CN105349755A - 一种应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，包括与反应管内部连通以排放废气的排气法兰，所述排气法兰固定套装于反应管管口，一端与炉门密封抵接，另一端同轴紧贴水冷法兰，所述水冷法兰紧贴排气法兰的一端面开设锥形槽，所述锥形槽与水冷法兰同轴布置且大端朝外，所述锥形槽的锥形面与排气法兰、反应管外壁围成锥形环腔，所述锥形环腔内装设第一密封圈，所述第一密封圈与锥形槽的锥形面、排气法兰以及反应管外壁均抵接。本发明具有密封可靠、能实现废气处理且结构简单等优点。

Description

一种应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置

技术领域

本发明涉及电子半导体工艺专用装备技术领域，尤其涉及一种应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置。

背景技术

随着集成电路进入特征线宽0.13um和0.08um的超大规模集成电路（VLSI）时代，人们对硅片的质量提出了更高的要求，即要求硅片的晶格缺陷更少以及对器件有害的杂质含量更低。在集成电路制造中，当硅中晶格缺陷的线度达到集成电路特征线宽的1/3以上时，就能成为致命的缺陷，导致器件失效。研究表明，硅中很多晶格缺陷大部分与氧有关，对于硅单晶，由于石英坩埚与熔融硅的作用，使氧进入硅单晶并处于过饱和状态，在器件加工过程中，过饱和的氧容易凝聚，形成诸如氧化层位错、氧沉淀等缺陷（BMD）。这些缺陷若处于器件的有源区，则会导致器件失效。此外，近十年来研究发现的硅中更微小的原生缺陷如晶体的原生颗粒缺陷（COP）、激光散射层析缺陷（LSTD）等，都与硅中的氧有关。提升硅片质量的关键是制作器件的硅表层中形成低氧区，以减少晶格缺陷。途径之一就是采用氢气退火工艺，在氢气中进行高温退火，通过氢促进氧的外扩散，与氧反应将氧消耗掉，使硅片表层形成低氧区，以改善硅片质量。研究表明，氢气退火能降低硅片中氧化层错密度约一个数量级，对于减少硅片COP、LSTD等缺陷也有明显效果。此外，在半导体器件表面金属化以后也常采用氢气退火工艺，这样可以减少孔隙率，增加镀层的致密度，增强电镀层与底层金属的结合力，以保证硅和金属之间形成良好欧姆接触，如在光伏电池生产中，采用退火工艺可有效降低电池Rs，提高FF，特别是对背Al电极工艺出了问题，接触电阻偏高的电池片，可以试用FOG氢气退火来弥补。

氢气退火炉的安全性至关重要，这主要是由于在工艺过程中采用了易燃、易爆的氢气作为工艺气体，稍有不慎即有可能发生着火或爆炸事故。空气中氢气的爆炸极限为4%-72%，且着火点低，因此，安全使用氢气进行退火工艺的核心就是让氢气和氧气隔离或使混合气体无法达到爆炸极限。传统的氢气退火炉使用混合性气体，一般由量大的氮气与量小的氢气所组成（N：96%，O：4%），用这种混合性气体替换工艺腔的氢气流，通过混合性气体中微量氢气与硅片中的氧发生反应，使硅片表层形成低氧区。这种混合性气体具有非易爆性，属于安全气体，很多场合可以跟氮气一样来对待，对反应管的密封无特殊要求。氢气退火形成的低氧区的质量和厚度除受退火温度和退火时间影响外，还与氢气浓度相关，氢气纯度越高，杂质越容易从金属表面逸出，杂质去除的速度越快，效果越好，随着现代半导体器件的发展，纯氢气退火的需求越来越多。在纯氢气退火中，反应管中的氢气纯度高达99.99%以上，一般情况下氮气不进入反应管（氮气仅用来吹扫退火空间，只有在故障处理等紧急情况下才用氮气对反应管退火空间进行吹扫或充当保护气体继续完成退火过程）。保证纯氢气退火的安全性的关键在于，一方面要实现氢气退火炉反应管在高温环境下的可靠密封，防止氢气泄漏，另一方面，须对工艺过程残余氢气进行处理，以防止废气中残余氢气聚集达到爆炸极限而发生安全事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种密封可靠、能实现废气处理且结构简单的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，包括与反应管内部连通以排放废气的排气法兰，所述排气法兰固定套装于反应管管口，一端与炉门密封抵接，另一端同轴紧贴水冷法兰，所述水冷法兰紧贴排气法兰的一端面开设锥形槽，所述锥形槽与水冷法兰同轴布置且大端朝外，所述锥形槽的锥形面与排气法兰、反应管外壁围成锥形环腔，所述锥形环腔内装设第一密封圈，所述第一密封圈与锥形槽的锥形面、排气法兰以及反应管外壁均抵接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述水冷法兰远离排气法兰的一端同轴紧贴辅助法兰，所述水冷法兰紧贴辅助法兰的一端开设另一锥形槽，所述锥形槽的锥形面与辅助法兰、反应管外壁围成锥形空腔，所述锥形空腔内装设第二密封圈，所述第二密封圈与锥形槽、辅助法兰以及反应管管壁均抵接。

