CN114864744B - 一种纳米硅浆料的高效清洗方法及系统 - Google Patents
一种纳米硅浆料的高效清洗方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种纳米硅浆料的高效清洗方法及系统，具体步骤包括：1）将待清洗硅片放入有机溶液中，进行超声波清洗；2）第一次纯水清洗；3）Piranha溶液清洗；4）第二次纯水清洗；5）SC溶液清洗；6）第三次纯水清洗；7）氢氟酸槽清洗；8）第四次纯水清洗；9）慢提拉及烘干处理后，取出硅片。本发明所涉及的方法结合化学清洗原理和物理清洗作用，在较短的时间内即可完成，根据衬底表面不同的污染物类型，具有针对性的分步设计、循环处理衬底表面污染物；清洗后的衬底表面洁净度高，表面粗糙度小，提高金属离子的去除率，进一步提高衬底的品质，减少了后续工艺中微颗粒的聚集。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种纳米硅浆料的高效清洗方法及系统。
背景技术
晶硅太阳能电池已经被大规模应用到各个领域，其良好的稳定性和成熟的工艺流程是其大规模应用的基础。随着技术的进步，高效电池越来越受到市场的重视，而N型太阳能电池选择性背场的工艺又成为提升效率必不可少工艺步骤。现在制作选择性背场的技术中，最好的工艺方法就是采用丝网印刷的方式把弱酸性的腐蚀浆料直接印刷到背场表面，N型太阳能电池选择性背场的工艺即在电池的背场电极栅线（包括主栅和细栅）下及其四周形成高掺杂深扩散区，其他区域形成低掺杂浅扩散区，表面形成高低结，提高太阳电池的开路电压Voc、短路电流 Isc，使电池获得高的光电转换效率；待腐蚀浆料与氧化硅反应后把残余的腐蚀浆料去掉即可。现纳米硅浆料的主要为以纳米硅粉和有机物组成，其中有机物的成分在70-80%之间，有机物的主要成份为α-松油醇为溶剂，以柠檬酸三丁酯、甲苯、乙基纤维素、聚酰胺蜡为增稠剂、成膜剂等成份组成；浆料烘干后大部分有机成份挥发，但依旧会有有机残留，对有机物的去除清洗，至关重要。
目前，残余腐蚀浆料的清洗方法，首先把反应后留有残余腐蚀浆料的硅片放入常温纯水中清洗2-5分钟，清洗过程要求在带有超声的槽中进行且伴随鼓泡；然后把硅片再放入高温纯水中清洗10-25分钟，清洗过程要求在带有超声的槽中进行且伴随鼓泡；最后把硅片再放入常温纯水中清洗2-8分钟，清洗过程要求在伴随鼓泡的槽中进行。但是上述清洗方法存在腐蚀浆料清洗不完全等缺点，严重影响着太阳能电池的各项性能。
发明内容
发明目的：提出一种纳米硅浆料的高效清洗方法，并进一步提出一种用于执行上述方法的系统，以解决现有技术存在的上述问题。
第一方面，提出一种纳米硅浆料的高效清洗方法，该方法步骤如下：
1）将待清洗硅片放入有机溶液中，进行超声波清洗，选用丙酮、IPA与DI水的混合溶液作为清洗硅片的有机溶液，槽体具有循环、溢流、及超声波等功能同时向有机溶液中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整，通过有机溶剂的相识相溶原理将有机颗粒脱离晶片表面溶于溶液中，初步减小表面有机沾污，结合超声清洗的空化作用可使晶片表面洁净度提升。
优选的，丙酮：IPA的体积比控制在1:1-1:2，槽体工艺温度在50-80℃，工艺时间在3-8min。
2）第一次中性液体清洗，常温下该中性液体PH值等于7，该中性液体清洗槽体具有循环、溢流、及超声波等功能且在进行超声清洗的同时向第一次中性液体中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整。
3）Piranha溶液清洗，Piranha溶液为硫酸、双氧水与DI水的混合溶液，槽体具有循环、溢流、及超声波等功能且在进行超声清洗的同时向Piranha溶液中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整，Piranha 溶液对晶片表面颗粒有明显作用效果，主要是通过浓硫酸和双氧水与有机物反应，将附着在晶片表面的有机物转化为二氧化碳和水，清洗过程的主要目的是去除有机沾污及附着在晶片表面的有机颗粒。
