概述
前面几章已经介绍了太阳电池生产线上的清洗制绒、扩散和刻蚀等设备结构及性能参数。本章将着重阐述镀膜设备———等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，简称PECVD)。PECVD作为太阳电池生产线上的关键设备之一，其市场需求相当大，所以PECVD技术在70年代以来已成为研究的热点，并将不断成长为一项成熟的技术。PECVD与一般的CVD方法相比既有相同之处，又有它独特的优势。以下将详细介绍PECVD装置的原理、特点、结构参数、性能指标、操作规范和保养维修等。
图6.1PECVD的结构示意图
6.2PECVD的工作原理和特点
目前太阳能光伏市场上用的PECVD设备，国外的主要有德国centrotherm和日本岛津的镀膜设备;国内的主要有生产型管式PECVD，接下来就该管式PECVD的工作原理、结构性能参数、操作调试过程和维护保养工作做一个详尽的介绍。图6.1为PECVD的结构示意图。化学气相沉积(CVD)是反应气体在一定条件下分解并发生化学反应，最终生成固态物质沉积在基体表面继而形成薄膜的一种技术。在工艺上与其他薄膜沉积技术相比，具有沉积速度快、膜层质量好等优点，且已广泛应用于电子、光电子、表面改性等领域。该技术的缺点是沉积工艺温度过高，一般在(900℃～1200℃)之间，被处理的基体在高温下易变形、基体晶粒长大、致使基材性能发生改变，甚至某些相对低熔点的合金基材：如(Al合金)无法涂覆，而PECVD在很大程度上改进了CVD的这些缺点。PECVD技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。PECVD方法区别于其他CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温下实现。其化学反应方程式为
利用高频电源辉光放电产生等离子体对化学气相沉积过程施加影响的技术被称为等离子体增强CVD。电子和离子的密度达109～1012个/cm3，平均电子能量可达1～10eV。成膜过程在真空中进行，大约在5～500Pa范围内。由于等离子体存在，促进气体分子的分解、化合、激发和电离，促进反应活性基团的生成，从而降低沉积温度。PECVD在200℃～500℃范围内成膜，远小于其他CVD在700℃～950℃范围内成膜。PECVD成膜均匀，尤其适合大面积沉积。由于在氨气压条件下，提高了活性基团的扩散能力，从而提高薄膜的生长速度一般可达30～300nm/min以上。
6.3PECVD的结构、主要性能指标和特点
6.3.1PECVD的结构
PECVD主要由工艺管及电阻加热炉、净化推舟系统、气路系统、电气控制系统、计算机控制系统、真空系统6大部分组成，其设备构成示意图如图6.2所示。
1.电阻加热炉和工艺管
电阻加热炉是特制的高可靠性的发热体，是经过特殊工艺制成，它对恒温区的长度、精度以及稳定度提供了基础，是影响成膜速率和均匀性的必要条件之一。工艺管是引进美国的产品，具有口径大、壁厚均匀无气泡的优良性，它水平置于炉体的中央，两端配有密封法兰，可生产8英寸圆片、6英寸方片，同时经特殊磨口为真空密封提供可靠保证。
图6.2PECVD的结构组成图
2.推舟系统
推舟系统采用软着陆的方式，即将石墨舟放到反应管内部后，推舟机构将退出，自动门关上。载片舟是经特殊设计，在X轴、Y轴、Z轴三个方向可微调，再经精加工而成。它直接影响到电场的分布、等离子的产生、气流的走向、膜的品质。成膜压力甚至气体的流量都与此结构有关，所以推舟系统是本设备的核心部件。
3.气路单元
气路单元是一个独立体，它的所有使用元器件都是进口产品，具有控制精确、动作可靠和布局合理的优点，为安全生产提供一个先决条件。
4.电气总控制
