1、 毕 业 设 计设计题目 太阳能电池 PECVD 装置设计_学生姓名 王真 _学 号 20090761 专业班级 机械设计制造及其自动化 09-10 班 指导教师 干蜀毅 院系名称 机械与汽车工程学院 2013 年 6 月 4 日目 录中 文摘要 .1英 文摘要 .21 绪论 .31.1 我国太阳能电池的发展现状及展望 .31.2 PECVD 技术的最新进展与应用 .42 PECVD 原理及沉积工艺参数 .42.1 PECVD 原理及沉积过程 .42.2 PECVD 沉积技术工艺参数 .53 PECVD 沉积镀膜生产线 .73.1 PECVD 沉积镀膜生产线的组成 .73.2 PECVD 技术
2、分类及优缺点比较 .84 PECVD 设备构成及各部分功能.105 PECVD 沉积镀膜真空室的设计要求与原则 .105.1 设计参数 .105.2 PECVD 沉积镀膜真空室的主要设计原则 .115.3 PECVD 沉积镀膜室对抽气系统的要求 .116 PECVD 沉积镀膜室主要部分的设计与计算 .126.1 真空室壳体的设计与计算 .126.1.1 真空室壳体的类型选择 .136.1.2 真空室壳体的计算与校核 .136.1.3 真空室的 ANSYS 分析 .146.2 抽气系统的设计与计算 .186.2.1 选泵与配泵 .186.2.2 抽气时间的计算 .196.3 布气系统的设计.21
3、6.3.1 布气系统的作用.216.3.2 布气系统的结构.226.4 机架的设计与计算 .236.4.1 PECVD 真空镀膜室总重估机架.236.4.2 机架的结构设计与校核 .24结论 .25致谢 .26参考文献 .280太阳能电池 PECVD 装置设计摘 要：世界能源消耗持续增加，全球范围内的能源危机形势愈发明显，缓解能源危机、开发可再生能源已势在必行，太阳能电池的应用普及已经成为一种趋势。由于温度低，效率高等一系列优点，等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）近年来在太阳能电池板镀膜技术中得到了广泛发展与应用。文中在对等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）的工作原理分析的基础上
4、，阐述了等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）的主要工艺流程和影响参数，并介绍了PECVD 镀膜生产线的组成及工作过程，从而对 PECVD 镀膜设备进行可行性的方案设计。文中主要对真空沉积室、真空抽气系统、布气系统、以及机架进行了设计，方案中选用了分子泵作为主泵、机械泵作为前级泵，并设计了全新的布气装置，优化了整个系统。关键词：太阳能电池，等离子体增强化学气相沉积技术，镀膜，真空，布气装 置1The design of the solar cell PECVD device technique Abstract : With the energy consumption of the wo
5、rld continues to grow, global energy crisis situation becomes increasingly visible.Relieve the energy crisis and development of renewable energy have been imperative.It is a trend to use of solar cells all over the word .Because of low temperature , higher efficiency higher and anather series of adv
6、antages.Plasma enhanced ehemical vapor deposition has been widely indeveloped and applied in coating technology of the solar panels. Based on the analysis of the plasma enhanced chemical vapor depositions working principle, this article illustrates the main craft processes and the influence paramete
7、rs of the plasma enhanced chemical vapor deposition.It introduces the process line and the work process of the plasma enhanced chemical vapor deposition. Then a feasibility of design proposal on the plasma enhanced chemical vapor deposition equipment is carried out.The design mainly aims at vacuum d
