太陽能電池PECVD裝置設計-論文剖析

1、冬肥工燈大普畢業(yè)設計設計題目太陽能電池 PECVD 裝置設計學生姓名王真學 號20090761專業(yè)班級 機械設計制造及其 自動化 09-10 班指導教師干蜀毅院系名稱 機械與汽車工程學院2013年6月4日中文摘要1英文摘要21 緒論31.1我國太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及展望 31.2 PECVD技術的最新進展與應用 42 PECVD原理及沉積工藝參數(shù)42.1 PECVD原理及沉積過程42.2 PECVD沉積技術工藝參數(shù) 53 PECVD沉積鍍膜生產(chǎn)線73.1 PECVD沉積鍍膜生產(chǎn)線的組成 73.2 PECVD技術分類及優(yōu)缺點比較 84 PECVD設備構成及各部分功能 105 PECVD沉積鍍膜真

2、空室的設計要求與原則 105.1設計參數(shù)105.2 PECVD沉積鍍膜真空室的主要設計原則 115.3 PECVD沉積鍍膜室對抽氣系統(tǒng)的要求 116 PECVD沉積鍍膜室主要部分的設計與計算 126.1真空室殼體的設計與計算 126.1.1 真空室殼體的類型選擇 136.1.2 真空室殼體的計算與校核 136.1.3 真空室的ANSY魴析146.2 抽氣系統(tǒng)的設計與計算186.2.1 選泵與配泵186.2.2抽氣時間的計算6.3 布氣系統(tǒng)的設計6.3.1布氣系統(tǒng)的作用6.3.2 布氣系統(tǒng)的結構192121226.4機架的設計與計算236.4.1 PECVD!空鍍膜室總重估機架 236.4.2機

3、架的結構設計與校核24結論25致謝26參考文獻28太陽能電池PECVD裝置設計摘 要：世界能源消耗持續(xù)增加，全球范圍內(nèi)的能源危機形勢愈發(fā)明顯，緩解 能源危機、開發(fā)可再生能源已勢在必行，太陽能電池的應用普及已經(jīng) 成為一種趨勢。由于溫度低，效率高等一系列優(yōu)點，等離子體增強化 學氣相沉積技術（PECVD）近年來在太陽能電池板鍍膜技術中得到了 廣泛發(fā)展與應用。文中在對等離子體增強化學氣相沉積技術 （PECVD） 的工作原理分析的基礎上，闡述了等離子體增強化學氣相沉積技術（PECVD）的主要工藝流程和影響參數(shù)，并介紹了 PECVD鍍膜生產(chǎn) 線的組成及工作過程，從而對 PECVD鍍膜設備進行可行性的方案設

4、 計。文中主要對真空沉積室、真空抽氣系統(tǒng)、布氣系統(tǒng)、以及機架進 行了設計，方案中選用了分子泵作為主泵、機械泵作為前級泵，并設 計了全新的布氣裝置，優(yōu)化了整個系統(tǒng)。關鍵詞：太陽能電池，等離子體增強化學氣相沉積技術，鍍膜，真空，布氣裝The design of the solar cell PECVD device techniqueAbstract : With the energy consumption of the world continues to grow, global en ergy crisis situatio n becomes in creas in gly visibl

5、e.Relieve the en ergy crisis and developme nt of ren ewable en ergy have bee n imperative .It is a trend to use of solar cells all over the word .Because of low temperature , higher efficiency higher and anather series of advantages.Plasma enhan ced ehemical vapor depositi on has bee n widely in dev

6、eloped and applied in coat ing tech no logy of the solar pan els. Based on the an alysis of the plasma enhanced chemical vapor deposition w(srking principle, this article illustrates the mai n craft processes and the in flue nee parameters of the plasma enhanced chemical vapor deposition.lt in trodu

7、ces the process line and the work process of the plasma enhan ced chemical vapor deposition. Then a feasibility of design proposal on the plasma enhan ced chemical vapor depositi on equipme nt is carried out.The design mainly aims at vacuum deposition chamber, vacuum pumping system, cloth gas system

8、 and rack.This sce nario, choosesthe molecular pump as the main pump, choosesthe mecha ni cal pump as the back ing pump.as well,it desig ns new cloth device,optimized the whole system.Keywords：The solar cell,Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition , coating film,vacuum,The cloth device1 緒論1.1我國太陽能

9、電池的發(fā)展現(xiàn)狀及展望由于世界能源消耗持續(xù)增加，全球范圍內(nèi)的能源危機形勢愈發(fā)明顯， 緩解能源危機、開發(fā)可再生能源、實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展成為世界各國能源發(fā)展 戰(zhàn)略的重大舉措。由于太陽能的可再生、分布廣、無污染的特性，使太陽能發(fā)電 成為世界可再生能源發(fā)展的重要方向。 自20世紀80年代以來，光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成 為全世界增長速度最快的高新技術產(chǎn)業(yè)之一，目前研究的太陽能電池有“硅太陽能電池，化合物半導體太陽能電池染料敏化太陽能電池”其中晶體硅太陽能電池技術更是占據(jù)了整個光伏技術的主導地位。 截至09年的近10年間全球太陽能電 池產(chǎn)量平均年增長率為48.5%;而最近5年，這一數(shù)據(jù)更是高達55.2%。2009年

