管式PECVD設備鍍膜均勻性研究

代同光，李 拴，郭永剛，宋志成

（西安太陽能電力有限公司，陜西 西安710061）

0 引 言

隨著晶硅太陽能單晶電池質量要求越來越高，對于過程質量控制要求越來越精細。提升過程鍍膜均勻性，顏色外觀一致性變得尤為重要。通過優化過程細節，可進一步改善鍍膜均勻性，提升鍍膜外觀質量。

1 PECVD鍍膜原理介紹

（1）技術原理：是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電（或另加發熱體）使樣品升溫到預定的溫度，然后通入適量的反應氣體，氣體經一系列化學反應和等離子體反應，在樣品表面形成固態薄膜。

（2）化學方程式：3SiH4＋4NH3→Si3N4＋12H2↑

2 實驗設計

2.1 實驗內容

本文主要通過對管式PECVD設備工藝配方中反應壓力、鍍膜前預熱的恒溫時間、及制絨絨面的均勻性及石墨舟表面粗糙度等方面分別進行實驗對比驗證，并對綜合優化后的因素進行綜合對比。

2.2 實驗設備、材料、實驗方式、方法

CentrothermE2000HT410管式PECVD鍍膜設備。石墨舟常規240規格石墨舟，Olympus OLS4000 3D顯微鏡，SE400adv激光橢偏儀，實驗選用常規單晶M2硅片，在鍍膜前進行充分分片。一半用常規工藝，一半采用改善工藝參數工藝，其他工藝參數保持不變。每組實驗變量驗證方式與上述一致，仍為單變量對比驗證實驗。如圖1標識所示鍍膜后石墨舟內硅片抽樣片為自左向右，自上而下依次進行均勻抽樣，每片測試五個點，使用Sentech的SE400adv型號膜厚測試儀器對膜后進行測試。

圖1 樣片測試位置

2.3 片內、片間均勻性計算方式

（1）片內計算方式

（2）片間計算方式

式中：單點max、單點min、單片max、單片min分別為單點測試數值的最大值、最小值、單片多點測試平均值的最大值、最小值。

3 實驗驗證內容

3.1 爐腔氣壓影響

表1為腔體不同壓力狀態下對應的鍍膜均勻性，數據顯示在160～240 Pa壓力范圍內，選擇三組壓力試驗對比，壓力適當降低整體片間均勻性相對較好，片內均勻性高壓情況下相對較好，低壓情況下，腔體內部整體的氣流擾動相對較少。

表1 腔體不同壓力鍍膜均勻性

3.2 鍍膜前預熱恒溫時間影響

表2為預加熱不同恒溫時間對鍍膜均勻性數據，數據顯示適當增加預熱恒溫時間對于改善鍍膜的均勻性提升明顯，主要因增加恒溫時間對于不同溫區的溫度偏差改善相對明顯，片間均勻性較好與選取硅片存在一定的關聯，存在隨機性。

表2 不同恒溫時間對應鍍膜均勻性

圖2為不同預熱恒溫時間對應的爐腔內部加熱溫區溫差差異數值趨勢圖，預熱恒溫時間增加后溫區溫差實際數值與設定差異值相對偏低。

圖2 不同恒溫時間下溫差趨勢圖

3.3 爐腔碎片、特氣進氣孔清潔前后對比

通過實驗3對爐腔內部碎片清潔前后，對比鍍膜均勻性，表3為爐腔內碎片清潔前后鍍膜均勻性對，實驗數據顯示清潔后鍍膜均勻性相比清潔前整體均勻性提升，初步分析腔體碎片及氣孔清潔后對于腔體內部進氣及氣流傳輸過程的穩定性有一定的改觀，整體鍍膜均勻性提升，且前期整體的均勻性相比后期較好。主要與石墨舟隨著使用次數的增加，硅片在兩極之間的距離不等，產生的電場強度不等，從而影響鍍膜的沉積速率［1］。且前期使用過程中卡點導電均勻性相比后期有一定的優勢。

