一種負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)及控制方法，其包括尾氣管、真空泵和壓力控制單元；尾氣管接收反應腔室排出的尾氣，真空泵的一端通過第一控制閥與尾氣管的輸出端相連，另一端與排酸管道輸入端相連；其中，第一控制閥只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)；壓力控制單元包括至少一個壓力傳感器、判斷模塊和執(zhí)行模塊；判斷模塊接收傳感器發(fā)送的壓力檢測結果，并與預定壓力值進行比較，得到壓力檢測結果值是否需要調整以及調整值的信息，執(zhí)行模塊調整或保持真空泵的抽真空能力。因此，本發(fā)明的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)具有耐腐蝕、高控制精度、低維護成本和高可靠性及耐用性等優(yōu)點。
【專利說明】一種負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)及控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件及加工制造領域，更具體地說，涉及一種用于負壓擴散爐的反應腔室壓力控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]擴散爐是半導體、光伏生產線前道工序的最重要工藝設備，擴散工藝的主要用途是將元素磷或硼擴散入硅片，從而改變和控制硅片內雜質的類型、濃度和分布，以便建立起不同的電特性區(qū)域。而擴散爐尾氣壓力平衡系統(tǒng)是保證方塊電阻的均勻性的重要前提。
[0003]請參閱圖1，圖1所示為圖1為現有技術(中國專利申請?zhí)枮?01020666034)中擴散爐尾氣壓力平衡系統(tǒng)的結構示意圖。如圖所示，該系統(tǒng)包括真空反應室1、壓力傳感器2、PLC控制器3、蝶閥4、蝶閥后端管道5、真空泵6、蝶閥前端管道7。其中，真空反應室I與蝶閥前端管道7相連，蝶閥4接在蝶閥前端管道7與蝶閥后端管道5之間，蝶閥后端管道5與真空泵6相連，壓力傳感器2安裝在蝶閥前端管道7上，用于測量真空反應室I的氣壓，壓力傳感器2的信號線與PLC控制器3相連，PLC控制器3的蝶閥控制信號線與蝶閥4相連。
[0004]通過壓力傳感器測量真空腔室內的氣壓PM，將氣壓信號傳入PLC控制器，PLC控制器將測得的氣壓值與預設的標準值Pig進行比較，若P?>pfe,則PLC控制器發(fā)出增大蝶閥流通截面的信號，減小蝶閥的流阻，從而減小真空室內的氣壓^P?〈P&則PLC控制器發(fā)出減小蝶閥流通截面的信號，增大蝶閥的流阻，從而增大真空腔室內的氣壓。
[0005]然而，當涉及到擴散工藝高溫真空氛圍控制時，由于經過擴散工藝后尾氣中含有偏磷酸(或溴蒸汽)等 腐蝕性氣體和液體，上述專利申請文件所涉及的壓力平衡系統(tǒng)會出現如下問題:
[0006]①、常規(guī)的控制零部件(例如，傳感器、管道或蝶閥等)，在酸性環(huán)境中容易腐蝕，會導致其使用壽命急劇下降，特別是蝶閥的閥門，在使用過程中長時間處于酸性環(huán)境狀態(tài)中，腐蝕很大，因此,使用蝶閥的成本很高；
[0007]②、蝶閥的開啟程度控制需要昂貴的PID算法控制器，算法復雜，雖然目前可以用PLD可編程控制器實現PID算法，但價格還是比較昂貴；
[0008]③、真空密封在800°C以上且不引入金屬離子的要求大大增加了技術難度，且耐腐蝕真空泵等因市場規(guī)模較小且較高端，成本也一直難以下降；此外，尾氣高溫會導致傳感器等部件快速失效，從而導致負壓擴散爐的反應腔室壓力控制失靈。
[0009]再加上，隨著太陽能電池向大尺寸、超薄化方向發(fā)展以及低的表面雜質濃度，傳統(tǒng)閉管擴散爐陳舊的設計已經不能滿足要求。經實驗室驗證，負壓狀態(tài)下的擴散技術優(yōu)勢非常明顯，負壓工藝中低的雜質源飽和蒸汽壓，提高了雜質的分子自由程度，從而大幅提升了方塊電阻的均勻性，并能增倍提升產量，是高品質擴散的首選與環(huán)境友好型的生產方式，且N型硅片硼擴散在均勻性和功耗上優(yōu)勢明顯。
