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T/CP IA 0108—2025
晶体硅光伏电池用卧式低压扩散炉
Horizontal low-pressure diffusion furnace for crystalline silicon
photovoltaic cells
2025 - 03 - 15 发布 2025 - 03 - 30 实施
中 国光伏行业协会 发 布
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020 《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国光伏行业协会标准化技术委员会提出。
本文件由中国光伏行业协会标准化技术委员会归口。
本文件起草单位:北京北方华创微电子装备有限公司、嘉兴阿特斯技术研究院有限公司、晶澳太阳能科技股份有限公司、一道新能源科技股份有限公司、深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司、湖南红太阳光电科技有限公司、正泰新能科技股份有限公司、天合光能股份有限公司、英利能源发展有限公司、无锡尚德太阳能电力有限公司、湖南红太阳新能源科技有限公司、江苏微导纳米科技股份有限公司。
本文件主要起草人:李苗苗、郑建宇、李补忠、吴坚、戴健、李灵芝、李军阳、龙辉、何胜、丁志强、马红娜、吴宇、蔡子豪、苏云姗。
晶体硅光伏电池用卧式低压扩散炉
1 范围
本文件规定了晶体硅光伏电池用卧式低压扩散炉(以下简称“扩散炉 ”)的术语和定义、主要技术指标、相关试验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存应注意的事项。
本文件适用于晶体硅光伏电池用卧式低压扩散炉的设计、制造,主要用于光伏电池制造中硅片的硼掺杂、磷掺杂等工艺。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 191—2008 包装储运图示标志
GB 2894—2008 安全标志及其使用导则
GB/T 5226.1—2019 机械电气安全 机械电气设备 第 1 部分 :通用技术条件
GB/T 6388—1986 运输包装收发货标志
GB/T 11164—2011 真空镀膜设备通用技术条件
GB/T 13306—2011 标牌
GB/T 13384—2008 机电产品包装通用技术条件
GB/T 17248.3—2018 声学 机器和设备发射的噪声 采用近似环境修正测定工作位置和其他指定位置的发射声压级
GB/T 24468—2009 半导体设备可靠性、可用性和维修性(RAM)的定义和测量规范
GB/T 25915.1—2021 洁净室及相关受控环境 第 1 部分:按粒子浓度划分空气洁净度等级
SJ 20984—2008 化学气相淀积(CVD)设备通用规范
T/CPIA 0077—2024 智能制造 光伏行业应用 卧式炉管与装卸机通信规范
T/CPIA 0083—2024 智能制造 光伏行业应用 晶体硅光伏电池用在线方阻测试仪通信规范T/CPIA 0106—2025 晶体硅光伏电池用卧式炉管安全设计规范
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
舟 boat
晶体硅光伏电池工艺处理中用于承载硅片的载具。
3.2
温区 temperature zone
炉体具有的可进行温度控制的最小单元。
注:舟中的硅片按所在位置分为n个区域,对应工艺设备的n个温区。六段温区时,区域1~区域6对应工艺设备的炉
