CN103696020A - 一种用于负压扩散炉的源流量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于负压扩散炉的源流量控制系统，其包括源流量提供单元、载气提供单元和压力控制单元；载气提供单元通过第一控制阀与源流量提供单元的气体输入端相连，压力控制单元连接在源流量提供单元输出端与负压扩散炉反应腔室之间，其能感测所述源流量提供单元两端的压力值或所述源流量提供单元输出端的压力值，并通过控制内部阀使压力控制单元入口处的工艺气体压力达到预定值，其中，工艺气体的压力预定值小于等于大气压。因此，本发明通过精准控制扩散炉的源流量，使通入反应腔室的源流量满足硅片方阻及结深的需求，从而大大减少了源流量的干扰因素,并且,还提供有效缜密的防爆防护措施。

Description

一种用于负压扩散炉的源流量控制系统

技术领域

本发明涉及半导体器件及加工制造领域，更具体地说，涉及一种用于负压扩散炉的源流量控制系统。

背景技术

负压扩散炉是半导体、光伏生产线前道工序的最重要工艺设备，也可以说是半导体及太阳能行业较关键的设备。其可以用于大规模集成电路、分立器件、电力电子、光电器件和光导纤维等行业的扩散、氧化、退火、合金及烧结等工艺。负压扩散工艺的主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂，即将元素磷和硼扩散进入硅片，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。

在负压扩散炉通过扩散过程形成P-N结的过程中，工艺气体三氯氧磷在高温下分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，在有外来氧气存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2），生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。

我们知道,负压扩散炉通常由控制系统、进出舟系统、炉体加热系统和气体控制系统等组成。其中,气体控制系统的优劣,直接决定P-N结的生成质量。例如，从工艺特性来看，硅片方阻及结深和源流量、温度和压力的均匀性直接相关。

目前市场上的负压扩散设备源流量控制较为粗犷，一般均致力于工艺气体和载气的流量和温度控制，压力均保持在大气压。然而，负压扩散设备的反应腔体中所需负压有时会很小，如果源流量是在大气压下进行工艺气体和载气输入时，由于负压扩散设备源流量与大气压之间的差值较大，源流量会大幅增加，且源瓶受压大幅增加，有爆裂危险，这样，就会产生很多影响磷源或硼源的干扰因素且不易控制。

另外，负压扩散设备载气的流量、温度和压力的过载防护设计也不周全，这不仅直接导致在安全生产高方阻、高均匀性的硅片时显得捉襟见肘，而且，会发生爆炸的危险。因此，如何能如何精准控制扩散炉的源流量并提供有效缜密的防护措施，是目前业界急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于负压扩散炉的源流量控制系统，通过精准控制扩散炉的源流量压力、温度、载气流量、通气时间和对各参数的检测与判断，使通入反应腔室的源流量满足硅片方阻及结深的需求，从而大大减少了源流量的干扰因素。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于负压扩散炉的源流量控制系统，其包括源流量提供单元、载气提供单元和压力控制单元；源流量提供单元放置于源温控制器中，其包括气体输入端和气体输出端，气体输入端和气体输出端分别由单向阀防止倒充；载气提供单元的一端与载气源相连，另一端通过第一控制阀与所述源流量提供单元的气体输入端相连；其中，所述源流量提供单元的气体输入端用于导入载气，所述源流量提供单元的气体输出端用于导出载气和源流量气体的混合物，即工艺气体；压力控制单元连接在所述源流量提供单元输出端与负压扩散炉反应腔室之间，其能感测所述源流量提供单元两端的压力值或所述源流量提供单元输出端的压力值，并通过控制内部阀使压力控制单元入口处的工艺气体压力达到预定值，其中，所述工艺气体的压力预定值小于等于大气压。

优选地，所述工艺气体的压力值取自500毫巴至1个大气压之间的一个值，或一个范围值。

优选地，所述反应腔体中的压力值与所述工艺气体的压力值之比为1:5至1:2之间。

优选地，所述的源流量控制系统还包括设置在所述源流量提供单元的气体输入端的防爆压力防护单元，所述压力防护单元包括压力采集子单元、判断压力是否超过阈值的判断子单元和执行排气子单元，所述执行排气子单元为包括并联在所述源流量提供单元两端的第三阀门和排气阀门，其中，所述排气阀门为连接在第二阀门输入端和大气间的第四阀门和/或第二阀门。

