板式PECVD設(shè)備維護(hù)后初期的 生產(chǎn)品質(zhì)提升方案

王貴梅，趙 環(huán)，劉 苗，朱少杰，孫曉凱

(晶澳太陽(yáng)能有限公司，邢臺(tái) 055550)

0 引言

鍍膜是太陽(yáng)電池生產(chǎn)中較為重要的工藝，而氮化硅薄膜一般由PECVD設(shè)備來(lái)制備[1]。目前，對(duì)于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的板式PECVD設(shè)備而言，通常以72～96 h作為1個(gè)維護(hù)周期，維護(hù)工作主要涉及更換設(shè)備中的石英管和清理特種氣體NH3和SiH4的氣孔，以及其他的維護(hù)保養(yǎng)工作。在實(shí)際的太陽(yáng)電池生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，PECVD設(shè)備在維護(hù)后初期(約1 h)鍍制的氮化硅薄膜容易因膜厚和折射率不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的太陽(yáng)電池存在色差及電池的光電轉(zhuǎn)換效率偏低的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以板式PECVD設(shè)備維護(hù)后初期(0～64 min)在多晶硅片表面鍍的氮化硅薄膜為研究對(duì)象，分析了其膜厚、折射率及腐蝕速率等數(shù)據(jù)，對(duì)此情況下制備的多晶硅太陽(yáng)電池的電性能進(jìn)行了分析，并提出了提升設(shè)備維護(hù)后初期生產(chǎn)品質(zhì)的方案。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及儀器

本文中的實(shí)驗(yàn)硅片采用晶海洋半導(dǎo)體材料(東海)有限公司生產(chǎn)的金剛線(xiàn)切割p型多晶硅片，尺寸為156 mm×156 mm，厚度為180±10 μm，電阻率為1～3 Ω·cm。

采用德國(guó)Meyer Burger公司的能量頻率為2.45 GHz 的板式PECVD 設(shè)備制備氮化硅薄膜，利用北京量拓科技有限公司生產(chǎn)的EMPro-PV橢偏儀測(cè)試氮化硅薄膜的膜厚和折射率，采用Halm檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)按照多晶硅太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程生產(chǎn)的太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氮化硅薄膜的膜厚、折射率測(cè)試

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取1臺(tái)剛進(jìn)行過(guò)設(shè)備維護(hù)的板式PECVD設(shè)備，將設(shè)備維護(hù)后的所有工藝參數(shù)設(shè)定成與維護(hù)前一致；任意選取3個(gè)連續(xù)的石墨框，石墨框編號(hào)為K1～K3；每個(gè)石墨框完成1次氮化硅薄膜鍍膜耗時(shí)8 min，每次鍍膜完成后，分別從每個(gè)石墨框中任意選取5片鍍膜后的硅片，共選取8次；測(cè)試每片硅片所鍍氮化硅薄膜的中心點(diǎn)膜厚和折射率，以每次選取的5片硅片的平均值作為該石墨框當(dāng)次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

統(tǒng)計(jì)不同鍍膜時(shí)間下膜層的膜厚和折射率，分別如圖1、圖2所示。

圖1 設(shè)備維護(hù)后的鍍膜時(shí)間與膜厚的關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 1 Relationship curve between coating time and film thickness after equipment maintenance

由圖1可知，隨著設(shè)備維護(hù)后時(shí)間的推移，鍍膜的膜厚呈逐漸下降趨勢(shì)，且從第48 min開(kāi)始基本趨于穩(wěn)定；在設(shè)備維護(hù)后48 min時(shí)，3個(gè)石墨框鍍膜的平均膜厚較設(shè)備維護(hù)后8 min時(shí)的下降了約5 nm。

圖2 設(shè)備維護(hù)后的鍍膜時(shí)間與膜層折射率的關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 2 Relationship curve between coating time and refractive index of film after equipment maintenance

由圖2可知，隨著設(shè)備維護(hù)后時(shí)間的推移，鍍膜的折射率呈逐漸上升趨勢(shì)，且從第56 min開(kāi)始基本趨于穩(wěn)定；在設(shè)備維護(hù)后56 min時(shí)，3個(gè)石墨框中鍍膜的平均折射率較設(shè)備維護(hù)后8 min時(shí)的上升約0.060%。

