CN103710758B - 一种负压扩散炉反应腔室压力控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负压扩散炉反应腔室压力控制系统及控制方法，其包括尾气管、真空泵和压力控制单元；尾气管接收反应腔室排出的尾气，真空泵的一端通过第一控制阀与尾气管的输出端相连，另一端与排酸管道输入端相连；其中，第一控制阀只具有完全打开或完全关闭两种工作状态；压力控制单元包括至少一个压力传感器、判断模块和执行模块；判断模块接收传感器发送的压力检测结果，并与预定压力值进行比较，得到压力检测结果值是否需要调整以及调整值的信息，执行模块调整或保持真空泵的抽真空能力。因此，本发明的负压扩散炉反应腔室压力控制系统具有耐腐蚀、高控制精度、低维护成本和高可靠性及耐用性等优点。

Description

一种负压扩散炉反应腔室压力控制系统及控制方法

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反应腔室压力控制系统。

背景技术

扩散炉是半导体、光伏生产线前道工序的最重要工艺设备，扩散工艺的主要用途是将元素磷或硼扩散入硅片，从而改变和控制硅片内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。而扩散炉尾气压力平衡系统是保证方块电阻的均匀性的重要前提。

请参阅图1,图1所示为图1为现有技术（中国专利申请号为201020666034）中扩散炉尾气压力平衡系统的结构示意图。如图所示，该系统包括真空反应室1、压力传感器2、PLC控制器3、蝶阀4、蝶阀后端管道5、真空泵6、蝶阀前端管道7。其中，真空反应室1与蝶阀前端管道7相连，蝶阀4接在蝶阀前端管道7与蝶阀后端管道5之间，蝶阀后端管道5与真空泵6相连，压力传感器2安装在蝶阀前端管道7上，用于测量真空反应室1的气压，压力传感器2的信号线与PLC控制器3相连，PLC控制器3的蝶阀控制信号线与蝶阀4相连。

通过压力传感器测量真空腔室内的气压P_测，将气压信号传入PLC控制器，PLC控制器将测得的气压值与预设的标准值P_标进行比较，若P_测>P_标,则PLC控制器发出增大蝶阀流通截面的信号，减小蝶阀的流阻，从而减小真空室内的气压；若P_测<P_标,则PLC控制器发出减小蝶阀流通截面的信号，增大蝶阀的流阻，从而增大真空腔室内的气压。

然而，当涉及到扩散工艺高温真空氛围控制时，由于经过扩散工艺后尾气中含有偏磷酸（或溴蒸汽）等腐蚀性气体和液体，上述专利申请文件所涉及的压力平衡系统会出现如下问题：

①、常规的控制零部件（例如，传感器、管道或蝶阀等），在酸性环境中容易腐蚀，会导致其使用寿命急剧下降，特别是蝶阀的阀门，在使用过程中长时间处于酸性环境状态中，腐蚀很大，因此，使用蝶阀的成本很高；

②、蝶阀的开启程度控制需要昂贵的PID算法控制器，算法复杂，虽然目前可以用PLD可编程控制器实现PID算法，但价格还是比较昂贵；

③、真空密封在800℃以上且不引入金属离子的要求大大增加了技术难度，且耐腐蚀真空泵等因市场规模较小且较高端，成本也一直难以下降；此外，尾气高温会导致传感器等部件快速失效，从而导致负压扩散炉的反应腔室压力控制失灵。

再加上，随着太阳能电池向大尺寸、超薄化方向发展以及低的表面杂质浓度，传统闭管扩散炉陈旧的设计已经不能满足要求。经实验室验证，负压状态下的扩散技术优势非常明显，负压工艺中低的杂质源饱和蒸汽压，提高了杂质的分子自由程度，从而大幅提升了方块电阻的均匀性，并能增倍提升产量，是高品质扩散的首选与环境友好型的生产方式，且N型硅片硼扩散在均匀性和功耗上优势明显。

