太阳能电池PECVD装置设计-论文剖析

1、冬肥工燈大普毕业设计设计题目太阳能电池 PECVD 装置设计学生姓名王真学 号20090761专业班级 机械设计制造及其 自动化 09-10 班指导教师干蜀毅院系名称 机械与汽车工程学院2013年6月4日中文摘要1英文摘要21 绪论31.1我国太阳能电池的发展现状及展望 31.2 PECVD技术的最新进展与应用 42 PECVD原理及沉积工艺参数42.1 PECVD原理及沉积过程42.2 PECVD沉积技术工艺参数 53 PECVD沉积镀膜生产线73.1 PECVD沉积镀膜生产线的组成 73.2 PECVD技术分类及优缺点比较 84 PECVD设备构成及各部分功能 105 PECVD沉积镀膜真

2、空室的设计要求与原则 105.1设计参数105.2 PECVD沉积镀膜真空室的主要设计原则 115.3 PECVD沉积镀膜室对抽气系统的要求 116 PECVD沉积镀膜室主要部分的设计与计算 126.1真空室壳体的设计与计算 126.1.1 真空室壳体的类型选择 136.1.2 真空室壳体的计算与校核 136.1.3 真空室的ANSY鲂析146.2 抽气系统的设计与计算186.2.1 选泵与配泵186.2.2抽气时间的计算6.3 布气系统的设计6.3.1布气系统的作用6.3.2 布气系统的结构192121226.4机架的设计与计算236.4.1 PECVD!空镀膜室总重估机架 236.4.2机

3、架的结构设计与校核24结论25致谢26参考文献28太阳能电池PECVD装置设计摘 要：世界能源消耗持续增加，全球范围内的能源危机形势愈发明显，缓解 能源危机、开发可再生能源已势在必行，太阳能电池的应用普及已经 成为一种趋势。由于温度低，效率高等一系列优点，等离子体增强化 学气相沉积技术（PECVD）近年来在太阳能电池板镀膜技术中得到了 广泛发展与应用。文中在对等离子体增强化学气相沉积技术 （PECVD） 的工作原理分析的基础上，阐述了等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）的主要工艺流程和影响参数，并介绍了 PECVD镀膜生产 线的组成及工作过程，从而对 PECVD镀膜设备进行可行性的方案设

4、 计。文中主要对真空沉积室、真空抽气系统、布气系统、以及机架进 行了设计，方案中选用了分子泵作为主泵、机械泵作为前级泵，并设 计了全新的布气装置，优化了整个系统。关键词：太阳能电池，等离子体增强化学气相沉积技术，镀膜，真空，布气装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 绪论1.1我国太阳能

9、电池的发展现状及展望由于世界能源消耗持续增加，全球范围内的能源危机形势愈发明显， 缓解能源危机、开发可再生能源、实现能源的可持续发展成为世界各国能源发展 战略的重大举措。由于太阳能的可再生、分布广、无污染的特性，使太阳能发电 成为世界可再生能源发展的重要方向。 自20世纪80年代以来，光伏产业已经成 为全世界增长速度最快的高新技术产业之一，目前研究的太阳能电池有“硅太阳能电池，化合物半导体太阳能电池染料敏化太阳能电池”其中晶体硅太阳能电池技术更是占据了整个光伏技术的主导地位。 截至09年的近10年间全球太阳能电 池产量平均年增长率为48.5%;而最近5年，这一数据更是高达55.2%。2009年

10、 全球太阳电池产量达到10.5GWp，比上年增长33%。截止到2009年年底，全球 太阳能电池累计安装量已达到 24.5GWp。目前，太阳能电池市场竞争激烈，欧 洲和日本领先的格局已被打破。尽管主要的销售市场在欧洲，但太阳能电池的生 产重镇已经转移到亚洲，近年来崛起的大陆和台湾制造商，加起来的产能已达全 球一半。中国已经成为世界太阳能电池的最大生产国，2009年中国太阳能电池产量已经达到了 4.3GW，占全球份额已达到4成。2010年前8个月我国太阳能 电池累计完成产量296.2万千瓦，同比增长200.4%。预计2010年中国太阳能电 池产量将比去年的4, 011兆瓦高近一倍，达8吉瓦（相当于

