CN110890446A - 一种石墨舟套管和石墨舟 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石墨舟套管，包括具有一沿轴向方向贯通的圆柱形腔体的套管本体；所述套管本体的管壁外周上具有至少一圈槽状结构，所述槽状结构被构造为包括开设于管壁外表面的窄槽以及开设于管壁内的宽槽；所述窄槽与外部连通，所述宽槽与窄槽连通，以在管壁外周形成至少一圈用于遮挡宽槽槽壁处薄膜沉积的悬挂壁结构。进一步，公开一种具有上述石墨舟套管结构的石墨舟。本发明通过特殊的槽状结构以及用于遮挡槽壁上薄膜沉积的悬挂壁结构的设计，能尽可能避免沉积在石墨舟套管上的薄膜在相邻舟片之间连通形成介质层，降低薄膜对舟片之间的电场产生影响，稳定镀膜工艺，改善镀膜品质，减少石墨舟清洗次数。

Description

一种石墨舟套管和石墨舟

技术领域

本发明属于太阳能电池制造设备辅助配件技术领域，具体涉及一种用于管式PECVD的石墨舟套管和石墨舟。

背景技术

PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）即等离子体增强化学气相沉积法，是借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离，在局部形成等离子体，等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片表面上沉积出所期望的薄膜，成膜质量好。目前，在工业化的晶体硅电池制备过程中，多使用PECVD的方式在基片表面沉积不同特性的薄膜，例如，常见的氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜等。在工业化管式PECVD镀膜工艺中，通常将具有较好的绝缘性和较高的介电强度的陶瓷套管套设在石墨舟的陶瓷杆上，置于相邻舟片之间，并与舟片紧密接触。相邻舟片之间通过陶瓷套管实现物理支撑和电学隔离，并形成电场。

随着电池工艺和技术的不断发展，PECVD被应用在制备其它高效太阳能电池中，例如，隧穿氧化层钝化接触电池（Topcon），非晶硅异质结电池（HIT），此时，PECVD需要用于其它薄膜材料的积淀过程中，包括沉积非晶硅薄膜、掺杂的非晶硅薄膜等。随着PECVD镀膜工艺的应用场景的多样化，我们发现镀膜不均，镀膜速率降低，甚至无法继续镀膜的情形开始出现，严重影响了镀膜的品质，而且一次工艺只能沉积较薄的薄膜，无法完成厚膜等工艺要求。此外，石墨舟的清洗频率也相应增加，使石墨舟在使用一次或者数次后即需要下线清洗，造成了石墨舟的利用率低下，使用成本增加。因此，目前管式PECVD也尚未被广泛的应用到上述高效电池的工业化制备中。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种新型的石墨舟套管，通过特殊的槽状结构及其用于遮挡槽壁上薄膜沉积的悬挂壁结构的设计，尽可能降低沉积在石墨舟套管上的薄膜对舟片之间的电场产生的影响，以稳定镀膜工艺，改善镀膜品质，减少石墨舟清洗频率。

本发明的技术方案如下：

方案一：本发明公开一种石墨舟套管，包括具有一沿轴向方向贯通的圆柱形腔体的套管本体；所述套管本体的管壁外周上具有至少一圈槽状结构，所述槽状结构被构造为包括开设于管壁外表面的窄槽以及开设于管壁内的宽槽；所述窄槽与外部连通，所述宽槽与窄槽连通，以在管壁外周形成至少一处用于遮挡宽槽槽壁上薄膜沉积的悬挂壁结构。

作为一种优选方案，所述槽状结构为位于套管本体两端之间任意位置的内部槽；所述内部槽被构造为单侧槽或双侧槽；所述单侧槽中，窄槽位于宽槽的一侧；所述双侧槽中，窄槽位于宽槽两侧壁之间。

作为一种优选方案，所述双侧槽中，窄槽位于宽槽的中间位置。

作为一种优选方案，所述套管本体为中空圆柱体结构所述套管本体的长度为L，管壁厚度为D；所述悬挂壁结构中最长的长度为S，所述窄槽的宽度为w1，所述宽槽的深度为h2；所述单侧槽中，1/3L≤S＜2/3L，1/6S≤w1≤1/3S，h2≤1/2D ；所述双侧槽中，1/4L≤S≤1/2L，1/6S≤w1≤1/2S，h2≤1/2D。

