CN103866393A - 一种减压扩散炉反应管的密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减压扩散炉反应管的密封装置，反应管的开口端设有炉门，所述密封装置包括分别套装于反应管外部的炉门密封法兰和炉管密封法兰，所述炉门密封法兰与炉门接触的端面设有圆环形的内沟槽，并在内沟槽中安装炉门密封圈；炉门密封法兰与炉管密封法兰之间设有套装在反应管上的炉管密封圈；所述密封装置还设有对炉门密封法兰进行冷却的炉门密封法兰冷却机构、对炉管密封法兰进行冷却的炉管密封法兰冷却机构。通过炉门、炉门密封法兰及炉门密封圈、炉管密封法兰及其炉管密封圈相互组合，实现反应管的轴向和径向方向的多重密封，保证了密封性能的可靠性，防止密封圈过热损坏，提高了密封圈的使用寿命。

Description

一种减压扩散炉反应管的密封装置

技术领域

本发明属于电子半导体工艺特别是晶体硅太阳能电池生产专用装备领域，具体为一种减压扩散炉反应管的密封装置。

背景技术

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，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。在太阳能晶硅电池制造工艺中，常采用热扩散工艺制备PN结，即在加热条件下将Ｖ族杂质元素磷掺入P型硅或将III族杂质硼掺入N型硅中，PN结特性对于太阳能电池的转换效率有重要影响，是太阳能电池性能的决定性因素之一。随着太阳能电池向高效方向发展，硅片表面掺杂浓度不断降低，PN结的结深越来越浅，方块电阻从40到100Ω/口不断增加，未来的高效晶体硅太阳能电池正在向浅结扩散的方向发展。目前传统的太阳能生产线主要采用常压扩散工艺，即扩散过程中，扩散炉工作腔内压力保持常压或微正压，常压扩散工艺对扩散炉工作腔的密封性要求低，无需可靠的密封结构，甚至可直接采用非密闭炉管结构，技术较为简单，然而，随着结深的不断变浅，常压扩散对硅片掺杂均匀性的控制越来越差，难以制备高质量的浅结PN结，此外，常压扩散中化学品的吸收率低，消耗量大，已经很难满足太阳能电池高效、低成本发展的技术要求。

随着扩散技术的不断进步，研究人员发现降低扩散炉工作腔内的气压会提高扩散炉管内气流的均匀性，避免湍流产生，从而提高扩散的均匀性，据报道，目前，国外先进的减压扩散技术可使晶体硅电池在高至150Ω/sq的方块电阻范围内仍具有优异的扩散均匀性，为晶体硅太阳能电池效率的进一步提高奠定了基础。此外，减压扩散还有诸多优点，例如随着方阻均匀性的提高，装片石英舟槽间距设计可由目前标准的4.72mm降为标准值的一半左右2.38mm，甚至可降至2mm以下，这样带来的效果是在设备体积不变的情况下产能大幅提升。另外，采用减压工艺以后，扩散过程化学品的吸收效率大幅提高，可大大降低工艺过程中化学品的用量，节省成本。鉴于减压扩散所具有的高均匀性、高产能、和低消耗的优势，减压式扩散炉能够在低成本和小占地面积的情况下生产高品质的太阳电池，为晶体硅太阳电池扩散工艺设定了全新标准，是未来扩散工艺发展的趋势。目前在国内还没有减压扩散设备的报道，相关研究文献报道也很少，减压扩散设备关键技术作为技术和商业秘密掌握于国外少数几家大公司，而国内产品尚属空白，突破减压扩散设备核心技术，对于打破国外技术垄断，实现设备国产化，进一步降低光伏发电成本，推动产业发展具有重要意义。

扩散炉反应管在炉口设有炉门，炉门在驱动机构的作用下可打开和关闭，扩散工艺前，炉门打开，送料机构（送料浆）将载有硅片的石英舟送入炉管内，然后送料浆退出，炉门关闭，接着进行电加热和输送工艺气体，开始扩散工艺过程。减压扩散反应管的压力为负压，工艺过程中反应管的密封性要求极高，如果密封不良，一方面可能无法形成减压扩散所需要的低压环境，不能满足工艺的负压条件要求；另一方面，在外部大气压力作用下，反应管外气体、杂质等可进入反应管中，严重影响ＰＮ结制备的质量，导致产品报废。所以工艺过程中需对扩散炉反应管进行严格密封，而对反应管实施密封时需要考虑反应管的高温环境，如在三氯氧磷扩散过程中，需通过加热将扩散炉工作腔内温度升至850-900度，而采用固态氮化硼扩散时，扩散温度更高，炉内温度达到950-1000度，而密封圈可承受的最高温度一般为300-400度，在如此高的温度环境下，密封圈直接跟炉管接触很容易因温度过高而熔化损坏，导致密封失效，所以在实现高温扩散炉工作腔密封时需要考虑到工作环境的特殊性，即需要考虑密封结构的耐高温设计，如何实现减压扩散炉反应管在低压、高温环境下的可靠密封，是减压扩散炉设备的关键技术之一。 