[0010]但是，反應腔室的負壓效應，給控制的技術方案增加了很多的難度，目前業(yè)界還沒有切實可行的負壓擴散爐反應腔室壓力控制的技術方案出臺。因此，如何能精準控制負壓擴散爐反應腔室的壓力并大幅度地降低成本，是業(yè)界急需解決的難題。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種負壓擴散爐反應腔室壓力控制裝置及其控制方法，其能實現合理有效地控制負壓擴散爐反應腔室中的壓力平衡，且能大幅度地降低控制成本。
[0012]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:
[0013]一種負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，包括尾氣管、真空泵和壓力控制單元；所述尾氣管與所述反應腔室的排氣輸出端相連，其輸入端接收所述反應腔室氣體輸出的尾氣；所述真空泵的一端通過第一控制閥與所述尾氣管的輸出端相連，另一端與排酸管道輸入端相連；其中，所述第一控制閥只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)；壓力控制單元包括至少一個壓力傳感器、判斷模塊和執(zhí)行模塊。壓力傳感器用于檢測所述尾氣管中氣體的壓力；判斷模塊接收所述傳感器發(fā)送的壓力檢測結果，并與預定壓力值進行比較，得到壓力檢測結果值是否需要調整以及調整值的信息；執(zhí)行模塊接收所述判斷模塊發(fā)出的信息，調整或保持所述真空泵的抽真空能力。
[0014]優(yōu)選地，所述真空泵由帶有變頻器的泵電機驅動，所述壓力控制單元中的執(zhí)行模塊通過改變所述變頻器的頻率，來改變所述泵電機的轉速。
[0015]優(yōu)選地，所述真空泵為防腐蝕隔膜泵。
[0016]優(yōu)選地，所述尾氣管的前端伸至反應腔室的爐口，其后端外側壁與所述反應腔室使用密封圈密封連接。
[0017]優(yōu)選地，所述尾氣管的材料為聚四氟乙烯。
[0018]優(yōu)選地，所述尾氣管的外圍安裝有至少一個降溫裝置。
[0019]優(yōu)選地，所述壓力傳感器為防腐蝕或充氣保護的壓力傳感器。
[0020]優(yōu)選地，所述壓力傳感器測量壓力的方式為絕壓或壓差方式，與所述判斷模塊的通信方式為模擬量或端口通信協議方式。
[0021]優(yōu)選地，所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)還包括第二閥門，所述第二閥門的一端與所述第一閥門的輸入端相連，另一端與所述排酸管道相連，其中，所述第一控制閥只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)。
[0022]優(yōu)選地，所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)還包括防爆控制模塊，當檢測到反應腔室充氣達到大氣壓后，防爆控制模塊控制第一閥門關閉，第二閥門開啟。
[0023]優(yōu)選地，所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)還包括氛圍穩(wěn)定模塊，當設備閑置時，所述反應腔室進氣口充入保護氣體，氛圍穩(wěn)定模塊控制第一閥門關閉，第二閥門開
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[0024]優(yōu)選地，所述的第一閥門和第二閥門為氣動閥。
[0025]為實現上述目的，本發(fā)明還提供一種采用上述負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟:
[0026]步驟S1:尾氣管接收所述反應腔室氣體輸出的尾氣；其中，所述尾氣的壓力小于I個大氣壓；
[0027]步驟S2:壓力傳感器檢測所述尾氣管中氣體的壓力；
[0028]步驟S3:判斷所述傳感器發(fā)送的壓力檢測結果，并與預定壓力值進行比較，得到壓力檢測結果值是否需要調整以及調整值的信息；
[0029]步驟S4:接收所述是否需要調整以及調整值的信息，控制所述真空泵的抽真空能力。
[0030]優(yōu)選地，在步驟S4中，所述真空泵由帶有變頻器的泵電機驅動，所述是否需要調整以及調整值的信息是通過改變所述變頻器的頻率，實現改變所述泵電機轉速的。
