CN107164745A - 一种晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，对装载有晶体硅硅片的载体进行预热处理后，再送入至工艺腔室进行蒸镀减反射膜。本发明的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法具有控制简单、提高生产效率以及保持温度稳定等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及光伏技术领域，特指一种晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法。
背景技术
光伏发电系统是一种利用太阳能电池半导体材料的“光伏效应”将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。太阳能电池，又称光伏电池，是光伏发电系统中最核心的器件。已知的可用于制造太阳能电池的半导体材料有十几种，例如，单晶硅，砷化镓，碲化镉等，因此太阳能电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的、市场应用最广的太阳能电池是晶体硅太阳能电池，包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池。
太阳光在晶体硅表面的反射损失率高达35％左右。晶体硅太阳能电池的常规生产制造工艺流程(如图2所示)中，需要蒸镀减反射膜，旨在减少晶体硅表面对太阳光的反射，增加太阳光的折射率。可采用真空镀膜法、气相沉积法或其它化学方法等工艺方法，在晶体硅表面蒸镀一层或多层二氧化硅或二氧化钛或氮化硅减反射膜。减反射膜不但可以减少晶体硅表面对太阳光的反射，而且还可以对晶体硅表面起到钝化和保护作用。不同的减反射膜当中，氮化硅减反射膜应用广泛，可以采用几种技术制备，应用最广泛的是化学气相沉积技术。其中等离子体增强化学气相沉积技术在众多化学气相沉积技术中是首选的，因为它在低压条件下，利用射频电场使反应气体产生辉光放电，电离出等离子体，促进反应活性基团的生成，从而使得硅烷和氨气能在较低的温度(200℃～450℃)下反应，减少了工艺的复杂性，并且有效防止了晶体硅太阳能电池寿命的衰减。
应用等离子体增强化学气相沉积技术在晶体硅硅片表面蒸镀减反射膜的设备称为PECVD设备。目前应用最为广泛的，主要有管式PECVD和板式PECVD两种。典型管式PECVD设备如图1所示，主要由真空与压力系统1，气路系统2，控制系统3，射频系统4，工艺腔室6，管式加热炉体9和取放舟系统11组成。应用管式PECVD设备在晶体硅硅片表面蒸镀减反射膜时，成膜的化学反应是在密闭的工艺腔室6中进行的。管式PECVD设备采用管式加热炉体9，利用布置在管式加热炉体9内的加热电阻丝将电能转化为热能，先后通过辐射、传导、对流及对流换热的方式将热量传递给被加热对象—工艺腔室6、晶体硅硅片和石墨舟8。管式加热炉体9的温度控制过程具有非线性、时变性、滞后性等特点，是典型的过程控制。常采用PID控制算法对其进行控制，算法的数学表达式如下公式(1)所示：
公式(1)中，Pout表示控制量输出；K表示比例系数；Δe表示温度偏差，即当前温度Tt与设定温度Ts的差值(Ts-Tt)；Ti表示积分时间常数；Td表示微分时间常数。
通过设置不同的比例系数K，积分时间常数Ti和微分时间常数Td调节管式加热炉体9的温度控制过程，使得工艺腔室6，晶体硅硅片和石墨舟8能够按照蒸镀减反射膜的工艺要求由初始温度T0迅速升高并稳定到设定温度Ts，即蒸镀减反射膜工艺所要求的反应温度(450℃)。由此，将控制量输出Pout看作由比例项Pk，积分项Pi和微分项Pd组成，即Pout＝Pk+Pi+Pd。其中，比例项Pk对升温的速率和稳定性有很大的影响。要求升温快时，比例项Pk要大，但是，比例项Pk对偏差Δe有放大作用，比例项Pk太大，影响温度的稳定性。考虑管式加热炉体9的非线性和滞后性，比例项Pk太大时，容易造成温度超调严重。因而在实际应用过程中，通常牺牲升温速率而追求温度的稳定性，以保证满足蒸镀减反射膜工艺对反应温度的要求。比例项Pk较小时，升温速率慢，恒温时间(本领域所指的恒温时间即为温度由初始温度T0升高至设定温度Ts所需时间，下同)长。