預熱型管式PECVD設備結構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室腔體中通入工藝氣體，采用射頻放電產生等離子體，工藝氣體在等離子體中獲得能量被激發、電離，發生化學反應生成氮化硅，并在硅片表面沉積形成氮化硅薄膜的過程[1]。

按照樣品安放結構的不同，PECVD設備可以分為管式PECVD設備和平板式PECVD設備。研究人員對管式PECVD設備沉積氮化硅薄膜時的工藝參數調整進行了大量研究，研究結果表明，工藝氣體流量比、沉積溫度、射頻功率、反應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]。隨著光伏發電越來越趨近于平價上網，這就要求太陽電池制備的各生產環節不斷提高生產效率，從而降低生產成本。

本文以提高光伏設備的產能來降低生產成本作為出發點，提出了一種優化后的管式PECVD設備結構，其合理利用了設備的凈化臺空間，增加了具有預熱功能的結構部件，構成了預熱型管式PECVD設備，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換效率；然后通過實驗研究了結構優化后的預熱型管式PECVD設備對鍍膜性能的影響。

1 預熱型管式PECVD設備的結構

1.1 整體結構

常規型管式PECVD設備主要由上料滑臺、凈化臺、爐體柜、氣源柜、真空泵、下料滑臺等組成。預熱型管式PECVD設備是在常規型管式PECVD設備的爐體柜一側增加了預熱腔，并在凈化臺區域增加了預熱傳送區。預熱型管式PECVD設備的整體結構簡圖如圖1所示。

圖1 預熱型管式PECVD設備的整體結構簡圖Fig. 1 Overall structure diagram of preheating tubular PECVD equipment

在圖1所示的預熱型管式PECVD設備中：

1)上料滑臺是將裝卸片區中已裝載好硅片的石墨舟載具輸送到預熱型管式PECVD設備的凈化臺。凈化臺分為預熱傳送區、石墨舟載具傳輸區、冷卻區，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室之間的運輸。

2)爐體柜內主要放置加熱爐管，硅片在加熱爐管的爐管反應室內完成鍍膜工藝。

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

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

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

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，便于完成鍍膜工藝后的硅片流轉到下一道工序。

1.2 凈化臺的結構

預熱型管式PECVD設備在凈化臺區域增加了預熱傳送區，包括預熱的石墨舟載具及硅片的傳動部件、三軸機械手裝置、預熱傳送裝置等，而原本的四軸機械手裝置經過結構優化后安裝在凈化臺的中間區域。預熱型管式PECVD設備的凈化臺的結構簡圖如圖2所示，預熱傳送裝置的結構簡圖如圖3所示。

圖2 預熱型管式PECVD設備的凈化臺的結構簡圖Fig. 2 Structure diagram of clean cabinet of preheating tubular PECVD equipment

圖3 預熱傳送裝置的結構簡圖Fig. 3 Structure diagram of preheating conveyor

在凈化臺的預熱傳送區中的上料平臺上，裝載好硅片的石墨舟載具通過升降機構在豎直方向運動。三軸機械手裝置通過電機、減速機、齒輪齒條傳動、滑塊、導軌等實現第二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熱推桿上。預熱傳送區設有多個預熱推桿和相應數量的預熱腔。預熱推桿通過電機、減速機、皮帶輪、皮帶傳動、滑塊、導軌等實現第二X軸方向的運動，將預熱推桿上的石墨舟載具運送至預熱腔內或將預熱腔內的石墨舟載具取出，預熱推桿上的爐門與預熱腔貼緊后形成了封閉的腔室。

石墨舟載具傳輸區的四軸機械手裝置通過電機、減速機、齒輪齒條傳動、滑塊、導軌等實現第一X軸、第一Y軸、第一Z軸方向的移動，通過凸輪裝置實現繞支點在XOZ平面的轉動，精確地將預熱傳送裝置上的石墨舟載具運送至爐管反應室內，或將爐管反應室內的石墨舟載具取出后放置到冷卻區。

冷卻區設有多個冷卻緩存位。四軸機械手裝置將冷卻緩存位上冷卻結束的石墨舟載具轉運到下料機構的下料托盤上，然后下料機構沿Z軸方向豎直運動，通過升降機構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構優化設計，增加預熱功能后，可使石墨舟載具和硅片快速達到預設溫度，節省了單次鍍膜工藝時間，從而提高了管式PECVD設備的產能。

2 預熱型管式PECVD設備的鍍膜性能實驗

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 實驗設備

本實驗采用湖南紅太陽光電科技有限公司制造的預熱型管式PECVD設備，該設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。實驗設備的實物圖如圖5所示。

