软着陆洁净闭管扩散炉研制

2010-08-09刘良玉彭志坚

电子工业专用设备 2010年2期

刘良玉，彭志坚

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙 410111)

随着全球能源危机一浪高过一浪，不断飙升的价格红线已使各国难以承受，能源安全与经济安全、经济安全与国家安全再一次引起了世人的关注，用新型能源来替代常规能源，是解决问题的关键，也是全球能源问题的根本出路。太阳能作为“取之不尽、用之不竭”的绿色能源受到世界各国研究人员的关注，纷纷推出各种政策鼓励和支持光伏产业的发展，近5年来光伏产业综合增长速度超过40%/年[1]。

扩散炉是晶体硅光伏电池生产工艺中的关键工艺设备，用来在p型硅衬底表面进行n型掺杂制备pn结。pn结是晶体硅光伏电池将光能转化成电能的核心，因此扩散炉性能的优劣直接决定着晶体硅光伏电池的光电转化效率。随新着近年来光伏产业的迅猛发展，扩散炉也大跨步地前进，不断地推出新工艺、新方法。软着陆洁净扩散是近年来发展起来的一项技术，实现了节源洁净扩散(源耗降低了1/3)，尾气定向收集、炉门高温密封、推舟免清洗维护等一系列传统扩散炉无法实现的功能，在技术上取得了质的飞跃。国内首台大口径软着陆洁净闭管扩散炉(见图1)的问世并成功应用于大生产线上进行生产运行，证明国产软着陆扩散炉在技术已经取得了重大突破。设备各项技术性能处于国际先进、国内领先水平。

图1 软着陆洁净闭管扩散炉

1 设备主要技术指标

软着陆扩散炉主要技术指标如下：

(1)炉膛有效内径：φ350mm(适用于8英寸方片)

(2)温度控制范围：400～1 100℃

(3)恒温区长度及精度：≤±0.5℃/1080 mm(801～1 100℃)

≤±1.5℃/1 080 mm(400～800℃)

(4)单点温度稳定性：≤±1℃/4 h(880℃时)

(5)送片方式：

采用SiC桨悬臂软着陆自动送片机构，水平舟速20～1 000 mm/min连续可调；垂直速度：5 mm/min～10 mm/min,定位精度:≤±2 mm，SiC桨最大载片质量:13 kg

(6)工艺过程由工控计算机全自动控制，直接在触摸屏上操作。

2 工艺原理

太阳电池制造工艺中，磷扩散一般有三种方法，一是三氯氧磷(POCl3)液态源扩散，二是喷涂磷酸水溶液后链式扩散，三是丝网印刷磷浆料后链式扩散。目前应用最广泛、技术最成熟的是第一种方法。

POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，它是无色透明液体，具有刺激性气味。POCl3在高温下(>600℃)分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5)，其反应式为：

生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅(SiO2)和磷原子，其反应式如下：

由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧(O2)参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气(Cl2)其反应式为：

生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气，在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：

POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散，反应式如前所示：

POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高，得到pn结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，适于制作具有大的结面积的太阳电池。

3 设备主要结构及功能

设备主要由控制系统、净化操作台、推舟系统、排毒柜、炉体柜、气源柜六大部分组成，参见图2。

图2 软着陆洁净闭管扩散炉布局示意图

4 关键技术

(1)控制系统

控制系统由工业控制计算机、板卡、液晶显示器、触摸屏和质量流量计等电子元器件组成。通过液晶显示器可以很直观地看到系统当前工作状态，并可直接通过触摸屏在屏幕上点击各个功能菜单完成各种不同功能，比如工艺曲线的修改与创建、工艺气体流量的设定、阀门开关量的控制、炉门开关动作的控制、推舟运动的控制等等，控制系统原理框图如图3所示。

图3 控制系统原理框图

中文操作控制软件具有良好的人机界面，可实现工艺过程全自动控制，减少了人为因素的影响，大大地提高了设备的自动化程度及可靠性。此外，软件还有实时数据记录、历史记录查询、工艺数据输出、常见故障诊断等功能。

安全互锁功能是考量设备可靠性的一个重要内容。该设备除具有超温、断偶、断水、停气(包括工艺气体和非工艺气体)、热偶短路等基本保护功能外，还有推舟过载、舟未完全退出石英管这两个非常关键的保护功能，这两种功能可保护石英管、石英舟、SiC悬臂桨、硅片等昂贵元器件的损坏，避免不必要的重大损失。

(2)推舟系统

推舟系统采用悬臂桨推拉舟软着陆的方式将硅片送进和取出石英管，由水平传动机构、垂直传动机构、悬臂桨夹持机构和电气控制系统4部分组成。

水平传动机构由步进电机、减速机、T型精密直线导轨、同步带、同步带轮组成，具有运动平稳可靠、定位精度高、重复精度高、成本低等优点，在实践使用中取得了良好的效果。

垂直传动机构由步进电机、减速机、蜗轮升降机、推舟底板等组成。通过升降机实现推舟底板的整体升降一方面减轻了悬臂的负荷，提高了安全系统，另一方面保证了多管设备的推舟底板在同一个平面内，为自动上下料奠定了基础。

软着陆的桨夹持机构进行了技术创新，大大地简化了安装操作，提高了工作效率。由于软着陆扩散炉进行扩散工艺时SiC悬臂桨退出了石英管，所以避免了掺杂源的污染而且也不会污染到石英管，不仅实现了SiC悬臂桨免清洗，而且延长了使用寿命。

推舟控制系统由步进电机驱动器、变压器、继电器等电子元器件组成，主要用来实现步进电机转速及方向的控制和与计算机的通信功能。

(3)排毒柜

扩散工艺结束后，石英管内仍不可避免地有一部分有害气体残留，当炉门打开后，有害气体就会从石英管口逸出，对环境造成污染。强化排毒柜内的排风效果可以有效地阻止有害气体对净化操作环境的污染。

排毒柜内最关键的部件就是高温密封炉门。炉门密封性能的优劣直接决定着闭管工艺的成败。金属离子对电池片质量有着致命的危害，传统的水冷法兰密封方式无法满足工艺要求。同时扩散工艺最高温度高达1 000℃左右，橡胶密封圈无法在这么高温度的工况下正常工作。而闭管扩散工艺必须保证整个工艺腔体密封可靠，不能有丝毫泄露，否则闭管扩散工艺无从谈起。通过技术创新，采用两级水平推进+1级旋转驱动+石英磨口密封的创新设计，有效地实现了1 000℃高温下的有效密封，同时优化结构设计避免了偏磷酸的凝结，在实际使用中取得了很好的效果。

(4)炉体柜

炉体设计技术是扩散炉的核心技术之一，为扩散工艺提供必备的高温工作环境。恒温区的长度直接决定着扩散炉的产能，采用五段控温的方式，使恒温区长达1 080 mm，控温精度高达±0.5℃(850℃时)达到国内先进水平。恒温区配有3根保护热偶提高设备的可靠性，避免对工艺造成严重的不利后果。