[0031]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明提供的上述技術方案所提供的一種反應腔室壓力控制系統(tǒng)，通過控制泵電機轉速來達到控制腔室壓力的目的，避免了使用難以選型的控制閥、昂貴的PID算法控制器和其他非主流應用的昂貴部件，也避免了使用耗費大量氣體的充氣調壓方式，不僅實現了負壓擴散爐反應腔室壓力的精確快速控制，還從設計角度節(jié)省了大量的工藝氣體和部件成本。經過大量的試驗驗證,此發(fā)明調節(jié)快速、工藝高效,成本低廉，耐用穩(wěn)定，為負壓擴散爐在光伏行業(yè)的大規(guī)模應用打開了全新的局面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為現有技術中擴散爐尾氣壓力平衡系統(tǒng)一實施例的結構示意圖
[0033]圖2為本發(fā)明負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)一較佳實施例的結構示意圖
【具體實施方式】
[0034]在采用負壓擴散爐進行擴散工藝時，反應腔室內的高溫真空氛圍，以及擴散后尾氣中含有偏磷酸等腐蝕性氣體和液體，對控制系統(tǒng)中零件的提出了很高的要求。本發(fā)明的一種負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其主要思路設計思路是，為保持這種恒定的負壓，在滿足控制負壓擴散爐反應腔室中控制壓力平衡的情況下，可以對進入反應腔體后需排放的工藝尾氣壓力，通過調整真空泵的抽真空能力進行反應腔體內的負壓控制。
[0035]下面結合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0036]請參閱圖2，圖2為本發(fā)明負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)一較佳實施例的結構不意圖。在本實施例中，該系統(tǒng)包括尾氣管3、壓力傳感器4、第一氣動閥5、第二氣動閥
6、真空泵7、變頻器9、變頻電機8、接線、PLD算法控制器(圖未示)和其他防護部件等。
[0037]如圖2所示，滿足壓力、溫度和流速的工藝氣體從反應腔體2的輸入口 I進入，對放置在反應腔體2中的晶圓進行擴散等工藝流程。需要說明的是，反應腔體2中的壓力通常小于一個大氣壓。尾氣管3的前端伸至反應腔室2的爐口，接收反應腔室2氣體輸出的尾氣，其后端外側壁與反應腔室2可以使用密封圈密封連接。尾氣管3伸入反應腔室2的部分可以為石英材料，外接部分可以選擇耐酸性材料，例如，可以為聚四氟乙烯。
[0038] 在本實施例中，真空泵7 —端通過第一控制閥6與尾氣管3的輸出端相連，另一端與排酸管道10輸入端相連，通過真空吸力，將尾氣管3中引出的尾氣從排酸管道10中排出。真空泵7可以選擇但不限于防腐蝕真空泵。較佳地，真空泵7可以采用防腐蝕隔膜泵。在本發(fā)明的一些實施例中，通常，尾氣管3輸入端的前端伸至反應腔室2的爐口，其后端與反應腔室2使用密封圈密封連接。尾氣管3的材料可以選擇耐酸性材料，例如，為聚四氟乙烯。
[0039]需要說明的是，第一控制閥6為只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)的閥門，不需要很復雜的PID控制算法，就可以控制第一控制閥6進入開啟或關閉狀態(tài)，在一些實施例中，可以采用PLC可編程控制器即可實現所需的控制功能，技術成熟，成本很低。另外，第一控制閥6在工作狀態(tài)時，處于開啟狀態(tài)，同尾氣中的酸性氣體接觸時間較短，使用壽命會較長，加上第一控制閥6可以是氣動閥，價格便宜，因此，整個系統(tǒng)的成本會下降很多。
[0040]在本發(fā)明的實施例中，如圖2所示，反應腔體2的負壓是通過采用壓力控制單元(圖未示)實現的。壓力控制單元通?？梢园惭b在負壓擴散爐反應腔室2的尾氣管3的出口和設備排酸管道10之間。其控制原理如下:壓力控制單元可以包括一個或多個壓力傳感器
4、判斷模塊和執(zhí)行模塊。壓力傳感器4用于檢測尾氣管3中氣體的壓力；判斷模塊接收傳感器4發(fā)送的壓力檢測結果，并與預定壓力值進行比較，得到壓力檢測結果值是否需要調整以及調整值的信息；執(zhí)行模塊接收判斷模塊發(fā)出的信息，調整或保持真空泵7的抽真空力。
