TMA杂质元素对二合一管式PECVD影响分析.pdf

1042023年8月上 第15期 总第411期工艺设计改造及检测检修China Science&Technology Overview0 引言晶硅太阳能电池中，氧化铝薄膜常被用作钝化薄膜，用来提升电池的光电转化效率，二合一管式 PECVD 是当前行业内制备氧化铝薄膜和氮化硅薄膜的主流设备之一，具有沉积速率快、产能大、设备国产化等优点，适用于晶硅电池产业化生产。等离子体增强化学气相沉积（PECVD）通过在 PERC太阳电池的 Al2O3/SiNx 背钝化叠层，形成 Al2O3/SiOxNy/SiNx 结构，可避免 SiNx 所带的固定正电荷对 Al2O3负电荷场钝化效应的负面影响1。本文采用的钝化叠层结构为 Al2O3/SiOxNy/SiNx。PECVD 沉积氧化铝钝化膜是在300 400的温度环境下，以装有硅片的石墨舟作为导电载体，在射频电源的作用下，在反应腔体中通入 TMA（三甲基铝）与 N2O（笑气），将两种特气进行电离，生成等离子体，在电场的作用下等离子体进行定向运动，沉积到硅片表面生成氧化铝薄膜2；因此，特气的纯度不仅影响氧化铝薄膜的特性，同时也对机台的运行状态、产品品质等具有不同程度的影响。EL 测试是利用晶体硅太阳电池的电致发光原理，使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3。本文采用深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司的二合一管式 PECVD 设备，详细阐述了 TMA 杂质含量尤其是 Cl 含量对机台运行状态、产品品质的影响。1 验证与分析1.1 异常描述电池生产过程中，印刷检测产线效率整体偏低 0.03%（电性数据差异如表 1 所示）。表1电性能对比差异分析电性能对比差异分析参数 Eta/%Uoc/VIsc/AFFRs/ohmRsh/ohmIRev2/A偏差-0.03-0.0004-0.0016-0.040.00-12.460.0002伴随检测线上不定时连续出现固定位置 EL 发黑，如图 1 所示，EL 发黑位置对应背面外观为弧形发黄情况，收稿日期：2022-10-12作者简介：邵海娇（1988），男，河北邢台人，助理工程师，从事晶硅太阳能电池技术方面的研究工作。TMA 杂质元素对二合一管式 PECVD 影响分析邵海娇张永王贵梅张志敏刘苗（晶澳太阳能有限公司，河北邢台 055550）摘要：二合一管式 PECVD 是晶硅太阳能电池生产环节中用于制备氧化铝+氮化硅钝化减反射薄膜的常用机台，是提升电池光电转换效率不可或缺的工序，同时也是影响良率的重要工序。TMA（三甲基铝）作为氧化铝制备时的反应气体，其纯度以及杂质含量严重影响电池的光电转化效率、良率。经研究发现，TMA 中 Cl 元素杂质含量过高，可能导致机台尾排粉末量大、喷气嘴堵塞等现象，最终影响电池效率。关键词：PERC 晶硅电池；二合一管式 PECVD；TMA；杂质 Cl 元素中图分类号：TK514 文献标识码：B 文章编号：1671-2064(2023)15-0104-04图1 异常EL发黑图像图2 异常片外观1052023年8月上 第15期 总第411期工艺设计改造及检测检修China Science&Technology Overview如图 2 所示。EL 发黑区域外观颜色区别于 EL 正常区域；同时间段背膜二合一机台产线反馈出现同样类型外观异常片，对机台进行影响镀膜均匀性的异常因素排查，发现喷气嘴出气口被白色粉末堵塞，如图 3 所示。过滤器粉末及尾排管道粉末异常偏多，且粉末沉积薄膜质地较为疏松,如图 4、图 5 所示。1.2 异常原因排查与分析对上述异常现象进行原因排查发现，出现异常时间节点与切换 TMA 厂家相对应（TMA 由 A 公司切换为 B 公司），因此怀疑此异常受 B 公司的 TMA 影响导致。分别取 A 公司-TMA 的工艺反应粉末与 B 公司-TMA 的工艺反应粉末，使用 SEM 进行粉末成分分析，发现 B 公司-TMA 粉末中含有 Cl 元素含量较高，为 41.17%，而 A 公司-TMA 的尾排粉末中 Cl 元素含量较少为 0.74%，其他元素含量基本在一个数量级，如表 2 所示。随后又采用离子色谱电位滴定方法测得 B-TMA 中 Cl含量为 1000ppm，而 A-TMA 中 Cl 含量为 160ppm,如图5 带有疏松粉末的尾排管道表2 粉末SEM电镜扫描测试成分厂家测试不同厂家 TMA 尾排粉末元素含量/%B-TMAClAIOSiNCsTeCCrISb41.1722.6023.533.6922.280.040.026.470.010.020.00A-TMAOAISiNCsTeCCrISbTiCl60.4021.424.322.700.200.0710.040.000.050.010.040.74图3 正常喷气嘴与堵塞喷气嘴图4 带有粉末的过滤器 1601000020040060080010001200A-TMAB-TMATMA氯离子含量（ppm）图6 不同厂家TMA氯离子含量1062023年8月上 第15期 总第411期工艺设计改造及检测检修China Science&Technology Overview图 6 所示。通过上述成分测试确定 B 公司-TMA 中 Cl 含量出现异常，TMA 产生大量白色粉末的主要原因可能是 Cl 离子含量偏高导致的，原因分析如下。（1）TMA 中 Cl 含量偏高，反应产物中有大量含 Cl的甲基铝，如 DMAC（二甲基氯化铝），DMAC 的活性、沉积温度比 TMA 低。（2）二合一管式 PECVD 设备 TMA 与笑气进气距离比较近4-5，气源进入腔体后，首先是反应活性较高的少量 DMAC 先与笑气接触，未达到沉积工艺温度就发生氧化，产生粉尘。2 改进验证 针对 TMA 检测氯离子含量偏高的问题，厂家通过不同方案的制程工艺进行优化，对不同方案制备的 TMA 进行取样搅拌、精馏提纯、检测。其中方案 4 的氯离子含量明显较低，测试氯离子含量为 40ppm，如图 7 所示。将 B 公司较低 Cl 含量的 TMA 投入现场使用，观察电池转化效率、良率与使用 A 公司-TMA 的品质数据持平效率为 23.52%，品率为 99.09%,改善前后 TMA 转化效率与良率明显不同，如图 8 所示。