管式PECVD設(shè)備鍍膜均勻性研究

代同光，李 拴，郭永剛，宋志成

（西安太陽(yáng)能電力有限公司，陜西 西安710061）

0 引 言

隨著晶硅太陽(yáng)能單晶電池質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)于過(guò)程質(zhì)量控制要求越來(lái)越精細(xì)。提升過(guò)程鍍膜均勻性，顏色外觀一致性變得尤為重要。通過(guò)優(yōu)化過(guò)程細(xì)節(jié)，可進(jìn)一步改善鍍膜均勻性，提升鍍膜外觀質(zhì)量。

1 PECVD鍍膜原理介紹

（1）技術(shù)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(fā)熱體）使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。

（2）化學(xué)方程式：3SiH4＋4NH3→Si3N4＋12H2↑

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本文主要通過(guò)對(duì)管式PECVD設(shè)備工藝配方中反應(yīng)壓力、鍍膜前預(yù)熱的恒溫時(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，并對(duì)綜合優(yōu)化后的因素進(jìn)行綜合對(duì)比。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料、實(shí)驗(yàn)方式、方法

CentrothermE2000HT410管式PECVD鍍膜設(shè)備。石墨舟常規(guī)240規(guī)格石墨舟，Olympus OLS4000 3D顯微鏡，SE400adv激光橢偏儀，實(shí)驗(yàn)選用常規(guī)單晶M2硅片，在鍍膜前進(jìn)行充分分片。一半用常規(guī)工藝，一半采用改善工藝參數(shù)工藝，其他工藝參數(shù)保持不變。每組實(shí)驗(yàn)變量驗(yàn)證方式與上述一致，仍為單變量對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。如圖1標(biāo)識(shí)所示鍍膜后石墨舟內(nèi)硅片抽樣片為自左向右，自上而下依次進(jìn)行均勻抽樣，每片測(cè)試五個(gè)點(diǎn)，使用Sentech的SE400adv型號(hào)膜厚測(cè)試儀器對(duì)膜后進(jìn)行測(cè)試。

圖1 樣片測(cè)試位置

2.3 片內(nèi)、片間均勻性計(jì)算方式

（1）片內(nèi)計(jì)算方式

（2）片間計(jì)算方式

式中：?jiǎn)吸c(diǎn)max、單點(diǎn)min、單片max、單片min分別為單點(diǎn)測(cè)試數(shù)值的最大值、最小值、單片多點(diǎn)測(cè)試平均值的最大值、最小值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容

3.1 爐腔氣壓影響

表1為腔體不同壓力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的鍍膜均勻性，數(shù)據(jù)顯示在160～240 Pa壓力范圍內(nèi)，選擇三組壓力試驗(yàn)對(duì)比，壓力適當(dāng)降低整體片間均勻性相對(duì)較好，片內(nèi)均勻性高壓情況下相對(duì)較好，低壓情況下，腔體內(nèi)部整體的氣流擾動(dòng)相對(duì)較少。

表1 腔體不同壓力鍍膜均勻性

3.2 鍍膜前預(yù)熱恒溫時(shí)間影響

表2為預(yù)加熱不同恒溫時(shí)間對(duì)鍍膜均勻性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示適當(dāng)增加預(yù)熱恒溫時(shí)間對(duì)于改善鍍膜的均勻性提升明顯，主要因增加恒溫時(shí)間對(duì)于不同溫區(qū)的溫度偏差改善相對(duì)明顯，片間均勻性較好與選取硅片存在一定的關(guān)聯(lián)，存在隨機(jī)性。

表2 不同恒溫時(shí)間對(duì)應(yīng)鍍膜均勻性

圖2為不同預(yù)熱恒溫時(shí)間對(duì)應(yīng)的爐腔內(nèi)部加熱溫區(qū)溫差差異數(shù)值趨勢(shì)圖，預(yù)熱恒溫時(shí)間增加后溫區(qū)溫差實(shí)際數(shù)值與設(shè)定差異值相對(duì)偏低。

圖2 不同恒溫時(shí)間下溫差趨勢(shì)圖

3.3 爐腔碎片、特氣進(jìn)氣孔清潔前后對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)3對(duì)爐腔內(nèi)部碎片清潔前后，對(duì)比鍍膜均勻性，表3為爐腔內(nèi)碎片清潔前后鍍膜均勻性對(duì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(duì)于腔體內(nèi)部進(jìn)氣及氣流傳輸過(guò)程的穩(wěn)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(shù)的增加，硅片在兩極之間的距離不等，產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度不等，從而影響鍍膜的沉積速率［1］。且前期使用過(guò)程中卡點(diǎn)導(dǎo)電均勻性相比后期有一定的優(yōu)勢(shì)。

