MFC在单晶炉上控制氩气流量的应用＊

田伟娜，王宏博

(沈阳鹭岛电子有限公司，沈阳 110006）

·应用技术·

MFC在单晶炉上控制氩气流量的应用＊

田伟娜，王宏博

(沈阳鹭岛电子有限公司，沈阳 110006）

目前单晶炉设备全自动控制技术日趋成熟。单晶硅炉拉晶生长过程中，炉体内的真空度稳定性是一个重要的环节。质量流量控制器MFC对于维持单晶炉内真空值起着极其重要的作用。

单晶硅炉;氩气;质量流量控制器;真空度

近年来，随着国内太阳能光伏市场的迅猛发展，单晶硅炉的产量也在直线上升。就光伏产业应用而言，目前国内单晶硅炉生产技术已较为成熟，全国有10余家设备厂商的产品供应国内市场。这些企业技术水平差距不大，各具特点，基本能够满足国内太阳能级硅单晶的生产需要，目前，国内单晶炉国产化率达到97%以上，有力地促进了我国乃至世界光伏产业的发展，并有个别厂家的单晶炉已批量出口进入了国际市场。

在直拉单晶生长过程中，炉体内的气体气流从顶部注入，及时地带走由于高温而产生出来的硅氧化物和杂质挥发物。因此，维持单晶炉体内真空值的稳定性，不受外界因素的影响，同时使保护气体有合理的气流走向，迅速带走杂质，已经成为目前半导体材料制造行业领域改进设备，提高成晶率的重要课题。

1 直拉硅单晶的生产工艺介绍

直拉法生产硅单晶工艺尽管种类繁多，但大体可分为:真空工艺、气氛工艺和减压拉晶工艺。真空工艺又分低真空工艺和高真空工艺。真空工艺的特点是在单晶炉膛内保持真空情况下拉制硅单晶。低真空工艺单晶炉膛内真空度保持10－1～10－2Torr (注:1 Torr=133.32 Pa），高真空工艺单晶炉膛保持10－3Torr或更高的真空度。硅单晶拉制过程中单晶炉膛内充高纯氩气做保护气体，称为气氛工艺。气氛工艺中又有流动气氛和不流动气氛两种。在拉制硅单晶时一次充入单晶炉膛内压强0.2～0.4 kg/cm2高纯氩气 (表压），称为不流动气氛;拉制硅单晶时，连续不断地向单晶炉膛内充入高纯氩，保护炉膛内气体是正压 (表压），同时又使部分氩气沿管道向外溢出，这种工艺称为流动气氛。

近几年又出现了介于真空工艺和气氛工艺之间减压拉晶工艺。减压拉晶是在单晶硅拉制过程中，连续向单晶炉膛充入等量的高纯氩气，同时真空泵不断地从炉膛内向外抽气，保持炉膛内稳定在10～20 Torr真空内，这种工艺既有真空工艺的特点(炉膛内保持负压），又有流动气氛的特点 (不断充气，不断排气），减压工艺在目前直拉单晶硅生产过程中被普遍采用。

2 质量流量控制器维持真空度稳定性

传统的直拉单晶硅炉的充气系统是将高纯度的氩气通过转子流量计控制输送到单晶炉膛内。转子流量计是以转子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，来改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表。其中大多数为玻璃管。所以转子流量计的缺点也是显而易见的，只能适用于小管径和低流速，适合作为直观流动指示或测量精度要求不高的现场指示仪表，同时转子流量计对流体最低压力要求很高，应高于压力损失若干倍，用于气体时压力过低容易产生转子跳动，在相同的体积流量指示下，当压力、温度改变时，实际分子流量会发生较大变化而造成测量误差。当输入氩气压力发生变化时，就会对输送的氩气流量产生波动，从而影响单晶炉炉膛内的真空度。

针对转子流量计的多方面不稳定因素，在实际生产过程中，为保持炉内的真空度，控制氩气恒定输出，采用质量流量控制器MFC来代替转子流量计。特别在大型的直拉单晶设备上，质量流量控制器更被广泛的应用推广。质量流量控制器能精确测量和控制气体的“质量流”，它只受气体自身的三个特性的影响 (比热容、密度、分子结构等），对于某种确定的气体，上面三个参数都已经固定，所以MFC的测量精度不受气体温度、压力等外界因素的影响，能在20-200SLPM的范围内达到高于1.0%的控制精度，响应时间小于2 s。

