专利名称：抗下垂制动装置及侧壁加热器扩散炉的超低质量运送系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及连续输送器、多线道式(multi-lane)扩散炉用于通过使用在700-1100°C范围内的辐射电阻或/和IR灯加热对太阳能电池晶片进行加工，以使P和/或B掺杂剂组合物扩散或/和共扩散到晶片中的硅(或其他先进材料)中，由此形成P_n结表面层或/和背表面电场层。具体来说，本发明涉及一种太阳能电池扩散炉，具有一或多个加热区域以及超低质量、低摩擦力、横向金属丝悬挂式氧化铝管运送系统，加上纵向侧壁辐射加热器和抗下垂制动装置组合件。
背景技术：
制造硅基太阳能电池需要用“线状锯”从硅锭上横向切割下来薄片硅，用来形成粗糙的太阳能电池晶片。随后对这些晶片(不论是由单晶形成还是由结合在一起的多晶形成)·进行加工以形成厚度在140到330微米范围内的平滑晶片。由于合适的硅的稀缺，趋势是使晶片更薄，通常厚度为140-180微米。随后将完工的原始晶片(raw rafer)加工成能够通过光伏效应产生电的功能性太阳能电池。晶片加工包含称为扩散的两段式工艺，其产生半传导“P_n”结二极管；然后是第三个工艺，在这个工艺中分别将银和铝基浆料涂层丝网印刷到晶片的正面和背面上，然后烧成p-n结栅格以及背接触层，其中这些层分别充当欧姆集电极以及接地。扩散工艺大致包括两个阶段第一个阶段是向晶片的正面和/或背面涂覆(涂布)一或多种类型的掺杂剂材料并使这些材料干燥，然后，第二个阶段是在扩散炉、室或加热区域中对已涂布的晶片进行加热(焙烧)，以使掺杂剂组合物扩散到硅(或其他先进材料)晶片基质中，从而形成P-n结层或背接触层。本发明涉及有所改进的扩散炉和焙烧工艺、进程和热首1J面。在有各种磷(P)或硼(B)源的情况下，在高温下发生扩散。使用磷在晶片的顶表面上产生P型结，而使用硼在背表面上产生n型结。掺磷硅(P-doped Si)形成光伏电池的“发射极”层，即，在暴露于阳光(常规光子源)时发射电子的层。如上所述，经丝网印刷的金属接点的精细网收集这些电子，所述金属接点是通过金属化炉烧结到电池的表面中。通过高温扩散工艺驱使磷进入到晶片中。当前的工艺通常耗时20-30分钟。另外的“电活性”磷使低电阻接点得以形成。在共扩散中，向晶片的背表面涂覆硼化合物，并且向晶片的顶表面涂覆磷化合物。在单次焙烧中对晶片进行加热，以便同时使硼与磷两者共扩散到其对应的底表面与顶表面中。在进行扩散以及各种清洁、激光边缘烧蚀以及蚀刻工艺以便从晶片的两面移除不需要的半导体结后，用抗反射涂层(ARC)(通常是氮化硅(SiN3))对所述晶片进行涂布，这通常是通过等离子增强型化学气相沉积(PECVD)来进行。在ARC涂覆后，电池呈深蓝色的表面颜色(或棕色，这取决于所用的涂布材料)。ARC使波长约0. 6微米的入射光子的反射减到最低。由于ARC的形成而嵌入到硅中的氢凑巧有修复体缺陷的作用，尤其是多晶材料中的体缺陷。所述缺陷是一些陷阱，电子-空穴对可在这些陷阱中重组，从而减小电池效率或功率输出。在随后的IR金属化焙烧过程中，高温(超过850°C)会使氢从晶片中扩散回去。因此，为了防止所述的氢从晶片“放气”，需要焙烧时间较短。最好将氢捕获并留在块体材料中(尤其是在多晶材料的情况下)。本发明涉及有所改进的扩散焙烧炉以及扩散工艺。当前可用于这些扩散焙烧工艺的IR输送器炉具有长的加热室，其中多个IR灯在晶片运送系统(金属丝网带或陶瓷辊输送器)上方与下方实质上均匀地隔开(通常隔开I. 5〃)。通过各种形式的绝缘，最常见的是压缩型绝缘纤维板，使加热区域与外部环境绝缘。红外线(IR)灯使传入的硅晶片的温度升高到大约700°C到950°C。在扩散工艺的30分钟持续时间内，保持这个温度，然后使晶片冷却并将其传输到下一个下游工艺操作和设备。当前可用的扩散炉通常使用两种类型的晶片运送系统之一 1)高质量输送器，其包括多个静态(非纵向移动)的重型(>350Kg)实心陶瓷旋转辊；或2)活动(纵向移动)的金属丝网带，用来输送晶片通过炉的焙烧区域。为了使晶片背表面的金属污染减到最低或防止晶片背表面的金属污染，当前优选静态陶瓷旋转辊炉。这些炉的工作宽度通常为I到2米，允许晶片并排放在带或辊输送器上，因此被称为“多线道式”炉。典型的常规扩散炉约为400〃长，有160个36〃宽的IR灯放在辊上方，100到160个灯放在辊下方。 在这些高质量静态实心旋转辊输送器炉中，IR灯用很长时间将炉室的温度升高到扩散温度，扩散温度的范围为700°c到950°C。操作原理显然是这样的辊下方的IR灯保持辊是热的，且晶片与辊的接触帮助热传递到晶片，这种热传递是通过热接触传导进行。沿着输送器有显著的热剖面，其在入口处升高而在出口处降低。至于金属丝网带输送器，必须用石英管在中间对带进行支撑，以防止带下垂且提供低摩擦力的滑动表面。由于管遮住晶片的下侧，为了防止晶片上出现“冷”条带，将管安排成人字形图案。然而，管的价格很高，使输送器系统的质量增加，并且阻碍进入炉的下部加热区域。因此，当前技术水平的实心旋转陶瓷辊输送器或金属丝网带炉无法满足在控制基建费用的同时加快生产并且加大生产能力的需求。为了补偿，使炉横向更宽，这样就可以在每个炉区域中加工多条线路的晶片。这又需要更长、价格更高的灯，这些灯的平均失效时间通常实质上更短，从而显著增加操作成本。同样，当前无法增加灯的功率，这是因为更高的输出可导致灯元件过热，这是由炉的热质量引起的(主要是在高质量实心陶瓷辊输送器系统中)。为了防止过热，使用热电偶来降低功率密度，但这会导致IR灯发射的光谱输出发生实质变化(较低的光通量和能量输出)。降低的光通量结果又需要降低输送器带的速度或延长炉的长度(同时维持原始的带速度)，因此使加工变慢。因此，在扩散炉和扩散焙烧工艺的领域中有如下尚未满足的需求显著改进焙烧区域的净有效使用，提供对整个炉的更好控制和热剖面，允许改进焙烧能量的利用，改进扩散工艺的速度和均匀性，在保持或改进生产能力的同时减小炉的长度，并且在炉的占据面积减小且能量、操作和维护成本更低的情况下实现这些目标。
发明内容
本发明满足了此项领域中的这些需求，本发明涉及多区域太阳能电池扩散炉，所述扩散炉具有超低质量的活动运送系统，用来输送晶片通过多个加热和冷却区域，所述区域包含至少一个入口挡板区域、升高区域，然后是下游的一或多个扩散均热区域和任选的扩散焙烧区域，以及一或多个冷却区域，用于磷或/和硼掺杂剂的正面和/或背面扩散或/和共扩散，从而在晶片基质中形成P型或n型结和/或背接触层。确切地说，本发明涉及晶片焙烧炉的超低质量活动运送系统，所述运送系统包含抗下垂制动装置和侧壁加热器，以确保对沿着多线道式炉的外侧线道横越的晶片进行均匀的加热。如本文中作为实例所揭示的，在两个替代性实施例中说明了本发明的运送系统A)带/销驱动系统；以及B)辊链/链轮驱动系统，其中辊链/链轮驱动系统是当前优选实 施例。在两个实施例中，晶片在纵向通过加工区域的过程中支撑在非旋转式的小直径中空耐火管上，所述耐火管是承载在横跨运送系统的宽度的悬挂金属丝或杆上。在带/销驱动系统中，所述金属丝的相对两端由支架承载，所述支架是由驱动带形成或附于驱动带上。在辊链/链轮驱动系统中，金属丝的末端安装在链节枢轴的中空管中。在当前优选的加热系统中，在上部加热区域中使用横向定向式IR灯，而在下部加热区域中使用IR灯与电阻加热的组合。为了改进跨越炉宽度的横向加热均匀性，将电阻加热器放在与两个纵向侧壁相邻处，所述侧壁定向成平行于炉的中心线并且与所述中心线隔开，而将IR灯横向放在纵向侧壁电阻加热元件上方或下方，优选为下方。