晶体硅太阳能电池PECVD设备国产化现状及趋势

晶体硅太阳能电池PECVD设备国产化现状及趋势

胡立琼 王宝全 王娜

（北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司）

摘要：晶体硅太阳能电池行业的迅猛发展，对产业装备提出了越来越高的要

求，本文介绍了当前几种主流的PECVD设备技术特点、相互区别，以及其中的高端设备——平板式PECVD设备技术发展趋势，并分析了当前国产太阳能电池设备的发展机遇、技术水平及行业现状。

关键词：PECVD设备, 晶体硅太阳能电池，国产设备 0 前言

众所周知，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，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。顺应光伏市场需求的急剧增长，作为技术支撑的设备行业也随之获得了前所未有的高速发展。

装备业的发展为太阳能电池产业持续向前发展提供了有力的保证，其市场也得到了产业界越来越多的关注。但与半导体投资热潮下的“瓶颈”类似，设备研发与产业膨胀仍然存在着速度匹配的问题，尤其是在高端设备领域，大部分设备仍然需要依赖于进口。这一现状对于追求更低成本的晶体硅太阳能电池行业而言，已经成为了无法回避的重要问题。进口设备的价格昂贵，二手设备的市场混乱，使中国的太阳能电池行业正殷切期盼着本土设备的成长和崛起。

1 晶体硅太阳能电池

PECVD是利用高频电源辉光放电产生等离子体进行化学气相沉积的过程。其特点是电

子密度高、电子平均能量大，富含大量化学气相沉积的活性粒子和自由基，并且沉积温度低。在采用SiH4和NH3作为源气体沉积SiNx薄膜的过程中，由于大量氢原子的存在，使所生成的薄膜除了具有减反射性能外，兼具有良好的表面和体钝化性能，这是因为在离子的轰击下，氢原子更容易扩散进入薄膜体内，从而提高膜的体钝化效果。不仅如此，PECVD等离子体中由于含有高密度的离子，这些具有一定动能的离子对沉积的减反射钝化膜进行轰击，还会提高膜的质密性和应力。故PECVD设备是晶体硅太阳能电池生产线制备减反射钝化膜的

PECVD设备特点

主要设备。与此同时，PECVD设备也是整条太阳能电池生产线的核心设备之一，市场调查资料表明，应用于晶体硅太阳电池生产线的PECVD设备价格已经占到了整条线设备价格的三分之一左右，是所有设备中比重最大的一部分。

目前市场上主流的PECVD设备技术按照反应器结构和等离子体发生源的不同，分为管式和平板式PECVD，直接式PECVD和间接式PECVD。下面将分别就这几种主流的PECVD设备技术进行比较。

1.1 管式与平板式PECVD设备的比较

根据反应器结构的不同， PECVD设备可分为管式和平板式两种。

与平板式PECVD设备相比，管式PECVD设备结构最大的区别在于其阴阳极板不止一对，而是有很多对。从图1所示的管式PECVD设备结构示意图中可以看出，管式PECVD中，基片沿极板立式放置，可以摆放很多组。基片加热采用石英管外部加热法，避免反应过程中加热器溅射污染基片及反应环境。放电频率一般采用低频或中频，常用的频率值有：40kHz, 450kHz及460kHz等。由于采用了多组电极对的电极结构，每一组电极面积相对较小，有利于小范围内成膜的均匀性。但是管式PECVD设备的载板在进出舟时炉管是开放的，暴露在大气中，大气可以进入到炉管内，从而导致交叉污染，对成膜质量和工艺稳定性有影响。同时，相比较于平板式PECVD，管式设备自动化程度较低，装卸片过程中出现的碎片率明显高于平板式。

