具有高强度加热区段的快速热烧结红外线传送带式热处理炉.pdf

一种隔离IR加热灯模块和用于太阳能电池烧结工艺的多区域IR热处理炉的方法，该热处理炉包括布置在反射器/绝热器的主体中独立的平行沟槽中的灯来提供环绕各个灯管的冷却气体通道；所述沟槽覆盖有IR透射板来将各灯与相邻近的灯和处理区域隔离开。冷却空气被排出并通过再循环向上游流动以节约能源。各灯之间的间距可以变化并且每个灯的功率可以独立控制来提供对在各个加热区域的温度分布曲线的最大控制。对于尖峰区域，并结合下游的淬火和退火区域，陡的加热和冷却曲线带有持续时间非常短(尖锐)的峰值温度分布曲线，由于灯在基本上100％的额定功率下以2倍或更高的加热和生产速率来工作使得具有更高的生产能力，同时生产出输出功率提高的电池。

1.  一种用于多区域热处理炉的IR灯加热模块，其以可操作的组合方式包括有：
a.绝热反射器主体，具有在其一个面上形成的间隔开的沟槽；
b.至少一个IR灯，其布置在每个沟槽内并与所述沟槽的侧壁间隔开来提供一环形空间，用作在所述灯和所述沟槽侧壁之间冷却空气的通道；
c.IR透射板，以与所述反射器主体的沟槽表面接触的方式布置，以有效地将每个灯与相邻沟槽内的灯隔离开，以及将所述灯与所述热处理炉的处理区域隔离；和
d.所述沟槽形成高反射表面，其配置成有效地将来自所述灯的IR光线透过所述IR透射板到引导向所述处理区域。

2.  根据权利要求1所述的IR灯加热模块，其中，所述沟槽配置成具有通常从抛物线形、椭圆形、半圆形、三角形、方形、矩形或梯形中选择的横截面几何形状。

3.  根据权利要求1所述的IR灯加热模块，其中，在所述沟槽的每个端部都包括端部口，用于使冷却气体从其中通过。

4.  根据权利要求3所述的IR灯加热模块，其中，包括有通过所述主体与每个所述沟槽相连通的排气口，所述排气口设置在所述沟槽的横向端部的中间位置，并且所述端部口适合于使位于所述灯和所述沟槽的表面之间的环形空间冷却气体在该端部口处输入而通到中间排气口。

5.  根据权利要求3所述的IR灯加热模块，其中，所述端部口之一用作冷却气体的入口，相对的端部口用作排气口，使得冷却气体在一个口引入，以通过位于所述灯和所述沟槽的表面之间的环形空间的方式来冷却灯，并通过相对的端部口排出。

6.  根据权利要求3所述的IR灯加热模块，其中，其包括至少一个排气管，用于将从所述沟槽排出的热的冷却气体向上游再循环到所述热处理炉的另一个处理区域。

7.  一种改进的多区域IR灯热处理炉，所述区域包括用于输送待处理产品并连续通过所述区域的传送带以及冷却系统，所述改进以可操作的组合方式包括有：
a.所述热处理炉的至少一个区域包括有：IR灯隔离模块，该IR灯隔离模块包括由绝热材料制成的绝热反射器主体，该主体在一个面内具有一系列沟槽；至少一个IR灯，其布置在每个所述沟槽内，并且所述灯与所述沟槽的侧壁间隔开来形成环形冷却空间；以及IR透射窗，其紧密接触所述反射器主体的带所述沟槽的表面来将所述灯从处理区域分隔开，而来自所述IR灯的光线则被引导至该处理区域内；
b.气体供应源，其连接到所述沟槽的至少一端，用于将冷却气体提供到所述沟槽并经过所述环形空间来冷却所述灯和所述IR透射板；和
c.排气系统，用于将因为冷却所述灯和所述IR透射板而加热的气体从所述模块的沟槽内排出。

8.  根据权利要求7所述的改进的多区域IR灯热处理炉，其中，所述IR灯隔离模块用于尖峰烧结区域。

9.  根据权利要求8所述的改进的多区域IR灯热处理炉，其中，所述排气系统将所述加热的气体向上游再循环至烧尽区域和干燥区域中的至少一个区域内。

10.  根据权利要求9所述的改进的多区域IR灯热处理炉，其中，所述热处理炉包括位于所述尖峰烧结区域下游的回火区域。

11.  根据权利要求10所述的改进的多区域IR灯热处理炉，其中，所述热处理炉包括介于所述尖峰烧结区域和所述回火区域之间的淬火区域和淬火停止区域中的至少一个区域。

12.  根据权利要求11所述的改进的多区域IR灯热处理炉，其中，所述淬火区域包括至少一个气刀组件，用于在所述传送带上的产品从所述尖峰烧结区域出来时迅速降低该产品的温度。

13.  根据权利要求12所述的改进的多区域IR灯加热处理炉，其中，所述淬火停止区域包括至少一个IR灯来停止对准备在所述退火区域进行回火的所述产品的冷却。

14.  根据权利要求13所述的改进的多区域IR灯加热处理炉，其中，所述退火区域包括热交换器组件和用于引入可控量的冷却空气的端口中的至少之一，以将所述产品的温度恢复到期望的处理温度。

15.  根据权利要求7所述的改进的多区域IR灯加热处理炉，其中，包括控制器，该控制器用于控制所述传送带的行进速率、在所述IR灯隔离模块中的每个所述IR灯功率以及所述冷却系统，以在所述热处理炉的所有区域提供相对大范围的加热和冷却曲线。

