龍會(huì)躍，李 明，郭 艷

(湖南紅太陽光電科技有限公司，長(zhǎng)沙 410205)

0 引言

目前，等離子體增強(qiáng)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(duì)管式PECVD設(shè)備沉積氮化硅薄膜時(shí)的工藝參數(shù)調(diào)整進(jìn)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(huì)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(jià)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(diǎn)，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(tái)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(shí)間，從而縮短了鍍膜工藝的總時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)還有利于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；然后通過實(shí)驗(yàn)研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備對(duì)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(tái)、凈化臺(tái)、爐體柜、氣源柜、真空泵、下料滑臺(tái)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(tái)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(jiǎn)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(jiǎn)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(tái)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(tái)。凈化臺(tái)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(gè)潔凈空間，用于完成硅片及石墨舟載具從上、下料滑臺(tái)到爐體柜中加熱爐管的爐管反應(yīng)室之間的運(yùn)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(duì)爐管反應(yīng)室進(jìn)行抽真空并配合完成壓力控制動(dòng)作。

5)預(yù)熱腔與爐體柜并排，緊鄰凈化臺(tái)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(tái)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(tái)的結(jié)構(gòu)

預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備在凈化臺(tái)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(dòng)部件、三軸機(jī)械手裝置、預(yù)熱傳送裝置等，而原本的四軸機(jī)械手裝置經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后安裝在凈化臺(tái)的中間區(qū)域。預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的凈化臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，預(yù)熱傳送裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖2 預(yù)熱型管式PECVD設(shè)備的凈化臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)圖Fig. 3 Structure diagram of preheating conveyor

在凈化臺(tái)的預(yù)熱傳送區(qū)中的上料平臺(tái)上，裝載好硅片的石墨舟載具通過升降機(jī)構(gòu)在豎直方向運(yùn)動(dòng)。三軸機(jī)械手裝置通過電機(jī)、減速機(jī)、齒輪齒條傳動(dòng)、滑塊、導(dǎo)軌等實(shí)現(xiàn)第二Z軸、第二Y軸、第三Y軸方向的運(yùn)動(dòng)，將上料平臺(tái)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(gè)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(jī)、減速機(jī)、皮帶輪、皮帶傳動(dòng)、滑塊、導(dǎo)軌等實(shí)現(xiàn)第二X軸方向的運(yùn)動(dòng)，將預(yù)熱推桿上的石墨舟載具運(yùn)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(jī)械手裝置通過電機(jī)、減速機(jī)、齒輪齒條傳動(dòng)、滑塊、導(dǎo)軌等實(shí)現(xiàn)第一X軸、第一Y軸、第一Z軸方向的移動(dòng)，通過凸輪裝置實(shí)現(xiàn)繞支點(diǎn)在XOZ平面的轉(zhuǎn)動(dòng)，精確地將預(yù)熱傳送裝置上的石墨舟載具運(yùn)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(gè)冷卻緩存位。四軸機(jī)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(yùn)到下料機(jī)構(gòu)的下料托盤上，然后下料機(jī)構(gòu)沿Z軸方向豎直運(yùn)動(dòng)，通過升降機(jī)構(gòu)將石墨舟載具輸送至下料平臺(tái)。

合理利用凈化臺(tái)空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用單晶硅片的實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)用單晶硅片的實(shí)物圖Fig. 4 Photo of monocrystalline silicon wafer for experiment

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)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(cè)試儀器包括型號(hào)為GM1150A的紅外測(cè)溫儀、型號(hào)為EV-400的橢偏儀及測(cè)試分選機(jī)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)物圖Fig. 5 Photos of experiment equipments

2.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jiǎn)稱為“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時(shí)間”)的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行不同預(yù)熱溫度及工藝恒溫時(shí)間縮減3、6、9、12 min時(shí)(下文簡(jiǎn)稱為“預(yù)熱+縮減工藝恒溫時(shí)間”)的測(cè)試，然后對(duì)比不同預(yù)熱溫度與工藝恒溫時(shí)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(shí)間縮減幅度。預(yù)熱溫度的測(cè)試方法為：在22±2 ℃的恒溫車間環(huán)境下，石墨舟載具進(jìn)入爐管反應(yīng)室前，需用紅外測(cè)溫儀測(cè)量石墨舟的最外側(cè)舟片的中心點(diǎn)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(cè)試3次以上。

