專利名稱：抗下垂制動裝置及側壁加熱器擴散爐的超低質量運送系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及連續輸送器、多線道式(multi-lane)擴散爐用于通過使用在700-1100°C范圍內的輻射電阻或/和IR燈加熱對太陽能電池晶片進行加工，以使P和/或B摻雜劑組合物擴散或/和共擴散到晶片中的硅(或其他先進材料)中，由此形成P_n結表面層或/和背表面電場層。具體來說，本發明涉及一種太陽能電池擴散爐，具有一或多個加熱區域以及超低質量、低摩擦力、橫向金屬絲懸掛式氧化鋁管運送系統，加上縱向側壁輻射加熱器和抗下垂制動裝置組合件。
背景技術：
制造硅基太陽能電池需要用“線狀鋸”從硅錠上橫向切割下來薄片硅，用來形成粗糙的太陽能電池晶片。隨后對這些晶片(不論是由單晶形成還是由結合在一起的多晶形成)·進行加工以形成厚度在140到330微米范圍內的平滑晶片。由于合適的硅的稀缺，趨勢是使晶片更薄，通常厚度為140-180微米。隨后將完工的原始晶片(raw rafer)加工成能夠通過光伏效應產生電的功能性太陽能電池。晶片加工包含稱為擴散的兩段式工藝，其產生半傳導“P_n”結二極管；然后是第三個工藝，在這個工藝中分別將銀和鋁基漿料涂層絲網印刷到晶片的正面和背面上，然后燒成p-n結柵格以及背接觸層，其中這些層分別充當歐姆集電極以及接地。擴散工藝大致包括兩個階段第一個階段是向晶片的正面和/或背面涂覆(涂布)一或多種類型的摻雜劑材料并使這些材料干燥，然后，第二個階段是在擴散爐、室或加熱區域中對已涂布的晶片進行加熱(焙燒)，以使摻雜劑組合物擴散到硅(或其他先進材料)晶片基質中，從而形成P-n結層或背接觸層。本發明涉及有所改進的擴散爐和焙燒工藝、進程和熱首1J面。在有各種磷(P)或硼(B)源的情況下，在高溫下發生擴散。使用磷在晶片的頂表面上產生P型結，而使用硼在背表面上產生n型結。摻磷硅(P-doped Si)形成光伏電池的“發射極”層，即，在暴露于陽光(常規光子源)時發射電子的層。如上所述，經絲網印刷的金屬接點的精細網收集這些電子，所述金屬接點是通過金屬化爐燒結到電池的表面中。通過高溫擴散工藝驅使磷進入到晶片中。當前的工藝通常耗時20-30分鐘。另外的“電活性”磷使低電阻接點得以形成。在共擴散中，向晶片的背表面涂覆硼化合物，并且向晶片的頂表面涂覆磷化合物。在單次焙燒中對晶片進行加熱，以便同時使硼與磷兩者共擴散到其對應的底表面與頂表面中。在進行擴散以及各種清潔、激光邊緣燒蝕以及蝕刻工藝以便從晶片的兩面移除不需要的半導體結后，用抗反射涂層(ARC)(通常是氮化硅(SiN3))對所述晶片進行涂布，這通常是通過等離子增強型化學氣相沉積(PECVD)來進行。在ARC涂覆后，電池呈深藍色的表面顏色(或棕色，這取決于所用的涂布材料)。ARC使波長約0. 6微米的入射光子的反射減到最低。由于ARC的形成而嵌入到硅中的氫湊巧有修復體缺陷的作用，尤其是多晶材料中的體缺陷。所述缺陷是一些陷阱，電子-空穴對可在這些陷阱中重組，從而減小電池效率或功率輸出。在隨后的IR金屬化焙燒過程中，高溫(超過850°C)會使氫從晶片中擴散回去。因此，為了防止所述的氫從晶片“放氣”，需要焙燒時間較短。最好將氫捕獲并留在塊體材料中(尤其是在多晶材料的情況下)。本發明涉及有所改進的擴散焙燒爐以及擴散工藝。當前可用于這些擴散焙燒工藝的IR輸送器爐具有長的加熱室，其中多個IR燈在晶片運送系統(金屬絲網帶或陶瓷輥輸送器)上方與下方實質上均勻地隔開(通常隔開I. 5〃)。通過各種形式的絕緣，最常見的是壓縮型絕緣纖維板，使加熱區域與外部環境絕緣。紅外線(IR)燈使傳入的硅晶片的溫度升高到大約700°C到950°C。在擴散工藝的30分鐘持續時間內，保持這個溫度，然后使晶片冷卻并將其傳輸到下一個下游工藝操作和設備。當前可用的擴散爐通常使用兩種類型的晶片運送系統之一 1)高質量輸送器，其包括多個靜態(非縱向移動)的重型(>350Kg)實心陶瓷旋轉輥；或2)活動(縱向移動)的金屬絲網帶，用來輸送晶片通過爐的焙燒區域。為了使晶片背表面的金屬污染減到最低或防止晶片背表面的金屬污染，當前優選靜態陶瓷旋轉輥爐。這些爐的工作寬度通常為I到2米，允許晶片并排放在帶或輥輸送器上，因此被稱為“多線道式”爐。典型的常規擴散爐約為400〃長，有160個36〃寬的IR燈放在輥上方，100到160個燈放在輥下方。 在這些高質量靜態實心旋轉輥輸送器爐中，IR燈用很長時間將爐室的溫度升高到擴散溫度，擴散溫度的范圍為700°c到950°C。操作原理顯然是這樣的輥下方的IR燈保持輥是熱的，且晶片與輥的接觸幫助熱傳遞到晶片，這種熱傳遞是通過熱接觸傳導進行。沿著輸送器有顯著的熱剖面，其在入口處升高而在出口處降低。至于金屬絲網帶輸送器，必須用石英管在中間對帶進行支撐，以防止帶下垂且提供低摩擦力的滑動表面。由于管遮住晶片的下側，為了防止晶片上出現“冷”條帶，將管安排成人字形圖案。然而，管的價格很高，使輸送器系統的質量增加，并且阻礙進入爐的下部加熱區域。因此，當前技術水平的實心旋轉陶瓷輥輸送器或金屬絲網帶爐無法滿足在控制基建費用的同時加快生產并且加大生產能力的需求。為了補償，使爐橫向更寬，這樣就可以在每個爐區域中加工多條線路的晶片。這又需要更長、價格更高的燈，這些燈的平均失效時間通常實質上更短，從而顯著增加操作成本。同樣，當前無法增加燈的功率，這是因為更高的輸出可導致燈元件過熱，這是由爐的熱質量引起的(主要是在高質量實心陶瓷輥輸送器系統中)。為了防止過熱，使用熱電偶來降低功率密度，但這會導致IR燈發射的光譜輸出發生實質變化(較低的光通量和能量輸出)。降低的光通量結果又需要降低輸送器帶的速度或延長爐的長度(同時維持原始的帶速度)，因此使加工變慢。因此，在擴散爐和擴散焙燒工藝的領域中有如下尚未滿足的需求顯著改進焙燒區域的凈有效使用，提供對整個爐的更好控制和熱剖面，允許改進焙燒能量的利用，改進擴散工藝的速度和均勻性，在保持或改進生產能力的同時減小爐的長度，并且在爐的占據面積減小且能量、操作和維護成本更低的情況下實現這些目標。
發明內容
本發明滿足了此項領域中的這些需求，本發明涉及多區域太陽能電池擴散爐，所述擴散爐具有超低質量的活動運送系統，用來輸送晶片通過多個加熱和冷卻區域，所述區域包含至少一個入口擋板區域、升高區域，然后是下游的一或多個擴散均熱區域和任選的擴散焙燒區域，以及一或多個冷卻區域，用于磷或/和硼摻雜劑的正面和/或背面擴散或/和共擴散，從而在晶片基質中形成P型或n型結和/或背接觸層。確切地說，本發明涉及晶片焙燒爐的超低質量活動運送系統，所述運送系統包含抗下垂制動裝置和側壁加熱器，以確保對沿著多線道式爐的外側線道橫越的晶片進行均勻的加熱。如本文中作為實例所揭示的，在兩個替代性實施例中說明了本發明的運送系統A)帶/銷驅動系統；以及B)輥鏈/鏈輪驅動系統，其中輥鏈/鏈輪驅動系統是當前優選實 施例。在兩個實施例中，晶片在縱向通過加工區域的過程中支撐在非旋轉式的小直徑中空耐火管上，所述耐火管是承載在橫跨運送系統的寬度的懸掛金屬絲或桿上。在帶/銷驅動系統中，所述金屬絲的相對兩端由支架承載，所述支架是由驅動帶形成或附于驅動帶上。在輥鏈/鏈輪驅動系統中，金屬絲的末端安裝在鏈節樞軸的中空管中。在當前優選的加熱系統中，在上部加熱區域中使用橫向定向式IR燈，而在下部加熱區域中使用IR燈與電阻加熱的組合。為了改進跨越爐寬度的橫向加熱均勻性，將電阻加熱器放在與兩個縱向側壁相鄰處，所述側壁定向成平行于爐的中心線并且與所述中心線隔開，而將IR燈橫向放在縱向側壁電阻加熱元件上方或下方，優選為下方。