管式PECVD設(shè)備腔內(nèi)大容量石墨舟力學(xué)性能的數(shù)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(xué)氣相沉積（PECVD）法制備的氮化硅薄膜品質(zhì)在太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率領(lǐng)域有舉足輕重的作用。承載大量硅片的石墨舟是管式PECVD設(shè)備中的關(guān)鍵核心部件，隨著生產(chǎn)效率的不斷提升，熱力耦合環(huán)境下腔內(nèi)大容量石墨舟力學(xué)性能的穩(wěn)定性引人關(guān)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(jìn)行熱力學(xué)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(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)自重是石墨舟形變及應(yīng)力集中產(chǎn)生的主要因素，溫度產(chǎn)生的影響并不明顯；采用結(jié)構(gòu)增強設(shè)計可有效提升石墨舟整體的力學(xué)性能。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

目前，等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）法被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電行業(yè)的太陽電池鍍膜工序中[1]。PECVD法操作簡單、重復(fù)性好、成本低廉，相較于液相外延（LPE）、金屬有機化合物化學(xué)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(shù)大、折射率可調(diào)、透射率高、光衰減系數(shù)小和化學(xué)穩(wěn)定性好等技術(shù)優(yōu)勢[2]，使用管式PECVD法進(jìn)行鍍膜工藝能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)備的產(chǎn)能也在不斷提高[3]。作為管式PECVD生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵裝載工具，大容量石墨舟中單次鍍膜的硅片數(shù)量已經(jīng)從原先的300、400片增加至現(xiàn)在的600片左右，舟體長度已達(dá)到2 m以上。目前，增加石墨舟的長寬比，進(jìn)而增加單次工藝過程中單晶硅片的鍍膜數(shù)量，已成為太陽電池產(chǎn)業(yè)降本增效的重要手段。

同時，管式PECVD設(shè)備生產(chǎn)中的質(zhì)量控制問題日漸顯現(xiàn)[3]。實際上，管式PECVD設(shè)備在進(jìn)行硅片鍍膜的過程中，硅片和石墨舟會受到高溫、結(jié)構(gòu)自重、電磁等多物理場耦合作用，影響硅片鍍膜品質(zhì)的因素十分復(fù)雜，既包括石墨舟自身的形狀、載片數(shù)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(guān)鍵工藝參數(shù)，同時還涉及管式PECVD設(shè)備內(nèi)部各分區(qū)溫度、預(yù)熱退火情況及石墨舟清洗等環(huán)節(jié)[4]。例如：通入氣體速率不同易導(dǎo)致硅片鍍膜厚度不一[5]；石墨舟卡點形狀不同會導(dǎo)致硅片在卡點處產(chǎn)生損傷[6]；提前對石墨舟預(yù)熱則能減少工藝總體時間[7]等。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員進(jìn)行了理論研究與實驗分析。國內(nèi)學(xué)者及研究中：朱輝等[8]的研究主要集中在推舟裝置的優(yōu)化上，以獲取大產(chǎn)能條件下各組成部件形變最小的推舟機構(gòu)結(jié)構(gòu)。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(jìn)行了實驗研究，將太陽電池的實驗室光電轉(zhuǎn)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(dǎo)衰減性能提升了22%。國外學(xué)者及研究中：Amirzada等[10]開發(fā)了用于PECVD工藝整個操作過程的溫度范圍預(yù)測模型，可以直接計算鍍膜表面的粗糙度，大幅節(jié)省了實驗時間。Kozak等[11]研究了退火結(jié)構(gòu)和性能對氮化硅薄膜的影響，結(jié)果表明：高溫和低溫退火都會導(dǎo)致Si-C-N薄膜出現(xiàn)硬度降低的問題。

石墨舟作為管式PECVD設(shè)備生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵支撐部件，在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)中需要適應(yīng)非常嚴(yán)苛的工作環(huán)境。此前的多數(shù)研究針對PECVD設(shè)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(huán)境下大容量石墨舟力學(xué)性能（應(yīng)力、應(yīng)變）的穩(wěn)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(shè)備腔內(nèi)大容量石墨舟在工作狀態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)行分析和討論，以期更好地了解石墨舟在熱力耦合環(huán)境下的力學(xué)穩(wěn)定性及其主要影響因素，為大容量石墨舟結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)參考。

1? 石墨舟結(jié)構(gòu)的有限元建模

1.1? 管式PECVD設(shè)備結(jié)構(gòu)

常規(guī)型管式PECVD設(shè)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(yù)熱腔等部分組成[8]。管式PECVD設(shè)備的反應(yīng)腔是鍍膜工藝的主要工作區(qū)域，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，通常長寬高比約為1100：1：110。其主要結(jié)構(gòu)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(diào)整熱變形的碳-碳墊片和陶瓷墊片。本實驗?zāi)Ｐ瓦x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(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。載片模式是最外兩側(cè)的石墨舟片只有單面內(nèi)側(cè)載片，內(nèi)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(nèi)側(cè)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(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描繪與再現(xiàn)是分析高溫環(huán)境下石墨舟形變數(shù)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(shù)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(jìn)行適當(dāng)簡化后再導(dǎo)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(xì)節(jié)，忽略最外層舟片外側(cè)的挖槽；忽略陶瓷墊片的缺口并且使用10 N的螺栓預(yù)緊力來替代外側(cè)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(jīng)簡化，石墨舟單元最終模型零部件共20類，990個。

1.3? 設(shè)置約束及荷載

根據(jù)實際生產(chǎn)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(cè)面陶瓷棒施加的10 N螺栓預(yù)緊力。同時，對該有限元模型施加標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)力和溫度荷載，溫度荷載曲線圖如圖3所示。

