、冷卻區(qū)，主要作用是提供一個潔凈空間，用于完成硅片及石墨舟載具從上、下料滑臺到爐體柜中加熱爐管的爐管反應(yīng)室之間的運輸。

2)爐體柜內(nèi)主要放置加熱爐管，硅片在加熱爐管的爐管反應(yīng)室內(nèi)完成鍍膜工藝。

3)氣源柜內(nèi)主要包括氣路系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等系統(tǒng)的部件。

4)真空泵通過真空管道與氣源柜內(nèi)的壓力控制系統(tǒng)連接，主要作用是對爐管反應(yīng)室進行抽真空并配合完成壓力控制動作。

5)預(yù)熱腔與爐體柜并排，緊鄰凈化臺中的預(yù)熱傳送區(qū)，用于完成硅片及石墨舟載具由室溫向預(yù)熱溫度升溫的過程。

6)下料滑臺將冷卻后的硅片及石墨舟載具輸送到裝卸片區(qū)，便于完成鍍膜工藝后的硅片流轉(zhuǎn)到下一道工序。

1.2 凈化臺的結(jié)構(gòu)

預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備在凈化臺區(qū)域增加了預(yù)熱傳送區(qū)，包括預(yù)熱的石墨舟載具及硅片的傳動部件、三軸機械手裝置、預(yù)熱傳送裝置等，而原本的四軸機械手裝置經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后安裝在凈化臺的中間區(qū)域。預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的凈化臺的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，預(yù)熱傳送裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖2 預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的凈化臺的結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 2 Structure diagram of clean cabinet of preheating tubular PECVD equipment

圖3 預(yù)熱傳送裝置的結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 3 Structure diagram of preheating conveyor

在凈化臺的預(yù)熱傳送區(qū)中的上料平臺上，裝載好硅片的石墨舟載具通過升降機構(gòu)在豎直方向運動。三軸機械手裝置通過電機、減速機、齒輪齒條傳動、滑塊、導(dǎo)軌等實現(xiàn)第二Z軸、第二Y軸、第三Y軸方向的運動，將上料平臺上的石墨舟載具放置在預(yù)熱推桿上。預(yù)熱傳送區(qū)設(shè)有多個預(yù)熱推桿和相應(yīng)數(shù)量的預(yù)熱腔。預(yù)熱推桿通過電機、減速機、皮帶輪、皮帶傳動、滑塊、導(dǎo)軌等實現(xiàn)第二X軸方向的運動，將預(yù)熱推桿上的石墨舟載具運送至預(yù)熱腔內(nèi)或?qū)㈩A(yù)熱腔內(nèi)的石墨舟載具取出，預(yù)熱推桿上的爐門與預(yù)熱腔貼緊后形成了封閉的腔室。

石墨舟載具傳輸區(qū)的四軸機械手裝置通過電機、減速機、齒輪齒條傳動、滑塊、導(dǎo)軌等實現(xiàn)第一X軸、第一Y軸、第一Z軸方向的移動，通過凸輪裝置實現(xiàn)繞支點在XOZ平面的轉(zhuǎn)動，精確地將預(yù)熱傳送裝置上的石墨舟載具運送至爐管反應(yīng)室內(nèi)，或?qū)t管反應(yīng)室內(nèi)的石墨舟載具取出后放置到冷卻區(qū)。

冷卻區(qū)設(shè)有多個冷卻緩存位。四軸機械手裝置將冷卻緩存位上冷卻結(jié)束的石墨舟載具轉(zhuǎn)運到下料機構(gòu)的下料托盤上，然后下料機構(gòu)沿Z軸方向豎直運動，通過升降機構(gòu)將石墨舟載具輸送至下料平臺。

合理利用凈化臺空間進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，增加預(yù)熱功能后，可使石墨舟載具和硅片快速達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，節(jié)省了單次鍍膜工藝時間，從而提高了管式PECVD設(shè)備的產(chǎn)能。