縱向側壁電阻加熱器布置在石英管、陶瓷管或穩定SiC管中，所述管布置在緊靠輸送器下方。在5線道或更寬的爐中，所述加熱器用以保持與對應的側壁相鄰的行I和5中的晶片處于適當的擴散溫度。這尤其適用于共擴散加工。使用高強度IR燈隔離模塊的優點在于，提供了短波長、高通量IR光調節，從而促進更快的擴散。在本發明中，應理解，在提到高強度IR燈(HI-IR)之處，可使用SiC輻射/再輻射加熱元件，HI-IR燈元件的揭示內容僅作為實例。通過使用超低質量、活動(縱向移動)的、有防護的運送系統在爐區域中實施先進材料太陽能電池晶片(例如，硅、硒、鍺或鎵基太陽能電池晶片)的運送，所述運送系統包括橫向隔開的運送元件的兩個或兩個以上連續環，所述運送元件包括在晶片加工行進路徑的每一側上的寬度窄的“帶”，所述帶承載重量輕、直徑小、非旋轉式的耐火管，所述耐火管是懸掛在綁在所述帶之間的金屬絲上。所述耐火管是薄壁的、堅硬的陶瓷或玻璃質材料，優選為選自氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯中的至少一個。以許多示范性實施例來實施運送系統“帶”，第一項是橫向隔開的金屬、水平定向的扁平帶或帶子，每個帶都有多個垂直延伸的支架，所述支架沿著帶縱向隔開。所述支架承載金屬絲，所述金屬絲上穿有耐火管。所述金屬絲在匹配的支架對(每個帶上一個支架)之間跨晶片行進路徑橫向延伸。在第二項目前優選實施例中，每個帶是輥鏈，例如，穩固的自行車型鏈，這種鏈具有中空管而不是實心鏈節件。耐火管懸掛金屬絲穿過鏈節管，并且所述金屬絲的末端支撐在所述鏈節管中。在兩項實施例中，通過下文中詳細描述的驅動系統對運送元件或“帶”進行同步驅動。使所述帶的移動保持同步可以保持承載了耐火管的金屬絲彼此平行并且是直的，即，與沿著加工路徑的晶片行進方向正交。可使用適合的對齊輥或導引器。重要的是，本發明的超低質量輸送器系統有一個顯著的優點，S卩，不需要使用輸送器支撐桿，因此基本上不會遮蔽晶片底表面，這就使在運送速度更高或爐長度更短的情況下進行有效的共擴散成為可能。在兩項實施例中，使晶片依次穿過擴散爐的若干區域，同時位于沿著耐火管間隔開的環形支座上，這導致污染較少。所述支座可具有多種外部輪廓配置，例如，圓錐形、圓形(環形)、垂直的銳緣、傾斜的、雙圓錐形、正方形頂、鰭、肋以及這些形狀的組合等等。耐火材料優選是選自高溫陶瓷或玻璃質材料，所述材料可通過鑄造、干壓、擠壓或機械加工來進行精確配置，并且優選包含二氧化硅(包含二氧化硅玻璃)、氧化鋁和氧化鋯中的至少一種。升高區域和/或焙燒區域的配置對本發明的設備或操作方法并不重要，IR燈或電阻加熱元件有多種安排。例如，在第一項實施例中，在爐的寬度窄(運送系統窄)的情況下，或在僅有頂面磷摻雜的情況下，可在全部區域中使用HI-IR輻射通量燈實施全部加熱。在這些工藝應用中，任選地使用HI-IR區域，所述HI-IR區域采用IR燈隔離模塊來使溫度升高到優選的均熱溫度。在其他實施例中，包含升高(緩沖)區域和均熱區域的若干區域可為 獨立的IR燈加熱式區域。在第二項實施例中，在爐的工藝路徑寬(運送系統約為I到2米寬)的情況下，或在用硼進行摻雜或用磷對正面進行摻雜并且用硼對背面進行摻雜的工藝中(其中溫度高于9500C，例如，在1000-1100°C的范圍內)，焙燒加熱元件可為電阻輻射型，例如SiC桿或盤管式元件，所述元件任選地裝在保護性石英管或再輻射(不透明)陶瓷型管中。在任一項加熱元件配置實施例中，可混合加熱元件，即，可使用獨立的IR燈、HI-IR輻射通量隔離模塊以及電阻熱輻射/再輻射元件。例如，輸入升高(擋板)區域可為獨立的IR燈，然后是任選的第一 HI-IR通量隔離模塊，然后是第二焙燒區域和均熱區域中的耐高溫輻射/再輻射元件。均熱區域可能僅僅是焙燒區域的延伸。同樣，焙燒區域可能是緩沖或升高區域的延伸。即，區域的名稱并不是決定因素，實施對運送系統上方和下方的元件的類型、位置和數目的選擇是為了實現所需的焙燒溫度和加工進程(磷擴散、硼擴散或兩者)。在本發明的低質量運送系統中，晶片不會碰到金屬絲網帶或陶瓷輥，而是支撐在陶瓷支座上，因此沒有金屬污染，晶片中不會形成熱點，并且晶片不會像常規的輥輸送器系統中一樣偏到一側或另一側。另外，本發明的擴散工藝是高輻射通量驅動的工藝，而不是導熱的、波長較長的工藝。在第一項晶片運送系統實施例中，運送系統側邊帶包含縱向均勻間隔的驅動孔。每個帶配置成無限環，所述環包括運送區段(用于向前運動，穿過加工區域)和返回區段。通過爐的出口端處的一或多個銷驅動輥對所述帶環進行同步驅動。所述帶通常是耐高溫的金屬，例如，奧氏體鎳基超耐熱合金系列的一員，合適的實施方案是鎳鉻合金，即，80/20的鎳/鉻合金。其他的帶材料包含鈦、因科鎳(例如600型因科鎳)或其他高溫合金。所述帶在爐區域每一側上在有防護的通道中滑動，通道部件由氧化鋁、二氧化硅、石英或其他高溫低摩擦力陶瓷材料構成，以使對所述帶的加熱減到最低。任選地通過將環境空氣或冷卻后的壓縮空氣射到所述帶上來對所述帶進行冷卻。在第二項運送實施例中，使用輥鏈而不是所述帶，并且不需要垂直支架。相反，懸掛金屬絲的每一端安裝在側面鏈節的管狀套管樞軸部件中。每個側面鏈在低摩擦力高溫陶瓷材料滑塊中的凹槽或通道中滑動，或者跨騎在所述滑塊上的導引脊上，并且充當導引器，用來維持鏈的線性跟蹤和適當對齊。通過位于擴散爐的出口或入口端下方的鏈輪驅動系統(同一個驅動軸上的兩個橫向隔開的驅動鏈輪)來驅動所述鏈。在鏈輪驅動位于返回路徑的入口端下方的情況下，對改向用的鋼空轉輪鏈輪或有凸緣的輪進行適當定位，得到牽拉驅動系統。在爐的前端，橫向隔開的第二改向空轉輪使鏈向上轉到入口空轉輪上，所述入口空轉輪使鏈改向回到工藝路徑上，從而形成回路。使用適當的改向空轉輪和/或輥，任選地將所述驅動定位于爐的入口端與出口端之間的的任何地方。可在爐的冷卻區段中和/或在返回路徑上對所述鏈進行冷卻，優選是通過誘導式通風空氣或壓縮空氣進行冷卻。關于高強度IR通量加熱元件實施例(在緩沖和/或升高區域的下游使用)，HI-IR區域使溫度快速(約2秒內)升高到擴散工藝設定點，所述擴散工藝設定點在約700°C到約950°C的范圍中，同時通過用高強度短波長IR輻射通量對涂有摻雜劑的晶片表面進行照 射來對所述表面進行光調節，以使擴散速度更快。與長波長輻射工藝相比，這個實施例在擴散工藝中利用短波長IR輻射通量，這使得擴散加工時間縮短了一半或更多，導致生產能力翻倍或更大。作為實例，在操作中，本發明的爐可在6分鐘內完成擴散加工，而當前常規工藝的速度為12到14分鐘。因此，生產能力翻倍或更大。另外，電池p-n結層的電阻率不僅在晶片上更均勻且在不同晶片中是一致的，而且是在介于45-100歐姆/平方厘米之間的“最佳點”中。本發明的快速擴散工藝的一個重要方面是，在使用IR燈的情況下，所述IR燈是在實質上高于常規爐的功率下操作(最大的燈額定功率的百分數)。在第一項實施例中，控制器使用以經驗為基礎的算法來調整在每個區域中以及頂部與底部的燈的功率，所述調整是根據預設的所需溫度、僅通過電壓控制來進行。在第二項實施例中，通過熱電偶來監測每個對應的區域中的溫度，并且通過反饋回路控制算法來調整燈的電壓。另外，監測電壓以確保在熱電偶失效的情況下不會向燈供應過量的電壓。在常規的靜態旋轉輥爐中，燈在5-20%的功率下操作，因此所述燈的特點為如果不進行有效的光調節，那么通量更低且波長更長。在常規的金屬網帶爐中，主要問題是晶片的金屬離子污染，這是因為晶片直接位于金屬網上或位于并入到帶中的金屬“點”上。