M5111-6/UM型五管軟著陸擴(kuò)散爐研制

謝于柳，禹慶榮，許爍爍，朱奕漪

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

M5111-6/UM型五管軟著陸擴(kuò)散爐研制

謝于柳，禹慶榮，許爍爍，朱奕漪

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

M5111-6/UM型五管軟著陸擴(kuò)散爐用于晶體硅太陽(yáng)能電池片擴(kuò)散工藝，具有全自動(dòng)化、高產(chǎn)能、減壓擴(kuò)散等特點(diǎn)，介紹該型號(hào)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及性能，并給出了工藝結(jié)果，結(jié)果表明該設(shè)備各方面性能均已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

太陽(yáng)能電池；擴(kuò)散工藝；減壓擴(kuò)散爐

光伏產(chǎn)業(yè)正處于加快調(diào)整期，市場(chǎng)“倒逼機(jī)制”加速企業(yè)重組，提高電池產(chǎn)線的工藝技術(shù)和裝備水平，淘汰落后產(chǎn)能。設(shè)備作為光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和支撐，一代裝備支撐一代工藝技術(shù)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷引入光伏產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)電池線的工藝設(shè)備得到發(fā)展［1］，擴(kuò)散工藝技術(shù)有從常壓向減壓發(fā)展趨勢(shì)，而工藝設(shè)備有由單臺(tái)自動(dòng)化向整線全自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)，更高的產(chǎn)能是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)永恒的主題。擴(kuò)散爐是晶體硅光伏電池生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵工藝設(shè)備，用來(lái)在硅襯底表面進(jìn)行摻雜制備pn結(jié)結(jié)構(gòu)。pn結(jié)是晶體硅太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化成電能的核心，因此擴(kuò)散爐性能的優(yōu)劣直接決定晶體硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率［2］。傳統(tǒng)的擴(kuò)散工藝采用常壓擴(kuò)散，即石英管內(nèi)為常壓或微正壓。隨著太陽(yáng)能電池?cái)U(kuò)散工藝向淺結(jié)高方阻方向發(fā)展，傳統(tǒng)的常壓擴(kuò)散對(duì)硅片摻雜均勻性

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所作為國(guó)內(nèi)光伏裝備研制單位，致力于全自動(dòng)化裝備的自主研發(fā)，2013年開始，先后與湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司、蘇州阿特斯科技有限公司和錦州華創(chuàng)等光伏企業(yè)合作，進(jìn)行減壓擴(kuò)散工藝的推廣，其工藝結(jié)果達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。M5111-6/UM型五管軟著陸擴(kuò)散爐是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研發(fā)的新一代全自動(dòng)高產(chǎn)能減壓擴(kuò)散工藝設(shè)備，是在原有工藝和設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行裝備提升，該型號(hào)設(shè)備具備全自動(dòng)化、高產(chǎn)能和減壓擴(kuò)散功能等特點(diǎn)，同時(shí)預(yù)留石英舟硅片全檢插片機(jī)接口，滿足智慧生產(chǎn)線整線全自動(dòng)化的發(fā)展。

1　主要技術(shù)指標(biāo)

M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴(kuò)散爐主要技術(shù)指標(biāo)：

爐膛有效內(nèi)徑：φ350 mm；

硅片尺寸：兼容125 mm×125 mm、156 mm× 156 mm，適用于160～220 μm厚度的硅片；

產(chǎn)能：1 000片/管；（產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)100 MW/年）；

