擴(kuò)散退火一體化上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)曉沖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

擴(kuò)散工藝是晶體硅太陽(yáng)能電池的重要工藝之一，退火是單晶PERC(鈍化發(fā)射極及背局域接觸電池)電池片生產(chǎn)的必要一環(huán)，由于兩個(gè)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(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散和退火工藝。

1　石英舟特性及對(duì)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(huì)帶入金屬離子及雜質(zhì)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(kuò)散技術(shù)的發(fā)展，真空腔室內(nèi)穩(wěn)定均勻的氣流允許放入更密集的電池片[1]，以及太陽(yáng)能電池生產(chǎn)商對(duì)于產(chǎn)量的追求，半間距1 000片及以上容量的石英舟，已經(jīng)是市場(chǎng)上的主流使用載體。本文針對(duì)的是1 200片容量半間距的菱形石英舟。

由于擴(kuò)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(jī)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(nèi)，進(jìn)行擴(kuò)散工藝，擴(kuò)散工藝完成后，直接進(jìn)行退火，退火后將石英舟內(nèi)的硅片取出，放入100片后工序籃具。設(shè)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(pán)間距為4.76 mm。石英舟內(nèi)硅片全部成3°傾斜，兩張硅片背對(duì)背緊貼被置于一個(gè)槽內(nèi)，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(shè)備的工藝流程及技術(shù)參數(shù)

工藝流程如圖 1所示。A、B、C、D、E、F處為吸盤(pán)裝卸硅片處，石英舟傳送1和石英舟傳送2交替進(jìn)行，當(dāng)石英舟傳送1正在取放硅片時(shí)，石英舟傳送2要完成準(zhǔn)備工作，以節(jié)省上下料時(shí)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(gè)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(gè)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(pán)組件移動(dòng)至A或B處，各吸取50片硅片，硅片兩兩分開(kāi)，分別移動(dòng)至E、F上方，然后放片入籃具，籃具向后傳送，抽取籃具內(nèi)的硅片，進(jìn)行方塊電阻檢測(cè)；

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

（6）當(dāng)石英舟裝滿擴(kuò)散前的硅片后，搬舟組件將石英舟搬送至擴(kuò)散對(duì)接傳送的梭板上，然后將石英舟傳送到擴(kuò)散工藝爐內(nèi)，擴(kuò)散完成后，再將該石英舟搬送至退火對(duì)接傳送的梭板上，將石英舟傳送到退火工藝爐內(nèi)，進(jìn)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(pán)上，進(jìn)行裝卸片。

圖1　工藝流程示意圖

主要技術(shù)參數(shù)：

適用硅片：156.75 mm×156.75 mm（±0.5 mm），

硅片厚度：180 μm±20 μm

產(chǎn)能：4 000片/h

碎片率：≤5/10000

上線時(shí)間：≥98%

籃具工位數(shù)：4個(gè)

3　設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

設(shè)備結(jié)構(gòu)組成：設(shè)備主體、石英舟傳送組件、前/后工序籃具傳送組件、吸盤(pán)移動(dòng)組件、在線方阻檢測(cè)組件，搬舟組件等。如圖2所示。

設(shè)備主體：由于設(shè)備尺寸較大，為了保證設(shè)備的強(qiáng)度及整體剛性，主要安裝基體采用方鋼管焊接而成，并對(duì)安裝面進(jìn)行精磨銑削，來(lái)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(mén)窗，方便操作，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，打開(kāi)門(mén)窗，會(huì)觸發(fā)感應(yīng)開(kāi)關(guān)，使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)暫停，防止產(chǎn)生人身傷害。

石英舟移動(dòng)組件：主要完成石英舟的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采用伺服電機(jī)加滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式。在石英舟固定面加滾輪，對(duì)石英舟進(jìn)行氣缸的推夾時(shí)，減少摩擦力，防止石英舟受力過(guò)大，而增加碎舟的概率。

圖2　結(jié)構(gòu)組成示意圖

籃具傳送組件：采用同步帶傳送，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇交流電機(jī)。在裝卸片位置，對(duì)籃具采用氣缸進(jìn)行定位夾緊。為了讓籃具內(nèi)的硅片導(dǎo)向一致，以方便吸盤(pán)吸取，傳送組件整體傾斜3°。

吸盤(pán)移動(dòng)組件：是設(shè)備的重要部分，主要完成硅片的吸附放置。

（1）移動(dòng)：該組件共有4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，完成包含硅片x，y，z，θ方向的動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)，硅片的上升下降動(dòng)作。4個(gè)軸采取伺服電機(jī)加滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式，達(dá)到精確的位置控制。

（2）吸附：吸盤(pán)采用真空原理，通過(guò)真空負(fù)壓來(lái)吸附硅片，吸附硅片時(shí)，真空度可以達(dá)到-70 kPa左右，可以保證吸附的牢固度，避免掉片現(xiàn)象。吸盤(pán)材質(zhì)選用氧化鋁陶瓷，該材質(zhì)耐磨，耐高溫，尤其是機(jī)械強(qiáng)度高，可以加工出高精度的零件，非常適合作為吸盤(pán)的加工材料。50片單個(gè)吸盤(pán)組裝成為一組吸附系統(tǒng)，一次吸取硅片50片，保證了生產(chǎn)效率。50片吸盤(pán)的組裝過(guò)程需要特別注意，吸盤(pán)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(pán)組裝完成后，需進(jìn)行漏氣測(cè)試，以免影響吸附效果。

在線方阻檢測(cè)組件：方塊電阻檢測(cè)采用Semilab品牌，為了減小主體設(shè)備的振動(dòng)，對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，該組件獨(dú)立于設(shè)備主體，不與設(shè)備進(jìn)行連接，而且此處吸取硅片的吸盤(pán)，尺寸大，接觸硅片的面積大，可以減小硅片運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的晃動(dòng)。

搬舟組件：主要完成石英舟在各個(gè)工位的搬送，采用伺服電機(jī)加滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)接傳送采用同步帶傳送，減少了人工干預(yù)，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(shù)也小，增加石英舟使用壽命。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的一體化上下料機(jī)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于將擴(kuò)散和退火的上下料結(jié)構(gòu)集成到一臺(tái)設(shè)備中，減少了硅片在石英舟和籃具中的倒換次數(shù)，極大的降低了硅片的不良率和碎片率，對(duì)于硅片質(zhì)量的提升是非常顯著的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李吉，孫朋濤，鄭建宇，等.低壓磷擴(kuò)散工藝研究[D].北京：中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)，2016.