纵向侧壁电阻加热器布置在石英管、陶瓷管或稳定SiC管中，所述管布置在紧靠输送器下方。在5线道或更宽的炉中，所述加热器用以保持与对应的侧壁相邻的行I和5中的晶片处于适当的扩散温度。这尤其适用于共扩散加工。使用高强度IR灯隔离模块的优点在于，提供了短波长、高通量IR光调节，从而促进更快的扩散。在本发明中，应理解，在提到高强度IR灯(HI-IR)之处，可使用SiC辐射/再辐射加热元件，HI-IR灯元件的揭示内容仅作为实例。通过使用超低质量、活动(纵向移动)的、有防护的运送系统在炉区域中实施先进材料太阳能电池晶片(例如，硅、硒、锗或镓基太阳能电池晶片)的运送，所述运送系统包括横向隔开的运送元件的两个或两个以上连续环，所述运送元件包括在晶片加工行进路径的每一侧上的宽度窄的“带”，所述带承载重量轻、直径小、非旋转式的耐火管，所述耐火管是悬挂在绑在所述带之间的金属丝上。所述耐火管是薄壁的、坚硬的陶瓷或玻璃质材料，优选为选自氧化铝、二氧化硅、氧化锆中的至少一个。以许多示范性实施例来实施运送系统“带”，第一项是横向隔开的金属、水平定向的扁平带或带子，每个带都有多个垂直延伸的支架，所述支架沿着带纵向隔开。所述支架承载金属丝，所述金属丝上穿有耐火管。所述金属丝在匹配的支架对(每个带上一个支架)之间跨晶片行进路径横向延伸。在第二项目前优选实施例中，每个带是辊链，例如，稳固的自行车型链，这种链具有中空管而不是实心链节件。耐火管悬挂金属丝穿过链节管，并且所述金属丝的末端支撑在所述链节管中。在两项实施例中，通过下文中详细描述的驱动系统对运送元件或“带”进行同步驱动。使所述带的移动保持同步可以保持承载了耐火管的金属丝彼此平行并且是直的，即，与沿着加工路径的晶片行进方向正交。可使用适合的对齐辊或导引器。重要的是，本发明的超低质量输送器系统有一个显著的优点，S卩，不需要使用输送器支撑杆，因此基本上不会遮蔽晶片底表面，这就使在运送速度更高或炉长度更短的情况下进行有效的共扩散成为可能。在两项实施例中，使晶片依次穿过扩散炉的若干区域，同时位于沿着耐火管间隔开的环形支座上，这导致污染较少。所述支座可具有多种外部轮廓配置，例如，圆锥形、圆形(环形)、垂直的锐缘、倾斜的、双圆锥形、正方形顶、鳍、肋以及这些形状的组合等等。耐火材料优选是选自高温陶瓷或玻璃质材料，所述材料可通过铸造、干压、挤压或机械加工来进行精确配置，并且优选包含二氧化硅(包含二氧化硅玻璃)、氧化铝和氧化锆中的至少一种。升高区域和/或焙烧区域的配置对本发明的设备或操作方法并不重要，IR灯或电阻加热元件有多种安排。例如，在第一项实施例中，在炉的宽度窄(运送系统窄)的情况下，或在仅有顶面磷掺杂的情况下，可在全部区域中使用HI-IR辐射通量灯实施全部加热。在这些工艺应用中，任选地使用HI-IR区域，所述HI-IR区域采用IR灯隔离模块来使温度升高到优选的均热温度。在其他实施例中，包含升高(缓冲)区域和均热区域的若干区域可为 独立的IR灯加热式区域。在第二项实施例中，在炉的工艺路径宽(运送系统约为I到2米宽)的情况下，或在用硼进行掺杂或用磷对正面进行掺杂并且用硼对背面进行掺杂的工艺中(其中温度高于9500C，例如，在1000-1100°C的范围内)，焙烧加热元件可为电阻辐射型，例如SiC杆或盘管式元件，所述元件任选地装在保护性石英管或再辐射(不透明)陶瓷型管中。在任一项加热元件配置实施例中，可混合加热元件，即，可使用独立的IR灯、HI-IR辐射通量隔离模块以及电阻热辐射/再辐射元件。例如，输入升高(挡板)区域可为独立的IR灯，然后是任选的第一 HI-IR通量隔离模块，然后是第二焙烧区域和均热区域中的耐高温辐射/再辐射元件。均热区域可能仅仅是焙烧区域的延伸。同样，焙烧区域可能是缓冲或升高区域的延伸。即，区域的名称并不是决定因素，实施对运送系统上方和下方的元件的类型、位置和数目的选择是为了实现所需的焙烧温度和加工进程(磷扩散、硼扩散或两者)。在本发明的低质量运送系统中，晶片不会碰到金属丝网带或陶瓷辊，而是支撑在陶瓷支座上，因此没有金属污染，晶片中不会形成热点，并且晶片不会像常规的辊输送器系统中一样偏到一侧或另一侧。另外，本发明的扩散工艺是高辐射通量驱动的工艺，而不是导热的、波长较长的工艺。在第一项晶片运送系统实施例中，运送系统侧边带包含纵向均匀间隔的驱动孔。每个带配置成无限环，所述环包括运送区段(用于向前运动，穿过加工区域)和返回区段。通过炉的出口端处的一或多个销驱动辊对所述带环进行同步驱动。所述带通常是耐高温的金属，例如，奥氏体镍基超耐热合金系列的一员，合适的实施方案是镍铬合金，即，80/20的镍/铬合金。其他的带材料包含钛、因科镍(例如600型因科镍)或其他高温合金。所述带在炉区域每一侧上在有防护的通道中滑动，通道部件由氧化铝、二氧化硅、石英或其他高温低摩擦力陶瓷材料构成，以使对所述带的加热减到最低。任选地通过将环境空气或冷却后的压缩空气射到所述带上来对所述带进行冷却。在第二项运送实施例中，使用辊链而不是所述带，并且不需要垂直支架。相反，悬挂金属丝的每一端安装在侧面链节的管状套管枢轴部件中。每个侧面链在低摩擦力高温陶瓷材料滑块中的凹槽或通道中滑动，或者跨骑在所述滑块上的导引脊上，并且充当导引器，用来维持链的线性跟踪和适当对齐。通过位于扩散炉的出口或入口端下方的链轮驱动系统(同一个驱动轴上的两个横向隔开的驱动链轮)来驱动所述链。在链轮驱动位于返回路径的入口端下方的情况下，对改向用的钢空转轮链轮或有凸缘的轮进行适当定位，得到牵拉驱动系统。在炉的前端，横向隔开的第二改向空转轮使链向上转到入口空转轮上，所述入口空转轮使链改向回到工艺路径上，从而形成回路。使用适当的改向空转轮和/或辊，任选地将所述驱动定位于炉的入口端与出口端之间的的任何地方。可在炉的冷却区段中和/或在返回路径上对所述链进行冷却，优选是通过诱导式通风空气或压缩空气进行冷却。关于高强度IR通量加热元件实施例(在缓冲和/或升高区域的下游使用)，HI-IR区域使温度快速(约2秒内)升高到扩散工艺设定点，所述扩散工艺设定点在约700°C到约950°C的范围中，同时通过用高强度短波长IR辐射通量对涂有掺杂剂的晶片表面进行照 射来对所述表面进行光调节，以使扩散速度更快。与长波长辐射工艺相比，这个实施例在扩散工艺中利用短波长IR辐射通量，这使得扩散加工时间缩短了一半或更多，导致生产能力翻倍或更大。作为实例，在操作中，本发明的炉可在6分钟内完成扩散加工，而当前常规工艺的速度为12到14分钟。因此，生产能力翻倍或更大。另外，电池p-n结层的电阻率不仅在晶片上更均匀且在不同晶片中是一致的，而且是在介于45-100欧姆/平方厘米之间的“最佳点”中。本发明的快速扩散工艺的一个重要方面是，在使用IR灯的情况下，所述IR灯是在实质上高于常规炉的功率下操作(最大的灯额定功率的百分数)。在第一项实施例中，控制器使用以经验为基础的算法来调整在每个区域中以及顶部与底部的灯的功率，所述调整是根据预设的所需温度、仅通过电压控制来进行。在第二项实施例中，通过热电偶来监测每个对应的区域中的温度，并且通过反馈回路控制算法来调整灯的电压。另外，监测电压以确保在热电偶失效的情况下不会向灯供应过量的电压。在常规的静态旋转辊炉中，灯在5-20%的功率下操作，因此所述灯的特点为如果不进行有效的光调节，那么通量更低且波长更长。在常规的金属网带炉中，主要问题是晶片的金属离子污染，这是因为晶片直接位于金属网上或位于并入到带中的金属“点”上。即使在金属网带上使用了陶瓷球珠涂层，金属离子云仍会从所述带的网金属中溢出，从而对太阳能电池层的化学性质造成不利影响。