CN110528085B - 一种控制源瓶压力的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于控制低压扩散炉的源瓶压力的控制装置及方法，该装置包括：反应腔室；用于向反应腔室通入气体的气体管道，源瓶的进气口处设有压力传感器，出气口通过气体管路向反应腔室通入气体；压力传感器用于检测源瓶内的实际压力值；压力调节管路，压力调节管路的一端与气体管路的进气端连接，另一端与气体管路靠近反应腔室的一端连接，压力调节管路上设有第二气体质量流量控制器；控制器根据源瓶内的实际压力值与源瓶压力设定值的关系，控制压力调节管路的第二气体质量流量控制器的流量设定值，将源瓶实际压力值控制在源瓶压力设定值要求的范围内，实现源瓶内的压力控制，精准控制挥发源的浓度和氮气使用量。

Description

一种控制源瓶压力的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及扩散源瓶装置技术领域，具体地，涉及一种控制源瓶压力的控制装置及方法。

背景技术

卧式热扩散炉是晶体硅太阳能电池制造行业大规模使用的一种工艺设备，用于为硅片掺杂p-n结、氧化和退火等。在电池片制造领域，主要使用液态的三氯氧磷或三溴化硼作为扩散源，使用氮气鼓泡携带的方式将其携带进入石英反应腔室进行化学反应。

当前使用的常压闭管扩散炉，由于其工作在大气压附近，源瓶出气口压力一致性比较好，不需要对液态源鼓泡瓶内的压力进行控制。但新一代的低压扩散炉，工艺过程时工作在真空环境下，现有技术难以控制源瓶内的压力，容易导致源瓶内压力随石英反应腔室压力变动，液态源挥发量也会随之变动，最终难以控制液态源的使用总量，导致扩散工艺一致性差，影响批次质量。

液态源的最终使用量与源温度、携带氮气量、源液位表面压力和通源时间有直接关系，由于现有技术不能控制源瓶内的压力，造成源瓶内压力随石英反应腔室内压力波动，尤其是在低压扩散条件下，石英反应腔室压力根据工艺不同而不同，且波动较大，源的挥发速度频繁变动，导致扩散工艺一致性很差，工艺调节难度也非常大。

因此，有必要提供一种能够控制源瓶压力的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制源瓶压力的控制装置及方法，能够精确控制源瓶内压力，提高对挥发源的控制精度，进而保证扩散工艺的一致性。

为了实现上述目的，本发明的一方面，提出一种控制源瓶压力的控制装置，包括：

反应腔室；

用于向所述反应腔室通入气体的气体管路，且在所述气体管路上设置有第一气体质量流量控制器、源瓶；其中，所述源瓶的进气口处设有压力传感器，出气口通过所述气体管路向所述反应腔室通入气体；所述压力传感器用于检测所述源瓶内的实际压力值；

压力调节管路，所述压力调节管路的一端与所述气体管路的进气端连接，另一端与所述气体管路靠近所述反应腔室的一端连接，所述压力调节管路上设有第二气体质量流量控制器；

控制器，所述控制器分别与所述第一气体质量流量控制器、第二气体质量流量控制器、压力传感器连接，所述控制器用于根据所述压力传感器检测到的所述源瓶内的实际压力值与所述源瓶压力设定值，控制所述第一气体质量流量控制器和所述第二气体质量流量控制器的流量设定值。

优选地，还包括第一气动阀和第二气动阀，所述第一气动阀设置于所述第一气体质量流量控制器与所述源瓶的进气口之间的气体管路上，所述第二气动阀设置于所述源瓶的出气口与所述反应腔室之间的气体管路上。

优选地，还包括第三气动阀，所述第三气动阀设置于所述第二气体质量流量控制器与所述反应腔室之间的气体管路上。

优选地，还包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀设置于所述第一气动阀与所述源瓶的进气口之间的气体管路上，所述第二单向阀设置于所述源瓶的出气口与所述第二气动阀之间的气体管路上。

优选地，还包括第三单向阀，所述第三单向阀设置于所述第三气动阀与所述反应腔室之间的气体管路上。

优选地，所述控制器分别与所述第一气动阀、第二气动阀和第三气动阀连接，用于分别控制所述第一气动阀、第二气动阀和第三气动阀的开启和关闭。

根据本发明的另一方面，提出一种用于控制低压扩散炉的源瓶压力的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、通过第二气体质量流量控制器控制设定量的气体经由压力调节管路进入反应腔室；

