M5111-6/UM型五管软着陆扩散炉研制

谢于柳，禹庆荣，许烁烁，朱奕漪

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

M5111-6/UM型五管软着陆扩散炉研制

谢于柳，禹庆荣，许烁烁，朱奕漪

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

M5111-6/UM型五管软着陆扩散炉用于晶体硅太阳能电池片扩散工艺，具有全自动化、高产能、减压扩散等特点，介绍该型号设备结构组成及性能，并给出了工艺结果，结果表明该设备各方面性能均已达到国内领先水平。

太阳能电池；扩散工艺；减压扩散炉

光伏产业正处于加快调整期，市场“倒逼机制”加速企业重组，提高电池产线的工艺技术和装备水平，淘汰落后产能。设备作为光伏产业的基础和支撑，一代装备支撑一代工艺技术，随着半导体技术的不断引入光伏产业，传统电池线的工艺设备得到发展［1］，扩散工艺技术有从常压向减压发展趋势，而工艺设备有由单台自动化向整线全自动化发展的趋势，更高的产能是市场经济的一个永恒的主题。扩散炉是晶体硅光伏电池生产工艺中的关键工艺设备，用来在硅衬底表面进行掺杂制备pn结结构。pn结是晶体硅太阳能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晶体硅太阳能电池的光电转换效率［2］。传统的扩散工艺采用常压扩散，即石英管内为常压或微正压。随着太阳能电池扩散工艺向浅结高方阻方向发展，传统的常压扩散对硅片掺杂均匀性

中国电子科技集团公司第四十八研究所作为国内光伏装备研制单位，致力于全自动化装备的自主研发，2013年开始，先后与湖南红太阳光电科技有限公司、苏州阿特斯科技有限公司和锦州华创等光伏企业合作，进行减压扩散工艺的推广，其工艺结果达到行业先进水平。M5111-6/UM型五管软着陆扩散炉是中国电子科技集团公司第四十八研究所研发的新一代全自动高产能减压扩散工艺设备，是在原有工艺和设备基础上进行装备提升，该型号设备具备全自动化、高产能和减压扩散功能等特点，同时预留石英舟硅片全检插片机接口，满足智慧生产线整线全自动化的发展。

1　主要技术指标

M5111-6/UM型五管软着陆减压扩散炉主要技术指标：

炉膛有效内径：φ350 mm；

硅片尺寸：兼容125 mm×125 mm、156 mm× 156 mm，适用于160～220 μm厚度的硅片；

产能：1 000片/管；（产线产能达100 MW/年）；

温度控制范围：400℃～1 100℃；

温控精度：≤±0.5℃/1 300 mm

（801℃～1 100℃）；

单点温度稳定性：≤±0.5℃/24 h（静态，900℃时）；

温度控制方式：五段内外热偶双回路温度控制，自动校温区；

炉体升降温速率：最大可控升温速率：15℃/min，最大可控降温速率：5℃/min（900℃～1 100℃）；

气路控制：数字式流量计精确控制气体流量，控制精度：±1%（FS）；

管内本底压力：＜2 000 Pa；

压力控制精度：＜±100 Pa（10～50 kPa）；

工艺气体用量（小氮、氧气、大氮）：＜（1SLM、1SLM、3SLM）；

硅片每方块电阻均匀性：单晶100 Ω；多晶110 Ω，片内≤4%，片间≤3%，批间≤3%；

设备总功率：≤250 kVA，保温功率：≤125 kVA；

设备尺寸：6820 mm×1690 mm×3473 mm（误差在±10 mm内。）

2　减压扩散工艺原理

减压扩散工艺思路可分成以下几个阶段：低温低压沉积、高温低压推进、常压氧化。低压沉积和高温推进阶段都是在低压环境下完成。减压扩散工艺流程为：（1）关闭扩散炉炉门后，抽气使石英管内压力达到设定值进行高温氧化，在硅片表面生成一层很薄的SiO2层；（2）通入小氮和氧气，采用三步扩散法制备pn结，即：第一步低温预扩散，扩散温度维持在较低水平，反应速率慢，实现预扩散，在硅片表面沉积磷源；第二步高温扩散：促进磷源的分解和向硅片内部的扩散，同时增加硅片表面的磷源浓度；第三步氧化：增加pn结深度和优化表面掺杂浓度；（3）退火，改变扩散炉内部压强除去杂质。

减压扩散炉采用防腐泵对反应管内的尾气进行抽气强制排放，配备压力调节器，形成管内局部负压（见图1）。

图1　减压扩散基本原理图

3　设备主要结构及特点简介

M5111-6/UM型五管软着陆扩散炉主要由净化柜、废气柜、炉体柜和气源柜4个部件组成，设备构成见图2。设备的主要特点有3个方面：

（1）设备的自动化程度高，从进料到出料实现工艺过程全自动化；

（2）扩散采用减压方式，工艺实现窗口更宽，工艺平稳性更好；

（3）设备产能大，恒温区长度达到1 300 mm，实现1 000片/管（产线产能达100 MW/年）的大产能需求。

图2　设备布局图

3.1净化柜

该部件是扩散炉设备自动化程度最高的部件，除了必备的推舟系统外，还配置机械手自动上下料系统（见图3）和侧滑台系统（见图4）（同时预留石英舟硅片全检插片机接口），实现石英舟在设备内的上、下料自动化和石英舟进、出设备的自动化。

图3　机械手自动上下料系统

图4　侧滑台系统

3.2废气柜

废气柜内的排风效果可以有效地阻止有害气体对净化柜的污染。废气柜内最关键的部件就是高温密封炉门机构（见图5）。通过技术创新，炉门采用1级水平推进+旋转机构+石英磨口密封的创新设计，炉口采用360°无死角循环冷却系统，有效地实现了1 000℃高温下炉口的有效密封。炉门机构推进平稳，同时优化的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［2］。