10、 全球太陽電池產(chǎn)量達到10.5GWp，比上年增長33%。截止到2009年年底，全球 太陽能電池累計安裝量已達到 24.5GWp。目前，太陽能電池市場競爭激烈，歐 洲和日本領先的格局已被打破。盡管主要的銷售市場在歐洲，但太陽能電池的生 產(chǎn)重鎮(zhèn)已經(jīng)轉移到亞洲，近年來崛起的大陸和臺灣制造商，加起來的產(chǎn)能已達全 球一半。中國已經(jīng)成為世界太陽能電池的最大生產(chǎn)國，2009年中國太陽能電池產(chǎn)量已經(jīng)達到了 4.3GW，占全球份額已達到4成。2010年前8個月我國太陽能 電池累計完成產(chǎn)量296.2萬千瓦，同比增長200.4%。預計2010年中國太陽能電 池產(chǎn)量將比去年的4, 011兆瓦高近一倍，達8吉瓦（相當于

11、8, 000兆瓦），占 世界生產(chǎn)總量的半數(shù)，再度登上世界首位。國內(nèi)外太陽能電池的研究正向著“高效化，薄片化”的方向發(fā)展，緊 緊圍繞提高光電轉換效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標的各種新型太陽能電池的研 究工作，一直在各發(fā)達國家及一些發(fā)展中國家積極進行，即用新材料、新結構和新工藝制造的太陽能電池。目前晶體硅高效太陽能電池和各類薄膜太陽能電池 是全球新型太陽能電池研究開發(fā)的兩大熱點和重點。其中多晶硅薄膜電池的研究工作，自1 9 8 7年以來發(fā)展迅速，目前實驗室效率已超過17%，成為引起 世界光伏界矚目的新熱點，前景看好。1.2 PECVD技術的最新進展與應用由于PECVD方法的特點在于等離子體中含有大量高

12、能量的電子，它們可以提供化學氣相沉積過程所需的激活能。 電子與氣相分子的碰撞可以促進氣體 分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程，生成活性很高的各種化學基團，因而顯著 降低CVD薄膜沉積的溫度范圍，使得需要在高溫下才能進行的CVD過程得以在低溫實現(xiàn)。因此可以節(jié)省能源，降低成本提高產(chǎn)能，減少了高溫導致的硅片 中少子壽命衰減。然而這種技術中也存在一定的缺陷，特別是在反應濺射過程中存在著沉 積速率低及工藝不穩(wěn)定等問題。目前市場上應用較多的有直接法（樣品直接接觸 等離子體）和間接法兩種方式。其中直接 PECVD的等離子體直接作用于硅片表 面，均勻性好，間接PECVD中形成生長成分擴散到襯底成膜，致密度差，基

13、元 和襯底附著力差，因此直接PECVD法是較為理想的選擇2 PECVD原理及沉積工藝參數(shù)2.1 PECVD原理及沉積過程PECVD技術原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放 電的陰極上，利用輝光放電（或另加發(fā)熱體）使樣品升溫到預定的溫度，然后通 入適量的反應氣體，氣體經(jīng)一系列化學反應和等離子體反應，在樣品表面形成固 態(tài)薄膜。PECVD方法區(qū)別于其它CVD方法的特點在于等離子體中含有大量高 能量的電子，它們可以提供化學氣相沉積過程所需的激活能。電子與氣相分子的碰撞可以促進氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程，生成活性很高的各種化 學基團，因而顯著降低CVD薄膜沉積的溫度范圍，使得

14、原來需要在高溫下才能 進行的CVD過程得以在低溫實現(xiàn)。 PECVD的一個基本特征是實現(xiàn)了薄膜沉積 工藝的低溫化（4500）。因此帶來的好處有：（1）節(jié)省能源（2）降低成本提高 產(chǎn)能（3）減少了高溫導致的硅片中少子壽命衰減。PECVD沉積過程分為以下三個步驟：（1），在非平衡等離子體中，電子與反 應氣體發(fā)生初級反應使氣體發(fā)生發(fā)生分解生成離子和活性基團 （2），各活性基團 向薄膜生長表面和室壁擴散運輸同時發(fā)生各反應物間的次級反應 （3），到達生長 表面的初級反應和次級反應產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應， 同時伴隨氣相分子物的再放出2.2 PECVD沉積技術工藝參數(shù)(1) 頻率在高頻下沉積的薄膜具有張應

15、力，而在低頻下有壓應力。絕大多數(shù)條件下,而密度明顯高于高頻薄膜。所有條 相對來說，高頻薄膜沉積的均勻性低頻氮化硅薄膜的沉積速率低于高頻率薄膜, 件下沉積的氮化硅薄膜都具有較好的均勻性, 優(yōu)于低頻氮化硅薄膜。(2) 功率功率對薄膜沉積的影響為：一方面，在 PECVD工藝中，由于高能粒子的 轟擊是界面態(tài)密度增加，引起基片特性發(fā)生變化或衰退，特別是在反應初期，故 希望功率越小越好。功率小一方面可以減輕高能粒子對基片的表面的損傷， 另一 方面可以降低沉淀速率，使得反應易于控制，制備的薄膜致密，均勻。另一方面， 功率太低時不利于沉積出高質量的薄膜，由于功率太低，反應物離解的不完全， 容易造成反應物浪費。