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种减压扩散炉反应管的密封装置，通过组合式的密封结构实现炉管轴向和径向的密封，实现减压扩散炉反应管在低压、高温环境下的可靠密封。

本发明的技术方案为，一种减压扩散炉反应管的密封装置，反应管的开口端设有炉门，所述密封装置包括分别套装于反应管外部的炉门密封法兰和炉管密封法兰，所述炉门密封法兰置于反应管的开口端且炉门密封法兰的一个端面与封闭后的炉门接触，而炉门密封法兰的另一个端面与炉管密封法兰贴紧且炉门密封法兰与炉管密封法兰之间通过螺栓连接，所述炉门密封法兰与炉门接触的端面设有圆环形的内沟槽，并在内沟槽中安装炉门密封圈；所述炉门密封法兰与炉管密封法兰之间设有套装在反应管上的炉管密封圈；所述密封装置还设有对炉门密封法兰进行冷却的炉门密封法兰冷却机构、对炉管密封法兰进行冷却的炉管密封法兰冷却机构。

炉门关闭后，在炉门驱动机构气缸的作用力下炉门与炉门法兰的一个端面紧密贴合，炉门密封圈受挤压产生变形，实现扩散炉反应管的轴向密封。再通过炉门密封法兰冷却机构对炉门法兰进行冷却，防止炉门密封圈周围环境温度过高，有效避免了炉门密封圈的过热损坏，延长了炉门密封圈的使用寿命。炉管密封圈置于炉门密封法兰、炉管密封法兰、反应炉管三者中间，在螺纹联接作用下，炉管密封圈与炉门法兰、炉管法兰、反应管三者紧密贴合，密封圈受挤压产生变形，实现扩散炉反应管的径向密封。再通过炉管密封法兰冷却机构对炉管法兰进行冷却，防止炉管密封圈周围环境温度过高，有效避免了炉管密封圈的过热损坏，延长了炉管密封圈的使用寿命。

所述炉门密封法兰冷却机构包括设在与炉门接触的炉门密封法兰端面上的圆环形的外沟槽、安装在外沟槽中的炉门密封法兰冷却管道，所述炉门密封法兰冷却管道中通入冷却液。

所述炉门密封法兰中的内沟槽置于反应管外端面与外沟槽之间，冷却效果更好。

所述炉管密封法兰冷却机构包括设在炉管密封法兰端面的环形凹槽、固定在炉管密封法兰上并将环形凹槽覆盖住的法兰挡圈、向环形凹槽内通入冷却液的进液接头、从环形凹槽内排出冷却液的排液接头，所述环形凹槽与法兰挡圈配合形成供冷却液流动的液体通道。工作时，冷却液通过进液接头进入炉管密封法兰，流经炉管密封法兰内部的液体通道后，从排液接头排出，带走炉管密封法兰的热量。

相对而言，炉门密封法兰的温度较低，冷却要求不高，采用结构简单、成本低廉的缠绕式炉门密封法兰冷却管道比较合适；而炉管密封法兰的温度较高，冷却要求也高，采用在法兰中加工水路通道，用冷却水通过水冷接头直接对法兰进行冷却的效果更好，只是相对来说结构复杂些。

所述进液接头与排液接头之间的环形凹槽中设有隔液片，使进入炉管密封法兰的冷却液在炉管密封法兰内部的液体通道中充分形成循环流动。

所述炉门密封圈为O型密封圈。

冷却液可选用水，简单、方便，冷却效果好。

所述炉门密封法兰、炉管密封法兰均采用气炼石英材料制成，避免了在高温环境下金属杂质进入到扩散炉反应管内部，保证了产品质量。

本发明为一种减压扩散炉反应管的密封装置，有如下有益效果：

１）组合式密封结构实现反应管的可靠密封。

通过炉门、炉门密封法兰及炉门密封圈、炉管密封法兰及其炉管密封圈相互组合，实现反应管的轴向和径向方向的多重密封，保证了密封性能的可靠性，使扩散炉能够形成减压扩散工艺所需要的低压条件，也避免了反应管外气体、杂质等进入反应管内，保证了PN结制备质量。

２）循环液冷却，有效提高密封圈的使用寿命。

采用水冷方式对炉门密封法兰和炉管密封法兰进行冷却，防止密封圈过热损坏，提高了密封圈的使用寿命。

３）实现减压工艺，提升技术水平。

通过本发明提出的一种适用于减压扩散炉反应管的密封装置，可形成减压扩散的负压工艺条件，使设备具有高均匀性、高产能、和低消耗的优势，能够在低成本和小占地面积的情况下生产高品质的太阳电池，进一步提高晶硅太阳能电池效率，降低成本。

４）结构简单，实施简便。

适用于减压扩散炉反应管的密封装置结构简单，成本低廉，可直接应用于现有标准化的石英炉管，不仅适用于新型减压扩散炉的设计，对于已购置扩散炉设备的生产厂商而言，也可在原有机型的基础上进行技术升级改造，普通推广应用简便。