8、eposition chamber, vacuum pumping system, cloth gas system and rack.This scenario, chooses the molecular pump as the main pump, chooses the mechanical pump as the backing pump.as well,it designs new cloth device,optimized the whole system.Keywords:The solar cell,Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposi
9、tion , coating film,vacuum,The cloth device21 绪论1.1 我国太阳能电池的发展现状及展望由于世界能源消耗持续增加，全球范围内的能源危机形势愈发明显，缓解能源危机、开发可再生能源、实现能源的可持续发展成为世界各国能源发展战略的重大举措。由于太阳能的可再生、分布广、无污染的特性，使太阳能发电成为世界可再生能源发展的重要方向。自 20 世纪 80 年代以来，光伏产业已经成为全世界增长速度最快的高新技术产业之一，目前研究的太阳能电池有“硅太阳能电池，化合物半导体太阳能电池染料敏化太阳能电池”其中晶体硅太阳能电池技术更是占据了整个光伏技术的主导地位。截至 0
10、9 年的近 10 年间全球太阳能电池产量平均年增长率为 48.5%;而最近 5 年，这一数据更是高达55.2%。 2009 年全球太阳电池产量达到 10.5GWp，比上年增长 33%。截止到2009 年年底，全球太阳能电池累计安装量已达到 24.5GWp。目前，太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲，近年来崛起的大陆和台湾制造商，加起来的产能已达全球一半。中国已经成为世界太阳能电池的最大生产国，2009 年中国太阳能电池产量已经达到了 4.3GW，占全球份额已达到 4 成。2010年前 8 个月我国太阳能电池累计完成
11、产量 296.2 万千瓦，同比增长 200.4%。预计 2010 年中国太阳能电池产量将比去年的 4，011 兆瓦高近一倍，达 8 吉瓦（相当于 8，000 兆瓦） ，占世界生产总量的半数，再度登上世界首位。国内外太阳能电池的研究正向着“高效化，薄片化”的方向发展，紧紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标的各种新型太阳能电池的研究工作，一直在各发达国家及一些发展中国家积极进行 ，即用新材料、新结构和新工艺制造的太阳能电池。目前晶体硅高效太阳能电池和各类薄膜太阳能电池是全球新型太阳能电池研究开发的两大热点和重点。 其中多晶硅薄膜电池的研究工作，自年以来发展迅速，目前实验室效率已超过，成为引
12、起世界光伏界瞩目的新热点，前景看好。31.2 PECVD 技术的最新进展与应用由于 PECVD 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，使得需要在高温下才能进行的 CVD 过程得以在低温实现。 因此可以节省能源，降低成本提高产能，减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减。然而这种技术中也存在一定的缺陷，特别是在反应溅射过程中存在着沉积速率低及工艺不稳定等问题。目前市场上应用较多的有直接法（样品直接接触等离子体）和间接法
13、两种方式。其中直接 PECVD 的等离子体直接作用于硅片表面，均匀性好，间接 PECVD 中形成生长成分扩散到衬底成膜，致密度差，基元和衬底附着力差，因此直接 PECVD 法是较为理想的选择2 PECVD 原理及沉积工艺参数2.1 PECVD 原理及沉积过程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 方法区别于其它 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。
14、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 过程得以在低温实现。 PECVD 的一个基本特征是实现了薄膜沉积工艺的低温化（450） 。因此带来的好处有：（1）节省能源（2）降低成本提高产能（3）减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减。PECVD 沉积过程分为以下三个步骤：（1） ，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应使气体发生发生分解生成离子和活性基团（2） ，各活性基团向薄膜生长表面和室壁扩散运输同时发生各反应物间的次级反应（3） ，到达生长表面的初级反应
