大面積VHF-PECVD反應室噴淋式平板電極間電場(chǎng)和流場(chǎng)數值模擬
以大面積噴淋式平板電極甚高頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積(VHF- PECVD)反應室為研究對象,利用FlexPDE 和CFD- ACE+ 商業(yè)軟件,對反應室電極間的電場(chǎng)和流場(chǎng)分布進(jìn)行了數值模擬。根據數值模擬結果可知：對于大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室，電極間氣體流速分布呈現管流特征，而氣壓分布和電場(chǎng)分布具有類(lèi)似的分布規律，即在大面積電極中央區域電場(chǎng)較強氣壓較高，而電極邊緣區域電場(chǎng)較弱氣壓較低；另外，反應室采用噴淋式平板電極進(jìn)行反應氣體饋入,氣體總流量、工作氣壓和電極間距是調節電極間氣壓分布均勻性的重要參量，采用大電極間距、高工作氣壓，以及小的氣體總流量有助于獲得均勻的氣壓分布。
等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）是目前硅基薄膜太陽(yáng)電池工業(yè)化生產(chǎn)的主要制備技術(shù)。當前，大面積非晶硅（a- Si:H）薄膜太陽(yáng)電池的制備主要采用標準13.56 MHz 射頻激發(fā)的電容耦合平行板電極PECVD 反應室。然而，對于新一代高效率非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池的氫化微晶硅(μc- Si:H) 底電池制備， 采用甚高頻（30~300 MHz） 等離子體增強化學(xué)氣相沉積（VHF- PECVD） 被認為是一種很好的選擇，其主要原因在于VHF- PECVD 技術(shù)可以在高沉積速率下獲得高質(zhì)量的薄膜材料，大幅度降低氫化微晶硅底電池的制備時(shí)間。然而， 目前采用VHF- PECVD 技術(shù)制備非晶/微晶硅疊層電池，國內外大部分公司還正在研發(fā)間段，還不能大規模生產(chǎn)，其主要原因在于沒(méi)有適合微晶硅薄膜生長(cháng)的大面積高產(chǎn)能PECVD 設備。因此，研發(fā)高產(chǎn)能VHF- PECVD 設備將推動(dòng)國內乃至國際太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
硅基薄膜太陽(yáng)電池的制備一般要求薄膜厚度非均勻性在±10％之內，因而VHF－PECVD技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用所面臨的首要問(wèn)題在于如何實(shí)現大面積薄膜的均勻沉積。VHF- PECVD 技術(shù)沉積薄膜的過(guò)程是一個(gè)非常復雜的物理化學(xué)過(guò)程，其反應室內部電極間電場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布均勻性將直接影響到薄膜沉積的均勻性，但這些物理場(chǎng)空間分布均勻性，如果通過(guò)實(shí)驗研究不僅費錢(qián)費時(shí)，同時(shí)也存在很多技術(shù)問(wèn)題，這給VHF－PECVD 反應室電極結構設計和工藝條件優(yōu)化造成很大的障礙。然而，計算機數值模擬以其經(jīng)濟、高效的特點(diǎn)為大面積VHF- PECVD 薄膜沉積均勻性研究提供了一種有效手段，可以通過(guò)對大面積VHF- PECVD 反應室內部物理場(chǎng)的數值分析，為大面積VHF- PECVD 反應室電極設計和工藝條件優(yōu)化提供重要的理論指導。
本文以面積尺度為120 cm×80 cm 的噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室為研究對象，應用計算流體力學(xué)軟件CFD－ACE+ 和二維準平面電路模型，對反應室內部電極間電場(chǎng)和流場(chǎng)的空間分布進(jìn)行數值模擬研究。
1、模型與方法
本文所討論的大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室簡(jiǎn)化結構示意圖，如圖1（a）所示。VHF-PECVD 反應室內部主要由噴淋式平板電極和接地電極構成，噴淋式平板電極作為功率電極被放置在接地真空反應室中，與接地電極構成電極結構對稱(chēng)的理想反應室。反應室采用VHF 功率源激發(fā)等離子體產(chǎn)生，功率饋入點(diǎn)分布于噴淋式平板電極背面。
對于上述結構的大面積反應室電極間電場(chǎng)分布的模擬，本文主要考慮電極間電勢駐波效應對大面積VHF- PECVD 反應室電極間電場(chǎng)分布的影響，忽略電極邊緣效應、衰勢波效應等因素對電極間電場(chǎng)分布均勻性的影響。因此，本文采用了二維準平面電路方法和FlexPDE 軟件對反應室電極間的電場(chǎng)分布進(jìn)行計算。本文這里不對二維準平面電路方法做詳細的敘述，具體推導可參考文獻。
另外，對于反應室內部流場(chǎng)的模擬，本文假設反應室為等溫反應室, 忽略了反應室內部溫度場(chǎng)的分布問(wèn)題；同時(shí)也假設參與反應的氣體通過(guò)噴淋式平板電極均勻進(jìn)入到反應室等離子體區，并從電極四周邊緣排出等離子體區。本文僅簡(jiǎn)單考慮氣體在反應室電極間流動(dòng)所形成的流場(chǎng)分布，排除了噴淋式平板電極內部流場(chǎng)分布對反應室電極間流場(chǎng)分布的影響。
圖1 (a)大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室示意 圖(b)反應室二維模型
根據上述反應室結構及其假設，本文利用計算流體力學(xué)軟件CFD- ACE+ 建立了用于反應室電極間流場(chǎng)分析的簡(jiǎn)化二維模型，模型流場(chǎng)計算區域如圖1（b）所示。模型將反應室內的反應氣體考慮為可壓縮理想氣體，并采用速度進(jìn)口邊界條件和氣壓出口邊界條件，在穩態(tài)條件下求解N- S方程。噴淋式電極氣體進(jìn)口處的法向氣體流速定義為v，流速v 與氣體總流量Q 存在Q=v×S×P 的換算關(guān)系，S 為噴淋式平板電極面積，P 被定義為反應室工作氣壓。另外，氣體出口邊界氣壓設為P�？紤]到反應室模型結構的對稱(chēng)性，本文選擇兩電極間的中間位置處作為流場(chǎng)分布的討論區。
3、結論
本文主要針對大面積噴淋式平板電極VHF- PECVD 反應室，采用數值方法研究了反應室電極間電場(chǎng)和流場(chǎng)的空間分布均勻性問(wèn)題。通過(guò)對電極間流場(chǎng)和電場(chǎng)的模擬可知，電極間氣壓分布與電場(chǎng)分布具有相似的趨勢，即在電極中央區域電場(chǎng)強氣壓高而在邊緣區域電場(chǎng)弱氣壓低。這種電極間電場(chǎng)和氣壓分布規律會(huì )導致電極間等離子體的非均勻分布，從而影響到薄膜的均勻生長(cháng)。另外，對電極間氣壓分布的進(jìn)一步研究表明，采用大電極間距、高工作氣壓，以及小的氣體總流量有助于獲得均勻的氣壓分布。