通過(guò)分析設(shè)備維護(hù)后初期(0～64 min)鍍膜的膜厚和折射率隨時(shí)間推移發(fā)生變化的原因，認(rèn)為可能是受設(shè)備反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)空氣、水分等雜質(zhì)的影響，再加上設(shè)備維護(hù)后初期時(shí)設(shè)備內(nèi)等離子體激發(fā)不完全[1]，導(dǎo)致此種情況下鍍的膜層的微觀(guān)成分與設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)鍍的存在差異。

2.2 腐蝕速率的測(cè)試

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

從K1～K3石墨框中分別選取設(shè)備維護(hù)后8 min和88 min鍍膜的硅片各5片，采用濃度為23%的HF溶液腐蝕硅片膜層25 s；將腐蝕前、后的膜厚差值除以腐蝕時(shí)間定義為腐蝕速率，統(tǒng)計(jì)不同情況下的腐蝕速率數(shù)據(jù)，并分析差異性。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

設(shè)備維護(hù)后8 min和88 min時(shí)鍍的膜層的腐蝕速率結(jié)果如圖3所示。

圖3 設(shè)備維護(hù)后不同鍍膜時(shí)間所鍍膜層的腐蝕速率Fig. 3 Corrosion rate of film prepared at different coating times after equipment maintenance

由圖3可知，設(shè)備維護(hù)后8 min鍍的膜層的腐蝕速率明顯偏高，其腐蝕速率幾乎是設(shè)備維護(hù)后88 min鍍的膜層的1.64倍。由于氮化硅薄膜的腐蝕速率能在一定程度上表征膜層的致密性，腐蝕速率越低，表明膜層的致密性越好；腐蝕速率越高，表明膜層的致密性越差。由此可知，與設(shè)備維護(hù)后88 min所鍍膜層相比，設(shè)備維護(hù)后8 min所鍍膜層的致密性差、較為疏松，這表明在設(shè)備維護(hù)后初期制備的膜層存在較多缺陷。

2.3 電池的電性能測(cè)試

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將設(shè)備維護(hù)后64 min內(nèi)鍍膜的硅片制備成太陽(yáng)電池，從中選取3200片電池作為實(shí)驗(yàn)組；取設(shè)備維護(hù)前64 min內(nèi)鍍膜的硅片制備成太陽(yáng)電池，從中選取3200片電池作為對(duì)比組。這2種太陽(yáng)電池在同一印刷線(xiàn)下傳至相同檢測(cè)機(jī)臺(tái)，得出實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組平均的電性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以對(duì)比組的電性能測(cè)試數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)組的各參數(shù)值的變化情況如表1所示。

由表1可知，以對(duì)比組的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的Eta降低了0.05%、Voc降低了0.0042 V、Isc降低了0.017 A。這可能是因?yàn)樵O(shè)備維護(hù)后初期時(shí)制備的氮化硅薄膜受雜質(zhì)及等離子體激發(fā)不完全的影響，導(dǎo)致膜層性能不穩(wěn)定，膜層的減反射效果與鈍化效果較差，使制備的太陽(yáng)電池的Isc和Voc下降，進(jìn)而造成電池的Eta降低。

表1 以對(duì)比組的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)組的各參數(shù)值的變化情況Table 1 Based on electrical performance data of comparison group，changes in parameter values of experimental group

3 設(shè)備維護(hù)后初期的生產(chǎn)品質(zhì)提升方案

板式PECVD設(shè)備會(huì)根據(jù)壓力設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)角閥的開(kāi)度值，由于角閥開(kāi)度的波動(dòng)能反映設(shè)備的真空狀態(tài)，因此正常生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)控角閥開(kāi)度曲線(xiàn)的波動(dòng)趨勢(shì)來(lái)設(shè)置合理的報(bào)警區(qū)間，以避免由于設(shè)備的真空度異常而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)生產(chǎn)品質(zhì)異常的情況。而在設(shè)備維護(hù)后初期，由于設(shè)備剛復(fù)機(jī)，角閥開(kāi)度波動(dòng)較大，產(chǎn)線(xiàn)往往通過(guò)屏蔽角閥報(bào)警來(lái)滿(mǎn)足此時(shí)的生產(chǎn)需求，導(dǎo)致電池易出現(xiàn)色差及轉(zhuǎn)換效率偏低的情況，因此在設(shè)備維護(hù)后初期需增加對(duì)角閥開(kāi)度曲線(xiàn)的監(jiān)控。在設(shè)備維護(hù)前、后工藝參數(shù)保持一致的情況下，設(shè)備維護(hù)后的角閥開(kāi)度曲線(xiàn)隨時(shí)間的波動(dòng)趨勢(shì)圖如圖4所示。