即使在金屬網帶上使用了陶瓷球珠涂層，金屬離子云仍會從所述帶的網金屬中溢出，從而對太陽能電池層的化學性質造成不利影響。已經嘗試用磷摻雜劑對晶片的底部進行涂布，以減少來自金屬網帶的金屬污染。然而，這導致在晶片的底部上形成P-n結層。這又需要額外的工藝步驟來蝕刻掉所述底部p-n結層。所述蝕刻步驟通常是分批處理，這要用額外的時間，因而減緩了生產速度。本發明的低質量陶瓷管運送系統處理并解決了這些問題。第一，金屬運送組件(帶或鏈)放在爐區域的側面，并且這些組件配置成不受元件輻射[熱]，這延長了組件壽命。第二，運送用的橫金屬絲完全防護在低質量陶瓷管中，所述陶瓷管是與晶片的接觸最少的非旋轉式陶瓷支撐件。有防護的驅動帶或鏈元件結合由陶瓷管進行防護的晶片支撐金屬絲確保了清潔的氛圍，從而使焙燒區域實質上沒有金屬離子污染。第三，陶瓷管整體來說質量比輥低得多，并且雖然是非旋轉式的，但還是活動的，即，向爐中并且向爐外移動，因此不存在大的靜態熱質量，大的靜態熱質量需要功率縮減。另外，因為陶瓷管懸掛在金屬絲上，所以如果陶瓷管垂直地裂開，那么陶瓷管保持在金屬絲上并且不需要立即使爐停下來以便進行更換。相比來說，在實心輥爐中，當輥斷裂時，必須使爐停下來。最后，晶片不與陶瓷管接觸，在陶瓷肋支座上升高到陶瓷管上方，所述支座優選配置成僅在邊緣處支撐晶片。與上述常規的當前可用的熱擴散爐的5-20%操作功率等級相對照，本發明的工藝實施例使用在40-70%功率或更大功率下操作的IR燈，其結果是，本發明的系統中的燈IR通量實質上更高，并且峰值保持在短IR范圍(低于約I. 4微米)中，IR波長峰值通常是約I. 25微米。根據本發明的工藝由IR燈產生的相對通量強度約為上述常規熱擴散爐中的4到5倍大。通過使用封閉在石英、陶瓷或穩定SiC管中的縱向電阻加熱元件，避免了兩個側面線道(例如，線道I和5)中的熱衰減。如上所述，本發明的爐在一些實施例中在升高或/和HI-IR爐區域中采用了HI-IR燈模塊，任選地包含隔離型模塊。所述模塊包括具有平行的橫向(與運送方向橫切)冷卻/反射器通道的絕緣反射器元件，一或多個IR燈在所述通道中的每一個中居中。所述通道可選擇性地由IR透明的透射窗所覆蓋，例如,石英、Vicor、Pyrex、Robax、其他高溫玻璃、人造藍寶石等等。高強度多IR燈隔離模塊布置成彼此面對并且間隔開，一個模塊在爐輸送器運送系統上方，而一個模塊任選地在所述系統下方，以便在所述模塊之間界定所選的IR燈加 熱式工藝焙燒區域，模塊燈和冷卻空氣通道與所述區域隔離開。在使用所述窗的情況下，所述通道優選在其相對端上打開，以便冷卻氣流進入或/和排出。通過歧管，至少在每個通道的一端引入冷卻氣體，并且在另一端或者在兩端的中間將冷卻氣體排出。透射板窗阻止高壓/高速的燈冷卻空氣/氣體進入并且干擾工藝區(承載硅晶片的運送系統穿過所述工藝區)，而同時允許使用大量冷卻氣體來維持對燈石英以及玻璃/石英透射板的充分冷卻。通過隔離和冷卻，本發明允許IR燈在通常會使燈的殼體變軟且變彎(這會縮短使用壽命)的功率等級下操作。在另一項實施例中，隔離模塊包括隔開的IR燈，所述IR燈有或沒有通道反射器，并且有在所述燈下方隔開的Robax型玻璃窗，因此，所述窗(上方和下方)將輸送器(承載所述晶片)與燈的空間隔離開來。這種隔離幾何結構，加上對本發明的IR燈的任選冷卻，允許燈的功率從15-20%的功率密度的當前標準增大到40-70%的范圍或更高。在使用常規的100瓦/英寸的IR燈的情況下，這導致升高和HI-IR焙燒區域中的加熱速度從約30°C /秒(常規爐)增大到約80-150°C /秒。這使加熱速度比常規爐的速度有效增大了 2倍到4倍，而不會導致燈關小、關閉或變形。另外，本發明的燈隔離/任選的冷卻系統允許增大輸送器帶的速度。這導致產量實質增大，或允許縮短爐的長度(在產量相同的情況下)，這會減小爐的占據面積。為了在均熱區域中通過高的燈功率密度維持高通量以便進行磷擴散，以實現高速加工，從所述區域移除熱。冷卻空氣流在均熱區域中的方向是從上到下的，用以抑制微粒沉積在晶片的頂表面上并且移除所述微粒。因此，與高質量靜態陶瓷旋轉輥輸送器系統(其中加工方法不會從加工區域移除熱)相對照，在本發明的系統和工藝中，移除了熱，以便能夠維持高功率密度并且允許高通量、短波長的IR晶片光調節，從而使所述工藝加速。雖然熱的移除似乎有悖常理，但高通量、短波長的IR不僅僅補償了熱的移除。對加熱元件(無論是IR燈還是電阻(SiC)輻射元件，頂部還是底部)的功率進行獨立調整或按組調整，以在每個區域中實現精確的溫度梯度控制。可使用以熱電偶為基礎的溫度調節、電壓控制式功率調節或混合式系統，采用如上所述的PID控制器來實現溫度控制。燈的功率調節優選是電壓控制式，因為這允許便于維持穩定的燈功率，以獲得優選的高IR強度(輻射通量)值以及總是恒定的光譜輸出。另外，使燈在更高功率密度下運行增大了IR通量，并且還提供了更好的光譜范圍，其峰值處于適當位置。關于利用本發明的運送系統的共擴散工藝，對示范性加工流水線進行如下配置I)將晶片定向成底表面面向上；2)將硼摻雜劑涂覆到晶片的面向上的底表面上且使晶片干燥；3)對晶片進行倒裝(例如，用旋轉式倒裝器)，使得晶片的頂表面現在面向上；4)將磷摻雜劑涂覆到晶片的頂表面上且使晶片干燥；5)將共摻雜后的晶片傳輸到本發明的擴散爐中；6)在爐中一次性對晶片進行共焙燒，使晶片冷卻并將其傳輸到下游的ARC、漿料絲網印刷、干燥和金屬化操作。因為本發明的低質量運送系統并未明顯遮住晶片的底面，所以底面得到適當焙燒，因此發生硼擴散，以便隨后形成背接觸層。運送失效保護系統作為爐的一個選項，爐的下半部可具備下垂制動裝置組合件，用以防止承載了陶瓷管和支座的懸掛金屬絲或桿在失效時過度下垂，例如，這種失效是由于金屬絲斷裂或在應力或熱的作用下拉長引起的。在目前優選實施例中，下垂制動裝置組合件包括滑塊部件，例如，選自石英管、桿或條帶，所述滑塊部件與輸送器運送路徑的中心 線平行對齊，所述中心線與爐加熱區域的縱向中心線一致。制動裝置滑塊部件與爐室的側壁向內間隔開某個距離，這個距離使所述制動裝置滑塊部件與支座的行進路徑對齊并且在所述行進路徑下方間隔開。制動裝置滑塊部件的每個縱向末端安裝在(例如)爐焙燒區域的橫向壁中，這樣，滑塊部件的頂部在橫向壁的頂部上方。因此，如果運送金屬絲和管組合件下垂，在這個時候，支座會與滑塊部件接觸，隨著運送的進行沿著滑塊部件滑動，并且跳出爐的橫向壁，而不會下垂和斷裂，或另外損害運送系統。例如，制動裝置滑塊部件的頂部與支座的底部之間的間隔可約為I到2厘米。另外，因為制動裝置滑塊部件與支座路徑對齊地間隔開，所以制動裝置滑塊部件不會遮住晶片，而是與晶片的側面隔開。外部線道的側壁加熱在目前優選的加熱系統中，在上部加熱區域中使用橫向定向式IR燈，而在下部加熱區域中使用IR燈與電阻加熱的組合。為了改進跨越爐寬度的橫向加熱均勻性，將電阻加熱器放在與兩個縱向側壁相鄰處，所述側壁定向成平行于爐的中心線并且與所述中心線隔開，而將IR燈橫向放在縱向側壁電阻加熱元件上方或下方，優選為下方。縱向側壁電阻加熱器布置在石英管、陶瓷管或穩定SiC管中，所述管布置在緊靠輸送器下方。在5線道或更寬的爐中，所述加熱器用以保持與對應的側壁相鄰的線道I和5中的晶片處于適當的擴散溫度。這尤其適用于共擴散加工。側壁加熱器用以修整與側壁相鄰處的爐溫度，這是因為，為防止使燈燒毀，IR燈加熱元件還沒有到側壁就終止了。如果IR燈加熱元件延伸到側壁絕緣物中，那么絕緣物會導致燈的局部溫度超過安全操作值。電阻型縱向側壁加熱器不會像主要的橫向IR燈那樣發光，而是在較低功率等級下操作以調整側壁附近區域的溫度，即，邊緣溫度，使所述溫度足夠高，以補償在燈末端處損失的功率以及穿過側壁絕緣物到爐外部的任何損失。由于較低功率的操作，所述縱向加熱器可放在主要的IR燈的水平面上方并且靠近側壁，間隔通常為約I到5厘米。在擴散爐使用本發明的低質量運送系統的情況下，所述縱向加熱器還可放在輸送器平面的略下方，大約比陶瓷管的水平面低I到3厘米，所述陶瓷管包括晶片運送支撐元件。示范性側壁加熱元件包括盤管電阻加熱元件，所述盤管電阻加熱元件封閉在因科鎳護套中并且通過MgO粉末與所述護套絕緣。隨后將所述元件插入可能透明、半透明或不透明的石英管中；因為所述元件可能不需要在可見光譜中或附近“發光”(這取決于所需輸出功率)，所以承載管透明度并不重要。另外，使用承載管所提供的一個重要安全特征在于，所述管充當電護罩或絕緣體以免觸電。可使用其他類型的加熱元件作為縱向側壁加熱元件，所述元件包含引入到承載管中的功率為I到3千瓦的簡單的鎳鉻合金金屬絲空氣盤管。可通過標準SCR控制器來控制所述側壁加熱元件。