图1 管式PECVD设备结构示意图

常用的平板式PECVD设备通常是多腔室连锁式的，如图2所示。其设备结构采用若干个相互分离的腔室来实现不同的基片处理目的，当然也可以在多个腔室里分别沉积不同的膜层来实现连续淀积多层薄膜而不致出现交叉污染的现象。平板式PECVD设备的自动化程度通常较高，不同的腔室之间采用互锁连接，同一批样品从一个腔室到另一个腔室之间的传送始终是在真空密闭的条件下进行，无中断真空系统的环节，从而使反应室始终没有暴露于大气的机会，保持了纯净度较高的工艺环境，有利于成膜质量的提高和工艺的稳定。多个连锁式腔室的设计可以根据需要对产品进行预热或冷却，也可以根据生产线需求增加工艺腔室的个数，从而大大提高设备的使用效率。此外，自动化的装卸片技术大大降低了人工操作引起的碎片率，这在成本控制愈来愈严格，硅片厚度愈来愈薄的实际生产中，具有更为重要的现实意义。

具有高自动化程度的平板式PECVD设备虽然具有适用性强、功能完备、非常适合现代化工厂的自动化流水作业等诸多优点，但随着量产化要求不断提高，及随之而来的基板面积不断扩大，使大尺寸设备设计遭遇了一个最大问题就是

如何实现大电极所产生等离子体的均匀性？以及大面积加热的均匀性问题。尤其是大面积等离子体的均匀性问题，与腔室及电极尺寸密切相关。我们知道，当电极线形尺寸接近或超过交流激发电能的自由空间的波长的1/8时，电磁波的反射、干涉和驻波等现象会变得十分严重，从而使电场分布不均匀，这就是大电极激发等离子体不均匀的主要原因；此外，电极的有限尺寸还使得电场在电极边缘的不均匀变化在一定程度上向电极中部逐渐延伸。这些“大尺寸效应”导致了等离子体激发电场在大面积电极表面变的不均匀，使薄膜的沉积速率在衬底的不同部位有不同的变化，从而影响了工艺的稳定性能。设备大型化所造成的成膜不均匀问题的改善和解决，有待于设备制造商的研发和工艺技术水平的提高。

图2 平板式PECVD设备结构示意图

1.2 直接与间接式PECVD设备的比较

所谓“直接式”与“间接式”PECVD是指两种设备的等离子体馈入方式不同。直接式PECVD设备（参考图2）在应用于等离子体成膜设备中时，基体被放置于阴阳极板之间的阳极上，当阴阳两极之间放电时，基体直接置于等离子体环境当中；间接等离子体PECVD设备中样品远离等离子体，如图3所示，受微波激励产生的等离子体通过一根狭窄的石英管进入反应器在基体表面沉积薄膜，因此基体只是被暴露于已经被活化和电离的气体流当中。

间接等离子体的产生特点决定了它只能由频率更高的微波频率来激励（工业用允许波段为2.45GHz），因此也称为“微波等离子体”。与由中频（40KHz）和高频（13.56MHz）激励的等离子体相比，微波等离子体密度更高、更纯净、且样品由于远离等离子体，表面损伤较小；但另一方面，过高的激励频率下离子的轰击力不足，氢原子较难扩散进入薄膜体内，难以达到较好的体钝化效果，成膜结构也相对疏松。除此之外，由于等离子体不是在腔室内直接产生，在一定程度上均匀分布会受到限制。

上述管式和平板式PECVD设备频率源的选择可以是低频、中频或者工业中较为常用的射频。这种相对微波较低的频率所激励的等离子体一般离子能量较高。须要说明的是，适当的离子轰击能量有利于SiNx膜钝化效果，但要避免过高能量的离子轰击材料表面导致膜层损伤，通常在平板PECVD装置设计时，晶体放置的基片台一般是接地的，并且装置的接地面积要大于频率源的接入面积，这样会降低晶片表面的鞘层电位，降低过高能量离子的形成几率。直接式等离子体发生方法在具有上述优点同时，也同样面临着一些技术问题，其中最主要的就是大面积均匀处理的效果。此外，直接式PECVD设备由于电极在腔室内部，