[0041]判斷模塊的功能可以由軟件、硬件或軟硬件相結合的設備完成，例如，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC)。執(zhí)行模塊的功能可以通過任何現有技術中，能控制真空泵7的抽真空力的軟件、硬件或軟硬件相結合的設備完成，在此不再贅述。
[0042]請再參閱圖2，在本實施例中，真空泵7可以是由帶有變頻器9的泵電機8驅動，壓力控制單元4中的執(zhí)行模塊就是變頻器9，其通過改變變頻器9的頻率，來改變泵電機8的轉速。此時，壓力傳感器4實時采集尾氣管3中的實時壓力值后，通過通信端口發(fā)送壓力值信息到可編程邏輯控制器(圖未示)，可編程邏輯控制器根據一定的算法將其與壓力設定值比較分析。如果實時壓力值大于壓力設定值，那么，將該比較結果交給執(zhí)行模塊即變頻器9，變頻器9通過改變泵電機8的頻率，從而增大真空泵7的抽真空力；如果實時壓力值小于壓力設定值，那么，將該比較結果交給執(zhí)行模塊即變頻器9，變頻器9通過改變泵電機8的頻率，從而減小真空泵7 的抽真空力；上述兩種情況，一直持續(xù)到實時壓力值等于壓力設定值，變頻器9將泵電機8的頻率調回到正常工作頻率，即真空泵7恢復到標準設定的抽真空力。
[0043]其實，在實際的控制過程中，當反應腔室2的壓力接近設定壓力時，泵電機8轉速已經開始變慢，并以一定速率維持反應腔室2的進氣口 I和尾氣管3之間流通的氣體量平衡，從而將壓力維持在設定值附近。
[0044]進一步地，在一些實施例中，還可以包括第二閥門5、防爆控制模塊和氛圍穩(wěn)定模塊。第二閥門5的一端與第一閥門6的輸入端相連，另一端與排酸管道10相連，其中，第二控制閥5與第一控制閥6相同，可以只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)。并且，第二控制閥5與第一控制閥6相同，可以為氣動閥。
[0045]由于反應腔室2為負壓反應腔，不能耐高壓。需要在達到某一限定閾值時，給反應腔室2減壓。例如，當檢測到反應腔室2充氣達到大氣壓后，防爆控制模塊就會控制第一閥門6關閉，第二閥門5開啟，尾氣管3排出的氣體經第一閥門5，從排酸管道10排出，防止過沖導致反應腔室2爆裂。
[0046]當設備閑置時，氛圍穩(wěn)定模塊控制第一閥門6關閉，第二閥門5開啟，反應腔室2進氣口 I充入保護氣體，例如，N2,流經尾氣管3和第一閥門5后，從排酸管道10排出，其目的在于維持反應腔室2內氛圍的穩(wěn)定。[0047]需要說明的是，第二控制閥5是只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)的閥門，不需要很復雜的PID控制算法，只需要控制其進入開啟或關閉狀態(tài)即可，用PLC可編程控制器即可實現所需的控制功能；另外，第二控制閥5在工作狀態(tài)時，一般處于開啟狀態(tài)，同尾氣中的酸性氣體接觸時間較短，使用壽命會較長，再加上第二控制閥5可以是氣動閥，價格便宜，因此，整個系統(tǒng)的成本下降很多。
[0048]另外，本領域技術人員清楚，剛從反應腔室2進入尾氣管3的尾氣溫度很高，通常在800°C以上，為了使流經第一閥門6、第二閥門5、真空泵7等零部件的尾氣溫度快速下降，在本發(fā)明的實施例中，可以在尾氣管3的外圍安裝有一個或多個一個降溫裝置，這些降溫裝置可以是采用風冷、水冷或油冷降溫裝置，在此不再贅述。
[0049]下面簡單敘述一下采用上述負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)的控制方法，其包括如下步驟:
[0050]步驟S1:尾氣管接收反應腔室氣體輸出的尾氣；其中，尾氣的壓力小于I個大氣壓；
[0051]步驟S2:壓力傳感器檢測尾氣管中氣體的壓力；
[0052]步驟S3:判斷傳感器發(fā)送的壓力檢測結果，并與預定壓力值進行比較，得到壓力檢測結果值是否需要調整以及調整值的信息；
[0053]步驟S4:接收是否需要調整以及調整值的信息，控制真空泵的抽真空力。