圖I是本發明的擴散爐的第一項實施例的示意圖，用側視圖繪示了入口過渡區域、擋板區域或/和升高區域、任選的焙燒區域、至少一個均熱區域、冷卻區域以及低質量傳送系統；圖2是本發明的低質量運送系統(在這個實施例中為帶型運送)的等距視圖，所述運送系統安裝在擴散爐的若干加熱區域中，其中爐的前入口端在右側，圖中還繪示了在氧·化鋁支撐管上的晶片；圖3A是圖2中的帶運送實施例在入口擋板區域和任選的HI-IR燈區域中的等距放大視圖，所示為穿過所述爐對兩個示范性晶片的運送；圖3B是下部區段的仰視等距視圖，所示為用于均熱區域的排氣歧管；圖4A是從圖3A分解出來的帶運送的放大等距視圖，用來繪示詳情；圖4B是用于帶運送實施例的支架組合件和彎曲金屬絲尖端保持器的放大等距視圖；圖5是本發明的爐的側視示意圖，下方是在相應區域中形成的溫度對時間的圖形輪廓；圖6用圖說明了光譜輸出是IR燈加熱式擴散工藝的速度的關鍵，其中圖6A用相對強度對波長來繪示本發明的低質量運送系統的光譜輸出，而圖6B用相同的相對強度對波長來繪示高質量實心陶瓷輥系統的對照性光譜輸出；圖7是本發明的擴散爐的第二項實施例的示意圖，所示為若干加工區域和鏈驅動式晶片運送系統；圖8是爐加工區域中的鏈運送系統的等距放大視圖，所示為兩個示范性晶片穿過所述爐的運送；圖9是鏈驅動詳情的放大等距視圖，所示為懸掛金屬絲和陶瓷管怎樣安裝在中空鏈管中；圖IOA是穿過圖9的線10A/B-10A/B的垂直剖面圖，所示為用于鏈驅動的滑塊板導引器的第一項實施例，在這個實施例中為通道；圖IOB是穿過圖9的線10A/B-10A/B的垂直剖面圖，所示為用于鏈驅動的滑塊板導引器的第二項實施例，在這個實施例中為肋；圖IlA是穿過懸掛金屬絲和氧化鋁管的垂直剖面圖，所示為晶片支座的第三項實施例；圖IlB是穿過懸掛金屬絲和氧化鋁管的垂直剖面圖，所示為晶片支座配置的第四項實施例；
圖12A是橫向正視圖，所示為下垂制動裝置滑塊部件相對于運送陶瓷管、支座和金屬絲組合件的空間位置和安排；圖12B是本發明的擴散爐底部區段的等距視圖，所述擴散爐底部區段配備有一對下垂制動裝置滑塊；圖13是用于使硼和磷兩者共擴散到晶片中的工藝流水線的示意圖，這種共擴散是將硅晶片加工成太陽能電池的部分；
圖14是采用本發明的輸送器系統且在均熱區域下部動作中采用縱向側壁電阻加熱器的爐的水平示意圖；圖15是在上部與下部區域中采用縱向側壁加熱器的本發明的爐的替代示意性實施例；以及圖16是本發明的爐系統的等距視圖，所示為在示范性均熱區域中將縱向側壁加熱器放在IR燈上方。
具體實施例方式以下具體描述作為實例說明了本發明，而不是作為對本發明的范圍、等效物或原理的限制。本描述將明確使所屬領域的技術人員能夠進行并使用本發明，并且描述了本發明的若干實施例、適應形式、變化形式、替代形式以及用途，其中包含目前被認為是商業實施方案的情況。圖I是本發明的擴散爐10的示意圖，擴散爐10包括框架和外殼12，其具有下部區段14和上部區段16，框架12任選地配置有沿著外部隔開的線性制動器升降件(參見圖2和圖3)，用來使上部區段16相對于下部區段升高，以便允許對燈組合件和運送系統進行維修。爐10包括如下多個區段或區域，從入口或前端18 (在這個圖中，左側)到出口或后(下游)端20 (右側),依次為 IT，S卩，來自上游的摻雜劑涂覆器單元(圖中未示)的入口傳輸端18 ； B-I,即，入口擋板區域，其使用一或多個壓縮空氣刀組合件22 ；B-1區域任選地包括升高區域，升高區域含有一或多個加熱元件(圖中未示)，用來使晶片溫度從環境溫度升高到約500°C ； FZ,即，初始焙燒區域，用于使晶片溫度升高到擴散溫度，擴散溫度在約900°C到約1100°C的范圍中，這取決于所擴散的是磷、硼、還是兩者；FZ可進一步細分成兩個或兩個以上區域,例如； HI-IR區域，S卩，高強度IR燈陣列，優選為上部或/和下部隔離反射燈組合件24-U、24-L，用于獲得高達約950°C的溫度，然后是； HTZ, S卩，高溫區域，用電阻輻射(SiC)元件27對其進行加熱，用于獲得高達1100°c的溫度，這取決于所擴散的是磷、硼、還是兩者； S，S卩，均熱區域，具有隔開的上部和下部IR燈或電阻元件26-U、26_L ； B-2, S卩，出口擋板區域，具有空氣刀組合件22 ； C，S卩，冷卻區域，通常不具有電阻元件或IR燈；以及 0T, S卩，出口傳輸區域，用于將擴散焙燒后的晶片傳輸到用于進行絲網印刷的加工設備，所述加工設備在正面上絲網印刷集電極指狀物和總線并且在背面上絲網印刷背接觸層(圖中未示)，然后進行焙燒以形成歐姆接點。出口傳輸區域可任選地包含與爐出口(右偵D相鄰的上部或/和下部空氣刀組合件。本發明的爐的上游和下游是低溫傳輸帶28-U (上游)和28-D (下游)，所述帶連接到抗反射層涂覆器、絲網印刷機，然后是金屬化爐。這些低溫傳輸帶28-U和28-D與本發明的爐10的驅動系統30連接。在第一項實施例中，本發明的爐的低質量驅動系統30包括銷驅動輥32 (由布置在爐的出口(右)端的電動機34和鏈或帶36驅動)、晶片運送帶組合件38、空轉輥40以及包含張力輥42的張力系統44。張力系統44包含充當緩沖器的自動張力補償器彈簧，用來幫助防止松脫。應注意，通過這個驅動幾何結構，沿著供給路徑F從左到右地拉著帶38穿過各個區域。本發明的爐包含多個高壓間，其界定了外殼12的區域內部；以及多個空氣歧管，其包含入口和排氣口，用于使環境或加壓空氣流進入各個區域，如箭頭I (入口)和E (排氣 口)所示，以便在各區域中維持適當的溫度。另外，在隔離燈組合件24-U和24-L (在使用的情況下)的反射器主體的通道中提供加壓空氣，以使布置在所述通道中的燈冷卻。高強度燈組合件24-U和24-L中的每一個的表面由一片透明石英所覆蓋，以便密封反射器通道，使其與正在HI-IR區域中接受光調節的晶片隔開。這種燈冷卻允許燈在約60%到100%的最大功率下運行，這遠高于目前可用的競爭單元。這向晶片提供了立即熱升高以及高強度IR照射，從環境溫度升高到700°C到950°C (磷擴散)的峰值擴散調節溫度，并且提供了高強度光調節。圖I的尺度使得無法在每個位置繪示固體熱絕緣材料46，但所屬領域的技術人員將理解，外殼包含必要的絕緣材料配置塊。任選地提供穿過絕緣物進入區域中的空氣逆流(由箭頭48繪示)，所述空氣逆流與熱流相反。空氣在進入時從絕緣物吸取熱并使熱再循環到區域中，這是效率很高的熱交換操作。