步骤S2、通过第一气体质量流量控制器控制设定量的气体经由气体管路进入源瓶，并携带源瓶内的前驱体进入反应腔室；

步骤S3、控制器根据压力传感器实时检测获得的所述源瓶内的实际压力值，以及源瓶设定压力值，控制第一气体质量流量控制器和第二气体质量流量控制器的流量设定值。

优选地，所述步骤S3具体包括：

当所述源瓶内的实际压力值大于所述源瓶的设定压力值，减小所述第二气体质量流量控制器的流量设定值；

当所述源瓶内的实际压力值小于所述源瓶的设定压力值，增大所述第二气体质量流量控制器的流量设定值；

当所述源瓶内的实际压力值等于所述源瓶的设定压力值，所述第二气体质量流量控制器的流量设定值保持不变。

优选地，还包括：在通源结束时，先关闭第一气动阀和第二气动阀，并将第一气体质量流量控制器的流量设值设定为零，所述控制器控制所述第三气动阀和第二气体质量流量控制器的继续工作一段时间后关闭。

优选地，还包括：

当所述源瓶内的实际压力值大于所述源瓶的设定压力值，且所述源瓶内的实际压力值与所述源瓶的设定压力值的差值大于所述源瓶的报警值时，所述控制器控制所述第一气动阀和第二气动阀关闭，所述控制器控制所述第一气体质量流量控制器的设定值为零。

本发明提供的有益效果在于：通过在源瓶的进气口处设置的压力传感器，能够实时检测源瓶的实际压力值；压力调节管路的一端与氮气管路连接，另一端与反应腔室连接，控制器根据源瓶内的实际压力值与源瓶压力设定值的关系，控制压力调节管路的第二气体质量流量控制器的流量设定值，将源瓶实际压力值控制在源瓶压力设定值要求的范围内，从而实现源瓶内的压力控制，可以在载气量和源瓶内温度不变的前提下，稳定挥发源的挥发浓度，增强低压扩散炉对扩散工艺的控制调节能力，达到精准控制挥发源的浓度和氮气使用量的目的，提高工艺结果的一致性。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明一个实施例中的控制源瓶压力的控制装置的结构示意图。

图2示出了本发明一个实施例中的控制源瓶压力的方法流程图。

附图标记说明：

1、反应腔室；2、第二单向阀；3、源瓶；4、第一单向阀；5、第一气动阀；6、第一气体质量流量控制器；7、第二气动阀；8、压力传感器；9、第三单向阀；10、第三气动阀；11、第二气体质量流量控制器；12、气体管道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

图1示出了本发明一个实施例中的控制源瓶压力的控制装置的结构示意图。

如图1所示，本发明的实施例提供一种控制源瓶压力控制装置，包括：

反应腔室1；用于向反应腔室1通入气体的气体管路12，且在气体管路12上设置有第一气体质量流量控制器6、源瓶3；其中，源瓶3的进气口处设有压力传感器8，出气口通过气体管路向反应腔室1通入气体；压力传感器8用于检测源瓶3内的实际压力值；压力调节管路，压力调节管路的一端与气体管路12的进气端连接，另一端与气体管路12靠近反应腔室1的一端连接，压力调节管路上设有第二气体质量流量控制器11；控制器(未示出)，控制器分别与第一气体质量流量控制器6、第二气体质量流量控制器11、压力传感器8连接，控制器用于根据压力传感器8检测到的源瓶3内的实际压力值与源瓶3的压力设定值，控制第一气体质量流量控制器6和第二气体质量流量控制器11的流量设定值。

压力调节管路的一端与气体管路12连接，另一端与反应腔室1连接，第一气体质量流量控制器6用于控制通入源瓶3的气体量，控制器根据源瓶3内的实际压力值与源瓶3的压力设定值的关系，控制压力调节管路的第二气体质量流量控制器6的流量设定值，达到精准控制进入反应腔室1内的挥发源的浓度和气体使用量的目的，避免源瓶压力随反应腔室压力变动，从而控制源瓶3内的压力，通过压力调节管路可以在载气量和挥发源温度不变的前提下，增加扩散工艺参数的调节数量和参数的调节范围，增强扩散工艺的控制调节能力，保证扩散工艺的一致性。

