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大事记
光伏家
LPS 1 等离子体发射源
发表于：2012-04-21 13:15:12
来源：shine magazine/光能杂志作者：shine magazine/光能杂志
由于电子空穴对再次结合而造成的硅片表面的缺陷被一层薄薄的氮化硅所覆盖（钝化）后可以增加太阳能电池的效率。
氮化硅层的硬度，化学稳定性和沉积作用过程中形成的反射指数梯度使其成为电池片的具有保护性能的减反射膜。
微波等离子体具有一些显著而突出的等离子体特性，如当离子和电子层低于10个电子伏特（eV）时的高带电性水平（high charge carrier concentrations），这种等离子十分适合于需要不能有明显离子冲击的薄膜沉积技术。
多晶硅电池片表面的等离子沉积的钝化的Si3N4 层在离子冲击过程中不会引起表面的缺陷就是一个很好的例子。
原理上说，在大规模等离子生产中有四种方法介入等离子体。
（1） 通过喇叭形天线传送微波至等离子体
（2） 通过电介质窗将微波传送至等离子体
（3） 通过一套λ/4 天线将微波传送至等离子体
（4） 通过同轴石英管将微波传送至等离子体
前三种方法在明确的本身的位置将微波传送至等离子体，因此相同性质下的大规模等离子体只能在距离微波输入很远的距离内观察。
同轴系统激活在石英管上的表面波，可以产生高度均匀的微波等离子体。这样可以在几米范围内产生线型尺寸的大规模微波等离子体。
该优势技术应用在Roth&Rau公司的SiNA的in-line系列上，我公司使用的是LPS1型线型微波等离子体发射源。
图1：线型微波的图解和部件图
（英文注释见第6章中的备配件清单）
1.1 线型微波等离子体发射源类型
图2表现的是一个典型的线型微波等离子体发射源，在科技文献中常被称为“二极等离子线”（Duo-Plasmaline），因为该发射源的两端各有一个微波发射器。
图2：线型微波等离子体发射源的工作原理
宽度为100mm,长度达到1m（等离子体发射源的长度），这是这种等离子体的典型尺寸，就像图2所示，基片悬挂（或躺在上面——取决于所使用的系统）在载片器上经过等离子体并达到完美的均匀性。安置2个或更多的线型等离子体发射源平行排列在一起可以还可以获得更高的沉积率。
然而，由于所需载片传送系统的特点，多等离子体发射源的宽度受到一定的限制，解决对于包含在石英管内的线型等离子体发射源的这个问题一个好的折衷方法可以在图3中显示出来。
图3：配备一个石英管的LPS1型微波等离子体发射源的典型断面图
在科技文献中所描述的LPS1型等离子体发射源和“等离子体线”式发射源之间最大的区别是前者附加的磁力系统，这为发射源带来了两个方面的优势。
1）等离子体仓壁上所产生的电磁吸持（magnetic confinement）减少了带电的微粒（charged particle）而尽可能地增加了等离子体的磁通量。
2）尽管磁场的强度与ECR状态（87mT）有很大距离,但它还是大大增强和稳定了石英管外部的导体等离子体。
1.2 线型微波等离子体的产生
这些发射源产生均匀的线型等离子体的过程并不是表面上那么简单，如图4所示。
图4：线型微波等离子体产生的原理
图4表现的是等离子体带电体密度（Charge Carrier density）n(z)是如何取决于Z-方向（等离子体轴）中等离子体发射源两端输入微波功率的量。
首先，我们考虑当只有左微波发射器打开至微波功率P1位置时，会发现在等离子体密度n1(z)会产生微波密度的线性的衰减，那是因为沿着石英管方向会有微波功率的损耗。同样的，在只有右微波发射器打开至微波功率P2位置时也会有同样的现象发生。
如果左右两个微波发射器同时打开，所产生的微波密度n(z)将是两个密度曲线之和。
现在让我们研究一下图4所示的情况。
单个微波发射器本身不能产生完全覆盖整个石英管长度的等离子曲线的，因此总的等离子曲线不均等同于两个等离子曲线之和。如图4a)所示，P1+P2< Popt
两端的微波功率必须持续增加直到达到图4b)中所示的情况（P1+P2< Popt），这样才能达到总的等离子曲线的均等。而如果两端的微波功率继续增加将会导致微波系统中产生更多过量的微波。因此，输入的微波功率是由所选择的工艺气体和石英管的长度决定的，表2总结了所需的微波功率（见峰值功率，Ppeak）
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I=400-600mm
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I=600-800mm
|
I=800-1000mm
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微波峰值功率（kW）
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2.2
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2.9
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3.5
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平均微波功率（kW）
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1.1
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1.5
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1.8
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允许最高平均微波功率（kW）
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2.0
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2.5