电气总控系统对气路单元、工艺管、加热炉、推舟系统、真空系统进行控制，为自动化生产提供便利。
5.计算机控制
该设备由计算机自动控制，装片、取片由人工操作。同时有多种报警系统，如超温报警、停水报警、断偶报警等，能为安全生产提供一个可靠的保障。
6.真空系统
真空系统是本台设备的关键之一，它是由罗茨泵机组、电动调节阀、电磁挡板阀、压力传感器和真空管道等组成。
6.3.2PECVD的性能指标
PECVD的主要性能指标(如表6.1)，PECVD设备的主要特点(如表6.2)，从表6.1和6.2可以看出，该设备成膜种类为氮化硅，这种PECVD成膜均匀性好、稳定性高。每片硅片间不均匀性误差在5%之内，同一批硅片间的误差在6%之内，不同批次硅片间误差在7%之内。温度要求比较低，成膜温度为150℃～500℃，恒温区温度均匀，误差范围在2℃之内，并且在整个成膜过程中随时间变化小，误差范围为2℃/24h之内。升温时间较短，工作压力范围广，恢复真空时间短，设备封闭性强并且具有温度控制和计算机自动监控等安全措施功能。除此之外，PECVD与一般CVD相比有更多的优点(见表6.3)。
表6.1PECVD的主要性能指标
6.3.3PECVD设备的主要特点
PECVD设备的主要特点(如表6.2)
表6.2PECVD的主要特点
表6.3PECVD设备的优点
PECVD集成了真空、化学、物理、机械、电气、高频等各方面的技术，是一个较为复杂的系统。在设备研究方面，主要解决低温稳定性、粉尘污染、气路气密性、高频辉光放电、全自动计算机控制等技术问题;在工艺研究方面，主要解决膜厚均匀性、工艺重复性、光电转换效率等技术问题。
6.4PECVD设备的安装、调试及其制作过程
在使用本设备制作薄膜时要注意3个方面的问题，使用前的调试、制作薄膜的程序和使用完后的归位工作。接下来分3个方面介绍该设备的调试及其操作程序。
6.4.1PECVD设备的安装和调试工作
该设备的安装过程大致分为9个部分，下面就这几个步骤逐个进行简单的说明。
1.设备进入净化间前须清扫，擦干设备内外灰尘、污渍，工艺管、真空管道应按微电子规范进行清洁处理。
2.设备进入净化间后按要求摆放好，先装电阻炉部分，炉体架装上地脚并调平稳，然后将炉体上架，再装工艺管，装工艺管时注意轻拿轻放，小心不要碰坏石英管。同时装石英管时在石英管下部垫上光滑的塑料布或其他光滑材料，以防划伤石英管。要从炉口放入向后推，千万不能从尾部向前推，以免碰坏石英管的真空密封磨口。如果要清洗石英管时，要反过来进行。两端法兰按水冷法兰、气路法兰顺序装配。
3.靠拢净化台，调地脚螺钉，高度与炉体架一致，连接好各种控制线，再装配推舟系统。在装配时要特别细心，防止错装漏装密封圈而影响真空系统。
4.摆好真空机组，最好垫上一块橡皮，打上四个地脚螺钉，防止机组振动而造成工艺管损坏。用快卸卡箍管道连接好，再装上压力传感器等。
5.气路由管道连接，将各气路分别对应连接，并按规定压力送入本机。
6.将设备排风口、排废口、泵组排气口与用户管道连接好，如果用户备有尾气处理装置，必须事先确认与本设备所用气体种类、流量的相容性及安全性。
7.连接水路系统，最好有循环水装置，否则本机在工作时容易烧坏密封圈。
8.接地，将各机柜连接起来接入电网的零线。出于使用过程中的安全性考虑，高频电源单独接一根大地线，要将地线埋入地下1.8米以上，并放入木炭、水、盐各3公斤。
9.整机引入三相功率线，线径用35mm的多股铜线。
6.4.2设备调试前的检查工作
1.对水冷法兰通水，检查是否有漏水现象或水流是否畅通。
2.检查运动情况，首先检查步进电机前进后退是否反相，再检查到位是否停止，快慢是否可调，最后检查在运动过程中是否有卡壳现象。
3.检查照明灯经过运输是否损坏。
4.检查真空管道是否连接好，确认无漏气口。
