微波等離子體平板式PECVD設備控制系統設計

吳易龍，陳臻陽，李若儒

(湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙410111)

鈍化發射極及背接觸太陽能電池（PERC電池）是目前技術成熟、應用廣泛的高效太陽能電池，其產能逐年擴大[1]。與常規鋁背場電池相比，PERC電池的工藝流程中增加了全覆蓋的背面鈍化膜，通過PECVD的方式，在背面沉積一層氧化鋁鈍化層，再覆蓋一層氮化硅保護膜，以降低表面載流子的復合，減少缺陷帶來的電池背面光電損失，從而提高電池的轉換效率[2]。

通過PECVD的方式，能夠在同一工序中完成氧化鋁和氮化硅薄膜的制備，且沉積速率高，成本和單位時間產能具有優勢，因此PECVD法的背鈍化設備成為市場主流，是PERC電池工藝中的核心設備。本文研究了平板式PECVD設備微波等離子體的控制系統。

1 系統構成

平板式PECVD設備采用工控機進行人機交互加上PLC控制器主控方式實現，整個控制系統主要包括微波控制系統、溫控系統、真空系統、傳動系統、壓控系統、氣路系統以及故障報警系統，如圖1所示。

圖1 平板式PECVD電控系統框架

1.1 微波控制系統

作為微波等離子體平板式PECVD設備的核心部件，微波等離子體系統主要由微波電源、模式轉換天線、矩形波導、石英管、內傳導天線及短路調諧器構成，控制系統通過CANopen總線與微波電源進行實時通訊，針對微波電源反饋的不同狀態，發送不同的控制指令，從而實現對微波等離子體系統的啟動、停止以及報警復位的自動控制。微波控制流程如圖2所示。

圖2 微波控制系統流程圖

微波控制流程實現的VB 6.0語言的部分代碼如下：

1.2 溫度控制系統

平板式PECVD設備的加熱方式有2種：紅外燈管加熱和金屬加熱板加熱。紅外燈管加熱方式升溫速度快，但是穩定性差；金屬加熱板加熱方式升溫速度慢，但是穩定性好。雖然兩種加熱方式分布在不同的腔體，但是在整個自動工藝的過程中還是會因為腔體的連通而相互影響，再加上載板會經過所有腔體，而且腔內的壓力、氣流都是隨時變化的，所以平板式PECVD設備的溫度場是一個非常復雜的控制對象。

在正常工藝過程中，每個腔體、每個加熱區域所需要的加熱溫度不同，因此控制系統需要對每個加熱通道進行獨立控制。溫控系統采用PLC的DO作為控制輸出，熱偶的AI信號作為反饋輸入的PID控制方式。

測溫熱電偶將溫度信號轉換為模擬量，通過模擬量輸入模塊傳送至PLC控制器，PLC控制器根據設定的加熱溫度，經過內部溫度控制算法計算后，通過DO輸出周期為1 s、脈沖寬度為0～1 s的矩形方波給可控硅，通過控制加熱器接通的頻率，完成溫度的自動控制。控制邏輯如圖3所示。

圖3 溫度控制系統邏輯圖

1.3 自動工藝流程控制系統

平板式PECVD設備由多個真空腔體組成，為了實現模塊化編程，在軟件設計時，把每個腔體作為一個相對獨立的控制模塊，能夠獨立實現該腔體的所有功能，只和與其相鄰的兩個腔體進行簡單的“請求”、“準備好”及“報警”信號的交互，以實現載板在工藝過程中的正常傳輸。

在自動工藝的過程中，當某個腔體處于空閑狀態時，該腔體的控制模塊會向前一個腔體的控制模塊發送“請求”信號，當載板進入該腔體并完成程序設計的所有流程后，就需要傳送至下一個腔體，此時該腔體的控制模塊會向后一個腔體的控制模塊發送“準備好”信號，若此時后一個腔體也處于“請求”的狀態，則載板會從該腔體自動傳送至后一個腔體。

2 結束語

本文研究了一種微波等離子體平板式PECVD設備的控制系統，主要討論了微波控制系統，并給出了實現的關鍵代碼，另外還討論了溫度控制系統，并設計了系統自動工藝流程。該控制系統已經在數臺平板式PECVD設備上應用驗證，均能穩定可靠地運行。