用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統的製作方法
2023-05-12 21:44:31
專利名稱：用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用化學方法處理太陽能電池/平板顯示器基片或薄膜 襯底的系統，尤其是大規模的對基片或薄膜襯底用霧狀化學劑進行單面連續 化學溼處理的系統。
背景技術：
化學溼處理是太陽能電池及新型顯示屏等基片生產中必不可少並且極其 重要的工藝步驟與技術。它不僅用於祛除因先前的加工程序而造成的基片表 面損傷及金屬與非金屬汙染物，而且還能為下一步工藝過程形成一個最優的
基片工藝表面狀態(如太陽能電池基片的長絨及磷酸玻璃(PSG)清洗工藝， 其直接決定著光伏轉換效率及其使用壽命)。同樣，這一溼處理過程佔據了整 個太陽能電池/平板顯示器基片，及其薄膜襯底生產工藝過程的25%-30%以 上。因此，不適當的溼處理過程會給基片表面，薄膜襯底造成損害，電路效 率及使用壽命等故障，過量化學液和去離子水的消耗，從而給生產質量，產 量及能源消耗造成了較大的負面影響。在太陽能電池/平板顯示器基片生產過 程中，溼處理工藝直接關係到其光伏/光電的轉換效率及使用壽命。
當前在太陽能電池基片生產過程中最關鍵的化學溼處理技術仍然是基片 去機械加工中的損傷，表面長絨及磷酸玻璃的祛除。由於鹼性化學液的"容 易控溫"及"平緩反應"的特點，氫氧化鈉(NaOH)和氫氧化鉀(KOH) 制絨刻蝕己被廣泛使用，但也存在著工藝時間長，相應工業生產較慢的缺點。
正如半導體集成電路產業起始階段，科學家，工程師不斷研究，探索新 的工藝方法及相應設備，當前其他一些在被改進和可供選擇的化學處理工藝 菜單正在被提出和運用。例如，人們在生產工藝化學液中加入緩衝劑，如異 丙醇(IPA)來控制長絨的速度及均勻性。加臭氧於去離子水中(03+H20) 或稀氫氟酸(HF+H20)使矽太陽能基片表面變成疏水性，以達到水跡少， 顆粒少的目的等。
在當前太陽能電池/平板顯示器基片，及其薄膜襯底大規模生產工藝過程中，目前多槽溼處理法仍佔據主流，如一組太陽能電池矽片被放置在一系列 含有不同液體化學劑和去離子水的槽體中進行腐蝕、清洗、衝淋。它主要的 不足是使用了過於複雜的自動化控制系統(多組基片上下料及傳輸機械手) 及為保證基片工藝一致性的化學PH值不間斷監測，添加和過濾控制系統。 消耗了更多的化學液、去離子水。在量產情況下發生的大量急劇吸熱或是放
熱的化學反應(基於太陽能行業的低成本商業模型，通常為大於400片以上的 每批次及大於2000片每小時的溼處理生產要求)，從而影響了產品質量及工 藝的一致性， 一定程度上造成了產品的缺陷；通常400片以上的每批次的最 後取幹採用熱風循環，或離心甩幹會帶來大量水跡及顆粒汙染問題。固定多 槽化學工藝溼處理中，由於化學液的重複使用，又會帶來嚴重的產品交叉沾 汙。
目前，其他新的溼處理設備和工藝技術也同樣被用於清洗太陽能電池基 片的大規生產過程中，例如，德國RENA公司的定向定位滾輪加壓輪的連續 跑片工藝及設備，由於較高黏度化學配方液的張力，加上定向定位上下滾輪 的導向及定位，能實現太陽能基片在連續跑片形式下的單面刻蝕(下表面)， 及清洗的功能。但它沒有解決固定化學工藝槽化學液重複使用所帶來的產品 交叉沾汙問題，無法保持化學液PH值與每批基片溼處理工藝效果一致的問 題，並且其定向定位上下滾輪的導向及基片定位的調試不當產生附加微壓以 及基片被刻蝕面與傳輸滾輪處於同一面的特點帶來了新的問題-太陽能電 池片表面多條狀滾輪壓痕，在一定程度上會影響太陽能電池片光伏轉換效率 及使用壽命.隨著太陽能電池基片越來越薄的趨勢，上下滾輪的導向及基片 定位的結構，極易在基片內部引起強應力，增加碎片率。再例如一些國外公司 在薄膜襯底單面鍍膜工藝生產中,將繃緊的薄膜襯底巻繞軸浸沒在化學工藝 槽中，產生薄膜襯底材料起皺/拉斷/化學液滲透到背面等嚴重問題，
