扩散载源气体的控制系统及方法与流程

1.本发明涉及扩散载源气体的控制系统及方法。


背景技术：

2.目前太阳能电池片生产领域，p-n结的制作是电池的核心工艺，而采用热扩散工艺制作p-n结是目前采用的最广泛的技术；扩散工艺是在高温炉管内通入杂质源，在炉管内形成一定的工艺气氛，并利用物质从高浓度向低浓度运动的特性，将杂质原子掺入到半导体中，从而形成p-n结；在太阳能电池领域，扩散用的杂质源通常选用液态源，当工艺气体通入杂质源时，气体中会携带一定量的杂质源分子，这些杂质源被工艺气体带入到炉管内部，形成扩散气氛；带入的杂质源的量与携带气体流量及杂质源在携带气体中的含量有关，气体的流量一般通过质量流量计可以精确控制，杂质源一般储存在恒温箱中，温度恒定，瓶内的压力接近标准大气压，在此恒定和恒压条件下，如果气体中杂质源的含量达到其饱和蒸汽压的值，则一定流量的气体携带进入扩散炉的杂质源的量恒定，因而可以通过控制载气的流量间接的控制扩散源量。
3.扩散效果一般用方块电阻表征，其值和表面扩散浓度和结深有关，是扩散工艺主要的监控参数。扩散浓度越高、结深越深，对应的方块电阻越小，扩散工艺控制会对方阻限定一个范围，超出范围为不合格。
4.扩散通源过程中常出现如下问题：
5.a)气体流量和扩散源温度都恒定条件下，随着源瓶中溶液量消耗，溶液高度降低，方阻会逐渐增大，在源瓶使用周期，工艺需时常进行工艺调整，才能保证方阻的稳定，频繁的调整造成扩散方阻不稳定；
6.b)特别是在更换源瓶的初期和源瓶中溶液的高度＜2cm时，由于对应的载气流量差异很大，很容易造成方阻异常返工的情况，影响正常生产，而提前更换源瓶会造成源的浪费。造成这个问题的根本原因是携带气体通过液态源的过程中，由于气体和液体接触时间较短，气液接触面积有限，气体内部不能形成源的饱和状态，因而不能提供恒定的扩散源。随着源液位的降低，气泡和源接触的时间变短，气体中源的含量减少，如果不及时对气体流量进行调整，会造成扩散方阻不断增大的情况，严重时出现返工等异常。
7.目前已有专利采用光电传感器监控源瓶内液面位置，且增加辅助源瓶给主体源瓶补液，以维持源液的高度，这种技术需要采用专利本身特殊设计的源瓶，不能应用在目前大量使用的常规源瓶上，且设计只有当液位接近控制下限时才工作，控制精度不高，因此很少被应用。


