基于PECVD反應(yīng)爐中輔助加熱裝置的研究

謝成，張春成，黃心沿,2，邱魁，李明

（1.湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙 410205；2.中南大學(xué)傳感技術(shù)研究所，湖南 長沙 410083）

1 研究背景和意義

光伏電池生產(chǎn)加工的過程中，為了提高轉(zhuǎn)換效率，常在晶體硅的表面制備一層或多層二氧化硅或氮氧硅或氮化硅減反射膜，需通過采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)的PECVD設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。鍍膜工藝這一環(huán)節(jié)在管式PECVD設(shè)備的爐管中進(jìn)行，爐體與反應(yīng)室、爐門機(jī)構(gòu)、氣路裝置構(gòu)成反應(yīng)爐系統(tǒng)，又與溫控模塊、變壓器、功率調(diào)整裝置組成加熱系統(tǒng)，再搭配上射頻電源，在一定的低壓條件下，利用射頻電場使反應(yīng)氣體產(chǎn)生輝光放電，電離出等離子體，促進(jìn)反應(yīng)活性基團(tuán)的生成，從而使得反應(yīng)能在由加熱系統(tǒng)設(shè)定的溫度內(nèi)進(jìn)行。應(yīng)用管式PECVD設(shè)備在硅片表面鍍膜，既可以減少硅片表面對太陽光的發(fā)射提高光的吸收率，又可以對硅片表面起到鈍化和保護(hù)作用。這便是管式PECVD設(shè)備在光伏電池的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的原因。

光伏電池生產(chǎn)車間屬于人力密集型產(chǎn)業(yè)，人力成本的增加，直接導(dǎo)致光伏電池成本增高。降低成本、控制工藝時(shí)間和增大硅片尺寸以減少人力投入，成為各大光伏電池制造廠商的共同目標(biāo)。隨著邊長為210mm光伏電池的推出，考慮到鍍膜工藝這一環(huán)節(jié)會對成品質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用，毫無疑問，管式PECVD設(shè)備的性能非常關(guān)鍵。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，為了盡可能縮短恒溫時(shí)間以提高單位時(shí)間產(chǎn)能，需通過平衡熱場分布，以保障薄膜的厚度均勻性。分析能量轉(zhuǎn)換及控制原理，在設(shè)備的反應(yīng)爐內(nèi)增加輔助加熱裝置搭配常規(guī)加熱系統(tǒng)是最有效的途徑。

2 裝置的電氣設(shè)計(jì)

依據(jù)控制原理，開展了輔助加熱裝置的電氣設(shè)計(jì)工作，繪制出如圖1的電路原理圖。首先和常規(guī)加熱系統(tǒng)一樣采用外部三相電作為電源，是否供電使線路導(dǎo)通則由控制系統(tǒng)決定。接著，選用三相接觸器作為執(zhí)行元件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由動主觸頭、靜主觸頭、輔助觸頭、動鐵芯、靜鐵芯、滅弧罩和支架外殼等組成；一共有8個(gè)主要接點(diǎn)，三路輸出，三路輸入，另有兩個(gè)控制點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)接觸器自鎖功能，我們使用了一根多芯電纜進(jìn)行連接；通電時(shí)，外界電能加在線圈上，產(chǎn)生電磁場，靜鐵芯將動鐵芯吸合，引起三條動觸片同時(shí)動作，以致主觸點(diǎn)閉合，此時(shí)，與主觸點(diǎn)相連的輔助常閉觸點(diǎn)會馬上斷開，輔助常開觸點(diǎn)閉合，電路導(dǎo)通；斷電時(shí)，吸力消失，動鐵芯通過彈簧的反作用力進(jìn)行分離使主觸頭斷開，輔助常開觸點(diǎn)會立刻斷開，輔助常閉觸點(diǎn)閉合，切斷負(fù)荷電源。然后，交流接觸器各輸出點(diǎn)全接入了裝有一組晶閘管的控制箱，每個(gè)輸出端都直接與對應(yīng)晶閘管的陽極相接，之所以選擇晶閘管這種半控型電力電子器件，是因?yàn)楦鶕?jù)晶閘管的閘流特性，只有當(dāng)它的門極承受正向電壓時(shí)才會導(dǎo)通，能對電路起到整流和保護(hù)的作用；為了實(shí)現(xiàn)門極觸發(fā)的功能，在控制箱內(nèi)通過線纜將控制系統(tǒng)與晶閘管的門極和陰極連接；同時(shí)，晶閘管的陰極也作為輸出端通過電纜連接負(fù)載，在電路導(dǎo)通的情況下，只有當(dāng)電壓或電流減小至趨近為零時(shí)，晶閘管才會自動關(guān)斷。為實(shí)現(xiàn)一定的控制要求，晶閘管需常與三相接觸器配合。