2 預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的鍍膜性能實驗

2.1 實驗條件

2.1.1 實驗材料

本實驗采用的硅片為市售p型單晶硅片，尺寸為156.75 mm×156.75 mm，厚度為180±30μm，電阻率為1～3 Ω?cm。實驗用單晶硅片的實物圖如圖4所示。

圖4 實驗用單晶硅片的實物圖Fig. 4 Photo of monocrystalline silicon wafer for experiment

2.1.2 實驗設(shè)備

本實驗采用湖南紅太陽光電科技有限公司制造的預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備，該設(shè)備配備的是載片量為416片的石墨舟載具。測試儀器包括型號為GM1150A的紅外測溫儀、型號為EV-400的橢偏儀及測試分選機。實驗設(shè)備的實物圖如圖5所示。

圖5 實驗設(shè)備的實物圖Fig. 5 Photos of experiment equipments

2.2 實驗內(nèi)容

1)常規(guī)的硅片正面沉積氮化硅薄膜的工藝恒溫時間約為20 min，在現(xiàn)有生產(chǎn)線上常規(guī)的硅片正面沉積氮化硅薄膜工藝(下文簡稱為“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時間”)的基礎(chǔ)上，分別進行不同預(yù)熱溫度及工藝恒溫時間縮減3、6、9、12 min時(下文簡稱為“預(yù)熱+縮減工藝恒溫時間”)的測試，然后對比不同預(yù)熱溫度與工藝恒溫時間縮減幅度之間的關(guān)系，以確定適合生產(chǎn)線中硅片正面沉積氮化硅薄膜較優(yōu)的預(yù)熱溫度與工藝恒溫時間縮減幅度。預(yù)熱溫度的測試方法為：在22±2 ℃的恒溫車間環(huán)境下，石墨舟載具進入爐管反應(yīng)室前，需用紅外測溫儀測量石墨舟的最外側(cè)舟片的中心點溫度，以判斷其是否達(dá)到目標(biāo)的預(yù)熱溫度，并重復(fù)測試3次以上。

2)采用前一項實驗內(nèi)容中確定的較優(yōu)的“預(yù)熱+縮減工藝恒溫時間”工藝制備PERC單晶硅太陽電池，然后對比分別采用“預(yù)熱+縮減工藝恒溫時間”與“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時間”工藝制備的PERC單晶硅太陽電池的電性能測試結(jié)果，以確定管式PECVD設(shè)備增加預(yù)熱處理后對PERC單晶硅太陽電池電性能的影響。

3 實驗方法及實驗結(jié)果分析

3.1 膜厚均勻性測試

3.1.1 實驗方法

每次不同預(yù)熱溫度及不同工藝恒溫時間縮減幅度實驗結(jié)束后，分別選取同一批次爐內(nèi)位置為邊列和中間列的爐口、爐中、爐尾6個位置的鍍膜后的實驗硅片，然后采用橢偏儀對每個硅片的正面進行膜厚數(shù)據(jù)測試；每個硅片的正面都測試5個點(1個中心點和4個角點)的膜厚，最后通過膜厚均勻性計算公式計算硅片內(nèi)的膜厚均勻性和(下文簡稱“片內(nèi)均勻性”)硅片間的膜厚均勻性(下文簡稱“片間均勻性”)數(shù)值。

膜厚均勻性的計算公式為：

式中，S1為片內(nèi)均勻性(或片間均勻性)；Di為第i次膜厚檢測值；n為測試點數(shù)量；=為各次膜厚檢測值的平均值。

其中，

3.1.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)橢偏儀測得鍍膜后的實驗硅片正面的膜厚數(shù)據(jù)，利用式(1)計算得到不同預(yù)熱溫度與不同工藝恒溫時間縮減幅度下的片內(nèi)均勻性和片間均勻性，具體如圖6、圖7所示。

圖6 不同預(yù)熱溫度及不同工藝恒溫時間縮減幅度下的片內(nèi)均勻性Fig. 6 Uniformity of film thickness in silicon wafer under different preheating temperutures and different reduction ranges of process constant temperature time