已经尝试用磷掺杂剂对晶片的底部进行涂布，以减少来自金属网带的金属污染。然而，这导致在晶片的底部上形成P-n结层。这又需要额外的工艺步骤来蚀刻掉所述底部p-n结层。所述蚀刻步骤通常是分批处理，这要用额外的时间，因而减缓了生产速度。本发明的低质量陶瓷管运送系统处理并解决了这些问题。第一，金属运送组件(带或链)放在炉区域的侧面，并且这些组件配置成不受元件辐射[热]，这延长了组件寿命。第二，运送用的横金属丝完全防护在低质量陶瓷管中，所述陶瓷管是与晶片的接触最少的非旋转式陶瓷支撑件。有防护的驱动带或链元件结合由陶瓷管进行防护的晶片支撑金属丝确保了清洁的氛围，从而使焙烧区域实质上没有金属离子污染。第三，陶瓷管整体来说质量比辊低得多，并且虽然是非旋转式的，但还是活动的，即，向炉中并且向炉外移动，因此不存在大的静态热质量，大的静态热质量需要功率缩减。另外，因为陶瓷管悬挂在金属丝上，所以如果陶瓷管垂直地裂开，那么陶瓷管保持在金属丝上并且不需要立即使炉停下来以便进行更换。相比来说，在实心辊炉中，当辊断裂时，必须使炉停下来。最后，晶片不与陶瓷管接触，在陶瓷肋支座上升高到陶瓷管上方，所述支座优选配置成仅在边缘处支撑晶片。与上述常规的当前可用的热扩散炉的5-20%操作功率等级相对照，本发明的工艺实施例使用在40-70%功率或更大功率下操作的IR灯，其结果是，本发明的系统中的灯IR通量实质上更高，并且峰值保持在短IR范围(低于约I. 4微米)中，IR波长峰值通常是约I. 25微米。根据本发明的工艺由IR灯产生的相对通量强度约为上述常规热扩散炉中的4到5倍大。通过使用封闭在石英、陶瓷或稳定SiC管中的纵向电阻加热元件，避免了两个侧面线道(例如，线道I和5)中的热衰减。如上所述，本发明的炉在一些实施例中在升高或/和HI-IR炉区域中采用了HI-IR灯模块，任选地包含隔离型模块。所述模块包括具有平行的横向(与运送方向横切)冷却/反射器通道的绝缘反射器元件，一或多个IR灯在所述通道中的每一个中居中。所述通道可选择性地由IR透明的透射窗所覆盖，例如,石英、Vicor、Pyrex、Robax、其他高温玻璃、人造蓝宝石等等。高强度多IR灯隔离模块布置成彼此面对并且间隔开，一个模块在炉输送器运送系统上方，而一个模块任选地在所述系统下方，以便在所述模块之间界定所选的IR灯加 热式工艺焙烧区域，模块灯和冷却空气通道与所述区域隔离开。在使用所述窗的情况下，所述通道优选在其相对端上打开，以便冷却气流进入或/和排出。通过歧管，至少在每个通道的一端引入冷却气体，并且在另一端或者在两端的中间将冷却气体排出。透射板窗阻止高压/高速的灯冷却空气/气体进入并且干扰工艺区(承载硅晶片的运送系统穿过所述工艺区)，而同时允许使用大量冷却气体来维持对灯石英以及玻璃/石英透射板的充分冷却。通过隔离和冷却，本发明允许IR灯在通常会使灯的壳体变软且变弯(这会缩短使用寿命)的功率等级下操作。在另一项实施例中，隔离模块包括隔开的IR灯，所述IR灯有或没有通道反射器，并且有在所述灯下方隔开的Robax型玻璃窗，因此，所述窗(上方和下方)将输送器(承载所述晶片)与灯的空间隔离开来。这种隔离几何结构，加上对本发明的IR灯的任选冷却，允许灯的功率从15-20%的功率密度的当前标准增大到40-70%的范围或更高。在使用常规的100瓦/英寸的IR灯的情况下，这导致升高和HI-IR焙烧区域中的加热速度从约30°C /秒(常规炉)增大到约80-150°C /秒。这使加热速度比常规炉的速度有效增大了 2倍到4倍，而不会导致灯关小、关闭或变形。另外，本发明的灯隔离/任选的冷却系统允许增大输送器带的速度。这导致产量实质增大，或允许缩短炉的长度(在产量相同的情况下)，这会减小炉的占据面积。为了在均热区域中通过高的灯功率密度维持高通量以便进行磷扩散，以实现高速加工，从所述区域移除热。冷却空气流在均热区域中的方向是从上到下的，用以抑制微粒沉积在晶片的顶表面上并且移除所述微粒。因此，与高质量静态陶瓷旋转辊输送器系统(其中加工方法不会从加工区域移除热)相对照，在本发明的系统和工艺中，移除了热，以便能够维持高功率密度并且允许高通量、短波长的IR晶片光调节，从而使所述工艺加速。虽然热的移除似乎有悖常理，但高通量、短波长的IR不仅仅补偿了热的移除。对加热元件(无论是IR灯还是电阻(SiC)辐射元件，顶部还是底部)的功率进行独立调整或按组调整，以在每个区域中实现精确的温度梯度控制。可使用以热电偶为基础的温度调节、电压控制式功率调节或混合式系统，采用如上所述的PID控制器来实现温度控制。灯的功率调节优选是电压控制式，因为这允许便于维持稳定的灯功率，以获得优选的高IR强度(辐射通量)值以及总是恒定的光谱输出。另外，使灯在更高功率密度下运行增大了IR通量，并且还提供了更好的光谱范围，其峰值处于适当位置。关于利用本发明的运送系统的共扩散工艺，对示范性加工流水线进行如下配置I)将晶片定向成底表面面向上；2)将硼掺杂剂涂覆到晶片的面向上的底表面上且使晶片干燥；3)对晶片进行倒装(例如，用旋转式倒装器)，使得晶片的顶表面现在面向上；4)将磷掺杂剂涂覆到晶片的顶表面上且使晶片干燥；5)将共掺杂后的晶片传输到本发明的扩散炉中；6)在炉中一次性对晶片进行共焙烧，使晶片冷却并将其传输到下游的ARC、浆料丝网印刷、干燥和金属化操作。因为本发明的低质量运送系统并未明显遮住晶片的底面，所以底面得到适当焙烧，因此发生硼扩散，以便随后形成背接触层。运送失效保护系统作为炉的一个选项，炉的下半部可具备下垂制动装置组合件，用以防止承载了陶瓷管和支座的悬挂金属丝或杆在失效时过度下垂，例如，这种失效是由于金属丝断裂或在应力或热的作用下拉长引起的。在目前优选实施例中，下垂制动装置组合件包括滑块部件，例如，选自石英管、杆或条带，所述滑块部件与输送器运送路径的中心 线平行对齐，所述中心线与炉加热区域的纵向中心线一致。制动装置滑块部件与炉室的侧壁向内间隔开某个距离，这个距离使所述制动装置滑块部件与支座的行进路径对齐并且在所述行进路径下方间隔开。制动装置滑块部件的每个纵向末端安装在(例如)炉焙烧区域的横向壁中，这样，滑块部件的顶部在横向壁的顶部上方。因此，如果运送金属丝和管组合件下垂，在这个时候，支座会与滑块部件接触，随着运送的进行沿着滑块部件滑动，并且跳出炉的横向壁，而不会下垂和断裂，或另外损害运送系统。例如，制动装置滑块部件的顶部与支座的底部之间的间隔可约为I到2厘米。另外，因为制动装置滑块部件与支座路径对齐地间隔开，所以制动装置滑块部件不会遮住晶片，而是与晶片的侧面隔开。外部线道的侧壁加热在目前优选的加热系统中，在上部加热区域中使用横向定向式IR灯，而在下部加热区域中使用IR灯与电阻加热的组合。为了改进跨越炉宽度的横向加热均匀性，将电阻加热器放在与两个纵向侧壁相邻处，所述侧壁定向成平行于炉的中心线并且与所述中心线隔开，而将IR灯横向放在纵向侧壁电阻加热元件上方或下方，优选为下方。纵向侧壁电阻加热器布置在石英管、陶瓷管或稳定SiC管中，所述管布置在紧靠输送器下方。在5线道或更宽的炉中，所述加热器用以保持与对应的侧壁相邻的线道I和5中的晶片处于适当的扩散温度。这尤其适用于共扩散加工。侧壁加热器用以修整与侧壁相邻处的炉温度，这是因为，为防止使灯烧毁，IR灯加热元件还没有到侧壁就终止了。如果IR灯加热元件延伸到侧壁绝缘物中，那么绝缘物会导致灯的局部温度超过安全操作值。电阻型纵向侧壁加热器不会像主要的横向IR灯那样发光，而是在较低功率等级下操作以调整侧壁附近区域的温度，即，边缘温度，使所述温度足够高，以补偿在灯末端处损失的功率以及穿过侧壁绝缘物到炉外部的任何损失。由于较低功率的操作，所述纵向加热器可放在主要的IR灯的水平面上方并且靠近侧壁，间隔通常为约I到5厘米。在扩散炉使用本发明的低质量运送系统的情况下，所述纵向加热器还可放在输送器平面的略下方，大约比陶瓷管的水平面低I到3厘米，所述陶瓷管包括晶片运送支撑元件。示范性侧壁加热元件包括盘管电阻加热元件，所述盘管电阻加热元件封闭在因科镍护套中并且通过MgO粉末与所述护套绝缘。随后将所述元件插入可能透明、半透明或不透明的石英管中；因为所述元件可能不需要在可见光谱中或附近“发光”(这取决于所需输出功率)，所以承载管透明度并不重要。另外，使用承载管所提供的一个重要安全特征在于，所述管充当电护罩或绝缘体以免触电。可使用其他类型的加热元件作为纵向侧壁加热元件，所述元件包含引入到承载管中的功率为I到3千瓦的简单的镍铬合金金属丝空气盘管。可通过标准SCR控制器来控制所述侧壁加热元件。