11、8, 000兆瓦），占 世界生产总量的半数，再度登上世界首位。国内外太阳能电池的研究正向着“高效化，薄片化”的方向发展，紧 紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标的各种新型太阳能电池的研 究工作，一直在各发达国家及一些发展中国家积极进行，即用新材料、新结构和新工艺制造的太阳能电池。目前晶体硅高效太阳能电池和各类薄膜太阳能电池 是全球新型太阳能电池研究开发的两大热点和重点。其中多晶硅薄膜电池的研究工作，自1 9 8 7年以来发展迅速，目前实验室效率已超过17%，成为引起 世界光伏界瞩目的新热点，前景看好。1.2 PECVD技术的最新进展与应用由于PECVD方法的特点在于等离子体中含有大量高

12、能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。 电子与气相分子的碰撞可以促进气体 分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著 降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温实现。因此可以节省能源，降低成本提高产能，减少了高温导致的硅片 中少子寿命衰减。然而这种技术中也存在一定的缺陷，特别是在反应溅射过程中存在着沉 积速率低及工艺不稳定等问题。目前市场上应用较多的有直接法（样品直接接触 等离子体）和间接法两种方式。其中直接 PECVD的等离子体直接作用于硅片表 面，均匀性好，间接PECVD中形成生长成分扩散到衬底成膜，致密度差，基

13、元 和衬底附着力差，因此直接PECVD法是较为理想的选择2 PECVD原理及沉积工艺参数2.1 PECVD原理及沉积过程PECVD技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放 电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通 入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固 态薄膜。PECVD方法区别于其它CVD方法的特点在于等离子体中含有大量高 能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化 学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得

14、原来需要在高温下才能 进行的CVD过程得以在低温实现。 PECVD的一个基本特征是实现了薄膜沉积 工艺的低温化（4500）。因此带来的好处有：（1）节省能源（2）降低成本提高 产能（3）减少了高温导致的硅片中少子寿命衰减。PECVD沉积过程分为以下三个步骤：（1），在非平衡等离子体中，电子与反 应气体发生初级反应使气体发生发生分解生成离子和活性基团 （2），各活性基团 向薄膜生长表面和室壁扩散运输同时发生各反应物间的次级反应 （3），到达生长 表面的初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应， 同时伴随气相分子物的再放出2.2 PECVD沉积技术工艺参数(1) 频率在高频下沉积的薄膜具有张应

15、力，而在低频下有压应力。绝大多数条件下,而密度明显高于高频薄膜。所有条 相对来说，高频薄膜沉积的均匀性低频氮化硅薄膜的沉积速率低于高频率薄膜, 件下沉积的氮化硅薄膜都具有较好的均匀性, 优于低频氮化硅薄膜。(2) 功率功率对薄膜沉积的影响为：一方面，在 PECVD工艺中，由于高能粒子的 轰击是界面态密度增加，引起基片特性发生变化或衰退，特别是在反应初期，故 希望功率越小越好。功率小一方面可以减轻高能粒子对基片的表面的损伤， 另一 方面可以降低沉淀速率，使得反应易于控制，制备的薄膜致密，均匀。另一方面， 功率太低时不利于沉积出高质量的薄膜，由于功率太低，反应物离解的不完全， 容易造成反应物浪费。

16、(3) 压力等离子体产生的一个重要条件是：反应气体必须处于低真空下，而且其 真空度只允许在一个较窄的范围内变动。 形成等离子体时，气体压力过大自由电 子的平均自由程很短，每次碰撞在高频电场中得到加速而获得的能量很小， 削弱 了电子激活反应气体分子的能力，甚至根本不足以激发形成等离子体；而真空度过高，电子密度太低同样也无法产生辉光放电。工艺上：压强太低，生长薄膜的 沉积速度较慢，薄膜的折射率也较低；压强太高，薄膜的沉积速率较快，偏见的 均匀性较差，容易产生干涉条纹。(4) 温度基板从工艺上说，温度低可避免由于水蒸气造成的针孔， 温度太低，沉 积的薄膜质量没有保证。高温容易引起基板的变形和组织上的

