管式PECVD設(shè)備反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真研究

郭 艷，李 明，吳得軼

(湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司，長(zhǎng)沙410205)

0 引言

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備廣泛應(yīng)用于晶硅太陽(yáng)電池表面鍍減反射薄膜或鈍化薄膜[1]工序中。此類設(shè)備采用PECVD技術(shù)，在低壓條件下，利用射頻電場(chǎng)使工藝氣體產(chǎn)生輝光放電，電離出等離子體，生成可促進(jìn)反應(yīng)的活性基團(tuán)；工藝氣體在活性基團(tuán)的促進(jìn)下，能在較低溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成高品質(zhì)納米級(jí)薄膜。以上反應(yīng)過(guò)程是在PECVD設(shè)備的反應(yīng)室完成，本文對(duì)管式PECVD設(shè)備反應(yīng)室的進(jìn)氣方式進(jìn)行了改進(jìn)，并建立仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，最后根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化了反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。

1 反應(yīng)室結(jié)構(gòu)

PECVD設(shè)備的反應(yīng)室是工藝氣體反應(yīng)過(guò)程控制的主要區(qū)域，圖1為管式PECVD設(shè)備的典型反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理為：工藝開(kāi)始時(shí)，爐門(mén)開(kāi)啟，推舟系統(tǒng)將裝載有硅片的石墨舟送入石英爐管，并通過(guò)電極桿連接至低頻電源。工藝過(guò)程中，工藝氣體由前端進(jìn)氣法蘭進(jìn)入石英爐管，工藝尾氣經(jīng)由連接至真空系統(tǒng)的尾端端面法蘭上所焊接的抽氣孔排出石英爐管。

圖1 管式PECVD設(shè)備的典型反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical reaction chamber structure of tubular PECVD equipment

其中，工藝氣體由前端進(jìn)氣法蘭進(jìn)入石英爐管的工藝流程為：工藝氣體從進(jìn)氣管道A和進(jìn)氣管道B進(jìn)入前端進(jìn)氣法蘭內(nèi)部的環(huán)形氣道，前端進(jìn)氣法蘭內(nèi)壁上均勻分布有多個(gè)進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔連通環(huán)形氣道和石英爐管，此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)工藝氣體的環(huán)形進(jìn)氣。前端進(jìn)氣法蘭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電項(xiàng)目要求度電成本不斷降低。晶硅太陽(yáng)電池表面鍍膜過(guò)程成本的降低，可從管式PECVD設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程出發(fā)，通過(guò)不斷減少生產(chǎn)制造成本、提高單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)能來(lái)降低度電成本。

圖2 前端進(jìn)氣法蘭的結(jié)構(gòu)示意圖及局部放大圖Fig.2 Front inlet flange structure and enlarged view

提高單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)能可通過(guò)增加單個(gè)爐管的單次裝片量來(lái)實(shí)現(xiàn)，而提高單次裝片量需要進(jìn)一步加大石墨舟的尺寸和石英爐管的徑向尺寸。工藝氣體會(huì)源源不斷地通入石英爐管，合理的爐管內(nèi)壓力、流量、溫度等工藝參數(shù)可使工藝氣體均勻分布在爐管內(nèi)，從而保證沉積鍍膜的均勻性[2]。但隨著石墨舟和反應(yīng)室腔體越來(lái)越大，若仍采用現(xiàn)有的環(huán)形進(jìn)氣方式，反應(yīng)室截面氣場(chǎng)濃度分布的均勻性將降低，鍍膜質(zhì)量也將受到影響；并且還會(huì)存在以下缺點(diǎn)：1)爐管內(nèi)中心區(qū)域氣體稀薄，流場(chǎng)穩(wěn)定性和均勻性降低；2)位于石墨舟中間位置的硅片的減反射膜厚度較兩側(cè)位置稍薄。

因此，本文提出了一種新的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，即將原有的進(jìn)氣方式從環(huán)形進(jìn)氣方式改為了平面進(jìn)氣方式，以保證爐管的徑向尺寸，增加爐管內(nèi)流場(chǎng)分布的均勻性及穩(wěn)定性。下文通過(guò)仿真模型對(duì)這2種進(jìn)氣方式進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 建立仿真模型