16.  一种在工业热处理炉中加热产品的方法，该热处理炉具有运载产品通过多个处理区域的传送带，该方法包括以下步骤：
a.在至少一个烧结区域以阵列方式提供多个IR灯；
b.在所述烧结区域的所述灯和所述传送带运载的产品之间提供一种IR透射窗，以将所述灯和所述产品隔离开；
c.利用在所述透射窗和所述灯表面之间流过的冷却气体来冷却所述灯，以防止冷却气体进入并干扰所述传送带和所述产品所通过的靠近所述透射窗的所述处理区域；
d.排出现在已加热的所述冷却气体，和
e.控制功率，用于允许2倍或更高的加热速率下以基本上100％的额定值来操作所述灯，而不会使所述灯出现翘曲或危害所述灯的使用寿命，从而提供100℃到200℃/分钟的温度上升速率和短的持续时间的急剧峰值温度。

17.  根据权利要求16所述的方法，其中，包括将所述已加热的冷却空气向上游再循环流到烧尽区域和干燥区域中的至少一个区域中，以通过热交换来提高热操作的效率的步骤。

18.  根据权利要求16所述的方法，其中，包括在紧接着所述烧结区域下游的淬火区域内，通过使所述产品与喷向所述产品的至少一个表面上的冷却气体的喷射束接触来对所述产品快速淬火的步骤。

19.  根据权利要求18所述的方法，其中，通过从至少一个IR灯提供受控等级的热量以停止所述产品的淬火的步骤，来防止将所述产品冷却到低于预先选择的温度最小值。

20.  根据权利要求16所述的方法，其中，所述处理适用于烧结太阳能电池晶圆，包括以下步骤：将所述灯的功率控制、所述传送带的速度以及所述烧结区域的下游的所述产品的冷却进行配置，以提供预先选择的加热和冷却特性曲线来生产效率提高的太阳能电池。