图I是本发明的扩散炉的第一项实施例的示意图，用侧视图绘示了入口过渡区域、挡板区域或/和升高区域、任选的焙烧区域、至少一个均热区域、冷却区域以及低质量传送系统；图2是本发明的低质量运送系统(在这个实施例中为带型运送)的等距视图，所述运送系统安装在扩散炉的若干加热区域中，其中炉的前入口端在右侧，图中还绘示了在氧·化铝支撑管上的晶片；图3A是图2中的带运送实施例在入口挡板区域和任选的HI-IR灯区域中的等距放大视图，所示为穿过所述炉对两个示范性晶片的运送；图3B是下部区段的仰视等距视图，所示为用于均热区域的排气歧管；图4A是从图3A分解出来的带运送的放大等距视图，用来绘示详情；图4B是用于带运送实施例的支架组合件和弯曲金属丝尖端保持器的放大等距视图；图5是本发明的炉的侧视示意图，下方是在相应区域中形成的温度对时间的图形轮廓；图6用图说明了光谱输出是IR灯加热式扩散工艺的速度的关键，其中图6A用相对强度对波长来绘示本发明的低质量运送系统的光谱输出，而图6B用相同的相对强度对波长来绘示高质量实心陶瓷辊系统的对照性光谱输出；图7是本发明的扩散炉的第二项实施例的示意图，所示为若干加工区域和链驱动式晶片运送系统；图8是炉加工区域中的链运送系统的等距放大视图，所示为两个示范性晶片穿过所述炉的运送；图9是链驱动详情的放大等距视图，所示为悬挂金属丝和陶瓷管怎样安装在中空链管中；图IOA是穿过图9的线10A/B-10A/B的垂直剖面图，所示为用于链驱动的滑块板导引器的第一项实施例，在这个实施例中为通道；图IOB是穿过图9的线10A/B-10A/B的垂直剖面图，所示为用于链驱动的滑块板导引器的第二项实施例，在这个实施例中为肋；图IlA是穿过悬挂金属丝和氧化铝管的垂直剖面图，所示为晶片支座的第三项实施例；图IlB是穿过悬挂金属丝和氧化铝管的垂直剖面图，所示为晶片支座配置的第四项实施例；
图12A是横向正视图，所示为下垂制动装置滑块部件相对于运送陶瓷管、支座和金属丝组合件的空间位置和安排；图12B是本发明的扩散炉底部区段的等距视图，所述扩散炉底部区段配备有一对下垂制动装置滑块；图13是用于使硼和磷两者共扩散到晶片中的工艺流水线的示意图，这种共扩散是将硅晶片加工成太阳能电池的部分；
图14是采用本发明的输送器系统且在均热区域下部动作中采用纵向侧壁电阻加热器的炉的水平示意图；图15是在上部与下部区域中采用纵向侧壁加热器的本发明的炉的替代示意性实施例；以及图16是本发明的炉系统的等距视图，所示为在示范性均热区域中将纵向侧壁加热器放在IR灯上方。
具体实施例方式以下具体描述作为实例说明了本发明，而不是作为对本发明的范围、等效物或原理的限制。本描述将明确使所属领域的技术人员能够进行并使用本发明，并且描述了本发明的若干实施例、适应形式、变化形式、替代形式以及用途，其中包含目前被认为是商业实施方案的情况。图I是本发明的扩散炉10的示意图，扩散炉10包括框架和外壳12，其具有下部区段14和上部区段16，框架12任选地配置有沿着外部隔开的线性制动器升降件(参见图2和图3)，用来使上部区段16相对于下部区段升高，以便允许对灯组合件和运送系统进行维修。炉10包括如下多个区段或区域，从入口或前端18 (在这个图中，左侧)到出口或后(下游)端20 (右侧),依次为 IT，S卩，来自上游的掺杂剂涂覆器单元(图中未示)的入口传输端18 ； B-I,即，入口挡板区域，其使用一或多个压缩空气刀组合件22 ；B-1区域任选地包括升高区域，升高区域含有一或多个加热元件(图中未示)，用来使晶片温度从环境温度升高到约500°C ； FZ,即，初始焙烧区域，用于使晶片温度升高到扩散温度，扩散温度在约900°C到约1100°C的范围中，这取决于所扩散的是磷、硼、还是两者；FZ可进一步细分成两个或两个以上区域,例如； HI-IR区域，S卩，高强度IR灯阵列，优选为上部或/和下部隔离反射灯组合件24-U、24-L，用于获得高达约950°C的温度，然后是； HTZ, S卩，高温区域，用电阻辐射(SiC)元件27对其进行加热，用于获得高达1100°c的温度，这取决于所扩散的是磷、硼、还是两者； S，S卩，均热区域，具有隔开的上部和下部IR灯或电阻元件26-U、26_L ； B-2, S卩，出口挡板区域，具有空气刀组合件22 ； C，S卩，冷却区域，通常不具有电阻元件或IR灯；以及 0T, S卩，出口传输区域，用于将扩散焙烧后的晶片传输到用于进行丝网印刷的加工设备，所述加工设备在正面上丝网印刷集电极指状物和总线并且在背面上丝网印刷背接触层(图中未示)，然后进行焙烧以形成欧姆接点。出口传输区域可任选地包含与炉出口(右侦D相邻的上部或/和下部空气刀组合件。本发明的炉的上游和下游是低温传输带28-U (上游)和28-D (下游)，所述带连接到抗反射层涂覆器、丝网印刷机，然后是金属化炉。这些低温传输带28-U和28-D与本发明的炉10的驱动系统30连接。在第一项实施例中，本发明的炉的低质量驱动系统30包括销驱动辊32 (由布置在炉的出口(右)端的电动机34和链或带36驱动)、晶片运送带组合件38、空转辊40以及包含张力辊42的张力系统44。张力系统44包含充当缓冲器的自动张力补偿器弹簧，用来帮助防止松脱。应注意，通过这个驱动几何结构，沿着供给路径F从左到右地拉着带38穿过各个区域。本发明的炉包含多个高压间，其界定了外壳12的区域内部；以及多个空气歧管，其包含入口和排气口，用于使环境或加压空气流进入各个区域，如箭头I (入口)和E (排气 口)所示，以便在各区域中维持适当的温度。另外，在隔离灯组合件24-U和24-L (在使用的情况下)的反射器主体的通道中提供加压空气，以使布置在所述通道中的灯冷却。高强度灯组合件24-U和24-L中的每一个的表面由一片透明石英所覆盖，以便密封反射器通道，使其与正在HI-IR区域中接受光调节的晶片隔开。这种灯冷却允许灯在约60%到100%的最大功率下运行，这远高于目前可用的竞争单元。这向晶片提供了立即热升高以及高强度IR照射，从环境温度升高到700°C到950°C (磷扩散)的峰值扩散调节温度，并且提供了高强度光调节。图I的尺度使得无法在每个位置绘示固体热绝缘材料46，但所属领域的技术人员将理解，外壳包含必要的绝缘材料配置块。任选地提供穿过绝缘物进入区域中的空气逆流(由箭头48绘示)，所述空气逆流与热流相反。空气在进入时从绝缘物吸取热并使热再循环到区域中，这是效率很高的热交换操作。应注意，将灯26-U和26-L或电阻元件27绘示为交错的，用以提供均匀的加热和/或IR光子场；任选地将灯26-U和26-L或电阻元件27安排成不交错的。