图5　高温密封炉门机构

3.3炉体柜

炉体是扩散炉的核心，为扩散工艺提供必备的高温工作环境。M5111-6/UM型五管软着陆减压扩散炉拥有1 300 mm超长恒温区，采用五段控温的方式，控温精度高达±0.5℃（400～1 100℃时），达到国内先进水平。恒温区配有5根保护热偶来提高设备的可靠性，实现设备产能1 000片/管的超高产能。

3.4气源柜

该部件实现气路单管单控，各管气路系统除配有工艺所必备的气路外，另外增加一路N2保护气路，用于设备断电时工艺片的保护。气体流量采用进口数字式质量流量计控制，气路的通断由计算机控制电磁阀及相应的质量流量计控制器按照设定的工艺曲线完成相应的动作。液态源恒温槽温度控制独立于计算机控制系统，通过手动设置工作温度，自动实现控温全过程。

3.5电控系统

电控系统延续中国电子科技集团公司第四十八研究所单管单控的优势，采用台湾研华工控机+PLC现场控制的方式。针对不同权限级别设置不同操作等级，客观真实地记录每管的扩散工艺、气体流量、工艺时间、炉温变化趋势、推舟状况等各项参数，工艺完成后作为历史记录可随时调出查看或通过外接打印机打印出，便于工艺人员根据产品质量情况进行工艺分析；同时还可存储上百条工艺温度曲线，根据工艺需要，直接调入相应的成熟工艺曲线号运行即可，操作十分简便。温控系统采用带通讯的高档温控仪分五段对炉丝进行独立控制，可精确控制各段炉丝的温度，控温精度≤0.5℃。内置Profile TC与spike串级控制，可手动设置温度，又可与计算机通讯，按需要设置斜率升降温或恒温，达到全自动控温的目的。单管炉体的加热电流在100 A左右。由于加热功率较大，为保障电网电压的平衡及防止对电网的谐波干扰，功率变压器的初级采用三相△接法，采用调功器与温控仪之间进行通讯，调整炉体各区加热功率，实现1 100 mm的超长恒温区。

4　关键技术

4.1反应管压力精确控制技术

在扩散工艺过程中，反应石英管内真空度的精确性对于气氛场均匀性及扩散方阻的均匀性有着非常重要的影响。尤其是在浅结高方阻的扩散工艺中，精确的反应管真空度控制是影响扩散制结质量的关键因素之一，如何兼顾减压扩散炉反应管压力控制的快速性和精确控制是设备压力控制系统的关键技术难点之一。M5111-6/UM型五管软着陆减压扩散炉，通过防腐真空泵提供的动力，对系统进行抽气。压力传感器检测到压力信号后反馈到压力控制器。控制器计算比较测量值与设定值之间的差值，发出信号，驱动压力调节器，调节反应管内压力，形成压力闭环控制系统，图6为减压扩散压力控制示意图。

图6　减压扩散压力原理示意图

4.2高温环境下石英管可靠密封技术

扩散工艺过程复杂，温度高，反应管的温度可达850～900℃；工艺气体具有腐蚀性；减压扩散反应管的压力为负压。这使得扩散工艺过程中反应管的密封性要求极高，如果密封不良，一方面可能无法形成减压扩散所需要的低压环境，不能满足工艺的负压条件；另一方面，在外部大气压力作用下，反应管外的气体和杂质等可能进入反应管中，严重影响pn结的质量，导致产品报废。炉口的密封圈如果直接跟炉管接触，很容易因温度过高而熔化损坏，导致密封失效，所以在实现高温扩散炉工作腔密封时需要考虑到工作环境的特殊性，设计时需要考虑密封结构的耐高温性能。如何实现减压扩散炉反应管在低压高温环境下的可靠密封，是减压扩散炉设备的关键技术之一。M5111-6/UM型五管软着陆减压扩散炉，炉门采用隔热包方式，炉口密封采用进口高温氟橡胶，同时增加循环风冷结构，实现了高温环境下石英管可靠密封技术（见图7）。

图7　高温密封炉门

5　应用实例

M5111-6/UM型五管软着陆减压扩散炉在湖南红太阳光光电公司智慧产线应用情况见表1。

表1　减压扩散每方阻及均匀性

减压扩散电池效率与常规产线扩散电池片效率对比见表2。

表2　常压/减压扩散电池电性能参数表

从以上结果可以看出采用减压扩散，电池片的方阻均匀性与电池效率都有明显提升，证明M5111-6/UM型五管软着陆减压扩散炉相比常规扩散炉有明显优势。

6　结　论

M5111-6/UM型五管软着陆减压扩散炉是中国电子科技集团公司第四十八研究所开发的新一代高产能软着陆减压扩散炉。该设备应用在湖南红太阳光电科技公司智慧生产线，各项技术指标均达到客户的要求，整机性能优良，满足了客户对高产能、低能耗、扩散均匀性高等要求。

［1］ 贾京英.太阳能电池制造装备现状及发展趋势［J］.电子工业专用设备，2014，43（7）：73-76.

［2］ 刘良玉，彭志坚.软着陆洁净闭管扩散炉研制［J］.电子工业专用设备，2010，39（2）：44-47.

［3］ 向小龙，禹庆荣，文庚云，等.光伏行业扩散炉的技术现状及发展趋势［J］.太阳能，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的控制越来越差，难以制备高质量的浅结高方阻pn结。随着技术的成熟，制备浅结高方阻pn结的减压扩散技术将成为主流工艺技术［1］。

谢于柳（1981-），男，海南文昌人，从事半导体专用设备和光伏装备的研制工作，主要负责扩散炉、PECVD等工艺设备的设计和研究。