具有高强度加热区段的快速热烧结红外线传送带式热处理炉
技术领域
本申请涉及一种改进的IR(红外线)传送带式热处理炉，尤其是用于丝网印刷、太阳能电池硅晶圆的金属化烧结，该热处理炉具有改进的尖峰区和烧结工艺，从而使生产的太阳能电池光生伏打元件具有更高的生产能力和效率。这种改进的系统的特征在于尖峰区域加热腔使用与IR加热灯元件结合使用的特别构造的高反射系数-效率反射器，所述加热灯元件与所述反射器间隔开来形成冷却通道，该冷却通道允许热处理炉可使用的功率密度能够充分增加，使得红外加热灯在长时间内以高达100％的额定功率输出工作而不会出现过热。本发明的系统同时还将所述灯产生的红外光集中，使得更大的量红外光进入处理区域，从而提高了IR辐射的加热效果和效率。
背景技术
硅基太阳能电池的制造需要以特定顺序进行的若干专门处理工序。这些处理工序通常包括单晶硅锭在晶体生长炉中生长或在“定向凝固”炉中铸成多晶硅块。这些处理工序产生的是称为硅锭的长“腊肠状”的单晶硅块或多晶硅块，而硅的薄切片则是从其上用“线锯”横向切割来形成粗制太阳能电池晶圆。然后这些晶圆，无论是由单晶体组成还是由结合在一起的多晶体构成，被加工处理形成厚度在150微米到330微米范围内的光滑晶圆。由于合适的硅的缺乏，当前的趋势是将晶圆制得更薄，通常厚度为180微米。
加工好的空白晶圆然后被加工成有功能的太阳能电池，能够通过光生伏打效应产生电流。晶圆的加工以不同的清洁处理和刻蚀操作开始，以称为扩散的工序结束，扩散工序是为了制成半导体“p-n”结二极体。扩散在高温下存在可选的磷源例如稀磷酸的喷雾液或通过将起泡的氮、氮气通过液态POCL₃制成的三氯氧磷(POCl₃)蒸汽的情况下发生。这样掺杂的硅形成光生伏打电池的“发射极”层，该层暴露在日光(正常的光子源)下时发射电子。这些电子由丝网印刷的金属接触线细网收集，所述金属接触线烧结在电池的表面内，如下文更详细地描述。
为了增强用于在硅p-n结发射极层下方形成低阻抗丝网印刷的金属接触线的能力，附加量的磷被淀积到晶圆的前表面上。通过持续时间长达30分钟的高温扩散工艺将磷驱入到晶圆中。额外的“电活性”磷使得能够形成低阻抗接触线。然而，这种接触线的形成是以损失电池效率为代价的。电池效率损失的发生是由于通过吸收高能量而不是短波长的光子在位于或靠近表面处产生电子-空穴对造成的。这些“蓝光”光子快速再结合并消失，从而使它们对电池发电的没有贡献。
在扩散以及通过多种清洁和刻蚀工艺从晶圆的侧面上除去不需要的半导体结之后，这些晶圆被涂覆上抗反射涂层，通常是氮化硅(SiN3)，这一般通过增强型等离子体化学气相淀积(PECVD)进行。在一些工艺过程之间，晶圆在低温烘干炉中进行干燥来为后续的工艺过程做准备。
该SiN₃抗反射涂层(ARC)被淀积成0.6微米的光线波长的大约1/4的厚度。在涂覆了ARC之后，电池呈现出深蓝色的表面。该ARC将最小化波长在0.6微米左右的入射光子的反射。
在PECVD过程中，通过将硅烷、四氢化硅(SiH4)、氨水、氨气(NH3)以及纯氮、氮气(N₂)以不同的浓度进行混合在高或低频率微波场中来形成ARC SiNx涂层。氢分解并非常快地扩散到硅晶圆中。氢具有能修补块状缺陷的意想不到的效果，尤其是在多晶材料中。这些缺陷构成陷阱，在这里电子-空穴对可以再结合从而降低电池的效率或功率输出。在后续的IR烧结(参见下文)期间，升高的温度(超过400℃)将会导致氢从晶圆中扩散出来。因此，短的烧结时间是必须的，以防止氢从晶圆中的“脱气”出来。最好是该氢能被捕集并保持在块状材料(尤其是在多晶材料的情况下)内。
通过丝网印刷工艺在太阳能电池的背面覆盖铝粉浆涂层。该Al(铝)涂层首先被干燥，然后在IR热处理炉中进行烧结来将其与硼掺杂硅合金化，从而形成“背场”。另外，干燥背面的铝粉浆，然后翻转晶圆，以用银粉浆对正面进行丝网印刷成电接触图案，然后干燥该图案。然后两种材料，即背面铝粉和正面银粉接触浆，在同一烧结步骤(如上文所述的后续烧结)中被共烧。该共烧步骤节省了一个加工处理步骤。
背面通常被铝基粉浆完全覆盖，而前或顶部表面采用丝网印制有细的银基线网，该银基线网连接到更大的母导体，用于“收集”位于下方的掺杂硅发射极或靠近表面处的耗尽区域中所产生的电子。同时，最大可能的敞开区域没有覆盖以用于将光转换成电能。当这些粉浆已经被干燥后，将它们进行共烧。背面的铝合金和正面的粉浆同时在高温下以高的速度在传送带式热处理炉中进行烧结，以在太阳能电池的正面形成光滑的、低欧姆阻抗的导体。
本发明是针对这种共烧合金化/烧结化工艺以及用于这种共烧或其它工业处理过程的IR热处理炉。当前使用的用于共烧合金化/烧结化工艺的IR传送带式热处理炉具有分成多个区域的加热腔。每个区域采用不同的绝热方式与外界环境绝热隔开，最常用的是采用压缩的纤维隔热板。通常，刚好位于入口内的第一区域设有比紧接着的第2或第3区域更多的红外线(IR)灯来将放入的硅晶圆的温度迅速升高到大约为425℃至450℃的范围内。在接下来的一些区域需要保持这个温度以保持晶圆的温度稳定且确保银浆的全部有机成分完全燃尽。目的是将接触线内的全部碳含量减少到最小，因为碳会增加接触阻抗。