圖5 實驗設備的實物圖Fig. 5 Photos of experiment equipments

2.2 實驗內容

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

2)采用前一項實驗內容中確定的較優的“預熱+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“預熱+縮減工藝恒溫時間”與“不預熱+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果，以確定管式PECVD設備增加預熱處理后對PERC單晶硅太陽電池電性能的影響。

3 實驗方法及實驗結果分析

3.1 膜厚均勻性測試

3.1.1 實驗方法

每次不同預熱溫度及不同工藝恒溫時間縮減幅度實驗結束后，分別選取同一批次爐內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據測試；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的膜厚均勻性和(下文簡稱“片內均勻性”)硅片間的膜厚均勻性(下文簡稱“片間均勻性”)數值。

膜厚均勻性的計算公式為：

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

其中，

3.1.2 實驗結果分析

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

圖6 不同預熱溫度及不同工藝恒溫時間縮減幅度下的片內均勻性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

當工藝恒溫時間縮減3 min時，不同預熱溫度條件下，鍍膜后的實驗硅片的片內均勻性及片間均勻性均差距不大。當工藝恒溫時間縮減6～12 min時，在同一工藝恒溫時間縮減幅度下，隨著預熱溫度的升高，鍍膜后的實驗硅片的片內均勻性和片間均勻性均大致呈現下降的趨勢，這說明實驗硅片的膜厚均勻性越來越好。尤其是當工藝恒溫時間縮減6 min和縮減9 min時，預熱溫度分別為200 ℃、300 ℃時的片間均勻性相差不大，且上述條件時片內均勻性的差異均在行業要求的±4%以內。考慮到石墨舟載具從預熱腔到爐管反應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過程中較難保證300 ℃的進舟溫度，再加上工業節能方面的要求，因此，建議在石墨舟開始鍍膜工藝時將預熱溫度保證為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。

從預熱溫度為200 ℃時的片內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致的，實驗過程中并未將工藝參數調至最佳，但通過調整壓力、流量、工藝溫度等工藝參數可滿足行業內要求的片內均勻性和片間均勻性差異均在±4%。實驗結果表明，以200 ℃進行石墨舟載具預熱處理、工藝恒溫時間縮減9 min是較優的工藝條件組合，該條件既有利于保證膜厚的均勻性，又能提高管式PECVD設備的產能。

3.2 溫度場均勻性測試

3.2.1 實驗方法

對“預熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”與“不預熱+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據，并計算同一工藝條件下邊列和中間列同一爐內位置時鍍膜硅片的膜厚差值。

2)利用安裝在爐管反應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硅片的溫度變化趨勢。

3.2.2 實驗結果分析

同一工藝條件下邊列和中間列同一爐內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，預熱處理后中間列與邊列同一爐內位置硅片的膜厚差值明顯減小，根據文獻[3]中“隨著沉積時溫度的增加，沉積速率也隨之增加”的結論，可判斷出經過預熱處理后，石墨舟載具中間區域的溫度與兩側區域溫度的差異減小，所以沉積速率差異減小，膜厚差值減小。

熱電偶在線監測的沉積氮化硅薄膜工藝過程中爐中溫區(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的溫度曲線Fig. 9 Temperature curve of MZ during process of depositing SiNx film

由圖9可知，當“預熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”時，由于預熱后的石墨舟載具吸收爐管反應室內的熱量較少，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，沉積開始與沉積結束時的溫度差異較小，溫度穩定性較高，更有利于沉積鍍膜。此結果表明，增加預熱處理有利于提高爐管反應室截面溫度場均勻性，爐管反應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測試

3.3.1 實驗方法

分別采用“預熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”與“不預熱+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，并對比其光電轉換效率分布情況。

3.3.2 實驗結果分析

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進行3次測試，單次測試的太陽電池數量約為400片。對比2種太陽電池的電性能參數的平均值，結果如表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、光電轉換效率均高于常規的采用“不預熱+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；且光電轉換效率提高了0.04%。

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

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

根據圖10可知，采用“預熱溫度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換效率分布FWHM(半高全寬)值較小。此結果表明，采用“預熱溫度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，且電池的光電轉換效率分布更集中。

4 結論

本文對管式PECVD設備凈化臺的結構進行了優化設計，增加了預熱功能部件，構成預熱型管式PECVD設備；并通過實驗研究了不同預熱溫度與工藝恒溫時間縮減幅度之間的關系及其對鍍膜性能的影響。實驗結果表明，“預熱溫度200 ℃+工藝恒溫時間縮減9 min”較為適合當前的生產條件，預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，進舟后爐管反應室內溫度降低幅度明顯縮小，回溫優勢明顯，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，光電轉換效率提高了0.04%且光電轉換效率分布更為集中。因此，預熱型管式PECVD設備可在實際生產中推廣應用。