管式PECVD設備腔內大容量石墨舟力學性能的數值分析

曹佳銘 鄢慶陽 王剛 李陸明 呂志軍

摘 要：提高等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法制備的氮化硅薄膜品質在太陽電池光電轉換效率領域有舉足輕重的作用。承載大量硅片的石墨舟是管式PECVD設備中的關鍵核心部件，隨著生產效率的不斷提升，熱力耦合環境下腔內大容量石墨舟力學性能的穩定性引人關注。通過CAD軟件建立石墨舟有限元模型并使用ANSYS仿真軟件進行熱力學仿真研究，綜合分析其在高溫條件下受力、受熱后的變形情況。研究結果顯示：結構自重是石墨舟形變及應力集中產生的主要因素，溫度產生的影響并不明顯；采用結構增強設計可有效提升石墨舟整體的力學性能。

關鍵詞：太陽電池；石墨舟；有限元模型；熱力耦合；管式PECVD

中圖分類號：TH123+.4 文獻標志碼：A

0? 引言

目前，等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法被廣泛應用于光伏發電行業的太陽電池鍍膜工序中[1]。PECVD法操作簡單、重復性好、成本低廉，相較于液相外延（LPE）、金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）、氣相外延（VPE）等方法，其制備的氮化硅薄膜具有強度高、硬度高、介電常數大、折射率可調、透射率高、光衰減系數小和化學穩定性好等技術優勢[2]，使用管式PECVD法進行鍍膜工藝能夠實現更高的鍍膜效率。

隨著光伏市場對降本增效需求的日益增長，管式PECVD設備的產能也在不斷提高[3]。作為管式PECVD生產工藝中的關鍵裝載工具，大容量石墨舟中單次鍍膜的硅片數量已經從原先的300、400片增加至現在的600片左右，舟體長度已達到2 m以上。目前，增加石墨舟的長寬比，進而增加單次工藝過程中單晶硅片的鍍膜數量，已成為太陽電池產業降本增效的重要手段。

同時，管式PECVD設備生產中的質量控制問題日漸顯現[3]。實際上，管式PECVD設備在進行硅片鍍膜的過程中，硅片和石墨舟會受到高溫、結構自重、電磁等多物理場耦合作用，影響硅片鍍膜品質的因素十分復雜，既包括石墨舟自身的形狀、載片數量、荷載分布等因素，也包括工藝氣體的成分、比例、輸入速率等關鍵工藝參數，同時還涉及管式PECVD設備內部各分區溫度、預熱退火情況及石墨舟清洗等環節[4]。例如：通入氣體速率不同易導致硅片鍍膜厚度不一[5]；石墨舟卡點形狀不同會導致硅片在卡點處產生損傷[6]；提前對石墨舟預熱則能減少工藝總體時間[7]等。

針對上述問題，國內外學者及工程技術人員進行了理論研究與實驗分析。國內學者及研究中：朱輝等[8]的研究主要集中在推舟裝置的優化上，以獲取大產能條件下各組成部件形變最小的推舟機構結構。王貴梅等[9]則針對采用PECVD法沉積的氮化硅/氮氧化硅（SiyNx/SiOxNiy）疊層膜進行了實驗研究，將太陽電池的實驗室光電轉換效率提升了0.07%；利用SiyNx/SiOxNiy疊層膜抗氧化、抗鈉離子的特性，使太陽電池的抗電勢誘導衰減性能提升了22%。國外學者及研究中：Amirzada等[10]開發了用于PECVD工藝整個操作過程的溫度范圍預測模型，可以直接計算鍍膜表面的粗糙度，大幅節省了實驗時間。Kozak等[11]研究了退火結構和性能對氮化硅薄膜的影響，結果表明：高溫和低溫退火都會導致Si-C-N薄膜出現硬度降低的問題。

石墨舟作為管式PECVD設備生產過程中的關鍵支撐部件，在化學氣相沉積反應中需要適應非常嚴苛的工作環境。此前的多數研究針對PECVD設備中除石墨舟外的其他零部件的熱變形特性展開，而對于熱力耦合環境下大容量石墨舟力學性能（應力、應變）的穩定性卻鮮有涉及。基于此，本文采用ANSYS有限元仿真軟件對管式PECVD設備腔內大容量石墨舟在工作狀態下的力學性能進行分析和討論，以期更好地了解石墨舟在熱力耦合環境下的力學穩定性及其主要影響因素，為大容量石墨舟結構優化設計提供技術參考。

1? 石墨舟結構的有限元建模

1.1? 管式PECVD設備結構

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、預熱腔等部分組成[8]。管式PECVD設備的反應腔是鍍膜工藝的主要工作區域，其內部結構示意圖[2]如圖1所示。