當太陽能電池/平板顯示器基片(FPD)以及薄膜襯底正向著更大更薄尺 寸化方向發展時，這個行業的公司，科學家和工程師也越來越關心此項處理 設備和技術的功能性能價值比(COO)。換句話說，他們越來越關心每個基 片(太陽能電池或平板顯示器基片)，或單位尺寸薄膜的製造質量及其成本。 在上述基片溼處理領域，無論在任何一個功能性價比分析中，去離子水和液 體化學劑都佔了最大的消耗比重。英特爾公司的CORDON和ROBERT在他 們的功能性價比(COO)分析報告中揭示出在直徑為200毫米的矽片溼處理過程中去離子水成本最高(32%)，液體化學劑第三(16%)，基本設備成本 佔第二(23y。)。減少去離子水和化學劑的消耗不僅有利於功能性價比(C00)， 更重要的是有利於環境。當太陽能電池基片和平板顯示器基片大規模使用及 生產中，質量，成本，及使用壽命將成為新的三大重要功能性價比(COO)分 析元素。
人們一直在尋找新的方法和技術力求在保證減少交叉沾汙，增加產量的 同時來減少功能性價比，即單位時間質量型產量/(設備+總生產成本)，當太 陽能電池/平板顯示器(FPD)基片以及薄膜襯底正向著更大更薄尺寸化方向 發展的情況下，對顆粒汙染及水跡的要求也越來越高。類同於半導體集成電 路行業，使用更少化學劑的刻蝕，清洗處理(氣態或氣體)也已被提議來代 替特定的溼處理方法(如等離子刻蝕，制絨等)。但這樣的過程僅能祛除特定 類型的汙染物或物質，但卻從其幹處理過程中留下一些另類物質顆粒和金屬 汙染物。這些方法由於使用的紫外線更加活躍，加速了等離子的活躍性所引 起的基片表面損傷。並且乾燥處理法不具備溼處理法在清洗過程中能祛除特 定物質顆粒的功效，因為它不能使用特定的已配製好的化學溼處理合成劑， 原因是這些合成劑不能在它們的蒸汽或氣體中存在(例如NaOH+IPA+H20)。 因此，化學溼處理技術仍然會在今後的幾十年中在太陽能電池基片和平板顯 示器基片溼處理行業中處於主導地位。
因此，太陽能電池/平板顯示器(FPD)基片以及薄膜襯底市場上對能夠 生產出一種溼處理技術先進，簡單可靠，並且成本費用大大節省的一種新型 的溼處理方法和系統，尤其是基片以及薄膜襯底化學單面溼處理方法和系統, 有著強烈的需求
新型內容
本實用新型的目的在於提供一種用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理 的系統，使得太陽能電池/平板顯示器基片或薄膜襯底單面化學液快速溼處理 變得簡單可行，有效解決了傳統固定化學工藝槽重複使用化學液的交叉沾汙 問題；浸沒在化學工藝槽中的薄膜襯底巻繞軸產生的襯底材料起皺/拉斷/化 學液滲透到背面問題，同時增強了太陽能電池/平板顯示器基片或薄膜襯底單 面化學工藝處理的均勻性，靈活性及產量。
為實現上述目的，本實用新型的技術方案如下一種用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，包括可使加熱的氣 體化學劑和液體化學劑產生霧狀化學劑的霧化器，若干個化學溼處理腔體單 元，若干個去離子水噴淋溼處理腔體單元，以及異丙醇(IPA)取幹處理腔 體單元，以及將待處理材料依次送入各處理單元腔體內的傳輸機構，該系統 還包括噴霧刀，該噴霧刀具有多個霧狀化學劑射口，噴射口中間設有毛細管， 所述霧狀化學劑通過毛細管周邊的噴射口空間呈扇形噴射至待處理材料的表 面。
