扩散炉发展历程

我国光伏电池技术是从上世纪60年代发展空间太阳电池起步的，低成本生产技术及生产能力在80年代中期逐步建立。上个世纪60年代由于国产装备技术落后，无法满足电池工艺生产，先后从国外引进了链式扩散设备。进入80年代我国电子工业专用装备取得长足进展，电池生产用扩散设备回到管式扩散。短短的6年时间，我国光伏专用扩散设备经历了从处理125mm x125mm,156mm x 156mn。方硅片向210mm x 210mm方硅片跃进;扩散的质量从原来的单片和整管扩散均匀性在7%以内的水平，提高到目前单片和整管扩散均匀性在4%以内的国际先进水毛扩散方式从原来的开管扩散到现在的环保、洁净、节能、安全的闭管扩散;单批次产能从原来的150片、200片、300片发展到目前的400片;控制方式从原来的手动、PLC半自动控制到目前的微机全自动控制。

扩散炉现状

近几年我国扩散设备的升级换代迅速发展，技术进步速度空前，但总体来说是先进与落后并存，总体技术水平与国际先进水平相比还存在一些差距，特别是设备自动化与局部细节方面。目前我国光伏电池装备市场上共有各类扩散设备800多管，其中85%左右以处理125mm x 125~电池片为主兼容156mm x 156mm电池片，这其中又有90%以上为微机自动控制设备，只有不到10%为手动或PLC半自动产品。

受国外光伏生产企业影响，目前国内有些光伏电池制造企业拟引进链式扩散生产设备，主要目的是适应大尺寸、薄硅片工艺，便于前后关联设备联接以形成流水线生产作业方式，减少在线操作员工，提高整线自动化水平。但由于技术原因，目前在国外该种配置也未形成规模，相应的工艺仍有待进一步摸索，进一步提升技术水平。

凭借国产扩散设备良好的可靠性、工艺先进性和高性价比优势，国内实力雄厚的设备研制企业的扩散设备已实现出口，受到东南亚及欧美客户的青睐，一旦技术服务网络建立，批量规模出口指日可待。

扩散炉用于大规模集成电路、分立器件、电力电子、光电器件和光导纤维等行业的扩散、氧化、退火、合金及烧结等工艺。

扩散工艺的主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂，即将元素磷、硼扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。

最新的低压磷扩散利用低压氛围可以得到更好的方块电阻均匀性和更大的生产批量，同时对环境的影响最小。

氧化工艺是使硅片表面在高温下与氧化剂发生反应，生长一层二氧化硅膜。

氧化方法有干氧和湿氧，湿氧包括水汽氧化和氢氧合成两种。

所谓“快速(Rapid )”一词首次出现在1968年Mammels的专利文件“工件热处理的方法(Method of Heat Treatment of Workpieces )”中[65]，后来有多种术语如等温退火(Isothermal Annealing )，热脉冲退火(Heat Pulse Annealing)等，现在快速热退火(Rapid Thermal Annealing)和快速热处理(Rapid ThermalProcessing)具有同样的内涵。

实际上，RTP是半导体制造业中最复杂部分之一，它包含相关知识有:量子力学，固体物理，光学，工程学。然而，RTP系统的基本原理非常简单。过去人们对RTP系统接受很慢，主要是因为注入退火和热处理需要优良的温控制系统和测温系统，而且，它只是单片处理。但是，现在随着超亚微米器件的发展，使人们重新认识到RTP系统在半导体制造(特别是微电子行业)中的重要作用。 RTP系统刚出现时，通常采用激光连续光源，但出于对辐射光谱的作用和操作方便的考虑，RTP系统朝着基于非连续光源的方向发展，然而在RTP发展历史上，这一设想没有得到市场的认可，这部分导致RTP系统发展的停滞和科学合理的发展。