一般情况下，整个蒸镀减反射膜工艺时间为37～40min，而恒温时间为20～22min。可见恒温时间占据了整个蒸镀减反射膜工艺时间的50％～54％，恒温时间过长导致整个蒸镀减反射膜工艺时间长，严重影响单台管式PECVD设备的整体产能。而为适应高产能管式PECVD设备的发展，需要尽可能的缩短蒸镀减反射膜工艺的时间，因而需要尽可能缩短恒温时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种生产效率高的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，对装载有晶体硅硅片的载体进行预热处理后，再送入至工艺腔室进行蒸镀减反射膜。
作为上述技术方案的进一步改进：
对装载有晶体硅硅片的载体预热至温度T′z0后，再送入至工艺腔室进行蒸镀减反射膜，其中T′z0>200℃。
在载体等待进入工艺腔室的等待时间内，对载体进行预热处理。
所述载体送入工艺腔室进行蒸镀减反射膜的具体步骤为：
S01、将载体推送至工艺腔室内部的恒温区，密闭工艺腔室；
S02、对密闭的工艺腔室抽真空作业，同时对工艺腔室进行加热；
S03、当工艺腔室温度到达预设温度Ts时，向工艺腔室内充入反应气体，并对工艺腔室的压力进行控制，以满足工艺要求；
S04、在工艺腔室内形成射频电场，反应气体反应后，在晶体硅硅片上沉积减反射膜。
在步骤S01中，首先将晶体硅硅片装载于载体内，再进行预热处理，预热处理后的载体放置于取放舟系统的承载区，开启工艺腔室，经由取放系统将载体推送至工艺腔室内部的恒温区，密闭工艺腔室。
步骤S04中的晶体硅硅片沉积减反射膜后，还包括以下步骤：
S05、抽空工艺腔室内的残余反应气体；
S06、向工艺腔室内充入惰性气体，对工艺腔室进行吹扫、清洗；
S07、向工艺腔室内充入惰性气体，使工艺腔室内的气压回复到与大气压强相同；
S08、开启工艺腔室，将载体从工艺腔室内取出；
S09、待载体冷却后，卸载载体中的晶体硅硅片。
所述载体为石墨舟。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，对载体先行预加热处理，提高载体的初始温度，从而能够减少温度控制过程中的初始温度与设定温度之间的差值，继而减少PECVD设备中加热炉体的温度控制时间，最终减少晶体硅硅片表面蒸镀减反射膜工艺的时间，提高设备的产能；相对于常规方法，本方案不改变加热炉体的加热特性及PID温度控制算法，不影响温度的稳定性，恒温时间短，单台设备的总体产能高。
附图说明
图1为现有技术中管式PECVD设备的结构示意图。
图2为现有技术中常规晶体硅太阳能电池的工艺流程图。
图3为本发明的蒸镀减反射膜的工艺流程图。
图4为本发明的管式PECVD设备中的温度分布示意图。
图中标号表示：1、真空与压力系统；2、气路系统；3、控制系统；4、射频系统；5、终端电极；6、工艺腔室；7、恒温区；8、石墨舟；9、加热炉体；10、承载区；11、取放舟系统。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图3和图4所示，本实施例中的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，对装载有晶体硅硅片的载体进行预热处理后，再送入至工艺腔室6进行蒸镀减反射膜。本发明的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，对载体先行预加热处理，提高载体进入工艺腔室6的温度，从而能够减少温度控制过程中的初始温度与设定温度之间的差值，继而减少PECVD设备中加热炉体9的温度控制时间，最终减少晶体硅硅片表面蒸镀减反射膜工艺的时间，提高设备的产能；相对于常规方法，本方案不改变加热炉体的加热特性及PID温度控制算法，不影响温度的稳定性，恒温时间短，单台设备的总体产能高。
本实施例中，对装载有晶体硅硅片的载体预热至温度T′z0后，再送入至工艺腔室6进行蒸镀减反射膜，其中T′z0>200℃。温度的具体范围可根据实际情况而定。