现在转到低质量运送系统30，图2用等距视图绘示炉12，其中移除了外部面板和绝缘物以便绘示下部区段14的框架，所述下部区段14具有入口端18 (右下方)和出口端20(左上方)。为了清楚起见，未绘示入口和出口传输带28-U和28-D。在炉的侧轨52的四个角上绘示了托架和升降器50 ;这些托架和升降器50用以从下部区段14 (图中已示)提升上部区段16 (图中未示)以便对零件(例如，灯、电阻加热元件、运送系统元件等等)进行检查、调整、维护和修理/更换。下部区段14包含侧轨52、侧壁绝缘块46-S以及绝缘物内部区域分割块54。为了不混淆带38的详情，未绘示前方的绝缘块，所述绝缘块位于挡板区域B-I的前端且将B-I与高强度IR区域HI-IR分割开来，以及位于冷却区域C的后端。绝缘块56形成若干区域的底层。这些底层绝缘块56通常有孔口，此处为狭槽88，这些孔口加上底层下方的高压间(图中未示)允许用ID风扇(图中未示)抽出热的废气。这个空气流从各个区域移除了热，从而允许元件(灯、SiC杆或盘管)的运行产生更高输出，并且还允许抽出污染物，因为空气流是从上到下的。这个热气体/空气流模式导致炉区域的污染物水平降低，并且因此导致产品更干净。在面前的侧轨52和远端的侧壁绝缘块46-S中绘示了孔口 58，所述孔口 58是用于安装电阻元件27或/和高强度灯管26 (为清楚起见，仅绘示了每种元件中的一个)以及用于连接电导线，所述元件/灯横跨炉区域的宽度。用于下部高强度IR灯区域24-L的压缩空气室60通过线路62将压缩空气供给到反射器通道与灯之间的环中，并且按需要在下方排到外部，或排到相邻的下游均热区域中。为清楚起见，在右端仅绘示了低质量活动传输带系统30的一部分。侧带38与驱动系统30的隔开的空转辊40中的销啮合。仅仅在冷却区域C内部可以看见空转辊40和在其下方的驱动辊32。在入口端(右侧)绘示了两个晶片W-I和W-2，所述晶片放在横向氧化铝管64上，位于传输穿过炉的位置上。图3A是图2的炉10的入口端18的放大等距视图，所不为承载两个晶片W-I和W-2的带运送系统30的一部分。运送系统30的两个隔开的带38布置在U形通道66中，所述U形通道66形成于左和右侧壁绝缘块46-S的顶部中。每个带包含精确隔开的孔68，所述孔68与空转辊40的销90啮合。竖立的支架70也沿着所述带有规律地隔开，所述支架 70承载金属丝72，陶瓷管64放在所述金属丝72上。示范性金属丝是直径为0. 080〃的镍铬合金。支座84 (在这个实施例中，此处为环)设置在、安装在管64上,或形成于管64中，并且沿着所述管横向隔开。在运送穿过炉10的过程中，晶片位于支座环上，这样，晶片背表面与运送组合件元件之间的接触很少，参见图4A中的占据面积96。在管64断裂或裂开的情况下，金属丝72会保持管64，直到可以更换管64。由于带中的孔68与辊(驱动辊和空转辊)中的销90标定，每个带的支架按平行对齐的关系移动，因此氧化铝管保持与晶片供给行进方向(如箭头F所示)横切。图3B是炉的下部区段12的下方等距视图，为清楚起见，移除了框架。底层绝缘块56横跨侧框52，所述底层绝缘块56具有排气狭槽88 (图3A最能看出)。钢板100与绝缘块56的底部间隔开来，这个间隔为热空气提供了收集器高压间。排气歧管组合件102通过横管106的末端上的卡圈104连接到所述高压间(56与100之间的空间)。横管的另一端连接到收集器管道108，所述管道108从排气管或烟道管110排放出热气体。图4A用等距视图绘示了低质量运送系统30，以及U形通道组合件74，这个实施例的带38在所述U形通道组合件74中移动。图4B是图4A的单支架组合件的特写。每个带38支撑在石英滑块部件74上，所述滑块部件74的横截面是U形并且具有较短的垂直侧壁。用高温陶瓷胶泥将一对保持器条带部件76粘到U形臂的顶部上，所述保持器条带部件76是由石英、氧化铝或其他高温纤维型陶瓷材料制成，如此充分重叠以便通过物理手段将带保持在通道中并且防护所述带，使其不会接触到加热元件，从而保持所述带是冷的。任选地使用环境压缩环境空气对所述带进行冷却。支架70包含紧固到竖直凸出部78上的垂直腿80，所述凸出部78是通过从所述带进行穿孔92所形成的。腿80和凸出部78可通过任何适当方式紧固在一起，例如，通过点焊、通过对齐的凸出部与腿孔94进行铆接或用螺钉紧固。支架腿80的上端带有一或多个耳片82，每个耳片有一个洞，耐高温金属丝或杆72插入到所述洞中。氧化铝管64在所述金属丝上滑动并且由所述金属丝承载。每个管任选地包含多个横向隔开的支座部件84，此处为环，晶片位于支座部件84上，如图4A中的占据面积96所示。支座环84可具有多种横截面配置，范围为简单的平坦表面圆环(如图4A中所示)到渐缩型轮廓，例如，横截面轮廓为钟形曲线形的轮廓。各种轮廓参见图10A、图10B、图IlA和图11B。应注意，在图4B中，金属丝72的弯曲尖端86装在两个耳片之间，从而锁定金属丝，以防止金属丝的横向移动，这种横向移动会导致另一端(右侧)从右侧支架的耳片中掉下来。应注意，在图4A中，金属丝的右侧充分延伸穿过了其对应的支架的外部耳片。使用具有自由端的金属丝可以允许金属丝长度扩大以及缩短，而不会从耳片中的孔中掉下来。本发明的运送系统的带和链实施例的重要特征在于其超低的质量、容易安装、容易保持清洁、在运送晶片穿过炉时晶片上的接触点很少，并且容易维护。如图4A中所示，因为有这么多充分紧密地间隔的金属丝来为晶片提供支撑，所以破损的管和/或金属丝通常会留待在计划好的停工时进行更换，因为失去一个管或金属丝不会严重影响产品生产能力。在本发明的炉实施方案中，极快地(几秒内)将晶片加热到扩散温度范围内或接近扩散温度范围，在所述实施方案中，在与紧接在本发明的炉的入口相邻处或下游使用高强度IR灯或隔离模块。用高强度短波长IR辐射能量对晶片进行光调节，所述辐射能量约为目前辊炉的4到5倍大或者更大，因此扩散进行的速度更快。作为实例，在本发明的炉中，温度在几秒内达到扩散温度。更重要的是，通过在HI-IR区域中使用隔离模块，并且由于能 够在较高电压下给所述HI-IR区域和均热区域元件供电，在工艺过程中的IR通量较高，并且在少于6到8分钟内完成扩散，这个时间长度是目前系统的二分之一到三分之一。图5和图6说明这些原理。图5的上部部分用侧视图示意性绘示了本发明的炉，下方是在相应区域中形成的温度对时间的图形轮廓；虚曲线P是在仅通过IR灯加热在正面上进行磷扩散以便形成p-n结层时，本发明的炉中的温度轮廓。实曲线显示，本发明的炉中为了形成背接触层而进行的硼扩散的进行温度要高出约200°C，并且需要用电阻元件(例如所揭示的SiC杆)对至少一些区域进行加热。应注意，本发明的炉的IR灯或电阻元件所产生的极陡轮廓，这会使晶片快速达到磷(和/或硼)扩散的工艺温度。使用IR灯加热的在市场上可买到的对照性实心陶瓷辊炉表现出大体上遵循虚线轮廓的磷扩散曲线，在图上标为“P.A. ”(现有技术)。因为辊在炉中已经是热的，所以将灯自动调整成在较低功率下运行(参见图6B，下方)，因此导致温度轮廓斜率实质上且明显较低，并且达到温度的时间较长，长了约几分钟。这个图5的曲线图最重要的方面在于，在使用本发明的炉时，完成扩散的速度实质上更快(纵坐标上的点“D终点”)，晶片继续进行冷却并且传输到丝网印刷(纵坐标上的点“XroR”)。相比来说，对照性现有技术磷扩散工艺(图5中的虚线)在较低功率设定下继续进行均热，时间要长得多，如所述虚线上指向右的箭头所示。