扩散炉反应管压力自平衡系统的设计

2012-06-28毛朝斌陈特超李健志

电子工业专用设备 2012年7期

李克，郭立，毛朝斌，陈特超，李健志

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，国家光伏装备工程技术研究中心，长沙，410111)

扩散炉是晶体硅电池生产线前道工序的重要工艺设备之一，其主要用途是对半导体进行掺杂，形成PN结。它是在高温条件下将掺杂材料扩散进硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。影响扩散质量的主要因素有：工艺时间、温度均匀性、气流稳定性，其中管内的气体流动对工艺影响非常大。由于工厂所有设备酸性气体排放都是汇总到一根总排废管道内，所以对每台设备来说，外围抽风是不稳定的，管内压力不均，管内的气流越不均衡，出现管内前后端压力偏差大，电池片方块电阻片间与批间差别大的现象，炉口部分经常出现电阻突变的现象：片间电阻变小，片内电阻出现上端高，下端低的不均匀现象，所以有必要对管内气流进行控制，使进入和排出的气流保证一定比例，确保管内压力均匀。而扩散后的废气多为酸性气体等腐蚀性强的物质，所以对管内压力控制时，排放和检测等都应该注意防腐处理[1]。

1 系统要求及原理

扩散设备的反应管一般是尾部进气，气体流量随工艺过程变化，反应完的气体从管口部分的抽气管排走，由于外围接的抽气管道抽风不稳定，以及工艺过程气体流量变化，管内气流流速，压力不稳定[2]。在反应管内部取一测试点，检测内部压力变化，根据压力变化调节尾部抽气量来稳定管内压力，由于排除的都是腐蚀性气体等物质，不适宜在管路上直接采用蝶阀等方式，采用间接调节的方式，在排气管路上增加一路进气，根据压力变化，向排废管冲入一部分气体，消除抽风变动对反应管内气流的变化，使反应管内的压力达到一个平衡。

2 系统设计与实现

设计原理如图1所示，工艺气体从反应管尾部中心进入，反应尾气管伸进反应管前端抽走反应残余尾气，进入冷凝尾气瓶后，部分气体冷凝，部分排到排废管道内，排废管道接厂外围抽风系统。对此，在反应管尾部引出一根1/4”小管，一端接到反应管内，一端接到压差传感器，同时通过浮子流量计通入一定流量的N2对压差传感器保护（稀释），检测管内相对压力变化，压差传感器的另外一端接管到反应管炉口相对比较稳定的压力点。压差传感器将信号反馈给压控仪，压控仪输出信号控制MFC流量（向冷凝尾气瓶冲气），同时PC监控到压控仪的实际输出值。当检测相对压力有变化时，压控仪控制MFC增大或减少流量，使抽走的尾气总量不变的情况下，改变从反应管抽出的尾气量，从而使反应管内压力达到设定值，保证一定的平衡。在软件中，工艺编辑栏加入了相对压力参考值设定，可以根据要求设置参数，由于设备密封效果差异等原因，压力参考值可能存在差别，实践证明，压力参考值在200～800区间，扩散效果有所改善。如图2所示，可在工艺编辑菜单里设置相对压力值。

3 工艺实验分析

采取几组工艺试验，对比安装压力平衡系统之前和之后的工艺效果：表1、表2是在正常连续生产的车间里抽取的一组电池片方块电阻值（炉尾到炉口），其它工艺参数一致。表1没有带压力自平衡系统，表2是带有压力自平衡系统电阻分布值。测量时从炉尾到炉口等距离抽取20片硅片，测量点为：1，2为上面两角两点，3为中间点，4，5为下面两角两点。

图1 反应管压力自平衡系统原理图

图2 扩散软件工艺参数设置

Nmax，Nmin分别表示片内电阻最大和最小值。

Dmax，Din分别表示炉内一批电池片中均值最大和最小值。

表1 没带压力自平衡系统炉内电阻分布

表2 带压力自平衡系统炉内电阻分布

对表1、表2数据进行分析可发现，由于外围不稳定等原因，没有增加压力平衡系统的电池片，炉口电阻和片内均匀性都会出现“爬坡”的现象，如图3、图4所示，越靠近尾气抽气管口越明显，通常是出现的上面两角（1，2）阻值偏大，下面两角（4，5）偏小的现象，增加了压力平衡装置后工艺效果有所改善，炉内电阻均匀性要好，特别是炉口，之前受尾气管近端的影响大，增加压力平衡后，电阻值能保证和炉内一致，片内，片间的均匀性都有所提高。