快速烧结通常会产生最优的结果，因为杂质没有时间扩散到发射极中。高的烧结速率是很重要的，这是由于用来将杂质扩散到掺杂硅发射极区域中的活化能量通常低于用于烧结银粒子的能量。为了实现高的烧结速率，晶圆进入高IR-强度“尖峰”区域，在该区域晶圆的温度迅速升高到700℃-900℃的范围内，并且然后通过多种手段进行冷却，直到晶圆离开该热处理炉。晶圆并未保持在峰值温度下。更确切地说，峰值宽度应该是最小的，也就是说，持续时间短，而温度上升和下降速率的坡度应当是很陡的。
然而，在目前的IR热处理炉中，这些需求无法满足。更确切地说，高强度尖峰区域只是第一区域的简单模仿，其中IR灯以横过晶圆的传送带、在传送带以及其支撑系统的上方和下方的方式排列布置。因此在现有技术中，在不同的处理区域内加热晶圆的IR灯的使用效率非常低，并且持续时间过长，过长持续时间的特征为在尖峰区域中温度曲线具有宽的峰值和平缓的速率斜率。目前使用的热处理炉能够在尖峰区域产生从大约80℃/秒到大约100℃/秒范围内的温度上升速率。由于该峰值温度必须接近1000℃，在恒定传送速率下，由于传送带以恒定的速度移动当前可用的上升速率需要实际上很长的尖峰区域。当前处理过程的持续时间也太长。
当前所用的热处理炉的平缓曲线/宽峰值特征的处理限制在顶部表面的金属接触线上具有有害的效果，如下所述这显著地限制了电池的效率。前表面银粉浆通常包括四相：
(1)运载相，其作为粉末的载体并包括挥发性溶剂和非挥发性聚合物；在干燥步骤中溶剂蒸发并且聚合物在烧尽步骤中除去；上述两个步骤在实际的峰值区域烧结步骤之前进行；
(2)粘结相(有机树脂和玻璃料)，其将粉浆保持到基片上，用于溶解金属粉末并作为在烧结过程中基片上的粘合剂。
(3)功能相(金属粒子或者是形状为小的球体或为薄片)；和
(4)调节相(例如熔化)，是粉浆制造商专有的少量添加剂，但是用于烧结中影响了所需的热分布曲线。
溶剂在烧结之前的干燥阶段完全蒸发。然后树脂必须被完全烧尽以防止碳妨碍金属接触线的电学品质。这在大约425℃到450℃的温度范围下完成。当温度在烧结阶段继续升高时，玻璃料开始熔化。该处理过程的这方面的温度取决于玻璃料的成分及其玻璃化温度Tg。氧化铅是玻璃料的一种重要成分，由于其能溶解银粒子。通常Tg大约为550℃-600℃，在该温度下玻璃料从固体非晶结构转变成流动性更好并且能够流动的结构。在该处理过程中，温度持续升高到700℃-950℃的范围内来将银粒子烧结到一起并因此形成低阻抗导体。
快速完成该程序是重要的有以下几个原因。首先，玻璃料一定不能流动的太多，否则丝网印刷接触线将会变宽，在更多的电池表面挡住将入射的太阳辐射从而减小了有效的收集面积。其次，玻璃料不应与银粒子有任何大程度的混合，因为这将会增加接触线的串联电阻。最后，所有的这类材料必须刻蚀穿过SiNx抗反射(ARC)涂层(厚度大约为0.15微米或0.6微米目标波长的1/4，用于将反射最小化)，但是必须不允许继续驱动通过先前由磷扩散到P-型硅顶部表面形成的“浅的”掺杂硅发射极层。发射极层的厚度通常为0.1到0.5微米，但是浅发射极层的厚度通常在0.1到0.2微米的范围内。
因此，为了控制刻蚀深度，必须对烧结物进行快速且彻底的淬火。淬火，也就是为了在刻蚀AR涂层以及在玻璃料很好地粘合到硅基底之后防止银粒子扩散入发射极(由微晶构成)下面的硅中，这必须通过快速冷却来完成。关键的是，如果银被驱入掺杂硅发射极层中太深，则结会变短。结果由于用于产生电子的短的电路通路导致电池的效率降低。这也可以认为是电池的低并联电阻的性质。
但是与之矛盾的是，使快速冷却减速以对玻璃相进行退火来提高粘着作用也是非常重要的。总之，冷却曲线看起来像这样：从峰值烧结温度快速冷却到700℃，然后缓慢冷却进行退火，然后快速冷却以允许晶圆在足够低的温度下离开热处理炉，以便于机器人设备进行搬运，所述机器人设备一定具有橡胶吸盘来将晶圆从移动的传送带上卸下而不会损坏其表面。
由于尺寸以及IR灯的成本限制，增加在尖峰区域的灯的密度通常是不可行的解决方案。此外，峰值温度在尖峰区域仅保持很短的时间，并且下降的热特性曲线需要是陡峭的。增加灯的密度可能会起明显的反作用，因为由于在产品和尖峰区域的内表面发生的反射灯的密度增大容易导致更平缓的斜率。
同样，增加灯的输出功率当前是不可行的，由于更高的输出可能会导致灯元件过热，尤其是外部石英管。大多数热处理炉是通过热电偶控制的。由于IR灯以间隔开1.2英寸的规律并排放置，每个灯会加热其邻近的灯。当热电偶探测到温度接近900℃时，它们自动减少灯的功率。这导致较低的功率密度，改变IR灯发射出的光谱输出(因此有较低的能量输出)，并且导致了需要降低传动带的速度，从而降低了处理效率。另外，这会对其它的区域造成连锁反应，因为传送带是连续的并且在一个区域减速会使所有区域中的带减速，因此，必须在所有的区域进行调整以进行平衡。另外，减慢上游或下游区域带速会影响烧结区域。灯的过热，例如由于热电偶延迟或故障，可能会导致灯发生变形、松弛并且最后失效。这种变形也会影响输送到产品的IR输出的均匀性。
