线形同轴耦合微波等离子体系统仿真研究

彭宜昌，吴易龙，徐 伟，张 威，陈特超

( 湖南红太阳光电科技有限公司，湖南 长沙410111)

钝化发射极及背接触太阳能电池（PERC 电池）是目前技术成熟、应用广泛的高效太阳能电池，其产能逐年扩大[1]。与常规铝背场电池相比，PERC 电池的工艺流程中增加了全覆盖的背面钝化膜，通过化学气相沉积方式在背面形成氧化铝钝化层，并加覆一层氮化硅保护膜，两者形成层叠降低表面载流子的复合，以减少缺陷带来的电池背面光电损失，从而保证电池转换效率[2]。微波等离子体增强化学气相沉积（MW-PECVD）法是制备高质量背面钝化膜的重要方法[3]，其成膜过程在真空状态下进行，成膜质量好且成膜速率快。

随着微波等离子体技术在光伏钝化薄膜材料沉积中的应用，电池生产厂商成本控制成为至关重要的问题，大产能工艺设备成为首选。作为平板式PECVD 设备核心部件的微波等离子体源的性能越来越受到人们的关注。目前线形同轴耦合等离子体系统的长度主要集中在1100～1300 mm，输入的微波功率一般小于3 kW。而进一步的增加等离子体源长度，则需要提高微波功率，但微波功率的提高，会使磁控管无法在高功率下长时间稳定工作而造成寿命偏低。为找到合适的微波等离子体源长度，自主研发设计了线形同轴耦合微波等离子体系统，通过对该系统的等离子体源分布规律以及均匀性进行仿真分析，探讨了平板式PECVD 设备提升产能的可行性。

1 线形同轴耦合微波等离子体系统

线形同轴耦合微波等离子体系统的结构示意图如图1 所示。该系统主要由微波源、模式转换天线、真空腔体、真空抽气系统、气体系统、载片托盘等几个部分组成。矩形真空腔体长为2875 mm，宽1470 mm，极限真空度可达0.5 Pa。系统采用2个输出功率分别为3 kW 的磁控管来产生频率为2.45 GHz 微波，经过环形器、矩形波导和模式转换天线将微波耦合进入腔体内。作为微波放电的介质窗，沿转换天线的径向分布有两端密封的同轴石英管。石英管外部产生的等离子体和作为微波发射天线的铜天线两者一同构成了同轴波导，不仅构成了微波负载，同时也起着传输微波能量的作用[4，5]。工艺气体从石英管上方输入真空腔体，吸收耦合的微波使其成为等离子状态，在电磁场的约束下，当托盘以一定工艺速度水平传输经过等离子区时，即会沉积在其表面上形成薄膜。此外，微波传输过程中能量被负载吸收造成微波功率减弱。为保证成膜质量，需调节输入的微波功率和工艺气体压力等来产生均匀的等离子体。

图1 线形同轴耦合微波等离子体系统的结构示意图

2 等离子体的空间分布规律

图2 微波等离子体源二维轴对称模型

为研究不同线性耦合微波等离子体源长度对沉积均匀性的影响，采用COMSOL 仿真分析软件对等离子体模块进行仿真研究，将等离子体源简化成二维轴对称模型，如图2 所示。设定平均微波功率为2 kW（实际设定功率为4 kW，占空比8/8），真空腔体内压力为20 Pa，工艺温度为650 K（377 ℃），工艺气体为氩气，L 为等离子体源的长度。

图3 为在气压20 Pa、微波功率2 kW 放电条件下，不同长度源的电子密度分布情况。从图3 可以看出，在其它参数不变的条件下，随着等离子体源长度的增大，电子密度轴向均匀性逐渐变差，特别是当长度增大到1700 mm 时，中间区域电子密度严重衰减。但是同时也观察到电子密度大小并未发生明显变化，同时，在径向方向上电子密度分布区域反而扩大。

图3 轴向电子密度分布结果

图4 为托盘处电子密度分布结果。从图4 可以看出，托盘处的电子密度变化规律与整个腔室内电子密度变化规律相同，都是随着长度增加，均匀性变差，导致均匀性变差的主要因素是腔室中间区域电子密度急剧降低。

图4 托盘处电子密度分布结果

图5 为电子密度不均匀性定量分析结果。从图5 可以看出，当微波等离子体源长度从1300 mm增加到1700 mm，电子密度不均匀性从3.8%增大到18.9%；但长度在1300～1500 mm 范围，电子密度均匀性变化不大，随着长度继续增大(1500～1700 mm)，电子密度剧烈变化，不利于成膜。

图5 电子密度不均匀性定量分析结果

3 结论

基于COMSOL 有限元分析软件，对比分析了不同长度的等离子体源电子密度分布规律，结果表明，随着线性微波等离子体源长度增大，腔室中间区域电子密度大小和均匀性都会降低。但将长度从1300 mm 增大到1500 mm，均匀性变化可控，长度增加是可行的，对设备设计可进一步优化。