17、变化， 会降低基板 材料的机械性能；基板材料与膜层材料在高温下会发生相互扩散，在界面出形成某些脆性相，从而削弱了两者之间的结合力。一次在实际的生长过程中可综合考 虑上述两个因素，选择合适的生长温度，使薄膜的结晶温度达到最佳。基板温度与膜应力的关系：从低温到高温，应力的变化趋势是从压应力变为张应力（5）反应气体在流量不变的情况下，氮化硅的折射率随着流量的增加而增大， 而沉积速率 随着流量的增加而下降，反应生物中硅含量增加，氮化硅呈富硅特性，薄膜变得 更加致密，折射率变大；另一方面，流量增大使得反应室内气体浓度增加，气体 分子的平均自由程变小，沉积到表面的反应生成物减少，导致沉积速率随着流量 增加

18、而减小。折射率的高低主要取决于膜中Si/N的比值，沉积温度低时，薄膜富硅则折射率较高。随着温度升高，Si/N比值减少，薄膜折射率减小；沉积温度 升高，使得反应室中存在的少量氧气也参加反应，由于氧的电负性大于氮，故氧 可替代薄膜中的Si-N键中氮的位置，导致薄膜中氧的含量增加，使得薄膜的折 射率下降。（6）极板间距极板间距对沉积成膜有着非常重要的影响，间距不能太大也不能太小。如 果间距太大，大大影响沉积速度，造成局部问题，严重影响成膜质量。如果间距 太小，从Show head出来的强气流直接喷到玻璃基板上，这样会造成以下后果： 强气流直接冲击玻璃板面，离子可能来不及沉积就被强气流冲走， 这样就降

19、低了 成膜速率；因为间距太小，这样使得离子反应速度过快，即使离子没有被强气流 带走而沉积到玻璃基板上，那么成膜质量也是个很差的，因为间距太小可能引起 气相中的聚合反应，从而引起颗粒的产生、成品率下降、组件可靠性降低等；极 板过近会造成镀膜过程中电弧放电击穿基板和表面阳极膜，造成设备损伤。（7）抽气速度在气体压力维持在一定的情况下，抽气速率越快气体滞留的时间越短，如 果抽速一定，则滞留时间不变。随着沉积次数的增加，机械泵的抽气速率下降， 维持规定的气体流量反应室气体压力会不断增高；而要保持气体的压力不变则又 必须不断减少流量，这不仅造成工艺操作难以掌握，而且技术指标也难以保证， 因此虽然压力不变

20、，但在低抽速小流量的情况下，气体在反应室中的滞留时间增 加，造成沉淀速率上升，并且影响沉积均匀性。（8）沉积时间沉积时间太短，膜厚及折射率达不到要求。时间太长，会造成工艺气体 的浪费，增加工艺成本，同时也影响沉积膜的质量。当膜厚过高时，薄膜会开裂, 甚至脱落。因根据膜厚和沉积速率选择合适的沉积时间3 PECVD沉积镀膜生产线3.1 PECVD沉积镀膜生产线的组成任何类型的生产线，对于产品的产生过程都要遵守符合某种规律的生产流程要求，图3.1是该类生产线的典型流程图：选片真空镀膜段|后处理段|线图3.1 太阳能电池PECVD积镀膜玻璃产品生产流程图为了达到大面积太阳能电池板表面镀膜流程要求，实现

21、连续性生产，其总体设计构思均采用串接积木组合方式(如图 3.2 )形成机械化，自动化封闭环节的 生产线。从图中可以看出，生产线构成可分三大功能段，即I前处理段，u 真空镀膜段，川一后处理段。每个功能段，又有各自独立承担镀膜工艺中某一个 单个工序的功能。通常设计这类生产线，应考虑以下五个方面的问题做为设计依 据10 o(1) 对I前处理段应满足如下要求:a. 具有足够的表面清洗能力；b. 具有可控的基片加热温度场；c. 对原片，发现疵病有在线筛选能力。Bm/fi1 f1nn nn nnEABCC1#2#'3#4#一5#6#7#DFGI -前处理段n-真空镀膜段山-后处理段入线V1V2K1