作为一种优选方案，所述槽状结构为位于套管本体端部的端部槽；所述端部槽中，窄槽位于宽槽的一侧，窄槽和宽槽均与外部连通。

作为一种优选方案，所述套管本体为中空圆柱体结构所述套管本体的长度为L，管壁厚度为D；所述悬挂壁结构中最长的长度为S，所述窄槽的宽度为w1，所述宽槽的深度为h2；其中，1/4L≤S≤1/2L，1/6S≤w1≤1/2S，h2≤1/2D。

作为一种优选方案，所述槽状结构包括沿套管本体轴向方向分布的至少两个，每个槽状结构的形状和尺寸不要求完全一致。

作为一种优选方案，所述宽槽位于悬挂壁处的槽壁上具有至少一圈台阶结构，或者所述宽槽位于悬挂壁处的槽壁为坡面结构。

作为一种优选方案，所述台阶结构或坡面结构均背向窄槽。

作为一种优选方案，所述窄槽和宽槽在沿套管本体轴向方向的截面形状为矩形或梯形。

作为一种优选方案，所述套管本体为陶瓷材质。

方案二：本发明还公开一种石墨舟，包括石墨舟片、支撑杆和具有方案一及其任意一项优选方案的特征的石墨舟套管；其中：支撑杆用于支撑石墨舟片；石墨舟套管套设于支撑杆并布置在相邻的石墨舟片之间，用于支撑和固定石墨舟片位置，使相邻石墨舟片之间保持相同的距离。

有益效果：

（1）通过特殊设计的槽状结构以及在管壁外周形成的用于遮挡槽状结构槽壁处沉积的悬挂壁结构，尽可能避免镀膜后在舟片之间形成连续的薄膜，降低或消除沉积在石墨舟套管的薄膜对舟片之间的电场产生的影响。

（2）由于沉积在石墨舟套管上的薄膜在相邻舟片方向上不连续，使陶瓷套管连接相邻舟片接触的两个端之间无贯通的平面，从而使得沉积的薄膜对舟片之间的电场产生的影响降低或消除，进而稳定镀膜工艺，提升镀膜品质（包括厚度、均匀性等），大大降低了石墨舟的清洗次数，也减小了工艺生产成本。

附图说明

图1为实施例1所述管式PECVD石墨舟的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3 现有陶瓷套管的结构示意图：(a)立体图，(b)侧视图，(c)正视图；

图4 为实施例2所述陶瓷套管的结构示意图：(a)立体图，(b)正视图；

图5 为实施例3所述陶瓷套管的结构示意图：(a)立体图，(b)正视图；

图6为实施例4所述陶瓷套管的结构示意图：(a)立体图，(b)正视图；；

图7为实施例5所述的陶瓷套管的立体结构示意图；

图8为另外三种陶瓷套管的结构示意图；

图9为实施例3所述陶瓷套管的尺寸标注示意图：(a)侧视图，(b)正视图；

图10（a）为实施例3所述陶瓷套管的使用状态示意图；图10（b）为另一种陶瓷套管的使用状态示意图。

具体实施方式

结合图1和图2所示，实施例1公开一种较为常见的用于管式PECVD工艺的石墨舟，主要包括石墨舟片1（简称舟片1）、陶瓷套管2、螺母3、卡点4、陶瓷杆5、电极孔6和石墨块7，其中：石墨舟片1包括等间距平行布置的多片，石墨舟片1上设有均匀排布的硅片放置区8和用于固定硅片的卡点4；陶瓷杆5包括穿设于石墨舟片1的多根，用于支撑石墨舟片1，并通过两端的螺母3进行紧固；陶瓷套管2套设于陶瓷杆3并布置在相邻的舟片1之间，一方面用于支撑和固定石墨舟片位置，使相邻舟片之间保持相同的距离，另一方面使相邻舟片之间保持绝缘，以形成电场。石墨块7包括对称设置在舟片1两端的两组，用于将间隔设置的具有相同电性的舟片1导通，每一根石墨块7上均设有电极孔6，通过石墨块7分别与正负电极相连，使相邻舟片1之间形成电场，并激发等离子体。