在热处理炉中对气压进行控制是重要的。虽然许多金属化热处理炉的操作是在大气压下进行，空气必须相对地受到控制并且是层流或具有最低程度的湍流，由于进入的空气可能会导入污染基片表面的微粒，并且内部的湍流可能扰乱产品基片晶圆，由于它们是如此的薄、轻且易碎的并且其厚度通常在150到350微米的范围内。另外，在高温下，空气内部的扰动可能会造成灯发生震动，导致疲劳失效或输出的不一致或下降。
因此，在IR热处理炉和IR烧结工艺中存在未满足的需求，要能显著提高传统灯的纯有效的加热速率，在尖峰区域提供较好的控制和热分布曲线，允许改善热处理炉温度和气压条件的控制，改善淬火以及退火性能，改善在这样的热处理炉中热的均匀性，并改进这种热处理炉的生产能力，同时以相同的或减少的热处理炉占地面积来达到这些目标。
发明内容
本发明是针对一种具有多个加热区域的传送带式或间歇式IR热处理炉，其包括至少一个尖峰区域，其中IR加热元件被隔离并用空气或惰性气体冷却，从而使加热速率和热处理炉对预制的材料例如硅、硒、锗或镓基太阳能电池晶圆的处理生产量有效地加倍。
本发明还包括能提高太阳能电池产量的所有的工艺控制系统，以及由于能更好地控制处理操作而实现太阳能电池的效率提高的烧结方法，这种处理操作的特征在于陡的温度上升和下降的温度曲线，非常尖的顶点以及对淬火和退火温度曲线的精确控制。本发明改进的控制贯穿烧尽、尖峰、淬火、停止淬火以及退火(回火)区域，用于改进接触形式、减小脱气溢出的氢、控制刻蚀深度和提高粘着性以及提高电池的输出效率。
本发明的灯隔离系统作为实例在一个尖峰区域模块中实现，该模块具有多个具有平行沟槽的反射器元件，每个沟槽的中心位置设置有一个或更多个IR灯。沟槽上覆盖着IR透明透射窗，例如石英、Vicor和Pyrex、Robax牌玻璃或者其它高温玻璃、人造蓝宝石和类似物。加热模块彼此面对且相互间隔开布置，一个位于热处理炉传送带上方，一个位于下方，用于在它们之间界定出与灯和冷却沟槽隔离开的产品处理区域。
灯的IR-隔离防止邻近的灯之间彼此加热。所述沟槽具有许多种横截面几何形状，包括方形、矩形、三角形、半圆形、抛物线形或者它们形成部分五边形、六边形、八边形或椭圆形。沟槽的几何形状这样选择，以能引导IR辐射能量朝向在热处理炉传送带上通过的产品，而不是通过直接辐射加热邻近的灯。
这些沟槽在它们相对的端部是敞开的，用作冷却气流的入口和/或出口。冷却气流在各沟槽的至少一端通过进气管进入，并且在另一端或者两端的中间位置排出。
本发明的加热模块的这种组合的IR/冷却/处理区域的隔离几何形状允许将灯的功率增加到基本上是最大的额定值。这导致加热速率从大约160℃/秒增加到大约200℃/秒，也就是将传统的100W/英寸灯的加热速率有效地加倍，而不会导致灯关小、关闭或变形。此外，本发明的灯隔离系统允许增大传送带的速度，从而增加产品的生产能力和生产量。仅作为实施例，尽管当前使用的传送带式热处理炉在传送带速率大约为150英寸/分的情况下进行操作，本发明的加热元件隔离系统允许将该速率加倍到大约300英寸/分，并且该增加的速率处于峰值温度为900℃±40℃范围内的尖峰区域内。虽然一些当前使用的传送带式热处理炉自称能在高达大约250英寸/分的速率下运行，但是他们不能在高功率密度下进行工作。
本发明的传送带式热处理炉包括形成腔室的壳体或外壳，该腔室通过传统形式的隔热材料例如纤维、纤维板或耐火砖进行隔热。本发明的加热模块布置在外隔热壳体内。传送带设置在上、下加热模块之间，并且合适的能量和控制系统集成在热处理炉系统内。位于各窗之间的空间为承载待烧结的预制材料基片的传送带的通路。这里是处理区域；本文中所描述的示例性的处理区域的作用同尖峰区域。
然而，应当理解，多个区域，甚至热处理炉的所有区域都可以采用本发明的隔离灯组件。为了快速的热扩散(磷或硼)和/或快速热氧化使前表面钝化，本发明快速升温尖峰区域可以布置在热处理炉的入口处，并且当所述晶圆传送通过热处理炉时可以使用所述多个区域来保持扩散温度或氧化温度。
通过优选由陶瓷材料机械加工或浇铸制成的能产生反射的元件(反射器)，来自于上方和/或下方红外线灯的辐射能量被集中穿过前面的透射板(窗)并进入贯穿整个处理区域(烧尽、尖峰、淬火/停止区域)的加热处理通道内来提供非常强的加热环境。本发明的尖峰区域将会在700℃到1000℃的温度范围内工作。
灯的功率、顶部和底部可以独立地或成组地调整来实现在各区域的精确的温度梯度控制。温度控制可以使用基于热电偶的温度调节器或电压控制的功率调节器来实现。优选采用电压控制功率进行调节，因为这是由于其能够一直保持稳定的灯的功率以及可重复、可限定且不变的光谱输出，从而提供了最快的加热速率以及更加一致的加热效果。这与响应于通常用于温度保持功能的PID控制系统的波动式灯的输出相反。
在本发明的一个重要方面中，本发明的处理工艺包括可操作地配置功率、冷却系统(冷却空气流速、流量以及流动通道，和热交换参数)和带速，不仅对各区域彼此分开控制，而且还控制各单独的灯，以实现宽范围的热分布曲线，该热分布曲线纵向地沿着贯穿多个区域的材料处理流动通道，以生产出具有显著的改进性能和效率的太阳能电池。
本发明的反射器形状具有以下三个特征从而允许市售IR灯在或接近它们的最大容许功率等级下运行，而不会将灯的温度推进到超过安全操作温度以外，在超过该安全操作温度时，石英灯的壳体开始变软、失去刚性、下垂并最终不能工作：