圖1 輔助加熱裝置電路圖

負(fù)載是導(dǎo)體，有電阻率，故在原理圖中用電阻進(jìn)行了替代。因?yàn)榉磻?yīng)爐內(nèi)中的溫度情況都需要實(shí)時(shí)進(jìn)行測量并反饋數(shù)據(jù)，所以熱學(xué)傳感器是不可或缺的。最終決定使用性能最符合要求的熱電高溫計(jì)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，采用兩線制RS485通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)完成通信?？刂葡鋬?nèi)含有由一個(gè)小型集成電路板，為從屬于控制系統(tǒng)的輔助加熱子系統(tǒng)，帶有RS485接口，通過通訊雙絞線完成通信聯(lián)接，在主機(jī)組態(tài)軟件的子模塊中設(shè)置輔助加熱過程控制所需的各項(xiàng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)裝置相關(guān)的功能。

3 裝置的結(jié)構(gòu)特性

金屬材料是良導(dǎo)體，自由電子多，電阻率很低，通過電子運(yùn)動時(shí)，自由電子與金屬陽離子的碰撞，使另一金屬原子又失去最外層電子，碰撞到其他金屬陽離子形成中性原子。于是，決定選擇金屬材料作為輔助加熱裝置的加熱絲，通過比對金屬鍵的強(qiáng)弱、抗氧化性、成本等因素，最終采用了鐵鉻鋁合金。結(jié)合空間及受力情況，加熱絲采用將單根鎧裝電阻絲繞制成雙螺旋線形式，具體如圖2所示。

圖2 加熱絲

此加熱絲制作完成后，立刻安裝在反應(yīng)爐內(nèi)，進(jìn)入工藝環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)鍍膜后的光伏電池上有黑斑存在，經(jīng)過復(fù)盤溯源得出是由于加熱絲直接暴露在高溫等離子體反應(yīng)氣氛中，引入了新的雜質(zhì)，從而導(dǎo)致了光伏電池鍍膜成品有這類缺陷。

為了避免加熱絲直接暴露在高溫等離子體氣氛中，參照現(xiàn)有反應(yīng)室，通過技術(shù)分析，解決問題的有效途徑是在加熱絲外加上石英套管實(shí)施保護(hù)。于是，我們嘗試了石英套管和設(shè)備現(xiàn)有石英管實(shí)施一體化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)制備過程相對復(fù)雜，且容易損壞，需要對整個(gè)石英管進(jìn)行更換，過程較為繁雜，成本較高。

綜合整體管理和經(jīng)濟(jì)性的要求，簡化輔助加熱裝置的制備過程，讓保護(hù)加熱絲的石英套管不再與石英管一體化封裝，設(shè)計(jì)獨(dú)立于輔助加熱裝置且便于更換的石英套管是必須實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)。通過專家判斷和技術(shù)討論，在多次優(yōu)化后，確定下了具體如圖3為加熱棒型的輔助加熱裝置及其反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案。

圖3 輔助加熱裝置及其反應(yīng)室

圖中的標(biāo)號所對應(yīng)的部件分別如下：1為尾端法蘭，2為尾端密封法蘭，3為過渡法蘭，4為支撐方法蘭，5為保溫棉圈，6為爐體保溫層，7為爐體加熱絲，8為石英管，9為進(jìn)氣法蘭，10為電極桿，11為輔助加熱裝置，12為石英套管固定支架。其中，尾端法蘭、尾端密封法蘭，過渡法蘭、支撐方法蘭，石英管和進(jìn)氣法蘭共同組合形成反應(yīng)室，其中石英管是反應(yīng)室的基礎(chǔ)，輔助加熱裝置大部分位于石英管的內(nèi)部。保溫棉圈、爐體保溫層和爐體加熱絲共同組合形式外部主加熱裝置。電極桿是連接用于激發(fā)產(chǎn)生等離子體的射頻電源輸出線與負(fù)載。石英套管固定支架的作用是對于安裝在反應(yīng)室內(nèi)部的兩套輔助加熱裝置之間的相對位置進(jìn)行保持，同時(shí)，將兩套輔助加熱裝置連接至進(jìn)氣法蘭基體上進(jìn)行固定。輔助加熱裝置的具體結(jié)構(gòu)及其與尾端法蘭之間的連接關(guān)系如圖4。

圖4 輔助加熱裝置內(nèi)部構(gòu)造

如圖4中所示，11-1為絕緣封頭，11-2為石英套管，11-3為加熱絲，13為橡膠密封圈，14為緩沖墊圈。其中絕緣封頭、石英套管和加熱絲共同組合形成了加熱棒型的輔助加熱裝置。

