管式PECVD设备腔内大容量石墨舟力学性能的数值分析

曹佳铭 鄢庆阳 王刚 李陆明 吕志军

摘 要：提高等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法制备的氮化硅薄膜品质在太阳电池光电转换效率领域有举足轻重的作用。承载大量硅片的石墨舟是管式PECVD设备中的关键核心部件，随着生产效率的不断提升，热力耦合环境下腔内大容量石墨舟力学性能的稳定性引人关注。通过CAD软件建立石墨舟有限元模型并使用ANSYS仿真软件进行热力学仿真研究，综合分析其在高温条件下受力、受热后的变形情况。研究结果显示：结构自重是石墨舟形变及应力集中产生的主要因素，温度产生的影响并不明显；采用结构增强设计可有效提升石墨舟整体的力学性能。

关键词：太阳电池；石墨舟；有限元模型；热力耦合；管式PECVD

中图分类号：TH123+.4 文献标志码：A

0  引言

目前，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法被广泛应用于光伏发电行业的太阳电池镀膜工序中[1]。PECVD法操作简单、重复性好、成本低廉，相较于液相外延（LPE）、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、气相外延（VPE）等方法，其制备的氮化硅薄膜具有强度高、硬度高、介电常数大、折射率可调、透射率高、光衰减系数小和化学稳定性好等技术优势[2]，使用管式PECVD法进行镀膜工艺能够实现更高的镀膜效率。

随着光伏市场对降本增效需求的日益增长，管式PECVD设备的产能也在不断提高[3]。作为管式PECVD生产工艺中的关键装载工具，大容量石墨舟中单次镀膜的硅片数量已经从原先的300、400片增加至现在的600片左右，舟体长度已达到2 m以上。目前，增加石墨舟的长宽比，进而增加单次工艺过程中单晶硅片的镀膜数量，已成为太阳电池产业降本增效的重要手段。

同时，管式PECVD设备生产中的质量控制问题日渐显现[3]。实际上，管式PECVD设备在进行硅片镀膜的过程中，硅片和石墨舟会受到高温、结构自重、电磁等多物理场耦合作用，影响硅片镀膜品质的因素十分复杂，既包括石墨舟自身的形状、载片数量、荷载分布等因素，也包括工艺气体的成分、比例、输入速率等关键工艺参数，同时还涉及管式PECVD设备内部各分区温度、预热退火情况及石墨舟清洗等环节[4]。例如：通入气体速率不同易导致硅片镀膜厚度不一[5]；石墨舟卡点形状不同会导致硅片在卡点处产生损伤[6]；提前对石墨舟预热则能减少工艺总体时间[7]等。

针对上述问题，国内外学者及工程技术人员进行了理论研究与实验分析。国内学者及研究中：朱辉等[8]的研究主要集中在推舟装置的优化上，以获取大产能条件下各组成部件形变最小的推舟机构结构。王贵梅等[9]则针对采用PECVD法沉积的氮化硅/氮氧化硅（SiyNx/SiOxNiy）叠层膜进行了实验研究，将太阳电池的实验室光电转换效率提升了0.07%；利用SiyNx/SiOxNiy叠层膜抗氧化、抗钠离子的特性，使太阳电池的抗电势诱导衰减性能提升了22%。国外学者及研究中：Amirzada等[10]开发了用于PECVD工艺整个操作过程的温度范围预测模型，可以直接计算镀膜表面的粗糙度，大幅节省了实验时间。Kozak等[11]研究了退火结构和性能对氮化硅薄膜的影响，结果表明：高溫和低温退火都会导致Si-C-N薄膜出现硬度降低的问题。

石墨舟作为管式PECVD设备生产过程中的关键支撑部件，在化学气相沉积反应中需要适应非常严苛的工作环境。此前的多数研究针对PECVD设备中除石墨舟外的其他零部件的热变形特性展开，而对于热力耦合环境下大容量石墨舟力学性能（应力、应变）的稳定性却鲜有涉及。基于此，本文采用ANSYS有限元仿真软件对管式PECVD设备腔内大容量石墨舟在工作状态下的力学性能进行分析和讨论，以期更好地了解石墨舟在热力耦合环境下的力学稳定性及其主要影响因素，为大容量石墨舟结构优化设计提供技术参考。

1  石墨舟结构的有限元建模

1.1  管式PECVD设备结构

常规型管式PECVD设备主要由上料滑台、净化台、炉体柜、气源柜、真空泵、下料滑台、预热腔等部分组成[8]。管式PECVD设备的反应腔是镀膜工艺的主要工作区域，其内部结构示意图[2]如图1所示。