本实施例中，载体为石墨舟8；单台管式PECVD设备通常由2～5个工艺腔室6组成，同时，单台管式PECVD设备配置的石墨舟8的个数要大于工艺腔室6的个数，因而从石墨舟8完成晶体硅硅片的装载到被放置在取放舟系统11的承载区10，常需要经过一段时间的等待，等待空闲可用的工艺腔室6。可以利用此段等待的时间对石墨舟8做预加热处理，以提高管式加热炉体9的温度控制过程中的初始温度T0。
下面结合一实施例对晶体硅蒸镀减反射膜的方法的全部过程作一具体描述：
在石墨舟8内装载好晶体硅硅片之后，将其放置在石墨舟预加热装置(图中未示出)中进行预热处理，将石墨舟8加热到预热温度T′z0(T′z0>200℃)，其中石墨舟预加热装置的结构可利用现有常规的加热装置，如包括腔体，腔体内设有加热组件，如红外加热管，将石墨舟8整体放置于腔体后进行密封，通过红外加热管对石墨舟进行加热；待到有空闲、可用的工艺腔室6时，将预热之后的石墨舟8放置到对应的取放舟系统11的承载区10，开启密闭的工艺腔室6，而后，经由取放舟系统11将石墨舟8推送到已开启的工艺腔室6内部的恒温区7，同时，连接到射频系统4的终端电极5，然后，密闭管状工艺腔室6；
运行真空与压力系统1，抽空工艺腔室6内的空气，并保持工艺腔室6内的低压状态，同时利用管式加热炉体9加热工艺腔室6；待到工艺腔室6内的环境温度Tt升高并稳定到蒸镀减反射膜工艺要求的反应温度，即设定温度Ts(如450℃)，此时，晶体硅硅片和石墨舟8与工艺腔室6内的环境温度相等，运行气路系统2向工艺腔室6内通入特定流量及配比的不同反应气体，并通过真空与压力系统1控制工艺腔室6内的压力满足蒸镀减反射膜工艺对反应压力(5如200Pa)的要求；
随后，开启射频系统4，在工艺腔室6内形成射频电场，使反应气体产生辉光放电，电离出等离子体，促进反应活性基团的生成，继而激活反应气体间的化学反应，在晶体硅硅片表面沉积出所期望的薄膜，即在晶体硅硅片表面蒸镀减反射膜；
减反射膜蒸镀完成之后，关闭气路系统2，停止向管式工艺腔室6内通入反应气体，随即通过真空与压力系统1抽空工艺腔室6内的残余反应气体；抽空残余反应气体之后，再次开启气路系统2向工艺腔室6内通入惰性气体，配合真空与压力系统1吹扫、清洗工艺腔室6；随后，同样利用气路系统2向工艺腔室6内通入惰性气体使工艺腔室6内的气压回复到与大气压强相同；之后，再次开启密闭的工艺腔室6，运行取放舟系统11将石墨舟8从工艺腔室6内取出；待到取放舟系统11将石墨舟8从工艺腔室6内取出之后，将石墨舟8从取放舟系统11的承载区10取出，等待石墨舟8冷却，然后卸载石墨舟8中的已经蒸镀好减反射膜的晶体硅硅片，至此，即完成了当前蒸镀减反射膜工艺的全部流程。
下面结合一具体实施例对未预热和预热两种温度情况做进一步分析：
如图4所示，本实施例中，石墨舟8装载好晶体硅硅片之后，不对石墨舟8做预加热处理时，石墨舟8的温度Tz0与环境温度Th0相同。将石墨舟8放置在取放舟系统11的承载区10之后，开启密闭的工艺腔室6，此时，工艺腔室6内的环境温度为Tg0，Tg0>Th0＝Tz0。
工艺腔室6打开之后，由于工艺腔室6内的环境温度Tg0与工艺腔室6外的环境温度Th0之间存在有温度差ΔTgh，ΔTgh＝Tg0-Th0，因此，工艺腔室6内的热量将通过分子的无规则运动和分子间的碰撞传递到工艺腔室6外。同时工艺腔室6内的高温气体与低温石墨舟8直接接触时，由于存在温度差ΔTgz，ΔTgz＝Tg0-Tz0，依靠分子间的碰撞同样存在热量从高温气体向低温石墨舟8传递的对流换热现象。在时间相等，物性参数(如，对流换热系数)相同的前提下，由傅里叶定律和牛顿冷却公式可知，温度差越大，即温度梯度越大，传递的热量越多，即工艺腔室6内的环境温度下降越多。最后，待到取放舟系统11完成石墨舟8的推送，工艺腔室6再次密闭之后，管式加热炉体9的温度控制过程的初始温度下降到T0。