优选的，硫酸：双氧水的体积比控制在2:1-4:1，槽体工艺温度在50-80℃，工艺时间在6-14min。
4）第二次中性液体清洗，常温下该中性液体的PH值等于7，该中性液体清洗槽体具有循环、溢流、及超声波等功能且在进行超声清洗的同时向第二次中性液体中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整。
5）SC溶液清洗，SC溶液为盐酸、双氧水与DI水的混合溶液，槽体具有循环、溢流及等功能且在进行清洗的同时向SC溶液中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整，溶液中的强氧化性可将硅片表面上难容的低价氧化物氧化成更高价的氧化物，使其与晶片表面分离，溶解在清洗液中；同时附着在硅片表面的金属离子形成易溶于清洗液的盐离子。
优选的，盐酸：双氧水的体积比控制在1:1-1:4，槽体工艺温度在50-80℃，工艺时间在3-8min。
6）第三次中性液体清洗，常温下该中性液体的PH值等于7，该中性液体清洗槽体具有循环、溢流等功能且在进行超声清洗的同时向第三次中性液体中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整。
7）氢氟酸槽清洗，氢氟酸槽溶液为氢氟酸与DI水的混合溶液，槽体具有循环、溢流等功能且在进行清洗的同时向氢氟酸溶液中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整。
优选的，氢氟酸：DI水的体积比控制在1:5-1:15，工艺时间在3-8min。
8）第四次中性液体清洗，常温下该中性液体的PH值等于7，该中性液体清洗槽体具有循环、溢流等功能且在进行超声清洗的同时向第四次中性液体中充入氮气，气体的流量根据反应情况可调整。
9）慢提拉及烘干处理后，取出硅片。
优选的，烘干槽温度控制在60-80℃，循环吹扫气体为氮气。
优选的，第一次中性液体清洗，第二次中性液体清洗，第三次中性液体清洗，第四次中性液体清洗，可以选择DI水。
第二方面，提出一种纳米硅浆料的高效清洗系统，该清洗系统包括多个首尾连接的槽体，槽体包括：1）具备超声波功能的有机溶液槽；2）具备超声波功能的第一纯水槽；3）具备超声波功能的Piranha溶液槽；4）具备超声波功能的第二纯水槽；5）SC溶液槽；6）第三纯水槽；7）氢氟酸溶液槽；8）第四纯水槽；9）提拉槽及烘干槽。
在进一步的实施例中，所述清洗系统设有两个并联的有机溶液槽，槽体具有加热、循环、溢流、鼓泡及超声波等功能，槽体上还设有槽盖，槽体工艺温度在50-80℃。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在有机溶液槽后设有一个第一次纯水槽，第一纯水槽体具有循环、溢流、鼓泡及超声波等功能。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在第一次纯水槽后设有三个并联的Piranha溶液槽，槽体具有加热、循环、溢流、鼓泡及超声波等功能，槽体上还设有槽盖，槽体工艺温度在50-80℃。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在Piranha溶液槽后设有一个第二次纯水槽，第二纯水槽体具有循环、溢流、鼓泡及超声波等功能。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在第二次纯水槽后设有两个并联的SC溶液槽，槽体具有加热、循环、溢流及鼓泡等功能，槽体上还设有槽盖，槽体工艺温度在50-80℃。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在SC溶液槽后设有一个第三次纯水槽，第三纯水槽体具有循环、溢流及鼓泡等功能。