尾、后炉尾、后中、前中、前炉口、炉口 。五段温区时区域1~区域5分别对应工艺设备炉尾、后中、中、前中、炉口,温区的数量由实际硬件结构决定。
4 产品分类
扩散炉的产品类型很多,根据反应腔室管数可分为单管或多管,如五管扩散炉、六管扩散炉、十管扩散炉等。根据扩散炉处理硅片的工艺又可分为低压磷扩散工艺炉、低压硼扩散工艺炉。
5 工作环境
扩散炉设备的作业环境,应符合下列条件:
a) 环境温度:10 ℃~40 ℃ ;
b) 海拔不超3500 米;
c) 大气压强:86 kPa~106 kPa;
d) 电源应符合GB/T 5226.1—2019中4.3.2的要求,三相五线交流380(1±10%) V,频率 50(1 ±1%)Hz,出口设备应符合当地的用电规范;
e) 环境净化等级:应优于GB/T 25915.1—2021规定的ISO 5级要求;
f) 冷却水:冷却水没有悬浮物或细小微粒,优先推荐使用纯水。进水的压力在0.2MPa~0.4 MPa,出水压力<0.1 MPa,进水温度在19 ℃~25 ℃ ;
g) 工艺气体要求:氧气及氮气压力0.4MPa~0.6MPa,氧气纯度≥99.999%,氮气纯度≥99.999 %氯化硼的压力0.05 MPa~0.07 MPa,氯化硼纯度≥99.999 %,伴热温度45 ℃~60 ℃;三氯氧磷的纯度99.999 %,三氯氧磷的温度宜为20 ℃±0.5 ℃ ;
h) 压缩空气的压力: ≥0.6 MPa;
i) 无高频及较强的磁场干扰。
6 技术要求
6.1 外观及结构要求
6.1.1 外观要求
扩散炉设备的外观结构应符合下列原则:
a) 表面应整齐平整、不应有明显的机械损伤,如凹凸不平、划伤、锈蚀等缺陷;
b) 表面涂覆的零部件,应符合SJ/T 10674—1995的要求;
c) 表面有金属镀层及化学处理的零部件,应符合CB/T 3764—1996的要求;
d) 所有气体管道、液体管道和接口应无漏气、漏液现象;
e) 整机标识、铭牌、说明牌、指示牌等粘接牢固,无松动现象,字迹和内容应该清楚无误,应放置在明显位置,便于观看和识别。
6.1.2 结构要求
扩散炉设备结构应按规定程序批准的图纸和有关技术文件制造并符合下列要求:
a) 设备应设置安全防护装置,确保操作人员的安全;
b) 设备传动应灵活、平稳,动作应准确、协调;设备各固定部位不得有松动现象;
c) 设备应配有散热、排废、抽风接口;
d) 水冷装置的进出水畅通、无滴漏现象;
e) 气体管路漏气率要求:
1) 普气管路漏气率: ≤3×10-7 Pa ·m3/s;
2) 特气管路漏气率: ≤3×10-9 Pa ·m3/s。
6.2 主要技术指标及性能
6.2.1 工艺温度要求
扩散炉设备工艺温度应满足下列要求:
a) 温度控制范围:400 ℃~1050 ℃ ;
b) 温控精度和稳定性:
1) 温区单点温控精度: ± 1.5 ℃ ,
2) 恒温区单点稳定性: ± 1.5 ℃/6h;
c) 温升速率:
1) 从室温升至 800 ℃ : ≤55 min;
2) 从室温升至 1050 ℃ : ≤70 min;
d) 最大可控升温速率:
1) 从室温升至 800 ℃ :15 ℃/min;
2) 从 800 ℃升至 1050 ℃ :14 ℃/min;
e) 降温速率:从 1050 ℃降至 700 ℃≥2 ℃/min。
6.2.2 压力控制技术要求
压力控制应满足下列要求:
a) 极限真空: ≤50 mbar(不通气体的情况下);
b) 真空系统压升率:关阀保压,压力上升率≤3 mbar/min;
c) 压力稳定性: ± 1 mbar;
d) 压力控制范围:50 mbar~大气压范围内任意压力区间可调;
e) 扩散工艺:100 mbar~大气压;