图3所示的是目前管式PECVD常用的陶瓷套管结构，陶瓷套管为采用陶瓷材质的中空圆柱体结构。在分析排查后，我们发现不同特性的薄膜沉积在硅片表面的同时也会沉积在炉管内其它材料表面，例如，陶瓷套管。陶瓷套管在使用一段时间后，表面沉积了一定厚度的薄膜之后，相邻舟片之间的绝缘性和介电强度可能会受到沉积薄膜的影响发生改变。

在镀膜工艺中，陶瓷套管表面通常也会沉积一层连续的薄膜，在沉积非晶硅和掺杂非晶硅薄膜等具有一定导电性或介电常数较高的薄膜时，该连续薄膜会使得相邻舟片之间的电场被减弱甚至导通，导致镀膜效果变差。在沉积非晶硅和掺杂非晶硅薄膜后，由于薄膜本身具有一定导电性，且介电常数相对较高，陶瓷套管在沉积了一定厚度的连续的薄膜后，工艺过程中相邻舟片连通形成导电介质层，相邻舟片之间的电场被减弱，从而导致镀膜不均，镀膜速率降低，甚至无法继续镀膜的情形，同时还会出现一次工艺只能沉积较薄的薄膜的情形，无法完成厚膜等工艺要求。为此，本发明对现有结构进行改进，使薄膜沉积在陶瓷套管和石墨舟片上而不改变舟片之前的电场强度，下面给出几个具体实施例和相应的附图加以说明。

如图4所示，实施例2提供一种新型陶瓷套管，可用于实施例1所述的石墨舟。陶瓷套管整体为中空圆柱体结构，内径Ø1与待穿设的陶瓷杆的外径相匹配，其长度L与相邻舟片之间的间隔相适应，陶瓷套管的壁厚D。陶瓷套管的管壁表面具有一圈沿周向方向布置的槽状结构，具体由窄槽21和宽槽22组成。

在镀膜时，为使得沉积在陶瓷套管上的薄膜在相邻舟片方向上不连续，可在陶瓷套管上设计用于遮挡沉积的结构，以尽可能避免在舟片之间形成连续的薄膜。对此，可以通过对窄槽21和宽槽22的相关尺寸进行合适地选择，使得在管式PECVD镀膜时，等离子体从窄槽21进入宽槽22后，在沉积薄膜的过程中，从窄槽开口处往两侧延伸的方向上薄膜沉积量越来越少，在一次工艺过程中宽槽远离窄槽的槽壁（两侧的槽壁）上沉积的薄膜厚度几乎为零。也就是说，基于窄槽21与宽槽22的结构设计，在陶瓷套管上形成至少一圈用于遮挡沉积的类似悬壁梁结构的悬挂壁结构23。由于悬挂壁结构23的遮挡，沉积的薄膜不能完全覆盖整个宽槽的槽壁，很难在窄槽和宽槽表面形成连续的薄膜，从而使得沉积的薄膜对相邻舟片之间的电场产生的影响降低甚至消除。

实施例2中，窄槽21开设于管壁表面，与外部连通，其宽度为w1，深度为h1；宽槽22开设于管壁内部，与窄槽2的底部连通，其宽度为w2，深度为h2；窄槽21和宽槽22的长度约为槽的周长。窄槽21位于宽槽22中间位置，窄槽21左右两侧槽壁之间的距离即为槽宽w1；窄槽21的一侧槽壁距同侧宽槽22槽壁的距离即为悬挂壁结构23的长度S，得到宽槽22的宽度w2=w1+2*S；w1>0，w2>0。

为满足上述要求，通常在陶瓷套管的制造工艺允许且陶瓷套管自身的强度满足的前提下，w1/S越小越好，h1/w1和h2/S也越小越好，这样，等离子体在进入窄槽后，由于悬挂壁结构23的遮挡，往宽槽侧壁方向运动的等离子体的比例会随上述比值的减小而减少，相应的，沉积的概率也会随之降低，从而避免在相邻舟片之间形成连续的薄膜。在实施例2的方案中，可设计为：1/4L≤S≤1/2L，1/6S≤w1≤1/2S，h2≤1/2D。例如，整体长度L为12mm，壁厚D为1.9mm的陶瓷套管中，可设计S为3mm-6mm，w1为0.5mm-2mm，h2为0.3mm-0.7mm，具体可设计为：S为6mm，w1为1 mm，h2为0.6mm。当然，于其它实施例中，窄槽21也不要求位于宽槽22中间位置，此时左右两个悬挂壁结构23的长度不相等，通常只需要关注较长长度的悬挂壁结构23即可，也就说，上述中的S指的是较长悬挂壁结构23的长度。