[0054]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是 運用本發(fā)明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，包括: 尾氣管，其輸入端接收所述反應腔室氣體輸出的尾氣；其中，所述尾氣的壓力小于I個大氣壓； 真空泵，其一端通過第一控制閥與所述尾氣管的輸出端相連，另一端與排酸管道輸入端相連；其中，所述第一控制閥只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)； 壓力控制單元，其包括: 至少一個壓力傳感器，用于檢測所述尾氣管中氣體的壓力； 判斷模塊，接收所述傳感器發(fā)送的壓力檢測結果，并與預定壓力值進行比較，得到壓力檢測結果值是否需要調整以及需要調整值的信息； 執(zhí)行模塊，接收所述判斷模塊發(fā)出的信息，調整或保持所述真空泵的抽真空能力。
2.如權利要求1所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述真空泵由帶有變頻器的泵電機驅動，所述壓力控制單元中的執(zhí)行模塊通過改變所述變頻器的頻率，來改變所述泵電機的轉速。
3.如權利要求1或2所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述真空泵為防腐蝕隔膜泵。
4.如權利要求1所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述尾氣管的前端伸至反應腔室的爐口，其后端外側壁與所述反應腔室使用密封圈密封連接。
5.如權利要求4所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述尾氣管伸入反應腔室部分為石英材料，外接部分為聚四氟乙烯。
6.如權利要求1所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述尾氣管的外圍安裝有至少一個降溫裝置。
7.如權利要求1所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器為防腐蝕或充氣保護的壓力傳感器。
8.如權利要求1所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器測量壓力的方式為絕壓或壓差方式，與所述判斷模塊的通信方式為模擬量或端口通信協議方式。
9.如權利要求1所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二閥門，所述第二閥門的一端與所述第一閥門的輸入端相連，另一端與所述排酸管道相連，其中，所述第一控制閥只具有完全打開或完全關閉兩種工作狀態(tài)。
10.如權利要求9所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括防爆控制模塊，當檢測到反應腔室充氣達到大氣壓后，防爆控制模塊控制第一閥門關閉，第二閥門開啟。
11.如權利要求9所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括氛圍穩(wěn)定模塊，當設備閑置時，所述反應腔室進氣口充入保護氣體，氛圍穩(wěn)定模塊控制第一閥門關閉，第二閥門開啟。
12.如權利要求8所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一閥門和第二閥門為氣動閥。
13.一種采用權利要求1所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟:步驟S1:尾氣管接收所述反應腔室氣體輸出的尾氣；其中，所述尾氣的壓力小于I個大氣壓； 步驟S2:壓力傳感器檢測所述尾氣管中氣體的壓力； 步驟S3:判斷所述傳感器發(fā)送的壓力檢測結果，并與預定壓力值進行比較，得到壓力檢測結果值是否需要調整以及調整值的信息； 步驟S4:接收所述是否需要調整以及調整值的信息，控制所述真空泵的抽真空能力。
14.如權利要求13所述的負壓擴散爐反應腔室壓力控制方法，其特征在于，在步驟S4中，所述真空泵由帶有變頻器的泵電機驅動，所述是否需要調整以及調整值的信息是通過改變所述變頻器的頻率，實·現改變所述泵電機轉速的。
【文檔編號】C30B31/18GK103710758SQ201310753162
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權日:2013年12月31日
【發(fā)明者】孫朋濤, 桂曉波 申請人:北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司