擴散退火一體化上下料機構設計

衛曉沖

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

擴散工藝是晶體硅太陽能電池的重要工藝之一，退火是單晶PERC(鈍化發射極及背局域接觸電池)電池片生產的必要一環，由于兩個工藝的特殊要求，石英舟是其必須的晶體硅載體，單晶硅片需置于石英舟內進行擴散和退火工藝。

1　石英舟特性及對裝卸片的影響

石英舟作為硅片載體，既滿足了耐高溫的要求，本身又是非金屬材料，不會帶入金屬離子及雜質離子。硅片在石英舟中的間距有兩種：4.76 mm（全間距），2.38 mm（半間距）。隨著低壓擴散技術的發展，真空腔室內穩定均勻的氣流允許放入更密集的電池片[1]，以及太陽能電池生產商對于產量的追求，半間距1 000片及以上容量的石英舟，已經是市場上的主流使用載體。本文針對的是1 200片容量半間距的菱形石英舟。

由于擴散前退火后的工序使用的都是100片的籃具，而且是兩種不同的籃具。上下料機的功能是完成硅片從100片前工序籃具中取出，然后裝入石英舟內，進行擴散工藝，擴散工藝完成后，直接進行退火，退火后將石英舟內的硅片取出，放入100片后工序籃具。設備功能可選單裝、單卸或裝卸一體。100片籃具的間距為4.76 mm，這決定了吸附硅片所用的吸盤間距為4.76 mm。石英舟內硅片全部成3°傾斜，兩張硅片背對背緊貼被置于一個槽內，其中制絨面朝外。石英舟的齒槽寬度，不同廠家尺寸不一，但都在1 mm左右，需要的裝片精度高。

2　設備的工藝流程及技術參數

工藝流程如圖 1所示。A、B、C、D、E、F處為吸盤裝卸硅片處，石英舟傳送1和石英舟傳送2交替進行，當石英舟傳送1正在取放硅片時，石英舟傳送2要完成準備工作，以節省上下料時間。

（1）放置石英舟至石英舟傳送1或2上，然后傳送石英舟到裝卸片位置等待；

（2）放兩個裝滿硅片的前工序籃具到前工序籃具傳送1、2入口，籃具方向一正一反，然后傳送到裝卸片位置等待，籃具中硅片取走后，籃具傳送至出口處，等待人工取走；

（3）放兩個空的后工序籃具到后工序籃具傳送1、2入口，籃具方向一正一反，然后傳送到裝卸片位置等待，裝滿硅片后，籃具傳送至出口處，等待人工取走；

（4）卸片：兩組吸盤組件移動至A或B處，各吸取50片硅片，硅片兩兩分開，分別移動至E、F上方，然后放片入籃具，籃具向后傳送，抽取籃具內的硅片，進行方塊電阻檢測；

（5）裝片：兩組吸盤組件移動至C、D處，各吸取50片硅片，兩組硅片交叉重疊，完成背對背緊貼，然后移動至A或B上方，最后放入石英舟的空槽內；

（6）當石英舟裝滿擴散前的硅片后，搬舟組件將石英舟搬送至擴散對接傳送的梭板上，然后將石英舟傳送到擴散工藝爐內，擴散完成后，再將該石英舟搬送至退火對接傳送的梭板上，將石英舟傳送到退火工藝爐內，進行退火工藝。退火完成后，再將石英舟搬送到石英舟傳送1或2的托盤上，進行裝卸片。

圖1　工藝流程示意圖

主要技術參數：

適用硅片：156.75 mm×156.75 mm（±0.5 mm），

硅片厚度：180 μm±20 μm

產能：4 000片/h

碎片率：≤5/10000

上線時間：≥98%

籃具工位數：4個

3　設備主要結構

設備結構組成：設備主體、石英舟傳送組件、前/后工序籃具傳送組件、吸盤移動組件、在線方阻檢測組件，搬舟組件等。如圖2所示。

設備主體：由于設備尺寸較大，為了保證設備的強度及整體剛性，主要安裝基體采用方鋼管焊接而成，并對安裝面進行精磨銑削，來保證安裝面的平整度；主體外殼主要采用鈑金件加工而成，必要的地方，安裝門窗，方便操作，在設備運行過程中，打開門窗，會觸發感應開關，使運動系統暫停，防止產生人身傷害。

石英舟移動組件：主要完成石英舟的往復運動，采用伺服電機加滾珠絲杠的驅動方式。在石英舟固定面加滾輪，對石英舟進行氣缸的推夾時，減少摩擦力，防止石英舟受力過大，而增加碎舟的概率。

圖2　結構組成示意圖

籃具傳送組件：采用同步帶傳送，驅動電機選擇交流電機。在裝卸片位置，對籃具采用氣缸進行定位夾緊。為了讓籃具內的硅片導向一致，以方便吸盤吸取，傳送組件整體傾斜3°。

吸盤移動組件：是設備的重要部分，主要完成硅片的吸附放置。

（1）移動：該組件共有4個運動軸，完成包含硅片x，y，z，θ方向的動作，涵蓋了硅片背靠背貼附功能，硅片在籃具與石英舟之間的往復運動，硅片的上升下降動作。4個軸采取伺服電機加滾珠絲杠的驅動方式，達到精確的位置控制。

（2）吸附：吸盤采用真空原理，通過真空負壓來吸附硅片，吸附硅片時，真空度可以達到-70 kPa左右，可以保證吸附的牢固度，避免掉片現象。吸盤材質選用氧化鋁陶瓷，該材質耐磨，耐高溫，尤其是機械強度高，可以加工出高精度的零件，非常適合作為吸盤的加工材料。50片單個吸盤組裝成為一組吸附系統，一次吸取硅片50片，保證了生產效率。50片吸盤的組裝過程需要特別注意，吸盤之間的間距要保證4.76 mm，50片的累積誤差要小于0.1 mm。吸盤組裝完成后，需進行漏氣測試，以免影響吸附效果。

在線方阻檢測組件：方塊電阻檢測采用Semilab品牌，為了減小主體設備的振動，對于檢測數據準確性的影響，該組件獨立于設備主體，不與設備進行連接，而且此處吸取硅片的吸盤，尺寸大，接觸硅片的面積大，可以減小硅片運動過程中的晃動。

搬舟組件：主要完成石英舟在各個工位的搬送，采用伺服電機加滾珠絲杠的驅動方式，對接傳送采用同步帶傳送，減少了人工干預，降低石英舟的損壞幾率；與舟接觸的位置，采用聚四氟乙烯材料，既耐高溫，摩擦系數也小，增加石英舟使用壽命。

4　結束語

本文介紹的一體化上下料機，其創新點在于將擴散和退火的上下料結構集成到一臺設備中，減少了硅片在石英舟和籃具中的倒換次數，極大的降低了硅片的不良率和碎片率，對于硅片質量的提升是非常顯著的。

參考文獻：

[1]李吉，孫朋濤，鄭建宇，等.低壓磷擴散工藝研究[D].北京：中國可再生能源學會，2016.