加熱絲穿過絕緣封頭引出兩個(gè)接線端用于連接至加熱功率控制輸出端。絕緣封頭設(shè)有用于安裝橡膠密封圈的安裝槽，使得橡膠密封圈在絕緣封頭與尾端法蘭之間形成穩(wěn)定可靠的密封，此時(shí)，石英套管不再參與整體反應(yīng)室的密封，同樣能夠保護(hù)加熱絲不會直接暴露在高溫等離子氣氛中。采用這樣的結(jié)構(gòu)也就不要求絕緣封頭與石英套管做一體化封裝，便于更換且節(jié)約成本。而石英套管與尾端法蘭之間安裝有耐高溫材料鐵氟龍制成的緩沖墊圈，則用于防止石英套管在受瞬時(shí)的沖擊而損壞，有效降低風(fēng)險(xiǎn)性，提升了裝置的質(zhì)量及使用壽命。

之后技術(shù)組對輔助加熱裝置依照上述方案進(jìn)行改造，完成了初步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)特性符合期望，于是，小批量制作，為開始下一步的測試工作做準(zhǔn)備。

4 裝置的產(chǎn)線測試

制作加熱棒的同時(shí)，輔助加熱裝置相配套的電氣部件采購與生產(chǎn)也在進(jìn)行。經(jīng)過一周的時(shí)間，輔助加熱裝置整體完工，出于對裝置準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的考慮，一共生產(chǎn)了五套輔助加熱裝置，加熱棒分別安裝在了光伏車間生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)線如圖5的PECVD設(shè)備爐體柜的各反應(yīng)室區(qū)，裝有部件和導(dǎo)線的電氣板則安裝在了斷路器區(qū)。完成裝配工作后，首先進(jìn)行了檢查，再對設(shè)備上電，通過工控軟件運(yùn)行表面鈍化相關(guān)的鍍膜工藝測試。

圖5 PECVD爐體柜布局

由于硅片尺寸較大，尺寸為邊長210mm，在不使用輔熱加熱裝置的情況下，當(dāng)工藝時(shí)間最短為40分鐘25秒時(shí)，才能夠滿足膜厚處于76～84nm的質(zhì)量指標(biāo)，但是，產(chǎn)能仍不達(dá)標(biāo)。以此為基礎(chǔ)，我們開始了使用輔助加熱裝置的生產(chǎn)工藝測試，通過對比以得出最優(yōu)的情況。

原始工藝采用三步恒溫的模式，通過軟件編程，我們在工藝設(shè)置中加入了輔熱電流設(shè)置的功能，將電流大小分別設(shè)置在90A、60A、20A。工藝時(shí)間縮短至36分鐘，但是，光伏電池的成品情況并不理想，位置在爐中偏厚，而爐口的則大部分薄。根據(jù)這樣的情況，我們對輔助加熱裝置的電流大小施行調(diào)整，并通過多輪工藝測試，最后得到了總工藝時(shí)間縮短到33分鐘40秒，輔助加熱裝置在五個(gè)恒溫步中使用，如表1的最優(yōu)工藝條件。

表1 輔助加熱配套工藝

設(shè)備每管都以石墨舟為載片裝置，所產(chǎn)出的光伏電池成品鍍膜情況可見圖6為例。膜厚能控制在78～83nm，且無明顯色差，符合后續(xù)組件產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求。

圖6 輔助加熱使用后的成膜情況

輔助加熱裝置上線使用后，我們對光伏電池實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線中安裝了輔助加熱裝置的設(shè)備進(jìn)行了長達(dá)半年的跟蹤，運(yùn)行并無異常，且在縮短了工藝時(shí)間的情況下，成品的良率相較未使用此裝置前平均提高了2.07%。

5 結(jié)語

本文主要闡述了PECVD反應(yīng)室輔助加熱裝置的研究過程，由前向后，分別從電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特性、產(chǎn)線測試這三個(gè)方面按步驟施行了各項(xiàng)工作。結(jié)果表明，電氣設(shè)計(jì)及控制原理切合實(shí)際，結(jié)構(gòu)上選擇雙螺旋形加熱絲并采用石英套管進(jìn)行保護(hù)組成加熱棒的方案適用性強(qiáng)且節(jié)約成本。裝置投入產(chǎn)線進(jìn)行測試并長期使用，工藝用時(shí)從40分鐘25秒縮短至33分鐘40秒，且成品良率最終平均高了2.07%，效率達(dá)到較大的提升。綜上所述，可以證明這項(xiàng)PECVD反應(yīng)爐中輔助加熱裝置的研究是成功的，能夠推廣使用，響應(yīng)了光伏裝備制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的中心思想，為設(shè)備的后續(xù)開發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。