CN109423697B - 一种用于低压扩散炉的炉门装置及低压扩散炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低压扩散炉的炉门装置，包括密封延长管、外密封炉门，以及用于隔绝低压扩散炉的反应管内热量的内密封炉门，所述密封延长管套设于所述反应管外周，密封延长管内端与所述反应管密封连接，外端与所述外密封炉门之间设有密封件，所述外密封炉门配置有开关门驱动机构，所述内密封炉门与所述外密封炉门之间设有弹性连接机构。本发明进一步公开了一种低压扩散炉，包括反应管，还包括上述的用于低压扩散炉的炉门装置。本发明具有结构可靠、密封性能好、使用寿命长等优点。

Description

一种用于低压扩散炉的炉门装置及低压扩散炉

技术领域

本发明涉及半导体扩散工艺设备，尤其涉及一种用于低压扩散炉的炉门装置及低压扩散炉。

背景技术

在太阳能光伏行业中，扩散炉的主要用途是在高温条件下对太阳能电池片进行掺杂，具体是在电加热条件下，将元素磷、硼扩散进入硅片，制备形成太阳能电池的ＰＮ结。ＰＮ结的质量对于太阳能电池的性能具有决定性的影响。

扩散炉的扩散工艺在石英反应管中完成，石英反应管在炉口处设有炉门，炉门驱动机构使炉门打开和关闭，具体流程为：扩散工艺前炉门打开，送料机构（送料浆）将载有硅片的石英舟送入石英管内，然后送料浆退出，炉门关闭；接着进行电加热，并从石英反应管尾部输入扩散工艺气体，开始扩散工艺过程。

按照反应管内压力的大小，目前扩散工艺可分为常压扩散和低压扩散两类，常压扩散时工作腔内压力保持微正压状态，对扩散炉工作腔的密封性要求低，无需可靠的密封结构，甚至可直接采用非密闭式炉管结构，技术较为简单。然而，随着结深的不断变浅，常压扩散对硅片掺杂均匀性的控制越来越差，难以制备高质量的浅表面PN结，很难满足太阳能电池高效、低成本发展的技术要求。随着扩散技术的不断进步，研究人员发现降低扩散炉工作腔内的气压会提高扩散炉管内气流的均匀性，避免湍流产生，从而提高扩散的均匀性；此外采用低压扩散以后，扩散过程中化学品的吸收效率大幅提高，可大大降低工艺过程中化学品的用量，节省成本。低压扩散为晶体硅太阳电池扩散工艺设定了全新标准，是未来扩散工艺发展的趋势。

低压扩散过程中反应管为负压，对炉门的密封性能提出了很高的要求，如果密封不良，会存在一系列的问题：无法形成减压扩散所需要的低压环境，不能满足工艺的负压条件要求；在外部大气压力作用下，反应管外气体、杂质等可进入反应管中，严重影响ＰＮ结制备的质量，导致产品报废；管内的腐蚀性气体会泄漏至炉门外，从而导致炉门外的设备金属物质发生腐蚀。传统的密封炉门采用带密封圈结构的石英炉门，而扩散过程中炉管温度很高，密封圈很容易因温度过高而熔化损坏，使用寿命短，也非常容易导致密封失效，所以，如何实现低压扩散工艺高温环境下的可靠密封，是低压扩散炉的关键技术之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构可靠、密封性能好、使用寿命长的用于低压扩散炉的炉门装置。

本发明进一步提供一种包含上述炉门装置的低压扩散炉。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于低压扩散炉的炉门装置，包括密封延长管、外密封炉门，以及用于隔绝低压扩散炉的反应管内热量的内密封炉门，所述密封延长管套设于所述反应管外周，密封延长管内端与所述反应管密封连接，外端与所述外密封炉门之间设有密封件，所述外密封炉门配置有开关门驱动机构，所述内密封炉门与所述外密封炉门之间设有弹性连接机构。