所述水冷法兰内部设有冷却水进口、冷却水出口以及连通进、出口的冷却通道，所述冷却通道为平行于第一密封圈、第二密封圈的环形密闭回路。

所述炉门上设有炉门密封圈，所述炉门与排气法兰之间通过炉门密封圈密封抵接。

所述排气法兰内部设有将排气法兰抵靠于反应管端部的止口，所述排气法兰、水冷法兰和辅助法兰通过紧固件同轴紧固连接。

所述排气法兰内开设与反应管内部连通的废气排放通道，所述废气排放通道通过波纹管与远离反应管的废气燃烧室连通。

所述废气燃烧室包括点火枪和围设于点火枪外周的电阻加热丝，所述点火枪的点火口与波纹管连通。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，排气法兰密封套装于反应管管口，与反应管内部连通用于排放废气，防止废气中残余氢气聚集达到爆炸极限而发生安全事故；此排气法兰的一端与炉门密封抵接，实现反应管的轴向可靠密封，另一端与水冷法兰之间通过第一密封圈密封，此第一密封圈装设于锥形环腔内，与锥形槽的锥形面、排气法兰以及反应管1外壁均抵接，实现反应管的径向可靠密封，此结构可直接应用于现有标准化的石英炉管中，无需对石英管进行改造，结构简单、密封可靠。

附图说明

图1是本发明的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置的结构示意图。

图2图1在A处的放大结构示意图。

图3是本发明中的水冷法兰的结构示意图。

图4是本发明的废气燃烧室的结构示意图。

图中各标号表示：

1、反应管；2、炉门；20、炉门密封圈；3、排气法兰；31、止口；32、废气排放通道；4、水冷法兰；40、锥形槽；400、锥形环腔；41、冷却水进口；42、冷却水出口；43、冷却通道；5、辅助法兰；6、第一密封圈；7、第二密封圈；8、紧固件；9、波纹管；10、废气燃烧室；11、点火枪；12、电阻加热丝。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1至图4示出了本发明的一种应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置的实施例，其包括与反应管1内部连通以排放废气的排气法兰3，排气法兰3密封套装于反应管1管口，一端与炉门2密封抵接，另一端同轴紧贴水冷法兰4，水冷法兰4紧贴排气法兰3的一端面开设锥形槽40，锥形槽40与水冷法兰4同轴布置且大端朝外，锥形槽40的锥形面与排气法兰3、反应管1外壁围成锥形环腔400，锥形环腔400内装设第一密封圈6，第一密封圈6与锥形槽40的锥形面、排气法兰3以及反应管1外壁均抵接。本发明的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，排气法兰3密封套装于反应管1管口，与反应管1内部连通用于排放废气，防止废气中残余氢气聚集达到爆炸极限而发生安全事故；此排气法兰3的一端与炉门2密封抵接，实现反应管1的轴向可靠密封，另一端与水冷法兰4之间通过第一密封圈6密封，此第一密封圈6装设于锥形环腔400内，与锥形槽40的锥形面、排气法兰3以及反应管1外壁均抵接，实现反应管1的径向可靠密封，此结构可直接应用于现有标准化的石英炉管中，无需对石英管进行改造，结构简单、密封可靠。

本实施例中，水冷法兰4远离排气法兰3的一端同轴紧贴辅助法兰5，水冷法兰4紧贴辅助法兰5的一端开设另一锥形槽40，锥形槽40的锥形面与辅助法兰5、反应管1外壁围成锥形空腔400，锥形空腔400内装设第二密封圈7，第二密封圈7与锥形槽40、辅助法兰5以及反应管1管壁均抵接。上述第一密封圈6实现反应管1径向的第一级密封，此第二密封圈7实现反应管1径向的第二级密封。第二密封圈7与第一密封圈6形成组合式密封，实现反应管1径向更可靠的密封。