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(guò)實(shí)驗(yàn)4對(duì)鍍膜前絨面差異大小分析對(duì)鍍膜均勻性的影響，表4絨面差異大小對(duì)應(yīng)鍍膜均勻性，數(shù)據(jù)顯示絨面偏差越大對(duì)鍍膜均勻性的影響越嚴(yán)重，控制絨面的均勻性變得尤為關(guān)鍵，通過(guò)Olympus OLS4000 3D顯微鏡測(cè)試表面形貌，并對(duì)微觀形貌下區(qū)域的面積、體積進(jìn)行測(cè)試分析。圖3絨面差值0．3～1．0μm微觀形貌及區(qū)域形貌圖，圖4絨面差值0．5～1．5μm微觀形貌及區(qū)域形貌圖，可明顯看出絨面尺寸大小，反應(yīng)到微觀形貌主要對(duì)表面的體積及表面積存在差異，直接導(dǎo)致鍍膜均勻性的差異。

表4 絨面差異對(duì)應(yīng)鍍膜均勻性

不同絨面差異反應(yīng)到微觀形貌主要對(duì)表面的體積及表面積存在差異，對(duì)比數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)放大后的局部區(qū)域，表5不同絨面差值對(duì)應(yīng)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(duì)放大后的表面積、體積差值大。

表5 絨面差值對(duì)應(yīng)微觀表面積及體積

圖3 絨面差值0．3～1．0μm微觀形貌及區(qū)域形貌面積、體積圖

圖4 絨面差值0．5～1．5μm微觀形貌及區(qū)域形貌面積、體積圖

3.5 石墨舟表面粗糙度

通過(guò)實(shí)驗(yàn)5對(duì)石墨舟清洗配方對(duì)比對(duì)鍍膜均勻性的影響，表6、7數(shù)據(jù)顯示適當(dāng)增加酸洗、水洗時(shí)間，利于鍍膜均勻性的改善，顯微鏡觀察，不同的清洗配方對(duì)石墨舟表面的微觀形貌存一定差別，主要區(qū)別在于肉眼無(wú)法觀察的一些細(xì)小氮化硅顆粒物的殘留，導(dǎo)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(tài)下測(cè)試的氮化硅殘留區(qū)域與非氮化硅殘留區(qū)域微觀形貌及粗糙度，數(shù)據(jù)顯示氮化硅殘留區(qū)域，粗糙度整體均值Sa為3．5μm明顯高于正常區(qū)域粗糙度Sa為2．8μm。且氮化硅與石墨本身導(dǎo)電性存在較大差異性。進(jìn)而對(duì)鍍膜均勻性存在一定的影響。

表6 不同石墨舟清洗配方對(duì)應(yīng)鍍膜均勻性均值

表7 不同石墨舟清洗配方對(duì)應(yīng)石墨舟不同使用次數(shù)鍍膜均勻性

圖5 氮化硅殘留區(qū)域粗糙度

圖6 非氮化硅殘留區(qū)域粗糙度

3.6 綜合優(yōu)化后對(duì)比

綜合以上優(yōu)化后，選取產(chǎn)線正常配方及隨機(jī)樣片與優(yōu)化后多組配方對(duì)比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)6對(duì)比不同配方對(duì)鍍膜均勻性的影響，表8數(shù)據(jù)顯示選擇爐腔壓力在1 200 mtorr、預(yù)熱恒溫時(shí)間5 min、石墨舟清洗配方適當(dāng)增加酸洗、水洗時(shí)間，及絨面差異小的硅片，對(duì)鍍膜均勻性改善最為明顯，搭配石墨舟使用前期對(duì)鍍膜均勻性改善更為明顯。

表8 整體優(yōu)化后鍍膜均勻性對(duì)比

4 結(jié)果與討論

本文介紹了影響單晶硅太陽(yáng)電池PECVD設(shè)備鍍膜均勻性的細(xì)節(jié)因素，適當(dāng)?shù)慕档湾兡み^(guò)程中反應(yīng)壓力有助于改善鍍膜均勻性，適當(dāng)增加工藝沉積前的恒溫時(shí)間、控制絨面的均勻性同樣有助于改善鍍膜均勻性，腔體內(nèi)部及特氣進(jìn)氣孔的清潔保養(yǎng)及時(shí)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(shí)間5 min、降低石墨舟表面粗糙度，搭配絨面差異小的硅片，對(duì)鍍膜均勻性整體改善明顯。