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在第三次纯水槽后设有两个并联的氢氟酸溶液槽，槽体具有循环、溢流及鼓泡等功能，槽体上还设有槽盖。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在氢氟酸溶液槽后设有一个第四次纯水槽，第四纯水槽体具有循环、溢流及鼓泡等功能。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在第四次纯水槽后设有一个提拉槽，提拉槽内为纯水，槽体工艺温度在60-80℃，机械臂在提拉槽取花篮时设定机械臂上升速度10mm/s。
在进一步的实施例中，所述清洗系统在提拉槽后设有四个并联的烘干槽，烘干槽温度控制在60-80℃，循环吹扫气体为氮气。
在进一步的实施例中，所述清洗系统还设有上料台和下料台。
在进一步的实施例中，所述上料台至第一纯水槽为第一组行程；所述第一纯水槽至第二纯水槽为第二组行程；所述第二纯水槽至第四纯水槽为第三组行程；所述第四纯水槽至下料台形成第四组行程；每组行程分别分配有独立的机械臂。
有益效果：常规超声波清洗及RCA清洗法的表面仍存在较多颗粒晶片表面，主要残留的污染物为有机沾污，有机物残留，除了会使晶片表面的粗糙度增加外，还会在外延生长薄膜时的性能产生不利影响，相较于常规超声波清洗及RCA清洗法，Piranha溶液清洗法对清洗效果更佳，在去除有机沾污的同时，显著减小有机颗粒的尺寸及数量，清洗效果更好；本发明提供的清洗工艺简单，操作无安全隐患，成本低；结合化学清洗原理和物理清洗作用，在较短的时间内即可完成，根据衬底表面不同的污染物类型，具有针对性的分步设计、循环处理衬底表面污染物；清洗后的衬底表面洁净度高，表面粗糙度小，提高金属离子的去除率，进一步提高衬底的品质，减少了后续工艺中微颗粒的聚集。
附图说明
图1是本发明纳米硅浆料的高效清洗方法的工艺流程图。
图2是本发明纳米硅浆料的高效清洗系统的整体结构示意图。
图3是本发明纳米硅浆料的高效清洗系统的主视图。
图中各附图标记如下：上料台1、有机溶液槽2、第一有机溶液槽201、第二有机溶液槽202、第一纯水槽3、Piranha溶液槽4、第一Piranha溶液槽401、第二Piranha溶液槽402、第三Piranha溶液槽403、第二纯水槽5、SC溶液槽6、第一SC溶液槽601、第二SC溶液槽602、第三纯水槽7、氢氟酸溶液槽8、第一氢氟酸溶液槽801、第二氢氟酸溶液槽802、第四纯水槽9、提拉槽10、烘干槽11、第一烘干槽1101、第二烘干槽1102、第三烘干槽1103、第四烘干槽1104、下料台12。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
实施例：
本实施例以清洗IBC电池，掺杂P区及N区表面残余的硼浆及磷浆为例，提出一种纳米硅浆料的高效清洗技术，上述高效清洗技术可以在一种纳米硅浆料的高效清洗系统中驱动以实现特定工序，该清洗系统在工艺清洗流程上使用串联模式，由上料台1、有机溶液槽2、第一纯水槽3、Piranha溶液槽4、第二纯水槽5、SC溶液槽6、第三纯水槽7、氢氟酸溶液槽8、第四纯水槽9、提拉槽10、烘干槽11、以及下料台12组成。
各槽体的参数见下表：
表1：槽体参数表
各个槽体之间的位置排布关系和连接关系如下：上料台1设置在所述有机溶液槽2的前部，为所述清洗系统的初始端。有机溶液槽2承接在上料台1的一侧；有机溶液槽2至少并联两个，分别为第一有机溶液槽201、第二有机溶液槽202，两个有机溶液槽2都具有加热、循环、溢流、鼓泡及超声波功能，所述有机溶液槽2上设有槽盖。第一纯水槽3承接在所述有机溶液槽2的一侧，发出预定频率范围的超声波；Piranha溶液槽4承接在所述第一纯水槽3的一侧，发出预定频率范围的超声波；Piranha溶液槽4至少并联三个，分别为第一Piranha溶液槽401、第二Piranha溶液槽402、第三Piranha溶液槽403，三个Piranha溶液槽4都具有加热、循环、溢流、鼓泡及超声波功能，所述Piranha溶液槽4上设有槽盖。