f) 回压速度:从 100 mbar 到大气压不大于 4 min。
6.2.3 工艺气体控制要求
工艺气体采用质量流量控制器(以下简称MFC),应符合下列要求:
a) 控制精度≤±1 % 满量程(FS);
b) 响应时间≤1 s。
6.2.4 工艺指标要求
扩散炉设备对于不同的工艺其方块电阻均匀性应满足下列要求:
a) 磷扩散工艺N型、P型的方块电阻均匀性要求见表1。
表 1 磷扩散工艺方块电阻均匀性要求
b) 硼扩散工艺的方块电阻均匀性要求见表2。
表 2 硼扩散工艺方块电阻均匀性要求
6.2.5 工艺配方要求
设备应能按设定的工艺配方完成工艺过程,并满足下列要求:
a) 扩散工艺配方设定一般包括:进舟、抽真空、升温、通源、推进、氧化、降温、回填、出舟等程序;
b) 通过查询程序的日志文件,应能跟踪硅片的工艺过程及其工艺参数等内容。
6.2.6 生产隐裂片要求
生产隐裂片比例宜≤0.02%(A级片)。
6.3 自动化功能
6.3.1 计算机自动控制工艺过程,且具有故障诊断、保护与报警功能。
6.3.2 软件控制结构应满足下列要求:
a) 上位机应为PC总线工业控制机;
b) 设备预留有MES接口,应支持SECS/GEM或者OPCUA通讯协议;
c) 设备和方阻测试仪的通讯协议宜使用TCP/IP,应符合T/CPIA 0083—2024的要求,设备和倒片机之间的通讯协议宜采用TCP/IP形式,应符合T/CPIA 0077—2024的要求。
6.4 安全要求
6.4.1 安全设计要求
扩散炉设备的安全设计应从机械、电气、高低温、非电离辐射、有毒有害、人体工学、控制电路失效等识别风险,应遵守《晶体硅光伏电池用卧式炉管安全设计规范》的要求。
6.4.2 报警功能要求
报警功能应满足下列要求:
a) 设置声光报警,应包含但不限于压力偏差、流量偏差、超温、断偶、断水、工艺参数输入错误等报警提示,设置设备报警的日志功能,对设备曾经出现的报警都予以记录, 以便随时查看设备状态,并能够根据实际情况处理;
b) 设备应具有运行状态灯,至少包含绿黄红三色。绿色表示正常运行,黄色表示设备休止或其他,红色表示设备故障或异常;同时设备故障报警时必须有蜂鸣报警提示。
6.4.3 急停开关
应具备急停开关,急停启动后电源应被切断,设备所有运动部件应立即停止运作并发出警报。
6.4.4 其他安全要求
扩散炉还应符合下列要求:
a) 扩散炉设备的对地绝缘电阻不应小于 1 MΩ;
b) 电气连接及安全应符合 GB/T 5226.1—2019 的要求;
c) 设备外壳温度不宜超过 50 ℃。
6.5 可靠性要求
可靠性应符合下列要求:
a) 设备平均失效间隔时间(MTBF)和设备平均维修时间(MTTR)由供需双方协商确定;
b) 正常运行时间宜(Uptime) ≥ 97%。
6.6 维护保养要求
应符合下列要求:
a) 真空泵保养宜≤2h@1个月保养一次;
b) 炉体、石英管、石英门及相关零部件、特气管路、传感器等的维护保养按照设备的用户手册进行。
6.7 噪声
扩散炉正常运行中,设备等效连续A声级噪声不应大于85dB(A)。
6.8 电磁兼容性
电磁兼容性应符合GB/T 30116—2013的要求。
7 试验方法
7.1 外观及结构检查
7.1.1 外观检查
对照设备的图纸或设计文件,对设备的外观进目视检查。
7.1.2 结构检查
7.1.2.1 一般性检查
对照设备的技术文件或设计图纸,对设备的结构进行目视检查。
7.1.2.2 气体管路漏气率检测
将所有反应室进气阀关闭,将所有与反应室(管)相连的进气通道上的阀门打开,MFC设置为最大值,使用检漏仪检漏。
7.2 主要技术指标及性能要求检查
7.2.1 工艺温度要求检验