本发明的高强度IR辐射通量磷扩散工艺通常用时为常规热传导工艺时间的1/2到1/3。因此，生产能力实质上更高，并且与相等输出的常规炉(400〃长乘以36〃宽)相比，炉体积小得多(长度小于300"，并且宽度为一半)。图6A和图6B用图说明了光谱输出是在光调节、升高和HI-IR区域中改进IR扩散工艺速度的关键。灯的光谱输出随灯的功率而变化，可以表达为灯的最大功率容量的百分数。图6A用相对强度对波长来绘示本发明的低质量运送系统的光谱输出曲线。上部曲线是理论最大值T，绘示了 IR峰值为约I. 2微米并且相对强度为约12.5。应注意，可见光谱VS在左侧，用虚线绘示。标为“本发明”的下部曲线显示，在使用HI-IR灯模块的本发明的超低质量运送系统中，可使用灯电压控制系统在约40-100%额定最大值(此处显示约40-70%)下操作IR灯，并且峰值处的强度最大值为8。相比来说，图6B用相同的相对强度对波长来绘示高质量实心陶瓷辊系统的对照性光谱输出。在与热电偶型热监测控制反馈系统一起运行的这种对照系统中，灯必须在约20%的功率下运行。然而，相对强度呈指数降低，并且在约1.8的峰值强度下，标为“PA”的峰值移位到更靠近I. 75微米，这个辐射通量是本发明的工艺的四分之一以下。常规系统中，移位到更长的波长、更低的能量光谱轮廓也很重要。因此，在本发明的系统中，灯可在更大功率下操作，从而导致相对强度增大到4到5倍。更快地施加到晶片上的这种增大的IR强度对晶片进行调节，以促进磷或/和硼更快地扩散到先进晶片材料中，从而形成相应的结和背接触层。因此，在本发明的系统中，IR强度更高并且维持时间足够长，以便进行更快的加工。图7到图IOB涉及本发明的超低质量运送系统的第二项实施例，这个实施例采用一对隔开的链，晶片支撑金属丝和陶瓷管从所述链悬挂下来。图7中，上文对图I进行的·描述适用于编号相同的零件。应注意，IT和BI区域在这个实施例中组合成升高区域，在所述升高区域中使晶片温度从室温升高到约500°C到900°C，在升高区域包含HI-IR隔离灯模块的情况下为900°C。在这之后是焙烧区域，所述焙烧区域使温度升高到扩散加工温度约950-1100°C，这取决于所扩散的是磷或硼，还是两者。如图所示，焙烧区域采用所揭示的示范性电阻SiC元件。在均热区域中保持焙烧设定点温度，为防止使图混乱，未绘示加热元件，但请参见图I和图5。如图所示，冷却区域分成两个子区域CZ-I和CZ-2，但CZ-2可在外部。在图7和图8中，通过辊链112进行运送，由电动机34提供动力的链轮114使辊链112移动，所述电动机34位于炉20的出口端下方。空转轮(在这种情况下是链轮或带凸缘的轮)40A-40C布置在入口、出口处和返回路径R的上游，用以使所示驱动环中的链改变方向。布置在驱动器30下游的弹簧偏置式张力和空转轮系统44提供适当的张力。沿着链环设置了导辊116和滑道块74，用以维持所述路径为直的。空气刀22在冷却区域中或冷却区域外对所述链提供冷却压缩空气。另外，可在返回区段中设置管冷却器118，用来对所述链进行进一步冷却。图8所示为两个隔开的链112-L (左侧)和112-R (右侧)怎样支撑在滑块74中的凹槽或通道120中。支撑陶瓷管64的横金属丝72具有末端122，所述末端122穿过管状链节套管124。金属丝72隔开约1〃 (2. 5厘米)。图9是显示金属丝72的交替性链节安装的放大图。中间的链节具有实心链节销126。链节套管124与链节销126上均覆有链节辊128(图9中未示；显示于图IOA和图IOB中)金属丝的自由端122终结于推型或螺纹型螺母或者其他类型的紧固件130、140中，以防止所述金属丝从套管124中掉下来(参见图10A、10B)。图IOA和图IOB绘示滑块板74的两项实施例。图IOA中，滑块板包含凹槽或通道120，链112支撑在所述凹槽或通道120中。金属丝72的自由端122有螺纹，用来接收锁定螺母130。显示了任选的间隔垫圈132。支座84具有倒V形外围，因此晶片支撑在圆周脊134上。图IOB中，滑块板74包含可具有多种配置的脊136，所述配置包含直线型或曲线型(倾斜的)侧壁。链112的侧面链节跨骑在脊136上并且由脊136导引。在这个实施例中，滑块板74通常不具有外侧块138，所述板在所述脊的两侧上是平坦的，如界定了侧面块138的虚线所示。另外，金属丝72的尖端122终结于盖型或推型螺母140。在这个实施例中，支座的轮廓是渐缩型顶，横截面是半正弦波。图IlA和图IlB所示为支座84的两项另外的实施例，图IlA所示为不对称的鳍形支座，所述支座具有倾斜的外表面(脊134的右侧)以及垂直或倾斜的侧表面。图IlB所示为支座的当前最好形式的实施例，即，两侧渐缩型圆锥形，在顶点处任选地有环形肋134，两个渐缩侧面在所述顶点处汇合。所述肋或长的斜面均对晶片产品提供支撑，如分别由晶片W-I和W-2的位置所示，这取决于支座84沿着管64的间隔相比于(晶片)产品的宽度。如果产品很大，那么底表面位于所述肋上，如晶片W-I所示(还参见图4A中的96)，而如果产品没有晶片W-2所示那么宽，那么仅产品的外部下缘位于斜面上(如图所示)。这个支座是粘在陶瓷管64上而不是一体形成的。支座的垂直高度可选择性地变化，以便适应各种运送和炉设计以及配置。 图12A和图12B说明了任选的运送失效保护系统，所述系统包括并列地安排在支座行进路径下方的下垂制动装置。图12A所示为运送组合件下方的下垂制动装置滑块部件144的空间位置和安排，所述运送组合件包括驱动链112、陶瓷管64、支座84和金属丝72。如图12A中所示，下垂制动装置组合件144用以防止承载了陶瓷管64和支座84的悬挂金属丝或杆72在失效时过度下垂，例如，这种失效是由于金属丝在应力或热的作用下断裂或拉长弓I起的。在示范性实施方案中，下垂制动装置包括滑块部件144，例如，选自石英管、杆或条带，所述滑块部件144与箭头F所示的输送器运送路径的中心线平行对齐，所述中心线与炉焙烧区域的纵向中心线一致。制动装置滑块部件144与炉室的侧壁向内间隔开某个距离，这个距离使所述制动装置滑块部件144与所选支座的行进路径对齐并且在所述行进路径下方间隔开。制动装置滑块部件的每个纵向端安装在炉焙烧区域23的横向壁54中的凹口 146中，这样，滑块部件的顶部在横向壁54的顶部上方间隔开。因此，如果运送金属丝和管组合件下垂，在这个时候，支座84会与滑块部件接触，随着运送的进行沿着滑块部件滑动，并且跳过炉的横向壁，而不会下垂和断裂，或另外损害运送系统。例如，制动装置滑块部件144的顶部与支座134的底部之间的间隔可约为I到2厘米。另外，因为制动装置滑块部件与支座路径对齐地间隔开，所以制动装置滑块部件不会遮住晶片(参见图IlB的晶片W-I和W-2)，而是与晶片的侧面隔开。图12A还显示，在其绝缘侧壁块46S中的每个运送链滑块板74上方、下方或一侧上设置了压缩空气管148，用来向滑块74的底部提供冷却空气并且通过滑块板74中的孔150向驱动链112提供冷却空气。图12B所示为宽度为5个线道的示范性扩散炉10的底部区段14，所述底部区段14配备有一对下垂制动装置滑块144，每个下垂制动装置滑块144与一系列支座84并列对齐且在所述支座84下方间隔开。可在入口端跨炉的宽度放置横向间隙防护板152，以在运送改向成向上然后又到水平产品运送水平面时确保任何下垂的金属丝的间隙。图13所示为工艺流水线154，其包括第一掺杂器设备Do-1，用于用硼掺杂组合物(箭头B)对预备的硅晶片的底表面进行掺杂。在Do-I中用硼对晶片进行掺杂并使晶片干燥后，在倒装器158中反转所述晶片，使得晶片的顶表面面向上。