5.检查电阻炉功率板、触发板各部位引线接头是否松动，瓷件是否损坏。
6.检查各种接插件、对接件是否有错。
7.检查各种开关是否处于“停电”或“关”状态。
8.检查热偶插入深度及正、负极是否有错。
6.4.3设备的调试
在各种检查确认无误后整机上电，各个控制单元分别通电检查仪表、按钮、电磁阀、风机、泵等在方向和对应关系上是否正常，在有关人员认可的情况下可开机运行。
1.温度调试
当对PECVD通上电时，本机有黄、绿、红三色灯泡指示，然后按下“上电开关”，待两分钟后按炉体“加热”开关即可，记下各温区的升温电流的大小(用钳形表测量)，并记下升温时间、到达设定温度时间。当各温区到达预计温度时，对两个温控仪表进行一次自
整定，然后对中间一个仪表再整定。待数分钟后若3个温区仪表显示非常平稳时，认定为PID各个参数合适，若发现某个仪表不稳就再进行一次自整定。下面分别介绍各个温区的温度调试测量。
(1)拉恒温区
将测量热偶端点置于炉膛正中间，待数分钟后视测量仪表的mV值(要求是6位数字电压表测才能满足测量精度)。然后将此mV值对照热电偶分度表，换算出温度值，发现控温仪表显示值与实际值有偏差时，通过调节控温仪表修正“Pb值”得到校准。用此方法再测恒温区的两端点。经过2至3次的重复，将这3点调到满意的程度。最后将测量热偶置于恒温区的尾端，充分等待炉温的稳定，一般情况下mV表的显示值在±1μV范围内变化视为炉温的稳定。
(2)精拉恒温区
在粗拉恒温区的基础上开始精拉恒温区，一般要求检测人员每隔3～5分钟测一个点，每点间距为50mm，然后找出最大值减去最小值再除以2，这就定义为恒温区正负温度值。恒温区精度定义：(测量最大值-测量最小值)/2。
(3)控温精度的测量
控温精度被定义为在恒温区中某一点的温度精度。通常是指在恒温区的中点随时间的测量，时间的长短按合同指标。这种方法目前是国内外通用的一种方法。具体测量方法是：在恒温区调好后，将测量热偶的一端置于炉膛正中点，待稳定后记录一次值，然后每隔10分钟记录一次，最长记录24小时共记录144次，将144次当中的最大值减去最小值再除以2即为控温精度的正负值。
2.真空调试
下面简单介绍真空调试的几个步骤：
(1)通上电见“常压”指示灯亮时步进电机前进，直至自动停止运行，这时用一张薄纸试端板是否压紧，根据需要调节推舟座，推舟座在X、Y、Z三个方向上均可调节。
(2)开滑阀泵时气动蝶阀也自动打开。
(3)打开慢抽，可听到电磁阀的响声，这时慢抽通道已被打开。
(4)给电磁挡板阀加6.3公斤以下的压力，再打开主抽阀，待几秒钟后真空度急速上升，约10分钟就可降至10Pa以下。
(5)打开罗茨泵，在3分钟之内真空度即可降到10Pa以下，甚至可抽到1Pa以下。
(6)在真空度到达1Pa以后，关掉主抽阀和慢抽阀，再停罗茨泵后停滑阀泵。
(7)这时根据压力显示仪的压力变化，按时间计算出压升率应≤3Pa/min，否则按上
例原则反复抽真空。
3.推舟调试
推舟过程分为9个过程，依次如下：
(1)水平行程开关共3个，其用途分别是：“后退到位”为推舟后退停止的位置，此位置前后精确度要求不高;“缓冲位”提供水平推舟的增减速的位置，以及开始垂直升降的一个位置，此位置前后精确度要求不高;“前进到位”为提供前进到位信号，是石墨舟与电极连接杆相对接的一个位置，因此此位置要求精确。以上3个位置信号要求保证可靠，否则将导致损坏石英管或推舟系统的后果。
(2)垂直行程开关为一个，即“下位”，提供垂直升降的最下位和给旋转编码器提供归零信号。此位置的确定，以推舟系统悬臂杆离石英管有一定安全距离为准，约5mm以上，同时悬臂杆要能顺利退出。此位置要求精确，否则导致损坏石英管。旋转编码器提供了垂直升降的“中位”和“上位”，“中位”和“上位”的相对点是“下位”，可以在软件里调整，一般不需调整。旋转编码器与丝杆的连接必须为十分可靠的连接，否则会损坏石英管。