所述毛細管的截面直徑尺寸小於lmm。
所述霧化器與噴霧刀之間還帶有使霧狀化學劑保溫的加熱等溫裝置。 所述待處理材料是太陽能電池或平板顯示器基片。所述傳輸機構包括多 組同步旋轉傳動且在垂直於傳輸方向相差l-3mm的錯位滾輪。
所述待處理材料太陽能電池或平板顯示器薄膜襯底。所述傳輸機構包括 兩個用於上料和下料的張緊輪，分別位於處理腔室的上料端和下料端，所述 薄膜襯底巻繞在張緊輪上，所述張緊輪帶有可自動檢測及調節張力的傳感器。 由加熱的化學氣體和液體化學劑在霧化器內產生霧狀化學劑包括 加熱的化學氣體是臭氧氣體(Cb)，液體化學劑是氫氧化鈉(NaOH); 和/或，加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是氫氧化鉀
(KOH);
和/或，加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是去離子水 (H20);
和/或，加熱的化學氣體是氮氣體(N2)，液體化學劑是加熱後低黏
度的鍍膜劑；
和/或，加熱的化學氣體是臭氧氣體(Cb)，液體化學劑是硝酸/氫氟 酸為主的混合酸(HN03+HF);
和/或，加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是硫酸為主
的混合酸(H2S04)。
所述液體化學劑的壓力範圍是每平方英寸1-10英磅；氣體化學劑的壓力 範圍是每平方英寸10-20英磅。
本實用新型使得太陽能電池/平板顯示器基片以及薄膜襯底單面化學液 快速溼處理變得簡單可行，如單晶矽/多晶矽太陽能電池片單面"酸性化學液 快速制絨"生產工藝，極大提高了高質量產品的生產量.該項實用新型突破了傳統化學液槽清洗用酸量大及去離子水衝洗用量大的瓶頸；有效解決了傳統
化學液槽清洗在量產情況下化學液反應急劇過熱或過冷，嚴重影響產品產量
及工藝一致性的缺陷；有效解決了傳統固定化學工藝槽重複使用化學液的交 叉沾汙問題；以及浸沒在化學工藝槽中的薄膜襯底巻繞軸產生的襯底材料起 鈹/拉斷/化學液滲透到背面等關鍵問題，也從根本上解決了傳統空氣或氮氣 吹/烘乾產生的水跡及增加的顆粒等缺陷；同時增強了基片，薄膜襯底單面化 學工藝溼處理的均勻性，靈活性及產量。這個實用新型系統不僅能節約化學 液和去離子水，還能給這個行業帶來巨大的工藝及產品的靈活性生產。
圖1是本實用新型的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理系統的示意圖。
圖2是本實用新型用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理系統的結構簡圖。
圖3是本實用新型的噴霧刀(foggyknife)的結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，可用於太 陽能電池或平板顯示器基片或薄膜襯底，或其他半導體集成電路中需要進行 化學溼處理的元件。下面就以基片和薄膜襯底為例，詳細說明本實用新型的 化學溼處理系統的結構特徵和優點。
