平板式PECVD設備工藝腔加熱系統(tǒng)的設計

平板式PECVD設備工藝腔加熱系統(tǒng)的設計楊彬;禹慶榮;蘇衛(wèi)中;李健志;謝利華;陳特超【摘要】根據(jù)太陽能PERC電池關鍵工藝設備一一平板式PECVD設備的整體要求，介紹了其中工藝腔的加熱系統(tǒng)設計，對加熱功率進行了計算，控制方式進行了分析,通過優(yōu)化設計，降低了設備的能耗，提高了溫度均勻性.【期刊名稱】《電子工業(yè)專用設備》【年(卷)，期】2019(048)002【總頁數(shù)】4頁(P28-30,54)【關鍵詞】太陽能電池;電阻加熱;電功率;溫度;均勻性【作者】楊彬;禹慶榮;蘇衛(wèi)中;李健志;謝利華;陳特超【作者單位】中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111;中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111;中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111;中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111;中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111;中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111【正文語種】中文【中圖分類】TN948.43隨著光伏行業(yè)的技術進步，目前已進入高效、低成本的PERC電池技術階段，PERC電池占據(jù)了現(xiàn)有電池的80%以上。PECVD設備是PERC電池制造工藝中的關鍵裝備，用于制備電池片的背面鈍化薄膜［1］。設備的工作原理是：在工藝腔內(nèi)一定工作溫度和壓力條件下，通入合適的工藝氣體，使用微波放電激發(fā)氣體產(chǎn)生等離子體，等離子體在電磁場的作用下重新結(jié)合生成新的固態(tài)化合物，當載板上的硅片經(jīng)過等離子區(qū)時，生成新的化合物就會沉積在其表面形成薄膜。沉積溫度對薄膜性能的影響很關鍵，它影響到薄膜的組分比、致密性、粘附力等參數(shù)，要求溫度穩(wěn)定性好，波動小，重復性好，而且要求大面積范圍溫度均勻性好［2］。由于設備產(chǎn)能大，工藝腔體積也大，因此加熱器的面積也大。大面積加熱器的溫度均勻性控制是設備設計的重要一環(huán)。本文通過分析、計算得到了高均勻性的工藝溫度，保證了薄膜質(zhì)量。1加熱方式的選擇常見加熱方式有電阻加熱、紅外加熱、感應加熱等。根據(jù)紅外加熱的原理，紅外線的傳熱形式是輻射傳熱，由電磁波傳遞能量。當發(fā)射的紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致時，被加熱的物體吸收遠紅外線，這時，物體內(nèi)部分子和原子發(fā)生“共振”——產(chǎn)生強烈的振動、旋轉(zhuǎn)，而振動和旋轉(zhuǎn)使物體溫度升高，達到了加熱的目的。電阻加熱是以電能為能源，利用電流流過導體的焦耳效應產(chǎn)生的熱能，借助輻射、對流、傳導的方式，將熱量傳給工件從而實現(xiàn)對工件進行加熱。電阻加熱是目前最常用、也是應用最多的加熱方式。其主要優(yōu)點是：升降溫平穩(wěn)，溫度穩(wěn)定性好，波動小，能實現(xiàn)精確控溫［3］。平板PECVD設備的工藝腔是薄膜生長的區(qū)域，其工件是連續(xù)運動的。因此，要求溫度穩(wěn)定快，工件進出造成腔體內(nèi)的溫度波動要小。由于工藝節(jié)拍的緣故，硅片進出熱區(qū)頻繁，熱交換頻率高，因此，設備工藝腔的加熱采用了電阻加熱方式。2設計計算工藝腔加熱系統(tǒng)是對置于載板上的工件進行加熱，由于載板上的工件是矩形陣列布置，尺寸較大。因此，要求加熱系統(tǒng)具有大面積的均勻性，最高加熱溫度設計要求為5001;溫度均勻性±5。^工藝腔加熱系統(tǒng)由加熱器、勻熱板、控溫系統(tǒng)組成，采用熱偶測溫，溫控儀控制，變壓器供電，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。