石墨舟印EL发黑异常原因及解决措施

王贵梅 王德昌 张福庆 张永 王玉肖

（晶澳太阳能有限公司，河北邢台 055550）

0.引言

在晶体硅电池产业制造过程中，P型硅普遍采用技术路线为SE-PERC（Selective Emitter-Passivated Emitterand Rear Cell，选择性发射极背钝化电池），一般背面钝化膜采用氧化铝+氮化硅，正面钝化膜采用氮化硅结构，氮化硅薄膜采用管式PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子增强化学气相沉积）制备，氧化铝薄膜采用ALD（Atomic Layer Deposition，原子层沉积）或者PECVD等方式制备。ALD方式制备的氧化铝结构更接近其化学计量比，薄膜致密，可实现原子级的控制精度，薄膜均匀性好，相比CVD技术，ALD制备的薄膜杂质少，均匀性好，尤其是可实现低温沉积减少对硅片的损伤，而且气体耗量低，相对较薄的厚度就能达到较好的钝化效果[1]。本文基于ALD方式沉积氧化铝工艺路线基础上分析验证管式PECVD石墨舟印EL（Electroluminescence电致发光）发黑异常原因及解决措施，通过各个影响点针对性的管控优化提升产品良率。

EL测试原理是利用晶体硅的电致发光原理，利用高分辨率的红外相机拍摄电池的近红外图像，获取并判定电池的缺陷。测试时在电池上施加正向偏压，获得载流子扩散长度的信息，EL发黑区域表明电池片串联电阻高或者并联电阻低，或者少子被复合[2]，石墨舟印EL发黑为杂质导致少子复合。

1.实验

1.1 实验仪器

本文采用苏州捷运昇能源科技有限公司的WAVELABSSINUS-200检测成品太阳电池的电性能和进行EL测试。典型石墨舟印EL发黑如图1所示，受污染类型、程度、EL参数设置差异等因素影响，石墨舟印EL发黑严重程度表现可能存在差异性。

图1 石墨舟印EL图片

1.2 实验设计

基于单晶P型电池SE-PERC电池片生产工艺如图2所示，分析验证石墨舟清洗机、烘干机杂质污染石墨舟、石墨舟不同呆滞时间、石墨舟工艺时出现真空泵突然停止粉尘喷舟等因素对石墨舟印EL发黑的影响。

图2 SE-PERC电池片生产工艺

2.结果与讨论

2.1 石墨舟清洗机、烘干机杂质污染

在工业化PECVD生产中，常用氮化硅做硅片的钝化膜。由于氮化硅钝化介质膜具有良好的绝缘性，随着石墨舟工艺次数的增加，在石墨舟舟片表面会沉积一层较厚的氮化硅薄膜，对石墨舟导电性能产生一定影响，对电池片光电转换效率、外观颜色等存在不良的影响，因此石墨舟需要定期清洗[3]，SE-PERC产线上石墨舟一般在工艺次数达到60～80次时下线清洗。 根据氮化硅的化学特性，在工艺化生产过程中，一般使用HF酸进行腐蚀[4]，去除石墨舟表面的氮化硅薄膜，在实验过程中使用的45%浓度的HF酸与水体积比例为2:7的混合溶液，石墨舟酸洗时间为6h，经过HF酸清洗后，水喷淋清洗1h，再进行5h的水洗，随后取出石墨舟，进行氮气风干表面。此外，还需要在150℃～200℃烘干机中进一步烘干石墨舟内部水分，在烘干过程中，需要保证烘干腔体内负压，并持续进行氮气吹扫，保证石墨舟所携带水汽全部排出。

本次实验使用4台清洗机和2台烘干机，其产能对应关系如表1所示，其中烘干机1腔体内护板、风机加热管表面存在粉末附着污染，烘干机2腔体内护板、风机加热管表面洁净，目视无污染，如图3所示。

表1 清洗机和烘干机产能对应表

图3 不同烘干机内部外观对比

烘干机1腔体护板、风机加热管表面产生粉末，分析主要原因为石墨舟吸附的酸性液体，在高温下挥发，多次工艺下经过长时间腐蚀，与烘干机内部部分金属材质发生反应，导致金属材质被腐蚀。对烘干机1表面粉末进行分析，实验用电子显微镜进行元素质谱分析扫描成份，测得元素分析如表2所示，其中O和C可能来源于空气，F为氢氟酸和氮化硅的反应产物或氢氟酸残留提供，Fe为烘干机部件材质提供，经过长时间氧化、腐蚀形成含铁的化合物，该粉末用吸铁石可以吸附。Fe对于半导体硅而言属于深能级杂质，是复合中心，具有降低硅中载流子寿命的作用[5]。跟踪烘干机1对应产线烘干石墨舟生产电池片，其石墨舟印EL发黑比例明显异常偏高在4%以上，烘干机2对应产线烘干石墨舟生产电池片，石墨舟印EL发黑比例小于0.02%，具体如图4所示。