22、Z K?KsK4V3场岀线图3.2 典型的太阳能电池板 PECVD积镀膜玻璃生产线A进线工作台B打霉机、玻璃洗涤机C防尘加热烘烤装置D膜层折射率检查台E膜层清洗后处理机F、G膜层物理外观台1#预储室2#过渡室3#镀膜室4#镀膜室5#镀膜室6#过渡室7#输出室V1V4门式闸板阀K1K4隔离腔Z射频电源阴极(2) 对u真空镀膜段应满足如下要求：a全段有较强的抽气能力，创造稳定的真空环境，有良好的气密性，充入 介质气体的可控性，确保PECVDt空室的射频电源阴极稳定工作。b. 真空镀膜段两端的真空室的工作周期，即实现由真空到破坏真空，或从大气下抽真空，达到要求的真空度所经历的时间要短，故一般设计要遵

23、循的条件: a真空室空间体积要小；b配置的真空机组要大，确保限定的循环周期时间，即 生产节拍(每片太阳能电池板所用的镀制时间)短。c. 全程清洁处理方便。(3) 对川一后处理段应满足如下要求：a. 具有在线检测玻璃镀膜后的光学性能的能力。b. 提供物理外观表面检查能力。(4) 满足设定的产量要求。(5) 满足设定的产品品种要求，且具有一定开发膜层膜系的潜在能力。3.2 PECVD技术分类及优缺点比较PECVC法按沉积腔室等离子源与样品的关系上可以分成两种类型：(1直接法：样品直接接触等离子体，样品或样品的支撑体就是电极的 一部分。直接法又分成两种：1) ，管式PECVD系统：即使用像扩散炉管一

24、样的石英管作为沉积腔室， 使用电阻炉作为加热体，将一个可以放置多片硅片的石墨舟插进石英管中进行沉 积。这种设备的主要制造商为德国的 Centrotherm公司、中国的第四十八研究所、 七星华创公司。2) ，板式PECVD系统：即将多片硅片放置在一个石墨或碳纤维支架上， 放入一个金属的沉积腔室中，腔室中有平板型的电极，与样品支架形成一个放电 回路，在腔室中的工艺气体在两个极板之间的交流电场的作用下在空间形成等离 子体，分解SiH4中的Si和H,以及NH3种的N形成SiNx沉积到硅表面。这种 沉积系统目前主要是日本岛津公司在进行生产。（2间接法：或称离域法。待沉积的样品在等离子区域之外，等离子体

25、不直接打到样表面，样品或其支撑体也不是电极的一部分。间接法又分成两种：1）,微波法：使用微波作为激发等离子体的频段。 微波源置于样品区域 之外，先将氨气离化，再轰击硅烷气，产生 SiNx分子沉积在样品表面。这种设 备目前的主要制造商为德国的 Roth&Rau公司。2），直流法：使用直流源激发等离子体，进一步离化氨气和硅烷气。样品也不与等离子体接触。这种设备由荷兰的OTB公司生产。目前，在中国微波法PECV系统占据市场的主流，而管式PECV系统也占据 不少份额，而岛津的板式系统只有56条生产线在使用。直流法PECV系统还没 有进入中国市场。除了上述几种模式的PECVD系统外，美国的App

26、lied Material 公司还开发了磁控溅射PECVD系统，该系统使用磁控溅射源轰击高纯硅靶， 在氨 气的气氛中反应溅射，形成 SiNx分子沉积到样品表面。这种技术的优点是不使 用易爆的硅烷气，安全性提高很多，另外沉积速率很高。各种方法都有其有缺点：直接PECV法对样品表面有损伤，会增加表面少子 的复合，但是也正是由于其对表面的轰击作用，可以去除表面的一些自然氧化层， 使得表面的杂质原子得到抑制，另外直接法可以使得氢原子或氢离子更深入地进 入到多晶硅晶界中，使得晶界钝化更充分。管式PECV的气流是从石英管一端引 入，这样也会造成工艺气体分布的不均匀；板式PECVI系统由于衬底板在长期加 热

27、后会有稍微的翘曲，从而造成平行板电极间距的不一致，也会造成片间不均匀。 各种方法制备的薄膜的质量也略有不同， 原则上讲，由于直接法中的等离子体直 接作用于硅片表面，因此均匀性要好一些，而间接法等离子体是离子离化后形成 SiNx扩散到硅片表面的，薄膜的质量较为酥松，而磁控溅射由于其工作方式的 原因，薄膜最为酥松。对于致密的薄膜，其钝化特性和减反射特性都要优越得多。4 PECVD设备构成及各部分功能PECVC设备由粗抽真空泵（主要是机械泵），高真空组合泵组，真空沉积 室，连接管道，阀门，加热装置，射频电源，控制系统，冷却系统，供特气系统 等组成。各部分的作用如下：（1）机械泵：作为预抽泵，用来抽大