16、(3) 壓力等離子體產(chǎn)生的一個重要條件是：反應氣體必須處于低真空下，而且其 真空度只允許在一個較窄的范圍內(nèi)變動。 形成等離子體時，氣體壓力過大自由電 子的平均自由程很短，每次碰撞在高頻電場中得到加速而獲得的能量很小， 削弱 了電子激活反應氣體分子的能力，甚至根本不足以激發(fā)形成等離子體；而真空度過高，電子密度太低同樣也無法產(chǎn)生輝光放電。工藝上：壓強太低，生長薄膜的 沉積速度較慢，薄膜的折射率也較低；壓強太高，薄膜的沉積速率較快，偏見的 均勻性較差，容易產(chǎn)生干涉條紋。(4) 溫度基板從工藝上說，溫度低可避免由于水蒸氣造成的針孔， 溫度太低，沉 積的薄膜質量沒有保證。高溫容易引起基板的變形和組織上的

17、變化， 會降低基板 材料的機械性能；基板材料與膜層材料在高溫下會發(fā)生相互擴散，在界面出形成某些脆性相，從而削弱了兩者之間的結合力。一次在實際的生長過程中可綜合考 慮上述兩個因素，選擇合適的生長溫度，使薄膜的結晶溫度達到最佳?；鍦囟扰c膜應力的關系：從低溫到高溫，應力的變化趨勢是從壓應力變?yōu)閺垜Γ?）反應氣體在流量不變的情況下，氮化硅的折射率隨著流量的增加而增大， 而沉積速率 隨著流量的增加而下降，反應生物中硅含量增加，氮化硅呈富硅特性，薄膜變得 更加致密，折射率變大；另一方面，流量增大使得反應室內(nèi)氣體濃度增加，氣體 分子的平均自由程變小，沉積到表面的反應生成物減少，導致沉積速率隨著流量 增加

18、而減小。折射率的高低主要取決于膜中Si/N的比值，沉積溫度低時，薄膜富硅則折射率較高。隨著溫度升高，Si/N比值減少，薄膜折射率減?。怀练e溫度 升高，使得反應室中存在的少量氧氣也參加反應，由于氧的電負性大于氮，故氧 可替代薄膜中的Si-N鍵中氮的位置，導致薄膜中氧的含量增加，使得薄膜的折 射率下降。（6）極板間距極板間距對沉積成膜有著非常重要的影響，間距不能太大也不能太小。如 果間距太大，大大影響沉積速度，造成局部問題，嚴重影響成膜質量。如果間距 太小，從Show head出來的強氣流直接噴到玻璃基板上，這樣會造成以下后果： 強氣流直接沖擊玻璃板面，離子可能來不及沉積就被強氣流沖走， 這樣就降

19、低了 成膜速率；因為間距太小，這樣使得離子反應速度過快，即使離子沒有被強氣流 帶走而沉積到玻璃基板上，那么成膜質量也是個很差的，因為間距太小可能引起 氣相中的聚合反應，從而引起顆粒的產(chǎn)生、成品率下降、組件可靠性降低等；極 板過近會造成鍍膜過程中電弧放電擊穿基板和表面陽極膜，造成設備損傷。（7）抽氣速度在氣體壓力維持在一定的情況下，抽氣速率越快氣體滯留的時間越短，如 果抽速一定，則滯留時間不變。隨著沉積次數(shù)的增加，機械泵的抽氣速率下降， 維持規(guī)定的氣體流量反應室氣體壓力會不斷增高；而要保持氣體的壓力不變則又 必須不斷減少流量，這不僅造成工藝操作難以掌握，而且技術指標也難以保證， 因此雖然壓力不變

20、，但在低抽速小流量的情況下，氣體在反應室中的滯留時間增 加，造成沉淀速率上升，并且影響沉積均勻性。（8）沉積時間沉積時間太短，膜厚及折射率達不到要求。時間太長，會造成工藝氣體 的浪費，增加工藝成本，同時也影響沉積膜的質量。當膜厚過高時，薄膜會開裂, 甚至脫落。因根據(jù)膜厚和沉積速率選擇合適的沉積時間3 PECVD沉積鍍膜生產(chǎn)線3.1 PECVD沉積鍍膜生產(chǎn)線的組成任何類型的生產(chǎn)線，對于產(chǎn)品的產(chǎn)生過程都要遵守符合某種規(guī)律的生產(chǎn)流程要求，圖3.1是該類生產(chǎn)線的典型流程圖：選片真空鍍膜段|后處理段|線圖3.1 太陽能電池PECVD積鍍膜玻璃產(chǎn)品生產(chǎn)流程圖為了達到大面積太陽能電池板表面鍍膜流程要求，實現(xiàn)