石墨舟是一個典型的扁平長形腔體結構，通常長寬高比約為1100：1：110。其主要結構為置于陶瓷支撐梁上的石墨舟腳、石墨舟片，以及用于固定的陶瓷棒和陶瓷螺母；其次是用于調整熱變形的碳-碳墊片和陶瓷墊片。本實驗模型選用9×32的石墨舟單元模型開展研究，即該石墨舟單

元具有32片石墨舟片，每片石墨舟片具有9個可供放置硅片位置的槽位，其結構示意圖如圖2所示。載片模式是最外兩側的石墨舟片只有單面內側載片，內部石墨舟片為雙面載片，因此載片量為30×9×2+2×9=558，即單次工藝可對558片硅片鍍膜。槽位為斜向放置的圓角矩形，其與水平方向夾角約為4°～6°，兩槽位之間距離約為200 mm。石墨舟片厚約為2～3 mm，外層片比內側厚約1～2 mm，水平方向相鄰的片之間距離約為10 mm。

1.2? 模型簡化

建立符合實際工況的石墨舟單元有限元模型時，對實物物理狀態進行準確描繪與再現是分析高溫環境下石墨舟形變數值的前提條件。實驗所選的石墨舟單元裝配體零部件共27類，1886個，考慮到數值計算效率及精度的平衡，需要利用CAD軟件對模型零部件進行適當簡化后再導入ANSYS軟件中計算。簡化方法有：簡化石墨舟單元最外層的石墨舟片細節，忽略最外層舟片外側的挖槽；忽略陶瓷墊片的缺口并且使用10 N的螺栓預緊力來替代外側的陶瓷螺母，該過程可減少其計算量而計算精度沒有明顯損失。經簡化，石墨舟單元最終模型零部件共20類，990個。

1.3? 設置約束及荷載

根據實際生產條件，對石墨舟單元有限元模型施加兩個約束，分別為：對陶瓷支撐梁兩端施加的固定約束；對側面陶瓷棒施加的10 N螺栓預緊力。同時，對該有限元模型施加標準結構力和溫度荷載，溫度荷載曲線圖如圖3所示。

1.4? 網格劃分

對石墨舟單元有限元模型進行網格劃分，劃分為數量分別為399345、437166、472337的3種網格，得到的仿真結果的應力和應變無明顯差異。考慮到計算量及時間成本等因素，本實驗均采用數量為399345的網格進行研究。在石墨舟片上卡點位置對其使用mesh網格劃分進行加密處理。因為本模型中的零部件大多為直線類型的邊界模型，所以采用的有限元單元體為8節點6面體網格，相較于4節點4面體網格，其計算精度更高、計算結果更易收斂。

1.5? 材料屬性

石墨舟的主要材料為石墨及陶瓷，二者的相關參數如表1所示。

石墨材料的彈性模量會隨溫度上升而升高，其變化示意圖如圖4所示。陶瓷材料的彈性模量會隨溫度升高而下降，其變化示意圖如圖5所示。

2? 結構熱力耦合分析

2.1? 熱力耦合機理

熱力耦合過程是應力場與溫度場兩個物理場之間相互影響的過程，即溫度對石墨舟受力變形有影響，同時石墨舟受力變形對溫度也有影響。石墨舟由石墨舟片、陶瓷棒、陶瓷墊片等不同材質的零部件組合而成，由于涉及零部件較多，材料屬性不同，因此，需要深入研究大容量石墨舟的熱力耦合行為，以便采取具有針對性的改進措施。

在實際熱力耦合分析過程中有兩種方法：1）單向耦合方法是先對物體進行熱分析，再將分析后的結果導入到靜力學分析；2）雙向耦合方法是直接將熱和力耦合在一起進行分析。前者適用于溫度場對力場影響很大、力場對溫度場幾乎沒有影響的情況，其優勢在于計算量較小，節省了仿真模擬的時間；后者則適用于溫度場與力場相互作用的情形，其優勢在于仿真結構更貼近現實。本文主要采用雙向耦合的方法建立石墨舟單元熱力耦合數值分析模型，較為貼近實際生產情況。

2.2? 溫度對應力的影響

管式PECVD設備的實際生產過程是一個不斷升溫降溫的循環過程。在單次工藝過程中，工藝溫度并不恒定于某個值，而是在工藝時間內保持在某個范圍內；并且其反應腔內溫度也不相同，比如，由于在反應腔腔門處加設了用于彌補開閉門所損失熱量的加熱裝置，該處溫度會比反應腔中部溫度高20 ℃左右。

實際生產過程中，石墨舟受到熱和力的共同作用而產生的變形和應力較為集中，本實驗模型中的應力主要由熱應力和機械應力兩個部分構成。熱應力由石墨和陶瓷材料在加熱過程中受到的外部熱源加熱不均勻導致，機械應力則由石墨舟受熱膨脹使其內部零部件相互擠壓導致。