用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統包括用於輸送待處理材料 的傳輸機構，可使加熱的氣體化學劑和液體化學劑產生霧狀化學劑的霧化器， 若干個化學溼處理腔體單元，若干個去離子水噴淋(可加超/兆聲能量)溼處 理工藝腔體單元，異丙醇(IPA)取幹腔體單元組成。各種不同的被加熱和 加壓的霧狀化學劑按照控制程序及工藝菜單，通過設計獨特的相應動態噴霧 刀(foggy knife)進入相應工藝處理腔體內。這些微型霧狀化學劑因受到熱量和 壓力作用便能將相應化學液薄膜均勻噴塗在基片或薄膜襯底表層及周邊上， 動態地在每片基片或薄膜襯底表面及周邊上形成一個有效的化學工藝處理薄 膜。化學工藝處理薄膜的反應時間由其濃度，溫度及待處理材料的傳輸速度 來控制。如圖1和圖2所示，水平處理腔體1，其上方布置有若干噴霧刀4，基 片3a或薄膜襯底3b由自動傳輸機構(也可以使用人工傳輸和半自動傳輸依 次送入水平處理腔體l中。所述腔體中所有與化學液或氣體接觸的材料以及 傳輸機構，是由拒腐於相應處理工藝的化學液或氣體的材料物質製成。
圖2a中示意了太陽能電池或平板顯示器基片3a的傳輸結構，包括多組 錯位滾輪2，同步傳動傘齒輪18以及伺服電機17，錯位滾輪2在垂直於傳輸 方向相差l-3mm，基片3a置於錯位滾輪2上面，伺服電機17驅動同步傘齒 輪18轉動，帶動多組錯位滾輪2同步旋轉，將基片3a依次連續的進入相應 的工藝處理腔體l內。
圖2b中示意了用於傳送薄膜襯底3b的傳輸結構，也具有多組錯位滾輪 2，但在處理腔體1上料側和下料側分別具有一個巻繞軸及張緊輪5，兩個張 緊輪5各連接一個伺服電機17，薄膜襯底3b置於上料和下料區的巻繞軸上， 由張緊輪5驅動，薄膜襯底3b在錯位滾輪2上向前移動，被連續送入相應的 工藝處理腔體內，經化學溼處理後再輸出腔體1。錯位滾輪2的作用在於保 證薄膜襯底3b不會發生折皺，該張緊輪5帶有張力傳感器，用於自動檢測及 調節薄膜襯底的張力，使薄膜襯底3b不會被拉斷或折皺。
化學劑通過閥門15由自動供酸系統或手動加入化學液罐13， 一組液位 傳感器12是用來調控處理過程中該化學液的液位， 一組測溫的傳感器10和 加熱器14安裝於化學液罐13上，用於溫度測量和控制。特定氣體(如氮氣， N2)通過氣體減壓閥7和氣體控制閥6經管路輸送到處理腔體內部的各組噴 霧刀4中的霧化單元4中，與由化學氣體流量調節閥9和化學液控制閥8控 制的化學液混合比率霧化噴射而出。本實用新型的單面連續化學溼處理系統 還包括加熱等溫裝置，使已加熱的霧狀化學劑保持在一定的溫度，以確保工 藝的要求與一致性。所述加熱等溫裝置，例如可以是將霧狀化學劑流動管路 設於一個帶有恆溫氣體或液體的密閉的管道內，使霧狀化學劑流動的整個路 徑均處於由工藝決定的等溫環境，因此該霧狀化學劑也可以保持其特定的溫 度。霧狀化學劑流動管路位於處理腔體底部的排液閥16可以連接到相應的處 理程序上(如廢酸鹼液處理系統，工業廢水處理系統，或化學液回收再利用 系統)。這種霧狀化學液溼處理過程並不是固定不變的，而是可以根據實際的 工藝組合，並配合其它化學液體及化學氣體進行靈活的組合。
本實用新型還包括一個噴霧刀(foggyknife)的設計，其使霧化液成扁平扇形噴塗在基片表面及周邊上。如圖3所示，噴霧刀包括PTFE/PFA風刀主體 41，噴霧毛細管42，化學液進口43，化學液接頭44，氣體化學劑進口 45， 氣體化學劑氣體接頭46，壓縮氣體通道47，霧狀化學液噴射口48。噴霧刀 由多組噴霧單元組成，各噴霧單元通過中間毛細管41供應化學液，而毛細管 位於整個霧狀化學液噴射口 48的中間。當工藝進行時，化學液經化學液進口 43進入毛細管41內，噴射的氣體化學劑經氣體化學劑進口 45進入壓縮氣體 通道47，氣體流動所產生的虹吸效應，使化學液流出毛細管，並由氣體動力 吹成霧狀細小顆粒。這些小顆粒直接噴射到基片表面。毛細管的截面直徑尺 寸為小於lmm，越細，氣體壓力越大，霧狀越細。