石墨舟是一个典型的扁平长形腔体结构，通常长宽高比约为1100：1：110。其主要结构为置于陶瓷支撑梁上的石墨舟脚、石墨舟片，以及用于固定的陶瓷棒和陶瓷螺母；其次是用于调整热变形的碳-碳垫片和陶瓷垫片。本实验模型选用9×32的石墨舟单元模型开展研究，即该石墨舟单

元具有32片石墨舟片，每片石墨舟片具有9个可供放置硅片位置的槽位，其结构示意图如图2所示。载片模式是最外两侧的石墨舟片只有单面内侧载片，内部石墨舟片为双面载片，因此载片量为30×9×2+2×9=558，即单次工艺可对558片硅片镀膜。槽位为斜向放置的圆角矩形，其与水平方向夹角约为4°～6°，两槽位之间距离约为200 mm。石墨舟片厚约为2～3 mm，外层片比内侧厚约1～2 mm，水平方向相邻的片之间距离约为10 mm。

1.2  模型简化

建立符合实际工况的石墨舟单元有限元模型时，对实物物理状态进行准确描绘与再现是分析高温环境下石墨舟形变数值的前提条件。实验所选的石墨舟单元装配体零部件共27类，1886个，考虑到数值计算效率及精度的平衡，需要利用CAD软件对模型零部件进行适当简化后再导入ANSYS软件中计算。简化方法有：简化石墨舟单元最外层的石墨舟片细节，忽略最外层舟片外侧的挖槽；忽略陶瓷垫片的缺口并且使用10 N的螺栓预紧力来替代外侧的陶瓷螺母，该过程可减少其计算量而计算精度没有明显损失。经简化，石墨舟单元最终模型零部件共20类，990个。

1.3  设置约束及荷载

根据实际生产条件，对石墨舟单元有限元模型施加两个约束，分别为：对陶瓷支撑梁两端施加的固定约束；对侧面陶瓷棒施加的10 N螺栓预紧力。同时，对该有限元模型施加标准结构力和温度荷载，温度荷载曲线图如图3所示。

1.4  网格划分

对石墨舟单元有限元模型进行网格划分，划分为数量分别为399345、437166、472337的3种网格，得到的仿真结果的应力和应变无明显差异。考虑到计算量及时间成本等因素，本实验均采用数量为399345的网格进行研究。在石墨舟片上卡点位置对其使用mesh网格划分进行加密处理。因为本模型中的零部件大多为直线类型的边界模型，所以采用的有限元单元体为8节点6面体网格，相较于4节点4面体网格，其计算精度更高、计算结果更易收敛。

1.5  材料属性

石墨舟的主要材料为石墨及陶瓷，二者的相关参数如表1所示。

石墨材料的弹性模量会随温度上升而升高，其变化示意图如图4所示。陶瓷材料的弹性模量会随温度升高而下降，其变化示意图如图5所示。

2  结构热力耦合分析

2.1  热力耦合机理

热力耦合过程是应力场与温度场两个物理场之间相互影响的过程，即温度对石墨舟受力变形有影响，同时石墨舟受力变形对温度也有影响。石墨舟由石墨舟片、陶瓷棒、陶瓷垫片等不同材质的零部件组合而成，由于涉及零部件较多，材料属性不同，因此，需要深入研究大容量石墨舟的热力耦合行为，以便采取具有针对性的改进措施。

在实际热力耦合分析过程中有两种方法：1）单向耦合方法是先对物体进行热分析，再将分析后的结果导入到静力学分析；2）双向耦合方法是直接将热和力耦合在一起进行分析。前者适用于温度场对力场影响很大、力场对温度场几乎没有影响的情况，其优势在于计算量较小，节省了仿真模拟的时间；后者则适用于温度场与力场相互作用的情形，其优势在于仿真结构更贴近现实。本文主要采用双向耦合的方法建立石墨舟单元热力耦合数值分析模型，较为贴近实际生产情况。

2.2  温度对应力的影响

管式PECVD设备的实际生产过程是一个不断升温降温的循环过程。在单次工艺过程中，工艺温度并不恒定于某个值，而是在工艺时间内保持在某个范围内；并且其反应腔内温度也不相同，比如，由于在反应腔腔门处加设了用于弥补开闭门所损失热量的加热装置，该处温度会比反应腔中部温度高20 ℃左右。

实际生产过程中，石墨舟受到热和力的共同作用而产生的变形和应力较为集中，本实验模型中的应力主要由热应力和机械应力两个部分构成。热应力由石墨和陶瓷材料在加热过程中受到的外部热源加热不均匀导致，机械应力则由石墨舟受热膨胀使其内部零部件相互挤压导致。