15、和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随气4相分子物的再放出2.2 PECVD 沉积技术工艺参数（1）频率在高频下沉积的薄膜具有张应力，而在低频下有压应力。绝大多数条件下，低频氮化硅薄膜的沉积速率低于高频率薄膜，而密度明显高于高频薄膜。所有条件下沉积的氮化硅薄膜都具有较好的均匀性，相对来说，高频薄膜沉积的均匀性优于低频氮化硅薄膜。（2）功率功率对薄膜沉积的影响为：一方面，在 PECVD 工艺中，由于高能粒子的轰击是界面态密度增加，引起基片特性发生变化或衰退，特别是在反应初期，故希望功率越小越好。功率小一方面可以减轻高能粒子对基片的表面的损伤，另一方面可以降低沉淀速率，使得反应易于控制，制
16、备的薄膜致密，均匀。另一方面，功率太低时不利于沉积出高质量的薄膜，由于功率太低，反应物离解的不完全，容易造成反应物浪费。（3）压力等离子体产生的一个重要条件是：反应气体必须处于低真空下，而且其真空度只允许在一个较窄的范围内变动。形成等离子体时，气体压力过大自由电子的平均自由程很短，每次碰撞在高频电场中得到加速而获得的能量很小，削弱了电子激活反应气体分子的能力，甚至根本不足以激发形成等离子体;而真空度过高，电子密度太低同样也无法产生辉光放电。工艺上：压强太低，生长薄膜的沉积速度较慢，薄膜的折射率也较低；压强太高，薄膜的沉积速率较快，偏见的均匀性较差，容易产生干涉条纹。（4）温度基板从工艺上说，温
17、度低可避免由于水蒸气造成的针孔，温度太低，沉积的薄膜质量没有保证。高温容易引起基板的变形和组织上的变化，会降低基板材料的机械性能；基板材料与膜层材料在高温下会发生相互扩散，在界面出形成某些脆性相，从而削弱了两者之间的结合力。一次在实际的生长过程中可综合考虑上述两个因素，选择合适的生长温度，使薄膜的结晶温度达到最佳。5基板温度与膜应力的关系：从低温到高温，应力的变化趋势是从压应力变为张应力。（5）反应气体在流量不变的情况下，氮化硅的折射率随着流量的增加而增大，而沉积速率随着流量的增加而下降，反应生物中硅含量增加，氮化硅呈富硅特性，薄膜变得更加致密，折射率变大；另一方面，流量增大使得反应室内气体浓
18、度增加，气体分子的平均自由程变小，沉积到表面的反应生成物减少，导致沉积速率随着流量增加而减小。折射率的高低主要取决于膜中 Si/N 的比值，沉积温度低时，薄膜富硅则折射率较高。随着温度升高，Si/N 比值减少，薄膜折射率减小；沉积温度升高，使得反应室中存在的少量氧气也参加反应，由于氧的电负性大于氮，故氧可替代薄膜中的 Si-N 键中氮的位置，导致薄膜中氧的含量增加，使得薄膜的折射率下降。（6）极板间距极板间距对沉积成膜有着非常重要的影响，间距不能太大也不能太小。如果间距太大，大大影响沉积速度，造成局部问题，严重影响成膜质量。如果间距太小，从 Show head 出来的强气流直接喷到玻璃基板上，
19、这样会造成以下后果：强气流直接冲击玻璃板面，离子可能来不及沉积就被强气流冲走，这样就降低了成膜速率；因为间距太小，这样使得离子反应速度过快，即使离子没有被强气流带走而沉积到玻璃基板上，那么成膜质量也是个很差的，因为间距太小可能引起气相中的聚合反应，从而引起颗粒的产生、成品率下降、组件可靠性降低等；极板过近会造成镀膜过程中电弧放电击穿基板和表面阳极膜，造成设备损伤。（7）抽气速度在气体压力维持在一定的情况下，抽气速率越快气体滞留的时间越短，如果抽速一定，则滞留时间不变。随着沉积次数的增加，机械泵的抽气速率下降，维持规定的气体流量反应室气体压力会不断增高；而要保持气体的压力不变则又必须不断减少流量
20、，这不仅造成工艺操作难以掌握，而且技术指标也难以保证，因此虽然压力不变，但在低抽速小流量的情况下，气体在反应室中的滞留时间增加，造成沉淀速率上升，并且影响沉积均匀性。6（8）沉积时间沉积时间太短，膜厚及折射率达不到要求。时间太长，会造成工艺气体的浪费，增加工艺成本，同时也影响沉积膜的质量。当膜厚过高时，薄膜会开裂，甚至脱落。因根据膜厚和沉积速率选择合适的沉积时间3 PECVD 沉积镀膜生产线3.1 PECVD 沉积镀膜生产线的组成任何类型的生产线，对于产品的产生过程都要遵守符合某种规律的生产流程要求，图 3.1 是该类生产线的典型流程图：选 片 进 线 前 处 理 段 真 空 镀 膜 段 后
21、处 理 段 离 线图 3.1 太阳能电池 PECVD 沉积镀膜玻璃产品生产流程图为了达到大面积太阳能电池板表面镀膜流程要求，实现连续性生产，其总体设计构思均采用串接积木组合方式（如图 3.2）形成机械化，自动化封闭环节的生产线。从图中可以看出，生产线构成可分三大功能段，即前处理段，真空镀膜段，后处理段。每个功能段，又有各自独立承担镀膜工艺中某一个单个工序的功能。通常设计这类生产线，应考虑以下五个方面的问题做为设计依据 10。（1）对前处理段应满足如下要求：a具有足够的表面清洗能力；b具有可控的基片加热温度场；c对原片，发现疵病有在线筛选能力。 入 线 V1 -后 处 理 段 -真 空 镀 膜 段 -前 处 理 段 GFED7#6543#2CBA 出 线KZ234V3
