板式PECVD设备维护后初期的 生产品质提升方案

王贵梅，赵 环，刘 苗，朱少杰，孙晓凯

(晶澳太阳能有限公司，邢台 055550)

0 引言

镀膜是太阳电池生产中较为重要的工艺，而氮化硅薄膜一般由PECVD设备来制备[1]。目前，对于产业化生产的板式PECVD设备而言，通常以72～96 h作为1个维护周期，维护工作主要涉及更换设备中的石英管和清理特种气体NH3和SiH4的气孔，以及其他的维护保养工作。在实际的太阳电池生产过程中发现，PECVD设备在维护后初期(约1 h)镀制的氮化硅薄膜容易因膜厚和折射率不稳定，从而导致生产的太阳电池存在色差及电池的光电转换效率偏低的问题。

针对上述问题，本文以板式PECVD设备维护后初期(0～64 min)在多晶硅片表面镀的氮化硅薄膜为研究对象，分析了其膜厚、折射率及腐蚀速率等数据，对此情况下制备的多晶硅太阳电池的电性能进行了分析，并提出了提升设备维护后初期生产品质的方案。

1 实验样品及仪器

本文中的实验硅片采用晶海洋半导体材料(东海)有限公司生产的金刚线切割p型多晶硅片，尺寸为156 mm×156 mm，厚度为180±10 μm，电阻率为1～3 Ω·cm。

采用德国Meyer Burger公司的能量频率为2.45 GHz 的板式PECVD 设备制备氮化硅薄膜，利用北京量拓科技有限公司生产的EMPro-PV椭偏仪测试氮化硅薄膜的膜厚和折射率，采用Halm检测系统检测按照多晶硅太阳电池的标准生产流程生产的太阳电池的电性能数据。

2 实验设计与实验结果分析

2.1 氮化硅薄膜的膜厚、折射率测试

2.1.1 实验设计

选取1台刚进行过设备维护的板式PECVD设备，将设备维护后的所有工艺参数设定成与维护前一致；任意选取3个连续的石墨框，石墨框编号为K1～K3；每个石墨框完成1次氮化硅薄膜镀膜耗时8 min，每次镀膜完成后，分别从每个石墨框中任意选取5片镀膜后的硅片，共选取8次；测试每片硅片所镀氮化硅薄膜的中心点膜厚和折射率，以每次选取的5片硅片的平均值作为该石墨框当次的实验数据。

2.1.2 实验结果与分析

统计不同镀膜时间下膜层的膜厚和折射率，分别如图1、图2所示。

图1 设备维护后的镀膜时间与膜厚的关系曲线Fig. 1 Relationship curve between coating time and film thickness after equipment maintenance

由图1可知，随着设备维护后时间的推移，镀膜的膜厚呈逐渐下降趋势，且从第48 min开始基本趋于稳定；在设备维护后48 min时，3个石墨框镀膜的平均膜厚较设备维护后8 min时的下降了约5 nm。

图2 设备维护后的镀膜时间与膜层折射率的关系曲线Fig. 2 Relationship curve between coating time and refractive index of film after equipment maintenance

由图2可知，随着设备维护后时间的推移，镀膜的折射率呈逐渐上升趋势，且从第56 min开始基本趋于稳定；在设备维护后56 min时，3个石墨框中镀膜的平均折射率较设备维护后8 min时的上升约0.060%。

通过分析设备维护后初期(0～64 min)镀膜的膜厚和折射率随时间推移发生变化的原因，认为可能是受设备反应仓内空气、水分等杂质的影响，再加上设备维护后初期时设备内等离子体激发不完全[1]，导致此种情况下镀的膜层的微观成分与设备稳定运行时镀的存在差异。

2.2 腐蚀速率的测试

2.2.1 实验设计

从K1～K3石墨框中分别选取设备维护后8 min和88 min镀膜的硅片各5片，采用浓度为23%的HF溶液腐蚀硅片膜层25 s；将腐蚀前、后的膜厚差值除以腐蚀时间定义为腐蚀速率，统计不同情况下的腐蚀速率数据，并分析差异性。

2.2.2 实验结果与讨论

设备维护后8 min和88 min时镀的膜层的腐蚀速率结果如图3所示。

图3 设备维护后不同镀膜时间所镀膜层的腐蚀速率Fig. 3 Corrosion rate of film prepared at different coating times after equipment maintenance

由图3可知，设备维护后8 min镀的膜层的腐蚀速率明显偏高，其腐蚀速率几乎是设备维护后88 min镀的膜层的1.64倍。由于氮化硅薄膜的腐蚀速率能在一定程度上表征膜层的致密性，腐蚀速率越低，表明膜层的致密性越好；腐蚀速率越高，表明膜层的致密性越差。由此可知，与设备维护后88 min所镀膜层相比，设备维护后8 min所镀膜层的致密性差、较为疏松，这表明在设备维护后初期制备的膜层存在较多缺陷。