28、气（2）真空室：提供镀膜所需的环境（维持高真空，恒温工作环境）（3）维持泵：位于分子泵前端，维持分子泵前端的压力，达到安全使用分子泵 的前提（4）罗茨泵：加速抽真空的速度提高工作效率（在它的前级需要一个前级真空 泵，为它提供一定的前级真空度，一般为 500Pa）（5）分子泵：使腔体获得本底真空，相对减少气体残余成分（只有前级管道压强达10Pa下才能开启分子泵，一般使用分子泵抽本底真空的时间约为30mi n）（6）射频电源：输出功率通过连线加在极板上，使气体离子化（7）PLC实现数据信号和模拟信号之间的转化（8）变通导阀：主要起切断和节流作用，能精确可控的控制压力，控制与调节 工艺过程中的沉积压

29、力（9）用水系统：系统上的机械泵，罗茨泵，分子泵等都需要进行冷却（10）供气系统：PECV中的供气源几乎都是各种钢瓶，里面装着各种高纯气体， 通过气路柜中的控制面板，管道输送给 PECVD装置5 PECVD沉积镀膜真空室的设计要求与原则5.1设计参数要求设计的真空室的尺寸为“长1300mn宽1045mn高810mrh ,真空沉积镀膜室 采用不锈钢盒形壳体，使用分子泵和罗茨泵机组抽气，对于分子泵和罗茨泵泵进 行选配，射频频率13.56MHz，基片温度300-450 C，工作压力0.1-1Pa。5.2 PECVD沉积镀膜真空室的主要设计原则（1）创造良好的安装射频电极位置，提供良好的电场条件，维持

30、稳定的辉光放电(2) 有良好的密封性能，漏气，材料出气小，应方便开启装料(3) 壳体结构，普通钢结构要满足真空容器要求的强度、刚度条件(4) 提供充足的充气源装置(可通入 si、N2)达到均匀弥散(5) 备有观察、检测、发讯等装置。5.3 PECVD沉积镀膜室对抽气系统的要求(1) 镀膜机抽气系统应有足够大的抽气速率，该抽速即应迅速抽走镀膜过 程中基片及真空室内其他构件所放出的气体， 也应对镀膜过程中渗气及系统的泄 漏等气体量迅速地抽出。(2) PECVDg膜机抽气系统的极限压强应根据不同膜的要求，而有所不同。 目前箱式PECVD®膜机的极限压强可在1.32.6 x 10-3Pa范围

31、内选择。(3) 在油扩散泵为主泵的抽气系统中，要求泵的返油率越小越好，否则返 流的油蒸汽将会污染被镀的玻璃表面，使膜层易于脱落。(4) 镀膜室及抽气系统的漏气率要小。即或是微量气体的漏入，也易影响 膜的质量，为了保证系统的密封性能，必须把系统的总漏率限制在一定的范围之 内。目前这一范围国内尚无标准，设计时可根据工艺要求而定。(5) 真空系统的操作，使用及检修维护应方便，系统的抽气性能应稳定可 靠。6 PECVD沉积镀膜室主要部分的设计与计算6.1真空室壳体的设计与计算6.1.1 真空室壳体的类型选择真空容器是构成真空室的基本部件。 在真空工程中，各种真空应用对真空室 的功能要求不同，构成真空室

32、的真空容器形状和大小就不相同。真空容器壳体主 要有圆筒形壳体、球形壳体、圆锥形壳体、盒形壳体、椭圆球形壳体和圆环形壳 体。圆筒形壳体制造容易、强度好。球形壳体从稳定性和节省材料上来说是最好 的，但球形制造困难，内部有效利用空间小，因此应用不多。盒形壳体制造复杂,耗费金属材料多。但其内部可利用的空间大。为减少板材厚度，在盒形壳体上通 常都使用了加强筋。考虑到玻璃制造时的形状以及实际应用结果，盒形壳体对此 镀膜生产线最适合。因此，本设计真空镀膜室的形状采用盒形壳体。真空室壳体的计算与校核本设计采用1Cr18Ni9Ti作为真空室壳体材料，其二b=5400MPa，二=200MPa。为了减少盒形壳体的厚