优选地，所述压力防护单元中的判断子单元通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)模组控制。

优选地，所述载气提供单元和第一阀门之间还包括载气流量控制单元。

优选地，所述载气流量控制单元通过PLC模组控制。

优选地，所述的载气为氮气，所述源气为含磷或硼的氯化物或氧化物。

优选地，所述的源流量控制系统还包括管路清洗控制单元，在进行管路清洗时，所述管路清洗控制单元控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和排气阀门打开，以使所述载气提供单元输出的氮气通过第一阀门、第三阀门、压力控制单元管路和排气阀门排放出去。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的装置上述技术方案所提供的源流量控制与防护装置，通过精确控制影响源流量的参数并排除其他干扰因素，加上缜密的安全防护与清洗措施，大大提高了源流量控制精度，节省了大量的工艺气体，极大降低了源瓶爆裂的概率，减少了源对真空部件的腐蚀程度，提高了核心部件的使用寿命，减少了设备维护时间和周期，明显提升了工艺效果，降低了设备综合成本。

附图说明

图1为本发明负压扩散炉的源流量控制系统一较佳实施例的结构示意图

具体实施方式

本领域技术人员清楚,负压扩散炉中的反应腔在进行扩散工艺时,一直处于负压状态下,例如,100毫巴。当源流量（工艺气体）在载气的导引下，进入反应腔体时，如果是以常压状态下进入的话，其压差较大，因此，源流量会大幅增加，且源瓶受压大幅增加，有爆裂危险。本发明的一种用于负压扩散炉的源流量控制系统，是用于辅助负压扩散装置的源控制部分。其主要思路是，通过精确控制新进入反应腔体的工艺气体的压力，在保证新进入反应腔体的工艺气体以一定温度和流速进入前提下，通过减小新进入的工艺气体与腔体中的工艺气体的压力差，从而解决无法精准控制源流量的问题和排除源瓶爆裂的危险。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参阅图1，图1为本发明用于负压扩散炉的源流量控制系统一较佳实施例的结构示意图。在本实施例中，如图1所示，该包括源流量提供单元、载气提供单元和压力控制单元。

源流量提供单元即源瓶8放置于源温控制器中，源瓶8包括气体输入端和气体输出端，气体输入端和气体输出端分别由单向阀防止倒充。源温控制器可以采用现有技术中的任何方式,例如,使用水冷或油冷方式。在本实施例中，源温控制器与工控机10相连，工控机10输入的指令，通过源温控制器对水温或油温进行精确控制，在此不再赘述。

载气提供单元的一端与载气源相连，另一端通过第一控制阀2与源流量提供单元8的气体输入端相连；其中，源流量提供单元8的气体输入端用于导入载气，源流量提供单元8的气体输出端用于导出载气和源流量气体的混合物，即工艺气体。在本实施例中，载气提供单元和第一阀门2之间还包括载气流量控制单元，即载气由气体流量控制器1来控制，流量控制器1可以由PLC模组9控制，PLC模组的设定值由工控机10来发送。

如图1所示,压力控制单元4连接在源流量提供单元8输出端与负压扩散炉反应腔室11之间，也就是说,压力控制单元4的入口与源瓶8出口相连，压力控制单元4的出口与反应腔室11的进气口相连，所有真空接口采用密封圈方式紧固连接。压力控制单元4可以通过感测所述源流量提供单元两端的压力值或源流量提供单元输出端的压力值，并通过控制内部阀使压力控制单元入口处的工艺气体压力达到预定值。在本实施例中，压力控制单元4位于源瓶8出口处，压力控制系单元4不限于模拟量控制或RS232/485控制方式。

需要说明的是，在本发明的实施例中,工艺气体的压力预定值通常小于等于大气压。较佳地，所述工艺气体的压力值取自500毫巴至1个大气压之间的一个值，或一个范围值。在其他一些实施例中，反应腔室11中的压力值与工艺气体的压力值之比为1:2至1:5之间。

总之，气体流量控制器1控制通入源瓶8的载气流量，压力控制单元4控制其入口处的压力值；再加上源瓶8放置于源温控制器中，控制源流量的温度。由于整个控制系统为密闭系统且不受外界干扰，因此，源流量被精准控制，并根据算法可以精确计算并控制源流量大小、温度、稀释程度和压力值了。

再请参阅图1，在本发明的一些较优实施例中，源流量控制系统可以采用设置在源流量提供单元的8气体输入端的防爆压力防护单元7,输入到对源流量提供单元的8气体进行压力监控，如果检测到的压力大于预设阈值,压力防护单元7可以采取措施,防止压力进一步增大。