另外，还需要说明的是，实施例2给出的是一种优选实施例，槽状结构位于管壁中间位置，窄槽21位于宽槽22中间位置，整体上看是一种对称结构。但在实际使用时，并不要求槽状结构位于管壁的中间位置，也不要求整体上为对称结构，槽状结构只要位于管壁左右端口之间即可，可称其为内部槽，内部槽的宽槽22必须通过窄槽21与外部连通；而窄槽21也不要求一定位于宽槽22中间，只要位于两侧槽壁之间即可，可称其为双侧槽，反之，如果窄槽21位于宽槽22的一侧，则称为单侧槽。

如图5所示，实施例3提供另一种新型陶瓷套管，其与实施例1的不同之处在于，槽状结构位于在陶瓷套管的端部，窄槽21和宽槽22均自管壁的一端端口沿轴向方向开设，窄槽21的一侧与宽槽22的一侧齐平，即窄槽21位于宽槽22一侧，宽槽22的一侧可直接与外部连通，可称该槽状结构为端部槽，这种槽同时也是单侧槽，只有一个悬挂壁结构23，其宽槽22的宽度w2 =w1+S。端部槽较内部槽更容易制作，也更容易清洗。

在实施例3的方案中，可设计为：1/3L≤S＜2/3L，1/6S≤w1≤1/2S，h2≤1/2D，例如，整体长度L为12mm，壁厚D为1.9mm的陶瓷套管中，可设计S为4mm-8mm，w1为0.7mm-2.6mm，h2为0.3mm-0.7mm。具体可设计为：S为6mm，w1为1 mm，h2为0.6mm。

如图6所示，实施例4提供另一种新型陶瓷套管，同样采用内部槽设计，即槽状结构位置在陶瓷套管的一端位于管壁左右端口之间，其与实施例1的不同之处在于，窄槽21位于宽槽22的一侧，形成单侧槽结构。

通过上述实施例可知，内部槽和端部槽主要是对槽状结构位置的限制，单侧槽和双侧槽主要是对槽状结构形状的描述，其中，端部槽只能是单侧槽，但内部槽并不限于是单侧槽还是双侧槽。

如图7所示，实施例5提供另一种新型陶瓷套管，其采用内部槽设计，与实施例1的不同之处在于，管壁上包括两个或多个槽状结构，各个槽状结构的形状不要求完全一致，可以是双侧槽，也可以单侧槽，且单侧槽和双侧槽中窄槽和宽槽的尺寸参数也不要求完全一致。同样的，端部槽也同样可以设计两个或多个槽状结构。但需要说明的是，由于现有的石墨舟的相邻舟片之间的距离本身并不宽，同时考虑制作成本的问题，无论选用内部槽或端部槽，一般设计1~2个槽状结构即可。

另外还需要说明的是，在上述实施例中，无论是窄槽还是宽槽，从其正面剖面视看，其截面均为矩形，但在实际应用时，无论对窄槽还是宽槽，其截面的形状并不限于矩形，可以是梯形或者其它图形。例如图8(a)所示的陶瓷套管，其长槽的截面为为不规则图形，且长槽槽壁上还具有一圈台阶24，通过这种设计，等离子体在进入槽状结构后，由于台阶24背向等离子进入的方向，等离子很难在台阶24处沉积并形成薄膜，其能连续使用的时间相对更长，连续使用的次数更多，清洗频率更低。图8(b)所示的陶瓷套管，其长槽的截面同样为不规则图形，其具有一面向宽槽内部（背向窄槽）的坡面25，其优点类似于图8(a)。图8(c)所示的陶瓷套管，其长槽的截面为等腰梯形，具有一面向宽槽外部的坡面26，这种结构使得靠近宽槽内部的槽深更窄，可降低等离子体进入宽槽内部的概率，亦可实现延长使用时间的目的，相对于前两种结构，机械强度更强。