还可能存在由于基板或腔室壁溅射造成的电极污染问题。电极污染不仅会影响放电效果，还会缩短设备的维护周期，这是工业化生产希望尽量减少的环节。

图3 间接式PECVD设备结构示意图

2 国产晶体硅太阳能电池PECVD设备研发现状

2.1 管式PECVD设备技术现状

近几年来，国产晶体硅太阳能设备整体水平有了明显的提高，特别是在中低端设备领域，有些甚至已经达到或接近国际先进水平。

通过和一流企业合作并引进先进的工艺技术，历经数次技术升级，国产太阳能电池及组件生产线关键设备已相继在国内生产线上代替进口设备，并得到了广泛应用。特别是电池片制造关键设备之一——生产型管式PECVD设备的成功研制，使我国正式具备了除全自动丝网印刷机外的太阳能电池制造设备的整线供应能力。在这方面，中电科技集团第48研究所和北京七星华创电子股份有限公司取得了较好的成绩，并占据了一定的市场份额。国产PECVD设备的成功抢滩，打破了该领域由国外进口设备一手垄断的局面。其成功不仅使国内太阳能电池制造企业获得了低成本建线的解决方案，也极大地鼓舞了国产设备厂商与国外供应商形成分庭抗礼之势的信心。

2.2 平板式PECVD设备初露曙光

目前国内厂商可提供太阳能电池大生产线所需10种设备中的8种，其中6种（扩散炉、等离子体刻蚀机、清洗/制绒机、石英管清洗机、低温烘干炉、层压机（组件生产用））已在国内生产线占据主导地位，2种（管式PECVD、快速烧结炉）和进口设备并存，而全自动丝网印刷机、自动分拣机和平板式PECVD等3种设备在近期内尚依赖进口。

从当前的市场状况可以看到，虽然在管式PECVD设备研制上国产设备成绩喜人，但在该设备的高端领域——平板PECVD设备开发方面，本土产品仍处于相对滞后的状态。与管式PECVD设备相比，平板式PECVD具备产能大、装卸片容易，易于自动化集成等优点，但到目前为止，国产设备市场上仍未真正出现相关的成熟产品。在确保中低端设备持续向前发展的势头下，开发具有更高自动化水平和单机生产效率的高端设备，提高整线生产效率，降低生产成本，是太阳能电池制造设备发展的必然方向。大型平板PECVD设备的国产化，正令国内客户翘首以待。

令人欣慰的是，国产平板PECVD设备的开发也确实正在紧锣密鼓的进行当中。由北京北方微电子公司进行的大型平板PECVD设备的自主研发，目前已经接近尾声，并预计于2009年第二季度推向市场。依据该公司在半导体设备行业雄厚的研发实力，及一切从用户出发的研发理念，其即将推出的大型平板PECVD设备将十分有望成为国产晶体硅太阳能电池设备的领跑者。业内客户所追求的更低成本、更高收益的解决方案亦是指日可待。

3 晶体硅太阳能电池

PECVD设备发展趋势

成本的降低是太阳能电池能否达到电网平价的关键因素，对于电池片生产商而言，其意义更是不言而喻。除了降低生产线投资成本之外，原材料硅片在不断变大、变薄，新的电池工艺也层出不穷。这些发展趋势使设备供应商面临着多重考验。高性能、高产量、高成品率、低维护成本以及环保节能等是PECVD设备技术能满足市场并高速发展的重要条件。

3.1 提高产能

设备大型化是提高生产线产能的积极有效途径。载板面积的扩大无疑对太阳能电池产业降低成本、提高效率起到了至关重要的作用。随着基板尺寸的不断增大，设备体积也随之增大。设备大型化所引申出的课题包括电源输出功率的增加、大面积等离子体均匀性的实现、以及零部件加工精度和难度的提升等。其中，大面积放电均匀性、稳定性是设备大型化过程中面临的最重要的问题之一。从气流场、电场、温度场、腔室尺寸等方面合理设计，可以大大改善等离子体在较大空间内放电的稳定性。例如，通过改善腔室尺寸与频率失配所产生的驻波效应，通过改进电极形状与进气方式来改善等离子体均匀性，提高功率输入的利用效率在保证沉积速率的同时，降低异常放电的可能性等种种方式。