1.4? 網(wǎng)格劃分

對石墨舟單元有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為數(shù)量分別為399345、437166、472337的3種網(wǎng)格，得到的仿真結(jié)果的應(yīng)力和應(yīng)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(shù)量為399345的網(wǎng)格進(jìn)行研究。在石墨舟片上卡點位置對其使用mesh網(wǎng)格劃分進(jìn)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(jié)點6面體網(wǎng)格，相較于4節(jié)點4面體網(wǎng)格，其計算精度更高、計算結(jié)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(guān)參數(shù)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(jié)構(gòu)熱力耦合分析

2.1? 熱力耦合機理

熱力耦合過程是應(yīng)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(zhì)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(jìn)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(jìn)行熱分析，再將分析后的結(jié)果導(dǎo)入到靜力學(xué)分析；2）雙向耦合方法是直接將熱和力耦合在一起進(jìn)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(yōu)勢在于計算量較小，節(jié)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(yōu)勢在于仿真結(jié)構(gòu)更貼近現(xiàn)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(shù)值分析模型，較為貼近實際生產(chǎn)情況。

2.2? 溫度對應(yīng)力的影響

管式PECVD設(shè)備的實際生產(chǎn)過程是一個不斷升溫降溫的循環(huán)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(nèi)保持在某個范圍內(nèi)；并且其反應(yīng)腔內(nèi)溫度也不相同，比如，由于在反應(yīng)腔腔門處加設(shè)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(yīng)腔中部溫度高20 ℃左右。

實際生產(chǎn)過程中，石墨舟受到熱和力的共同作用而產(chǎn)生的變形和應(yīng)力較為集中，本實驗?zāi)Ｐ椭械膽?yīng)力主要由熱應(yīng)力和機械應(yīng)力兩個部分構(gòu)成。熱應(yīng)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?qū)е拢瑱C械應(yīng)力則由石墨舟受熱膨脹使其內(nèi)部零部件相互擠壓導(dǎo)致。

石墨舟單元總體應(yīng)力值較小但極為集中，其總體應(yīng)力圖如圖6所示。

從圖6可以看出：應(yīng)力集中位置主要出現(xiàn)在圖6紅色圓圈處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在舟體邊角處的陶瓷棒與最外側(cè)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(yīng)力較小，為0.256 Mpa。石墨舟單元可看成對稱結(jié)構(gòu)，因此其對稱位置也有相應(yīng)的應(yīng)力集中。由于石墨舟單元的最大應(yīng)力集中在邊角與陶瓷棒接觸位置上，這也導(dǎo)致該位置的陶瓷棒可能出現(xiàn)老化損壞。

在石墨舟單元溫度由400 ℃升高到500 ℃后，最大應(yīng)力沒有大的變化，說明其應(yīng)力的產(chǎn)生主要來源是結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)在PECVD反應(yīng)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(nèi)。這樣的變形可能會導(dǎo)致石墨舟片與硅片貼合不緊密，進(jìn)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(jìn)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(shè)置梯度溫度進(jìn)行分析，分析結(jié)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(jīng)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(chǎn)生影響，例如：會導(dǎo)致硅片與卡點產(chǎn)生碰撞或在取料時夾取不準(zhǔn)確可能引發(fā)掉片故障。

設(shè)備保持石墨舟舟體力學(xué)性能的相對穩(wěn)定是管式PECVD設(shè)備高品質(zhì)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(yīng)變情況如圖11所示。

將重量和溫度對石墨舟的影響進(jìn)行綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有工況下溫度對石墨舟的應(yīng)變僅有微弱影響，石墨舟單元變形主要來自于結(jié)構(gòu)自重，因此應(yīng)當(dāng)采取措施增強結(jié)構(gòu)整體剛度。

2.4? 結(jié)構(gòu)剛度增強設(shè)計

由于石墨舟單元的形變主要由其結(jié)構(gòu)自重導(dǎo)致，可以考慮如下補償方法以增強結(jié)構(gòu)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(fā)生的舟體變形。例如，采用弓形石墨舟或S形石墨舟，這些設(shè)計可以使石墨舟在高溫下保持形狀穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其最大變形量減小了53.3%，最大應(yīng)力減小了43.4%，石墨舟單元結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能有所增強。

3）多舟相連：采用雙舟或多舟相連的方式進(jìn)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(tǒng)，實時檢測石墨舟的溫度變化，并及時調(diào)整溫度，以保持石墨舟的溫度相對穩(wěn)定。

3? 結(jié)論

本實驗建立了石墨舟單元結(jié)構(gòu)有限元模型，對其工作狀態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)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(jié)果顯示：由于石墨材料和陶瓷材料本身熱膨脹系數(shù)較小，宏觀尺度分析顯示，石墨舟自身結(jié)構(gòu)重量是影響大容量石墨舟變形及應(yīng)力集中的主要因素，相對而言，溫度對變形及應(yīng)力的影響并不明顯。因此，適當(dāng)增加支撐結(jié)構(gòu)對于改善石墨舟的受力變形有較好效果。石墨舟的最大應(yīng)力集中在邊角與陶瓷棒接觸的位置上，這也導(dǎo)致該位置的陶瓷棒可能出現(xiàn)老化損壞。采用相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)后，石墨舟的變形及應(yīng)力集中情況可以得到有效改善，以此可以達(dá)到實現(xiàn)大容量石墨舟降本增產(chǎn)的目標(biāo)。

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