M5111-6/UM型五管軟著陸擴散爐研制

謝于柳，禹慶榮，許爍爍，朱奕漪

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111）

M5111-6/UM型五管軟著陸擴散爐研制

謝于柳，禹慶榮，許爍爍，朱奕漪

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111）

M5111-6/UM型五管軟著陸擴散爐用于晶體硅太陽能電池片擴散工藝，具有全自動化、高產能、減壓擴散等特點，介紹該型號設備結構組成及性能，并給出了工藝結果，結果表明該設備各方面性能均已達到國內領先水平。

太陽能電池；擴散工藝；減壓擴散爐

光伏產業(yè)正處于加快調整期，市場“倒逼機制”加速企業(yè)重組，提高電池產線的工藝技術和裝備水平，淘汰落后產能。設備作為光伏產業(yè)的基礎和支撐，一代裝備支撐一代工藝技術，隨著半導體技術的不斷引入光伏產業(yè)，傳統(tǒng)電池線的工藝設備得到發(fā)展［1］，擴散工藝技術有從常壓向減壓發(fā)展趨勢，而工藝設備有由單臺自動化向整線全自動化發(fā)展的趨勢，更高的產能是市場經濟的一個永恒的主題。擴散爐是晶體硅光伏電池生產工藝中的關鍵工藝設備，用來在硅襯底表面進行摻雜制備pn結結構。pn結是晶體硅太陽能電池將光能轉化成電能的核心，因此擴散爐性能的優(yōu)劣直接決定晶體硅太陽能電池的光電轉換效率［2］。傳統(tǒng)的擴散工藝采用常壓擴散，即石英管內為常壓或微正壓。隨著太陽能電池擴散工藝向淺結高方阻方向發(fā)展，傳統(tǒng)的常壓擴散對硅片摻雜均勻性

中國電子科技集團公司第四十八研究所作為國內光伏裝備研制單位，致力于全自動化裝備的自主研發(fā)，2013年開始，先后與湖南紅太陽光電科技有限公司、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，進行減壓擴散工藝的推廣，其工藝結果達到行業(yè)先進水平。M5111-6/UM型五管軟著陸擴散爐是中國電子科技集團公司第四十八研究所研發(fā)的新一代全自動高產能減壓擴散工藝設備，是在原有工藝和設備基礎上進行裝備提升，該型號設備具備全自動化、高產能和減壓擴散功能等特點，同時預留石英舟硅片全檢插片機接口，滿足智慧生產線整線全自動化的發(fā)展。

1　主要技術指標

M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴散爐主要技術指標：

爐膛有效內徑：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；

產能：1 000片/管；（產線產能達100 MW/年）；

溫度控制范圍：400℃～1 100℃；

溫控精度：≤±0.5℃/1 300 mm

（801℃～1 100℃）；

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

溫度控制方式：五段內外熱偶雙回路溫度控制，自動校溫區(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：數字式流量計精確控制氣體流量，控制精度：±1%（FS）；

管內本底壓力：＜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：單晶100 Ω；多晶110 Ω，片內≤4%，片間≤3%，批間≤3%；

設備總功率：≤250 kVA，保溫功率：≤125 kVA；

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

2　減壓擴散工藝原理

減壓擴散工藝思路可分成以下幾個階段：低溫低壓沉積、高溫低壓推進、常壓氧化。低壓沉積和高溫推進階段都是在低壓環(huán)境下完成。減壓擴散工藝流程為：（1）關閉擴散爐爐門后，抽氣使石英管內壓力達到設定值進行高溫氧化，在硅片表面生成一層很薄的SiO2層；（2）通入小氮和氧氣，采用三步擴散法制備pn結，即：第一步低溫預擴散，擴散溫度維持在較低水平，反應速率慢，實現預擴散，在硅片表面沉積磷源；第二步高溫擴散：促進磷源的分解和向硅片內部的擴散，同時增加硅片表面的磷源濃度；第三步氧化：增加pn結深度和優(yōu)化表面摻雜濃度；（3）退火，改變擴散爐內部壓強除去雜質。

減壓擴散爐采用防腐泵對反應管內的尾氣進行抽氣強制排放，配備壓力調節(jié)器，形成管內局部負壓（見圖1）。

圖1　減壓擴散基本原理圖

3　設備主要結構及特點簡介

M5111-6/UM型五管軟著陸擴散爐主要由凈化柜、廢氣柜、爐體柜和氣源柜4個部件組成，設備構成見圖2。設備的主要特點有3個方面：

（1）設備的自動化程度高，從進料到出料實現工藝過程全自動化；

（2）擴散采用減壓方式，工藝實現窗口更寬，工藝平穩(wěn)性更好；

（3）設備產能大，恒溫區(qū)長度達到1 300 mm，實現1 000片/管（產線產能達100 MW/年）的大產能需求。

圖2　設備布局圖

3.1凈化柜

該部件是擴散爐設備自動化程度最高的部件，除了必備的推舟系統(tǒng)外，還配置機械手自動上下料系統(tǒng)（見圖3）和側滑臺系統(tǒng)（見圖4）（同時預留石英舟硅片全檢插片機接口），實現石英舟在設備內的上、下料自動化和石英舟進、出設備的自動化。

圖3　機械手自動上下料系統(tǒng)

圖4　側滑臺系統(tǒng)

3.2廢氣柜

廢氣柜內的排風效果可以有效地阻止有害氣體對凈化柜的污染。廢氣柜內最關鍵的部件就是高溫密封爐門機構（見圖5）。通過技術創(chuàng)新，爐門采用1級水平推進+旋轉機構+石英磨口密封的創(chuàng)新設計，爐口采用360°無死角循環(huán)冷卻系統(tǒng)，有效地實現了1 000℃高溫下爐口的有效密封。爐門機構推進平穩(wěn)，同時優(yōu)化的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［2］。