21、連續(xù)性生產(chǎn)，其總體設計構思均采用串接積木組合方式(如圖 3.2 )形成機械化，自動化封閉環(huán)節(jié)的 生產(chǎn)線。從圖中可以看出，生產(chǎn)線構成可分三大功能段，即I前處理段，u 真空鍍膜段，川一后處理段。每個功能段，又有各自獨立承擔鍍膜工藝中某一個 單個工序的功能。通常設計這類生產(chǎn)線，應考慮以下五個方面的問題做為設計依 據(jù)10 o(1) 對I前處理段應滿足如下要求:a. 具有足夠的表面清洗能力；b. 具有可控的基片加熱溫度場；c. 對原片，發(fā)現(xiàn)疵病有在線篩選能力。Bm/fi1 f1nn nn nnEABCC1#2#'3#4#一5#6#7#DFGI -前處理段n-真空鍍膜段山-后處理段入線V1V2K1

22、Z K?KsK4V3場岀線圖3.2 典型的太陽能電池板 PECVD積鍍膜玻璃生產(chǎn)線A進線工作臺B打霉機、玻璃洗滌機C防塵加熱烘烤裝置D膜層折射率檢查臺E膜層清洗后處理機F、G膜層物理外觀臺1#預儲室2#過渡室3#鍍膜室4#鍍膜室5#鍍膜室6#過渡室7#輸出室V1V4門式閘板閥K1K4隔離腔Z射頻電源陰極(2) 對u真空鍍膜段應滿足如下要求：a全段有較強的抽氣能力，創(chuàng)造穩(wěn)定的真空環(huán)境，有良好的氣密性，充入 介質氣體的可控性，確保PECVDt空室的射頻電源陰極穩(wěn)定工作。b. 真空鍍膜段兩端的真空室的工作周期，即實現(xiàn)由真空到破壞真空，或從大氣下抽真空，達到要求的真空度所經(jīng)歷的時間要短，故一般設計要遵

23、循的條件: a真空室空間體積要?。籦配置的真空機組要大，確保限定的循環(huán)周期時間，即 生產(chǎn)節(jié)拍(每片太陽能電池板所用的鍍制時間)短。c. 全程清潔處理方便。(3) 對川一后處理段應滿足如下要求：a. 具有在線檢測玻璃鍍膜后的光學性能的能力。b. 提供物理外觀表面檢查能力。(4) 滿足設定的產(chǎn)量要求。(5) 滿足設定的產(chǎn)品品種要求，且具有一定開發(fā)膜層膜系的潛在能力。3.2 PECVD技術分類及優(yōu)缺點比較PECVC法按沉積腔室等離子源與樣品的關系上可以分成兩種類型：(1直接法：樣品直接接觸等離子體，樣品或樣品的支撐體就是電極的 一部分。直接法又分成兩種：1) ，管式PECVD系統(tǒng)：即使用像擴散爐管一

24、樣的石英管作為沉積腔室， 使用電阻爐作為加熱體，將一個可以放置多片硅片的石墨舟插進石英管中進行沉 積。這種設備的主要制造商為德國的 Centrotherm公司、中國的第四十八研究所、 七星華創(chuàng)公司。2) ，板式PECVD系統(tǒng)：即將多片硅片放置在一個石墨或碳纖維支架上， 放入一個金屬的沉積腔室中，腔室中有平板型的電極，與樣品支架形成一個放電 回路，在腔室中的工藝氣體在兩個極板之間的交流電場的作用下在空間形成等離 子體，分解SiH4中的Si和H,以及NH3種的N形成SiNx沉積到硅表面。這種 沉積系統(tǒng)目前主要是日本島津公司在進行生產(chǎn)。（2間接法：或稱離域法。待沉積的樣品在等離子區(qū)域之外，等離子體

25、不直接打到樣表面，樣品或其支撐體也不是電極的一部分。間接法又分成兩種：1）,微波法：使用微波作為激發(fā)等離子體的頻段。 微波源置于樣品區(qū)域 之外，先將氨氣離化，再轟擊硅烷氣，產(chǎn)生 SiNx分子沉積在樣品表面。這種設 備目前的主要制造商為德國的 Roth&Rau公司。2），直流法：使用直流源激發(fā)等離子體，進一步離化氨氣和硅烷氣。樣品也不與等離子體接觸。這種設備由荷蘭的OTB公司生產(chǎn)。目前，在中國微波法PECV系統(tǒng)占據(jù)市場的主流，而管式PECV系統(tǒng)也占據(jù) 不少份額，而島津的板式系統(tǒng)只有56條生產(chǎn)線在使用。直流法PECV系統(tǒng)還沒 有進入中國市場。除了上述幾種模式的PECVD系統(tǒng)外，美國的App

26、lied Material 公司還開發(fā)了磁控濺射PECVD系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用磁控濺射源轟擊高純硅靶， 在氨 氣的氣氛中反應濺射，形成 SiNx分子沉積到樣品表面。這種技術的優(yōu)點是不使 用易爆的硅烷氣，安全性提高很多，另外沉積速率很高。各種方法都有其有缺點：直接PECV法對樣品表面有損傷，會增加表面少子 的復合，但是也正是由于其對表面的轟擊作用，可以去除表面的一些自然氧化層， 使得表面的雜質原子得到抑制，另外直接法可以使得氫原子或氫離子更深入地進 入到多晶硅晶界中，使得晶界鈍化更充分。管式PECV的氣流是從石英管一端引 入，這樣也會造成工藝氣體分布的不均勻；板式PECVI系統(tǒng)由于襯底板在長期加 熱