1)反射器沟槽的几何形状会导致IR灯的输出被集中成引导至处理区域的高功率能束，用于在处理区域形成较高的适用能量密度；
2)介于相邻沟槽之间的间隔肋防止灯对其邻近的灯进行加热，限制并引导IR辐射朝向处理区域；
3)反射器与能透射的前窗和IR加热元件一起布置，来形成并界定出围绕灯长度的环形的冷却通路，而冷却的空气/气体完全通过该通路。
反射器的几何形状和所述窗的结合提供三重隔离功能：1)IR隔离；2)冷却剂气体或空气与单个灯的隔离；以及3)冷却空气流与处理区域分开，使得非常轻的、易碎的晶圆不会由另外的湍流的空气流弄乱。
在第一个实施例中，冷却空气/气体从灯管的一端被引导至另一端。在另一个优选的实施例中，冷却空气从穿过位于所述灯各端的入口的分配管，经由坐落在反射器通路的中心或接近反射器通路中心处的孔朝向该灯的中心被输送到排气装置。通常，冷却空气从压缩空气源，例如具有过滤器和干燥器的压缩机系统，被引入到灯的端部。
冷却空气通常由容纳并引导空气的入口进气管引入到灯的端部，直到该冷却空气引入灯周围的冷却通道。所述进气管通常配备有中间导流板，用于均匀分配冷却空气以避免一些灯缺乏冷却空气，而供应过多的冷却空气到其它一些灯。
冷却气体或空气通过在反射器背部(顶部或底部)中的中央排气孔或狭缝离开冷却通道，所述孔或狭缝大致沿着区域的处理流动中心线设置。现在是热的冷却气体，可以被收集且排出，或者它们可以通过管道或通道再循环进入热处理炉的其它区域，例如：用来预加热进入热处理炉内的产品；通过反向循环逆流到烧尽区域进行能量再回收；用于放慢敏感和易碎材料的冷却速率而在尖峰区域后期对产品进行回火；或是用于在处理工序的其它部分完全地将有机残余物从基片上移走。这种已加热的冷却气体的再循环能够更有效地利用能量。
为了控制刻蚀深度，在尖峰区域产生的烧结物必须快速且彻底地进行淬火。淬火，也就是防止银粒子在刻蚀AR涂层和在玻璃料很好地粘结到硅基底之后扩散入发射极下面的硅之中(形成微晶)，这必须通过快速冷却完成。这是非常重要的。如果将银被驱入掺杂硅发射极层中太深，则结会变短。结果由于用于产生电子的电路通路变短导致电池的效率降低。这也可以认为是由于电池的低串联电阻的性质。
在本发明的系统和工艺中，该淬火过程在淬火区域完成，该淬火区域的特征在于使用气刀组件，气刀组件利用小心控制的压缩空气体积，且空气的平面是指向晶圆的顶部和/或底部，以快速地将温度从大约800℃到1000℃的峰值区域的烧结温度降低到从大约500℃到700℃的范围内，通常是在一秒或两秒之内降低200℃至400℃。
此外，将淬火区域中发生的快速冷却放缓或停止也是非常重要的，以将玻璃相退火来提高粘结作用。这是在一个可选的、新颖的停止淬火区域中完成，而该停止淬火区域紧接在淬火区域之后。该区域包括有限数目的灯，一般来说仅在晶圆的接触表面的上方，但也可以包括位于晶圆下方的灯。使用这些灯可以停止快速冷却，将温度稳定到450℃-700℃的范围内，使得缓慢的回火冷却可以在随后的下游退火区域中进行，在该区域温度从大约450℃-700℃下降到热处理炉出口端处的大约30℃-100℃的温度范围内。可选地，并且优选地，冷却空气被引入该淬火停止区域以改进对温度分布曲线的控制。也就是说，控制冷却空气和灯是重要的，从而很少或不会出现冷却过度，接下来在退火区域中是一个反冲(曲线形状通常像数学平方根运算符号，√)。对灯功率和空气在三个区域的控制结果：峰值、淬火和淬火停止区，是一个陡峭的上升和下降，在峰值有短的持续并平滑地过渡到停止淬火区域下游的退火区域。
保持晶圆温度用于回火，以提高在退火区域的粘着作用，并在靠近出口处晶圆被进一步冷却到30℃-100℃，以允许机器人拣取设备或其它处理设备或人员从传送带和/或集结台处移走晶圆，其中晶圆是从传送带转移开并被转移至集结台。
总之，冷却曲线可以被小心地控制成具有在大约每秒80℃到200℃的速率范围内的加热以及冷却曲线的主体处理过程的任何选择和构造的温度分布曲线。在烧结以及下游区域所产生的控制曲线大体上看起来像这样：快速加热到尖锐的、界定明确的、短暂持续的峰值，从大约850℃-950℃的峰值烧结温度快速冷却到大约400℃-500℃，然后为了退火目的缓慢冷却，并最后冷却以允许晶圆以足够低的而能由机器人设备搬运的温度(30℃-100℃)离开热处理炉，该机器人设备采用聚合物吸盘将晶圆举离移动的传送带而不会损伤其表面。在峰值温度处短暂的持续，也就是说，峰值轮廓曲线的尖锐性可以受到控制并且通过控制冷却的能力，以及用选择的方式对传送带速度、在峰值区域中单个灯的功率以及在下游区域中的冷却作用进行程序设计而成为可能，尤其是在上述的淬火和停止淬火区域。本发明的热处理炉系统控制器可以在需要时配置用于所有的区域，用于针对待烧结的具体产品提供预先选定的热分布曲线。
本发明的IR加热区域的特征在于具有高反射比陶瓷/隔热材料制成的反射器，该反射器使用任何一种几何形状来包围和隔离IR灯，并且通过IR透射板材料反射和聚集最大可能的IR光线，将该光线引导至处理区域用于加热待处理的产品。