图9 改善后尾排管道、喷气嘴 1601000020040060080010001200A-TMAB-TMATMA氯离子含量（ppm）9505008004001002003004005006007008009001000方案1方案2方案3方案4不同除氯方案氯离子含量（ppm）图7 不同除氯方案氯离子含量 1601000020040060080010001200A-TMAB-TMATMA氯离子含量（ppm）9505008004001002003004005006007008009001000方案1方案2方案3方案4不同除氯方案氯离子含量（ppm）98.95%99.00%99.05%99.10%99.15%99.20%23.48%23.49%23.50%23.51%23.52%23.53%23.54%23.55%3-8早3-8白3-9早3-9白3-10早3-10白3-11早3-11白3-12早3-12白3-13早3-13白3-14早3-14白3-15早A-TMA改善后W-TMA改善前后TMA效率、良率对比转化效率A品率图8 TMA改善前后效率、良率对比图1072023年8月上 第15期 总第411期工艺设计改造及检测检修China Science&Technology OverviewInfluence Analysis of Impurity Elements in TMA on 2-in-1 Tube PECVDSHAO Haijiao,ZHANG Yong,WANG Guimei,ZHANG Zhimin,LIU Miao(Jing Ao Solar Co.,Ltd.,Xingtai Hebei 055550)Abstract:Two in one tubular PECVD is a common machine used to prepare aluminum oxide+silicon nitride passivated antireflection film in the production process of crystalline silicon solar cells.This process is indispensable to improve the photoelectric conversion efficiency of cells and also an important process affecting the yield.TMA(trimethylaluminum)is the reaction gas in the preparation of alumina,and its purity and impurity content are particularly important to the photoelectric conversion efficiency,yield of the battery and the operating state of the machine.This paper focuses on the impact of High Cl impurity content in TMA on the process quality and the machine in the production process of two in one tubular PECVD,such as low photoelectric conversion efficiency of the production battery,large amount of powder at the end of the machine,and Clogged air nozzles.After the TMA manufacturer improved the preparation process to reduce the content of impurity Cl element,it was verified again in the production line,and the product quality and machine operation were normal,further Clarifying that the content of impurity Cl element in the preparation process of TMA needs to be strictly controlled.Key words:PERC crystal silicon cell;two-in-one tube PECVD;TMA;impurity Cl element同样的生产周期内，喷气嘴、尾排管道的粉末量相比改善前降低明显（如图 9 所示），降低氯离子含量后效果显著。3 结论TMA 是晶硅太阳能电池产业化制备氧化铝钝化膜的常用特气6-7，化学性质非常活泼，工业上由铝粉、氯甲烷和钠为原材料进行合成，在制备过程中会引入氯元素，如果去除不彻底，会在生产氧化铝过程中产生大量的白色粉末，导致机台喷气嘴出气口的堵塞、机台过滤器、尾排管道大量粉末的沉积，影响机台的运行，导致产品品质异常，通过 TMA 制程优化，降低氯离子含量后，上述问题得以改善。因此，TMA 制备厂商需要严格控制 TMA 中的 Cl 含量，建议控制在 200ppm 以下。品质异常的产生，往往在机台的运行上能体现出问题，所以对工艺品质排查的同时，需要关注设备端运行状态，本次研究借助 SEM 等实验仪器，同时结合 TMA 厂家对 TMA 制程过程可能引入的杂质元素进行分析，对制程工艺进行优化，降低 Cl 元素，进而减少喷气嘴、尾排管道的粉末量。参考文献1 凡金星,陈达明,许林云,等.Al2O3/SiOxNy/SiNx叠层钝化膜对PERC太阳电池性能及LID效应的研究J.太阳能学报,2022,43(7):122-127.2 胡蝶,陈强.温度与气压对脉冲PECVD沉积氧化铝薄膜的影响J.真空科学与技术学报,2020,40(7):662-668.3 王文静.晶体硅太阳电池制造技术M.北京:机械工业出版社,2013.4 杨飞飞,鲁贵林,赵科巍,等.板式pecvd制备氧化铝工艺研究J.山西化工,2020,40(1):8-10.5 王贵梅,许志卫,靳迎松,等.管式PECVD法沉积的SiyNx/SiOxNy叠层膜的研究J.太阳能,2022(1):40-44.6 李春亚,张浩,宋建涛,等.TMA脉冲和吹扫时间对原子层沉积的氧化铝薄膜的影响J.功能材料,2017,48(7):7178-7181.7 许烁烁,陈特超,禹庆荣,等.氧化铝钝化膜沉积工艺研究J.电子工业专用设备,2019,48(4):17-20.