作为上述技术方案的进一步改进：所述弹性连接机构包括多组沿周向均匀布置的弹性连接组件，各组所述弹性连接组件包括导向柱、滑套、第一弹性件及限位件，所述导向柱沿反应管轴向布置，导向柱一端与所述内密封炉门固定连接，另一端与所述限位件固定连接，所述滑套和所述第一弹性件套设于所述导向柱上，所述外密封炉门与所述滑套固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进：所述开关门驱动机构包括驱动臂、炉门支座、球面轴承、连接轴、第二弹性件及轴承座，所述轴承座设于所述外密封炉门上，所述球面轴承安装于所述轴承座内，所述连接轴一端设于所述球面轴承内，另一端与所述炉门支座相连，所述第二弹性件套设于所述连接轴上，第二弹性件两端分别与所述轴承座和炉门支座相抵，所述驱动臂与所述炉门支座相连。

作为上述技术方案的进一步改进：所述密封延长管、外密封炉门和所述内密封炉门之间形成压力补偿腔，所述压力补偿腔配置有补气组件。

作为上述技术方案的进一步改进：所述补气组件包括进气管、排气管、压力控制仪、以及用于检测所述反应管和所述压力补偿腔之间压差的压差传感器，所述进气管上设有流量计，所述压力控制仪的输入端与所述压差传感器相连，压力控制仪的输出端与所述流量计相连。

作为上述技术方案的进一步改进：所述补气组件包括进气管、排气管、以及用于检测所述反应管和所述压力补偿腔之间压差的压差传感器，所述进气管上设有用于调节进气量的手动调节阀。

作为上述技术方案的进一步改进：所述外密封炉门内侧设有密封槽，所述密封件设于所述密封槽内，所述外密封炉门配置有主动散热结构，所述主动散热结构包括冷却风机和/或设于外密封炉门外侧并与所述密封槽对应的冷却液槽，所述冷却液槽中通冷却液。

作为上述技术方案的进一步改进：所述密封延长管为石英管，所述外密封炉门为金属炉门，所述内密封炉门为石英炉门。

作为上述技术方案的进一步改进：所述内密封炉门包括筒体，所述筒体靠近所述反应管的一端设有端板并于筒体内设有隔板，所述端板与所述隔板之间形成隔热腔。

一种低压扩散炉，包括反应管，还包括上述的用于低压扩散炉的炉门装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的用于低压扩散炉的炉门装置，设置有外密封炉门和导热性能差的内密封炉门，反应管外周套设密封延长管，密封延长管内端与反应管密封连接，外端与外密封炉门之间设置密封件，从而形成内外两级密封结构，内密封炉门与外密封炉门之间通过弹性连接机构实现柔性连接，可保证内密封炉门与反应管、外密封炉门与密封延长管均紧密贴合，结构可靠，保证密封效果；内密封炉门实现对低压扩散炉的反应管密封的同时减少反应管中的热量辐射至反应管外，使得密封件的温度得到有效降低，避免因高温而导致密封失效，延长了其使用寿命。

本发明公开的低压扩散炉因含有上述的炉门装置，因而同样具有上述优点。

附图说明

图1是本发明用于低压扩散炉的炉门装置的结构示意图。

图2是本发明中的弹性连接组件的放大结构示意图。

图3是本发明中的开关门组件的放大结构示意图。

图4是本发明中的补气组件第一种实施例的结构示意图。

图5是本发明中的补气组件第二种实施例的结构示意图。

图6是本发明低压扩散炉的结构示意图。

图中各标号表示：1、密封延长管；2、外密封炉门；21、密封槽；22、冷却液槽；3、反应管；31、保温棉；4、内密封炉门；41、筒体；42、端板；43、隔板；44、隔热腔；5、密封件；6、开关门驱动机构；61、驱动臂；62、炉门支座；63、球面轴承；64、连接轴；65、第二弹性件；66、轴承座；7、弹性连接机构；71、导向柱；72、滑套；73、第一弹性件；74、限位件；8、压力补偿腔；81、进气管；82、排气管；83、压力控制仪；84、压差传感器；85、流量计；86、压力表；87、手动调节阀。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