该反射器设计成具有独立的反射腔室，该腔室用于容纳独立的灯或灯“组”。所述反射腔室包括沟槽，所述沟槽用于迫使冷却空气(或其它处理气体)从每一端通到设置在中心位置的排气口，或者从带有冷却空气入口的一端通到带有冷却空气排气口的另一端。中心位置设有排气口的实施例是优选的。
构造有腔室或沟槽的反射器元件布置成与IR透射板“窗”紧密接触，用以形成为了更好的热传导而保持冷却空气紧密地接近灯的隔离冷却通道。IR透射板防止高压/高速灯-冷却空气/气体进入并扰乱传送带和晶圆所通过的处理区域，而同时允许可以使用大量的冷却气体来保持灯石英以及玻璃/石英透射板的充分冷却。这是很重要的，因为大部分高温玻璃例如“Robax”只能适用于在不超过大约970℃下工作，并且石英会在1000℃开始软化，而在烧结区域中“尖峰”处理过程温度到达900℃级别通常需要“在灯处”有更高的温度来驱动该处理过程。本发明允许灯的在通常情况下会导致灯外壳软化以及翘曲、导致使用寿命缩短的功率等级下工作。
此外，因为在灯的设计或材料以及浆体成分(前接触面浆和背场浆)在将来可能会改进。本发明的隔离模块将会很容易地适应这类的技术进步来提供改进的工艺和效率更高的电池。
反射器沟槽表面可以包括任何几何形状，如抛物线或高阶的表面例如椭圆形、半圆形、三角形、方形、矩形或梯形等。
附图说明
参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1是四个一系列的线条侧视图，首先在图1A中示出了采用集成在烧尽区域、淬火区域和停止淬火区域以及回火区域中的至少一个隔离加热区域的本发明的热处理炉的侧面示意图；图1B是穿过烧尽区域的垂直剖面图，图1C是穿过峰值烧结区域、淬火区域以及停止淬火区域以及过渡到退火区域的垂直剖视图；以及图1D是穿过退火区域的垂直剖视图；
图2是使用本发明的加热元件隔离模块、顶部和底部的示例性的峰值加热区的轴侧示意图，并示出了到烧尽区域的再循环；
图3是一系列横向于产品流动轴线的正剖视图，示出了反射器沟槽的几何形状，其中图3A示出了方形或矩形的沟槽几何形状，图3B示出了三角形的沟槽几何形状，以及图3C示出了优选的抛物线形的几何形状；
图4间隔开的、成对的加热元件隔离模块的横向等轴视图，示出了灯的定心配件以及插入若干沟槽内的灯；
图5是一对在流动路径的轴线之下的横向正视图，示出了在加热元件模块中部件和冷却通道之间的关系，以及它们与传送带的关系，其中图5A示出了一侧到一侧的冷却流动的第一实施例，图5B示出了用于冷却气体的双侧进入并在中心位置排出的流动路径；
图6是示出了可选的IR灯端部定心配件的一系列图，其中图6A示出了横向正视图并且图6B以等轴方式示出了第一实施例，图6B以等轴方式示出了第二优选的定心配件。
图7A示出了端部配件的放大侧视图，并且图7B是该配件和布置在沟槽内的加热灯的等轴视图；和
图8是本发明处理工艺的配置和方法方面的流程图，示出了控制参数和反馈回路。
具体实施方式
下文的详细说明对本发明进行的阐述是作为例子，而不是对本发明的范围、等同或原理进行限制。该说明使本领域普通技术人员能够清楚地理解和使用本发明，并描述了本发明的几个实施例、修改、变化、替代以及使用，包括当前认为是实施本发明的最好方式。
在这点上，本发明通过多个图进行了说明，并且具有充分的复杂性而使得许多部件、相关关系以及其子组合无法仅以单一专利类型的图来完整地说明。为了清楚和简洁的目的，所述多个图以概略或是省略对于描述所公开的本发明的具体结构、方面或原理来说是不重要的部件的方式来显示。例如，连接到灯、制动器和升降波纹管的多种的电和气连接，这对本领域普通技术人员来说是常用的，在这里没有示出。因此，一个特征的最佳实施例可以只在一个图中示出，而在另一个图中则会引出另一个特征的最佳实施方式。
图1A示意性示出了传送带式热处理炉10，其包括传送掺杂后的太阳能电池晶圆12通过处理区11的传送带13，该处理区域连续穿过多个热处理炉处理模块或区段，包括：烧尽区段14；接下来是峰值烧结区段16；在该区段的下游顺次是淬火区段18；停止淬火区段20；以及回火或退火区段22，退火区段采用空气和/或水冷却。相应的处理区域部分在各热处理炉区段采用相应区段的名称，因此，烧尽、峰值、淬火、停止淬火和退火“区域”均指的是传送带横向穿过的处理的容积以及该区段的热处理炉的硬件。
示意性示出的传送带13从左侧移动到右侧并限定出水平的中心线(在其上方是所述区段或区域的上模块，在其下方为所述区域或区段的下模块)以及纵向方向；因此，正交于传送带的行进方向被定义为横向方向或维度。在图1中的处理区域14、16、18，、20和22由于图纸的比例而没有示出产品。入口和可选的出口导流板24a，24b分别布置在热处理炉的入口处和出口端部。通常设有上游干燥器，这在图中未示出。例如在区域16和区域18之间可以设有中间导流板。
烧尽区段包括三个或四个的多个加热模块14a-14d，并且烧结区段包括一个或更多个尖峰区域模块16。注意这里的烧尽、峰值和停止淬火模块可以是本发明的隔离型IR灯加热模块，或者仅仅尖峰区域模块16是本发明的隔离型模块。