因此，过去RTP系统没有吸引大公司去研发解决关键的技术难题。然而传统的批量炉被证实是可靠、低成本的一技术，所以RTP系统的推广应用一直受到限制。现在，RTP在微电子器件生产中得到了一定的应用。许多人在设计灯的结构和加热灯的布置、控制均匀性上作了大量的研究[60, 66-b8J。但是基于卤素灯加热的RTP系统在制造环境中仍有好多问题。

扩散炉由控制系统、进出舟系统、炉体加热系统和气体控制系统等组成。

扩散炉控制系统

控制部分包括：温控器、功率部件、超温保护部件、系统控制。

系统控制部分有四个独立的计算机控制单元，分别控制每层炉管的推舟、炉温及气路部分，是扩散/氧化系统的控制中心。

辅助控制系统，包括推舟控制装置、保护电路、电路转接控制、三相电源指示灯、照明、净化及抽风开关等。

较先进的扩散炉控制系统均已更新或升级到微机控制，管机与主机间通过串口RS232或网线进行通信。控制系统软件大多基于Windows系统，实用性和可操作性大大提高，能够实现日志记录，曲线记录，程序编辑，远程控制等多种功能。

扩散炉进出舟系统

水平扩散炉进出舟系统有两种方式：1）悬臂桨系统；2）软着陆系统。

悬臂桨系统结构比较简单，SiC桨携带舟和硅片进入石英炉管后，就停留在石英炉管内，直到工艺程序结束，SiC桨就携带舟和硅片慢慢回到原位，悬臂桨系统缺点是桨对炉管温度的均匀性有一定的影响，另外，工艺气体也会对桨沉积，影响颗粒。

软着陆系统较悬臂桨系统更加先进，SiC桨进入石英工艺炉管后，桨自动下沉放下石英舟和硅片，然后慢慢运行回原点，最后石英炉管的门自动关闭。软着陆系统优点是没有SiC桨对腔体的影响，使得温度均匀性更好，减少了工艺气体在SiC桨上的沉积，从而颗粒更少。

推舟净化柜的顶部装有照明灯；正面是水平层流的高效过滤器及四层推舟的丝杠、导轨副传动系统及SiC悬臂桨座，丝杠的右端安装有驱动步进电机，导轨的两端是限位开关。柜子的下部装有控制电路转接板及净化用风机。

扩散炉炉体加热系统

炉体加热系统共有六层。顶层配置有水冷散热器及排热风扇，每层加热炉体间也配置一层水冷系统，隔绝每层炉管的温度相互影响，废气室顶部设有抽风口，与外接负压抽风管道连接后， 可将工艺过程残 余的废气带走,中间部分分四层放置四个加热炉体， 每层由四个坡面支架托起并固定住加热炉体，其位置在安装时已经与推拉舟系统——丝杠、导轨副传动系统及SiC悬臂桨系统或软着落系统等对准中心。

扩散炉气体控制系统

气源柜分为五层。顶部设置有排毒口， 用以排除在换源 过程中泄漏的有害气体。 柜顶设置有三路工艺气体及一路压缩空气的进气接口， 接口以下安装有减压阀、截止阀， 用以对进气压力进行控制及调节。对应于气路，各层分别装有相应的电磁阀、 气动阀、过滤器、单向阀、质量流量控制器、 及DCE源瓶和冷阱等。柜子的底部装有质量流量（MFC）控制器电源、控制开关、保险等电路转接板以及设备总电源进线转接板。

扩散炉有垂直扩散炉（vertical）和水平扩散炉（horizontal）两种类型。

垂直扩散炉是石英舟垂直于水平面，更加有利于机械手传送硅片，片内工艺参数一致性更好。

水平扩散炉是石英舟平行于水平面，一台可以4个或4个以上的工艺炉管，平均炉管的占地面积更小，片间的工艺参数较垂直扩散炉更好。

加热温度范围：25℃---870℃。

p型硅片表面扩散磷元素，形成结深0.3－0.5μm的p－n结。