图1至图5示出了本发明用于低压扩散炉的炉门装置的一种实施例，本实施例的用于低压扩散炉的炉门装置，包括密封延长管1、外密封炉门2，以及用于隔绝低压扩散炉的反应管3内热量的内密封炉门4，密封延长管1套设于反应管3外周，密封延长管1内端（附图中为左端）与反应管3密封连接，具体是通过密封延长管1内端与反应管3外周的保温棉31抵紧实现，密封延长管1外端（附图中为右端）与外密封炉门2之间设有密封件5，密封件5可通过O型密封圈、密封胶或密封条等实现功能，本实施例中密封件5为O型密封圈，外密封炉门2配置有开关门驱动机构6，开关门驱动机构6可通过气缸等实现功能，内密封炉门4与外密封炉门2之间设有弹性连接机构7。

本发明用于低压扩散炉的炉门装置，设置有外密封炉门2和导热性能差的内密封炉门4，反应管3外周套设密封延长管1，密封延长管1内端与反应管3密封连接，外端与外密封炉门2之间设置密封件5，从而形成内外两级密封结构，内密封炉门4与外密封炉门2之间通过弹性连接机构7实现柔性连接，可保证在开关门驱动机构6的作用下内密封炉门4与反应管3、外密封炉门2与密封延长管1均紧密贴合，结构可靠，能够保证密封效果；内密封炉门2实现对低压扩散炉的反应管3密封的同时减少反应管3中的热量辐射至反应管外，使得密封件5的温度得到有效降低，避免因高温而导致密封失效，延长了其使用寿命。

具体工作时，开关门驱动机构6驱动外密封炉门2和内密封炉门4向反应管3管口方向运动，内密封炉门4首先与反应管3（石英管）的内密封端面相接触，然后，在开关门驱动机构6的作用下，外密封炉门2继续向反应管3管口方向运动，置于外密封炉门2和内密封炉门4之间的弹性连接机构7被压缩，内密封炉门4与反应管3的端面相贴紧，用于隔绝反应管3的热量，减少反应管3内的热量辐射到反应管3外部。最后，在开关门驱动机构6作用下外密封炉门2与密封延长管1端面贴紧，通过Ｏ型密封圈实现密封延长管1管口的密封。

作为进一步优选的技术方案，本实施例中，弹性连接机构7包括多组沿周向均匀布置的弹性连接组件，各组弹性连接组件包括导向柱71、滑套72、第一弹性件73及限位件74，导向柱71沿反应管3轴向布置，导向柱71一端与内密封炉门4固定连接，另一端与限位件74固定连接，滑套72和第一弹性件73套设于导向柱71上，外密封炉门2与滑套72固定连接。沿周向均匀设置多组弹性连接组件，有利于克服外密封炉门2和内密封炉门4之间可能存在的偏差，保证两者均可发挥密封作用，提升炉门的密封性能。具体工作时，在开关门驱动机构6的作用下，外密封炉门2通过滑套72沿导向柱71滑动，两者滑动过程中压缩第一弹性件73，第一弹性件73推动内密封炉门4向反应管3管口运动。其中，第一弹性件73为弹簧，直径优选大于滑套72的直径，滑套72采用T型套，导向柱71两端均设置有外螺纹，相应的，限位件74则采用限位螺母。

更进一步地，本实施例中，开关门驱动机构6包括驱动臂61、炉门支座62、球面轴承63、连接轴64、第二弹性件65及轴承座66，轴承座66设于外密封炉门2上，球面轴承63安装于轴承座66内，连接轴64一端设于球面轴承63内，另一端与炉门支座62相连，第二弹性件65套设于连接轴64上，第二弹性件65两端分别与轴承座66和炉门支座62相抵，驱动臂61与炉门支座62相连。该开关门驱动机构6可实现内密封炉门4和外密封炉门2相对炉门支座62一定幅度的弹性摆动，有利于克服内密封炉门4、外密封炉门2与密封延长管1、反应管3管口可能存在的偏斜，实现炉门的整体自适应调整，进一步提升炉门的密封性能。其中，第二弹性件65采用弹簧，炉门支座62通过紧固件锁紧于连接轴64上，内端设于轴承座66外周，使球面轴承63、连接轴64、第二弹性件65处于封闭环境中。