3.2 改善成品率

对于晶体硅太阳能电池生产环节来说，PECVD设备和工艺对成品率的控制可表现在提升膜的性能及降低碎片率等方面。膜的性能包括外观、质量和工艺性能。外观方面主要包括膜的表面光泽，无污点、颗粒等，一般来说，性能较好的晶体硅太阳能电池表面的减反射膜外观应呈蓝色或深褐色。质量方面包括膜厚及其均匀性（片内及片间、不同批次之间）、致密性、表面针孔、内部空洞、杂质含量等。工艺性能包括折射率、少子寿命、应力等方面。PECVD设备设计时应通过改善放电均匀性、减少颗粒污染，合理选取频率源、优化进气系

统的控制等来实现膜性能的提升。此外，随着晶体硅太阳能电池成本不断压缩，硅片厚度也在可行的范围内不断减薄，使生产过程中碎片风险大大增加。平板式PECVD设备在传输、装卸硅片的过程中应更多的考虑自动化的设计，从而降低碎片率，提高成品率。

3.3 缩短维护保养周期

设备维护周期和维护时间的长短是设备生产性能的一个重要方面。随着设备不断大型化，生产线上设备数量相对减少，一台设备的停机维护对整体产能影响较大。此外，大型设备的维护时间和维护难度都相应增加。对于设备设计而言，可采取简化电极结构、优化开盖系统以及通过采取自我诊断的方式来尽早发现设备异常或不良状况的迹象，并及时采取应对措施等等，使维护的难度减小。此外，还应该通过设备与工艺的整合来减少设备的损耗，以延长其维护与保养周期。

3.4 更环保节能

设备整合工艺，降低化学用品的消耗量，节能节水，减少废气、废液的排放。比如采用环保的清洗技术，合理开发工艺，降低有害反应物的生成量，配备完善的废气、废液处理设备等，进一步降低工厂对环境的污染。 4 结束语

随着晶体硅太阳能电池市场需求的不断攀升，作为其技术支撑的装备行业将会获得越来越多的发展空间。有理由相信，国产设备供应商通过不断提升自身的技术实力和服务意识，一定能够早日实现与国外设备厂商的同台竞技，并利用自身的价格、地域及服务优势，在太阳能电池乃至更广阔的半导体设备行业，牢牢的站稳脚跟。

联系人：胡立琼 北京北方微电子公司 工艺部

信箱：hulq@bj-nmc.cn 电话：010-64311959-8053

统的控制等来实现膜性能的提升。此外，随着晶体硅太阳能电池成本不断压缩，硅片厚度也在可行的范围内不断减薄，使生产过程中碎片风险大大增加。平板式PECVD设备在传输、装卸硅片的过程中应更多的考虑自动化的设计，从而降低碎片率，提高成品率。

3.3 缩短维护保养周期

设备维护周期和维护时间的长短是设备生产性能的一个重要方面。随着设备不断大型化，生产线上设备数量相对减少，一台设备的停机维护对整体产能影响较大。此外，大型设备的维护时间和维护难度都相应增加。对于设备设计而言，可采取简化电极结构、优化开盖系统以及通过采取自我诊断的方式来尽早发现设备异常或不良状况的迹象，并及时采取应对措施等等，使维护的难度减小。此外，还应该通过设备与工艺的整合来减少设备的损耗，以延长其维护与保养周期。

3.4 更环保节能

设备整合工艺，降低化学用品的消耗量，节能节水，减少废气、废液的排放。比如采用环保的清洗技术，合理开发工艺，降低有害反应物的生成量，配备完善的废气、废液处理设备等，进一步降低工厂对环境的污染。 4 结束语

随着晶体硅太阳能电池市场需求的不断攀升，作为其技术支撑的装备行业将会获得越来越多的发展空间。有理由相信，国产设备供应商通过不断提升自身的技术实力和服务意识，一定能够早日实现与国外设备厂商的同台竞技，并利用自身的价格、地域及服务优势，在太阳能电池乃至更广阔的半导体设备行业，牢牢的站稳脚跟。

联系人：胡立琼 北京北方微电子公司 工艺部

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