压力防护单元7通常包括压力采集子单元、判断压力是否超过阈值的判断子单元和执行排气子单元，在本实施例中，执行排气子单元为包括并联在源流量提供单元8两端的第三阀门3和排气阀门，其中，排气阀门为连接在第二阀门6输入端和大气间的第四阀门5和/或第二阀门6。

也就是说,防爆压力采集装置7实时监测载气压力，在位于正常值之外时，一个可以执行的实施例为,通过关闭第一阀门2，开启第三阀门3、第四阀门5将管道中的部分或全部气体排放出去；另一个实施例可以通过关闭第一阀门2，开启第三阀门3、第二阀门6将管道中的部分或全部气体排放出去；再有一个实施例可以通过关闭第一阀门2，开启第三阀门3、第二阀门6和第四阀门5将管道中的部分或全部气体排放出去。这样，可以防止源瓶爆裂或将因源瓶本身质量问题造成的损害降至最低。

在本发明的一些较优实施例中，源流量控制系统可以包括管路清洗控制单元，在进行管路清洗时，管路清洗控制单元控制第一阀门2、第二阀门6、第三阀门3和排气阀门打开，以使载气提供单元输出的氮气通过第一阀门2、第三阀门3、压力控制单元4管路和排气阀门排放出去。排气阀门可以是上述实施例中的第二阀门6和第四阀门5的一个或它们的开启和关闭组合,在此不再赘述。在工艺完毕后清洗控制系统管路，可以延长各部件的使用寿命。

需要说明的是,图1中的PLC模组9是控制可以用于本发明的温度控制,压力控制和管道清洗的核心部件，而工控机10则是自动运行工艺人机交互的一个重要接口。

综上所述，本发明提供的装置上述技术方案所提供的源流量控制与防护装置，通过精确控制影响源流量的参数并排除其他干扰因素，加上缜密的安全防护与清洗措施，大大提高了源流量控制精度，节省了大量的工艺气体，极大降低了源瓶爆裂的概率，减少了源对真空部件的腐蚀程度，提高了核心部件的使用寿命，减少了设备维护时间和周期，明显提升了工艺效果，降低了设备综合成本。即本发明的用于负压扩散炉的源流量控制和防护系统很好地解决了源流量控制和安全防护的问题。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于负压扩散炉的源流量控制系统，其特征在于，包括：

源流量提供单元，放置于源温控制器中，其包括气体输入端和气体输出端，气体输入端和气体输出端分别由单向阀防止倒充；

载气提供单元，其一端与载气源相连，另一端通过第一控制阀与所述源流量提供单元的气体输入端相连；其中，所述源流量提供单元的气体输入端用于导入载气，所述源流量提供单元的气体输出端用于导出载气和源流量气体的混合物，即工艺气体；

压力控制单元，连接在所述源流量提供单元输出端与负压扩散炉反应腔室之间，其能感测所述源流量提供单元两端的压力值或所述源流量提供单元输出端的压力值，并通过控制内部阀使压力控制单元入口处的工艺气体压力达到预定值，其中，所述工艺气体的压力预定值小于等于大气压。

2.如权利要求1所述的源流量控制系统，其特征在于，所述工艺气体的压力值取自500毫巴至1个大气压之间的一个值，或一个范围值。

3.如权利要求2所述的源流量控制系统，其特征在于，所述反应腔体中的压力值与所述工艺气体的压力值之比为1:2至1:5之间。

4.如权利要求1所述的源流量控制系统，其特征在于，还包括设置在所述源流量提供单元的气体输入端的防爆压力防护单元，所述压力防护单元包括压力采集子单元、判断压力是否超过阈值的判断子单元和执行排气子单元，所述执行排气子单元为包括并联在所述源流量提供单元两端的第三阀门和排气阀门，其中，所述排气阀门为连接在第二阀门输入端和大气间的第四阀门和/或第二阀门。

5.如权利要求4所述的源流量控制系统，其特征在于，所述压力防护单元中的判断子单元通过PLC模组控制。

6.如权利要求1所述的源流量控制系统，其特征在于，所述载气提供单元和第一阀门之间还包括载气流量控制单元。

7.如权利要求6所述的源流量控制系统，其特征在于，所述载气流量控制单元通过PLC模组控制。

8.如权利要求1所述的源流量控制系统，其特征在于，所述的载气为氮气，所述源气为含磷或硼的氯化物或氧化物。

9.如权利要求1所述的源流量控制系统，其特征在于，还包括管路清洗控制单元，在进行管路清洗时，所述管路清洗控制单元控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和排气阀门打开，以使所述载气提供单元输出的氮气通过第一阀门、第三阀门、压力控制单元管路和排气阀门排放出去。

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