應注意，將燈26-U和26-L或電阻元件27繪示為交錯的，用以提供均勻的加熱和/或IR光子場；任選地將燈26-U和26-L或電阻元件27安排成不交錯的。現在轉到低質量運送系統30，圖2用等距視圖繪示爐12，其中移除了外部面板和絕緣物以便繪示下部區段14的框架，所述下部區段14具有入口端18 (右下方)和出口端20(左上方)。為了清楚起見，未繪示入口和出口傳輸帶28-U和28-D。在爐的側軌52的四個角上繪示了托架和升降器50 ;這些托架和升降器50用以從下部區段14 (圖中已示)提升上部區段16 (圖中未示)以便對零件(例如，燈、電阻加熱元件、運送系統元件等等)進行檢查、調整、維護和修理/更換。下部區段14包含側軌52、側壁絕緣塊46-S以及絕緣物內部區域分割塊54。為了不混淆帶38的詳情，未繪示前方的絕緣塊，所述絕緣塊位于擋板區域B-I的前端且將B-I與高強度IR區域HI-IR分割開來，以及位于冷卻區域C的后端。絕緣塊56形成若干區域的底層。這些底層絕緣塊56通常有孔口，此處為狹槽88，這些孔口加上底層下方的高壓間(圖中未示)允許用ID風扇(圖中未示)抽出熱的廢氣。這個空氣流從各個區域移除了熱，從而允許元件(燈、SiC桿或盤管)的運行產生更高輸出，并且還允許抽出污染物，因為空氣流是從上到下的。這個熱氣體/空氣流模式導致爐區域的污染物水平降低，并且因此導致產品更干凈。在面前的側軌52和遠端的側壁絕緣塊46-S中繪示了孔口 58，所述孔口 58是用于安裝電阻元件27或/和高強度燈管26 (為清楚起見，僅繪示了每種元件中的一個)以及用于連接電導線，所述元件/燈橫跨爐區域的寬度。用于下部高強度IR燈區域24-L的壓縮空氣室60通過線路62將壓縮空氣供給到反射器通道與燈之間的環中，并且按需要在下方排到外部，或排到相鄰的下游均熱區域中。為清楚起見，在右端僅繪示了低質量活動傳輸帶系統30的一部分。側帶38與驅動系統30的隔開的空轉輥40中的銷嚙合。僅僅在冷卻區域C內部可以看見空轉輥40和在其下方的驅動輥32。在入口端(右側)繪示了兩個晶片W-I和W-2，所述晶片放在橫向氧化鋁管64上，位于傳輸穿過爐的位置上。圖3A是圖2的爐10的入口端18的放大等距視圖，所不為承載兩個晶片W-I和W-2的帶運送系統30的一部分。運送系統30的兩個隔開的帶38布置在U形通道66中，所述U形通道66形成于左和右側壁絕緣塊46-S的頂部中。每個帶包含精確隔開的孔68，所述孔68與空轉輥40的銷90嚙合。豎立的支架70也沿著所述帶有規律地隔開，所述支架 70承載金屬絲72，陶瓷管64放在所述金屬絲72上。示范性金屬絲是直徑為0. 080〃的鎳鉻合金。支座84 (在這個實施例中，此處為環)設置在、安裝在管64上,或形成于管64中，并且沿著所述管橫向隔開。在運送穿過爐10的過程中，晶片位于支座環上，這樣，晶片背表面與運送組合件元件之間的接觸很少，參見圖4A中的占據面積96。在管64斷裂或裂開的情況下，金屬絲72會保持管64，直到可以更換管64。由于帶中的孔68與輥(驅動輥和空轉輥)中的銷90標定，每個帶的支架按平行對齊的關系移動，因此氧化鋁管保持與晶片供給行進方向(如箭頭F所示)橫切。圖3B是爐的下部區段12的下方等距視圖，為清楚起見，移除了框架。底層絕緣塊56橫跨側框52，所述底層絕緣塊56具有排氣狹槽88 (圖3A最能看出)。鋼板100與絕緣塊56的底部間隔開來，這個間隔為熱空氣提供了收集器高壓間。排氣歧管組合件102通過橫管106的末端上的卡圈104連接到所述高壓間(56與100之間的空間)。橫管的另一端連接到收集器管道108，所述管道108從排氣管或煙道管110排放出熱氣體。圖4A用等距視圖繪示了低質量運送系統30，以及U形通道組合件74，這個實施例的帶38在所述U形通道組合件74中移動。圖4B是圖4A的單支架組合件的特寫。每個帶38支撐在石英滑塊部件74上，所述滑塊部件74的橫截面是U形并且具有較短的垂直側壁。用高溫陶瓷膠泥將一對保持器條帶部件76粘到U形臂的頂部上，所述保持器條帶部件76是由石英、氧化鋁或其他高溫纖維型陶瓷材料制成，如此充分重疊以便通過物理手段將帶保持在通道中并且防護所述帶，使其不會接觸到加熱元件，從而保持所述帶是冷的。任選地使用環境壓縮環境空氣對所述帶進行冷卻。支架70包含緊固到豎直凸出部78上的垂直腿80，所述凸出部78是通過從所述帶進行穿孔92所形成的。腿80和凸出部78可通過任何適當方式緊固在一起，例如，通過點焊、通過對齊的凸出部與腿孔94進行鉚接或用螺釘緊固。支架腿80的上端帶有一或多個耳片82，每個耳片有一個洞，耐高溫金屬絲或桿72插入到所述洞中。氧化鋁管64在所述金屬絲上滑動并且由所述金屬絲承載。每個管任選地包含多個橫向隔開的支座部件84，此處為環，晶片位于支座部件84上，如圖4A中的占據面積96所示。支座環84可具有多種橫截面配置，范圍為簡單的平坦表面圓環(如圖4A中所示)到漸縮型輪廓，例如，橫截面輪廓為鐘形曲線形的輪廓。各種輪廓參見圖10A、圖10B、圖IlA和圖11B。應注意，在圖4B中，金屬絲72的彎曲尖端86裝在兩個耳片之間，從而鎖定金屬絲，以防止金屬絲的橫向移動，這種橫向移動會導致另一端(右側)從右側支架的耳片中掉下來。應注意，在圖4A中，金屬絲的右側充分延伸穿過了其對應的支架的外部耳片。使用具有自由端的金屬絲可以允許金屬絲長度擴大以及縮短，而不會從耳片中的孔中掉下來。本發明的運送系統的帶和鏈實施例的重要特征在于其超低的質量、容易安裝、容易保持清潔、在運送晶片穿過爐時晶片上的接觸點很少，并且容易維護。如圖4A中所示，因為有這么多充分緊密地間隔的金屬絲來為晶片提供支撐，所以破損的管和/或金屬絲通常會留待在計劃好的停工時進行更換，因為失去一個管或金屬絲不會嚴重影響產品生產能力。在本發明的爐實施方案中，極快地(幾秒內)將晶片加熱到擴散溫度范圍內或接近擴散溫度范圍，在所述實施方案中，在與緊接在本發明的爐的入口相鄰處或下游使用高強度IR燈或隔離模塊。用高強度短波長IR輻射能量對晶片進行光調節，所述輻射能量約為目前輥爐的4到5倍大或者更大，因此擴散進行的速度更快。作為實例，在本發明的爐中，溫度在幾秒內達到擴散溫度。更重要的是，通過在HI-IR區域中使用隔離模塊，并且由于能 夠在較高電壓下給所述HI-IR區域和均熱區域元件供電，在工藝過程中的IR通量較高，并且在少于6到8分鐘內完成擴散，這個時間長度是目前系統的二分之一到三分之一。圖5和圖6說明這些原理。圖5的上部部分用側視圖示意性繪示了本發明的爐，下方是在相應區域中形成的溫度對時間的圖形輪廓；虛曲線P是在僅通過IR燈加熱在正面上進行磷擴散以便形成p-n結層時，本發明的爐中的溫度輪廓。實曲線顯示，本發明的爐中為了形成背接觸層而進行的硼擴散的進行溫度要高出約200°C，并且需要用電阻元件(例如所揭示的SiC桿)對至少一些區域進行加熱。應注意，本發明的爐的IR燈或電阻元件所產生的極陡輪廓，這會使晶片快速達到磷(和/或硼)擴散的工藝溫度。使用IR燈加熱的在市場上可買到的對照性實心陶瓷輥爐表現出大體上遵循虛線輪廓的磷擴散曲線，在圖上標為“P.A. ”(現有技術)。因為輥在爐中已經是熱的，所以將燈自動調整成在較低功率下運行(參見圖6B，下方)，因此導致溫度輪廓斜率實質上且明顯較低，并且達到溫度的時間較長，長了約幾分鐘。這個圖5的曲線圖最重要的方面在于，在使用本發明的爐時，完成擴散的速度實質上更快(縱坐標上的點“D終點”)，晶片繼續進行冷卻并且傳輸到絲網印刷(縱坐標上的點“XroR”)。相比來說，對照性現有技術磷擴散工藝(圖5中的虛線)在較低功率設定下繼續進行均熱，時間要長得多，如所述虛線上指向右的箭頭所示。