由圖6和圖7可知，在硅片正面沉積氮化硅薄膜的過程中，在同一預(yù)熱溫度條件下，隨著工藝恒溫時間縮減幅度的增加，鍍膜后的實驗硅片的片內(nèi)均勻性和片間均勻性整體上均呈上升趨勢，這說明膜厚均勻性越來越差。

圖7 不同預(yù)熱溫度及不同工藝恒溫時間縮減幅度下的片間均勻性Fig. 7 Uniformity of film thickness between silicon wafers under different preheating temperutures and different reduction ranges of process constant temperature time

當(dāng)工藝恒溫時間縮減3 min時，不同預(yù)熱溫度條件下，鍍膜后的實驗硅片的片內(nèi)均勻性及片間均勻性均差距不大。當(dāng)工藝恒溫時間縮減6～12 min時，在同一工藝恒溫時間縮減幅度下，隨著預(yù)熱溫度的升高，鍍膜后的實驗硅片的片內(nèi)均勻性和片間均勻性均大致呈現(xiàn)下降的趨勢，這說明實驗硅片的膜厚均勻性越來越好。尤其是當(dāng)工藝恒溫時間縮減6 min和縮減9 min時，預(yù)熱溫度分別為200 ℃、300 ℃時的片間均勻性相差不大，且上述條件時片內(nèi)均勻性的差異均在行業(yè)要求的±4%以內(nèi)。考慮到石墨舟載具從預(yù)熱腔到爐管反應(yīng)室的過程中在高溫段的降溫速率超過了2 ℃/s，此種情況下在實際生產(chǎn)過程中較難保證300 ℃的進舟溫度，再加上工業(yè)節(jié)能方面的要求，因此，建議在石墨舟開始鍍膜工藝時將預(yù)熱溫度保證為200 ℃較為適宜。由于工藝恒溫時間縮減9 min時的產(chǎn)能提升比縮減6 min時更大，因此選擇工藝恒溫時間縮減9 min。

從預(yù)熱溫度為200 ℃時的片內(nèi)均勻性和片間均勻性曲線可以看出，工藝恒溫時間縮減9 min時，片內(nèi)均勻性為3.92%，片間均勻性為6.1%，這主要是因爐口位置鍍膜硅片到爐尾位置鍍膜硅片之間的膜厚差導(dǎo)致的，實驗過程中并未將工藝參數(shù)調(diào)至最佳，但通過調(diào)整壓力、流量、工藝溫度等工藝參數(shù)可滿足行業(yè)內(nèi)要求的片內(nèi)均勻性和片間均勻性差異均在±4%。實驗結(jié)果表明，以200 ℃進行石墨舟載具預(yù)熱處理、工藝恒溫時間縮減9 min是較優(yōu)的工藝條件組合，該條件既有利于保證膜厚的均勻性，又能提高管式PECVD設(shè)備的產(chǎn)能。

3.2 溫度場均勻性測試

3.2.1 實驗方法

對“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”與“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時間”這2組實驗進行分析。

1)分別測試爐內(nèi)位置為邊列和中間列的爐口、爐中、爐尾6個位置的鍍膜硅片的膜厚數(shù)據(jù)，并計算同一工藝條件下邊列和中間列同一爐內(nèi)位置時鍍膜硅片的膜厚差值。

2)利用安裝在爐管反應(yīng)室底部的熱電偶反映沉積氮化硅薄膜工藝過程中石墨舟內(nèi)硅片的溫度變化趨勢。

3.2.2 實驗結(jié)果分析

同一工藝條件下邊列和中間列同一爐內(nèi)位置時硅片的膜厚差值如圖8所示。

圖8 同一工藝條件下邊列與中間列同一爐內(nèi)位置硅片的膜厚差值Fig.8 Difference of film thickness of silicon wafers between side row and middle row in the same furnace position under same process conditions

