管式PECVD如何應(yīng)對(duì)大尺寸硅片

從156．75 mm到166 mm，大尺寸硅片已經(jīng)悄然進(jìn)入市場，硅片尺寸增大在電池片制造、組件封裝等環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)成本節(jié)約，據(jù)了解M6電池片各制程的工藝時(shí)間與M2制程時(shí)間相差不大，因此在電池制造過程中每片大約可降低0．05元成本。

在白城等地，光伏電站中標(biāo)電價(jià)已經(jīng)接近平價(jià)甚至低價(jià)，大尺寸電池片投產(chǎn)會(huì)使光伏平價(jià)運(yùn)營更近一步，2019年新建產(chǎn)線最基本的要求就是設(shè)備兼容大尺寸硅片的生產(chǎn)。更令人振奮的是今年8月中環(huán)推出了M12硅片，邊長210 mm，比M2硅片面積增加80％，單瓦生產(chǎn)成本將會(huì)進(jìn)一步降低，M12硅片的推出是顛覆性的，大尺寸硅片終將是光伏行業(yè)的未來。

但我們也要認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有的設(shè)備可能無法兼容大尺寸的硅片，硅片增大后又會(huì)給設(shè)備制造商帶來新的需要解決的問題，整個(gè)制造環(huán)節(jié)都需要技術(shù)升級(jí)和突破，在這里以管式PECVD設(shè)備（如圖1所示）為例討論M6、M12硅片鍍膜時(shí)需要做哪些準(zhǔn)備和考慮。

圖1． 管式PECVD

圖2． 單臺(tái)管式PECVD設(shè)備產(chǎn)能提升情況

PECVD是電池片產(chǎn)線上重要的鍍膜設(shè)備，制備得到的減反鈍化膜可以有效減少電池片表面反射率，增加光的吸收，同時(shí)對(duì)硅片表面和體內(nèi)的復(fù)合中心起到鈍化作用。PECVD從結(jié)構(gòu)上可分為管式和板式兩類。如表一所示，與板式PECVD相比，管式PECVD優(yōu)點(diǎn)是開機(jī)率高、維護(hù)周期長、退火和鈍化效果好。綜合成本投入、后期維護(hù)等因素，新產(chǎn)線基本都選用管式PECVD制備減反鈍化膜。如圖2所示，從08年到19年，單臺(tái)管式PECVD的產(chǎn)能快速增加，未來可能出現(xiàn)單臺(tái)6000片以上的單小時(shí)產(chǎn)能。此外管式PECVD的工藝整合能力也很強(qiáng)，目前有些生產(chǎn)線已經(jīng)采用背面二合一PECVD設(shè)備，將背面氧化鋁和氮化硅膜集成在同一機(jī)臺(tái)甚至同一管內(nèi)進(jìn)行，縮短了制程時(shí)間，減少了設(shè)備投入成本。

表一． 板式、管式鍍膜設(shè)備對(duì)比

硅片尺寸的增大一定程度上限制了單管載片量的增加。目前國內(nèi)外老產(chǎn)線開始生產(chǎn)M6硅片，在改造管式PECVD設(shè)備時(shí)遇到了部分問題

1、石英管尺寸限制

石英管尺寸的限制本質(zhì)在于石墨舟尺寸的變化。在軟著陸機(jī)臺(tái)中，166 mm硅片石墨舟的高度較高，進(jìn)出舟的空間位置非常小，容易發(fā)生刮蹭舟腳等問題。為了解決該問題，只有減少石墨舟的載片量或者切除一部分舟腳，改變舟結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響石墨舟的使用壽命，因此多數(shù)產(chǎn)線選擇了降低石墨舟載片數(shù)量的方式。

2、溫區(qū)長度限制

搭載166 mm硅片的石墨舟在高度和長度兩個(gè)方向上都有增加，長度方向上大概增加了80 mm，相當(dāng)于石墨舟頭的硅片向爐口方向移動(dòng)了80 mm。盡管目前從工藝結(jié)果上看影響并不明顯，但是越靠近兩端爐體的封口效果越差這是不爭的事實(shí)，爐口中心的硅片有發(fā)紅的危險(xiǎn)。

總體來講，M6硅片鍍膜設(shè)備在M2的基礎(chǔ)上僅從石墨舟進(jìn)出空間上做出了相應(yīng)改動(dòng)，干泵、流量計(jì)，射頻電源等部件并不需要相應(yīng)擴(kuò)大升級(jí)；那如果是M12設(shè)備呢？

圖3． 石墨舟尺寸及重量變化（從M2到M12）

為了能夠承載M12硅片，石墨舟尺寸及總重量均會(huì)發(fā)生較大改變（圖3所示）。石墨舟的總長度由156機(jī)臺(tái)的1600 mm增加到至少2100 mm。高度從200 mm增加至250 mm以上，帶片的重量從30 kg左右增加至～45 kg。超大的石墨舟需要配套超大的石英管，需要考慮水平運(yùn)送機(jī)構(gòu)的承重能力?，F(xiàn)在市面上有兩種結(jié)構(gòu)的管式PECVD設(shè)備——懸臂結(jié)構(gòu)和軟著陸結(jié)構(gòu)。如果采用懸臂結(jié)構(gòu)在考慮進(jìn)出舟空間的同時(shí)更要重點(diǎn)關(guān)注重量的增加，尤其是熱狀態(tài)下負(fù)重懸臂結(jié)構(gòu)的變形，這會(huì)是懸臂M12設(shè)備的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；軟著陸設(shè)備石英管的直徑需要設(shè)計(jì)的更大，用來保證槳的升降進(jìn)出空間，相對(duì)而言，軟著陸的負(fù)重壓力較小，可以在石英管內(nèi)增加支撐梁。盡管懸臂和軟著陸設(shè)備的石英管直徑在設(shè)計(jì)上有差別，設(shè)備的總高度相差并不大，當(dāng)然現(xiàn)在的廠房高度是不能承載5管M12設(shè)備的，廠房高度需要增加～50 cm。