本發明的高強度IR輻射通量磷擴散工藝通常用時為常規熱傳導工藝時間的1/2到1/3。因此，生產能力實質上更高，并且與相等輸出的常規爐(400〃長乘以36〃寬)相比，爐體積小得多(長度小于300"，并且寬度為一半)。圖6A和圖6B用圖說明了光譜輸出是在光調節、升高和HI-IR區域中改進IR擴散工藝速度的關鍵。燈的光譜輸出隨燈的功率而變化，可以表達為燈的最大功率容量的百分數。圖6A用相對強度對波長來繪示本發明的低質量運送系統的光譜輸出曲線。上部曲線是理論最大值T，繪示了 IR峰值為約I. 2微米并且相對強度為約12.5。應注意，可見光譜VS在左側，用虛線繪示。標為“本發明”的下部曲線顯示，在使用HI-IR燈模塊的本發明的超低質量運送系統中，可使用燈電壓控制系統在約40-100%額定最大值(此處顯示約40-70%)下操作IR燈，并且峰值處的強度最大值為8。相比來說，圖6B用相同的相對強度對波長來繪示高質量實心陶瓷輥系統的對照性光譜輸出。在與熱電偶型熱監測控制反饋系統一起運行的這種對照系統中，燈必須在約20%的功率下運行。然而，相對強度呈指數降低，并且在約1.8的峰值強度下，標為“PA”的峰值移位到更靠近I. 75微米，這個輻射通量是本發明的工藝的四分之一以下。常規系統中，移位到更長的波長、更低的能量光譜輪廓也很重要。因此，在本發明的系統中，燈可在更大功率下操作，從而導致相對強度增大到4到5倍。更快地施加到晶片上的這種增大的IR強度對晶片進行調節，以促進磷或/和硼更快地擴散到先進晶片材料中，從而形成相應的結和背接觸層。因此，在本發明的系統中，IR強度更高并且維持時間足夠長，以便進行更快的加工。圖7到圖IOB涉及本發明的超低質量運送系統的第二項實施例，這個實施例采用一對隔開的鏈，晶片支撐金屬絲和陶瓷管從所述鏈懸掛下來。圖7中，上文對圖I進行的·描述適用于編號相同的零件。應注意，IT和BI區域在這個實施例中組合成升高區域，在所述升高區域中使晶片溫度從室溫升高到約500°C到900°C，在升高區域包含HI-IR隔離燈模塊的情況下為900°C。在這之后是焙燒區域，所述焙燒區域使溫度升高到擴散加工溫度約950-1100°C，這取決于所擴散的是磷或硼，還是兩者。如圖所示，焙燒區域采用所揭示的示范性電阻SiC元件。在均熱區域中保持焙燒設定點溫度，為防止使圖混亂，未繪示加熱元件，但請參見圖I和圖5。如圖所示，冷卻區域分成兩個子區域CZ-I和CZ-2，但CZ-2可在外部。在圖7和圖8中，通過輥鏈112進行運送，由電動機34提供動力的鏈輪114使輥鏈112移動，所述電動機34位于爐20的出口端下方。空轉輪(在這種情況下是鏈輪或帶凸緣的輪)40A-40C布置在入口、出口處和返回路徑R的上游，用以使所示驅動環中的鏈改變方向。布置在驅動器30下游的彈簧偏置式張力和空轉輪系統44提供適當的張力。沿著鏈環設置了導輥116和滑道塊74，用以維持所述路徑為直的。空氣刀22在冷卻區域中或冷卻區域外對所述鏈提供冷卻壓縮空氣。另外，可在返回區段中設置管冷卻器118，用來對所述鏈進行進一步冷卻。圖8所示為兩個隔開的鏈112-L (左側)和112-R (右側)怎樣支撐在滑塊74中的凹槽或通道120中。支撐陶瓷管64的橫金屬絲72具有末端122，所述末端122穿過管狀鏈節套管124。金屬絲72隔開約1〃 (2. 5厘米)。圖9是顯示金屬絲72的交替性鏈節安裝的放大圖。中間的鏈節具有實心鏈節銷126。鏈節套管124與鏈節銷126上均覆有鏈節輥128(圖9中未示；顯示于圖IOA和圖IOB中)金屬絲的自由端122終結于推型或螺紋型螺母或者其他類型的緊固件130、140中，以防止所述金屬絲從套管124中掉下來(參見圖10A、10B)。圖IOA和圖IOB繪示滑塊板74的兩項實施例。圖IOA中，滑塊板包含凹槽或通道120，鏈112支撐在所述凹槽或通道120中。金屬絲72的自由端122有螺紋，用來接收鎖定螺母130。顯示了任選的間隔墊圈132。支座84具有倒V形外圍，因此晶片支撐在圓周脊134上。圖IOB中，滑塊板74包含可具有多種配置的脊136，所述配置包含直線型或曲線型(傾斜的)側壁。鏈112的側面鏈節跨騎在脊136上并且由脊136導引。在這個實施例中，滑塊板74通常不具有外側塊138，所述板在所述脊的兩側上是平坦的，如界定了側面塊138的虛線所示。另外，金屬絲72的尖端122終結于蓋型或推型螺母140。在這個實施例中，支座的輪廓是漸縮型頂，橫截面是半正弦波。圖IlA和圖IlB所示為支座84的兩項另外的實施例，圖IlA所示為不對稱的鰭形支座，所述支座具有傾斜的外表面(脊134的右側)以及垂直或傾斜的側表面。圖IlB所示為支座的當前最好形式的實施例，即，兩側漸縮型圓錐形，在頂點處任選地有環形肋134，兩個漸縮側面在所述頂點處匯合。所述肋或長的斜面均對晶片產品提供支撐，如分別由晶片W-I和W-2的位置所示，這取決于支座84沿著管64的間隔相比于(晶片)產品的寬度。如果產品很大，那么底表面位于所述肋上，如晶片W-I所示(還參見圖4A中的96)，而如果產品沒有晶片W-2所示那么寬，那么僅產品的外部下緣位于斜面上(如圖所示)。這個支座是粘在陶瓷管64上而不是一體形成的。支座的垂直高度可選擇性地變化，以便適應各種運送和爐設計以及配置。 圖12A和圖12B說明了任選的運送失效保護系統，所述系統包括并列地安排在支座行進路徑下方的下垂制動裝置。圖12A所示為運送組合件下方的下垂制動裝置滑塊部件144的空間位置和安排，所述運送組合件包括驅動鏈112、陶瓷管64、支座84和金屬絲72。如圖12A中所示，下垂制動裝置組合件144用以防止承載了陶瓷管64和支座84的懸掛金屬絲或桿72在失效時過度下垂，例如，這種失效是由于金屬絲在應力或熱的作用下斷裂或拉長弓I起的。在示范性實施方案中，下垂制動裝置包括滑塊部件144，例如，選自石英管、桿或條帶，所述滑塊部件144與箭頭F所示的輸送器運送路徑的中心線平行對齊，所述中心線與爐焙燒區域的縱向中心線一致。制動裝置滑塊部件144與爐室的側壁向內間隔開某個距離，這個距離使所述制動裝置滑塊部件144與所選支座的行進路徑對齊并且在所述行進路徑下方間隔開。制動裝置滑塊部件的每個縱向端安裝在爐焙燒區域23的橫向壁54中的凹口 146中，這樣，滑塊部件的頂部在橫向壁54的頂部上方間隔開。因此，如果運送金屬絲和管組合件下垂，在這個時候，支座84會與滑塊部件接觸，隨著運送的進行沿著滑塊部件滑動，并且跳過爐的橫向壁，而不會下垂和斷裂，或另外損害運送系統。例如，制動裝置滑塊部件144的頂部與支座134的底部之間的間隔可約為I到2厘米。另外，因為制動裝置滑塊部件與支座路徑對齊地間隔開，所以制動裝置滑塊部件不會遮住晶片(參見圖IlB的晶片W-I和W-2)，而是與晶片的側面隔開。圖12A還顯示，在其絕緣側壁塊46S中的每個運送鏈滑塊板74上方、下方或一側上設置了壓縮空氣管148，用來向滑塊74的底部提供冷卻空氣并且通過滑塊板74中的孔150向驅動鏈112提供冷卻空氣。圖12B所示為寬度為5個線道的示范性擴散爐10的底部區段14，所述底部區段14配備有一對下垂制動裝置滑塊144，每個下垂制動裝置滑塊144與一系列支座84并列對齊且在所述支座84下方間隔開。可在入口端跨爐的寬度放置橫向間隙防護板152，以在運送改向成向上然后又到水平產品運送水平面時確保任何下垂的金屬絲的間隙。圖13所示為工藝流水線154，其包括第一摻雜器設備Do-1，用于用硼摻雜組合物(箭頭B)對預備的硅晶片的底表面進行摻雜。