33、度，采用矩形截面的竖向加强筋，其中l = 20cm。真空室长 1300mm，宽 1045mm，高 810mm。(1)按强度极限确定许用应力nb540MPa2.7= 200MPa(2)按屈服极限确定许用应力=1. 5 ： 1 3 M P a(3) 确定最小厚度0.2 2B40.2 242 0S0c m 0.4 c m匕 lv.133.3(4) 确定实际厚度壁厚附加量 C1 C2 C3，G :钢板的最大负公差附加量，取0.5mm；C2 :腐蚀裕度，取2mm； C3 :圭寸头冲压时的拉伸减薄量，取 0.4mm。故壁厚附加量为2.9mm。所以实际厚度S=S C 4 m m2. 9 m m 6. 9mm

34、圆整为7mm。又因为钢板厚度中没有此规格，故取实际壁厚为 8mm(5)校核水压试验应力水的试验压力巳=0.2MPa水的静压力 F0=Hd=20 10MPa =0.02MPa总的压力 P 二 FS F0 =0.2MPa 0.02MPa =0.22MPa当做水压试验时，矩形板的应力为：0.5B2P2S-C0.5 202 0.2220.8-0.29MPa = 166Mpa 二 0.9；s = 180MPa满足水压试验要求，故可取壁厚为 8mm(6) 加强筋尺寸计算选取矩形截面竖向加强筋，宽与高之比为 15，其截面模量为Wp 二B2lp2K» S104.52 20 0.222 8 133.5

35、2 cm二 22.5cm2则其加强筋的宽度为Sp =0.623 Wp =17.5mm取整为18mm即1.8cm。则其高度为即hp =90mm(7) 计算加强筋和壁联合的截面模数 加强筋截面积2 2FP =1.8 9cm = 16.2cm壁部分的截面积2 2Fc=0.51 20cm = 10.2cm加强筋截面的惯性矩1333Jp1.8 93cm -109.3cm3p 12壁部分截面积的惯性矩1333Jc20 0.513cm3 ： 0.22cm312由壁到联合重心的距离Fphp-FcS-C 16.21.8-10.20.8-0.29ycm 二 7.5cm2(Fp +Fc )2汇(16.2+10.2

36、)加强筋与壁联合作用的界面模量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) 校核水压试验应力B2lpKWp#2104.520 0.228 227.3MPa 乞 0.9；s二 180MPa可见满足水压实验要求。真空室的ANSY分析(1)真空室的外观(三维图截图)图（2）（2）真空室的ANSYS分析1）应力图图（3）图（4）由图（3）,图（4）可知应力最大处在箱体的边角焊接处，尤其是焊缝交合处, 采取调制热处理可显

37、著降低并消除应力2）变形图血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图（5）施加极限压强时，箱体发生的变形主要集中在箱体上板， 其他面由于加强筋 的作用产生的变形基本可以忽略。由ANYS图分析可知，箱体的最大变形为1.8mm, 在允许的变形范围内，为安全起见我们将上板的厚度增加两个

38、毫米 （由于上板可 能要放置其他部件，故不便布置加强筋）6.2抽气系统的设计与计算6.2.1 选泵与配泵本系统采用分子泵和罗茨泵作为主泵，选用旋片泵作为预抽泵和前级泵。主 泵可以利用下面的经验公式计算。S1 =I510 V式中：V镀膜室的体积，L。所以，分子泵的抽速为：S, =5 V =5 1.3 1.045 0.81 103 L/S = 3500L/ S选用10台抽速为3500L s的F400/3500型涡轮分子泵。罗茨泵的抽速可由下式算出：$ =（210% ）S =2汉3500L/s = 70L/s因此，选用ZJP-70的罗茨泵作为分子泵的前级泵。通常，罗茨泵所配前级泵抽速根据经验公式计算