石墨舟单元总体应力值较小但极为集中，其总体应力图如图6所示。

从图6可以看出：应力集中位置主要出现在图6红色圆圈处，最大应力出现在舟体边角处的陶瓷棒与最外侧石墨舟片的接触位置上（如图7所示），其最大值为24.904 Mpa；而整舟其他位置的平均应力较小，为0.256 Mpa。石墨舟单元可看成对称结构，因此其对称位置也有相应的应力集中。由于石墨舟单元的最大应力集中在边角与陶瓷棒接触位置上，这也导致该位置的陶瓷棒可能出现老化损坏。

在石墨舟单元温度由400 ℃升高到500 ℃后，最大应力没有大的变化，说明其应力的产生主要来源是结构本身的自重。

2.3  石墨舟的变形

将温度升高至530 ℃，恒温150 min后，分析石墨舟单元总变形情况，热力耦合模型分析结果如图8所示。

从图8可以看出：在自重和温度的共同影响下，石墨舟结构在PECVD反应过程中有一定量的弯曲形变，石墨舟单元中部下垂，最大变形位置在中间石墨舟片的中间位置，挠度为0.13 mm，且整体变形量在0.12～0.14 mm的范围内。这样的变形可能会导致石墨舟片与硅片贴合不紧密，进而造成硅片表面镀膜不均匀。石墨舟单元在舟头和舟尾位置有轻微的垂直于舟片方向（即Y方向）的扭曲变形，其变形量最大在0.04 mm左右，如图9所示，石墨舟单元在Y方向上的变形较小，基本可以忽略不计。

为进一步研究温度变化对石墨舟单元热变形的影响，在实际工艺温度附近取400～550 ℃设置梯度温度进行分析，分析结果如图10所示。

从图10可以看出：石墨舟单元的最大变形量随温度上升而上升。石墨舟单元中部与陶瓷棒接触的位置为最大变形位置，在温度从400 ℃变化到550 ℃后，石墨舟单元最大变形量增大了约0.1%。经分析，石墨舟单元在Z方向上的相对变形较大，这种不均匀的热变形特征可能会对自动上下料过程产生影响，例如：会导致硅片与卡点产生碰撞或在取料时夹取不准确可能引发掉片故障。

设备保持石墨舟舟体力学性能的相对稳定是管式PECVD设备高品质生产的关键环节之一。在石墨舟材料和初始温度确定后，石墨舟的最终变形量取决于石墨舟的长度、重量和温度变化量。530 ℃温度条件下石墨舟单元的总应变情况如图11所示。

将重量和温度对石墨舟的影响进行综合分析，可以发现现有工况下温度对石墨舟的应变仅有微弱影响，石墨舟单元变形主要来自于结构自重，因此应当采取措施增强结构整体刚度。

2.4  结构刚度增强设计

由于石墨舟单元的形变主要由其结构自重导致，可以考虑如下补偿方法以增强结构刚度。

1）舟體变形补偿：通过控制石墨舟舟体的形状和尺寸，补偿在高温下发生的舟体变形。例如，采用弓形石墨舟或S形石墨舟，这些设计可以使石墨舟在高温下保持形状稳定。

2）增加支撑：在石墨舟单元底部增加支撑点或支撑架，以增强石墨舟单元的结构强度。在原有石墨舟单元的中部位置增加了1对支撑架，增加支撑后石墨舟单元的变形量如图12所示。

从图12可以看出：增加支撑后，石墨舟单元的最大变形量约为0.07 mm。相较于没有安装支撑的石墨舟单元结构，其最大变形量减小了53.3%，最大应力减小了43.4%，石墨舟单元结构整体的力学性能有所增强。

3）多舟相连：采用双舟或多舟相连的方式进行镀膜工艺。

4）控制工艺温度：通过采用精确的温度控制系统，实时检测石墨舟的温度变化，并及时调整温度，以保持石墨舟的温度相对稳定。

3  结论

本实验建立了石墨舟单元结构有限元模型，对其工作状态下的力学性能进行了分析，并通过热力耦合仿真模型分析了石墨舟自重和温度对其形变的影响。研究结果显示：由于石墨材料和陶瓷材料本身热膨胀系数较小，宏观尺度分析显示，石墨舟自身结构重量是影响大容量石墨舟变形及应力集中的主要因素，相对而言，温度对变形及应力的影响并不明显。因此，适当增加支撑结构对于改善石墨舟的受力变形有较好效果。石墨舟的最大应力集中在边角与陶瓷棒接触的位置上，这也导致该位置的陶瓷棒可能出现老化损坏。采用相应的支撑结构后，石墨舟的变形及应力集中情况可以得到有效改善，以此可以達到实现大容量石墨舟降本增产的目标。

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