在Do-I中用硼對晶片進行摻雜并使晶片干燥后，在倒裝器158中反轉所述晶片，使得晶片的頂表面面向上。然后將反轉后的頂面朝上的晶片傳輸到第二摻雜器設備Do-2，在這個摻雜器設備Do-2中將磷摻雜組合物(箭頭P )涂布到晶片的頂表面上并使晶片干燥。然后將用硼/磷進行了雙重涂布后的晶片傳輸到本發明的擴散爐10，進行如本文中上文所述的共擴散焙燒，在爐的冷卻區段中進行冷卻，并且傳輸到抗反射涂層設備ARC 158，在抗反射涂層設備ARC 158中，通過等離子增強型化學氣相沉積來涂覆抗反射涂層，例如SiN3。在涂覆ARC后，將晶片傳輸到印刷站，在印刷站中，印刷機/干燥器設備160將銀基漿料“墨水”以精細的隔開的線路的形式涂覆到摻磷/擴散后的頂表面上(僅當需要時，將背接觸層鋁基漿料涂覆到摻硼/擴散后的底表面上；摻硼底表面通常不需要鋁基背接觸層漿料)。然后將“印刷后的”晶片傳輸到干燥器162，干燥器162在不超過約600-650°C定溫度下燒掉漿料中的有機粘合劑，如圖所示，在164處排放出VOC，然后使廢氣冷凝下來或者在熱氧化器中燒盡。將印刷后的晶片傳輸到金屬化爐166中，在金屬化爐166中對晶片進行焙燒以使選擇性的背接觸漿料流到連續層中，并且在正面上形成歐姆集電極的精細柵格，所述柵格被燒到P-n結層中，但不穿過P-n結層。所得的電池168繼續進行各個清潔、修邊和測試步驟，然后形成條帶并組裝成陣列，以便在各玻璃層之間層積成完成的太陽能電池板。圖14到圖16說明了使用縱向側壁加熱器來改進各個區域(主要是均熱區域)中的加熱的橫向均勻性，使得在最靠近爐的側壁的對應線道(例如，在寬度為5個線道的爐中，線道I和5)中所運送的晶片處于加工溫度，這個溫度在其寬度上是均勻的。對圖I和圖7 中相同零件和區域的描述適用于圖15。在這個實施例中，爐區域為升高區域19，然后是多
個均熱區域S 1、S2......Sn，然后是至少一個冷卻區域CZ，例如Cl或/和C2。所述區域中
的燈26U和26L提供高IR通量來進行調節和加熱。升高區域19 (上部和下部分別是19U和19L)使晶片從環境溫度快速升高到約500°C到700°C或更高的范圍內。第一均熱區域SI使晶片的正面和背面、頂面和底面升高到所需的擴散溫度，所述擴散溫度在約950°C (僅有磷摻雜)到約1100°C (磷和硼的共摻雜)的范圍內。其余的均熱區域S2-Sn保持所需的擴散加工設定點溫度。然后在一或多個冷卻區域C1、C2等中對晶片進行冷卻。在這個實施例中，在區域SI、S2的下半部中，以及在區域Cl中(當區域Cl由均熱區域Sn所替換時，在這個實施例中Sn是S3)，在燈的上方布置側壁加熱器170。圖15所示為在上部與下部區域中使用側壁加熱器170U和170L。在這個實施例中，在下部升高區域中使用側壁加熱器170L。在所顯示的所有均熱區域中使用加熱器。圖16所示為3線道式爐，所述爐在方向F上輸送晶片W-l、W-2和W-3。其余零件編號與圖3A中相同。在均熱區域中，分別用于右和左側壁的兩個側壁加熱器170R、170L顯示為與其側壁46R和46L相鄰并且在橫向下部燈26L上方。所述側壁加熱器可任選地延伸到升高區域19或任選焙燒區域中。所述側壁加熱器放在離對應的側壁46R、46L有預先選擇的距離172處，所述距離172的范圍是約I厘米到約5厘米。所述側壁加熱器可支撐在橫向區域分割塊54中切割出來的凹口 173中，或支撐在所述塊中的通孔(圖中未示)中。如圖所示，所述側壁加熱器包括外部石英管174，桿或盤管式電阻元件ITS放在所述外部石英管174中。這些側壁加熱器確保線道I中的晶片W-I和線道3中的晶片W-3的外緣(最靠近側壁46R和46L的邊緣)逐個邊緣地得到均勻加熱。本申請案的本發明的擴散爐廣泛適用于太陽能電池制造產業，S卩，適用于以下工藝步驟對太陽能電池晶片進行焙燒以使磷或/和硼擴散并且共擴散到晶片基質中，從而形成P-n結層或傳導性背表面層。所述系統顯然是對當前可用的爐的改進，從而提供了更高的生產能力，這是由于加工時間實質上更短、遮蔽更少、能量需求更低、晶片的工藝污染更少，并且P-n結層和摻硼背表面層中的均勻性有所改進。因此，本發明的系統顯然有可能被用作使摻雜劑擴散到太陽能電池先進材料晶片中的設備和方法的新標準。 零件列表(這個零件列表是為了方便審查而提供的并且可在得到允許的情況下進行刪減)
權利要求
1.一種用于加工太陽能電池晶片的連續輸送器擴散爐，所述擴散爐以可操作的組合形式包括 a)多個加熱和冷卻區域，所述區域是按爐入口到爐出口的順序來定向的， i)所述區域是按鄰接關系來布置的，以便通過所述區域界定連續的縱向加工輸送器路徑，所述路徑定向于大體上水平的平面中，所述區域中的每一個包含隔開的外側壁，加工體積界定于所述外側壁之間，所述加工體積沿著大體上平行于所述加工路徑平面的水平平面分成區域上半部分和區域下半部分； ii)所述加熱區域包含選自IR燈和電阻輻射元件的加熱元件，所述加熱元件定向成與所述縱向加工輸送器路徑橫切，用以加熱所述加工體積； iii)所述橫向定向的加熱元件布置在所述加熱區域的至少一些中，位于所述區域上半部分和所述區域下半部分中的至少一個中； iv)至少一對電阻加熱元件，所述電阻加熱元件布置在所述區域下半部分或/和上半部分中的至少一個中，所述電阻輻射元件定向成平行于所述縱向加工輸送器路徑，每一對中的一個布置成與所述外側壁中的一個相鄰； b)低質量輸送器系統，用于接收太陽能電池晶片并使太陽能電池晶片沿著所述縱向加工路徑從所述爐入口穿過所述區域移動到所述爐出口，所述輸送器系統包括 i)多個隔開的耐高溫金屬絲，所述金屬絲定向成與所述縱向加工路徑橫切，所述金屬絲的長度在所述輸送器系統的所述側壁之間界定穿過所述爐區域的有用的晶片運送寬度； ii)直徑小、壁薄、非旋轉式的耐火管，所述耐火管懸掛在所述金屬絲上，用以在通過所述輸送器系統將所述晶片運送穿過所述爐區域時對所述晶片提供支撐，并且用以實質上完全防護所述晶片免受從所述金屬絲排放出來的金屬蒸氣； iii)所述耐火管的延伸長度為所述金屬絲的所述長度的至少大部分，并且在所述金屬絲上定位成僅露出所述金屬絲的短的相對側端； iv)—對隔開的運送部件，一個運送部件布置成與所述金屬絲的每一末端相鄰，所述運送部件中的每一個形成連續環，所述連續環穿過從爐入口到所述爐出口的所述縱向加工路徑，然后在所述爐區域外的返回路徑上回到所述入口 ； V)所述運送部件中的每一個包含沿著所述運送部件連續環中的每一個均勻地隔開的多個收納部件，每個所述收納部件經配置以可移除式保持所述金屬絲的所述短的側端，所述金屬絲布置成跨所述運送寬度懸掛在所述運送部件之間；以及 c)布置在所述爐區域外的驅動系統，所述驅動系統布置成嚙合所述兩個運送部件，以隨著所述運送部件承載所述多個耐火管以及懸掛在所述收納部件之間的金屬絲實現穿過所述區域的同步移動，在爐操作過程中，在所述耐火管上將所述晶片運送穿過所述區域以對所述晶片進行加工。
2.根據權利要求I所述的連續輸送器擴散爐，其中所述運送系統包含以下各項中的至少一個 a)選自帶和輥鏈的環式部件； b)其中在使用帶時，所述帶包含垂直延伸的支架，所述金屬絲末端收納于所述支架中；C)其中在使用輥鏈時，所述輥鏈包含管狀樞軸鏈節，所述金屬絲末端收納于所述鏈節中。
3.根據權利要求I所述的連續輸送器擴散爐，其中所述下半區域部分安裝成固定在框架中無法移動，所述爐包含多個用動力推進的垂直提升部件，所述垂直提升部件布置成連接到所述上和下半部爐區域部分，所述垂直提升部件經布置以相對于所述固定的下半部區域部分而提升所述上半部區域部分，從而露出爐加熱區域內部并且允許進入所述爐加熱區域內部，以便按需要進行檢查、調整、維護和修理。