圖5　高溫密封爐門機構

3.3爐體柜

爐體是擴散爐的核心，為擴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散爐擁有1 300 mm超長恒溫區(qū)，采用五段控溫的方式，控溫精度高達±0.5℃（400～1 100℃時），達到國內先進水平。恒溫區(qū)配有5根保護熱偶來提高設備的可靠性，實現設備產能1 000片/管的超高產能。

3.4氣源柜

該部件實現氣路單管單控，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保護氣路，用于設備斷電時工藝片的保護。氣體流量采用進口數字式質量流量計控制，氣路的通斷由計算機控制電磁閥及相應的質量流量計控制器按照設定的工藝曲線完成相應的動作。液態(tài)源恒溫槽溫度控制獨立于計算機控制系統(tǒng)，通過手動設置工作溫度，自動實現控溫全過程。

3.5電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)延續(xù)中國電子科技集團公司第四十八研究所單管單控的優(yōu)勢，采用臺灣研華工控機+PLC現場控制的方式。針對不同權限級別設置不同操作等級，客觀真實地記錄每管的擴散工藝、氣體流量、工藝時間、爐溫變化趨勢、推舟狀況等各項參數，工藝完成后作為歷史記錄可隨時調出查看或通過外接打印機打印出，便于工藝人員根據產品質量情況進行工藝分析；同時還可存儲上百條工藝溫度曲線，根據工藝需要，直接調入相應的成熟工藝曲線號運行即可，操作十分簡便。溫控系統(tǒng)采用帶通訊的高檔溫控儀分五段對爐絲進行獨立控制，可精確控制各段爐絲的溫度，控溫精度≤0.5℃。內置Profile TC與spike串級控制，可手動設置溫度，又可與計算機通訊，按需要設置斜率升降溫或恒溫，達到全自動控溫的目的。單管爐體的加熱電流在100 A左右。由于加熱功率較大，為保障電網電壓的平衡及防止對電網的諧波干擾，功率變壓器的初級采用三相△接法，采用調功器與溫控儀之間進行通訊，調整爐體各區(qū)加熱功率，實現1 100 mm的超長恒溫區(qū)。

4　關鍵技術

4.1反應管壓力精確控制技術

在擴散工藝過程中，反應石英管內真空度的精確性對于氣氛場均勻性及擴散方阻的均勻性有著非常重要的影響。尤其是在淺結高方阻的擴散工藝中，精確的反應管真空度控制是影響擴散制結質量的關鍵因素之一，如何兼顧減壓擴散爐反應管壓力控制的快速性和精確控制是設備壓力控制系統(tǒng)的關鍵技術難點之一。M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴散爐，通過防腐真空泵提供的動力，對系統(tǒng)進行抽氣。壓力傳感器檢測到壓力信號后反饋到壓力控制器。控制器計算比較測量值與設定值之間的差值，發(fā)出信號，驅動壓力調節(jié)器，調節(jié)反應管內壓力，形成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖6為減壓擴散壓力控制示意圖。

圖6　減壓擴散壓力原理示意圖

4.2高溫環(huán)境下石英管可靠密封技術

擴散工藝過程復雜，溫度高，反應管的溫度可達850～900℃；工藝氣體具有腐蝕性；減壓擴散反應管的壓力為負壓。這使得擴散工藝過程中反應管的密封性要求極高，如果密封不良，一方面可能無法形成減壓擴散所需要的低壓環(huán)境，不能滿足工藝的負壓條件；另一方面，在外部大氣壓力作用下，反應管外的氣體和雜質等可能進入反應管中，嚴重影響pn結的質量，導致產品報廢。爐口的密封圈如果直接跟爐管接觸，很容易因溫度過高而熔化損壞，導致密封失效，所以在實現高溫擴散爐工作腔密封時需要考慮到工作環(huán)境的特殊性，設計時需要考慮密封結構的耐高溫性能。如何實現減壓擴散爐反應管在低壓高溫環(huán)境下的可靠密封，是減壓擴散爐設備的關鍵技術之一。M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴散爐，爐門采用隔熱包方式，爐口密封采用進口高溫氟橡膠，同時增加循環(huán)風冷結構，實現了高溫環(huán)境下石英管可靠密封技術（見圖7）。

圖7　高溫密封爐門

5　應用實例

M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴散爐在湖南紅太陽光光電公司智慧產線應用情況見表1。

表1　減壓擴散每方阻及均勻性

減壓擴散電池效率與常規(guī)產線擴散電池片效率對比見表2。

表2　常壓/減壓擴散電池電性能參數表

從以上結果可以看出采用減壓擴散，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散爐相比常規(guī)擴散爐有明顯優(yōu)勢。

6　結　論

M5111-6/UM型五管軟著陸減壓擴散爐是中國電子科技集團公司第四十八研究所開發(fā)的新一代高產能軟著陸減壓擴散爐。該設備應用在湖南紅太陽光電科技公司智慧生產線，各項技術指標均達到客戶的要求，整機性能優(yōu)良，滿足了客戶對高產能、低能耗、擴散均勻性高等要求。

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

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

［3］ 向小龍，禹慶榮，文庚云，等.光伏行業(yè)擴散爐的技術現狀及發(fā)展趨勢［J］.太陽能，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的控制越來越差，難以制備高質量的淺結高方阻pn結。隨著技術的成熟，制備淺結高方阻pn結的減壓擴散技術將成為主流工藝技術［1］。

謝于柳（1981-），男，海南文昌人，從事半導體專用設備和光伏裝備的研制工作，主要負責擴散爐、PECVD等工藝設備的設計和研究。