軟著陸潔凈閉管擴(kuò)散爐研制

劉良玉，彭志堅

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

隨著全球能源危機(jī)一浪高過一浪，不斷飆升的價格紅線已使各國難以承受，能源安全與經(jīng)濟(jì)安全、經(jīng)濟(jì)安全與國家安全再一次引起了世人的關(guān)注，用新型能源來替代常規(guī)能源，是解決問題的關(guān)鍵，也是全球能源問題的根本出路。太陽能作為“取之不盡、用之不竭”的綠色能源受到世界各國研究人員的關(guān)注，紛紛推出各種政策鼓勵和支持光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近5年來光伏產(chǎn)業(yè)綜合增長速度超過40%/年[1]。

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，用來在p型硅襯底表面進(jìn)行n型摻雜制備pn結(jié)。pn結(jié)是晶體硅光伏電池將光能轉(zhuǎn)化成電能的核心，因此擴(kuò)散爐性能的優(yōu)劣直接決定著晶體硅光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。隨新著近年來光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，擴(kuò)散爐也大跨步地前進(jìn)，不斷地推出新工藝、新方法。軟著陸潔凈擴(kuò)散是近年來發(fā)展起來的一項技術(shù)，實現(xiàn)了節(jié)源潔凈擴(kuò)散(源耗降低了1/3)，尾氣定向收集、爐門高溫密封、推舟免清洗維護(hù)等一系列傳統(tǒng)擴(kuò)散爐無法實現(xiàn)的功能，在技術(shù)上取得了質(zhì)的飛躍。國內(nèi)首臺大口徑軟著陸潔凈閉管擴(kuò)散爐(見圖1)的問世并成功應(yīng)用于大生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)運行，證明國產(chǎn)軟著陸擴(kuò)散爐在技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破。設(shè)備各項技術(shù)性能處于國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖1 軟著陸潔凈閉管擴(kuò)散爐

1 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

軟著陸擴(kuò)散爐主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)爐膛有效內(nèi)徑：φ350mm(適用于8英寸方片)

(2)溫度控制范圍：400～1 100℃

(3)恒溫區(qū)長度及精度：≤±0.5℃/1080 mm(801～1 100℃)

≤±1.5℃/1 080 mm(400～800℃)

(4)單點溫度穩(wěn)定性：≤±1℃/4 h(880℃時)

(5)送片方式：

采用SiC槳懸臂軟著陸自動送片機(jī)構(gòu)，水平舟速20～1 000 mm/min連續(xù)可調(diào)；垂直速度：5 mm/min～10 mm/min,定位精度:≤±2 mm，SiC槳最大載片質(zhì)量:13 kg

(6)工藝過程由工控計算機(jī)全自動控制，直接在觸摸屏上操作。

2 工藝原理

太陽電池制造工藝中，磷擴(kuò)散一般有三種方法，一是三氯氧磷(POCl3)液態(tài)源擴(kuò)散，二是噴涂磷酸水溶液后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散，三是絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散。目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的是第一種方法。

POCl3是目前磷擴(kuò)散用得較多的一種雜質(zhì)源，它是無色透明液體，具有刺激性氣味。POCl3在高溫下(>600℃)分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5)，其反應(yīng)式為：

生成的P2O5在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng)，生成二氧化硅(SiO2)和磷原子，其反應(yīng)式如下：

由上面反應(yīng)式可以看出，POCl3熱分解時，如果沒有外來的氧(O2)參與其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且對硅有腐蝕作用，破壞硅片的表面狀態(tài)。但在有外來O2存在的情況下，PCl5會進(jìn)一步分解成P2O5并放出氯氣(Cl2)其反應(yīng)式為：

生成的P2O5又進(jìn)一步與硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可見，在磷擴(kuò)散時，為了促使POCl3充分的分解和避免PCl5對硅片表面的腐蝕作用，必須在通氮氣的同時通入一定流量的氧氣，在有氧氣的存在時，POCl3熱分解的反應(yīng)式為：

POCl3分解產(chǎn)生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應(yīng)生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一層磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散，反應(yīng)式如前所示：

POCl3液態(tài)源擴(kuò)散方法具有生產(chǎn)效率較高，得到pn結(jié)均勻、平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點，適于制作具有大的結(jié)面積的太陽電池。

3 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)及功能

設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、凈化操作臺、推舟系統(tǒng)、排毒柜、爐體柜、氣源柜六大部分組成，參見圖2。

圖2 軟著陸潔凈閉管擴(kuò)散爐布局示意圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

(1)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)、板卡、液晶顯示器、觸摸屏和質(zhì)量流量計等電子元器件組成。通過液晶顯示器可以很直觀地看到系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)，并可直接通過觸摸屏在屏幕上點擊各個功能菜單完成各種不同功能，比如工藝曲線的修改與創(chuàng)建、工藝氣體流量的設(shè)定、閥門開關(guān)量的控制、爐門開關(guān)動作的控制、推舟運動的控制等等，控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