第二纯水槽5承接在所述Piranha溶液槽4的一侧，发出预定频率范围的超声波；SC溶液槽6承接在所述第二纯水槽5的一侧；SC溶液槽6至少并联两个，分别是第一SC溶液槽601、第二SC溶液槽602，两个SC溶液槽6都具有加热、循环、溢流及鼓泡功能，所述SC溶液槽6上设有槽盖。第三纯水槽7承接在所述SC溶液槽6的一侧；氢氟酸溶液槽8承接在所述第三纯水槽7的一侧；氢氟酸溶液槽8至少并联两个，分别是第一氢氟酸溶液槽801、第二氢氟酸溶液槽802，具有循环、溢流及鼓泡功能，所述氢氟酸溶液槽8上设有槽盖。第四纯水槽9承接在所述氢氟酸溶液槽8的一侧；提拉槽10承接在所述第四纯水槽9的一侧；提拉槽10内容纳预定体积容量和预定温度范围的纯水，温度控制在60-80℃。烘干槽11承接在所述提拉槽10的一侧，烘干槽11温度控制在60-80℃，循环吹扫气体为氮气；烘干操设置有四个，分别是第一烘干槽1101、第二烘干槽1102、第三烘干槽1103、第四烘干槽1104。下料台12设置在所述烘干槽11的后部，为所述清洗系统的末端。
高效清洗系统结构图的18槽清洗机配备4组机械臂，18个槽体及上下料台12分成4组行程：①上料台1至第一纯水槽3，②第一纯水槽3至第二水洗槽，③第二纯水槽5至第四纯水槽9，④第四纯水槽9至下料台12，4组形程分别配备机械臂。
基于上述高效清洗系统的结构，本实施例提出一种纳米硅浆料的高效清洗流程，步骤如下：
1）将待清洗硅片放入有机溶液中，进行超声波清洗，选用丙酮、IPA与DI水的混合溶液作为清洗硅片的有机溶液，丙酮：IPA：DI水的体积比控制在1:1：10，槽体工艺温度在80℃，超声波频率控制在2000Hz，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，工艺时间在5min，同时上料台1花篮被取走后下一组花篮进入上料台1，待上料时间结束后，花篮进入空置的有机溶液槽2。
2）将有机溶液清洗后的硅片放入水槽，进行第一次纯水清洗，超声波频率控制在2000Hz，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，清洗时间180s；
3）水洗后的硅片进入Piranha溶液清洗槽，Piranha溶液为硫酸、双氧水与DI水的混合溶液，硫酸：双氧水的体积比控制在3:1，槽体工艺温度在80℃，超声波频率控制在2000Hz，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，工艺时间在10min。
Piranha槽的溶液结构上，硫酸：双氧水的体积比混合溶液实验如下表2看出，一定比例内，随着硫酸浓度上升，监控表面残留颗粒度尺寸降低，少子寿命在3:1体积比时达到最高点。
表2：硫酸：双氧水的体积比混合溶液实验表
4）将Piranha溶液清洗后的硅片放入水槽，进行第二次纯水清洗，超声波频率控制在2000Hz，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，清洗时间180s；
5）水洗后的硅片进入SC溶液清洗槽，SC溶液为盐酸、双氧水与DI水的混合溶液，盐酸：双氧水：DI水的体积比控制在1:1:5，槽体工艺温度在80℃，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，工艺时间在5min。
6）将SC溶液清洗后的硅片放入水槽，进行第三次纯水清洗，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，清洗时间180s；
7）水洗后的硅片进入氢氟酸槽，氢氟酸槽溶液为氢氟酸与DI水的混合溶液，氢氟酸：DI水的体积比控制在1:12.槽体开启循环溢流及鼓泡功能，工艺时间在180s。