(3)汽缸有4个到位信号，“旋转关到位”、“旋转开到位”、“汽缸进到位”、“汽缸退到位”，以上4个信号必须可靠，否则会损坏石英管或石墨舟。
(4)完整“送片”动作的前提是“常压”、“后退到位”、“上位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”的条件都满足时才能启动。如果有任何一个条件不满足，请“手动”让各个部件到达相应位置。
(5)完整的“取片”动作前提是“常压”、“后退到位”、“下位”、“炉门开到位”、“气缸退到位”的条件都满足时才能启动。如果有任何一个条件不满足，请“手动”让各个部件到达相应位置。
(6)“手动”情况的各个分解动作要注意石英管与石墨舟的安全，其中“水平推舟”只会在“前进到位”和“后退到位”时才会自行停止，在缓冲点不会自行停止。“垂直升降”只会在“下位”和“上位”时自行停止，在中点不会自行停止。
(7)悬臂杆调成水平的，而不是将石墨舟调成水平，这样更有利于减少由于悬臂杆上、下变形引起的影响。
(8)在每次设备重新上电时务必将推舟系统手动复原至“升降下位”和“推舟退到位”，其中操作一次“升降下位”是为了升降舟软件归零。
(9)在“常压”指示灯亮时，推舟无任何卡壳现象，无任何异常声音为正常。
6.4.4PECVD制作工艺步骤
完成了该设备之前的调试和各个部分的检查之后，在制作薄膜过程中必须理解该工艺的基本步骤和程序。PECVD的工艺步骤流程如图6.3所示。装好基片后自动进舟，进舟到位后对工艺管抽真空，恒温一段时间后进行工艺淀积，这一步是关键工艺，在此过程应保持温度、压力、流量、高频功率等参数的稳定性，淀积工艺完成后再清洗、充氮，保证残余气体未留在反应管内，最后退舟、卸片、装片，进行下一循环，整个工艺流程约半小时。
图6.3PECVD工艺的流程图
6.5PECVD设备的故障分析和维护保养
6.5.1PECVD设备的故障分析
由于该PECVD是一种特殊、专业性很强的设备。它集机械、电子、高频、计算机、真空、气体、传动及温度控制为一体，如使用得当，经常维护，就不容易出故障。如不按使用说明书严格操作，可能会出错，严重时可能会损坏设备，甚至出现人身事故。该设备常见故障分析及其排除方法见表6.4。
表6.4见故障分析与排除
6.5.2PECVD的维护保养
要正确规范地使用该设备，除了使用前进行必要的调试、使用过程中的正确操作之外，还需要对该设备定期进行保养及其维修，一般分为以下几个方面：
1.保持真空度。工艺完成后，不继续做工艺时，必须保持工艺管内为真空状态，每天做工艺时可查看各真空压力表读数，以便确定工艺管密封是否良好。
2.保护气路。在做完工艺后，必须按说明书要求去操作。当环境温度较高时，产生的反应物会堵塞质量流量计，所以千万不要让工艺气体留在管路中。
3.保护罗茨泵机。为了保护罗茨泵机组的寿命，要经常更换机械泵油，只要油泵观察窗发现油黑了就必须更换。设备用在生产线上一般5天必须更换一次油(干泵机组例外)。
4.定期进行酸洗。为了良好的工艺、优良的沉积膜，工艺管要定期进行酸洗，在生产线上至少一个月洗一次。
5.全面检查设备。一个季度对设备进行一次性能的全面检查，检查各种功能是否正常可靠。
6.保持环境温度。本设备必须有良好的工作环境，环境温度必须在20℃以下，由于SiH4的燃点非常低，在常温下会自燃，在28℃以上会发生反应，所以必须定期检查环境温度。
7.保持罗茨泵排风管道的畅通。罗茨泵的排风管道必须畅通，而且管路也不能太长，否则由于排气不畅而发生爆鸣，严重时油泵观察窗会爆破。因此要定期进行检查排风管道的畅通工作，工艺完成后要对通道进行排风。
8.罗茨泵轴承加油嘴必须保持始终有油。(作者罗玉峰、张发云、廖卫兵)