但是，反应腔室的负压效应，给控制的技术方案增加了很多的难度，目前业界还没有切实可行的负压扩散炉反应腔室压力控制的技术方案出台。因此，如何能精准控制负压扩散炉反应腔室的压力并大幅度地降低成本，是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负压扩散炉反应腔室压力控制装置及其控制方法，其能实现合理有效地控制负压扩散炉反应腔室中的压力平衡，且能大幅度地降低控制成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种负压扩散炉反应腔室压力控制系统，包括尾气管、真空泵和压力控制单元；所述尾气管与所述反应腔室的排气输出端相连，其输入端接收所述反应腔室气体输出的尾气；所述真空泵的一端通过第一控制阀与所述尾气管的输出端相连，另一端与排酸管道输入端相连；其中，所述第一控制阀只具有完全打开或完全关闭两种工作状态；压力控制单元包括至少一个压力传感器、判断模块和执行模块。压力传感器用于检测所述尾气管中气体的压力；判断模块接收所述传感器发送的压力检测结果，并与预定压力值进行比较，得到压力检测结果值是否需要调整以及调整值的信息；执行模块接收所述判断模块发出的信息，调整或保持所述真空泵的抽真空能力。

优选地，所述真空泵由带有变频器的泵电机驱动，所述压力控制单元中的执行模块通过改变所述变频器的频率，来改变所述泵电机的转速。

优选地，所述真空泵为防腐蚀隔膜泵。

优选地，所述尾气管的前端伸至反应腔室的炉口，其后端外侧壁与所述反应腔室使用密封圈密封连接。

优选地，所述尾气管的材料为聚四氟乙烯。

优选地，所述尾气管的外围安装有至少一个降温装置。

优选地，所述压力传感器为防腐蚀或充气保护的压力传感器。

优选地，所述压力传感器测量压力的方式为绝压或压差方式，与所述判断模块的通信方式为模拟量或端口通信协议方式。

优选地，所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统还包括第二阀门，所述第二阀门的一端与所述第一阀门的输入端相连，另一端与所述排酸管道相连，其中，所述第一控制阀只具有完全打开或完全关闭两种工作状态。

优选地，所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统还包括防爆控制模块，当检测到反应腔室充气达到大气压后，防爆控制模块控制第一阀门关闭，第二阀门开启。

优选地，所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统还包括氛围稳定模块，当设备闲置时，所述反应腔室进气口充入保护气体，氛围稳定模块控制第一阀门关闭，第二阀门开启。

优选地，所述的第一阀门和第二阀门为气动阀。

为实现上述目的，本发明还提供一种采用上述负压扩散炉反应腔室压力控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：尾气管接收所述反应腔室气体输出的尾气；其中，所述尾气的压力小于1个大气压；

步骤S2：压力传感器检测所述尾气管中气体的压力；

步骤S3：判断所述传感器发送的压力检测结果，并与预定压力值进行比较，得到压力检测结果值是否需要调整以及调整值的信息；

步骤S4：接收所述是否需要调整以及调整值的信息，控制所述真空泵的抽真空能力。

优选地，在步骤S4中，所述真空泵由带有变频器的泵电机驱动，所述是否需要调整以及调整值的信息是通过改变所述变频器的频率，实现改变所述泵电机转速的。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的上述技术方案所提供的一种反应腔室压力控制系统，通过控制泵电机转速来达到控制腔室压力的目的，避免了使用难以选型的控制阀、昂贵的PID算法控制器和其他非主流应用的昂贵部件，也避免了使用耗费大量气体的充气调压方式，不仅实现了负压扩散炉反应腔室压力的精确快速控制，还从设计角度节省了大量的工艺气体和部件成本。经过大量的试验验证，此发明调节快速、工艺高效，成本低廉，耐用稳定，为负压扩散炉在光伏行业的大规模应用打开了全新的局面。

附图说明

图1为现有技术中扩散炉尾气压力平衡系统一实施例的结构示意图

图2为本发明负压扩散炉反应腔室压力控制系统一较佳实施例的结构示意图

具体实施方式

在采用负压扩散炉进行扩散工艺时,反应腔室内的高温真空氛围，以及扩散后尾气中含有偏磷酸等腐蚀性气体和液体，对控制系统中零件的提出了很高的要求。本发明的一种负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其主要思路设计思路是，为保持这种恒定的负压，在满足控制负压扩散炉反应腔室中控制压力平衡的情况下，可以对进入反应腔体后需排放的工艺尾气压力，通过调整真空泵的抽真空能力进行反应腔体内的负压控制。

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2，图2为本发明负压扩散炉反应腔室压力控制系统一较佳实施例的结构示意图。在本实施例中，该系统包括尾气管3、压力传感器4、第一气动阀5、第二气动阀6、真空泵7、变频器9、变频电机8、接线、PLD算法控制器（图未示）和其他防护部件等。