石墨舟的長度增加了500 mm左右，溫區(qū)長度至少要增加500 mm，溫區(qū)的長度至少要覆蓋住整個(gè)石墨舟，加長之后如果采用五點(diǎn)控溫可能更不容易控制工藝結(jié)果，需要增加一個(gè)控制和監(jiān)測點(diǎn)，溫區(qū)的分布也需要根據(jù)硅片的位置做出相應(yīng)規(guī)劃，盡量保證硅片不處在兩個(gè)溫區(qū)交界位置。

除了空間位置上，配套部件也需要進(jìn)行升級(jí)。首先是射頻電源的選擇問題，鍍膜設(shè)備從單舟308片升級(jí)到單舟416片時(shí)，射頻電源的最大功率提升了50％，更大的射頻功率保證了鍍膜時(shí)石墨板間的電場能量密度，也就保證了大舟的鍍膜速度，從石墨舟的增量上推算，432片M12的石墨舟使用的射頻電源功率不應(yīng)低于20kw。還需要注意的是，射頻功率加大后，鍍膜時(shí)的射頻電流提升非常明顯，射頻功率的計(jì)算公式為

P＝U×I×Cos（相位角）

決定射頻電壓值的主要是石墨舟同軸電纜的阻抗和石墨板間氣體的容抗，這在氣體比例相同的情況下一般是一個(gè)相對(duì)固定的值，射頻功率增加一倍，電流值也接近增加一倍。單片石墨舟和硅片上流經(jīng)的電流也會(huì)增大近一倍，這種情況下可能造成射頻功率波動(dòng)、卡點(diǎn)燒焦等一系列射頻問題。防止這種情況出現(xiàn)應(yīng)當(dāng)重新考慮石墨舟卡點(diǎn)的設(shè)計(jì)，增加插片機(jī)插片精度，減少在石墨舟運(yùn)動(dòng)輸運(yùn)過程中發(fā)生的掉片翹片情況。

類似的情況同樣適用于通入流量的選定，目前鍍膜時(shí)使用的特氣流量大約在10 slm左右，按照硅片的有效面積增量來估算，M12設(shè)備的流量總通入量應(yīng)該18 slm以下，基本達(dá)到了現(xiàn)有流量計(jì)配置的極限，如果想要給工藝調(diào)整提供余量，或者是更好的控制特氣流量精度，現(xiàn)有的流量計(jì)量程應(yīng)增加50％左右。

通入氣體增加必然涉及到干泵的選擇，在通入大量氣體時(shí)是否還能正常調(diào)壓是問題的關(guān)鍵。我們以國內(nèi)某型抽速為1000 m3／h的干泵現(xiàn)場的使用情況為例，統(tǒng)計(jì)不同抽速下通入氣體流量能夠穩(wěn)定的壓力值，結(jié)果如表二所示。鍍膜的工藝壓力基本上要高于1500 mtorr，因此該抽速的泵完全能夠保證調(diào)壓成功。

表二． 流量、抽速與壓力的關(guān)系

最后講兩點(diǎn)大尺寸硅片設(shè)備的隱憂。首先，硅片增大后，片內(nèi)的膜厚均勻性更不容易保證。從M6硅片的鍍膜情況來看，硅片幾何中心點(diǎn)的膜厚較低，如表三所示，隨機(jī)挑選一舟硅片測試五點(diǎn)的膜厚折射率，上下左右距離中心點(diǎn)位置約為20mm，測試結(jié)果顯示中心點(diǎn)位置膜厚普遍偏低1－2nm。硅片增大到M12后，中心點(diǎn)到硅片邊緣的膜厚差距會(huì)進(jìn)一步拉大，會(huì)給工藝優(yōu)化和工藝控制帶來一定難度。另外一點(diǎn)是增大硅片后，單片硅片的凈產(chǎn)出增大80％，不良的比例因?yàn)楣杵娣e的增加也相應(yīng)增加了80％。例如原產(chǎn)線上碎片率為0．02％，改為生產(chǎn)M12硅片時(shí)，碎片率依然是0．02％，但是碎片的成本因?yàn)楣杵叽绲脑龃蠖兇罅耍@就要求，產(chǎn)能越大的設(shè)備，其設(shè)備及工藝穩(wěn)定性必須提高。

表三． NAURA機(jī)臺(tái)M6硅片工藝結(jié)果

綜上所述，大尺寸硅片是當(dāng)前晶硅電池行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，也是產(chǎn)業(yè)制造進(jìn)一步降本的必然選擇。無論是變化較為緩和的M6還是更為激進(jìn)的M12，都對(duì)包括管式PECVD在內(nèi)的所有設(shè)備、工藝提出了許多新的挑戰(zhàn)，相應(yīng)參與者需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就全面考慮尺寸變化帶來的諸多新問題新需求，才能更有效地服務(wù)行業(yè)，更好地帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

文／申震 高飛 趙福平