微波等离子体平板式PECVD设备控制系统设计

吴易龙，陈臻阳，李若儒

(湖南红太阳光电科技有限公司，湖南 长沙410111)

钝化发射极及背接触太阳能电池（PERC电池）是目前技术成熟、应用广泛的高效太阳能电池，其产能逐年扩大[1]。与常规铝背场电池相比，PERC电池的工艺流程中增加了全覆盖的背面钝化膜，通过PECVD的方式，在背面沉积一层氧化铝钝化层，再覆盖一层氮化硅保护膜，以降低表面载流子的复合，减少缺陷带来的电池背面光电损失，从而提高电池的转换效率[2]。

通过PECVD的方式，能够在同一工序中完成氧化铝和氮化硅薄膜的制备，且沉积速率高，成本和单位时间产能具有优势，因此PECVD法的背钝化设备成为市场主流，是PERC电池工艺中的核心设备。本文研究了平板式PECVD设备微波等离子体的控制系统。

1 系统构成

平板式PECVD设备采用工控机进行人机交互加上PLC控制器主控方式实现，整个控制系统主要包括微波控制系统、温控系统、真空系统、传动系统、压控系统、气路系统以及故障报警系统，如图1所示。

图1 平板式PECVD电控系统框架

1.1 微波控制系统

作为微波等离子体平板式PECVD设备的核心部件，微波等离子体系统主要由微波电源、模式转换天线、矩形波导、石英管、内传导天线及短路调谐器构成，控制系统通过CANopen总线与微波电源进行实时通讯，针对微波电源反馈的不同状态，发送不同的控制指令，从而实现对微波等离子体系统的启动、停止以及报警复位的自动控制。微波控制流程如图2所示。

图2 微波控制系统流程图

微波控制流程实现的VB 6.0语言的部分代码如下：

1.2 温度控制系统

平板式PECVD设备的加热方式有2种：红外灯管加热和金属加热板加热。红外灯管加热方式升温速度快，但是稳定性差；金属加热板加热方式升温速度慢，但是稳定性好。虽然两种加热方式分布在不同的腔体，但是在整个自动工艺的过程中还是会因为腔体的连通而相互影响，再加上载板会经过所有腔体，而且腔内的压力、气流都是随时变化的，所以平板式PECVD设备的温度场是一个非常复杂的控制对象。

在正常工艺过程中，每个腔体、每个加热区域所需要的加热温度不同，因此控制系统需要对每个加热通道进行独立控制。温控系统采用PLC的DO作为控制输出，热偶的AI信号作为反馈输入的PID控制方式。

测温热电偶将温度信号转换为模拟量，通过模拟量输入模块传送至PLC控制器，PLC控制器根据设定的加热温度，经过内部温度控制算法计算后，通过DO输出周期为1 s、脉冲宽度为0～1 s的矩形方波给可控硅，通过控制加热器接通的频率，完成温度的自动控制。控制逻辑如图3所示。

图3 温度控制系统逻辑图

1.3 自动工艺流程控制系统

平板式PECVD设备由多个真空腔体组成，为了实现模块化编程，在软件设计时，把每个腔体作为一个相对独立的控制模块，能够独立实现该腔体的所有功能，只和与其相邻的两个腔体进行简单的“请求”、“准备好”及“报警”信号的交互，以实现载板在工艺过程中的正常传输。

在自动工艺的过程中，当某个腔体处于空闲状态时，该腔体的控制模块会向前一个腔体的控制模块发送“请求”信号，当载板进入该腔体并完成程序设计的所有流程后，就需要传送至下一个腔体，此时该腔体的控制模块会向后一个腔体的控制模块发送“准备好”信号，若此时后一个腔体也处于“请求”的状态，则载板会从该腔体自动传送至后一个腔体。

2 结束语

本文研究了一种微波等离子体平板式PECVD设备的控制系统，主要讨论了微波控制系统，并给出了实现的关键代码，另外还讨论了温度控制系统，并设计了系统自动工艺流程。该控制系统已经在数台平板式PECVD设备上应用验证，均能稳定可靠地运行。