表3 爐腔清潔前后鍍膜均勻性

3.4 制絨絨面差異大小影響

通過實驗4對鍍膜前絨面差異大小分析對鍍膜均勻性的影響，表4絨面差異大小對應鍍膜均勻性，數據顯示絨面偏差越大對鍍膜均勻性的影響越嚴重，控制絨面的均勻性變得尤為關鍵，通過Olympus OLS4000 3D顯微鏡測試表面形貌，并對微觀形貌下區域的面積、體積進行測試分析。圖3絨面差值0．3～1．0μm微觀形貌及區域形貌圖，圖4絨面差值0．5～1．5μm微觀形貌及區域形貌圖，可明顯看出絨面尺寸大小，反應到微觀形貌主要對表面的體積及表面積存在差異，直接導致鍍膜均勻性的差異。

表4 絨面差異對應鍍膜均勻性

不同絨面差異反應到微觀形貌主要對表面的體積及表面積存在差異，對比數據可發現放大后的局部區域，表5不同絨面差值對應微觀表面積及體積，單位表面積及體積存在一定差異。絨面差異越大，相對放大后的表面積、體積差值大。

表5 絨面差值對應微觀表面積及體積

圖3 絨面差值0．3～1．0μm微觀形貌及區域形貌面積、體積圖

圖4 絨面差值0．5～1．5μm微觀形貌及區域形貌面積、體積圖

3.5 石墨舟表面粗糙度

通過實驗5對石墨舟清洗配方對比對鍍膜均勻性的影響，表6、7數據顯示適當增加酸洗、水洗時間，利于鍍膜均勻性的改善，顯微鏡觀察，不同的清洗配方對石墨舟表面的微觀形貌存一定差別，主要區別在于肉眼無法觀察的一些細小氮化硅顆粒物的殘留，導致石墨舟表面的平整性、粗糙度存在差異。圖5、圖6分別為3D顯微鏡狀態下測試的氮化硅殘留區域與非氮化硅殘留區域微觀形貌及粗糙度，數據顯示氮化硅殘留區域，粗糙度整體均值Sa為3．5μm明顯高于正常區域粗糙度Sa為2．8μm。且氮化硅與石墨本身導電性存在較大差異性。進而對鍍膜均勻性存在一定的影響。

表6 不同石墨舟清洗配方對應鍍膜均勻性均值

表7 不同石墨舟清洗配方對應石墨舟不同使用次數鍍膜均勻性

圖5 氮化硅殘留區域粗糙度

圖6 非氮化硅殘留區域粗糙度

3.6 綜合優化后對比

綜合以上優化后，選取產線正常配方及隨機樣片與優化后多組配方對比，通過實驗6對比不同配方對鍍膜均勻性的影響，表8數據顯示選擇爐腔壓力在1 200 mtorr、預熱恒溫時間5 min、石墨舟清洗配方適當增加酸洗、水洗時間，及絨面差異小的硅片，對鍍膜均勻性改善最為明顯，搭配石墨舟使用前期對鍍膜均勻性改善更為明顯。

表8 整體優化后鍍膜均勻性對比

4 結果與討論

本文介紹了影響單晶硅太陽電池PECVD設備鍍膜均勻性的細節因素，適當的降低鍍膜過程中反應壓力有助于改善鍍膜均勻性，適當增加工藝沉積前的恒溫時間、控制絨面的均勻性同樣有助于改善鍍膜均勻性，腔體內部及特氣進氣孔的清潔保養及時性同樣可提升鍍膜均勻性，降低石墨舟表面粗糙度同樣可改善鍍膜均勻性。選擇在爐腔壓力1 200 mtorr、恒溫時間5 min、降低石墨舟表面粗糙度，搭配絨面差異小的硅片，對鍍膜均勻性整體改善明顯。