擴散爐反應管壓力自平衡系統的設計

李 克，郭 立，毛朝斌，陳特超，李健志

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，國家光伏裝備工程技術研究中心，長沙，410111)

擴散爐是晶體硅電池生產線前道工序的重要工藝設備之一，其主要用途是對半導體進行摻雜，形成PN結。它是在高溫條件下將摻雜材料擴散進硅片，從而改變和控制半導體內雜質的類型、濃度和分布，以便建立起不同的電特性區域。影響擴散質量的主要因素有：工藝時間、溫度均勻性、氣流穩定性，其中管內的氣體流動對工藝影響非常大。由于工廠所有設備酸性氣體排放都是匯總到一根總排廢管道內，所以對每臺設備來說，外圍抽風是不穩定的，管內壓力不均，管內的氣流越不均衡，出現管內前后端壓力偏差大，電池片方塊電阻片間與批間差別大的現象，爐口部分經常出現電阻突變的現象：片間電阻變小，片內電阻出現上端高，下端低的不均勻現象，所以有必要對管內氣流進行控制，使進入和排出的氣流保證一定比例，確保管內壓力均勻。而擴散后的廢氣多為酸性氣體等腐蝕性強的物質，所以對管內壓力控制時，排放和檢測等都應該注意防腐處理[1]。

1 系統要求及原理

擴散設備的反應管一般是尾部進氣，氣體流量隨工藝過程變化，反應完的氣體從管口部分的抽氣管排走，由于外圍接的抽氣管道抽風不穩定，以及工藝過程氣體流量變化，管內氣流流速，壓力不穩定[2]。在反應管內部取一測試點，檢測內部壓力變化，根據壓力變化調節尾部抽氣量來穩定管內壓力，由于排除的都是腐蝕性氣體等物質，不適宜在管路上直接采用蝶閥等方式，采用間接調節的方式，在排氣管路上增加一路進氣，根據壓力變化，向排廢管沖入一部分氣體，消除抽風變動對反應管內氣流的變化，使反應管內的壓力達到一個平衡。

2 系統設計與實現

設計原理如圖1所示，工藝氣體從反應管尾部中心進入，反應尾氣管伸進反應管前端抽走反應殘余尾氣，進入冷凝尾氣瓶后，部分氣體冷凝，部分排到排廢管道內，排廢管道接廠外圍抽風系統。對此，在反應管尾部引出一根1/4”小管，一端接到反應管內，一端接到壓差傳感器，同時通過浮子流量計通入一定流量的N2對壓差傳感器保護（稀釋），檢測管內相對壓力變化，壓差傳感器的另外一端接管到反應管爐口相對比較穩定的壓力點。壓差傳感器將信號反饋給壓控儀，壓控儀輸出信號控制MFC流量（向冷凝尾氣瓶沖氣），同時PC監控到壓控儀的實際輸出值。當檢測相對壓力有變化時，壓控儀控制MFC增大或減少流量，使抽走的尾氣總量不變的情況下，改變從反應管抽出的尾氣量，從而使反應管內壓力達到設定值，保證一定的平衡。在軟件中，工藝編輯欄加入了相對壓力參考值設定，可以根據要求設置參數，由于設備密封效果差異等原因，壓力參考值可能存在差別，實踐證明，壓力參考值在200～800區間，擴散效果有所改善。如圖2所示，可在工藝編輯菜單里設置相對壓力值。

3 工藝實驗分析

采取幾組工藝試驗，對比安裝壓力平衡系統之前和之后的工藝效果：表1、表2是在正常連續生產的車間里抽取的一組電池片方塊電阻值（爐尾到爐口），其它工藝參數一致。表1沒有帶壓力自平衡系統，表2是帶有壓力自平衡系統電阻分布值。測量時從爐尾到爐口等距離抽取20片硅片，測量點為：1，2為上面兩角兩點，3為中間點，4，5為下面兩角兩點。

圖1 反應管壓力自平衡系統原理圖

圖2 擴散軟件工藝參數設置

Nmax，Nmin分別表示片內電阻最大和最小值。

Dmax，Din分別表示爐內一批電池片中均值最大和最小值。

表1 沒帶壓力自平衡系統爐內電阻分布

表2 帶壓力自平衡系統爐內電阻分布

對表1、表2數據進行分析可發現，由于外圍不穩定等原因，沒有增加壓力平衡系統的電池片，爐口電阻和片內均勻性都會出現“爬坡”的現象，如圖3、圖4所示，越靠近尾氣抽氣管口越明顯，通常是出現的上面兩角（1，2）阻值偏大，下面兩角（4，5）偏小的現象，增加了壓力平衡裝置后工藝效果有所改善，爐內電阻均勻性要好，特別是爐口，之前受尾氣管近端的影響大，增加壓力平衡后，電阻值能保證和爐內一致，片內，片間的均勻性都有所提高。

圖3 兩種系統片內均勻性比較圖

圖4 兩種系統電阻分布圖

4 結論

擴散設備反應管壓力自動控制系統提出了一種對于擴散工藝效果優化的方案，結構簡單，但又考慮了腐蝕性尾氣對系統的影響，穩定性強，適用于大生產的需求。研究表明：

（1）壓力自平衡系統能解決外圍因素對爐內硅片擴散效果的影響，使爐內氣流均勻，擴散電阻批間差別減小，均勻性提高；

（2）維持管內壓力穩定，管內壓力高于管外，但是當開爐時，管外的空氣會出現倒灌的現象，壓力平衡很好的解決這個問題，當參考壓力值低于爐口參考點時，系統就會用給尾氣沖N2的方式減少尾氣排放，從而達到管內壓力增加，防止管口的空氣進入反應管內污染反應管。

[1]劉良玉，彭志堅.軟著陸潔凈閉管擴散爐研制[J].電子工業專業設備，2010，39（2）:39-42.

[2]何堂貴.晶體硅太陽電池制作中的擴散工藝研究[D].成都：電子科技大學，2009.