田偉娜，王宏博

(沈陽鷺島電子有限公司，沈陽 110006）

·應(yīng)用技術(shù)·

MFC在單晶爐上控制氬氣流量的應(yīng)用＊

田偉娜，王宏博

(沈陽鷺島電子有限公司，沈陽 110006）

目前單晶爐設(shè)備全自動(dòng)控制技術(shù)日趨成熟。單晶硅爐拉晶生長過程中，爐體內(nèi)的真空度穩(wěn)定性是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。質(zhì)量流量控制器MFC對于維持單晶爐內(nèi)真空值起著極其重要的作用。

單晶硅爐;氬氣;質(zhì)量流量控制器;真空度

近年來，隨著國內(nèi)太陽能光伏市場的迅猛發(fā)展，單晶硅爐的產(chǎn)量也在直線上升。就光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用而言，目前國內(nèi)單晶硅爐生產(chǎn)技術(shù)已較為成熟，全國有10余家設(shè)備廠商的產(chǎn)品供應(yīng)國內(nèi)市場。這些企業(yè)技術(shù)水平差距不大，各具特點(diǎn)，基本能夠滿足國內(nèi)太陽能級硅單晶的生產(chǎn)需要，目前，國內(nèi)單晶爐國產(chǎn)化率達(dá)到97%以上，有力地促進(jìn)了我國乃至世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并有個(gè)別廠家的單晶爐已批量出口進(jìn)入了國際市場。

在直拉單晶生長過程中，爐體內(nèi)的氣體氣流從頂部注入，及時(shí)地帶走由于高溫而產(chǎn)生出來的硅氧化物和雜質(zhì)揮發(fā)物。因此，維持單晶爐體內(nèi)真空值的穩(wěn)定性，不受外界因素的影響，同時(shí)使保護(hù)氣體有合理的氣流走向，迅速帶走雜質(zhì)，已經(jīng)成為目前半導(dǎo)體材料制造行業(yè)領(lǐng)域改進(jìn)設(shè)備，提高成晶率的重要課題。

1 直拉硅單晶的生產(chǎn)工藝介紹

直拉法生產(chǎn)硅單晶工藝盡管種類繁多，但大體可分為:真空工藝、氣氛工藝和減壓拉晶工藝。真空工藝又分低真空工藝和高真空工藝。真空工藝的特點(diǎn)是在單晶爐膛內(nèi)保持真空情況下拉制硅單晶。低真空工藝單晶爐膛內(nèi)真空度保持10－1～10－2Torr (注:1 Torr=133.32 Pa），高真空工藝單晶爐膛保持10－3Torr或更高的真空度。硅單晶拉制過程中單晶爐膛內(nèi)充高純氬氣做保護(hù)氣體，稱為氣氛工藝。氣氛工藝中又有流動(dòng)氣氛和不流動(dòng)氣氛兩種。在拉制硅單晶時(shí)一次充入單晶爐膛內(nèi)壓強(qiáng)0.2～0.4 kg/cm2高純氬氣 (表壓），稱為不流動(dòng)氣氛;拉制硅單晶時(shí)，連續(xù)不斷地向單晶爐膛內(nèi)充入高純氬，保護(hù)爐膛內(nèi)氣體是正壓 (表壓），同時(shí)又使部分氬氣沿管道向外溢出，這種工藝稱為流動(dòng)氣氛。

近幾年又出現(xiàn)了介于真空工藝和氣氛工藝之間減壓拉晶工藝。減壓拉晶是在單晶硅拉制過程中，連續(xù)向單晶爐膛充入等量的高純氬氣，同時(shí)真空泵不斷地從爐膛內(nèi)向外抽氣，保持爐膛內(nèi)穩(wěn)定在10～20 Torr真空內(nèi)，這種工藝既有真空工藝的特點(diǎn)(爐膛內(nèi)保持負(fù)壓），又有流動(dòng)氣氛的特點(diǎn) (不斷充氣，不斷排氣），減壓工藝在目前直拉單晶硅生產(chǎn)過程中被普遍采用。

2 質(zhì)量流量控制器維持真空度穩(wěn)定性

傳統(tǒng)的直拉單晶硅爐的充氣系統(tǒng)是將高純度的氬氣通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制輸送到單晶爐膛內(nèi)。轉(zhuǎn)子流量計(jì)是以轉(zhuǎn)子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，來改變它們之間的流通面積來進(jìn)行測量的體積流量儀表。其中大多數(shù)為玻璃管。所以轉(zhuǎn)子流量計(jì)的缺點(diǎn)也是顯而易見的，只能適用于小管徑和低流速，適合作為直觀流動(dòng)指示或測量精度要求不高的現(xiàn)場指示儀表，同時(shí)轉(zhuǎn)子流量計(jì)對流體最低壓力要求很高，應(yīng)高于壓力損失若干倍，用于氣體時(shí)壓力過低容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)子跳動(dòng)，在相同的體積流量指示下，當(dāng)壓力、溫度改變時(shí)，實(shí)際分子流量會(huì)發(fā)生較大變化而造成測量誤差。當(dāng)輸入氬氣壓力發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)對輸送的氬氣流量產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響單晶爐爐膛內(nèi)的真空度。

針對轉(zhuǎn)子流量計(jì)的多方面不穩(wěn)定因素，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為保持爐內(nèi)的真空度，控制氬氣恒定輸出，采用質(zhì)量流量控制器MFC來代替轉(zhuǎn)子流量計(jì)。特別在大型的直拉單晶設(shè)備上，質(zhì)量流量控制器更被廣泛的應(yīng)用推廣。質(zhì)量流量控制器能精確測量和控制氣體的“質(zhì)量流”，它只受氣體自身的三個(gè)特性的影響 (比熱容、密度、分子結(jié)構(gòu)等），對于某種確定的氣體，上面三個(gè)參數(shù)都已經(jīng)固定，所以MFC的測量精度不受氣體溫度、壓力等外界因素的影響，能在20-200SLPM的范圍內(nèi)達(dá)到高于1.0%的控制精度，響應(yīng)時(shí)間小于2 s。