然后将反转后的顶面朝上的晶片传输到第二掺杂器设备Do-2，在这个掺杂器设备Do-2中将磷掺杂组合物(箭头P )涂布到晶片的顶表面上并使晶片干燥。然后将用硼/磷进行了双重涂布后的晶片传输到本发明的扩散炉10，进行如本文中上文所述的共扩散焙烧，在炉的冷却区段中进行冷却，并且传输到抗反射涂层设备ARC 158，在抗反射涂层设备ARC 158中，通过等离子增强型化学气相沉积来涂覆抗反射涂层，例如SiN3。在涂覆ARC后，将晶片传输到印刷站，在印刷站中，印刷机/干燥器设备160将银基浆料“墨水”以精细的隔开的线路的形式涂覆到掺磷/扩散后的顶表面上(仅当需要时，将背接触层铝基浆料涂覆到掺硼/扩散后的底表面上；掺硼底表面通常不需要铝基背接触层浆料)。然后将“印刷后的”晶片传输到干燥器162，干燥器162在不超过约600-650°C定温度下烧掉浆料中的有机粘合剂，如图所示，在164处排放出VOC，然后使废气冷凝下来或者在热氧化器中烧尽。将印刷后的晶片传输到金属化炉166中，在金属化炉166中对晶片进行焙烧以使选择性的背接触浆料流到连续层中，并且在正面上形成欧姆集电极的精细栅格，所述栅格被烧到P-n结层中，但不穿过P-n结层。所得的电池168继续进行各个清洁、修边和测试步骤，然后形成条带并组装成阵列，以便在各玻璃层之间层积成完成的太阳能电池板。图14到图16说明了使用纵向侧壁加热器来改进各个区域(主要是均热区域)中的加热的横向均匀性，使得在最靠近炉的侧壁的对应线道(例如，在宽度为5个线道的炉中，线道I和5)中所运送的晶片处于加工温度，这个温度在其宽度上是均匀的。对图I和图7 中相同零件和区域的描述适用于图15。在这个实施例中，炉区域为升高区域19，然后是多
个均热区域S 1、S2......Sn，然后是至少一个冷却区域CZ，例如Cl或/和C2。所述区域中
的灯26U和26L提供高IR通量来进行调节和加热。升高区域19 (上部和下部分别是19U和19L)使晶片从环境温度快速升高到约500°C到700°C或更高的范围内。第一均热区域SI使晶片的正面和背面、顶面和底面升高到所需的扩散温度，所述扩散温度在约950°C (仅有磷掺杂)到约1100°C (磷和硼的共掺杂)的范围内。其余的均热区域S2-Sn保持所需的扩散加工设定点温度。然后在一或多个冷却区域C1、C2等中对晶片进行冷却。在这个实施例中，在区域SI、S2的下半部中，以及在区域Cl中(当区域Cl由均热区域Sn所替换时，在这个实施例中Sn是S3)，在灯的上方布置侧壁加热器170。图15所示为在上部与下部区域中使用侧壁加热器170U和170L。在这个实施例中，在下部升高区域中使用侧壁加热器170L。在所显示的所有均热区域中使用加热器。图16所示为3线道式炉，所述炉在方向F上输送晶片W-l、W-2和W-3。其余零件编号与图3A中相同。在均热区域中，分别用于右和左侧壁的两个侧壁加热器170R、170L显示为与其侧壁46R和46L相邻并且在横向下部灯26L上方。所述侧壁加热器可任选地延伸到升高区域19或任选焙烧区域中。所述侧壁加热器放在离对应的侧壁46R、46L有预先选择的距离172处，所述距离172的范围是约I厘米到约5厘米。所述侧壁加热器可支撑在横向区域分割块54中切割出来的凹口 173中，或支撑在所述块中的通孔(图中未示)中。如图所示，所述侧壁加热器包括外部石英管174，杆或盘管式电阻元件ITS放在所述外部石英管174中。这些侧壁加热器确保线道I中的晶片W-I和线道3中的晶片W-3的外缘(最靠近侧壁46R和46L的边缘)逐个边缘地得到均勻加热。本申请案的本发明的扩散炉广泛适用于太阳能电池制造产业，S卩，适用于以下工艺步骤对太阳能电池晶片进行焙烧以使磷或/和硼扩散并且共扩散到晶片基质中，从而形成P-n结层或传导性背表面层。所述系统显然是对当前可用的炉的改进，从而提供了更高的生产能力，这是由于加工时间实质上更短、遮蔽更少、能量需求更低、晶片的工艺污染更少，并且P-n结层和掺硼背表面层中的均匀性有所改进。因此，本发明的系统显然有可能被用作使掺杂剂扩散到太阳能电池先进材料晶片中的设备和方法的新标准。 零件列表(这个零件列表是为了方便审查而提供的并且可在得到允许的情况下进行删减)
权利要求
1.一种用于加工太阳能电池晶片的连续输送器扩散炉，所述扩散炉以可操作的组合形式包括 a)多个加热和冷却区域，所述区域是按炉入口到炉出口的顺序来定向的， i)所述区域是按邻接关系来布置的，以便通过所述区域界定连续的纵向加工输送器路径，所述路径定向于大体上水平的平面中，所述区域中的每一个包含隔开的外侧壁，加工体积界定于所述外侧壁之间，所述加工体积沿着大体上平行于所述加工路径平面的水平平面分成区域上半部分和区域下半部分； ii)所述加热区域包含选自IR灯和电阻辐射元件的加热元件，所述加热元件定向成与所述纵向加工输送器路径横切，用以加热所述加工体积； iii)所述横向定向的加热元件布置在所述加热区域的至少一些中，位于所述区域上半部分和所述区域下半部分中的至少一个中； iv)至少一对电阻加热元件，所述电阻加热元件布置在所述区域下半部分或/和上半部分中的至少一个中，所述电阻辐射元件定向成平行于所述纵向加工输送器路径，每一对中的一个布置成与所述外侧壁中的一个相邻； b)低质量输送器系统，用于接收太阳能电池晶片并使太阳能电池晶片沿着所述纵向加工路径从所述炉入口穿过所述区域移动到所述炉出口，所述输送器系统包括 i)多个隔开的耐高温金属丝，所述金属丝定向成与所述纵向加工路径横切，所述金属丝的长度在所述输送器系统的所述侧壁之间界定穿过所述炉区域的有用的晶片运送宽度； ii)直径小、壁薄、非旋转式的耐火管，所述耐火管悬挂在所述金属丝上，用以在通过所述输送器系统将所述晶片运送穿过所述炉区域时对所述晶片提供支撑，并且用以实质上完全防护所述晶片免受从所述金属丝排放出来的金属蒸气； iii)所述耐火管的延伸长度为所述金属丝的所述长度的至少大部分，并且在所述金属丝上定位成仅露出所述金属丝的短的相对侧端； iv)—对隔开的运送部件，一个运送部件布置成与所述金属丝的每一末端相邻，所述运送部件中的每一个形成连续环，所述连续环穿过从炉入口到所述炉出口的所述纵向加工路径，然后在所述炉区域外的返回路径上回到所述入口 ； V)所述运送部件中的每一个包含沿着所述运送部件连续环中的每一个均匀地隔开的多个收纳部件，每个所述收纳部件经配置以可移除式保持所述金属丝的所述短的侧端，所述金属丝布置成跨所述运送宽度悬挂在所述运送部件之间；以及 c)布置在所述炉区域外的驱动系统，所述驱动系统布置成啮合所述两个运送部件，以随着所述运送部件承载所述多个耐火管以及悬挂在所述收纳部件之间的金属丝实现穿过所述区域的同步移动，在炉操作过程中，在所述耐火管上将所述晶片运送穿过所述区域以对所述晶片进行加工。
2.根据权利要求I所述的连续输送器扩散炉，其中所述运送系统包含以下各项中的至少一个 a)选自带和辊链的环式部件； b)其中在使用带时，所述带包含垂直延伸的支架，所述金属丝末端收纳于所述支架中；C)其中在使用辊链时，所述辊链包含管状枢轴链节，所述金属丝末端收纳于所述链节中。
3.根据权利要求I所述的连续输送器扩散炉，其中所述下半区域部分安装成固定在框架中无法移动，所述炉包含多个用动力推进的垂直提升部件，所述垂直提升部件布置成连接到所述上和下半部炉区域部分，所述垂直提升部件经布置以相对于所述固定的下半部区域部分而提升所述上半部区域部分，从而露出炉加热区域内部并且允许进入所述炉加热区域内部，以便按需要进行检查、调整、维护和修理。