如图2所示，满足压力、温度和流速的工艺气体从反应腔体2的输入口1进入，对放置在反应腔体2中的晶圆进行扩散等工艺流程。需要说明的是，反应腔体2中的压力通常小于一个大气压。尾气管3的前端伸至反应腔室2的炉口，接收反应腔室2气体输出的尾气，其后端外侧壁与反应腔室2可以使用密封圈密封连接。尾气管3伸入反应腔室2的部分可以为石英材料，外接部分可以选择耐酸性材料，例如，可以为聚四氟乙烯。

在本实施例中，真空泵7一端通过第一控制阀6与尾气管3的输出端相连，另一端与排酸管道10输入端相连，通过真空吸力，将尾气管3中引出的尾气从排酸管道10中排出。真空泵7可以选择但不限于防腐蚀真空泵。较佳地，真空泵7可以采用防腐蚀隔膜泵。在本发明的一些实施例中，通常，尾气管3输入端的前端伸至反应腔室2的炉口，其后端与反应腔室2使用密封圈密封连接。尾气管3的材料可以选择耐酸性材料，例如，为聚四氟乙烯。

需要说明的是，第一控制阀6为只具有完全打开或完全关闭两种工作状态的阀门，不需要很复杂的PID控制算法，就可以控制第一控制阀6进入开启或关闭状态，在一些实施例中，可以采用PLC可编程控制器即可实现所需的控制功能，技术成熟，成本很低。另外，第一控制阀6在工作状态时，处于开启状态，同尾气中的酸性气体接触时间较短，使用寿命会较长，加上第一控制阀6可以是气动阀，价格便宜，因此，整个系统的成本会下降很多。

在本发明的实施例中，如图2所示，反应腔体2的负压是通过采用压力控制单元（图未示）实现的。压力控制单元通常可以安装在负压扩散炉反应腔室2的尾气管3的出口和设备排酸管道10之间。其控制原理如下：压力控制单元可以包括一个或多个压力传感器4、判断模块和执行模块。压力传感器4用于检测尾气管3中气体的压力；判断模块接收传感器4发送的压力检测结果，并与预定压力值进行比较，得到压力检测结果值是否需要调整以及调整值的信息；执行模块接收判断模块发出的信息，调整或保持真空泵7的抽真空力。

判断模块的功能可以由软件、硬件或软硬件相结合的设备完成，例如，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。执行模块的功能可以通过任何现有技术中，能控制真空泵7的抽真空力的软件、硬件或软硬件相结合的设备完成，在此不再赘述。

请再参阅图2,在本实施例中，真空泵7可以是由带有变频器9的泵电机8驱动，压力控制单元4中的执行模块就是变频器9,其通过改变变频器9的频率，来改变泵电机8的转速。此时，压力传感器4实时采集尾气管3中的实时压力值后，通过通信端口发送压力值信息到可编程逻辑控制器（图未示）,可编程逻辑控制器根据一定的算法将其与压力设定值比较分析。如果实时压力值大于压力设定值，那么,将该比较结果交给执行模块即变频器9，变频器9通过改变泵电机8的频率,从而增大真空泵7的抽真空力；如果实时压力值小于压力设定值，那么,将该比较结果交给执行模块即变频器9，变频器9通过改变泵电机8的频率,从而减小真空泵7的抽真空力；上述两种情况，一直持续到实时压力值等于压力设定值，变频器9将泵电机8的频率调回到正常工作频率,即真空泵7恢复到标准设定的抽真空力。

其实,在实际的控制过程中，当反应腔室2的压力接近设定压力时，泵电机8转速已经开始变慢，并以一定速率维持反应腔室2的进气口1和尾气管3之间流通的气体量平衡，从而将压力维持在设定值附近。

进一步地,在一些实施例中,还可以包括第二阀门5、防爆控制模块和氛围稳定模块。第二阀门5的一端与第一阀门6的输入端相连，另一端与排酸管道10相连，其中，第二控制阀5与第一控制阀6相同,可以只具有完全打开或完全关闭两种工作状态。并且,第二控制阀5与第一控制阀6相同,可以为气动阀。

由于反应腔室2为负压反应腔,不能耐高压。需要在达到某一限定阈值时,给反应腔室2减压。例如，当检测到反应腔室2充气达到大气压后，防爆控制模块就会控制第一阀门6关闭，第二阀门5开启，尾气管3排出的气体经第一阀门5,从排酸管道10排出,防止过冲导致反应腔室2爆裂。

当设备闲置时，氛围稳定模块控制第一阀门6关闭，第二阀门5开启,反应腔室2进气口1充入保护气体，例如,N2,流经尾气管3和第一阀门5后,从排酸管道10排出,其目的在于维持反应腔室2内氛围的稳定。