下面详细介绍小流量气体质量控制器工作原理。MFC工作原理图见图1。

当仪表通电后，两电阻温度探测器 (RTD）绕组传导一定的热量 (常数）给气流，两个RTD温度相同，但比实际气体温度稍高 (具体温度要根据实际流量范围和具体工艺在仪表标定过程中确定）。当管道中没有流过气体时，温度分布如图1所示。仪表传感器中央温度最高，两边温度逐渐降低。当气体从左侧流过传感器时，要吸收左侧铂电阻传感器上面的热量，见图2;当气体流到右侧铂电阻传感器时，由于它从左侧铂电阻传感器吸收了一部分热量，所以气体流的温度继续升高，使温场分布曲线向右移动，这样和无气体时进行对比，可以得出一个温差△T，气体流量越大，△T也越大;这时候两个铂电阻传感器的电阻值相差也越大。电阻值的差别值通过惠斯顿电桥检测，再把信号传到处理电路中进行智能处理，最后获得毛细管传感器内气体的质量流量。

由于层流器的均匀分流作用，使得在表的流量范围内流过传感器和层流器的气体质量流量比例值恒定，这样电路就可以通过得到的传感器流量值换算出整个气体流量。

图1 MFC工作原理图Fig.1 Working principle of MFC

热式微管测量的数学模型为:Qm=K·(A/Cp） ·△T;式中，Qm为气体质量流量;K为仪表系数(每台表的K值都有差别，在标定时确定）;A为传导系数(对应不同的气体，传导热量的能力不一样）;Cp为定压比热容(在固定的压力下，不同气体的吸热能力不同）;△T为前后两个RTD绕组的温度差。

由上式可以看出，只要客户提供的气体介质、工作温度、压力、流量等确定后，就已经把K、A、Cp确定了。可以看出Qm和△T直接成正比。在气体偏离正常温度、压力、流量时，MFC均可以进行准确的补偿。

图2 单晶炉系统控制图Fig.2 Crystal grower system control diagram

质量流量控制器MFC不仅能测量气体的流量，具备流量计的功能，其测量值不因压力或温度的波动而失准，不需要进行压力温度修正;而且它还可以控制流量，本身具有检测控制电路和流量调节阀，是一个闭环控制单元。用户可以根据需要在量程范围内任意给定流量设定值，质量流量控制器可以在输入的氩气压力或环境温度发生变化时，自动跟踪设定值而改变流量并稳定在设定值上，保证输送的氩气流量不产生波动，从而稳定单晶炉炉内的真空度在2.6 kPa左右。

3 结束语

引起直拉单晶炉生长过程中的炉内真空度不稳定的因素很多，通过上述方法对氩气充气系统进行改造，经过多年的实践大大提高了单晶炉炉内真空度的稳定性，避免了外界因素对提高单晶硅拉晶率的影响。

［1］黄有志，王丽．直拉单晶硅工艺技术［M］．北京:化学工业出版社，2009:48-54．

［2］中国市场调查网．2009-2010年中国硅单晶设备产业行业运行状况分析［R］．北京:中国市场调查网，2010．

［3］诸玲珍．单晶炉:全自动化是方向［N］．中国电子报，2008-12-30(8）．

Application of Mass Flow Controller Controlling Argon Gas Flow in Single Crystal Furnace

TIANWeina，WANG Hongbo
(Shenyang Leader Electronic Co．，Ltd．，Shenyang 110006，China）

Automatic control equipment is currently single crystal furnace technology hasmatured．Growth process of silicon crystal pulling furnace，the furnace body of the vacuum stability is an important part．Mass Flow Controller MFC values for themaintenance of single-crystal furnace vacuum plays an extremely important role．

silicon furnace;argon gas;mass flow controller;vacuum

TQ117

B

1007-7804(2011）04-0037-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.04.009

2011-06-23

田伟娜(1980），女，2003年毕业于沈阳工业大学测控技术与仪器专业，获得学士学位，自动化中级工程师;主要从事光伏设备、冶金、电厂自动化仪表等方面的研究。