27、后會有稍微的翹曲，從而造成平行板電極間距的不一致，也會造成片間不均勻。 各種方法制備的薄膜的質量也略有不同， 原則上講，由于直接法中的等離子體直 接作用于硅片表面，因此均勻性要好一些，而間接法等離子體是離子離化后形成 SiNx擴散到硅片表面的，薄膜的質量較為酥松，而磁控濺射由于其工作方式的 原因，薄膜最為酥松。對于致密的薄膜，其鈍化特性和減反射特性都要優(yōu)越得多。4 PECVD設備構成及各部分功能PECVC設備由粗抽真空泵（主要是機械泵），高真空組合泵組，真空沉積 室，連接管道，閥門，加熱裝置，射頻電源，控制系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，供特氣系統(tǒng) 等組成。各部分的作用如下：（1）機械泵：作為預抽泵，用來抽大

28、氣（2）真空室：提供鍍膜所需的環(huán)境（維持高真空，恒溫工作環(huán)境）（3）維持泵：位于分子泵前端，維持分子泵前端的壓力，達到安全使用分子泵 的前提（4）羅茨泵：加速抽真空的速度提高工作效率（在它的前級需要一個前級真空 泵，為它提供一定的前級真空度，一般為 500Pa）（5）分子泵：使腔體獲得本底真空，相對減少氣體殘余成分（只有前級管道壓強達10Pa下才能開啟分子泵，一般使用分子泵抽本底真空的時間約為30mi n）（6）射頻電源：輸出功率通過連線加在極板上，使氣體離子化（7）PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號和模擬信號之間的轉化（8）變通導閥：主要起切斷和節(jié)流作用，能精確可控的控制壓力，控制與調節(jié) 工藝過程中的沉積壓

29、力（9）用水系統(tǒng)：系統(tǒng)上的機械泵，羅茨泵，分子泵等都需要進行冷卻（10）供氣系統(tǒng)：PECV中的供氣源幾乎都是各種鋼瓶，里面裝著各種高純氣體， 通過氣路柜中的控制面板，管道輸送給 PECVD裝置5 PECVD沉積鍍膜真空室的設計要求與原則5.1設計參數(shù)要求設計的真空室的尺寸為“長1300mn寬1045mn高810mrh ,真空沉積鍍膜室 采用不銹鋼盒形殼體，使用分子泵和羅茨泵機組抽氣，對于分子泵和羅茨泵泵進 行選配，射頻頻率13.56MHz，基片溫度300-450 C，工作壓力0.1-1Pa。5.2 PECVD沉積鍍膜真空室的主要設計原則（1）創(chuàng)造良好的安裝射頻電極位置，提供良好的電場條件，維持

30、穩(wěn)定的輝光放電(2) 有良好的密封性能，漏氣，材料出氣小，應方便開啟裝料(3) 殼體結構，普通鋼結構要滿足真空容器要求的強度、剛度條件(4) 提供充足的充氣源裝置(可通入 si、N2)達到均勻彌散(5) 備有觀察、檢測、發(fā)訊等裝置。5.3 PECVD沉積鍍膜室對抽氣系統(tǒng)的要求(1) 鍍膜機抽氣系統(tǒng)應有足夠大的抽氣速率，該抽速即應迅速抽走鍍膜過 程中基片及真空室內(nèi)其他構件所放出的氣體， 也應對鍍膜過程中滲氣及系統(tǒng)的泄 漏等氣體量迅速地抽出。(2) PECVDg膜機抽氣系統(tǒng)的極限壓強應根據(jù)不同膜的要求，而有所不同。 目前箱式PECVD®膜機的極限壓強可在1.32.6 x 10-3Pa范圍

31、內(nèi)選擇。(3) 在油擴散泵為主泵的抽氣系統(tǒng)中，要求泵的返油率越小越好，否則返 流的油蒸汽將會污染被鍍的玻璃表面，使膜層易于脫落。(4) 鍍膜室及抽氣系統(tǒng)的漏氣率要小。即或是微量氣體的漏入，也易影響 膜的質量，為了保證系統(tǒng)的密封性能，必須把系統(tǒng)的總漏率限制在一定的范圍之 內(nèi)。目前這一范圍國內(nèi)尚無標準，設計時可根據(jù)工藝要求而定。(5) 真空系統(tǒng)的操作，使用及檢修維護應方便，系統(tǒng)的抽氣性能應穩(wěn)定可 靠。6 PECVD沉積鍍膜室主要部分的設計與計算6.1真空室殼體的設計與計算6.1.1 真空室殼體的類型選擇真空容器是構成真空室的基本部件。 在真空工程中，各種真空應用對真空室 的功能要求不同，構成真空室