2.3 电池的电性能测试

2.3.1 实验设计

将设备维护后64 min内镀膜的硅片制备成太阳电池，从中选取3200片电池作为实验组；取设备维护前64 min内镀膜的硅片制备成太阳电池，从中选取3200片电池作为对比组。这2种太阳电池在同一印刷线下传至相同检测机台，得出实验组和对比组平均的电性能测试数据。

2.3.2 实验结果与分析

以对比组的电性能测试数据为基准，实验组的各参数值的变化情况如表1所示。

由表1可知，以对比组的电性能数据为基准时，实验组的Eta降低了0.05%、Voc降低了0.0042 V、Isc降低了0.017 A。这可能是因为设备维护后初期时制备的氮化硅薄膜受杂质及等离子体激发不完全的影响，导致膜层性能不稳定，膜层的减反射效果与钝化效果较差，使制备的太阳电池的Isc和Voc下降，进而造成电池的Eta降低。

表1 以对比组的电性能数据为基准，实验组的各参数值的变化情况Table 1 Based on electrical performance data of comparison group，changes in parameter values of experimental group

3 设备维护后初期的生产品质提升方案

板式PECVD设备会根据压力设置自动调节角阀的开度值，由于角阀开度的波动能反映设备的真空状态，因此正常生产过程中，通过监控角阀开度曲线的波动趋势来设置合理的报警区间，以避免由于设备的真空度异常而导致设备出现生产品质异常的情况。而在设备维护后初期，由于设备刚复机，角阀开度波动较大，产线往往通过屏蔽角阀报警来满足此时的生产需求，导致电池易出现色差及转换效率偏低的情况，因此在设备维护后初期需增加对角阀开度曲线的监控。在设备维护前、后工艺参数保持一致的情况下，设备维护后的角阀开度曲线随时间的波动趋势图如图4所示。

图4 设备维护后的角阀开度曲线随时间的波动趋势图Fig. 4 Fluctuation trend of angle valve opening curve with time after equipment maintenance

针对设备维护后初期时制备的太阳电池电性能较差的情况进行改进，在角阀开度曲线波动未稳定(曲线上下波动不超过1%时认为波动稳定)之前，石墨框内不放置硅片，只保持空石墨框在设备内运转，目的是对石墨框加热，减少因石墨框温度较低而产生边缘色差的电池的数量；并通过石墨框在仓体内的运转，改善等离子体分布的均匀性，增加石墨框表面的氮化硅沉积，降低镀膜过程中石墨框与硅片竞争沉积氮化硅的几率；同时减少因设备维护后初期镀膜的膜厚和折射率不稳定导致存在色差的电池的数量。待角阀开度曲线稳定后，石墨框再放置硅片，以保证镀膜的膜厚和折射率稳定。

角阀开度曲线波动稳定后，往石墨框内放置3200片硅片进行镀膜，并依据生产流程制备成太阳电池，作为实验组；选取设备维护前64 min内镀膜的3200片硅片，同样依据生产流程制备成太阳电池，作为对比组。以对比组的电性能数据为基准，实验组的电性能数据变化情况如表2所示。

表2 以对比组的电性能数据为基准，实验组的电性能数据的变化情况Table 2 Based on electrical perpormance data of comparison group，changs of electrical performance data of experimental group

由表2可知，以对比组的电性能数据为基准时，实验组的Eta、Isc和Voc均有所提升。而且待角阀开度曲线波动稳定后再进行硅片镀膜，降低了板式PECVD设备维护后初期镀膜情况下生产的太阳电池产生色差的比例，提升了电池的良品率。

4 结论

本文针对板式PECVD设备维护后初期镀的氮化硅薄膜的膜厚、折射率、腐蚀速率等数据，以及此情况下制备的太阳电池的电性能进行了分析，并提出了设备维护后初期生产品质的提升方案，得到以下结论：

1)随着设备维护后时间的推移，所镀膜层的折射率呈逐渐上升趋势，且从第56 min开始基本趋于稳定；在设备维护56 min时，3个石墨框镀膜的平均折射率较设备维护后8 min时的上升约0.060%。

2)设备维护后8 min时所镀膜层的腐蚀速率明显偏高，几乎是设备维护后88 min时所镀膜层的1.64倍；且此时所镀膜层较为疏松，存在较多缺陷。

3)以设备维护前64 min内镀膜的硅片制备的太阳电池的电性能数据为基准，设备维护后64 min内镀膜的硅片制备的太阳电池的Eta降低0.05%、Voc降低0.0042 V、Isc降低0.017 A。优化板式PECVD设备维护后初期的状态后，提升了此种镀膜情况下生产的太阳电池的转换效率，并降低了电池产生色差的比例，提高了电池的良品率。