軟著陸潔凈閉管擴散爐研制

劉良玉，彭志堅

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙 410111)

隨著全球能源危機一浪高過一浪，不斷飆升的價格紅線已使各國難以承受，能源安全與經濟安全、經濟安全與國家安全再一次引起了世人的關注，用新型能源來替代常規能源，是解決問題的關鍵，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注，紛紛推出各種政策鼓勵和支持光伏產業的發展，近5年來光伏產業綜合增長速度超過40%/年[1]。

擴散爐是晶體硅光伏電池生產工藝中的關鍵工藝設備，用來在p型硅襯底表面進行n型摻雜制備pn結。pn結是晶體硅光伏電池將光能轉化成電能的核心，因此擴散爐性能的優劣直接決定著晶體硅光伏電池的光電轉化效率。隨新著近年來光伏產業的迅猛發展，擴散爐也大跨步地前進，不斷地推出新工藝、新方法。軟著陸潔凈擴散是近年來發展起來的一項技術，實現了節源潔凈擴散(源耗降低了1/3)，尾氣定向收集、爐門高溫密封、推舟免清洗維護等一系列傳統擴散爐無法實現的功能，在技術上取得了質的飛躍。國內首臺大口徑軟著陸潔凈閉管擴散爐(見圖1)的問世并成功應用于大生產線上進行生產運行，證明國產軟著陸擴散爐在技術已經取得了重大突破。設備各項技術性能處于國際先進、國內領先水平。

圖1 軟著陸潔凈閉管擴散爐

1 設備主要技術指標

軟著陸擴散爐主要技術指標如下：

(1)爐膛有效內徑：φ350mm(適用于8英寸方片)

(2)溫度控制范圍：400～1 100℃

(3)恒溫區長度及精度：≤±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構，水平舟速20～1 000 mm/min連續可調；垂直速度：5 mm/min～10 mm/min,定位精度:≤±2 mm，SiC槳最大載片質量:13 kg

(6)工藝過程由工控計算機全自動控制，直接在觸摸屏上操作。

2 工藝原理

太陽電池制造工藝中，磷擴散一般有三種方法，一是三氯氧磷(POCl3)液態源擴散，二是噴涂磷酸水溶液后鏈式擴散，三是絲網印刷磷漿料后鏈式擴散。目前應用最廣泛、技術最成熟的是第一種方法。

POCl3是目前磷擴散用得較多的一種雜質源，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)，其反應式為：

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

由上面反應式可以看出，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。但在有外來O2存在的情況下，PCl5會進一步分解成P2O5并放出氯氣(Cl2)其反應式為：

生成的P2O5又進一步與硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可見，在磷擴散時，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熱分解的反應式為：

POCl3分解產生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應生成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行擴散，反應式如前所示：

POCl3液態源擴散方法具有生產效率較高，得到pn結均勻、平整和擴散層表面良好等優點，適于制作具有大的結面積的太陽電池。

3 設備主要結構及功能

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

圖2 軟著陸潔凈閉管擴散爐布局示意圖

4 關鍵技術

(1)控制系統

控制系統由工業控制計算機、板卡、液晶顯示器、觸摸屏和質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當前工作狀態，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建、工藝氣體流量的設定、閥門開關量的控制、爐門開關動作的控制、推舟運動的控制等等，控制系統原理框圖如圖3所示。

圖3 控制系統原理框圖

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

安全互鎖功能是考量設備可靠性的一個重要內容。該設備除具有超溫、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功能外，還有推舟過載、舟未完全退出石英管這兩個非常關鍵的保護功能，這兩種功能可保護石英管、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

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

水平傳動機構由步進電機、減速機、T型精密直線導軌、同步帶、同步帶輪組成，具有運動平穩可靠、定位精度高、重復精度高、成本低等優點，在實踐使用中取得了良好的效果。

垂直傳動機構由步進電機、減速機、蝸輪升降機、推舟底板等組成。通過升降機實現推舟底板的整體升降一方面減輕了懸臂的負荷，提高了安全系統，另一方面保證了多管設備的推舟底板在同一個平面內，為自動上下料奠定了基礎。

軟著陸的槳夾持機構進行了技術創新，大大地簡化了安裝操作，提高了工作效率。由于軟著陸擴散爐進行擴散工藝時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，不僅實現了SiC懸臂槳免清洗，而且延長了使用壽命。

推舟控制系統由步進電機驅動器、變壓器、繼電器等電子元器件組成，主要用來實現步進電機轉速及方向的控制和與計算機的通信功能。

(3)排毒柜

擴散工藝結束后，石英管內仍不可避免地有一部分有害氣體殘留，當爐門打開后，有害氣體就會從石英管口逸出，對環境造成污染。強化排毒柜內的排風效果可以有效地阻止有害氣體對凈化操作環境的污染。

排毒柜內最關鍵的部件就是高溫密封爐門。爐門密封性能的優劣直接決定著閉管工藝的成敗。金屬離子對電池片質量有著致命的危害，傳統的水冷法蘭密封方式無法滿足工藝要求。同時擴散工藝最高溫度高達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，否則閉管擴散工藝無從談起。通過技術創新，采用兩級水平推進+1級旋轉驅動+石英磨口密封的創新設計，有效地實現了1 000℃高溫下的有效密封，同時優化結構設計避免了偏磷酸的凝結，在實際使用中取得了很好的效果。

(4)爐體柜

爐體設計技術是擴散爐的核心技術之一，為擴散工藝提供必備的高溫工作環境。恒溫區的長度直接決定著擴散爐的產能，采用五段控溫的方式，使恒溫區長達1 080 mm，控溫精度高達±0.5℃(850℃時)達到國內先進水平。恒溫區配有3根保護熱偶提高設備的可靠性，避免對工藝造成嚴重的不利后果。

5 結束語

軟著陸潔凈閉管擴散爐是新興發展起來的技術，該設備的研制成功不僅對當前的光伏產業鏈國產化有著非常重要的意義，而且對于以后的減壓擴散和真空擴散工藝奠定了良好的技術基礎。從附表1中的數據可以看出，軟著陸擴散爐的片內、片間、批間均勻性都達到了國際先進、國內領先水平。

附表1某生產線軟著陸潔凈擴散爐工藝測試數據