平板式PECVD设备工艺腔加热系统的设计

平板式PECVD设备工艺腔加热系统的设计杨彬;禹庆荣;苏卫中;李健志;谢利华;陈特超【摘要】根据太阳能PERC电池关键工艺设备一一平板式PECVD设备的整体要求，介绍了其中工艺腔的加热系统设计，对加热功率进行了计算，控制方式进行了分析,通过优化设计，降低了设备的能耗，提高了温度均匀性.【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷)，期】2019(048)002【总页数】4页(P28-30,54)【关键词】太阳能电池;电阻加热;电功率;温度;均匀性【作者】杨彬;禹庆荣;苏卫中;李健志;谢利华;陈特超【作者单位】中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111;中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111【正文语种】中文【中图分类】TN948.43随着光伏行业的技术进步，目前已进入高效、低成本的PERC电池技术阶段，PERC电池占据了现有电池的80%以上。PECVD设备是PERC电池制造工艺中的关键装备，用于制备电池片的背面钝化薄膜［1］。设备的工作原理是：在工艺腔内一定工作温度和压力条件下，通入合适的工艺气体，使用微波放电激发气体产生等离子体，等离子体在电磁场的作用下重新结合生成新的固态化合物，当载板上的硅片经过等离子区时，生成新的化合物就会沉积在其表面形成薄膜。沉积温度对薄膜性能的影响很关键，它影响到薄膜的组分比、致密性、粘附力等参数，要求温度稳定性好，波动小，重复性好，而且要求大面积范围温度均匀性好［2］。由于设备产能大，工艺腔体积也大，因此加热器的面积也大。大面积加热器的温度均匀性控制是设备设计的重要一环。本文通过分析、计算得到了高均匀性的工艺温度，保证了薄膜质量。1加热方式的选择常见加热方式有电阻加热、红外加热、感应加热等。根据红外加热的原理，红外线的传热形式是辐射传热，由电磁波传递能量。当发射的红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体吸收远红外线，这时，物体内部分子和原子发生“共振”——产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，达到了加热的目的。电阻加热是以电能为能源，利用电流流过导体的焦耳效应产生的热能，借助辐射、对流、传导的方式，将热量传给工件从而实现对工件进行加热。电阻加热是目前最常用、也是应用最多的加热方式。其主要优点是：升降温平稳，温度稳定性好，波动小，能实现精确控温［3］。平板PECVD设备的工艺腔是薄膜生长的区域，其工件是连续运动的。因此，要求温度稳定快，工件进出造成腔体内的温度波动要小。由于工艺节拍的缘故，硅片进出热区频繁，热交换频率高，因此，设备工艺腔的加热采用了电阻加热方式。2设计计算工艺腔加热系统是对置于载板上的工件进行加热，由于载板上的工件是矩形阵列布置，尺寸较大。因此，要求加热系统具有大面积的均匀性，最高加热温度设计要求为5001;温度均匀性±5。^工艺腔加热系统由加热器、匀热板、控温系统组成，采用热偶测温，温控仪控制，变压器供电，系统示意图如图1所示。2.1加热器的分布加热器采用铠装电热丝绕制成板状结构，几块板状加热器平铺在工艺腔底板上，每块板状加热器采用三段加热，三段热电偶测温；一个工艺腔内布置4组板状加热器，如图2所示。图1加热系统示意图图2工艺腔内板式加热器的布置通过分组控制其加热电流，实现长度上的温度调节。2.2加热功率的计算热量的来源为板式加热器，热量的消耗有：工艺气体升温需要的热量Q气加热均热板需要的热量Q板、工件及载板带走的热量Q工件、腔体散热(热传导)带走的热量Q腔。根据能量守恒定律，板式加热器产生的热量等于各部分消耗的热量之和，。电=。耗散根据焦耳-楞次定律，Q电=I2Rt=Pt和热量计算公式Q=CMAt计算加热所需电功率。式中，1为加热电流，R为发热体电阻，t为加热时间，P为电功率，C为物体的比热容，M为物体质量，At为物体加热前后的温度差。本工序的主要载体为Ar,体积用量为0.6m3/h，比热容为：25°C时C0d=0.52J(/g・K),500oC时Ctd=0.62J(/gK)。因此，加热气体需要的热量：均热板4块，每块由尺寸为1230mmx475mmx1.5mm的不锈钢板折弯而成，密度P钢为7.93g/cm3，比热容C钢为0.5J(/gK)。因此，使均热板发热需要的热量：工件为硅片，载板为碳碳复合材料，C载板=0.9J(/gK)，M载板=5kg,C工件=0.703J(/gK),M工件=10g。因此，工件及载板带走的热量：腔体内有隔热层，腔体壁散热忽略不计，Q腔=0根据能量守恒定律：单位时间内加热器的总功率：取安全系数1.5，加热腔总功率：单个板式加热器的功率为：2.3温度控制本加热器采用热偶控温，采用闭环控制，热口采集到的温度信号传给温控仪，温控仪将热偶信号与设定温度值信号进行比较，输出电平给调功器，调功器改变器件相位导通角来改变输出给加热器的电流大小，从而改变发热功率。通过温控仪的PID参数设置，使加热器温度稳定。由于每块加热器采用了三段加热和三段控温，每块加热器的温度均匀性可以做得很好，同时整个工艺腔内有12个加热段和12点控温。因此，整个工艺腔内的温度均匀性是非常好的。经试验测试，工艺腔内的加热器表面温度最大差值在10°C以内。3实验验证本实验是在M8260-1/UM型平板式PECVD设备上进行，工艺腔及内部加热器如图3所示。图3工艺腔内加热器布置图实验时采用夕卜接热偶的方式进行，在均热板表面粘贴热偶，每块均热板上的中间和两边各粘贴一个热偶，共12支热偶即12个测温点。控温热偶放置在均热板下方的加热器上。加热时记录设置温度、控温热偶温度、测温热偶温度，在350OC和500OC下进行实验，测得的实验数据如表1、表2所示。表中已由热电偶输出值转换成了对应的温度值。表1设置温度350C时的读出温度值（实验一）控温热偶温度/C测温热偶温度/C位置加热器1加热器2加热器3加热器4左中右左中右372.4371.1365.5371.8369.6368.3367.2369.9373.8369.3371.1372.2348.4354.5347.8346.6352.5351.4355.8350.9349.6354.2350.1346.7表2设置温度500C时的读出温度值（实验二）控温热偶温度/C测温热偶温度/C位置加热器1加热器2加热器3加热器4左中右左中右498.4505.1498,5504.8506.6505.3502.2506.9498.2504.3497.1505.2501.2500.5495.1502.6503.5502.4498.8501.9502.6501.2496.8503.7采用最大、最小值差除以最大最小值之和的计算方法，确定均匀性，计算可知，350C时，整个工艺腔内加热板表面的最大温差为9.2C;500°C时，整个工艺腔内加热板表面的最大温差为8.6C，优于设计指标。4结论采用电阻加热、多点控温多段加热方式，较好地得到了平板式PECVD设备工艺所需的温度及温度均匀性。由于温度稳定性好，大面积均匀性好，多片式载板上每片的膜厚一致性也就好，而且批间的工艺重复性也好。目前，设备制作的电池片膜