7.2.1.1 温度控制范围验证
在满足第 5 章规定的工作环境条件下,在设备要求的温度范围内,将温度设置为最小值、最大值和任意几个中间值,记录温度值。
7.2.1.2 温度控制精度检测
在满足第 5 章规定的工作环境条件下采用下列方法进行检测:
a) 将反应室温度设定为硼扩 900℃、磷扩 800℃;
b) 当反应室温度达到设定值时,稳定 30 min 后,每隔 5 min 记录一次温度测量仪器检测到的温度值 Ti,将所得到的数据采用数理统计方法;
c) 用温度标准差 P1 表示温度控制精度。按照 SJ 20984—2008 中公式(4)计算恒温区温度控制精度。
7.2.1.3 恒温区单点稳定性检测
在满足第 5 章规定的工作环境条件下采用下列方法进行检测:
a) 将温度设置为设定为硼扩 900℃、磷扩 800℃;
b) 当温度达到设定值时,稳定 30 min 后,采用温度测量仪器测量硅片放置区域中任意一点的温度值,每隔 10 min 记录一次,连续测量 2 h。将所得到的数据采用数理统计方法;
c) 用温度标准差 P2 来表示温度点稳定性。按照 SJ 20984—2008 中公式(5)计算恒温区单点稳定性。
7.2.1.4 升温时间验证
在满足第 5 章规定的工作环境条件下采用下列方法进行检测:
a) 指定进行升温速度测试的温度区间 TL 至 TH;
b) 待炉管温度在待机温度(TL 以下的某一温度)稳定后,控制炉管温度开始上升,在炉管温度达到 TL 时开始计时;
c) 在炉管温度达到 TH 时停止计时,计算升温所用时间 t。
7.2.1.5 降温速率检测
在满足第 5 章规定的工作环境条件下采用下列方法进行检测:
a) 指定进行升温速度测试的温度区间 TH 至 TL;
b) 待炉管温度在待机温度(TH 以上的某一温度)稳定后,开启降温系统,控制炉管温度开始下降,在炉管温度达到 TH 时开始计时;
c) 在炉管温度达到 TL 时停止计时,计算升温所用时间 t;
d) 按照公式计算扩散设备在温度区间 TH 至 TL 内的降温速率 Vt:Vt=(TH-TL)/t。
7.2.2 压力控制检测
7.2.2.1 极限真空检测
根据GB/T 11164—2011中的5.1测定。
7.2.2.2 真空系统压升率检测
按照以下方法进行检测:
a) 对反应室(管)抽真空至 200 mbar,关闭主抽及预抽;
b) 3 min 后开始记录时间和压控仪的读数,每分钟记 1 次,共 10 min;
c) 计算单位时间内的压力变化值。
7.2.2.3 压力控制范围检测
按照以下方法进行检测:
a) 反应室(管)抽到极限真空;
b) 通入一定量的工艺气体,将压力分别设置为 100 mbar~大气压范围内的任意压力值;
c) 等压力稳定后观察压控仪的读数。
7.2.2.4 压力控制精度检测
按照以下方法进行检测:
a) 向反应室(管)通入一定量的工艺气体;
b) 将压力设定在 50 mbar~大气压范围内的任意压力值,等压力稳定后观察压控仪的读数。
7.2.2.5 回压速度检测
按照以下方法进行检测:
a) 对反应室(管)抽真空至 100 mbar 稳定;
b) 通入工艺气体至大气压,计算从通入工艺气体开始至大气压结束的时间。
7.2.3 工艺气体控制测试
根据SJ/T 10583—2016中规定的测试方法,对MFC的指标进行测试。
7.2.4 工艺指标均匀性
方块电阻均匀性的测试用四探针方阻测试仪,采用9点测试方法,测试步骤如下:
a) 硅片方阻测试方法:单片硅片测试为片内 9 点测试(外侧测试点与硅片的边缘距离约≤25mm);
b) 硅片内测量点位置可参考图 1;
图1 硅片测试位置图例