具体地，由于源瓶内部的液体具有一定的腐蚀性，而压力传感器等内部为不锈钢部件，稍有使用不当，极易被腐蚀导致报废。因此，压力传感器不能直接设置于源瓶内部对源瓶进行压力检测，通过在源瓶进气口设置一个三通阀，源瓶的进气口一端与压力传感器连接，另一端与源瓶连接，使压力传感器检测到的源瓶进口处压力值近似等于源瓶内的实际压力值。

作为一个示例，如图1所示，源瓶2出气口后部不带有任何金属类压力控制仪表，避免发生金属类压力控制仪表被腐蚀的问题，大幅提升了装置的可靠性和耐久性。

作为一个示例，如图1所示，该控制装置为低压扩散炉的源瓶压力的控制装置，反应腔室1为石英反应腔室，源瓶3内的扩散源为液态的三氯氧磷或三溴化硼作，向源瓶3内通入氮气作为携带气体，使用氮气鼓泡携带的方式将其携带至石英反应腔室内进行化学反应。

作为优选方案，如图1所示，控制源瓶压力的控制装置还包括第一气动阀5和第二气动阀7，第一气动阀5设置于第一气体质量流量控制器6与源瓶2的进气口之间的气体管路上，第二气动阀7设置于源瓶3的出气口与反应腔室1之间的气体管路上。

第一气动阀5用于控制携带气体进入源瓶3的通断，第二气动阀7用于控制气体携带前驱体进入反应腔室1的通断，当源瓶3内压力超出警报值时，先关闭第一气动阀5和第二气动阀7，可以快速切断进入源瓶3和反应腔室1的气体，然后再调节第一质量流量控制器6的气体流量值为零，防止源瓶3内压力进一步升高而改变挥发源的挥发浓度，同时也起到保护气体管路和各执行元件的作用。

作为优选方案，如图1所示，控制源瓶压力的控制装置还包括第三气动阀10，第三气动阀10设置于第二气体质量流量控制器11与反应腔室1之间的气体管路上。第三气动阀10用于控制压力调节管路进入反应腔室1的气体通断。源瓶3开始工作前，可先打开第三气动阀10，并设定第二质量流量控制器11为某一非零的初始设定值，使压力调节管路和的流量稳定，同时反应腔室1的压力稳定，再开启第一气动阀5和第二气动阀7，避免源瓶3内压力大幅度波动，达到精准控制进入反应腔室1内的挥发源的浓度，保证扩散工艺的一致性。

作为优选方案，如图1所示，控制源瓶压力的控制装置还包括第一单向阀4和第二单向阀2，第一单向阀4设置于第一气动阀5与源瓶3的进气口之间的气体管路上，第二单向阀2设置于源瓶3的出气口与第二气动阀7之间的气体管路上。第一单向阀4和第二单向阀2能够使气体及气体携带的前驱体沿着一同方向流动，防止气体倒流对管路器件的压力冲击，而影响第一气动阀5和第二气动阀7的使用寿命。

作为优选方案，如图1所示，控制源瓶压力的控制装置还包括第三单向阀9，第三单向阀9设置于第三气动阀9与反应腔室1之间的气体管路上。第三单向阀9能够使气体沿管路向反应腔室1的同方向流动，防止气体倒流对压力调节管路的管路器件的冲击，影响第三气动阀9的使用寿命。

作为优选方案，控制器分别与第一气动阀5、第二气动阀7和第三气动阀9连接，用于分别控制第一气动阀5、第二气动阀7和第三气动阀9的开启和关闭，通过控制器对第一气动阀5、第二气动阀7和第三气动阀9的控制，调节源瓶3、反应腔室1及各管路的气体的流量和压力，并保证各执行元件能够正常工作。