8）将氢氟酸槽清洗后的硅片放入水槽，进行第四次纯水清洗，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，清洗时间180s；
9）水洗结束后进入提拉槽10，槽内为纯水，温度控制在60-80℃，机械臂取提拉槽10花篮时，机械臂上升速度设定为10mm/s。
10）最后花篮进入烘干槽11，烘干槽11温度控制在60-80℃，循环吹扫气体为氮气，烘干工艺时间结束后，机械臂取花篮放入下料台12，随后流出。
对比例：
1）将待清洗硅片放入有机溶液中，进行超声波清洗，选用丙酮、IPA与DI水的混合溶液作为清洗硅片的有机溶液，丙酮：IPA：DI水的体积比控制在1:1：10，槽体工艺温度在80℃，超声波频率控制在2000Hz，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，工艺时间在15min。
2）将有机溶液清洗后的硅片放入水槽，进行第一次纯水清洗，超声波频率控制在2000Hz，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，清洗时间180s；
3）水洗后的硅片进入SC溶液清洗槽，SC溶液为盐酸、双氧水与DI水的混合溶液，盐酸：双氧水：DI水的体积比控制在1:1:5，槽体工艺温度在80℃，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，工艺时间在5min。
4）将SC溶液清洗后的硅片放入水槽，进行第二次纯水清洗，超声波频率控制在2000Hz，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，清洗时间180s；
5）水洗后的硅片进入氢氟酸槽，氢氟酸槽溶液为氢氟酸与DI水的混合溶液，氢氟酸：DI水的体积比控制在1:12.槽体开启循环溢流及鼓泡功能，工艺时间在180s。
6）将氢氟酸槽清洗后的硅片放入水槽，进行第四次纯水清洗，槽体开启循环溢流及鼓泡功能，清洗时间180s；
7）慢提拉及烘干处理后，烘干槽温度控制在60-80℃，循环吹扫气体为氮气，慢提拉及烘干处理后取出硅片。
表3：实施例与对比例的电性数据
| ITEM | Eta（%） | Voc（V） | Isc（A） | Rs（mΩ） | Rsh（Ω） | FF |
| 对比例 | 24.84 | 0.726 | 13.825 | 1.178 | 2322 | 82.55 |
| 实施例 | 24.94 | 0.728 | 13.814 | 1.177 | 2174 | 82.72 |
由表3中实施例和对比例的数据对比可以发现，采用本实施例的清洗方法清洗后的硅片，制作成的太阳能电池硅片电性上Voc及FF均有改善，说明了更好的清洗效果带来转换效率的正增益。
本实施例是一种纳米硅浆料的高效清洗技术方法，该纳米硅浆料主要使用在超高效电池技术中，该技术是本领域普通技术人员无法涉及的；
本技术领域技术人员可能了解各个功能槽的清洗特点，但根据衬底表面不同的污染物类型，结合化学清洗方法和物理清洗方法，设计出具有针对性的分步清洗、循环处理衬底表面污染物，并不是本技术领域技术人员所具有的能力；并且在湿法清洗工艺中并没有引入其他的杂质，清洗成本低廉，可以进行大规模推广。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (9)
1.一种纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、超声波清洗：将待清洗硅片放入有机溶液槽中清洗预定时长；
步骤2、第一次纯水清洗：将硅片从所述有机溶液槽中取出，放入第一纯水槽中清洗预定时长；
步骤3、Piranha溶液清洗：将硅片从所述第一纯水槽中取出，放入Piranha溶液槽中清洗预定时长；
步骤4、第二次纯水清洗：将硅片从所述Piranha溶液槽中取出，放入第二纯水槽中清洗预定时长；
步骤5、SC溶液清洗：将硅片从所述第二纯水槽中取出，放入SC溶液槽中清洗预定时长；