c) 取片方式:每间隔一个小舟或单排,抽取样片,每小舟或单排内抽取上中下或前中后各 1 片;
d) 测试数据计算公式:
1) 片内:(max-min)/2/average×100%(即片内极差/2/片内平均值×100%);
2) 片间:(max-min)/2/average×100%%(即测试均值极差/2/片内平均值×100%);
3) 批间:舟清洗周期内,前中后各取两批,每片按平均值计算,(max-min)/2/average× 100%。
注:当为追求整线效率而调整工艺参数,则方块电阻均匀性可按整线工艺效率来调整。
7.2.5 生产隐裂片检测方法
生产隐裂片采用目视的方法进行检查。
7.3 自动化功能检查
模拟工艺运行,实际验证工艺参数的设定、工艺流程、故障诊断、保护与报警功能均由计算机全自动控制。
7.4 安全要求检测
7.4.1 安全设计检测
对低压扩散设备的安全设计、警示标识、互锁、紧急停止等安全相关的功能按照T/CPIA0106—2025进行检测。
7.4.2 报警检测
根据SJ 20984—2008中4.5.5.1~4.5.5.7的规定逐项进行检测。
7.4.3 急停开关检测
按下设备上的紧急停止按钮,检查设备状态。
7.4.4 其他安全要求检测
按照下列方法对其他安全要求进行检测:
a) 对地绝缘电阻的检测:将设备总电源断开(即设备电源不接入电网),用兆欧表分别测量电网电压所有输入端与机壳之间的电阻值;
b) 电气连接及安全的检测:按照GB/T 5226.1—2019的规定进行检测;
c) 设备外壳温度检测:设备正常运行情况下,采用接触式温度检测仪测量设备的外壳温度。
7.5 可靠性要求
根据GB/T 24468—2009的规定,对扩散设备进行机台稳定运行时间(Uptime)、平均故障间隔时间(MTBF)、平均修复时间(MTTR)测试。
7.6 维护保养
真空泵的保养方法按照设备用户手册进行。
7.7 噪声要求检查
设备满载运行条件下,在距设备1m,高约1.5m~1.7m(人耳部位置)处,按GB/T 17248.3—2018的要求测量声压级(A计权)。
7.8 电磁兼容性要求检查
电磁兼容性应按照GB/T 30116—2013的规定进行。
8 交付检验
8.1 扩散炉设备应经现场安装、调试,在需方现场进行交付检验。
8.2 交付检验由供方代表与需方代表共同实施。
8.3 买卖双方按双方技术协议签订的要求及技术指标进行设备检验,达到要求后设备方可完成检验。
8.4 交付检验项目应符合表 3 的要求。
表 3 检验项目
8.5 交付检验项目任一项出现故障时应停止检验,查出故障原因并排除故障后重新进行检验,若无法排除故障以达到检验要求,则判定该设备不合格。
9 标志、包装、运输、贮存
9.1 标志
9.1.1 产品标志
应在明显部位设置字迹清晰、牢固耐久的标牌,并符合GB/T 13306—2011的规定,标牌中至少应包含下列内容:
a) 设备名称和型号;
b) 设备额定电压、额定电流、额定功率;
c) 设备外形尺寸和重量;
d) 出厂编号、制造日期;
e) 制造单位名称或商标。
9.1.2 零件、部件和导线标志
扩散炉的零件、部件和导线标志应符合下列要求:
a) 接线柱、接线板、插头座、接插件、线缆的代号及其连接点、端头应加以标记;
b) 控制装置和检测装置附近,应由表示用途(如“接通 ”、“断开 ”等)的清晰标记或图形符号;
c) 控制面板上的开关、旋钮、按钮、指示灯等应有字迹清晰、格式规范的文字标识;
d) 导线两端应采用塑料套管并印有相应的导线编号,且应与电路图保持一致。
9.1.3 安全标志
安全标志应符合下列要求:
a) 安全标志图形的含义、颜色组合与使用方法应符合 GB 2894—2008 的规定;
