陳特超，謝利華

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

等離子體刻蝕是太陽能電池片生產(chǎn)工藝中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它的效果直接影響太陽能電池的漏電流和開路電壓，繼而影響電池的轉(zhuǎn)換效率。整機采用OMRON公司的CJ1M型PLC和NS8觸摸屏設(shè)計實現(xiàn)全自動控制，該設(shè)備已在實際生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。

1 工作原理

1.1 等離子體刻蝕原理

等離子體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)，是特殊情況下，物質(zhì)除以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)存在之外的第四種狀態(tài)，如太陽表面的物質(zhì)和地球大氣中電離層中的物質(zhì)。這類物質(zhì)所處的狀態(tài)稱為等離子體狀態(tài)。在等離子體中存在下列物質(zhì)：處于高速運動狀態(tài)的電子；處于激發(fā)狀態(tài)的中性原子、分子、原子團(自由基)；離子化的原子、分子；分子解離反應(yīng)過程中生成的紫外線；未反應(yīng)的分子，原子等，但物質(zhì)在總體上仍保持電中性狀態(tài)。等離子體刻蝕是在一定的真空條件下，利用射頻激發(fā)反應(yīng)氣體產(chǎn)生活性等離子體，本機中主要是F-，利用具有高能量的F-的活化作用，使其與硅片表面的Si原子發(fā)生反應(yīng)，使其從硅片表面剝離去除，生成氣態(tài)化合物SiF4，被真空泵抽走。

1.2 等離子體刻蝕設(shè)備組成

等離子刻蝕設(shè)備由反應(yīng)室、真空系統(tǒng)、射頻電源及匹配系統(tǒng)、工藝氣路系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等幾大部分組成，如圖1所示。設(shè)備實物照片如圖4。抽真空到5 Pa左右，充入一定流量的工作氣體CF4和O2，開啟射頻電源及匹配系統(tǒng)，產(chǎn)生等離子體，對硅片進行刻蝕，刻蝕完成后關(guān)閉射頻電源，工藝氣路及真空閥，打開充氣閥，使反應(yīng)室恢復大氣壓力，然后打開反應(yīng)室門，取出硅片即完成了整個刻蝕過程。

圖1 等離子體刻蝕設(shè)備組成圖

2 設(shè)備構(gòu)造及特點

設(shè)備構(gòu)造見圖2所示，反應(yīng)室采用鋁合金制造，表面陽極化處理，其耐腐蝕性能更好，采用前開門形式，裝取片更方便。前門上有觀察窗，能方便地觀察到反應(yīng)室里面的刻蝕狀況，有效地監(jiān)督刻蝕過程。

真空泵采用進口干式真空泵，可靠性高，不會因為油的腐蝕變質(zhì)而損壞，保證了真空獲得的穩(wěn)定性，減少了保養(yǎng)維護時間。[1]

射頻電源采用進口電源及自動匹配系統(tǒng)。電源輸出穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，可有效地保證工藝的穩(wěn)定性和重復性。

真空測量采用進口薄膜規(guī)，測量準確，可靠。

壓力自動控制系統(tǒng)可根據(jù)反應(yīng)室內(nèi)壓力的變化自動調(diào)節(jié)管道閥門開度，改變管道流導，穩(wěn)定反應(yīng)室內(nèi)壓力。使放電過程穩(wěn)定在一個恒定的壓力范圍內(nèi)，保證了工作的穩(wěn)定性和工藝的重復性。

圖2 設(shè)備原理圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)等離子體刻蝕設(shè)備的組成、工藝操作、控制等要求，采用了PLC+觸摸屏的控制方案。PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，整機的所有閥門動作，真空泵的啟動，射頻電源的開啟和模擬量的輸入輸出全部通過PLC來控制實現(xiàn)，這樣，既增強整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也大大簡化了控制系統(tǒng)的繁瑣性。觸摸屏用于顯示整個控制系統(tǒng)的所有狀態(tài)信息，同時可以通過觸摸屏來操作整個控制系統(tǒng)的按鍵開關(guān)和數(shù)字輸入設(shè)定，還能實現(xiàn)各參數(shù)的實時采集曲線以及歷史記錄等功能。綜合各種因素，我們選用了OMRON公司的CJ1M系列PLC，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、擴展性強、指令豐富等特點。擴展有16路數(shù)字量輸入端子，16路數(shù)字量輸出端子。由于要處理氣體流量模擬量的控制和檢測，還擴展了模擬量輸入(CJ1M-AD081-V1)和模擬量輸出 (CJ1M-DA041)模塊。而選用的NS8-TV00B-ECV2觸摸屏實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定，過程監(jiān)控顯示等功能，它通過RS232-C協(xié)議和上位機PLC通訊。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制軟件包括觸摸屏組態(tài)軟件和PLC控制軟件。他們通過RS232C通訊口進行實時通信，實現(xiàn)PLC和觸摸屏之間的控制動作與狀態(tài)信號的傳輸。