图1A和1B也示出了为了大大增加能量利用效率，而将热空气45从尖峰区域的隔离模块16再向上游循环回流到烧尽区域14。空气经由压力通风装置27a当作排出空气28a离开在热处理炉上游端部处的通气管。此外，在淬火区域18注入的空气则当作排出空气28b通过压力通风装置27b排出。图1B和1C示出了环境空气26从退火区域22的底部和/或侧面和从停止淬火区域20的底部引入，以容许控制这些区域的温度分布曲线。注意在图1C中，在淬火停止区域20的底部引入的冷却空气26通过位于该区域与退火区域20之间的区域间隔墙104e中的传送带缝隙排出。可选地，停止淬火区域20中的冷却空气可以独立通过其自身的通气管(未示出)排出。在退火区域22，最好如图1D所示，热交换系统例如水管集管可以用来帮助冷却(除冷却空气26之外)。冷却空气26通过压力通风装置27c作为排出空气28c离开区域22。
现在更详细地转向参考图1B，该图示出了烧尽区域左侧的纵向剖面(右侧是对称相同的)，该区域在左手区域间隔墙104a上设有用于传送带13的入口，该入口用一个宽、平的箭头示意性地示出。传送带的路径通过热处理炉的中心线86示出，它穿过该区域朝向右侧。在该带的上方和下方是用于灯40插入的端口88，在图中以部分灯管和轴线位置点的形式示意性地示出，以避免遮掩空气流的特征。上部和下部的加热再循环管54U和54L具有间隔开的孔47，用于从下游峰值区域来的热空气45的排出，最好参见图2。另外，压缩空气或惰性气体26可以通过管线92注入以帮助进行温度控制和排出烧尽的挥发物和烟尘。这种热再循环空气和控制气体形成大体上层流的气流，如通过从右向左上方延伸的大带状条45所示，在这里气流从通气管路27a和通气管作为排出空气28a排出。
图1C是从烧尽区域14的右端的下游(在左侧示出)延伸到退火区域22的左端(在右侧示出)，退火区域22从区域分隔墙104e的右侧起始。如前所示，传送带的中心线用86示出。通过区域分隔墙104b上的狭缝从烧尽区域14离开后，运送在处理区域11中的电池晶圆产品12(为了明了未示出)的传送带13进入峰值区域16，这些在图2-6A，7A和7B中更详细地示出。在峰值区域，产品晶圆的温度从通常在400℃-450℃范围内的烧尽温度迅速升高到选定的峰值温度，用于熔化印制在上表面上的接触线的银和烧结熔剂并将背面的浆体合金化。峰值温度的选择基于接触线和背面浆体成分的性质。本发明的隔离峰值区域模块快速烧结太阳能电池晶圆，通常将温度以超过80℃/秒到高达约200℃/秒的范围内、优选在约100℃/秒以上到约160℃/秒的范围内的加热速率升高到大约750℃到大约950℃的温度范围内。烧结速率约是当前使用的热处理炉的能力的两倍，并且允许加热速率高达灯的最大功率等级，而不会使灯发生故障，同时以更高的运行效率提供超过两倍的太阳能电池生产能力。本发明的灯隔离模块因此提供高的温度升高斜度，这防止了氢从电池基片中过度脱气出来。在该区域的灯可以在子区域中供能或者通过单独编制的供能程序供能，使得峰值温度达到出口区域分隔墙104c附近的温度。
峰值区域终止于区域分隔墙104c，并且载有产品的传送带直接进入在墙104c和墙104d之间界定出的淬火区域18内。压缩空气或惰性气体刀组件90包括横向间隔布置的压缩空气管92，所述管具有位于在其中形成的狭缝并将空气平面94引导至传送带上的产品上。这会非常快地将温度降低几百摄氏度，防止刻蚀穿过熔化的银接触线进入掺杂的发射极层。冷却曲线的坡度同样是陡峭的，因此容许控制温度曲线的峰值宽度，也就是，在接触线熔化和烧结形成温度的持续时间。总之，在峰值区域的灯功率控制和快速地控制淬火，容许精确地控制这种关键的峰值持续时间处理工艺步骤。冷却空气从气刀出来后，变热并作为独立于其它空气气流的热空气28b被排出压力通风装置和排气管27b。对于给定的传送带速度和位于区域分隔墙104c和104d之间的淬火区域的长度，压缩空气的温度和体积是可控的，以对特定的工业处理过程提供任何预先选定的冷却量。温度在短短的几秒内下降到400℃到600℃完全在本发明的热处理炉的能力范围内。
为了确保不会出现过冷，也称为“过调节”，淬火通过灯40和从下方通过导流板进入的可选的辅助冷却空气26相结合在可选的停止淬火区域20停止。像在其它区域的灯一样，这些灯的功率也可以容易地进行控制来提供任何等级的热量，使得该曲线平滑地过渡到回火和促进好的粘结作用所需的退火温度，这发生在退火区域22，刚好位于区域隔离墙104e的下游(在该图的右侧)。注意位于淬火停止区域和退火区域之间的狭缝较大，容许空气没有湍流地流入下游区域22。
图1D示出了退火区域的结构，其中电池在预定的温度下保持一段时间，以能充分促进粘结，然后冷却以便于在出口区域墙104f的下游卸下。在该区域的温度分布曲线通过从底部入口102和/或从侧壁口96引入的入口空气26的结合来进行选择性控制。当冷却晶圆基片时空气变热并作为热排出空气28c从压力通风装置27c排出，并且这可以通过使用引风机(IDfan)100进行控制和协助。
在下表1中示出了用于制备光生伏打电池的金属化热处理炉的两个实例，例1中无干燥器部件，例2中有干燥器部件。
表1
金属化烧结热处理炉的配置