2.1 模型簡(jiǎn)化

本文選用湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司生產(chǎn)的管式PECVD設(shè)備的參數(shù)作為模型參數(shù)，并使用ANSYS軟件建立連續(xù)流體模型。軟件基于控制體積法，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)一系列不重復(fù)控制體積的微分方程進(jìn)行積分，得到離散單元體控制方程。本文模型中主要是對(duì)石英爐管內(nèi)連續(xù)流體進(jìn)行控制，其控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。本文重點(diǎn)研究工藝過(guò)程中石英爐管內(nèi)流場(chǎng)分布的均勻性，暫不考慮溫度場(chǎng)分布情況。為使分析目標(biāo)更為準(zhǔn)確，模型中省去了石墨舟及硅片。

連續(xù)性方程為[3]：

式中，ρ為氣體密度；V為氣體速度矢量；t為時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程為[3]：

式中，μ為氣體的動(dòng)力粘度；P為石英爐管內(nèi)靜壓力；SMi為當(dāng)i=1，2，3時(shí)，除壓力源外的沿X、Y、Z軸3個(gè)方向的廣義源項(xiàng)；ui為石英爐管內(nèi)工藝氣體速度分量；?P/?xi為當(dāng)i=1，2，3時(shí)，爐管內(nèi)靜壓力沿X、Y、Z軸3個(gè)方向的梯度。

采用環(huán)形進(jìn)氣方式時(shí)，工藝氣體是通過(guò)進(jìn)氣法蘭處周向均勻分布的24個(gè)直徑為1 mm的氣孔進(jìn)入石英爐管內(nèi)的；結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，頂部幾個(gè)氣孔的進(jìn)氣量較少，可忽略不計(jì)；且假設(shè)各進(jìn)氣孔氣體流量相等。環(huán)形進(jìn)氣方式的簡(jiǎn)化模型圖如圖3所示。

圖3 環(huán)形進(jìn)氣方式的簡(jiǎn)化模型圖Fig.3 Simplified model of annular inlet method

采用平面進(jìn)氣方式時(shí)，工藝氣體先從直徑為16 mm的中心進(jìn)氣口流入，在預(yù)混腔均勻混合后，通過(guò)均氣板進(jìn)入石英爐管內(nèi)。平面進(jìn)氣方式的簡(jiǎn)化模型圖如圖4所示。

圖4 平面進(jìn)氣方式的簡(jiǎn)化模型圖Fig.4 Simplified model of planar inlet method

2.2 參數(shù)設(shè)置

采用管式PECVD設(shè)備鍍SiNx薄膜時(shí)所需的工藝氣體為NH3和SiH4，且NH3與SiH4的流量比約為8:1，NH3為主要反應(yīng)氣體。本仿真模型忽略組分的輸運(yùn)和組分間的化學(xué)反應(yīng)，因此設(shè)置單一的NH3質(zhì)量流作為氣體入口邊界，NH3流量為8000 sccm；反應(yīng)室出口壓力為200 Pa，模型設(shè)置為k-epsilon湍流模型[4]。

2.3 流場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比分析

由三維穩(wěn)態(tài)流體模擬得到反應(yīng)室內(nèi)環(huán)形和平面進(jìn)氣方式時(shí)中間截面內(nèi)流場(chǎng)速度矢量圖，分別如圖5、圖6所示。由圖可以看出，2種進(jìn)氣方式的進(jìn)口速度均大于出口速度。模擬達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，平面進(jìn)氣方式的中心區(qū)域氣體分布較環(huán)形進(jìn)氣方式時(shí)的更為均勻。

圖5 環(huán)形進(jìn)氣方式中間截面內(nèi)流場(chǎng)速度矢量圖Fig.5 Vector velocity of flow field in middle section of annular inlet method

圖6 平面進(jìn)氣方式中間截面內(nèi)流場(chǎng)速度矢量圖Fig.6 Vector velocity of flow field in middle section of planar inlet method

3 反應(yīng)室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上文2種進(jìn)氣方式的模擬結(jié)果，再加上考慮到反應(yīng)室腔體的增大，決定將反應(yīng)室中工藝氣體的環(huán)形進(jìn)氣方式改為平面進(jìn)氣方式。但由于采用平面進(jìn)氣方式時(shí)進(jìn)氣面需要固定不動(dòng)，而每一次工藝運(yùn)行時(shí)，都需要裝卸一次石墨舟，反應(yīng)室前端爐門(mén)需進(jìn)行2次開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作，因此，對(duì)反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將進(jìn)氣面設(shè)置在反應(yīng)室尾端，抽氣孔設(shè)置在反應(yīng)室前端。優(yōu)化后的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of the optimized reaction chamber