石墨舟單元總體應力值較小但極為集中，其總體應力圖如圖6所示。

從圖6可以看出：應力集中位置主要出現在圖6紅色圓圈處，最大應力出現在舟體邊角處的陶瓷棒與最外側石墨舟片的接觸位置上（如圖7所示），其最大值為24.904 Mpa；而整舟其他位置的平均應力較小，為0.256 Mpa。石墨舟單元可看成對稱結構，因此其對稱位置也有相應的應力集中。由于石墨舟單元的最大應力集中在邊角與陶瓷棒接觸位置上，這也導致該位置的陶瓷棒可能出現老化損壞。

在石墨舟單元溫度由400 ℃升高到500 ℃后，最大應力沒有大的變化，說明其應力的產生主要來源是結構本身的自重。

2.3? 石墨舟的變形

將溫度升高至530 ℃，恒溫150 min后，分析石墨舟單元總變形情況，熱力耦合模型分析結果如圖8所示。

從圖8可以看出：在自重和溫度的共同影響下，石墨舟結構在PECVD反應過程中有一定量的彎曲形變，石墨舟單元中部下垂，最大變形位置在中間石墨舟片的中間位置，撓度為0.13 mm，且整體變形量在0.12～0.14 mm的范圍內。這樣的變形可能會導致石墨舟片與硅片貼合不緊密，進而造成硅片表面鍍膜不均勻。石墨舟單元在舟頭和舟尾位置有輕微的垂直于舟片方向（即Y方向）的扭曲變形，其變形量最大在0.04 mm左右，如圖9所示，石墨舟單元在Y方向上的變形較小，基本可以忽略不計。

為進一步研究溫度變化對石墨舟單元熱變形的影響，在實際工藝溫度附近取400～550 ℃設置梯度溫度進行分析，分析結果如圖10所示。

從圖10可以看出：石墨舟單元的最大變形量隨溫度上升而上升。石墨舟單元中部與陶瓷棒接觸的位置為最大變形位置，在溫度從400 ℃變化到550 ℃后，石墨舟單元最大變形量增大了約0.1%。經分析，石墨舟單元在Z方向上的相對變形較大，這種不均勻的熱變形特征可能會對自動上下料過程產生影響，例如：會導致硅片與卡點產生碰撞或在取料時夾取不準確可能引發掉片故障。

設備保持石墨舟舟體力學性能的相對穩定是管式PECVD設備高品質生產的關鍵環節之一。在石墨舟材料和初始溫度確定后，石墨舟的最終變形量取決于石墨舟的長度、重量和溫度變化量。530 ℃溫度條件下石墨舟單元的總應變情況如圖11所示。

將重量和溫度對石墨舟的影響進行綜合分析，可以發現現有工況下溫度對石墨舟的應變僅有微弱影響，石墨舟單元變形主要來自于結構自重，因此應當采取措施增強結構整體剛度。

2.4? 結構剛度增強設計

由于石墨舟單元的形變主要由其結構自重導致，可以考慮如下補償方法以增強結構剛度。

1）舟體變形補償：通過控制石墨舟舟體的形狀和尺寸，補償在高溫下發生的舟體變形。例如，采用弓形石墨舟或S形石墨舟，這些設計可以使石墨舟在高溫下保持形狀穩定。

2）增加支撐：在石墨舟單元底部增加支撐點或支撐架，以增強石墨舟單元的結構強度。在原有石墨舟單元的中部位置增加了1對支撐架，增加支撐后石墨舟單元的變形量如圖12所示。

從圖12可以看出：增加支撐后，石墨舟單元的最大變形量約為0.07 mm。相較于沒有安裝支撐的石墨舟單元結構，其最大變形量減小了53.3%，最大應力減小了43.4%，石墨舟單元結構整體的力學性能有所增強。

3）多舟相連：采用雙舟或多舟相連的方式進行鍍膜工藝。

4）控制工藝溫度：通過采用精確的溫度控制系統，實時檢測石墨舟的溫度變化，并及時調整溫度，以保持石墨舟的溫度相對穩定。

3? 結論

本實驗建立了石墨舟單元結構有限元模型，對其工作狀態下的力學性能進行了分析，并通過熱力耦合仿真模型分析了石墨舟自重和溫度對其形變的影響。研究結果顯示：由于石墨材料和陶瓷材料本身熱膨脹系數較小，宏觀尺度分析顯示，石墨舟自身結構重量是影響大容量石墨舟變形及應力集中的主要因素，相對而言，溫度對變形及應力的影響并不明顯。因此，適當增加支撐結構對于改善石墨舟的受力變形有較好效果。石墨舟的最大應力集中在邊角與陶瓷棒接觸的位置上，這也導致該位置的陶瓷棒可能出現老化損壞。采用相應的支撐結構后，石墨舟的變形及應力集中情況可以得到有效改善，以此可以達到實現大容量石墨舟降本增產的目標。

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