扩散退火一体化上下料机构设计

卫晓冲

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

扩散工艺是晶体硅太阳能电池的重要工艺之一，退火是单晶PERC(钝化发射极及背局域接触电池)电池片生产的必要一环，由于两个工艺的特殊要求，石英舟是其必须的晶体硅载体，单晶硅片需置于石英舟内进行扩散和退火工艺。

1　石英舟特性及对装卸片的影响

石英舟作为硅片载体，既满足了耐高温的要求，本身又是非金属材料，不会带入金属离子及杂质离子。硅片在石英舟中的间距有两种：4.76 mm（全间距），2.38 mm（半间距）。随着低压扩散技术的发展，真空腔室内稳定均匀的气流允许放入更密集的电池片[1]，以及太阳能电池生产商对于产量的追求，半间距1 000片及以上容量的石英舟，已经是市场上的主流使用载体。本文针对的是1 200片容量半间距的菱形石英舟。

由于扩散前退火后的工序使用的都是100片的篮具，而且是两种不同的篮具。上下料机的功能是完成硅片从100片前工序篮具中取出，然后装入石英舟内，进行扩散工艺，扩散工艺完成后，直接进行退火，退火后将石英舟内的硅片取出，放入100片后工序篮具。设备功能可选单装、单卸或装卸一体。100片篮具的间距为4.76 mm，这决定了吸附硅片所用的吸盘间距为4.76 mm。石英舟内硅片全部成3°倾斜，两张硅片背对背紧贴被置于一个槽内，其中制绒面朝外。石英舟的齿槽宽度，不同厂家尺寸不一，但都在1 mm左右，需要的装片精度高。

2　设备的工艺流程及技术参数

工艺流程如图 1所示。A、B、C、D、E、F处为吸盘装卸硅片处，石英舟传送1和石英舟传送2交替进行，当石英舟传送1正在取放硅片时，石英舟传送2要完成准备工作，以节省上下料时间。

（1）放置石英舟至石英舟传送1或2上，然后传送石英舟到装卸片位置等待；

（2）放两个装满硅片的前工序篮具到前工序篮具传送1、2入口，篮具方向一正一反，然后传送到装卸片位置等待，篮具中硅片取走后，篮具传送至出口处，等待人工取走；

（3）放两个空的后工序篮具到后工序篮具传送1、2入口，篮具方向一正一反，然后传送到装卸片位置等待，装满硅片后，篮具传送至出口处，等待人工取走；

（4）卸片：两组吸盘组件移动至A或B处，各吸取50片硅片，硅片两两分开，分别移动至E、F上方，然后放片入篮具，篮具向后传送，抽取篮具内的硅片，进行方块电阻检测；

（5）装片：两组吸盘组件移动至C、D处，各吸取50片硅片，两组硅片交叉重叠，完成背对背紧贴，然后移动至A或B上方，最后放入石英舟的空槽内；

（6）当石英舟装满扩散前的硅片后，搬舟组件将石英舟搬送至扩散对接传送的梭板上，然后将石英舟传送到扩散工艺炉内，扩散完成后，再将该石英舟搬送至退火对接传送的梭板上，将石英舟传送到退火工艺炉内，进行退火工艺。退火完成后，再将石英舟搬送到石英舟传送1或2的托盘上，进行装卸片。

图1　工艺流程示意图

主要技术参数：

适用硅片：156.75 mm×156.75 mm（±0.5 mm），

硅片厚度：180 μm±20 μm

产能：4 000片/h

碎片率：≤5/10000

上线时间：≥98%

篮具工位数：4个

3　设备主要结构

设备结构组成：设备主体、石英舟传送组件、前/后工序篮具传送组件、吸盘移动组件、在线方阻检测组件，搬舟组件等。如图2所示。

设备主体：由于设备尺寸较大，为了保证设备的强度及整体刚性，主要安装基体采用方钢管焊接而成，并对安装面进行精磨铣削，来保证安装面的平整度；主体外壳主要采用钣金件加工而成，必要的地方，安装门窗，方便操作，在设备运行过程中，打开门窗，会触发感应开关，使运动系统暂停，防止产生人身伤害。

石英舟移动组件：主要完成石英舟的往复运动，采用伺服电机加滚珠丝杠的驱动方式。在石英舟固定面加滚轮，对石英舟进行气缸的推夹时，减少摩擦力，防止石英舟受力过大，而增加碎舟的概率。

图2　结构组成示意图

篮具传送组件：采用同步带传送，驱动电机选择交流电机。在装卸片位置，对篮具采用气缸进行定位夹紧。为了让篮具内的硅片导向一致，以方便吸盘吸取，传送组件整体倾斜3°。

吸盘移动组件：是设备的重要部分，主要完成硅片的吸附放置。

（1）移动：该组件共有4个运动轴，完成包含硅片x，y，z，θ方向的动作，涵盖了硅片背靠背贴附功能，硅片在篮具与石英舟之间的往复运动，硅片的上升下降动作。4个轴采取伺服电机加滚珠丝杠的驱动方式，达到精确的位置控制。

（2）吸附：吸盘采用真空原理，通过真空负压来吸附硅片，吸附硅片时，真空度可以达到-70 kPa左右，可以保证吸附的牢固度，避免掉片现象。吸盘材质选用氧化铝陶瓷，该材质耐磨，耐高温，尤其是机械强度高，可以加工出高精度的零件，非常适合作为吸盘的加工材料。50片单个吸盘组装成为一组吸附系统，一次吸取硅片50片，保证了生产效率。50片吸盘的组装过程需要特别注意，吸盘之间的间距要保证4.76 mm，50片的累积误差要小于0.1 mm。吸盘组装完成后，需进行漏气测试，以免影响吸附效果。

在线方阻检测组件：方块电阻检测采用Semilab品牌，为了减小主体设备的振动，对于检测数据准确性的影响，该组件独立于设备主体，不与设备进行连接，而且此处吸取硅片的吸盘，尺寸大，接触硅片的面积大，可以减小硅片运动过程中的晃动。

搬舟组件：主要完成石英舟在各个工位的搬送，采用伺服电机加滚珠丝杠的驱动方式，对接传送采用同步带传送，减少了人工干预，降低石英舟的损坏几率；与舟接触的位置，采用聚四氟乙烯材料，既耐高温，摩擦系数也小，增加石英舟使用寿命。

4　结束语

本文介绍的一体化上下料机，其创新点在于将扩散和退火的上下料结构集成到一台设备中，减少了硅片在石英舟和篮具中的倒换次数，极大的降低了硅片的不良率和碎片率，对于硅片质量的提升是非常显著的。

参考文献：

[1]李吉，孙朋涛，郑建宇，等.低压磷扩散工艺研究[D].北京：中国可再生能源学会，2016.