中文操作控制軟件具有良好的人機(jī)界面，可實現(xiàn)工藝過程全自動控制，減少了人為因素的影響，大大地提高了設(shè)備的自動化程度及可靠性。此外，軟件還有實時數(shù)據(jù)記錄、歷史記錄查詢、工藝數(shù)據(jù)輸出、常見故障診斷等功能。

安全互鎖功能是考量設(shè)備可靠性的一個重要內(nèi)容。該設(shè)備除具有超溫、斷偶、斷水、停氣(包括工藝氣體和非工藝氣體)、熱偶短路等基本保護(hù)功能外，還有推舟過載、舟未完全退出石英管這兩個非常關(guān)鍵的保護(hù)功能，這兩種功能可保護(hù)石英管、石英舟、SiC懸臂槳、硅片等昂貴元器件的損壞，避免不必要的重大損失。

(2)推舟系統(tǒng)

推舟系統(tǒng)采用懸臂槳推拉舟軟著陸的方式將硅片送進(jìn)和取出石英管，由水平傳動機(jī)構(gòu)、垂直傳動機(jī)構(gòu)、懸臂槳夾持機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)4部分組成。

水平傳動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、T型精密直線導(dǎo)軌、同步帶、同步帶輪組成，具有運動平穩(wěn)可靠、定位精度高、重復(fù)精度高、成本低等優(yōu)點，在實踐使用中取得了良好的效果。

垂直傳動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、蝸輪升降機(jī)、推舟底板等組成。通過升降機(jī)實現(xiàn)推舟底板的整體升降一方面減輕了懸臂的負(fù)荷，提高了安全系統(tǒng)，另一方面保證了多管設(shè)備的推舟底板在同一個平面內(nèi)，為自動上下料奠定了基礎(chǔ)。

軟著陸的槳夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，大大地簡化了安裝操作，提高了工作效率。由于軟著陸擴(kuò)散爐進(jìn)行擴(kuò)散工藝時SiC懸臂槳退出了石英管，所以避免了摻雜源的污染而且也不會污染到石英管，不僅實現(xiàn)了SiC懸臂槳免清洗，而且延長了使用壽命。

推舟控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、變壓器、繼電器等電子元器件組成，主要用來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及方向的控制和與計算機(jī)的通信功能。

(3)排毒柜

擴(kuò)散工藝結(jié)束后，石英管內(nèi)仍不可避免地有一部分有害氣體殘留，當(dāng)爐門打開后，有害氣體就會從石英管口逸出，對環(huán)境造成污染。強(qiáng)化排毒柜內(nèi)的排風(fēng)效果可以有效地阻止有害氣體對凈化操作環(huán)境的污染。

排毒柜內(nèi)最關(guān)鍵的部件就是高溫密封爐門。爐門密封性能的優(yōu)劣直接決定著閉管工藝的成敗。金屬離子對電池片質(zhì)量有著致命的危害，傳統(tǒng)的水冷法蘭密封方式無法滿足工藝要求。同時擴(kuò)散工藝最高溫度高達(dá)1 000℃左右，橡膠密封圈無法在這么高溫度的工況下正常工作。而閉管擴(kuò)散工藝必須保證整個工藝腔體密封可靠，不能有絲毫泄露，否則閉管擴(kuò)散工藝無從談起。通過技術(shù)創(chuàng)新，采用兩級水平推進(jìn)+1級旋轉(zhuǎn)驅(qū)動+石英磨口密封的創(chuàng)新設(shè)計，有效地實現(xiàn)了1 000℃高溫下的有效密封，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計避免了偏磷酸的凝結(jié)，在實際使用中取得了很好的效果。

(4)爐體柜

爐體設(shè)計技術(shù)是擴(kuò)散爐的核心技術(shù)之一，為擴(kuò)散工藝提供必備的高溫工作環(huán)境。恒溫區(qū)的長度直接決定著擴(kuò)散爐的產(chǎn)能，采用五段控溫的方式，使恒溫區(qū)長達(dá)1 080 mm，控溫精度高達(dá)±0.5℃(850℃時)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。恒溫區(qū)配有3根保護(hù)熱偶提高設(shè)備的可靠性，避免對工藝造成嚴(yán)重的不利后果。

5 結(jié)束語

軟著陸潔凈閉管擴(kuò)散爐是新興發(fā)展起來的技術(shù)，該設(shè)備的研制成功不僅對當(dāng)前的光伏產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化有著非常重要的意義，而且對于以后的減壓擴(kuò)散和真空擴(kuò)散工藝奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。從附表1中的數(shù)據(jù)可以看出，軟著陸擴(kuò)散爐的片內(nèi)、片間、批間均勻性都達(dá)到了國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平。

附表1某生產(chǎn)線軟著陸潔凈擴(kuò)散爐工藝測試數(shù)據(jù)