32、的真空容器形狀和大小就不相同。真空容器殼體主 要有圓筒形殼體、球形殼體、圓錐形殼體、盒形殼體、橢圓球形殼體和圓環(huán)形殼 體。圓筒形殼體制造容易、強度好。球形殼體從穩(wěn)定性和節(jié)省材料上來說是最好 的，但球形制造困難，內(nèi)部有效利用空間小，因此應用不多。盒形殼體制造復雜,耗費金屬材料多。但其內(nèi)部可利用的空間大。為減少板材厚度，在盒形殼體上通 常都使用了加強筋?？紤]到玻璃制造時的形狀以及實際應用結果，盒形殼體對此 鍍膜生產(chǎn)線最適合。因此，本設計真空鍍膜室的形狀采用盒形殼體。真空室殼體的計算與校核本設計采用1Cr18Ni9Ti作為真空室殼體材料，其二b=5400MPa，二=200MPa。為了減少盒形殼體的厚

33、度，采用矩形截面的豎向加強筋，其中l(wèi) = 20cm。真空室長 1300mm，寬 1045mm，高 810mm。(1)按強度極限確定許用應力nb540MPa2.7= 200MPa(2)按屈服極限確定許用應力=1. 5 ： 1 3 M P a(3) 確定最小厚度0.2 2B40.2 242 0S0c m 0.4 c m匕 lv.133.3(4) 確定實際厚度壁厚附加量 C1 C2 C3，G :鋼板的最大負公差附加量，取0.5mm；C2 :腐蝕裕度，取2mm； C3 :圭寸頭沖壓時的拉伸減薄量，取 0.4mm。故壁厚附加量為2.9mm。所以實際厚度S=S C 4 m m2. 9 m m 6. 9mm

34、圓整為7mm。又因為鋼板厚度中沒有此規(guī)格，故取實際壁厚為 8mm(5)校核水壓試驗應力水的試驗壓力巳=0.2MPa水的靜壓力 F0=Hd=20 10MPa =0.02MPa總的壓力 P 二 FS F0 =0.2MPa 0.02MPa =0.22MPa當做水壓試驗時，矩形板的應力為：0.5B2P2S-C0.5 202 0.2220.8-0.29MPa = 166Mpa 二 0.9；s = 180MPa滿足水壓試驗要求，故可取壁厚為 8mm(6) 加強筋尺寸計算選取矩形截面豎向加強筋，寬與高之比為 15，其截面模量為Wp 二B2lp2K» S104.52 20 0.222 8 133.5

35、2 cm二 22.5cm2則其加強筋的寬度為Sp =0.623 Wp =17.5mm取整為18mm即1.8cm。則其高度為即hp =90mm(7) 計算加強筋和壁聯(lián)合的截面模數(shù) 加強筋截面積2 2FP =1.8 9cm = 16.2cm壁部分的截面積2 2Fc=0.51 20cm = 10.2cm加強筋截面的慣性矩1333Jp1.8 93cm -109.3cm3p 12壁部分截面積的慣性矩1333Jc20 0.513cm3 ： 0.22cm312由壁到聯(lián)合重心的距離Fphp-FcS-C 16.21.8-10.20.8-0.29ycm 二 7.5cm2(Fp +Fc )2匯(16.2+10.2

36、)加強筋與壁聯(lián)合作用的界面模量Jp +Jc + Fp(0.5hp y)2 +Fcb +0.5(SC )Jwp*hp -y109.3 0.22 16.2 (0.5 9 一7.5)210.27.5 0.5(0.8 - 0.29) F-9 7.5= 227.3(8) 校核水壓試驗應力B2lpKWp#2104.520 0.228 227.3MPa 乞 0.9；s二 180MPa可見滿足水壓實驗要求。真空室的ANSY分析(1)真空室的外觀(三維圖截圖)圖（2）（2）真空室的ANSYS分析1）應力圖圖（3）圖（4）由圖（3）,圖（4）可知應力最大處在箱體的邊角焊接處，尤其是焊縫交合處, 采取調制熱處理可顯

37、著降低并消除應力2）變形圖血DAL 30LIHIOTmy 3 20131.0:01:205TER1SUB -1TME-1IT3W <ftVG)lMYMDHX .0-0iE985wc 'r.a-oiesa.06117?価 DibM|Q.422E-D3WD,.211E-&333LE-Cl3Pile i D e anjysl 1 an3ysl2h kjrt - K_t圖（5）施加極限壓強時，箱體發(fā)生的變形主要集中在箱體上板， 其他面由于加強筋 的作用產(chǎn)生的變形基本可以忽略。由ANYS圖分析可知，箱體的最大變形為1.8mm, 在允許的變形范圍內(nèi)，為安全起見我們將上板的厚度增加兩個

38、毫米 （由于上板可 能要放置其他部件，故不便布置加強筋）6.2抽氣系統(tǒng)的設計與計算6.2.1 選泵與配泵本系統(tǒng)采用分子泵和羅茨泵作為主泵，選用旋片泵作為預抽泵和前級泵。主 泵可以利用下面的經(jīng)驗公式計算。S1 =I510 V式中：V鍍膜室的體積，L。所以，分子泵的抽速為：S, =5 V =5 1.3 1.045 0.81 103 L/S = 3500L/ S選用10臺抽速為3500L s的F400/3500型渦輪分子泵。羅茨泵的抽速可由下式算出：$ =（210% ）S =2漢3500L/s = 70L/s因此，選用ZJP-70的羅茨泵作為分子泵的前級泵。通常，羅茨泵所配前級泵抽速根據(jù)經(jīng)驗公式計算

