TMA 雜質(zhì)元素對二合一管式PECVD 影響分析

邵海嬌 張 永 王貴梅 張志敏 劉 苗

（晶澳太陽能有限公司，河北邢臺 055550）

0 引言

晶硅太陽能電池中，氧化鋁薄膜常被用作鈍化薄膜，用來提升電池的光電轉(zhuǎn)化效率，二合一管式PECVD 是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)制備氧化鋁薄膜和氮化硅薄膜的主流設(shè)備之一，具有沉積速率快、產(chǎn)能大、設(shè)備國產(chǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，適用于晶硅電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）通過在PERC太陽電池的Al2O3/SiNx 背鈍化疊層，形成Al2O3/SiOxNy/SiNx 結(jié)構(gòu)，可避免SiNx 所帶的固定正電荷對Al2O3負(fù)電荷場鈍化效應(yīng)的負(fù)面影響[1]。本文采用的鈍化疊層結(jié)構(gòu)為Al2O3/SiOxNy/SiNx。PECVD 沉積氧化鋁鈍化膜是在300 ～400℃的溫度環(huán)境下，以裝有硅片的石墨舟作為導(dǎo)電載體，在射頻電源的作用下，在反應(yīng)腔體中通入TMA（三甲基鋁）與N2O（笑氣），將兩種特氣進(jìn)行電離，生成等離子體，在電場的作用下等離子體進(jìn)行定向運(yùn)動，沉積到硅片表面生成氧化鋁薄膜[2]；因此，特氣的純度不僅影響氧化鋁薄膜的特性，同時也對機(jī)臺的運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品品質(zhì)等具有不同程度的影響。

EL 測試是利用晶體硅太陽電池的電致發(fā)光原理，使用高分辨率的紅外相機(jī)拍攝電池的近紅外圖像，獲取并判定電池的缺陷。測試時在電池上施加正向偏壓，獲得載流子擴(kuò)散長度的信息，EL 發(fā)黑區(qū)域表明電池片串聯(lián)電阻高，或者并聯(lián)電阻低，或者少子被復(fù)合[3]。

本文采用深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司的二合一管式PECVD 設(shè)備，詳細(xì)闡述了TMA 雜質(zhì)含量尤其是Cl 含量對機(jī)臺運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品品質(zhì)的影響。

1 驗(yàn)證與分析

1.1 異常描述

電池生產(chǎn)過程中，印刷檢測產(chǎn)線效率整體偏低0.03%（電性數(shù)據(jù)差異如表1 所示）。

表1 電性能對比差異分析

伴隨檢測線上不定時連續(xù)出現(xiàn)固定位置EL 發(fā)黑，如圖1 所示，EL 發(fā)黑位置對應(yīng)背面外觀為弧形發(fā)黃情況，如圖2 所示。

圖1 異常EL發(fā)黑圖像

圖2 異常片外觀

EL 發(fā)黑區(qū)域外觀顏色區(qū)別于EL 正常區(qū)域；同時間段背膜二合一機(jī)臺產(chǎn)線反饋出現(xiàn)同樣類型外觀異常片，對機(jī)臺進(jìn)行影響鍍膜均勻性的異常因素排查，發(fā)現(xiàn)噴氣嘴出氣口被白色粉末堵塞，如圖3 所示。過濾器粉末及尾排管道粉末異常偏多，且粉末沉積薄膜質(zhì)地較為疏松,如圖4、圖5 所示。

圖3 正常噴氣嘴與堵塞噴氣嘴

圖4 帶有粉末的過濾器

圖5 帶有疏松粉末的尾排管道

1.2 異常原因排查與分析

對上述異常現(xiàn)象進(jìn)行原因排查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常時間節(jié)點(diǎn)與切換TMA 廠家相對應(yīng)（TMA 由A 公司切換為B 公司），因此懷疑此異常受B 公司的TMA 影響導(dǎo)致。分別取A 公司-TMA 的工藝反應(yīng)粉末與B 公司-TMA 的工藝反應(yīng)粉末，使用SEM 進(jìn)行粉末成分分析，發(fā)現(xiàn)B 公司-TMA 粉末中含有Cl 元素含量較高，為41.17%，而A 公司-TMA 的尾排粉末中Cl 元素含量較少為0.74%，其他元素含量基本在一個數(shù)量級，如表2 所示。