需要说明的是，第二控制阀5是只具有完全打开或完全关闭两种工作状态的阀门，不需要很复杂的PID控制算法，只需要控制其进入开启或关闭状态即可，用PLC可编程控制器即可实现所需的控制功能；另外，第二控制阀5在工作状态时，一般处于开启状态，同尾气中的酸性气体接触时间较短，使用寿命会较长，再加上第二控制阀5可以是气动阀，价格便宜，因此，整个系统的成本下降很多。

另外,本领域技术人员清楚，刚从反应腔室2进入尾气管3的尾气温度很高，通常在800℃以上，为了使流经第一阀门6、第二阀门5、真空泵7等零部件的尾气温度快速下降，在本发明的实施例中，可以在尾气管3的外围安装有一个或多个一个降温装置，这些降温装置可以是采用风冷、水冷或油冷降温装置，在此不再赘述。

下面简单叙述一下采用上述负压扩散炉反应腔室压力控制系统的控制方法，其包括如下步骤：

步骤S1：尾气管接收反应腔室气体输出的尾气；其中，尾气的压力小于1个大气压；

步骤S2：压力传感器检测尾气管中气体的压力；

步骤S3：判断传感器发送的压力检测结果，并与预定压力值进行比较，得到压力检测结果值是否需要调整以及调整值的信息；

步骤S4：接收是否需要调整以及调整值的信息，控制真空泵的抽真空力。

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 (13)

1.一种负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，包括：

尾气管，其输入端接收所述反应腔室气体输出的尾气；其中，所述尾气的压力小于1个大气压；

真空泵，其一端通过第一阀门与所述尾气管的输出端相连，另一端与排酸管道输入端相连；其中，所述第一阀门只具有完全打开或完全关闭两种工作状态，且真空泵是由带有变频器的泵电机驱动；

压力控制单元，其包括：

至少一个压力传感器，用于检测所述尾气管中气体的压力；

判断模块，接收所述传感器发送的压力检测结果，并与预定压力值进行比较，得到压力检测结果值是否需要调整以及需要调整值的信息；

执行模块，接收所述判断模块发出的信息，调整或保持所述真空泵的抽真空能力。

2.如权利要求1所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述真空泵由带有变频器的泵电机驱动，所述压力控制单元中的执行模块通过改变所述变频器的频率，来改变所述泵电机的转速。

3.如权利要求1或2所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述真空泵为防腐蚀隔膜泵。

4.如权利要求1所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述尾气管的前端伸至反应腔室的炉口，其后端外侧壁与所述反应腔室使用密封圈密封连接。

5.如权利要求4所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述尾气管伸入反应腔室部分为石英材料，外接部分为聚四氟乙烯。

6.如权利要求1所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述尾气管的外围安装有至少一个降温装置。

7.如权利要求1所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述压力传感器为防腐蚀或充气保护的压力传感器。

8.如权利要求1所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述压力传感器测量压力的方式为绝压或压差方式，与所述判断模块的通信方式为模拟量或端口通信协议方式。

9.如权利要求1所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，还包括第二阀门，所述第二阀门的一端与所述第一阀门的输入端相连，另一端与所述排酸管道相连，其中，所述第一阀门只具有完全打开或完全关闭两种工作状态。

10.如权利要求9所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，还包括防爆控制模块，当检测到反应腔室充气达到大气压后，防爆控制模块控制第一阀门关闭，第二阀门开启。

11.如权利要求9所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，还包括氛围稳定模块，当设备闲置时，所述反应腔室进气口充入保护气体，氛围稳定模块控制第一阀门关闭，第二阀门开启。

12.如权利要求10所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统，其特征在于，所述的第一阀门和第二阀门为气动阀。

13.一种采用权利要求1所述的负压扩散炉反应腔室压力控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：尾气管接收所述反应腔室气体输出的尾气；其中，所述尾气的压力小于1个大气压；

步骤S2：压力传感器检测所述尾气管中气体的压力；

步骤S3：判断所述传感器发送的压力检测结果，并与预定压力值进行比较，得到压力检测结果值是否需要调整以及调整值的信息；

步骤S4：接收所述是否需要调整以及调整值的信息，控制所述真空泵的抽真空能力，其中，所述真空泵由带有变频器的泵电机驱动，所述是否需要调整以及调整值的信息是通过改变所述变频器的频率，实现改变所述泵电机转速的。