將要單面連續化學溼處理的待處理基片或薄膜襯底被自動傳輸結構依次 送入相應的工藝處理腔體內，噴霧刀(foggy knife)將均勻霧狀化學工藝處理 薄膜單面單向地動態噴塗在基片表面及周邊上，附圖中所示為其中一個化學 溼處理腔體單元，各工藝處理腔體單元功能是彼此獨立的，但類同於附圖中 的單元。
在處理過程中，至少有一組霧化單元構成的霧刀要被應用到傳輸基片或 薄膜襯底的化學溼處理。至少有一個液體化學配方劑的輸入埠要被連接上 述霧化單元，和至少一個化學氣體輸入埠被連接到上述霧化單元。液體化 學劑的壓力範圍是每平方英寸1-10英磅。氣體化學劑的壓力範圍是每平方英 寸10-20英磅。
由加熱的化學氣體和液體化學劑在霧化器內產生霧狀化學劑，具體包括 但不限於
使用加熱的臭氧氣體(03)霧化氫氧化鈉(NaOH)來祛除基片機械損 傷及表面長絨；
使用加熱的臭氧氣體(03)霧化氫氧化鉀(KOH)來祛除基片機械損傷 及表面長絨；
使用加熱的臭氧氣體(03)霧化去離子水(H20)來祛除基片的常見顆 粒和剝離光膠；
使用加熱的氮氣(N2)或乾燥潔淨的空氣霧化特定的鍍膜劑，如加熱 後低黏度的正/負光膠劑；
使用加熱的臭氧氣體(03)霧化硝酸/氫氟酸為主的混合酸(HNO計HF) 來祛除太陽能電池基片機械損傷及表面長絨；使用加熱的臭氧氣體(03)霧化硫酸為主的混合酸(H2S04)來祛除太 陽能電池基片機械損傷及表面長絨。
由於霧狀化學液是由氣體噴射混合產生的，不同於將氣體吹入液體在溶 解。與傳統化學液槽溼處理相比，本實用新型也突破了特定化學氣體在去離
子水中有限濃度的瓶頸。根據化學家Henri的公式，氣體在液體中的溶解度 由液體壓力及溫度決定，如臭氧氣體(o3)在傳統化學液槽裡的最大溶解度 小於20ppm，而本實用新型的霧化臭氧氣體(03)最大溶解度可達到lOOppm 以上。
系統啟動後，設備自檢，包括傳輸機構的錯位滾輪，上/下料薄膜襯底巻 繞軸張力自動檢測及調節，以及所有化學液罐的液位及化學液溫度，當待確 定所有設備及工藝條件都被滿足時，依次放上待溼處理基片或開啟薄膜襯底 原材料巻繞軸伺服電機，然後在各處理腔體內部按預先設定好的化學工藝步 驟連續進行各項溼處理工藝生產。
在每次霧狀化學劑處理後，可以用具有超/兆聲能量的去離子水的快速噴 淋清洗和加熱的氮氣進行相應的工藝等溫，氮氣排氧(防止材料氧化)等工 藝步驟。溼處理時間比起現在正在使用的槽式或跑片式溼處理技術來說短得 多，它僅需要清洗基片或薄膜襯底上殘餘的很少的化學處理劑。
前面提供了對較佳實施例的描述，以使本領域內的任何技術人員可使用 或利用本實用新型。對該較佳實施例，本領域內的技術人員在不脫離本實用 新型原理的基礎上，可以作出各種修改或者變換。應當理解，說明書中所舉 的實施例僅是一種較佳實施例，對該實施例做出的修改或者變換都不脫離本 實用新型的保護範圍。
ii
權利要求1.一種用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，包括可使加熱的氣體化學劑和液體化學劑產生霧狀化學劑的霧化器，若干個化學溼處理腔體單元，若干個去離子水噴淋溼處理腔體單元，以及異丙醇(IPA)取幹處理腔體單元，以及將待處理材料依次送入各處理單元腔體內的傳輸機構，其特徵在於，該系統還包括噴霧刀，該噴霧刀具有多個霧狀化學劑射口，噴射口中間設有毛細管，所述霧狀化學劑通過毛細管周邊的噴射口空間呈扇形噴射至待處理材料的表面。
2. 根據權利要求1所述的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，其特徵在於，所述毛細管的截面直徑尺寸小於lmm。