表2 粉末SEM電鏡掃描測試成分

隨后又采用離子色譜電位滴定方法測得B-TMA 中Cl含量為1000ppm，而A-TMA 中Cl 含量為160ppm,如圖6 所示。

圖6 不同廠家TMA氯離子含量

通過上述成分測試確定B 公司-TMA 中Cl 含量出現(xiàn)異常，TMA 產(chǎn)生大量白色粉末的主要原因可能是Cl 離子含量偏高導(dǎo)致的，原因分析如下。

（1）TMA 中Cl 含量偏高，反應(yīng)產(chǎn)物中有大量含Cl的甲基鋁，如DMAC（二甲基氯化鋁），DMAC 的活性、沉積溫度比TMA 低。

（2）二合一管式PECVD 設(shè)備TMA 與笑氣進(jìn)氣距離比較近[4-5]，氣源進(jìn)入腔體后，首先是反應(yīng)活性較高的少量DMAC 先與笑氣接觸，未達(dá)到沉積工藝溫度就發(fā)生氧化，產(chǎn)生粉塵。

2 改進(jìn)驗(yàn)證

針對TMA 檢測氯離子含量偏高的問題，廠家通過不同方案的制程工藝進(jìn)行優(yōu)化，對不同方案制備的TMA 進(jìn)行取樣攪拌、精餾提純、檢測。其中方案4 的氯離子含量明顯較低，測試氯離子含量為40ppm，如圖7 所示。

圖7 不同除氯方案氯離子含量

將B 公司較低Cl 含量的TMA 投入現(xiàn)場使用，觀察電池轉(zhuǎn)化效率、良率與使用A 公司-TMA 的品質(zhì)數(shù)據(jù)持平—效率為23.52%，品率為99.09%,改善前后TMA 轉(zhuǎn)化效率與良率明顯不同，如圖8 所示。

圖8 TMA改善前后效率、良率對比圖

同樣的生產(chǎn)周期內(nèi)，噴氣嘴、尾排管道的粉末量相比改善前降低明顯（如圖9 所示），降低氯離子含量后效果顯著。

圖9 改善后尾排管道、噴氣嘴

3 結(jié)論

TMA 是晶硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化制備氧化鋁鈍化膜的常用特氣[6-7]，化學(xué)性質(zhì)非常活潑，工業(yè)上由鋁粉、氯甲烷和鈉為原材料進(jìn)行合成，在制備過程中會引入氯元素，如果去除不徹底，會在生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生大量的白色粉末，導(dǎo)致機(jī)臺噴氣嘴出氣口的堵塞、機(jī)臺過濾器、尾排管道大量粉末的沉積，影響機(jī)臺的運(yùn)行，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)異常，通過TMA 制程優(yōu)化，降低氯離子含量后，上述問題得以改善。因此，TMA 制備廠商需要嚴(yán)格控制TMA 中的Cl 含量，建議控制在200ppm 以下。

品質(zhì)異常的產(chǎn)生，往往在機(jī)臺的運(yùn)行上能體現(xiàn)出問題，所以對工藝品質(zhì)排查的同時，需要關(guān)注設(shè)備端運(yùn)行狀態(tài)，本次研究借助SEM 等實(shí)驗(yàn)儀器，同時結(jié)合TMA 廠家對TMA 制程過程可能引入的雜質(zhì)元素進(jìn)行分析，對制程工藝進(jìn)行優(yōu)化，降低Cl 元素，進(jìn)而減少噴氣嘴、尾排管道的粉末量。