附图说明

图1为本发明所述密封装置的结构示意图；

图2为图1中的A部放大图；

图3为炉门密封法兰的结构示意图；

图4为炉管密封法兰的结构主视图；

图5为炉管密封法兰的结构侧视图。

具体实施方式

    如图1、图2所示，一种减压扩散炉反应管的密封装置，反应管2的开口端设有炉门1，密封装置包括分别套装于反应管2外部的炉门密封法兰3和炉管密封法兰6，炉门密封法兰3置于反应管2的开口端且炉门密封法兰3的一个端面与封闭后的炉门1接触，而炉门密封法兰3的另一个端面与炉管密封法兰6贴紧且炉门密封法兰3与炉管密封法兰6之间通过螺栓连接；所述炉门密封法兰3与炉门1接触的端面设有圆环形的内沟槽，并在内沟槽中安装炉门密封圈4；所述炉门密封法兰3与炉管密封法兰6之间设有套装在反应管2上的炉管密封圈7；所述密封装置还设有对炉门密封法兰3进行冷却的炉门密封法兰冷却机构、对炉管密封法兰6进行冷却的炉管密封法兰冷却机构。

如图3所示，炉门密封法兰冷却机构包括设在与炉门1接触的炉门密封法兰3端面上的圆环形的外沟槽、安装在外沟槽中的炉门密封法兰冷却管道5，所述炉门密封法兰冷却管道5中通入冷却液；炉门密封法兰3中的内沟槽置于反应管2外端面与外沟槽之间。

如图4、图5所示，炉管密封法兰冷却机构包括设在炉管密封法兰6端面的环形凹槽10、固定在炉管密封法兰6上并将环形凹槽10覆盖住的法兰挡圈9、向环形凹槽10内通入冷却液的进液接头11、从环形凹槽10内排出冷却液的排液接头8，所述环形凹槽10与法兰挡圈9配合形成供冷却液流动的液体通道；进液接头11与排液接头8之间的环形凹槽10中设有隔液片12。

炉门密封圈4为O型密封圈。

炉门密封法兰3、炉管密封法兰6均采用气炼石英材料制成。

Claims (8)

1. 一种减压扩散炉反应管的密封装置，反应管（2）的开口端设有炉门（1），其特征是，所述密封装置包括分别套装于反应管（2）外部的炉门密封法兰（3）和炉管密封法兰（6），所述炉门密封法兰（3）置于反应管（2）的开口端且炉门密封法兰（3）的一个端面与封闭后的炉门（1）接触，而炉门密封法兰（3）的另一个端面与炉管密封法兰（6）贴紧且炉门密封法兰（3）与炉管密封法兰（6）之间通过螺栓连接；所述炉门密封法兰（3）与炉门（1）接触的端面设有圆环形的内沟槽，并在内沟槽中安装炉门密封圈（4）；所述炉门密封法兰（3）与炉管密封法兰（6）之间设有套装在反应管（2）上的炉管密封圈（7）；所述密封装置还设有对炉门密封法兰（3）进行冷却的炉门密封法兰冷却机构、对炉管密封法兰（6）进行冷却的炉管密封法兰冷却机构。

2.根据权利要求1所述减压扩散炉反应管的密封装置，其特征是，所述炉门密封法兰冷却机构包括设在与炉门（1）接触的炉门密封法兰（3）端面上的圆环形的外沟槽、安装在外沟槽中的炉门密封法兰冷却管道（5），所述炉门密封法兰冷却管道（5）中通入冷却液。

3.根据权利要求2所述减压扩散炉反应管的密封装置，其特征是，所述炉门密封法兰（3）中的内沟槽置于反应管（2）外端面与外沟槽之间。

4.根据权利要求1所述减压扩散炉反应管的密封装置，其特征是，所述炉管密封法兰冷却机构包括设在炉管密封法兰（6）端面的环形凹槽（10）、固定在炉管密封法兰（6）上并将环形凹槽（10）覆盖住的法兰挡圈（9）、向环形凹槽（10）内通入冷却液的进液接头（11）、从环形凹槽（10）内排出冷却液的排液接头（8），所述环形凹槽（10）与法兰挡圈（9）配合形成供冷却液流动的液体通道。

5.根据权利要求4所述减压扩散炉反应管的密封装置，其特征是，所述进液接头（11）与排液接头（8）之间的环形凹槽（10）中设有隔液片（12）。

6.根据权利要求1所述减压扩散炉反应管的密封装置，其特征是，所述炉门密封圈（4）为O型密封圈。

7.根据权利要求1所述减压扩散炉反应管的密封装置，其特征是，所述炉门密封法兰（3）采用气炼石英材料制成。

8.根据权利要求1所述减压扩散炉反应管的密封装置，其特征是，所述炉管密封法兰（6）采用气炼石英材料制成。

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