線形同軸耦合微波等離子體系統仿真研究

彭宜昌，吳易龍，徐 偉，張 威，陳特超

( 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，通過化學氣相沉積方式在背面形成氧化鋁鈍化層，并加覆一層氮化硅保護膜，兩者形成層疊降低表面載流子的復合，以減少缺陷帶來的電池背面光電損失，從而保證電池轉換效率[2]。微波等離子體增強化學氣相沉積（MW-PECVD）法是制備高質量背面鈍化膜的重要方法[3]，其成膜過程在真空狀態下進行，成膜質量好且成膜速率快。

隨著微波等離子體技術在光伏鈍化薄膜材料沉積中的應用，電池生產廠商成本控制成為至關重要的問題，大產能工藝設備成為首選。作為平板式PECVD 設備核心部件的微波等離子體源的性能越來越受到人們的關注。目前線形同軸耦合等離子體系統的長度主要集中在1100～1300 mm，輸入的微波功率一般小于3 kW。而進一步的增加等離子體源長度，則需要提高微波功率，但微波功率的提高，會使磁控管無法在高功率下長時間穩定工作而造成壽命偏低。為找到合適的微波等離子體源長度，自主研發設計了線形同軸耦合微波等離子體系統，通過對該系統的等離子體源分布規律以及均勻性進行仿真分析，探討了平板式PECVD 設備提升產能的可行性。

1 線形同軸耦合微波等離子體系統

線形同軸耦合微波等離子體系統的結構示意圖如圖1 所示。該系統主要由微波源、模式轉換天線、真空腔體、真空抽氣系統、氣體系統、載片托盤等幾個部分組成。矩形真空腔體長為2875 mm，寬1470 mm，極限真空度可達0.5 Pa。系統采用2個輸出功率分別為3 kW 的磁控管來產生頻率為2.45 GHz 微波，經過環形器、矩形波導和模式轉換天線將微波耦合進入腔體內。作為微波放電的介質窗，沿轉換天線的徑向分布有兩端密封的同軸石英管。石英管外部產生的等離子體和作為微波發射天線的銅天線兩者一同構成了同軸波導，不僅構成了微波負載，同時也起著傳輸微波能量的作用[4，5]。工藝氣體從石英管上方輸入真空腔體，吸收耦合的微波使其成為等離子狀態，在電磁場的約束下，當托盤以一定工藝速度水平傳輸經過等離子區時，即會沉積在其表面上形成薄膜。此外，微波傳輸過程中能量被負載吸收造成微波功率減弱。為保證成膜質量，需調節輸入的微波功率和工藝氣體壓力等來產生均勻的等離子體。

圖1 線形同軸耦合微波等離子體系統的結構示意圖

2 等離子體的空間分布規律

圖2 微波等離子體源二維軸對稱模型

為研究不同線性耦合微波等離子體源長度對沉積均勻性的影響，采用COMSOL 仿真分析軟件對等離子體模塊進行仿真研究，將等離子體源簡化成二維軸對稱模型，如圖2 所示。設定平均微波功率為2 kW（實際設定功率為4 kW，占空比8/8），真空腔體內壓力為20 Pa，工藝溫度為650 K（377 ℃），工藝氣體為氬氣，L 為等離子體源的長度。

圖3 為在氣壓20 Pa、微波功率2 kW 放電條件下，不同長度源的電子密度分布情況。從圖3 可以看出，在其它參數不變的條件下，隨著等離子體源長度的增大，電子密度軸向均勻性逐漸變差，特別是當長度增大到1700 mm 時，中間區域電子密度嚴重衰減。但是同時也觀察到電子密度大小并未發生明顯變化，同時，在徑向方向上電子密度分布區域反而擴大。

圖3 軸向電子密度分布結果

圖4 為托盤處電子密度分布結果。從圖4 可以看出，托盤處的電子密度變化規律與整個腔室內電子密度變化規律相同，都是隨著長度增加，均勻性變差，導致均勻性變差的主要因素是腔室中間區域電子密度急劇降低。

圖4 托盤處電子密度分布結果

圖5 為電子密度不均勻性定量分析結果。從圖5 可以看出，當微波等離子體源長度從1300 mm增加到1700 mm，電子密度不均勻性從3.8%增大到18.9%；但長度在1300～1500 mm 范圍，電子密度均勻性變化不大，隨著長度繼續增大(1500～1700 mm)，電子密度劇烈變化，不利于成膜。

圖5 電子密度不均勻性定量分析結果

3 結論

基于COMSOL 有限元分析軟件，對比分析了不同長度的等離子體源電子密度分布規律，結果表明，隨著線性微波等離子體源長度增大，腔室中間區域電子密度大小和均勻性都會降低。但將長度從1300 mm 增大到1500 mm，均勻性變化可控，長度增加是可行的，對設備設計可進一步優化。