由圖8可知，預(yù)熱處理后中間列與邊列同一爐內(nèi)位置硅片的膜厚差值明顯減小，根據(jù)文獻[3]中“隨著沉積時溫度的增加，沉積速率也隨之增加”的結(jié)論，可判斷出經(jīng)過預(yù)熱處理后，石墨舟載具中間區(qū)域的溫度與兩側(cè)區(qū)域溫度的差異減小，所以沉積速率差異減小，膜厚差值減小。

熱電偶在線監(jiān)測的沉積氮化硅薄膜工藝過程中爐中溫區(qū)(MZ)的溫度曲線如圖9所示。

圖9 沉積氮化硅薄膜工藝過程中爐中溫區(qū)的溫度曲線Fig. 9 Temperature curve of MZ during process of depositing SiNx film

由圖9可知，當(dāng)“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”時，由于預(yù)熱后的石墨舟載具吸收爐管反應(yīng)室內(nèi)的熱量較少，使進舟段的溫度降低幅度明顯縮小，這更有利于恒溫段的溫度回升；且沉積段溫度曲線變化更平緩，沉積開始與沉積結(jié)束時的溫度差異較小，溫度穩(wěn)定性較高，更有利于沉積鍍膜。此結(jié)果表明，增加預(yù)熱處理有利于提高爐管反應(yīng)室截面溫度場均勻性，爐管反應(yīng)室徑向尺寸增大后提高溫度場均勻性的效果將更加明顯。

3.3 太陽電池的電性能參數(shù)測試

3.3.1 實驗方法

分別采用“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”與“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時間”工藝制備PERC單晶硅太陽電池，然后使用測試分選機測試2種工藝下制備的PERC單晶硅太陽電池的電性能參數(shù)，并對比其光電轉(zhuǎn)換效率分布情況。

3.3.2 實驗結(jié)果分析

分別采用上述2種工藝制備PERC單晶硅太陽電池，并且每種工藝制備的太陽電池均利用測試分選機對其電性能參數(shù)進行3次測試，單次測試的太陽電池數(shù)量約為400片。對比2種太陽電池的電性能參數(shù)的平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 2種工藝條件下制備的太陽電池的電性能測試結(jié)果對比Table 1 Comparison of electrical performances test results of solar cells under two procese conditions

由表1可知，采用“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”鍍膜工藝制備的太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率均高于常規(guī)的采用“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時間”鍍膜工藝制備的太陽電池的電性能參數(shù)；且光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.04%。

2種鍍膜工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布及高斯擬合計數(shù)情況如圖10所示。

圖10 不同鍍膜工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布及高斯擬合計數(shù)情況Fig. 10 Photoelectric conversion efficiency distribution of solar cells prepared by different coating processes and Gaussian fitting count

根據(jù)圖10可知，采用“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”鍍膜工藝制備的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布FWHM(半高全寬)值較小。此結(jié)果表明，采用“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”的鍍膜工藝有利于提升太陽電池的電性能，且電池的光電轉(zhuǎn)換效率分布更集中。

4 結(jié)論

本文對管式PECVD設(shè)備凈化臺的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，增加了預(yù)熱功能部件，構(gòu)成預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備；并通過實驗研究了不同預(yù)熱溫度與工藝恒溫時間縮減幅度之間的關(guān)系及其對鍍膜性能的影響。實驗結(jié)果表明，“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”較為適合當(dāng)前的生產(chǎn)條件，預(yù)熱處理有利于縮小石墨舟載具中間列與邊列硅片之間的溫度差異，膜厚差值也隨之縮小，進舟后爐管反應(yīng)室內(nèi)溫度降低幅度明顯縮小，回溫優(yōu)勢明顯，且沉積過程溫度變化小。通過太陽電池的電性能對比實驗表明，“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”的鍍膜工藝在保證膜厚均勻性、爐管反應(yīng)室截面溫度場均勻性的同時，降低了鍍膜工藝總時長，制備的太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子均有提升，光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.04%且光電轉(zhuǎn)換效率分布更為集中。因此，預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備可在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。