溫度控制范圍：400℃～1 100℃；

溫控精度：≤±0.5℃/1 300 mm

（801℃～1 100℃）；

單點(diǎn)溫度穩(wěn)定性：≤±0.5℃/24 h（靜態(tài)，900℃時(shí)）；

溫度控制方式：五段內(nèi)外熱偶雙回路溫度控制，自動(dòng)校溫區(qū)；

爐體升降溫速率：最大可控升溫速率：15℃/min，最大可控降溫速率：5℃/min（900℃～1 100℃）；

氣路控制：數(shù)字式流量計(jì)精確控制氣體流量，控制精度：±1%（FS）；

管內(nèi)本底壓力：＜2 000 Pa；

壓力控制精度：＜±100 Pa（10～50 kPa）；

工藝氣體用量（小氮、氧氣、大氮）：＜（1SLM、1SLM、3SLM）；

硅片每方塊電阻均勻性：?jiǎn)尉?00 Ω；多晶110 Ω，片內(nèi)≤4%，片間≤3%，批間≤3%；

設(shè)備總功率：≤250 kVA，保溫功率：≤125 kVA；

設(shè)備尺寸：6820 mm×1690 mm×3473 mm（誤差在±10 mm內(nèi)。）

2　減壓擴(kuò)散工藝原理

減壓擴(kuò)散工藝思路可分成以下幾個(gè)階段：低溫低壓沉積、高溫低壓推進(jìn)、常壓氧化。低壓沉積和高溫推進(jìn)階段都是在低壓環(huán)境下完成。減壓擴(kuò)散工藝流程為：（1）關(guān)閉擴(kuò)散爐爐門后，抽氣使石英管內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值進(jìn)行高溫氧化，在硅片表面生成一層很薄的SiO2層；（2）通入小氮和氧氣，采用三步擴(kuò)散法制備pn結(jié)，即：第一步低溫預(yù)擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度維持在較低水平，反應(yīng)速率慢，實(shí)現(xiàn)預(yù)擴(kuò)散，在硅片表面沉積磷源；第二步高溫?cái)U(kuò)散：促進(jìn)磷源的分解和向硅片內(nèi)部的擴(kuò)散，同時(shí)增加硅片表面的磷源濃度；第三步氧化：增加pn結(jié)深度和優(yōu)化表面摻雜濃度；（3）退火，改變擴(kuò)散爐內(nèi)部壓強(qiáng)除去雜質(zhì)。

減壓擴(kuò)散爐采用防腐泵對(duì)反應(yīng)管內(nèi)的尾氣進(jìn)行抽氣強(qiáng)制排放，配備壓力調(diào)節(jié)器，形成管內(nèi)局部負(fù)壓（見圖1）。

圖1　減壓擴(kuò)散基本原理圖

3　設(shè)備主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)簡(jiǎn)介

M5111-6/UM型五管軟著陸擴(kuò)散爐主要由凈化柜、廢氣柜、爐體柜和氣源柜4個(gè)部件組成，設(shè)備構(gòu)成見圖2。設(shè)備的主要特點(diǎn)有3個(gè)方面：

（1）設(shè)備的自動(dòng)化程度高，從進(jìn)料到出料實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程全自動(dòng)化；

（2）擴(kuò)散采用減壓方式，工藝實(shí)現(xiàn)窗口更寬，工藝平穩(wěn)性更好；

（3）設(shè)備產(chǎn)能大，恒溫區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到1 300 mm，實(shí)現(xiàn)1 000片/管（產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)100 MW/年）的大產(chǎn)能需求。

圖2　設(shè)備布局圖

3.1凈化柜

該部件是擴(kuò)散爐設(shè)備自動(dòng)化程度最高的部件，除了必備的推舟系統(tǒng)外，還配置機(jī)械手自動(dòng)上下料系統(tǒng)（見圖3）和側(cè)滑臺(tái)系統(tǒng)（見圖4）（同時(shí)預(yù)留石英舟硅片全檢插片機(jī)接口），實(shí)現(xiàn)石英舟在設(shè)備內(nèi)的上、下料自動(dòng)化和石英舟進(jìn)、出設(shè)備的自動(dòng)化。

圖3　機(jī)械手自動(dòng)上下料系統(tǒng)

圖4　側(cè)滑臺(tái)系統(tǒng)

3.2廢氣柜

廢氣柜內(nèi)的排風(fēng)效果可以有效地阻止有害氣體對(duì)凈化柜的污染。廢氣柜內(nèi)最關(guān)鍵的部件就是高溫密封爐門機(jī)構(gòu)（見圖5）。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，爐門采用1級(jí)水平推進(jìn)+旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)+石英磨口密封的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，爐口采用360°無(wú)死角循環(huán)冷卻系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了1 000℃高溫下爐口的有效密封。爐門機(jī)構(gòu)推進(jìn)平穩(wěn)，同時(shí)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了偏磷酸的凝結(jié)，在實(shí)際使用中取得了很好的效果［2］。