实施例2

图1示出了本发明一个实施例中的控制源瓶压力的控制装置的结构示意图，图2示出了本发明一个实施例中的控制源瓶压力的方法流程图。

如图1和图2所示，根据本发明另一个实施例，提供一种控制源瓶压力的方法，包括：

步骤S1、通过第二气体质量流量控制器11控制设定量的气体经由压力调节管路进入反应腔室1，使压力调节管路的流量稳定，以及反应腔室1的压力稳定，防止源瓶3内压力随反应腔室1内压力波动，避免源瓶3压力的大幅度波动而导致源的挥发速度频繁变动，影响扩散工艺的一致性。

在一个示例中，在反应腔室1的压力为真空状态时，源瓶3才能工作，通常设定为当反应腔室1的压力达到目标压力，并稳定后才能工作。

在一个示例中，如图1所示，反应腔室1为石英反应腔室，使用氮气作为携带扩散源的气体，将其携带至石英反应腔室内进行化学反应。

在一个示例中，如图1所示，控制器打开第三气动阀9，并设定第二气动质量流量控制器11为某一非零的初始设定值，待压力调节管路的气体流量稳定一定时间后，才能打开第一气动阀5和第二气动阀7。

步骤S2、如图1所示，通过第一气体质量流量控制器6控制设定量的气体经由气体管路进入源瓶3，并携带源瓶3内的前驱体进入反应腔室1。

在一个示例中，控制器打开第一气动阀5和第二气动阀7，并同时设定第一气体质量流量控制器6为工艺要求的设定值，此时气体进入源瓶，保证源的挥发速度稳定。

步骤S3、如图1所示，控制器根据压力传感器8实时检测获得的源瓶3内的实际压力值，以及源瓶3设定压力值，控制第一气体质量流量控制器6和第二气体质量流量控制器11的流量设定值，控制通入源瓶内的气体流量及反应腔室内的压力值，使源瓶内的压力稳定，保证扩散工艺的一致性。

具体地，控制器通过压力传感器8实时采集源瓶3内的实际压力值，实际压力值与源瓶3压力设定值比较，通过常用的控制算法(如PID控制)计算新设定值，控制器根据新的设定值控制第二气体质量流量控制器11的流量设定值，将源瓶3实际压力值控制在源瓶压力设定值要求的范围内，实现源瓶3内的压力控制，达到精确控制源量的目的，这将显著提高挥发源的控制精度，进而保证扩散工艺的一致性。

作为优选方案，步骤S3具体包括：如图1所示，当源瓶3内的实际压力值大于源瓶3的设定压力值，减小第二气体质量流量控制器11的流量设定值，减小反应腔室1的压力，控制源瓶3内的实际压力值减小；

当源瓶3内的实际压力值小于源瓶3的设定压力值，增大第二气体质量流量控制器11的流量设定值，增大反应腔室1内的压力，控制源瓶3内的实际压力值增大；

当源瓶3内的实际压力值等于源瓶3的设定压力值，第二气体质量流量控制器11的流量设定值保持不变，使源瓶压力保持稳定。

具体地，当源瓶实际压力大于源瓶设定压力，控制第二气体质量流量控制器11的设定值变小；当源瓶实际压力小于源瓶设定压力，控制第二气体质量流量控制器11的设定值变大，从而最终将源瓶实际压力值控制在源瓶压力设定值要求的范围内，保证源瓶3内源的挥发速度稳定，提高扩散工艺的一致性。

作为优选方案，如图1所示，当源瓶3内的实际压力值大于源瓶3的设定压力值，且源瓶3内的实际压力值与源瓶3的设定压力值的差值大于源瓶3的报警值时，控制器控制第一气动阀5和第二气动阀7关闭，控制器控制第一气体质量流量控制器6的设定值为零，防止源瓶3内压力进一步升高而改变挥发源的挥发浓度，影响扩散工艺的一致性，同时也起到保护气体管路和各执行元件的作用。

在一个示例中，如图1所示，当第一气动阀5和第二气动阀5打开，第一气体质量流量控制器6设定值非零一定时间后，如果压力传感器8采集的源瓶3内实际压力值与设定值存在超出报警值的偏差，则系统报警，并关闭第一气动阀5和第二气动阀7，第一气体质量流量控制器6的设定值变为零。

作为优选方案，如图1所示，还包括步骤S4、在通源结束时，先关闭第一气动阀5和第二气动阀7，并将第一气体质量流量控制器6的流量设值设定为零，控制器控制第三气动阀9和第二气体质量流量控制器11的继续工作一段时间后关闭。先关闭第一气动阀5和第二气动阀7，而压力控制管路继续工作，使反应腔室1的压力保持稳定，气体携带的未反应的前驱体在反应腔室1内继续进行化学反应，保证扩散工艺一致性。