技术实现要素：

8.为解决现有技术的缺陷，本发明提供一种扩散载源气体的控制系统，包括：
9.源瓶，其用于存放液态扩散源，且顶部设有载源气体输出端；
10.供气管，其向源瓶底部供载源用气体；
11.称重单元，其对存放有液态扩散源的源瓶进行实时称重并得到实时重量；
12.流量调节单元，其接收对供气管进行流量控制的设定流量，并根据称重单元所得的实时重量对设定流量进行实时修正，得到实时修正流量，使实时修正流量与设定流量和称重单元所得实时重量的对应关系符合预设公式，并将供气管中的气体流量调节为实时修正流量。
13.本发明还提供一种扩散载源气体的控制方法，其采用上述的控制系统，且所述控制方法包括：
14.开启通源时和通源过程中，根据扩散通源的工艺要求确定供气管的设定流量(即设定载源气体的流量)；
15.且开启通源时和通源过程中，称重单元对存放有液态扩散源的源瓶进行实时称重并得到实时重量；
16.且开启通源时和通源过程中，流量调节单元根据称重单元所得的实时重量对设定流量进行实时修正，得到实时修正流量，使实时修正流量与设定流量和称重单元所得实时重量的对应关系符合预设公式，并将供气管中的气体流量调节为实时修正流量。
17.本发明扩散载源气体控制系统和控制方法的具体内容，参见实施例。
18.本发明的优点和有益效果在于：
19.本发明可根据源瓶的称重对载源用气体的流量进行实时修正，实现载源气体流量的动态调整，可在设定流量不变情况下，使进入扩散炉内的扩散源的量保持稳定。
20.本发明可根据源瓶的称重对源瓶中液态扩散源的余量进行监测，当液态扩散源的余量低到一定程度时(称重单元所得的实时重量小于下限重量)报警，提醒更换源瓶或补充液态扩散源。
21.本发明可采用外置于源瓶的称重单元(称重传感器)对源瓶进行实时称重，不需改变现有源瓶的内部结构，适合现有源瓶(内腔为直柱状的源瓶)，且增加的相关单元的安装位置可比较灵活(只要在源瓶外部即可)，既可以通过对旧设备进行改造实现，又可以在新设备上直接集成，因此有更大的使用范围。
22.本发明能对扩散通源进行实时监控和动态调整，响应更快，工艺稳定性好。
23.本发明可提高扩散工艺的稳定性，可减少扩散异常，减少方阻异常造成的返工比例。
附图说明
24.图1是本发明的示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
26.在太阳能电池制作中，扩散工艺一般采用液态扩散源，为了将源瓶中的液态扩散源作为引入扩散炉中，常通过供气管向源瓶底部通入载源用气体(如惰性气体n2)，气体进入液态扩散源中产生鼓泡，携带液态扩散源的载源气体由源瓶顶部(载源气体输出端)输出至扩散炉中，且可通过控制液态扩散源的温度和载源气体的流量来控制进入扩散炉中的源
量。
27.载源气体携带液态扩散源的摩尔含量为：
[0028][0029]
其中，m为摩尔流量(mol/min),p1为液态扩散源在一定温度时的液体蒸汽压(mmhg)，pc为载源用气体的压强(mmhg),vc为载源用气体的流量(sccm)。
[0030]
在扩散系统中，pc可由供气管所接气源的减压阀精确控制，因此要保证m恒定，则需要确保p1vc恒定。其中，载源用气体的流量vc一般由程序设定并由质量流量控制器控制，其值波动很小；而p1受液态扩散源温度和载源用气体在液态扩散源中的滞留时间的影响，其值是液态扩散源饱和蒸汽压ps和载源用气体在液态扩散源中滞留时间t的函数：p1＝f(ps,t)；
[0031]
在一定温度下，液态扩散源的饱和蒸汽压ps一定，而载源用气体在液态扩散源中的滞留时间t则受液态扩散源的液面高度影响较大，液态扩散源的液面高度会随着使用消耗液面降低，使载源用气体在液态扩散源中滞留时间缩短，进而导致蒸发到气体中的源蒸汽压降低，相同流量气体能携带的源量减少，最终造成扩散后方阻的升高。
[0032]
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种扩散载源气体的控制系统，包括：
[0033]
源瓶，其用于存放液态扩散源；源瓶的内腔为竖置直柱状(源瓶内腔各高度位置的横截面形状和面积保持不变，如源瓶内腔可以为圆柱状)；源瓶顶部设有载源气体输出端；载源气体输出端通过输出管与扩散炉连通，且输出管上设有单向阀；
[0034]
供气管，其向源瓶底部供载源用气体；供气管可由源瓶顶部贯穿并伸入源瓶底部，且供气管的底端为向源瓶内部输出载源用气体的输出端；
[0035]
称重单元，其对存放有液态扩散源的源瓶进行实时称重并得到实时重量；称重单元可以包括：设于源瓶下方且支承源瓶的称重传感器；
[0036]
流量调节单元，其接收对供气管进行流量控制的设定流量，并根据称重单元所得的实时重量对设定流量进行实时修正，得到实时修正流量，使实时修正流量与设定流量和称重单元所得实时重量的对应关系符合预设公式，并将供气管中的气体流量调节为实时修正流量；流量调节单元可以包括：设置在供气管上的质量流量控制器；