b) 设备的特殊安全要求及应遵守的操作规程应根据需要制成标牌,固定在醒目位置。
9.1.4 包装标志
9.1.4.1 包装箱上应“ 易碎物品 ”、“ 向上 ”、“怕雨 ”等储运图示标志,需要吊装的包装箱应有“重心 ”和“ 吊装 ”标志,且储运图示标志应符合 GB/T 191—2008 的规定。
9.1.4.2 需要时,包装箱应按 GB/T 6388—1986 的规定标明收发货标志,至少应包含设备名称、型号和规格、包装箱体积和重量、收货地点和单位、发货单位、包装日期等信息。
9.2 包装
9.2.1 采用防潮包装、防震包装等防护包装,具体应满足 GB/T 13384—2008 的相应规定。包装应牢固可靠,包装箱边角用扎带加固,防止开裂。
9.2.2 重要机械部分及零部件须使用真空铝箔和塑料膜的包装方式,其他设备和零部件采用防水、防潮包装,使设备在长时间的运输过程中得到更好的防潮、防锈、防腐效果。
9.2.3 包装材料应清洁干燥,且具有防霉、防蛀等特性,不应使用导致设备锈蚀及产生有害气体的材料(如石棉)。缓冲和裹包材料应阻燃、无腐蚀性,不易破碎、剥落、粉化和脱落。
9.2.4 随同设备的备件、附件以及拆卸下的部件或零件应加标签进行标记。随机备件、附件应采用防潮密封包装。
9.2.5 设备表面不应直接与对镀(涂)层有影响的材料(如橡胶、海绵、聚氯乙烯等)接触。
9.2.6 装箱清单应包含以下文件(以供需双方合同约定为准):
a) 装箱清单;
b) 设备操作使用说明书;
c) 设备维修手册(含结构、电路与管路等的图纸);
d) 随机备件和附件清单、易损件清单等。
9.3 搬运和运输
9.3.1 搬运
设备的搬运应遵守下列要求:
a) 搬运时应平稳,缓起慢放,避免磕碰划伤设备表面,避免破坏设备精度;
b) 采用起吊方式搬运时, 吊索捆绑位置选择可以承重部位,应避开仪表及结构脆弱部位,起吊时应控制升降速度,防止设备倾倒或坠落;
c) 使用叉车时,两叉牙长度应超过设备中心100 mm以上;
d) 采用气垫搬运设备时,气垫应放在设备底部的承重梁下,每台设备配置的气垫不应少于4个。
9.3.2 运输
运输时应遵守下列要求:
a) 设备应采取防雨、防潮、防晒及防污措施,用敞篷车运输时需加盖篷布,并对防雨布或者防雨罩进行固定;
b) 设备应贴有防震标识、防倾斜标识、勿推标识和易碎标识等标签;
c) 装载时应注意包装箱重心高度一般不超过2m,堆放应整齐牢靠;
d) 包装件应放置平衡,不允许偏向一侧;
e) 不应与易燃、易爆、易腐蚀的物品同车装运;
f) 运输中车辆应在平整的路面上行驶,避免颠簸;
g) 通过沟坎时应减速行驶,减缓振动;
h) 装车和运输过程中应有防止跌落的紧固措施。
9.4 贮存及开箱
9.4.1 贮存
设备的贮存应具备有效防雨、防晒、防风、防潮、防冻、防水泡等条件,最好将设备放置于大仓库内。实在没有条件的,应该在箱体底部垫有砖块、木板等,以防被水泡和潮湿,贮存时应遵守下列要求:
a) 箱体顶部应加盖至少一层防雨布,严禁雨淋;
b) 储存条件应保持清洁,防止环境污染设备本体;
c) 包装箱储存周边设施要安全,避免冲撞、磕碰、落砸的发生;
d) 储存仓库要安全,箱内有些零部件很贵重,要严防部件丢失造成不必要的麻烦。
9.4.2 开箱
设备开箱时应遵守下列要求:
a) 开箱前先检查箱体四周、底部及四角是否有破损,顶部是否有雨淋透、腐化,确认箱体外观正常再开箱;
b) 开箱时应谨慎小心,不可使用尖锐物体插箱,避免碰伤内部物品;
c) 如有木箱,开箱后的残余木箱上有铁钉或钢钉,周围人员应小心谨慎,防止铁钉扎脚、扎胎等其他意外事故,更不可在拆箱现场嬉戏打闹,斜穿猛跑;
d) 拆卸后的包装材料要及时处理。