39、，旋片泵的抽速為：S3=- d =7 35L/s3 U0 2廣 /選用2XA15的旋片泵作為羅茨泵的前級泵及真空系統(tǒng)的預抽泵。抽氣時間的計算(1)鍍膜機抽氣系統(tǒng)的氣體來源真空鍍膜機的鍍膜室中，主要有如下幾種氣源： 抽空前真空室、管道、閥門、阱等元件中所含有的空氣； 原片玻璃所放出的氣體量；真空室內(nèi)壁及室內(nèi)所有構件表面因壓強降低和溫度升高所釋放出來的氣 體量；從真空室外漏入到系統(tǒng)內(nèi)的氣體量。上述五項氣源中，第一項對計算高真空泵而言，這部分氣體主要在抽氣系統(tǒng) 預抽真空時被預抽真空泵抽走，因而它只是作為選擇預抽真空泵縮短預抽時間的 依據(jù)。由于各種材料的放氣量不但數(shù)字差別很大，而且也不完整。因此，高真

40、空 的抽氣時間的計算結果與實際就有一定的出入。(1)預抽時間計算分子泵啟動前先用選片泵預抽至 10Pa,預抽管道大小和選片泵進氣口徑一 致。則選片泵從大氣壓抽到10Pa的抽氣時間為：617.3151 10= 2.303 6173 2.303 617:3 2.303 617:32.3031515151.251.52=545.0s(2)分子泵抽氣時間計算分子泵抽氣范圍為105F0*Pa，抽氣管道直徑為200mm管道長1000mm 由于過渡態(tài)流導的計算比較復雜，工程上允許用分子流導計算代替。 這樣不 但計算簡單而且設計偏于安全，因此可以將這個過程全部當做高真空抽氣來計 算。對于高真空抽氣，有一些特殊

41、的地方要考慮。這時容器中空間的氣體已經(jīng)大 大減少了，而其他氣源越來越成為主要的氣體負荷。 其中有：微漏，滲漏，蒸發(fā)， 表面解吸。高真空領域的抽氣，實際上是對伴隨排氣過程的變化所產(chǎn)生的放氣流 量的排除。常用的近似計算高真空抽氣時間的方法有解析法和圖表法。本設計采用的是解析法真空室的主要表面放氣的對象及放氣率分別如下：真空室內(nèi)表面： A =3.3 105cm2q! =2.13 10" Pa L s cm2加熱片：A =6.1 104cm2q2 =9.3 10= Pa L s cm2組合布氣盒表面：A 1.3 105cm2q3=6.9 10 Pa L s cm2解析法的求解方程：SeP=Q

42、c 亠二 AqL分別在壓強為10Pa和壓強為5 10*Pa時的時間t，二者相減可以得到高真空的 抽氣時間t2 = 0.2h所以，總的抽氣時間為23min,再加上分子泵啟動時間，仍然滿足要求。6.2布氣系統(tǒng)的設計6.2.1 布氣系統(tǒng)的作用由于PECVDg膜是靠氣體的沉積形成薄膜，因此氣流的均勻性對薄膜的質量 有著非常重要的作用，布氣裝置的作用便是使高流速的反應氣體減速形成流速慢 分布均勻，沖擊性小的氣流。其原理便是層層阻攔或者層層分離，使氣流盡量均勻，已達到鍍膜時對氣體的要求。布氣系統(tǒng)的機構原理是讓氣體通過不斷分離的管道（口徑不斷變化）最后再在一定空間內(nèi)混 合后一次通過布滿細孔的兩層板最后達到均

43、勻性較好的氣流。 一般的布氣裝置就 是氣流通過布滿細孔的管道，由此出來的氣體流速依然較強，并不能達到比較理 想的效果。采用本結構的布氣系統(tǒng)能實現(xiàn)氣體較好的均勻混合 .圖（6）圖（7）圖（8）Pl bar tl* fbimIiaf； Lib I MH rC- tEEjU圖（9）上圖是用Edrawing分解開的組合布氣系統(tǒng)的三維圖紙，在結構上由上下， 左右，前后以及中間板，還有通氣管道組合而成。首先氣體通過管道進入反置于 上板內(nèi)壁的分離管路系統(tǒng)，此時氣體被分流成很多細束。隨后這些細束氣流再反 向通過布滿細孔的中板，最后再通過布有更細孔的下板，此時進來時的強氣流已成為流速較低，均勻性較好的工藝氣體，

44、可以滿足鍍膜時對氣體的要求。6.4機架的設計與計算6.4.1 PECVD真空鍍膜室總重估計真空室：六塊鋼板組成，鋼的密度為7.85g/cm3,則真空室殼體總重約2072Kg；玻璃（電池板）：玻璃最大尺寸為 360mrtK 254mM 10mm密度為2.6g/cm , 質量為24.7Kg；布氣盒：總重為24.6Kg;加強筋：每個0.5Kg，總重110.5Kg；加熱片：總重40Kg；因此，磁控濺射真空鍍膜室總重約為2271.8Kg6.4.2機架的結構設計與校核ANSYSSDJJJTIQHJUB 5 201$23：aa：0D齡噸，馴.515EH10鐘證+強fB59E-HT.2號丁匸#口乍V429L-