[0037]
报警单元，其在称重单元所得的实时重量小于下限重量时发出报警。
[0038]
本发明还提供扩散载源气体的控制方法，其采用上述的控制系统，且所述控制方法包括：
[0039]
开启通源前，预先确定：空源瓶(源瓶中未存放液态扩散源)的重量m
瓶
，存放了液态扩散源的源瓶的原始总重量m0(源瓶中的液态扩散源还未被使用)，供气管输出端与源瓶内底面的高度差h0(供气管输出端位于源瓶内部，且供气管输出端位于源瓶内底面的正上方)，源瓶内底面的面积s，源瓶中液态扩散源的密度ρ
源
，液态扩散源液面与供气管输出端的最小高度差h
min
；
[0040]
开启通源时和通源过程中，根据扩散通源的工艺要求确定供气管的设定流量(即设定载源气体的流量)，且使源瓶中的液态扩散源的温度保持恒定；
[0041]
开启通源后，若报警单元未发出报警，则通过供气管向源瓶底部通入载源用气体(如惰性气体n2)，供气管的输出端位于液态扩散源液面下方，气体进入液态扩散源中产生
鼓泡，携带液态扩散源的载源气体由源瓶顶部的载源气体输出端输出至扩散炉中；
[0042]
且开启通源时和通源过程中，称重单元对存放有液态扩散源的源瓶进行实时称重并得到实时重量；
[0043]
且开启通源时和通源过程中，流量调节单元根据称重单元所得的实时重量对设定流量进行实时修正，得到实时修正流量，使实时修正流量与设定流量和称重单元所得实时重量的对应关系符合预设公式，并将供气管中的气体流量调节为实时修正流量；
[0044]
且在开启通源时和通源过程中，若称重单元所得的实时重量小于下限重量，则报警单元发出报警。
[0045]
本发明提供的扩散载源气体的控制系统及控制方法，所用的预设公式和下限重量的计算公式如下：
[0046]
1)所述预设公式为：
[0047][0048]
其中，l
x
为实时修正流量，l1为设定流量，m
瓶
为空源瓶(源瓶中未存放液态扩散源)的重量，m0为存放了液态扩散源的源瓶的原始总重量(源瓶中的液态扩散源还未被使用)，m
x
为称重单元所得的实时重量，h0为供气管输出端与源瓶内底面的高度差(供气管输出端位于源瓶内部，且供气管输出端位于源瓶内底面的正上方)，s为源瓶内底面的面积，ρ
源
为源瓶中液态扩散源的密度。
[0049]
2)所述下限重量的计算公式为：
[0050]mmin
＝(h
min
+h0)
·s·
ρ
源
+m
瓶
[0051]
其中，m
min
为下限重量，m
瓶
为空源瓶(源瓶中未存放液态扩散源)的重量，h
min
为液态扩散源液面与供气管输出端的最小高度差(该最小高度差h
min
为预设值，h
min
一般为10～15mm)，h0为供气管输出端与源瓶内底面的高度差，s为源瓶内底面的面积，ρ
源
为源瓶中液态扩散源的密度。
[0052]
如图1所示，上述预设公式和下限重量的计算公式，它们的推理过程如下：
[0053]
由于载源用气体在液态扩散源中的滞留时间很短(《1s)，为简便分析过程，可以近似认为载源用气体的气泡在液态扩散源中上升时大小体积不变，上升速度v一定；
[0054]
设初始时(源瓶中的液态扩散源还未被使用)液态扩散源液面与供气管输出端的高度差为h0，若载源用气体的设定流量为l1，气泡在液态扩散源中的上升时间为t1，则
[0055]
液态扩散源消耗一定量后，液态扩散源液面与供气管输出端的高度差变为h
x
，且气泡在液态扩散源中的上升时间变为t
x
，则
[0056]
在载源用气体的设定流量l1未改变的情况下，要保持载源气体的实际携带源量不变，则此时载源用气体的实时修正流量l
x
应满足t
x
×
l
x
＝t1×
l1，即
[0057]
由于常规源瓶的内腔为直柱状(源瓶内腔各高度位置的横截面形状和面积保持不变，如源瓶内腔为圆柱状)，液态扩散源的液面高度变化和液态扩散源的重量变化存在严格
的对应关系；
[0058]
空源瓶(源瓶中未存放液态扩散源)的重量为m
瓶
；若初始时(源瓶中的液态扩散源还未被使用)存放了液态扩散源的源瓶的原始总重量为m0；液态扩散源消耗一定量后，称重单元所得的实时重量为m
x
；则其中，s为源瓶内底面的面积，ρ
源
为源瓶中液态扩散源的密度；
[0059]
将h
x
的计算公式代入上述则
[0060]
且其中，h0为供气管输出端与源瓶内底面的高度差；
[0061]
则
[0062]
当液态扩散源液面与供气管输出端的高度差变h
x
降低到一程度时，即使通过提高载源用气体的流量，也很难携带出满足扩散通源工艺要求的源量，因此需要预设液态扩散源液面与供气管输出端的最小高度差h
min
，h
min
一般为10～15mm；且可以通过称重单元所得的实时重量是否小于下限重量m
min
来进行预警；m
min
＝(h
min
+h0)
·s·
ρ
源
+m
瓶
。
[0063]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。