39、，旋片泵的抽速为：S3=- d =7 35L/s3 U0 2广 /选用2XA15的旋片泵作为罗茨泵的前级泵及真空系统的预抽泵。抽气时间的计算(1)镀膜机抽气系统的气体来源真空镀膜机的镀膜室中，主要有如下几种气源： 抽空前真空室、管道、阀门、阱等元件中所含有的空气； 原片玻璃所放出的气体量；真空室内壁及室内所有构件表面因压强降低和温度升高所释放出来的气 体量；从真空室外漏入到系统内的气体量。上述五项气源中，第一项对计算高真空泵而言，这部分气体主要在抽气系统 预抽真空时被预抽真空泵抽走，因而它只是作为选择预抽真空泵缩短预抽时间的 依据。由于各种材料的放气量不但数字差别很大，而且也不完整。因此，高真

40、空 的抽气时间的计算结果与实际就有一定的出入。(1)预抽时间计算分子泵启动前先用选片泵预抽至 10Pa,预抽管道大小和选片泵进气口径一 致。则选片泵从大气压抽到10Pa的抽气时间为：617.3151 10= 2.303 6173 2.303 617:3 2.303 617:32.3031515151.251.52=545.0s(2)分子泵抽气时间计算分子泵抽气范围为105F0*Pa，抽气管道直径为200mm管道长1000mm 由于过渡态流导的计算比较复杂，工程上允许用分子流导计算代替。 这样不 但计算简单而且设计偏于安全，因此可以将这个过程全部当做高真空抽气来计 算。对于高真空抽气，有一些特殊

41、的地方要考虑。这时容器中空间的气体已经大 大减少了，而其他气源越来越成为主要的气体负荷。 其中有：微漏，渗漏，蒸发， 表面解吸。高真空领域的抽气，实际上是对伴随排气过程的变化所产生的放气流 量的排除。常用的近似计算高真空抽气时间的方法有解析法和图表法。本设计采用的是解析法真空室的主要表面放气的对象及放气率分别如下：真空室内表面： A =3.3 105cm2q! =2.13 10" Pa L s cm2加热片：A =6.1 104cm2q2 =9.3 10= Pa L s cm2组合布气盒表面：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分别在压强为10Pa和压强为5 10*Pa时的时间t，二者相减可以得到高真空的 抽气时间t2 = 0.2h所以，总的抽气时间为23min,再加上分子泵启动时间，仍然满足要求。6.2布气系统的设计6.2.1 布气系统的作用由于PECVDg膜是靠气体的沉积形成薄膜，因此气流的均匀性对薄膜的质量 有着非常重要的作用，布气装置的作用便是使高流速的反应气体减速形成流速慢 分布均匀，冲击性小的气流。其原理便是层层阻拦或者层层分离，使气流尽量均匀，已达到镀膜时对气体的要求。布气系统的机构原理是让气体通过不断分离的管道（口径不断变化）最后再在一定空间内混 合后一次通过布满细孔的两层板最后达到均

43、匀性较好的气流。 一般的布气装置就 是气流通过布满细孔的管道，由此出来的气体流速依然较强，并不能达到比较理 想的效果。采用本结构的布气系统能实现气体较好的均匀混合 .图（6）图（7）图（8）Pl bar tl* fbimIiaf； Lib I MH rC- tEEjU图（9）上图是用Edrawing分解开的组合布气系统的三维图纸，在结构上由上下， 左右，前后以及中间板，还有通气管道组合而成。首先气体通过管道进入反置于 上板内壁的分离管路系统，此时气体被分流成很多细束。随后这些细束气流再反 向通过布满细孔的中板，最后再通过布有更细孔的下板，此时进来时的强气流已成为流速较低，均匀性较好的工艺气体，

44、可以满足镀膜时对气体的要求。6.4机架的设计与计算6.4.1 PECVD真空镀膜室总重估计真空室：六块钢板组成，钢的密度为7.85g/cm3,则真空室壳体总重约2072Kg；玻璃（电池板）：玻璃最大尺寸为 360mrtK 254mM 10mm密度为2.6g/cm , 质量为24.7Kg；布气盒：总重为24.6Kg;加强筋：每个0.5Kg，总重110.5Kg；加热片：总重40Kg；因此，磁控溅射真空镀膜室总重约为2271.8Kg6.4.2机架的结构设计与校核ANSYSSDJJJTIQHJUB 5 201$23：aa：0D龄吨，馴.515EH10钟证+強fB59E-HT.2号丁匸#口乍V429L-