3. 根據權利要求2所述的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，其特徵在於，由加熱的化學氣體和液體化學劑在霧化器內產生霧狀化學劑包括加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是氫氧化鈉(NaOH);和/或，加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是氫氧化鉀(KOH);和/或，加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是去離子水(H20);和/或，加熱的化學氣體是氮氣體(N2)，液體化學劑是加熱後低黏度的鍍膜劑；和/或，加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是硝酸/氫氟酸為主的混合酸(HN03+HF);和域，加熱的化學氣體是臭氧氣體(03)，液體化學劑是硫酸為主的混合酸(H2S04)。
4. 根據權利要求3所述的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，其特徵在於，所述液體化學劑的壓力範圍是每平方英寸1-10英磅；氣體化學劑的壓力範圍是每平方英寸10-20英磅。
5. 根據權利要求4所述的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，其特徵在於，所述霧化器與噴霧刀之間還帶有使霧狀化學劑保溫的加熱等溫裝置。
6. 根據權利要求1至5任一項所述的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，其特徵在於，所述待處理材料是太陽能電池或平板顯示器基片。
7. 根據權利要求6所述的化學溼處理系統，其特徵在於，所述傳輸機構包括 多組在垂直於傳輸方向相差l-3mm的錯位滾輪，以及伺服電機和同步傳 動傘齒輪，同步傘齒輪帶動多組錯位滾輪同步旋轉。
8. 根據權利要求1至5任一項所述的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理 的系統，其特徵在於，所述待處理材料是太陽能電池或平板顯示器薄膜襯 底。
9. 根據權利要求8所述的用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，其 特徵在於，所述傳輸機構包括多組且在垂直於傳輸方向相差l-3mm的錯 位滾輪，和分別位於處理腔室的上料端和下料端的巻繞軸和張緊輪，所述 薄膜襯底置於巻繞軸上，由所述張緊輪驅動帶動錯位滾輪同步旋轉傳動， 所述張緊輪還帶有可自動檢測及調節張力的傳感器。
專利摘要本實用新型涉及一種用霧狀化學劑進行單面連續化學溼處理的系統，包括可使加熱的氣體化學劑和液體化學劑產生霧狀化學劑的霧化器，若干個化學溼處理腔體單元，若干個去離子水噴淋溼處理腔體單元，以及異丙醇(IPA)取幹處理腔體單元，以及將待處理材料依次送入各處理單元腔體內的傳輸機構，該系統還包括噴霧刀，該噴霧刀具有多個霧狀化學劑射口，噴射口中間設有毛細管，所述霧狀化學劑通過毛細管周邊的噴射口空間呈扇形噴射至待處理材料的表面。使單面連續化學溼處理變得簡單可行，有效解決了傳統固定化學工藝槽重複使用化學液的交叉沾汙問題；同時增強了平板基片，待處理材料薄膜襯底的化學工藝處理均勻性，靈活性及產量。
文檔編號H01L21/306GK201427995SQ20092007790
公開日2010年3月24日 申請日期2009年7月7日 優先權日2009年7月7日
發明者倪黨生 申請人:倪黨生