45、+DB.772E+4BFiles5IEP-1 SUB -1 riME-1SEQV AVGW.464E-D3 SMI nflS.616 SS空=.712E4-08機架采用槽鋼構成，根據(jù)機械設計手冊選擇槽鋼型號為10#。（ 10#槽鋼在平放時一米跨度能承受集中力為13.4KN,立放時一米跨度能承受集中力為34.1KN17）。機架的結構如上圖所示。通過ANSYS勺模擬分析，得到了圖所示的機架應力分布圖。從圖中可以看出， 機架的最大內(nèi)應力為11.9MPa,小于槽鋼的屈服極限60MPa機架的最大偏移量 為0.08mm,滿足設計要求。因此，所設計的機架滿足要求，可以使用。結論本設計將等離子體增強化學氣相沉

46、積技術（PECVD技術）應用到太陽能電 池板的研究和開發(fā)之中，設計出相應的生產(chǎn)裝置和系統(tǒng)，并進行一系列的基礎理 論研究和成膜工藝研究以優(yōu)化工藝的流程和薄膜的性能，從而提高太陽能電池板的成膜質量和生產(chǎn)效率。本文介紹了 PECVDS膜原理以PECV鍍膜生產(chǎn)線的組成 與各部分作用。PECVD技術原理是利用低溫等離子體作能量源，克服了傳統(tǒng)鍍 膜工藝對高溫的依賴，保證了低溫下能獲得較高的沉積速率和維持穩(wěn)定的鍍膜狀 態(tài)，因而能夠很好的適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。在闡述PECV技術原理的基礎上 對PECVD®膜裝置的主體進行設計，同時設計了布氣系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、真空室殼 體以及機架，完成了 PECV鍍膜

47、裝置的總體設計。通過這一系列的訓練，不僅鍛 煉了自己的獨立思考能力以及學會了作為一名合格工科院校畢業(yè)生應具備的分 析處理問題的方法，而且在學習的過程中也與老師和同學建立了深厚的友誼。謝辭為期三個月的畢業(yè)設計即將結束，在諸位老師的指導和同學的幫助指導之 下，本人對于機械設計有了更多新的認知， 對機械設計的整體脈絡了解得更加的 清晰透徹。通過畢業(yè)設計，使自己對自己大學四年以來所學的知識有更多的認識， 并且將這些理論知識應用到實際設計當中。通過畢業(yè)設計，幫助我們總結大學四年收獲、提升自我。檢驗我們大學所學 的機械和真空方面的知識。同時，還幫助我們改變一些處理事情時不嚴謹?shù)牧晳T。 從最開始時的搜集資料

48、，整理資料，至加案比選，確定方案，再到著手開始進行 PECV裝置真空室、布氣系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)的設計，每一步都是環(huán)環(huán)相扣，銜接緊 密，其中任何一個步驟產(chǎn)生遺漏或者疏忽，就會對以后的設計帶來很多的不便。 學生的動手能力和資料搜集能力在設計中也得到提升。 同時也激發(fā)了我們對于設 計的熱愛，激發(fā)了我們的創(chuàng)新精神。畢業(yè)設計中很多數(shù)值、公式、計算方法以及 一些常用的標準都需要我們?nèi)ツ托牡夭殚啎?，瀏覽資料，設計中需要用到輔助設計軟件（CAD,solidworks，ANSYS的地方，也需要我們耐心的學習。掌握其 使用的要領，運用到設計當中去。最后總結的階段，需要將前期各個階段的資料 進行歸類整理并不斷修改。經(jīng)

49、過了兩個多月的學習和工作，我終于完成了太陽能電池PECVD裝置設計 的全部設計工作。從開始接到論文題目的不知所措， 再到進行系統(tǒng)的設計，最后 到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)， 這也是我在整個大 學期間獨立完成的最艱難的項目。 在這段時間里，我學到了很多新的知識也有很 多感觸，從對PECVD技術的一無所知，對CAD ANSYS軟件的很不了解狀，我 開始了獨立的學習和試驗，查看相關的技術資料和文獻，讓自己頭腦中模糊的概 念逐漸清晰，使自己不完美的作品一步步完善起來， 使自己懶散的思維逐漸嚴謹 起來，每一次改進都是我最大的收獲，每一次嘗試的成功都會讓我興奮不已。 從 中我也充分認識到了系統(tǒng)性思維方式方式給我?guī)淼暮锰?。雖然我的設計作品不是完美，還有很多不足之處，但我還是可以自豪的說， 每張圖紙，每一段計算，每一個細微的部分都有我的辛苦的勞動。 當看著自己的 最終設計，最終的努力成果，對自己而言真是莫大的欣慰。我相信其中的酸甜苦 辣最終都會化為甜美的甘泉。這次做論文的經(jīng)歷也會使我終身受益，我感受到做設計是要真真正正用心去 做的一件事情，希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學習中激勵我繼續(xù)進步。 畢業(yè)設計 結束了，通過設計，學生深刻