如图4所示，本实施例中，石墨舟8装载好晶体硅硅片之后，对石墨舟8做预加热处理时，石墨舟8的温度T′z0与环境温度Th0不再相等，T′z0>Th0。因为T′z0>Th0，石墨舟8在被放置在取放舟系统11的承载区10的过程中以及随后等待开启密闭的工艺腔室6的动作完成的时间内，石墨舟8与周围环境间也存在有对流换热现象，即石墨舟8对周围环境有加热的作用，密闭的工艺腔室6打开之后有环境温度T′h0，T′h0>Th0。此时，工艺腔室6内部的环境温度仍为Tg0，Tg0>T′h0，Tg0>T′z0，由此可知，当前工艺腔室6内的环境温度Tg0与工艺腔室6外的环境温度T′h0之间的温度差为ΔT′gh，ΔT′gh＝Tg0-T′h0<ΔTgh，同时，工艺腔室6内的高温气体与低温石墨舟8之间的温度差ΔT′gz，ΔT′gz＝Tg0-T′z0<ΔTgz。温度差越小，温度梯度越小，传递的热量越少，即工艺腔室6内的环境温度下降越少。最后，待到取放舟系统11完成石墨舟8的推送，工艺腔室6再次密闭之后，管式加热炉体9的温度控制过程的初始温度下降到T0′，其中T0′>T0。
本实施例中，管式加热炉体9的温度控制过程中，石墨舟8和晶体硅硅片本身都需要吸收热量。因为已经对石墨舟8做了预加热处理，所以在管式加热炉体9的温度控制过程中，石墨舟8和晶体硅硅片本身需要吸收的热量就会小于未对石墨舟8做预加热处理时石墨舟8和晶体硅硅片本身需要吸收的热量，有利于管式加热炉体9的快速升温。
本实施例中，石墨舟8预加热处理可以与蒸镀减反射膜工艺并行运行，即在等待有空闲、可用的工艺腔室6的这段时间内完成石墨舟8预加热处理。石墨舟8预加热处理不占用整个蒸镀减反射膜工艺的总时间。同时，在管式PECVD设备的实际运行过程中，4个工艺腔室6不会同步运行，且石墨舟8预加热处理所需时间较短，所以单台管式PEVCD设备配备一个石墨舟预加热处理装置便可以满足单台PEVCD设备中所有工艺腔室6的使用要求。
综上所述，对石墨舟8做预加热处理，可以减小管式加热炉体9的温度控制过程的初始温度T0与设定温度Ts之间的差值ΔT，继而减小管式加热炉体9的恒温时间。最终减少晶体硅硅片表面蒸镀减反射膜工艺的时间，提高管式PECVD设备的产能。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，其特征在于，对装载有晶体硅硅片的载体进行预热处理后，再送入至PECVD设备的工艺腔室(6)进行蒸镀减反射膜。
2.根据权利要求1所述的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，其特征在于，对装载有晶体硅硅片的载体预热至温度T′z0后，再送入至工艺腔室(6)进行蒸镀减反射膜，其中T′z0>200℃。
3.根据权利要求1所述的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，其特征在于，在载体等待进入工艺腔室(6)的等待时间内，对载体进行预热处理。
4.根据权利要求1或2或3所述的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，其特征在于，所述载体送入工艺腔室(6)进行蒸镀减反射膜的具体步骤为：
S01、将载体推送至工艺腔室(6)内部的恒温区，密闭工艺腔室(6)；
S02、对密闭的工艺腔室(6)抽真空作业，同时对工艺腔室(6)进行加热；
S03、当工艺腔室(6)温度到达预设温度Ts时，向工艺腔室(6)内充入反应气体，并对工艺腔室(6)的压力进行控制，以满足工艺要求；
S04、在工艺腔室(6)内形成射频电场，反应气体反应后，在晶体硅硅片上沉积减反射膜。
5.根据权利要求4所述的晶体硅硅片蒸镀反射膜的方法，其特征在于，在步骤S01中，首先将晶体硅硅片装载于载体内，再进行预热处理，预热处理后的载体放置于取放舟系统(11)的承载区(12)，开启工艺腔室(6)，经由取放舟系统(11)将载体推送至工艺腔室(6)内部的恒温区(7)，密闭工艺腔室(6)。
6.根据权利要求4所述的晶体硅硅片蒸镀反射膜的方法，其特征在于，步骤S04中的晶体硅硅片沉积减反射膜后，还包括以下步骤：
S05、抽空工艺腔室(6)内的残余反应气体；
S06、向工艺腔室(6)内充入惰性气体，对工艺腔室(6)进行吹扫、清洗；
S07、向工艺腔室(6)内充入惰性气体，使工艺腔室(6)内的气压回复到与大气压强相同；
S08、开启工艺腔室(6)，将载体从工艺腔室(6)内取出；
S09、待载体冷却后，卸载载体中的晶体硅硅片。
7.根据权利要求1或2或3所述的晶体硅硅片蒸镀减反射膜的方法，其特征在于，所述载体为石墨舟(8)。
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