如图9所示，以实施例3所示的端部槽（单侧槽）为例，给出了一种具体的尺寸参数设计参考，从图中数据可知：陶瓷套管的内径Ø1=8.2mm，外径Ø2=12mm，长度L=11mm，管壁厚度D=1/2*( Ø2-Ø1)=1.9mm；w1=4mm，w2=w1+S=8mm，h1=0.5mm，h2=0.4mm，机械制作的尺寸公差范围为±0.05mm；陶瓷套管的使用温度≤600℃。

进一步，结合图10（a）所示，在管式PECVD镀膜时，等离子体在陶瓷套管表面沉积，同时通过窄槽21进入宽槽22，向宽槽22侧壁运动并沉积，但由于悬挂壁结构23的遮挡，等离子体很难到达并沉积于宽槽22的侧壁处，使得沉积在陶瓷套管上的薄膜在相邻舟片方向上不连续，避免因沉积的薄膜而导致的相邻舟片之间的电场受影响。结合图10（b）所示，由于台阶24背向等离子进入方向，台阶24处也很难沉积薄膜。

最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种石墨舟套管，其特征在于，包括具有一沿轴向方向贯通的圆柱形腔体的套管本体；所述套管本体的管壁外周上具有至少一圈槽状结构，所述槽状结构被构造为包括开设于管壁外表面的窄槽以及开设于管壁内的宽槽；所述窄槽与外部连通，所述宽槽与窄槽连通，以在管壁外周形成至少一圈用于遮挡宽槽部分槽壁处薄膜沉积的悬挂壁结构。

2.如权利要求1所述的石墨舟套管，其特征在于，所述槽状结构为位于套管本体两端之间任意位置的内部槽；所述内部槽被构造为单侧槽或双侧槽；所述单侧槽中，窄槽位于宽槽的一侧；所述双侧槽中，窄槽位于宽槽两侧壁之间。

3.如权利要求2所述的石墨舟套管，其特征在于，所述双侧槽中，窄槽位于宽槽的中间位置。

4.如权利要求2所述的石墨舟套管，其特征在于，所述套管本体为陶瓷材质的中空圆柱体结构；所述套管本体的长度为L，管壁厚度为D；所述悬挂壁结构中最长的长度为S，所述窄槽的宽度为w1，所述宽槽的深度为h2；所述单侧槽中，1/3L≤S＜2/3L，1/6S≤w1≤1/3S，h2≤1/2D；所述双侧槽中，1/4L≤S≤1/2L，1/6S≤w1≤1/2S，h2≤1/2D。

5.如权利要求1所述的石墨舟套管，其特征在于，所述槽状结构为位于套管本体端部的端部槽；所述端部槽中，窄槽位于宽槽的一侧，窄槽和宽槽均与外部连通。

6.如权利要求5所述的石墨舟套管，其特征在于，所述套管本体为陶瓷材质的中空圆柱体结构；所述套管本体的长度为L，管壁厚度为D；所述悬挂壁结构中最长的长度为S，所述窄槽的宽度为w1，所述宽槽的深度为h2；其中，1/4L≤S≤1/2L，1/6S≤w1≤1/2S，h2≤1/2D。

7.如权利要求1所述的石墨舟套管，其特征在于，所述槽状结构包括沿套管本体轴向方向分布的至少两个，每个槽状结构的形状和尺寸不要求完全一致。

8.如权利要求1所述的石墨舟套管，其特征在于，所述宽槽位于悬挂壁处的槽壁上具有至少一圈台阶结构，或者所述宽槽位于悬挂壁处的槽壁为坡面结构。

9.如权利要求1所述的石墨舟套管，其特征在于，所述台阶结构或坡面结构均背向窄槽布置。

10.一种石墨舟，其特征在于，包括石墨舟片、支撑杆，以及权利要求1至9任意一项所述的石墨舟套管；所述支撑杆用于支撑石墨舟片；所述石墨舟套管套设于支撑杆并布置在相邻的石墨舟片之间，用于支撑和固定石墨舟片，使相邻石墨舟片之间保持相同的距离。

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