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

3 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 膜厚均勻性測(cè)試

3.1.1 實(shí)驗(yàn)方法

每次不同預(yù)熱溫度及不同工藝恒溫時(shí)間縮減幅度實(shí)驗(yàn)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(gè)位置的鍍膜后的實(shí)驗(yàn)硅片，然后采用橢偏儀對(duì)每個(gè)硅片的正面進(jìn)行膜厚數(shù)據(jù)測(cè)試；每個(gè)硅片的正面都測(cè)試5個(gè)點(diǎn)(1個(gè)中心點(diǎn)和4個(gè)角點(diǎn))的膜厚，最后通過膜厚均勻性計(jì)算公式計(jì)算硅片內(nèi)的膜厚均勻性和(下文簡(jiǎn)稱“片內(nèi)均勻性”)硅片間的膜厚均勻性(下文簡(jiǎn)稱“片間均勻性”)數(shù)值。

膜厚均勻性的計(jì)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(cè)值；n為測(cè)試點(diǎn)數(shù)量；=為各次膜厚檢測(cè)值的平均值。

其中，

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)橢偏儀測(cè)得鍍膜后的實(shí)驗(yàn)硅片正面的膜厚數(shù)據(jù)，利用式(1)計(jì)算得到不同預(yù)熱溫度與不同工藝恒溫時(shí)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(shí)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(shí)間縮減幅度的增加，鍍膜后的實(shí)驗(yàn)硅片的片內(nèi)均勻性和片間均勻性整體上均呈上升趨勢(shì)，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(shí)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(shí)間縮減3 min時(shí)，不同預(yù)熱溫度條件下，鍍膜后的實(shí)驗(yàn)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(shí)間縮減6～12 min時(shí)，在同一工藝恒溫時(shí)間縮減幅度下，隨著預(yù)熱溫度的升高，鍍膜后的實(shí)驗(yàn)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(shì)，這說明實(shí)驗(yàn)硅片的膜厚均勻性越來越好。尤其是當(dāng)工藝恒溫時(shí)間縮減6 min和縮減9 min時(shí)，預(yù)熱溫度分別為200 ℃、300 ℃時(shí)的片間均勻性相差不大，且上述條件時(shí)片內(nèi)均勻性的差異均在行業(yè)要求的±4%以內(nèi)?？紤]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(shí)際生產(chǎn)過程中較難保證300 ℃的進(jìn)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(shí)將預(yù)熱溫度保證為200 ℃較為適宜。由于工藝恒溫時(shí)間縮減9 min時(shí)的產(chǎn)能提升比縮減6 min時(shí)更大，因此選擇工藝恒溫時(shí)間縮減9 min。

從預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)的片內(nèi)均勻性和片間均勻性曲線可以看出，工藝恒溫時(shí)間縮減9 min時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以200 ℃進(jìn)行石墨舟載具預(yù)熱處理、工藝恒溫時(shí)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(chǎng)均勻性測(cè)試

3.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時(shí)間縮減9 min”與“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時(shí)間”這2組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

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

3.2.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(xiàn)[3]中“隨著沉積時(shí)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(cè)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(shí)間縮減9 min”時(shí)，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(jìn)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(shí)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(chǎng)均勻性，爐管反應(yīng)室徑向尺寸增大后提高溫度場(chǎng)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(cè)試

3.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時(shí)間縮減9 min”與“不預(yù)熱+不縮減工藝恒溫時(shí)間”工藝制備PERC單晶硅太陽電池，然后使用測(cè)試分選機(jī)測(cè)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(duì)比其光電轉(zhuǎn)換效率分布情況。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)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(cè)試分選機(jī)對(duì)其電性能參數(shù)進(jìn)行3次測(cè)試，單次測(cè)試的太陽電池?cái)?shù)量約為400片。對(duì)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(cè)試結(jié)果對(duì)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(duì)管式PECVD設(shè)備凈化臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)研究了不同預(yù)熱溫度與工藝恒溫時(shí)間縮減幅度之間的關(guān)系及其對(duì)鍍膜性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時(shí)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(jìn)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(shì)明顯，且沉積過程溫度變化小。通過太陽電池的電性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，“預(yù)熱溫度200 ℃+工藝恒溫時(shí)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(chǎng)均勻性的同時(shí)，降低了鍍膜工藝總時(shí)長(zhǎng)，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(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。