步骤6、第三次纯水清洗：将硅片从所述SC溶液槽中取出，放入第三纯水槽中清洗预定时长；
步骤7、氢氟酸槽溶液清洗：将硅片从所述第三纯水槽中取出，放入氢氟酸溶液槽中清洗预定时长；
步骤8、第四次纯水清洗：将硅片从所述氢氟酸溶液槽中取出，放入第四纯水槽中清洗预定时长；
步骤9、清洗完成：慢提拉及烘干处理后，取出硅片。
2.根据权利要求1所述的一种纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，所述有机溶液为丙酮、IPA与DI水的混合溶液；其中丙酮：IPA的体积比控制在1:1-1:2；
所述有机溶液槽具有循环、溢流、鼓泡及超声波功能，所述有机溶液槽的工艺温度在50-80℃，工艺时间在3-8min。
3.根据权利要求1所述的一种纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，所述第一纯水槽具有循环、溢流、鼓泡及超声波功能；
所述第二纯水槽具有循环、溢流、鼓泡及超声波功能；
所述第三纯水槽具有循环、溢流及鼓泡功能；
所述第四纯水槽具有循环、溢流及鼓泡功能。
4.根据权利要求1所述的一种纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，所述Piranha溶液为硫酸、双氧水与DI水的混合溶液，其中硫酸：双氧水的体积比控制在2:1-4:1；所述Piranha溶液槽具有循环、溢流、鼓泡及超声波功能，所述Piranha溶液槽的工艺温度在50-80℃，工艺时间在6-14min。
5.根据权利要求1所述的一种纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，所述SC溶液为盐酸、双氧水与DI水的混合溶液，其中盐酸：双氧水的体积比控制在1:1-1:4，所述SC溶液槽具有循环、溢流及鼓泡功能，SC溶液槽工艺温度在50-80℃，工艺时间在3-8min。
6.根据权利要求1所述的一种纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，所述氢氟酸槽溶液为氢氟酸与DI水的混合溶液，其中氢氟酸：DI水的体积比控制在1:5-1:15，所述氢氟酸溶液槽具有循环、溢流及鼓泡功能，所述氢氟酸溶液槽的工艺时间在3-8min。
7.根据权利要求1所述的一种纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，步骤9在烘干槽中完成，所述烘干槽温度控制在60-80℃，循环吹扫气体为氮气。
8.一种纳米硅浆料的高效清洗系统，用于驱动并执行权利要求1至7中任一项所述的纳米硅浆料的高效清洗方法，其特征在于，包括以预定指向阵列排布的：
有机溶液槽；
第一纯水槽，承接在所述有机溶液槽的一侧，发出预定频率范围的超声波；
Piranha溶液槽，承接在所述第一纯水槽的一侧，发出预定频率范围的超声波；
第二纯水槽，承接在所述Piranha溶液槽的一侧，发出预定频率范围的超声波；
SC溶液槽，承接在所述第二纯水槽的一侧；
第三纯水槽，承接在所述SC溶液槽的一侧；
氢氟酸溶液槽，承接在所述第三纯水槽的一侧；
第四纯水槽，承接在所述氢氟酸溶液槽的一侧；
提拉槽，承接在所述第四纯水槽的一侧；
烘干槽，承接在所述提拉槽的一侧。
9.根据权利要求1所述的一种纳米硅浆料的高效清洗系统，其特征在于，还包括：
上料台，设置在所述有机溶液槽的前部，为所述清洗系统的初始端；
下料台，设置在烘干槽的后部，为所述清洗系统的末端；
所述上料台至第一纯水槽为第一组行程；
所述第一纯水槽至第二纯水槽为第二组行程；
所述第二纯水槽至第四纯水槽为第三组行程；
所述第四纯水槽至下料台形成第四组行程；
每组行程分别分配有独立的机械臂；所述烘干槽以氮气作为气源循环吹扫。
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