在一个示例中，如图1所示，通源结束时，首先关闭第一气动阀5和第二气动阀7，然后将第一气体质量流量控制器6设定为零，第三气动阀9和第二气体质量流量控制器11继续工作一定时间后关闭。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种控制源瓶压力的控制装置，其特征在于，包括：

反应腔室；

用于向所述反应腔室通入气体的气体管路，且在所述气体管路上设置有第一气体质量流量控制器、源瓶；其中，所述源瓶的进气口处设有压力传感器，出气口通过所述气体管路向所述反应腔室通入气体；所述压力传感器用于检测所述源瓶内的实际压力值；

压力调节管路，所述压力调节管路的一端与所述气体管路的进气端连接，另一端与所述气体管路靠近所述反应腔室的一端连接，所述压力调节管路上设有第二气体质量流量控制器；

控制器，所述控制器分别与所述第一气体质量流量控制器、第二气体质量流量控制器、压力传感器连接，所述控制器用于根据所述压力传感器检测到的所述源瓶内的实际压力值与所述源瓶压力设定值，控制所述第一气体质量流量控制器和所述第二气体质量流量控制器的流量设定值。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，还包括第一气动阀和第二气动阀，所述第一气动阀设置于所述第一气体质量流量控制器与所述源瓶的进气口之间的气体管路上，所述第二气动阀设置于所述源瓶的出气口与所述反应腔室之间的气体管路上。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，还包括第三气动阀，所述第三气动阀设置于所述第二气体质量流量控制器与所述反应腔室之间的气体管路上。

4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，还包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀设置于所述第一气动阀与所述源瓶的进气口之间的气体管路上，所述第二单向阀设置于所述源瓶的出气口与所述第二气动阀之间的气体管路上。

5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，还包括第三单向阀，所述第三单向阀设置于所述第三气动阀与所述反应腔室之间的气体管路上。

6.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述控制器分别与所述第一气动阀、第二气动阀和第三气动阀连接，用于分别控制所述第一气动阀、第二气动阀和第三气动阀的开启和关闭。

7.一种控制源瓶压力的方法，利用根据权利要求1-6中任一项所述的控制源瓶压力的控制装置，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1、通过第二气体质量流量控制器控制设定量的气体经由压力调节管路进入反应腔室；

步骤S2、通过第一气体质量流量控制器控制设定量的气体经由气体管路进入源瓶，并携带源瓶内的前驱体进入反应腔室；

步骤S3、控制器根据压力传感器实时检测获得的所述源瓶内的实际压力值，以及源瓶设定压力值，控制第一气体质量流量控制器和第二气体质量流量控制器的流量设定值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

当所述源瓶内的实际压力值大于所述源瓶的设定压力值，减小所述第二气体质量流量控制器的流量设定值；

当所述源瓶内的实际压力值小于所述源瓶的设定压力值，增大所述第二气体质量流量控制器的流量设定值；

当所述源瓶内的实际压力值等于所述源瓶的设定压力值，所述第二气体质量流量控制器的流量设定值保持不变。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制源瓶压力的控制装置还包括第一气动阀、第二气动阀和第三气动阀，所述第一气动阀设置于所述第一气体质量流量控制器与所述源瓶的进气口之间的气体管路上，所述第二气动阀设置于所述源瓶的出气口与所述反应腔室之间的气体管路上，所述第三气动阀设置于所述第二气体质量流量控制器与所述反应腔室之间的气体管路上；

所述方法还包括：在通源结束时，先关闭第一气动阀和第二气动阀，并将第一气体质量流量控制器的流量设值设定为零，所述控制器控制所述第三气动阀和第二气体质量流量控制器的继续工作一段时间后关闭。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

当所述源瓶内的实际压力值大于所述源瓶的设定压力值，且所述源瓶内的实际压力值与所述源瓶的设定压力值的差值大于所述源瓶的报警值时，所述控制器控制所述第一气动阀和第二气动阀关闭，所述控制器控制所述第一气体质量流量控制器的设定值为零。

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