圖5　高溫密封爐門機(jī)構(gòu)

3.3爐體柜

爐體是擴(kuò)散爐的核心，為擴(kuò)散工藝提供必備的高溫工作環(huán)境。M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴(kuò)散爐擁有1 300 mm超長(zhǎng)恒溫區(qū)，采用五段控溫的方式，控溫精度高達(dá)±0.5℃（400～1 100℃時(shí)），達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。恒溫區(qū)配有5根保護(hù)熱偶來(lái)提高設(shè)備的可靠性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)能1 000片/管的超高產(chǎn)能。

3.4氣源柜

該部件實(shí)現(xiàn)氣路單管單控，各管氣路系統(tǒng)除配有工藝所必備的氣路外，另外增加一路N2保護(hù)氣路，用于設(shè)備斷電時(shí)工藝片的保護(hù)。氣體流量采用進(jìn)口數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì)控制，氣路的通斷由計(jì)算機(jī)控制電磁閥及相應(yīng)的質(zhì)量流量計(jì)控制器按照設(shè)定的工藝曲線完成相應(yīng)的動(dòng)作。液態(tài)源恒溫槽溫度控制獨(dú)立于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)手動(dòng)設(shè)置工作溫度，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控溫全過(guò)程。

3.5電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)延續(xù)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所單管單控的優(yōu)勢(shì)，采用臺(tái)灣研華工控機(jī)+PLC現(xiàn)場(chǎng)控制的方式。針對(duì)不同權(quán)限級(jí)別設(shè)置不同操作等級(jí)，客觀真實(shí)地記錄每管的擴(kuò)散工藝、氣體流量、工藝時(shí)間、爐溫變化趨勢(shì)、推舟狀況等各項(xiàng)參數(shù)，工藝完成后作為歷史記錄可隨時(shí)調(diào)出查看或通過(guò)外接打印機(jī)打印出，便于工藝人員根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量情況進(jìn)行工藝分析；同時(shí)還可存儲(chǔ)上百條工藝溫度曲線，根據(jù)工藝需要，直接調(diào)入相應(yīng)的成熟工藝曲線號(hào)運(yùn)行即可，操作十分簡(jiǎn)便。溫控系統(tǒng)采用帶通訊的高檔溫控儀分五段對(duì)爐絲進(jìn)行獨(dú)立控制，可精確控制各段爐絲的溫度，控溫精度≤0.5℃。內(nèi)置Profile TC與spike串級(jí)控制，可手動(dòng)設(shè)置溫度，又可與計(jì)算機(jī)通訊，按需要設(shè)置斜率升降溫或恒溫，達(dá)到全自動(dòng)控溫的目的。單管爐體的加熱電流在100 A左右。由于加熱功率較大，為保障電網(wǎng)電壓的平衡及防止對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，功率變壓器的初級(jí)采用三相△接法，采用調(diào)功器與溫控儀之間進(jìn)行通訊，調(diào)整爐體各區(qū)加熱功率，實(shí)現(xiàn)1 100 mm的超長(zhǎng)恒溫區(qū)。

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1反應(yīng)管壓力精確控制技術(shù)

在擴(kuò)散工藝過(guò)程中，反應(yīng)石英管內(nèi)真空度的精確性對(duì)于氣氛?qǐng)鼍鶆蛐约皵U(kuò)散方阻的均勻性有著非常重要的影響。尤其是在淺結(jié)高方阻的擴(kuò)散工藝中，精確的反應(yīng)管真空度控制是影響擴(kuò)散制結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，如何兼顧減壓擴(kuò)散爐反應(yīng)管壓力控制的快速性和精確控制是設(shè)備壓力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴(kuò)散爐，通過(guò)防腐真空泵提供的動(dòng)力，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽氣。壓力傳感器檢測(cè)到壓力信號(hào)后反饋到壓力控制器?？刂破饔?jì)算比較測(cè)量值與設(shè)定值之間的差值，發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)反應(yīng)管內(nèi)壓力，形成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖6為減壓擴(kuò)散壓力控制示意圖。

圖6　減壓擴(kuò)散壓力原理示意圖

4.2高溫環(huán)境下石英管可靠密封技術(shù)