本实施例中，水冷法兰4内部设有冷却水进口41、冷却水出口42以及连通进、出口的冷却通道43，冷却通道43为平行于第一密封圈6、第二密封圈7的环形密闭回路。工作时，冷却循环水通过冷却水进口41处的接头进入水冷法兰4，经冷却通道43后从冷却水出口42处的接头排出，带走热量。水冷法兰4通过水冷的方式防止第一密封圈6、第二密封圈7的过热损坏，延长使用寿命。

本实施例中，炉门2上设有炉门密封圈20，炉门2与排气法兰3之间通过炉门密封圈20密封抵接。炉门2关闭后，炉门2在驱动机构作用力下与排气法兰3的外端面紧密贴合，第一密封圈6、第二密封圈7受挤压产生变形，实现氢气退火炉反应管管口的可靠密封。

本实施例中，排气法兰3内部设有将排气法兰3抵靠于反应管1端部的止口31，排气法兰3、水冷法兰4和辅助法兰5通过紧固件8同轴紧固连接。在紧固件8的作用下，第一密封圈6与水冷法兰4、排气法兰3以及反应管1三者紧密贴合，且受挤压产生变形，实现氢气退火炉反应管1径向的第一级密封，第二密封圈7与水冷法兰4、辅助法兰5以及反应管1三者紧密贴合，且受挤压产生变形，实现氢气退火炉反应管1径向的第二级密封。

本实施例中，排气法兰3内开设与反应管1内部连通的废气排放通道32，废气排放通道32通过波纹管9与远离反应管1的废气燃烧室10连通。本实施例中，废气燃烧室10包括点火枪11和围设于点火枪11外周的电阻加热丝12，点火枪11的点火口与波纹管9连通。

废气处理过程：工艺气体氢气从反应管1尾部进入到反应管1中，在氢气气氛中，反应管1中部的硅片完成退火工艺，工艺过程中残留的氢气到达反应管1管口，废气经废气排放通道32、波纹管9进入到废气燃烧室10内的点火枪11，在电阻加热丝12持续加热作用下，点火枪11的点火口处的温度高于氢气的燃点585摄氏度，残留氢气在废气点火枪排出后，在高温环境下与空气中的氧气反应燃烧变成高温水蒸汽，完成废气的安全处理。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，其特征在于：包括与反应管（1）内部连通以排放废气的排气法兰（3），所述排气法兰（3）密封套装于反应管（1）管口，一端与炉门（2）密封抵接，另一端同轴紧贴水冷法兰（4），所述水冷法兰（4）紧贴排气法兰（3）的一端面开设锥形槽（40），所述锥形槽（40）与水冷法兰（4）同轴布置且大端朝外，所述锥形槽（40）的锥形面与排气法兰（3）、反应管（1）外壁围成锥形环腔（400），所述锥形环腔（400）内装设第一密封圈（6），所述第一密封圈（6）与锥形槽（40）的锥形面、排气法兰（3）以及反应管（1）外壁均抵接。

2.根据权利要求1所述的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，其特征在于：所述水冷法兰（4）远离排气法兰（3）的一端同轴紧贴辅助法兰（5），所述水冷法兰（4）紧贴辅助法兰（5）的一端开设另一锥形槽（40），所述锥形槽（40）的锥形面与辅助法兰（5）、反应管（1）外壁围成锥锥形环腔（400），所述锥形环腔（400）内装设第二密封圈（7），所述第二密封圈（7）与锥形槽（40）、辅助法兰（5）以及反应管（1）管壁均抵接。

3.根据权利要求2所述的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，其特征在于：所述水冷法兰（4）内部设有冷却水进口（41）、冷却水出口（42）以及连通进、出口的冷却通道（43），所述冷却通道（43）为平行于第一密封圈（6）、第二密封圈（7）的环形密闭回路。

4.根据权利要求3所述的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，其特征在于：所述炉门（2）上设有炉门密封圈（20），所述炉门（2）与排气法兰（3）之间通过炉门密封圈（20）密封抵接。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，其特征在于：所述排气法兰（3）内部设有将排气法兰（3）抵靠于反应管（1）端部的止口（31），所述排气法兰（3）、水冷法兰（4）和辅助法兰（5）通过紧固件（8）同轴紧固连接。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，其特征在于：所述排气法兰（3）内开设与反应管（1）内部连通的废气排放通道（32），所述废气排放通道（32）通过波纹管（9）与远离反应管（1）的废气燃烧室（10）连通。

7.根据权利要求6所述的应用于氢气退火炉反应管的密封及废气处理装置，其特征在于：所述废气燃烧室（10）包括点火枪（11）和围设于点火枪（11）外周的电阻加热丝（12），所述点火枪（11）的点火口与波纹管（9）连通。