4.根據權利要求I所述的連續輸送器擴散爐，其中所述上半部分安裝成固定在框架中無法移動，所述爐包含多個用動力推進的垂直提升部件，所述垂直提升部件布置成連接到所述上和下半部爐區域部分，所述垂直提升部件經布置以相對于所述固定的上半部區域部分而降低所述下半部區域部分，從而露出所述爐加熱區域內部并且允許進入所述爐加熱區域內部，以便按需要進行檢查、調整、維護和修理。
5.根據權利要求I所述的連續輸送器擴散爐，包含下垂制動裝置組合件，所述下垂制動裝置組合件安裝在所述爐區域中的至少ー些的下半部分中，并且布置成在所述支座下方間隔開且與所述支座并列對齊。
6.一種光伏(PV)太陽能電池晶片的連續擴散或共擴散層焙燒方法，所述晶片具有底表面和頂表面，所述方法包括以下步驟 a)向所述晶片底表面和所述晶片頂表面中的至少ー個涂覆至少ー摻雜劑組合物，以產生多個晶片，所述晶片在所述頂表面和底表面中的至少ー個上由一層摻雜劑組合物進行了摻雜； b)運送所述多個所述共摻雜后的晶片，從爐入口到爐出口，依次穿過多個加熱和冷卻區域，所述區域是按鄰接關系來布置的，以便界定連續的縱向加工輸送器路徑，所述路徑定向于大體上水平的平面中，且所述晶片定向成所述頂表面面向上； c)在所述運送步驟中在低質量輸送器系統上支撐所述晶片，所述輸送器系統包含直徑小的非旋轉式耐火管，所述耐火管支撐所述晶片，所述耐火管懸掛在金屬絲上，所述金屬絲從所述爐的第一縱向外側面到所述爐的第二縱向外側面橫跨所述晶片加工路徑，并且所述晶片按選定的速率不斷前進穿過所述區域； d)在所述加熱區域中直接通過射到所述頂表面和底表面上的IR燈輻射和熱電阻輻射或再輻射中的至少ー個對所述晶片進行加熱，加熱的時間足以促進所述摻雜劑從所述涂布層擴散到所述晶片基質材料中，從而完成p_n結頂表面層和背接觸底表面層中的至少ー個的形成；以及 e)通過從縱向電阻加熱元件所施加的電阻輻射來維持橫跨所述晶片加工路徑的均勻的熱，所述縱向電阻加熱元件布置在所述加熱區域中的至少ー個中，與所述外側壁相鄰并且平行于所述外側壁。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述加熱區域沿著大體上平行于所述加工路徑水平平面的平面分成上部加熱區域部分和下部加熱區域部分，且從布置在至少ー個下部加熱區域部分中的電阻加熱元件施加熱。
8.一種用于在擴散和金屬化步驟中對硅晶片進行熱加工的設備，所述晶片具有頂表面和底表面，所述設備以可操作的組合形式包括a)至少一個摻雜器模塊，用于涂覆摻雜組合物，所述摻雜組合物選自硼摻雜劑組合物和磷摻雜劑組合物中的至少一個； b)連續輸送器IR燈加熱式擴散爐，所述擴散爐從所述摻雜器模塊接收摻雜后的硅晶片，所述擴散爐具有狹長的加熱區域，所述加熱區域在輸送器層面水平分割成上部部分和下部部分，且所述擴散爐包含提升裝置，所述提升裝置允許所述上部部分和下部部分相對運動，以便可以進入所述加熱區域的內部，所述爐適用于對摻雜后的硅晶片進行擴散焙燒； c)抗反射涂層模塊，所述抗反射涂層模塊布置在所述擴散爐的下游，用以從所述擴散爐接收擴散焙燒后的硅晶片，并且包含用于向所述硅晶片的至少頂表面涂覆抗反射涂層(ARC)的構件； d)印刷機/干燥器模塊，所述印刷機/干燥器模塊布置在所述抗反射涂層模塊的下游， 用以接收所述涂有ARC的硅晶片，所述印刷機/干燥器模塊包含用于向所述底表面涂覆背接觸漿料并且在所述頂表面上印刷精細的集電極線路以產生印刷后的晶片的構件； e)干燥器模塊，用于接收所述印刷后的晶片并且在IR燈加熱的區域中將所述印刷后的晶片加熱到高達約650°C，以便從所述印刷后的硅晶片的所述頂表面和底表面上的所述漿料和線路中燒掉揮發性有機粘合劑；以及 f)金屬化爐，所述金屬化爐具有狹長的加熱區域，所述加熱區域在所述輸送器層面水平分割成上部部分和下部部分，且所述金屬化爐包含提升裝置，所述提升裝置允許所述上部部分和下部部分相對運動，以便可以進入所述加熱區域的內部，所述爐適用于對印刷后的硅晶片進行IR燈加熱式金屬化焙燒，燒到約750°C到約1100°C的范圍內；從而產生可以加工成太陽能電池板陣列的硅晶片，所述加工包含清潔、測試以及層積。
9.根據權利要求8所述的用于對硅晶片進行熱加工的設備，其中所述擴散爐包含 a)多個加熱和冷卻區域，所述區域是按爐入口到爐出口的順序來定向的，所述區域是按鄰接關系來布置的，以便通過所述區域界定連續的縱向加工輸送器路徑，所述路徑定向于大體上水平的平面中； b)低質量輸送器系統，用于接收太陽能電池晶片并使太陽能電池晶片沿著所述縱向加工路徑從所述爐入口穿過所述區域移動到所述爐出口，所述輸送器系統包括 i)多個隔開的耐高溫金屬絲，所述金屬絲定向成與所述縱向加工路徑橫切，所述金屬絲的長度界定所述輸送器系統的穿過所述爐區域的有用的晶片運送寬度； ii)直徑小、壁薄、非旋轉式的耐火管，所述耐火管懸掛在所述金屬絲上，用以在通過所述輸送器系統將所述晶片運送穿過所述爐區域時對所述晶片提供支撐，并且用以實質上完全防護所述晶片免受從所述金屬絲排放出來的金屬蒸氣； iii)所述耐火管的延伸長度為所述金屬絲的長度的至少大部分，并且在所述金屬絲上定位成僅露出所述金屬絲的短的相對側端； iv)—對隔開的運送部件，一個運送部件布置成與所述金屬絲的每一端相鄰，所述運送部件中的每一個形成連續環，所述連續環穿過從爐入口到所述爐出口的所述縱向加工路徑，然后在所述爐區域外的返回路徑上回到所述入口 ； V)所述運送部件中的每一個包含沿著所述運送部件連續環中的每一個均勻地隔開的多個收納部件，每個所述收納部件經配置以可移除式保持所述金屬絲的所述短的側端，所述金屬絲布置成跨所述運送寬度懸掛在所述運送部件之間；以及 C)布置在所述爐區域外的驅動系統，所述驅動系統布置成嚙合所述兩個運送部件，以隨著所述運送部件承載所述多個耐火管以及懸掛在所述收納部件之間的金屬絲實現穿過所述區域的同步移動，在爐操作過程中，在所述耐火管上將所述晶片運送穿過所述區域。
10.根據權利要求9所述的用于對硅晶片進行熱加工的設備，其包含第一摻雜器模塊，用于向所述晶片的所述底表面涂覆硼摻雜劑合物；以及第ニ摻雜器模塊，用于向所述晶片的所述頂表面涂覆磷摻雜劑合物，所述第一摻雜器模塊將摻雜后的晶片供給到倒裝器模塊，所述倒裝器模塊具有用于反轉所述晶片以使所述頂表面面向上的構件，并且所述反轉后的頂表面向上的晶片被傳輸到所述第二摻雜器模塊。·
全文摘要
多區域太陽能電池擴散爐具有多個輻射元件(SiC)或/和高強度IR燈加熱式加工區域，區域包含擋板區域、升高區域、焙燒區域、均熱區域及冷卻區域。通過超低質量晶片運送系統來實施將太陽能電池晶片運送穿過爐的操作，太陽能電池晶片，晶片運送系統包括橫向隔開、有防護、并且同步驅動的金屬帶或鏈，金屬帶或鏈承載懸掛在金屬帶或鏈之間的金屬絲上的非旋轉式氧化鋁管。晶片位于沿著氧化鋁管橫向隔開的凸起圓周支座上，減少污染。高強度IR通量對晶片進行快速光輻射調節，使得擴散發生的速度比常規高質量熱爐快兩倍以上。使用插在運送管中的因科鎳護套的縱向側壁加熱器來確保對鄰近側壁的晶片邊緣進行均勻加熱，加熱器包括盤管式加熱器。
文檔編號C30B31/02GK102953123SQ201210279698
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月7日 優先權日2011年8月19日
發明者理查·W·帕克斯, 路易斯·阿雷安卓·芮·加希亞, 彼得·G·拉給 申請人:Tp太陽能公司