下面詳細(xì)介紹小流量氣體質(zhì)量控制器工作原理。MFC工作原理圖見圖1。

當(dāng)儀表通電后，兩電阻溫度探測器 (RTD）繞組傳導(dǎo)一定的熱量 (常數(shù)）給氣流，兩個(gè)RTD溫度相同，但比實(shí)際氣體溫度稍高 (具體溫度要根據(jù)實(shí)際流量范圍和具體工藝在儀表標(biāo)定過程中確定）。當(dāng)管道中沒有流過氣體時(shí)，溫度分布如圖1所示。儀表傳感器中央溫度最高，兩邊溫度逐漸降低。當(dāng)氣體從左側(cè)流過傳感器時(shí)，要吸收左側(cè)鉑電阻傳感器上面的熱量，見圖2;當(dāng)氣體流到右側(cè)鉑電阻傳感器時(shí)，由于它從左側(cè)鉑電阻傳感器吸收了一部分熱量，所以氣體流的溫度繼續(xù)升高，使溫場分布曲線向右移動(dòng)，這樣和無氣體時(shí)進(jìn)行對比，可以得出一個(gè)溫差△T，氣體流量越大，△T也越大;這時(shí)候兩個(gè)鉑電阻傳感器的電阻值相差也越大。電阻值的差別值通過惠斯頓電橋檢測，再把信號傳到處理電路中進(jìn)行智能處理，最后獲得毛細(xì)管傳感器內(nèi)氣體的質(zhì)量流量。

由于層流器的均勻分流作用，使得在表的流量范圍內(nèi)流過傳感器和層流器的氣體質(zhì)量流量比例值恒定，這樣電路就可以通過得到的傳感器流量值換算出整個(gè)氣體流量。

圖1 MFC工作原理圖Fig.1 Working principle of MFC

熱式微管測量的數(shù)學(xué)模型為:Qm=K·(A/Cp） ·△T;式中，Qm為氣體質(zhì)量流量;K為儀表系數(shù)(每臺表的K值都有差別，在標(biāo)定時(shí)確定）;A為傳導(dǎo)系數(shù)(對應(yīng)不同的氣體，傳導(dǎo)熱量的能力不一樣）;Cp為定壓比熱容(在固定的壓力下，不同氣體的吸熱能力不同）;△T為前后兩個(gè)RTD繞組的溫度差。

由上式可以看出，只要客戶提供的氣體介質(zhì)、工作溫度、壓力、流量等確定后，就已經(jīng)把K、A、Cp確定了?？梢钥闯鯭m和△T直接成正比。在氣體偏離正常溫度、壓力、流量時(shí)，MFC均可以進(jìn)行準(zhǔn)確的補(bǔ)償。

圖2 單晶爐系統(tǒng)控制圖Fig.2 Crystal grower system control diagram

質(zhì)量流量控制器MFC不僅能測量氣體的流量，具備流量計(jì)的功能，其測量值不因壓力或溫度的波動(dòng)而失準(zhǔn)，不需要進(jìn)行壓力溫度修正;而且它還可以控制流量，本身具有檢測控制電路和流量調(diào)節(jié)閥，是一個(gè)閉環(huán)控制單元。用戶可以根據(jù)需要在量程范圍內(nèi)任意給定流量設(shè)定值，質(zhì)量流量控制器可以在輸入的氬氣壓力或環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)跟蹤設(shè)定值而改變流量并穩(wěn)定在設(shè)定值上，保證輸送的氬氣流量不產(chǎn)生波動(dòng)，從而穩(wěn)定單晶爐爐內(nèi)的真空度在2.6 kPa左右。

3 結(jié)束語

引起直拉單晶爐生長過程中的爐內(nèi)真空度不穩(wěn)定的因素很多，通過上述方法對氬氣充氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，經(jīng)過多年的實(shí)踐大大提高了單晶爐爐內(nèi)真空度的穩(wěn)定性，避免了外界因素對提高單晶硅拉晶率的影響。

［1］黃有志，王麗．直拉單晶硅工藝技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:48-54．

［2］中國市場調(diào)查網(wǎng)．2009-2010年中國硅單晶設(shè)備產(chǎn)業(yè)行業(yè)運(yùn)行狀況分析［R］．北京:中國市場調(diào)查網(wǎng)，2010．

［3］諸玲珍．單晶爐:全自動(dòng)化是方向［N］．中國電子報(bào)，2008-12-30(8）．

Application of Mass Flow Controller Controlling Argon Gas Flow in Single Crystal Furnace

TIANWeina，WANG Hongbo
(Shenyang Leader Electronic Co．，Ltd．，Shenyang 110006，China）

Automatic control equipment is currently single crystal furnace technology hasmatured．Growth process of silicon crystal pulling furnace，the furnace body of the vacuum stability is an important part．Mass Flow Controller MFC values for themaintenance of single-crystal furnace vacuum plays an extremely important role．

silicon furnace;argon gas;mass flow controller;vacuum

TQ117

B

1007-7804(2011）04-0037-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.04.009

2011-06-23

田偉娜(1980），女，2003年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，獲得學(xué)士學(xué)位，自動(dòng)化中級工程師;主要從事光伏設(shè)備、冶金、電廠自動(dòng)化儀表等方面的研究。