4.根据权利要求I所述的连续输送器扩散炉，其中所述上半部分安装成固定在框架中无法移动，所述炉包含多个用动力推进的垂直提升部件，所述垂直提升部件布置成连接到所述上和下半部炉区域部分，所述垂直提升部件经布置以相对于所述固定的上半部区域部分而降低所述下半部区域部分，从而露出所述炉加热区域内部并且允许进入所述炉加热区域内部，以便按需要进行检查、调整、维护和修理。
5.根据权利要求I所述的连续输送器扩散炉，包含下垂制动装置组合件，所述下垂制动装置组合件安装在所述炉区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间隔开且与所述支座并列对齐。
6.一种光伏(PV)太阳能电池晶片的连续扩散或共扩散层焙烧方法，所述晶片具有底表面和顶表面，所述方法包括以下步骤 a)向所述晶片底表面和所述晶片顶表面中的至少ー个涂覆至少ー掺杂剂组合物，以产生多个晶片，所述晶片在所述顶表面和底表面中的至少ー个上由一层掺杂剂组合物进行了掺杂； b)运送所述多个所述共掺杂后的晶片，从炉入口到炉出口，依次穿过多个加热和冷却区域，所述区域是按邻接关系来布置的，以便界定连续的纵向加工输送器路径，所述路径定向于大体上水平的平面中，且所述晶片定向成所述顶表面面向上； c)在所述运送步骤中在低质量输送器系统上支撑所述晶片，所述输送器系统包含直径小的非旋转式耐火管，所述耐火管支撑所述晶片，所述耐火管悬挂在金属丝上，所述金属丝从所述炉的第一纵向外侧面到所述炉的第二纵向外侧面横跨所述晶片加工路径，并且所述晶片按选定的速率不断前进穿过所述区域； d)在所述加热区域中直接通过射到所述顶表面和底表面上的IR灯辐射和热电阻辐射或再辐射中的至少ー个对所述晶片进行加热，加热的时间足以促进所述掺杂剂从所述涂布层扩散到所述晶片基质材料中，从而完成p_n结顶表面层和背接触底表面层中的至少ー个的形成；以及 e)通过从纵向电阻加热元件所施加的电阻辐射来維持横跨所述晶片加工路径的均匀的热，所述纵向电阻加热元件布置在所述加热区域中的至少ー个中，与所述外侧壁相邻并且平行于所述外侧壁。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述加热区域沿着大体上平行于所述加工路径水平平面的平面分成上部加热区域部分和下部加热区域部分，且从布置在至少ー个下部加热区域部分中的电阻加热元件施加热。
8.一种用于在扩散和金属化步骤中对硅晶片进行热加工的设备，所述晶片具有顶表面和底表面，所述设备以可操作的组合形式包括a)至少一个掺杂器模块，用于涂覆掺杂组合物，所述掺杂组合物选自硼掺杂剂组合物和磷掺杂剂组合物中的至少一个； b)连续输送器IR灯加热式扩散炉，所述扩散炉从所述掺杂器模块接收掺杂后的硅晶片，所述扩散炉具有狭长的加热区域，所述加热区域在输送器层面水平分割成上部部分和下部部分，且所述扩散炉包含提升装置，所述提升装置允许所述上部部分和下部部分相对运动，以便可以进入所述加热区域的内部，所述炉适用于对掺杂后的硅晶片进行扩散焙烧； c)抗反射涂层模块，所述抗反射涂层模块布置在所述扩散炉的下游，用以从所述扩散炉接收扩散焙烧后的硅晶片，并且包含用于向所述硅晶片的至少顶表面涂覆抗反射涂层(ARC)的构件； d)印刷机/干燥器模块，所述印刷机/干燥器模块布置在所述抗反射涂层模块的下游， 用以接收所述涂有ARC的硅晶片，所述印刷机/干燥器模块包含用于向所述底表面涂覆背接触浆料并且在所述顶表面上印刷精细的集电极线路以产生印刷后的晶片的构件； e)干燥器模块，用于接收所述印刷后的晶片并且在IR灯加热的区域中将所述印刷后的晶片加热到高达约650°C，以便从所述印刷后的硅晶片的所述顶表面和底表面上的所述浆料和线路中烧掉挥发性有机粘合剂；以及 f)金属化炉，所述金属化炉具有狭长的加热区域，所述加热区域在所述输送器层面水平分割成上部部分和下部部分，且所述金属化炉包含提升装置，所述提升装置允许所述上部部分和下部部分相对运动，以便可以进入所述加热区域的内部，所述炉适用于对印刷后的硅晶片进行IR灯加热式金属化焙烧，烧到约750°C到约1100°C的范围内；从而产生可以加工成太阳能电池板阵列的硅晶片，所述加工包含清洁、测试以及层积。
9.根据权利要求8所述的用于对硅晶片进行热加工的设备，其中所述扩散炉包含 a)多个加热和冷却区域，所述区域是按炉入口到炉出口的顺序来定向的，所述区域是按邻接关系来布置的，以便通过所述区域界定连续的纵向加工输送器路径，所述路径定向于大体上水平的平面中； b)低质量输送器系统，用于接收太阳能电池晶片并使太阳能电池晶片沿着所述纵向加工路径从所述炉入口穿过所述区域移动到所述炉出口，所述输送器系统包括 i)多个隔开的耐高温金属丝，所述金属丝定向成与所述纵向加工路径横切，所述金属丝的长度界定所述输送器系统的穿过所述炉区域的有用的晶片运送宽度； ii)直径小、壁薄、非旋转式的耐火管，所述耐火管悬挂在所述金属丝上，用以在通过所述输送器系统将所述晶片运送穿过所述炉区域时对所述晶片提供支撑，并且用以实质上完全防护所述晶片免受从所述金属丝排放出来的金属蒸气； iii)所述耐火管的延伸长度为所述金属丝的长度的至少大部分，并且在所述金属丝上定位成仅露出所述金属丝的短的相对侧端； iv)—对隔开的运送部件，一个运送部件布置成与所述金属丝的每一端相邻，所述运送部件中的每一个形成连续环，所述连续环穿过从炉入口到所述炉出口的所述纵向加工路径，然后在所述炉区域外的返回路径上回到所述入口 ； V)所述运送部件中的每一个包含沿着所述运送部件连续环中的每一个均匀地隔开的多个收纳部件，每个所述收纳部件经配置以可移除式保持所述金属丝的所述短的侧端，所述金属丝布置成跨所述运送宽度悬挂在所述运送部件之间；以及 C)布置在所述炉区域外的驱动系统，所述驱动系统布置成啮合所述两个运送部件，以随着所述运送部件承载所述多个耐火管以及悬挂在所述收纳部件之间的金属丝实现穿过所述区域的同步移动，在炉操作过程中，在所述耐火管上将所述晶片运送穿过所述区域。
10.根据权利要求9所述的用于对硅晶片进行热加工的设备，其包含第一掺杂器模块，用于向所述晶片的所述底表面涂覆硼掺杂剂合物；以及第ニ掺杂器模块，用于向所述晶片的所述顶表面涂覆磷掺杂剂合物，所述第一掺杂器模块将掺杂后的晶片供给到倒装器模块，所述倒装器模块具有用于反转所述晶片以使所述顶表面面向上的构件，并且所述反转后的顶表面向上的晶片被传输到所述第二掺杂器模块。·
全文摘要
多区域太阳能电池扩散炉具有多个辐射元件(SiC)或/和高强度IR灯加热式加工区域，区域包含挡板区域、升高区域、焙烧区域、均热区域及冷却区域。通过超低质量晶片运送系统来实施将太阳能电池晶片运送穿过炉的操作，太阳能电池晶片，晶片运送系统包括横向隔开、有防护、并且同步驱动的金属带或链，金属带或链承载悬挂在金属带或链之间的金属丝上的非旋转式氧化铝管。晶片位于沿着氧化铝管横向隔开的凸起圆周支座上，减少污染。高强度IR通量对晶片进行快速光辐射调节，使得扩散发生的速度比常规高质量热炉快两倍以上。使用插在运送管中的因科镍护套的纵向侧壁加热器来确保对邻近侧壁的晶片边缘进行均匀加热，加热器包括盘管式加热器。
文档编号C30B31/02GK102953123SQ201210279698
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月7日 优先权日2011年8月19日
发明者理查·W·帕克斯, 路易斯·阿雷安卓·芮·加希亚, 彼得·G·拉给 申请人:Tp太阳能公司