3.1 尾端端面法蘭進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

尾端端面法蘭進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的工藝流程為：進(jìn)氣管道A、B設(shè)置在尾端端面法蘭中心區(qū)域，端面法蘭內(nèi)側(cè)連接均氣板，均氣板上設(shè)有若干個(gè)均勻分布的通氣孔；工藝氣體經(jīng)由進(jìn)氣管道A、B進(jìn)入尾端端面法蘭中心區(qū)域先向兩側(cè)充分混合，最后經(jīng)均氣板均勻進(jìn)入石英爐管內(nèi)部。優(yōu)化后的尾端端面法蘭進(jìn)氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的尾端端面法蘭進(jìn)氣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Post-optimized inlet structure of tail end flange

均氣板上設(shè)有若干個(gè)均勻分布的通氣孔，沿圓周設(shè)置6個(gè)與尾端固定方法蘭連接用的螺紋孔。均氣板結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 均氣板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Gas distribution plate structure

3.2 反應(yīng)室前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化后的反應(yīng)室前端結(jié)構(gòu)增加了前端密封法蘭、過(guò)渡筒、伸縮桿、內(nèi)爐門(mén)、隔熱板和導(dǎo)流管。優(yōu)化后的反應(yīng)室前端剖面示意圖如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的反應(yīng)室前端剖面示意圖Fig.10 Post-optimized sectional structure of front end of reaction chamber

由于優(yōu)化后的反應(yīng)室前端增加了內(nèi)爐門(mén)，其與原外爐門(mén)形成了雙爐門(mén)結(jié)構(gòu)，因此在原外爐門(mén)基礎(chǔ)上增加了伸縮桿以連接內(nèi)爐門(mén)，內(nèi)爐門(mén)中心通孔連接導(dǎo)流管到抽氣孔，該抽氣孔焊接在過(guò)渡筒下方，并連接至真空系統(tǒng)。內(nèi)爐門(mén)和導(dǎo)流管可以使反應(yīng)室內(nèi)部工藝氣體從腔體中心區(qū)域抽離反應(yīng)室，保證反應(yīng)室內(nèi)氣場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性。導(dǎo)流管將反應(yīng)室腔體內(nèi)熱氣流直接引入抽氣孔，減少了過(guò)渡筒內(nèi)的熱量，可大幅降低爐門(mén)密封圈的溫度。隔熱板可減少內(nèi)、外爐門(mén)之間輻射熱的傳播，進(jìn)一步降低爐門(mén)密封圈的溫度，延長(zhǎng)密封圈的使用壽命。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的效果

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，反應(yīng)室尾端進(jìn)氣的同時(shí)前端抽氣，工藝氣體可快速均勻分布在反應(yīng)室腔體內(nèi)，大幅提高了反應(yīng)室內(nèi)截面流場(chǎng)穩(wěn)定性和均勻性；而且平面進(jìn)氣方式尤其適用于增大了徑向尺寸的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。尾端端面法蘭中心區(qū)域進(jìn)氣前端增加過(guò)渡筒抽氣，避免了前端爐門(mén)進(jìn)氣時(shí)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，降低了加工難度，工藝過(guò)程穩(wěn)定性和氣密性好，改造兼容性好，適于太陽(yáng)電池生產(chǎn)線的大規(guī)模應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文管式對(duì)PECVD設(shè)備反應(yīng)室的環(huán)形進(jìn)氣方式和平面進(jìn)氣方式進(jìn)行了三維流場(chǎng)數(shù)值仿真分析，驗(yàn)證了平面進(jìn)氣方式反應(yīng)室中間區(qū)域氣場(chǎng)分布較環(huán)形進(jìn)氣方式的更加均勻；然后對(duì)采用平面進(jìn)氣方式時(shí)反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，反應(yīng)室尾端進(jìn)氣的同時(shí)前端抽氣，工藝氣體可快速均勻分布在反應(yīng)室腔體內(nèi)，反應(yīng)室內(nèi)截面流場(chǎng)穩(wěn)定性和均勻性都獲得大幅提高；而且采用平面進(jìn)氣方式更有利于保證反應(yīng)室徑向尺寸增大后實(shí)際生產(chǎn)中鍍膜的均勻性。本模擬結(jié)果以期能對(duì)PECVD工藝調(diào)試及設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。