擴(kuò)散工藝過(guò)程復(fù)雜，溫度高，反應(yīng)管的溫度可達(dá)850～900℃；工藝氣體具有腐蝕性；減壓擴(kuò)散反應(yīng)管的壓力為負(fù)壓。這使得擴(kuò)散工藝過(guò)程中反應(yīng)管的密封性要求極高，如果密封不良，一方面可能無(wú)法形成減壓擴(kuò)散所需要的低壓環(huán)境，不能滿足工藝的負(fù)壓條件；另一方面，在外部大氣壓力作用下，反應(yīng)管外的氣體和雜質(zhì)等可能進(jìn)入反應(yīng)管中，嚴(yán)重影響pn結(jié)的質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。爐口的密封圈如果直接跟爐管接觸，很容易因溫度過(guò)高而熔化損壞，導(dǎo)致密封失效，所以在實(shí)現(xiàn)高溫?cái)U(kuò)散爐工作腔密封時(shí)需要考慮到工作環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮密封結(jié)構(gòu)的耐高溫性能。如何實(shí)現(xiàn)減壓擴(kuò)散爐反應(yīng)管在低壓高溫環(huán)境下的可靠密封，是減壓擴(kuò)散爐設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴(kuò)散爐，爐門采用隔熱包方式，爐口密封采用進(jìn)口高溫氟橡膠，同時(shí)增加循環(huán)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下石英管可靠密封技術(shù)（見圖7）。

圖7　高溫密封爐門

5　應(yīng)用實(shí)例

M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴(kuò)散爐在湖南紅太陽(yáng)光光電公司智慧產(chǎn)線應(yīng)用情況見表1。

表1　減壓擴(kuò)散每方阻及均勻性

減壓擴(kuò)散電池效率與常規(guī)產(chǎn)線擴(kuò)散電池片效率對(duì)比見表2。

表2　常壓/減壓擴(kuò)散電池電性能參數(shù)表

從以上結(jié)果可以看出采用減壓擴(kuò)散，電池片的方阻均勻性與電池效率都有明顯提升，證明M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴(kuò)散爐相比常規(guī)擴(kuò)散爐有明顯優(yōu)勢(shì)。

6　結(jié)　論

M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴(kuò)散爐是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所開發(fā)的新一代高產(chǎn)能軟著陸減壓擴(kuò)散爐。該設(shè)備應(yīng)用在湖南紅太陽(yáng)光電科技公司智慧生產(chǎn)線，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到客戶的要求，整機(jī)性能優(yōu)良，滿足了客戶對(duì)高產(chǎn)能、低能耗、擴(kuò)散均勻性高等要求。

［1］ 賈京英.太陽(yáng)能電池制造裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43（7）：73-76.

［2］ 劉良玉，彭志堅(jiān).軟著陸潔凈閉管擴(kuò)散爐研制［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，39（2）：44-47.

［3］ 向小龍，禹慶榮，文庚云，等.光伏行業(yè)擴(kuò)散爐的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.太陽(yáng)能，2007，（11）：32-33.

M5111-6/UM five-tube soft landing diffusion furnace

XIE Yuliu，YU Qingrong，XU Shuoshuo，ZHU Yiyi

（The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China）

M5111-6/UM five-tube soft landing diffusion furnace，which is used in the diffusion process of crystalline silicon solar cell，is a fully-automatic，high productivity and lower pressure diffusion. This paper introduces the major structure and performance of this equipment，and outlines process result，the result shows that all the performance of this equipment has reached advanced level in China. Keywords：Solar cell；Diffusion process；Low pressure diffusionfurnace.

TN305

B

1004-4507（2016）08-0030-05

2016-06-02的控制越來(lái)越差，難以制備高質(zhì)量的淺結(jié)高方阻pn結(jié)。隨著技術(shù)的成熟，制備淺結(jié)高方阻pn結(jié)的減壓擴(kuò)散技術(shù)將成為主流工藝技術(shù)［1］。

謝于柳（1981-），男，海南文昌人，從事半導(dǎo)體專用設(shè)備和光伏裝備的研制工作，主要負(fù)責(zé)擴(kuò)散爐、PECVD等工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究。