45、+DB.772E+4BFiles5IEP-1 SUB -1 riME-1SEQV AVGW.464E-D3 SMI nflS.616 SS空=.712E4-08机架采用槽钢构成，根据机械设计手册选择槽钢型号为10#。（ 10#槽钢在平放时一米跨度能承受集中力为13.4KN,立放时一米跨度能承受集中力为34.1KN17）。机架的结构如上图所示。通过ANSYS勺模拟分析，得到了图所示的机架应力分布图。从图中可以看出， 机架的最大内应力为11.9MPa,小于槽钢的屈服极限60MPa机架的最大偏移量 为0.08mm,满足设计要求。因此，所设计的机架满足要求，可以使用。结论本设计将等离子体增强化学气相沉

46、积技术（PECVD技术）应用到太阳能电 池板的研究和开发之中，设计出相应的生产装置和系统，并进行一系列的基础理 论研究和成膜工艺研究以优化工艺的流程和薄膜的性能，从而提高太阳能电池板的成膜质量和生产效率。本文介绍了 PECVDS膜原理以PECV镀膜生产线的组成 与各部分作用。PECVD技术原理是利用低温等离子体作能量源，克服了传统镀 膜工艺对高温的依赖，保证了低温下能获得较高的沉积速率和维持稳定的镀膜状 态，因而能够很好的适用于工业化大规模生产。在阐述PECV技术原理的基础上 对PECVD®膜装置的主体进行设计，同时设计了布气系统、抽气系统、真空室壳 体以及机架，完成了 PECV镀膜

47、装置的总体设计。通过这一系列的训练，不仅锻 炼了自己的独立思考能力以及学会了作为一名合格工科院校毕业生应具备的分 析处理问题的方法，而且在学习的过程中也与老师和同学建立了深厚的友谊。谢辞为期三个月的毕业设计即将结束，在诸位老师的指导和同学的帮助指导之 下，本人对于机械设计有了更多新的认知， 对机械设计的整体脉络了解得更加的 清晰透彻。通过毕业设计，使自己对自己大学四年以来所学的知识有更多的认识， 并且将这些理论知识应用到实际设计当中。通过毕业设计，帮助我们总结大学四年收获、提升自我。检验我们大学所学 的机械和真空方面的知识。同时，还帮助我们改变一些处理事情时不严谨的习惯。 从最开始时的搜集资料

48、，整理资料，至加案比选，确定方案，再到着手开始进行 PECV装置真空室、布气系统和抽气系统的设计，每一步都是环环相扣，衔接紧 密，其中任何一个步骤产生遗漏或者疏忽，就会对以后的设计带来很多的不便。 学生的动手能力和资料搜集能力在设计中也得到提升。 同时也激发了我们对于设 计的热爱，激发了我们的创新精神。毕业设计中很多数值、公式、计算方法以及 一些常用的标准都需要我们去耐心地查阅书籍，浏览资料，设计中需要用到辅助设计软件（CAD,solidworks，ANSYS的地方，也需要我们耐心的学习。掌握其 使用的要领，运用到设计当中去。最后总结的阶段，需要将前期各个阶段的资料 进行归类整理并不断修改。经

49、过了两个多月的学习和工作，我终于完成了太阳能电池PECVD装置设计 的全部设计工作。从开始接到论文题目的不知所措， 再到进行系统的设计，最后 到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战， 这也是我在整个大 学期间独立完成的最艰难的项目。 在这段时间里，我学到了很多新的知识也有很 多感触，从对PECVD技术的一无所知，对CAD ANSYS软件的很不了解状，我 开始了独立的学习和试验，查看相关的技术资料和文献，让自己头脑中模糊的概 念逐渐清晰，使自己不完美的作品一步步完善起来， 使自己懒散的思维逐渐严谨 起来，每一次改进都是我最大的收获，每一次尝试的成功都会让我兴奋不已。 从 中我也充分认识到了系统性思维方式方式给我带来的好处。虽然我的设计作品不是完美，还有很多不足之处，但我还是可以自豪的说， 每张图纸，每一段计算，每一个细微的部分都有我的辛苦的劳动。 当看着自己的 最终设计，最终的努力成果，对自己而言真是莫大的欣慰。我相信其中的酸甜苦 辣最终都会化为甜美的甘泉。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做设计是要真真正正用心去 做的一件事情，希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。 毕业设计 结束了，通过设计，学生深刻