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3.0
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表2：不同等离子体长度（0.1mbar）的Si3N4沉积所用的典型的微波功率（MW-Power）
根据表2所示，1米长的线型等离子体发射源两端各需要最高将近4kW的微波功率，然而这大大超过了一个石英管所能允许的最大微波功率的值（石英管会有热变形的风险）。
为了解决这个问题，我们应用了微波脉冲（pulsed microwaves）的概念，图5显示了新型的MUEGGE电子公司（德国）发明的新型的微波发射器所产生的典型的脉冲式微波。
图5：以时间为函数的典型的脉冲微波
等离子体打开的时间以ton 表示，关闭的时间以toff表示，由于这些时间均可以毫秒计算，因此可以产生1Hz到1000Hz之间的脉冲频率。
而典型的脉冲频率为50Hz或100Hz。
微波峰值功率Ppeak 的计算值是在产生一个均等的等离子体的效果下特定的值（见图4的讨论）。为了控制沉积率，微波功率的平均值可以根据不同的脉冲时间而变化。此外，通过这个方法可以保证在相对较高的峰值功率水平下，微波功率的平均值可以保持在石英管发热极限之下。公式2就说明对应的微波功率的平均值。
图6表现了该效果。
图6左边的图表现了的以下情况下沿着发射源轴向的Si3N4的曲线分布：
Ppeak =2 × 800W, 相关于图4a)，（P1+P2< Popt）
Ppeak =2 × 1600W, 相关于图4b)，（P1+P2= Popt）
当处于最优化的微波功率的平均值，即2 × 1600W，之时，就能达到均匀的等离子沉积。图6右边的图显示了在给定的条件下，即50Hz的频率下，如何通过改变微波脉冲的长度来控制沉积率。
（左图：以Si3N4层薄膜厚度的曲线分布函数的微波峰值功率）
（右图：以Si3N4沉积率为函数的平均微波功率，50Hz条件下）
图6：覆膜均匀性和沉积率的独立控制效果示意图
2 技术数据
2.1 概要
SiNA系列的LPS1:
尺寸： 1163 x 237 x 184 mm
重量： 大约32kg
建议冷却水流量： 2.6 lmin¯1 （进水温度为20ºC）
建议冷却水压力： 5-6bar
图7：SiNA型LPS1等离子体发射源的尺寸图
2.2 性能
SiNA系列的LPS1:
沉积长度：（取决于所使用的等离子体发射源） 600mm
沉积宽度：（取决于所使用的工艺参数） 200mm
沉积率：（取决于所使用的工艺参数） 18-45nm/min
工艺操作压力：（取决于所使用的工艺参数） 0.08-0.4mbar
2.3 电气数据
微波发射器（MW）的额定功率： 4kW（脉冲）或2kW（直流）
微波发射器（MW）的额定电压： 400V（功率），220V（控制）
2.4 连接
2.4.1气体连接
工艺气体
硅烷（SiH4） 接头套管式气体管道连接（¼英寸直径）
氨气（NH3） 接头套管式气体管道连接（¼英寸直径）
2.4.2水连接
冷却水
进水 接头套管式水管连接（8mm直径）
出水 接头套管式水管连接（8mm直径）
3 组装
图8显示的是LPS1（SiNA系列的线型等离子体发射源，Linear Plasma Source SiNAM）的基本结构。
图8：SiNA型LPS1线型等离子体发射源
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沉积罩
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前沉积罩
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冷却水供应（进水口）
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冷却水供应（出水口）
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气体供应（氨气）
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气体供应（硅烷）
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气体供应（硅烷）
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硅烷气体吹淋头
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冷却水系统
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磁力系统
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设备维护
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开始设备维护之前，停止设备运转并关闭加热器。
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开始设备维护之前，关闭所有微波部件和系统。
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在打开反应仓，开始设备维护之前，让所有加热部件冷却。
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|
打开真空仓时，小心从加热部件或其他涂敷有Si3N4材料部件上由于压力释放有可能突然喷射的物质。
因此须佩戴安全护目镜
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当进行设备维护时佩戴适当的防护手套以防止被热的部件烫伤或被破碎的石英管割伤。
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关键词：
等离子
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