2.1加熱器的分布加熱器采用鎧裝電熱絲繞制成板狀結(jié)構，幾塊板狀加熱器平鋪在工藝腔底板上，每塊板狀加熱器采用三段加熱，三段熱電偶測溫；一個工藝腔內(nèi)布置4組板狀加熱器，如圖2所示。圖1加熱系統(tǒng)示意圖圖2工藝腔內(nèi)板式加熱器的布置通過分組控制其加熱電流，實現(xiàn)長度上的溫度調(diào)節(jié)。2.2加熱功率的計算熱量的來源為板式加熱器，熱量的消耗有：工藝氣體升溫需要的熱量Q氣加熱均熱板需要的熱量Q板、工件及載板帶走的熱量Q工件、腔體散熱(熱傳導)帶走的熱量Q腔。根據(jù)能量守恒定律，板式加熱器產(chǎn)生的熱量等于各部分消耗的熱量之和，。電=。耗散根據(jù)焦耳-楞次定律，Q電=I2Rt=Pt和熱量計算公式Q=CMAt計算加熱所需電功率。式中，1為加熱電流，R為發(fā)熱體電阻，t為加熱時間，P為電功率，C為物體的比熱容，M為物體質(zhì)量，At為物體加熱前后的溫度差。本工序的主要載體為Ar,體積用量為0.6m3/h，比熱容為：25°C時C0d=0.52J(/g?K),500oC時Ctd=0.62J(/gK)。因此，加熱氣體需要的熱量：均熱板4塊，每塊由尺寸為1230mmx475mmx1.5mm的不銹鋼板折彎而成，密度P鋼為7.93g/cm3，比熱容C鋼為0.5J(/gK)。因此，使均熱板發(fā)熱需要的熱量：工件為硅片，載板為碳碳復合材料，C載板=0.9J(/gK)，M載板=5kg,C工件=0.703J(/gK),M工件=10g。因此，工件及載板帶走的熱量：腔體內(nèi)有隔熱層，腔體壁散熱忽略不計，Q腔=0根據(jù)能量守恒定律：單位時間內(nèi)加熱器的總功率：取安全系數(shù)1.5，加熱腔總功率：單個板式加熱器的功率為：2.3溫度控制本加熱器采用熱偶控溫，采用閉環(huán)控制，熱口采集到的溫度信號傳給溫控儀，溫控儀將熱偶信號與設定溫度值信號進行比較，輸出電平給調(diào)功器，調(diào)功器改變器件相位導通角來改變輸出給加熱器的電流大小，從而改變發(fā)熱功率。通過溫控儀的PID參數(shù)設置，使加熱器溫度穩(wěn)定。由于每塊加熱器采用了三段加熱和三段控溫，每塊加熱器的溫度均勻性可以做得很好，同時整個工藝腔內(nèi)有12個加熱段和12點控溫。因此，整個工藝腔內(nèi)的溫度均勻性是非常好的。經(jīng)試驗測試，工藝腔內(nèi)的加熱器表面溫度最大差值在10°C以內(nèi)。3實驗驗證本實驗是在M8260-1/UM型平板式PECVD設備上進行，工藝腔及內(nèi)部加熱器如圖3所示。圖3工藝腔內(nèi)加熱器布置圖實驗時采用夕卜接熱偶的方式進行，在均熱板表面粘貼熱偶，每塊均熱板上的中間和兩邊各粘貼一個熱偶，共12支熱偶即12個測溫點。控溫熱偶放置在均熱板下方的加熱器上。加熱時記錄設置溫度、控溫熱偶溫度、測溫熱偶溫度，在350OC和500OC下進行實驗，測得的實驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示。表中已由熱電偶輸出值轉(zhuǎn)換成了對應的溫度值。表1設置溫度350C時的讀出溫度值（實驗一）控溫熱偶溫度/C測溫熱偶溫度/C位置加熱器1加熱器2加熱器3加熱器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設置溫度500C時的讀出溫度值（實驗二）控溫熱偶溫度/C測溫熱偶溫度/C位置加熱器1加熱器2加熱器3加熱器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計算方法，確定均勻性，計算可知，350C時，整個工藝腔內(nèi)加熱板表面的最大溫差為9.2C;500°C時，整個工藝腔內(nèi)加熱板表面的最大溫差為8.6C，優(yōu)于設計指標。4結(jié)論采用電阻加熱、多點控溫多段加熱方式，較好地得到了平板式PECVD設備工藝所需的溫度及溫度均勻性。由于溫度穩(wěn)定性好，大面積均勻性好，多片式載板上每片的膜厚一致性也就好，而且批間的工藝重復性也好。目前，設備制作的電池片膜