圖4 設(shè)備維護(hù)后的角閥開(kāi)度曲線(xiàn)隨時(shí)間的波動(dòng)趨勢(shì)圖Fig. 4 Fluctuation trend of angle valve opening curve with time after equipment maintenance

針對(duì)設(shè)備維護(hù)后初期時(shí)制備的太陽(yáng)電池電性能較差的情況進(jìn)行改進(jìn)，在角閥開(kāi)度曲線(xiàn)波動(dòng)未穩(wěn)定(曲線(xiàn)上下波動(dòng)不超過(guò)1%時(shí)認(rèn)為波動(dòng)穩(wěn)定)之前，石墨框內(nèi)不放置硅片，只保持空石墨框在設(shè)備內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，目的是對(duì)石墨框加熱，減少因石墨框溫度較低而產(chǎn)生邊緣色差的電池的數(shù)量；并通過(guò)石墨框在倉(cāng)體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)，改善等離子體分布的均勻性，增加石墨框表面的氮化硅沉積，降低鍍膜過(guò)程中石墨框與硅片競(jìng)爭(zhēng)沉積氮化硅的幾率；同時(shí)減少因設(shè)備維護(hù)后初期鍍膜的膜厚和折射率不穩(wěn)定導(dǎo)致存在色差的電池的數(shù)量。待角閥開(kāi)度曲線(xiàn)穩(wěn)定后，石墨框再放置硅片，以保證鍍膜的膜厚和折射率穩(wěn)定。

角閥開(kāi)度曲線(xiàn)波動(dòng)穩(wěn)定后，往石墨框內(nèi)放置3200片硅片進(jìn)行鍍膜，并依據(jù)生產(chǎn)流程制備成太陽(yáng)電池，作為實(shí)驗(yàn)組；選取設(shè)備維護(hù)前64 min內(nèi)鍍膜的3200片硅片，同樣依據(jù)生產(chǎn)流程制備成太陽(yáng)電池，作為對(duì)比組。以對(duì)比組的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)組的電性能數(shù)據(jù)變化情況如表2所示。

表2 以對(duì)比組的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)組的電性能數(shù)據(jù)的變化情況Table 2 Based on electrical perpormance data of comparison group，changs of electrical performance data of experimental group

由表2可知，以對(duì)比組的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的Eta、Isc和Voc均有所提升。而且待角閥開(kāi)度曲線(xiàn)波動(dòng)穩(wěn)定后再進(jìn)行硅片鍍膜，降低了板式PECVD設(shè)備維護(hù)后初期鍍膜情況下生產(chǎn)的太陽(yáng)電池產(chǎn)生色差的比例，提升了電池的良品率。

4 結(jié)論

本文針對(duì)板式PECVD設(shè)備維護(hù)后初期鍍的氮化硅薄膜的膜厚、折射率、腐蝕速率等數(shù)據(jù)，以及此情況下制備的太陽(yáng)電池的電性能進(jìn)行了分析，并提出了設(shè)備維護(hù)后初期生產(chǎn)品質(zhì)的提升方案，得到以下結(jié)論：

1)隨著設(shè)備維護(hù)后時(shí)間的推移，所鍍膜層的折射率呈逐漸上升趨勢(shì)，且從第56 min開(kāi)始基本趨于穩(wěn)定；在設(shè)備維護(hù)56 min時(shí)，3個(gè)石墨框鍍膜的平均折射率較設(shè)備維護(hù)后8 min時(shí)的上升約0.060%。

2)設(shè)備維護(hù)后8 min時(shí)所鍍膜層的腐蝕速率明顯偏高，幾乎是設(shè)備維護(hù)后88 min時(shí)所鍍膜層的1.64倍；且此時(shí)所鍍膜層較為疏松，存在較多缺陷。

3)以設(shè)備維護(hù)前64 min內(nèi)鍍膜的硅片制備的太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，設(shè)備維護(hù)后64 min內(nèi)鍍膜的硅片制備的太陽(yáng)電池的Eta降低0.05%、Voc降低0.0042 V、Isc降低0.017 A。優(yōu)化板式PECVD設(shè)備維護(hù)后初期的狀態(tài)后，提升了此種鍍膜情況下生產(chǎn)的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，并降低了電池產(chǎn)生色差的比例，提高了電池的良品率。