表2 烘干机内部粉尘元素分析

图4 清洗机、烘干机对应石墨舟印EL比例

实验用烘干机台1比烘干机台2早投入使用3个月左右，我们分析粉末受时间积累影响，导致烘干机1相较烘干机2粉末状况差，持续观察烘干机台2粉末积累随着时间有增加趋势，佐证粉末受时间积累影响。对烘干机进行精细化维护，主要包括拆卸舟架、内部护板，并使用纤维纸对舟架、内部护板、风机加热管进行彻底的清理，将相应内部附着物全部彻底清理干净。按上述方法清理后，跟踪对应石墨舟生产的电池片EL石墨舟印比例下降至1.5%～2% 未达到正常0.05%以下水平。我们分析石墨舟循环使用，清洗过程中将Fe带到清洗机各槽体，形成交叉污染。因此，针对相应清洗机进行HCL泡槽和维护，清洗机维护后，再次跟踪对应石墨舟生产的电池片EL石墨舟印EL比例为0.01%，恢复至正常水平。石墨舟烘干机每月精细化维护清理内部粉末，石墨舟清洗机每月进行HCL泡槽维护，有助于降低石墨舟印EL发黑的产生比例，如表3所示。

表3 改进前后石墨舟印EL对比

2.2 石墨舟呆滞时间

石墨本身是由碳原子组成，石墨是元素碳的一种同素异形体，碳的空隙结构使石墨材料具备良好的吸附性，可以用作吸附水分、气味、有毒物质等[6]。石墨舟饱和的目的是防止出现电池片品质等异常，通常做法是在石墨舟上沉积一层几百甚至上千纳米的Si3N4保护薄膜，此保护薄膜一方面可以减少石墨舟对周围环境中水分、气味等的吸附作用；另一方面防止镀膜时石墨舟片出现和硅片“抢食”现象，形成镀膜色差[7]。石墨舟在饱和前更容易吸附环境中的水汽和杂质受污染，安排石墨舟烘干后、饱和前不同呆滞时间条件对比，发现呆滞时间越长，生产的电池片石墨舟印EL发黑比例越高，如表4所示，28h石墨舟印比例急剧上升。因此控制石墨舟烘干到饱和时间是有必要的，要求烘干12h以内进行饱和。具体呆滞时间与石墨舟印比例关系和石墨舟呆滞所处环境温湿度、洁净度直接相关。因此，这种规律性是相对重要的，时长和比例可能会跟随石墨舟存放环境的温湿度、洁净度改变而改变。

表4 石墨舟烘干到饱和呆滞时间与石墨舟印比例

2.3 石墨舟工艺过程中出现真空泵异常停止

管式低频直接法PECVD设备采用电阻式加热将整个炉管加热到工艺所需温度，石墨舟由耐高温的SIC桨放置在炉管内部。石墨舟尾部与射频电极相连接，PECVD工艺需要在低压环境下完成，真空泵是实现低压、稳定低压的必要条件。真空泵通过特殊材质的真空管道与炉管相连，完成对炉管的抽真空目的。在一定压力下，通入生成相关减反射钝化膜所需的特气，待压力稳定后，打开射频电源，相邻的石墨舟片间形成正负极，特气在两两相邻的舟片间发生紫色的辉光放电，辉光放电会分解舟片间的特气，使其形成离子态，最终结合成相应的分子沉积在硅片、舟片表面。未反应的特气及相应介质膜反应产物，会在真空泵抽力的作用下排出炉管。

管式PECVD工艺过程对炉管的真空度有一定的要求，目前工艺下，一般压力控制范围为1200m～2000m Torr（毫托），通过真空泵在炉管尾部抽出内部空气及反应残留物实现[8]。在工艺过程中，因机台自身问题，外部动力环境因素等不可避免地会出现工艺中断情况。出现真空泵异常停止或者真空泵转速下降情况，因炉管内部压力较低，此时尾排氮化硅粉末等异物会通过真空泵管道返回炉管内部，粉尘污染石墨舟及其载放的硅片，该硅片下传，或者该石墨舟继续载片生产，都会出现麻点状石墨舟印EL发黑，如图5所示。真空泵出现异常停止或者真空泵转速下降异常情况，对应的硅片需进行转返工处理，不进行下传，对应石墨舟应下线清洗、烘干后重新上线。同时对应异常炉管根据返尾排氮化硅粉末的多少，进行对应改善动作。其一，若返尾排氮化硅粉末较少，表现为舟表面有轻微粉尘，炉管内部基本正常，需要对炉管进行大流量氮气清洗，如图6所示。其二，若尾排氮化硅粉末较多，表现为炉管内部出现大量粉尘，如图7所示，需要对炉管进行降温，用专用吸尘器进行清理，清理后升温、饱和炉管，然后再复机。按上述方法能够有效规避此类EL不良的发生。

图5 石墨舟工艺时出现真空泵停止

图6 真空泵异常时返尾排氮化硅粉末较少

图7 真空泵异常时返尾排氮化硅粉末较多

3.结语

管式PECVD石墨舟印EL发黑产生的原因为石墨舟受到杂质污染，杂质可能来源于石墨舟清洗机、烘干机（尤其是内部材质含金属Fe污染对石墨舟印发黑影响严重），环境水汽、气味、做工艺时尾气粉尘等。采取相对应的管控措施，如烘干机制订清理维护周期，清洗机定期用HCL泡槽，控制石墨舟呆滞时间，石墨舟烘干8h以内必须进行饱和，饱和上线使用后，呆滞时间超过2h热舟，超过16h需要重新清洗、烘干，及时饱和才能保证品质正常，具体时长可能会跟随石墨舟存放环境温湿度、洁净度改变。石墨舟工艺时，真空泵异常停止的电池片转返工处理，不进行下传，相应炉管进行清理、饱和后进行复机，以上措施管控同时应用，能够解决石墨舟印EL发黑异常，提升电池片良率。