觸摸屏組態(tài)軟件是用OMRON公司的CX-DESIGNER軟件進行編程組態(tài)，根據(jù)控制系統(tǒng)要求，并為了盡量符合用戶操作的習慣，按照類菜單式編程，分為工況圖、工藝編輯、報警狀態(tài)、歷史記錄、實時曲線、控制參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置等子菜單。分別點擊各子菜單，可切換到相應(yīng)的畫面，在對應(yīng)畫面進行各功能的操作。在各畫面上生成有控制系統(tǒng)所有的屏幕軟開關(guān)，信號的狀態(tài)指示，各模擬量的設(shè)定和檢測，各事件或報警的歷史記錄，還對重要的控制參數(shù)進行實時采集，以趨勢圖方式直觀顯示出來。為了方便用戶對工藝條件進行嚴格控制，用戶可以自定義各種工藝參數(shù)的工藝要求極限，當工藝條件偏出控制要求極限時，工藝運行自動停止，并聲光提示報警。

PLC控制軟件用來完成整個控制系統(tǒng)的全部任務(wù)，根據(jù)操作形式不同分為手動操作模式和自動運行模式。手動操作時主要由用戶點擊各觸摸開關(guān)，手動設(shè)定各工藝參數(shù)值等，一般用于設(shè)備調(diào)試。自動運行時由PLC根據(jù)工藝編輯里用戶定義好的動作流程來順序完成各動作，一般是在正常生產(chǎn)時使用。無論是手動操作還是自動運行，系統(tǒng)都設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖，防止在非正常條件下進行動作，以避免造成設(shè)備損壞[2]。

根據(jù)等離子體刻蝕工藝流程，確定各動作的順序和相互關(guān)系，畫出了主程序流程圖，如圖3所示。自動工藝時，PLC按照此主程序流程圖來進行各步動作，由PLC對等離子體刻蝕設(shè)備硬件設(shè)施進行控制和檢測，實現(xiàn)自動刻蝕。另外，編程時對工藝中的各步驟跳轉(zhuǎn)增加了必要的條件互鎖，并對各種參數(shù)的誤差偏移進行了補償，對射頻電源及匹配器進行了保護，有利于保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖3 等離子體刻蝕設(shè)備程序流程圖

5 設(shè)備特點

本機關(guān)鍵件采用進口元件，設(shè)備的可靠性高，性能穩(wěn)定；

采用鋁制真空室，減少了因石英管被刻穿的維護時間，節(jié)約了使用成本；

采用進口PLC控制，可靠性高；

采用進口干式真空泵，省去了換油維護工作量；

采用進口射頻電源及自動匹配系統(tǒng)，可靠性高，工作穩(wěn)定，匹配自動完成并根據(jù)負載情況實時自動調(diào)整，保證了工藝的穩(wěn)定性和重復性；

采用一鍵式啟動工作模式，操作簡單、方便，減少了人為因素的影響。

6 實驗

在設(shè)備完成后，我們進行了工藝實驗，發(fā)現(xiàn)在30～50 Pa工作壓力下，送氣量可到500 mL/min，在工藝氣體用量為CF4/O2為（320～400）/（30～50）范圍內(nèi)，RF功率750 W的條件下，刻蝕20～35 min，可得到較好的刻蝕結(jié)果。

7 結(jié)論

以PLC、觸摸屏為核心的自動化等離子體刻蝕設(shè)備，具有操作簡單、可靠性高、工藝參數(shù)修改方便等特點，可確?？涛g質(zhì)量的一致性，減少了人為因素造成的刻蝕質(zhì)量問題。

利用PLC和觸摸屏組成控制系統(tǒng)，采用一鍵式啟動工作模式，工藝參數(shù)事先設(shè)置，并可實時修改，操作簡單、方便，保證了工藝的一致性，適合于批量生產(chǎn)工藝使用。

設(shè)備實物照片見圖4。

圖4 設(shè)備實物照片

[1]肖祥正，劉玉魁，談治信，達道安，等.真空設(shè)計手冊(第3版)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[2]殷紅義.可編程控制器選擇、設(shè)計與維護［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.