作为进一步优选的技术方案，本实施例中，密封延长管1、外密封炉门2和内密封炉门4之间形成压力补偿腔8，压力补偿腔8配置有补气组件。可通过往压力补偿腔8内充入氮气等非反应气体，使压力补偿腔8内压力略大于石英反应管3内部的压力，能够有效避免反应管3内腐蚀性物质泄漏反应管3外，避免导致金属物质发生腐蚀。

本实施例中，补气组件包括进气管81、排气管82、压力控制仪83、以及用于检测反应管3和压力补偿腔8之间压差的压差传感器84，进气管81上设有流量计85，压力控制仪83的输入端与压差传感器84相连，压力控制仪83的输出端与流量计85相连。压差传感器84实时检测反应管3内和压力补偿腔8内的压差值，通过压力控制仪83和流量计85对压力补偿腔8进行补气操作，使压力补偿腔8压力比反应管3内部的压力高30Mbar左右，可实现自动反馈调节，适用于反应管3内工艺气体流量实时变化的场合。

在其他实施例中，对于工艺气体流量固定的场合，也可采用图5所示的简易方式，即补气组件包括进气管81、排气管82、以及用于检测反应管3和压力补偿腔8之间压差的压差传感器84，进气管81上设有用于调节进气量的手动调节阀87。操作人员观察压差传感器84调节手动调节阀87开度，使压力补偿腔8的压力比反应管3内部的压力高30Mbar左右即可。

作为进一步优选的技术方案，外密封炉门2内侧设有密封槽21，密封件5设于密封槽21内，外密封炉门2配置有主动散热结构，本实施例中，主动散热结构包括设于外密封炉门2外侧并与密封槽21对应的冷却液槽22，冷却液槽22中通冷却液。也即在密封件5背面通入冷却液（例如冷却水）对密封件5、外密封炉门2进行主动冷却，降低其温度，保证密封性能并延长使用寿命。在其他实施例中，也可将密封件5安装于密封延长管1上；主动散热结构也可采用冷却风机进行主动降温，或者同时采用风冷和液冷。

作为进一步优选的技术方案，本实施例中，密封延长管1为石英管，外密封炉门2为金属炉门，内密封炉门4为石英炉门。内密封炉门4和密封延长管1采用石英材质，耐高温、性能稳定，热传导性能差，可减少反应管3内热量辐射至外部，在内密封炉门4和密封延长管1的作用下，对于外密封炉门2的耐高温性能要求降低，因而可采用金属材质，在保证密封性能的同时便于机械加工、制作。

更进一步地，本实施例中，内密封炉门4包括筒体41，筒体41靠近反应管3的一端设有端板42并于筒体41内设有隔板43，端板42与隔板43之间形成隔热腔44。采用该结构的内密封炉门4可进一步降低反应管3内热量辐射至外部，从而进一步避免密封件5在高温作用下失效，保证密封性能，延长其使用寿命。

实施例二

图6示出了本发明低压扩散炉的一种实施例，本实施例的低压扩散炉，包括反应管3，还包括上述的用于低压扩散炉的炉门装置。该低压扩散炉同样具有上述优点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种用于低压扩散炉的炉门装置，其特征在于：包括密封延长管(1)、外密封炉门(2)，以及用于隔绝低压扩散炉的反应管(3)内热量的内密封炉门(4)，所述密封延长管(1)套设于所述反应管(3)外周，密封延长管(1)内端与所述反应管(3)外周的保温棉(31)抵紧实现密封连接，外端与所述外密封炉门(2)之间设有密封件(5)，所述外密封炉门(2)配置有开关门驱动机构(6)，所述内密封炉门(4)与所述外密封炉门(2)之间设有弹性连接机构(7)，所述弹性连接机构(7)包括多组沿周向均匀布置的弹性连接组件，各组所述弹性连接组件包括导向柱(71)、滑套(72)、第一弹性件(73)及限位件(74)，所述导向柱(71)沿反应管(3)轴向布置，导向柱(71)一端与所述内密封炉门(4)固定连接，另一端与所述限位件(74)固定连接，所述滑套(72)和所述第一弹性件(73)套设于所述导向柱(71)上，所述外密封炉门(2)与所述滑套(72)固定连接，所述开关门驱动机构(6)包括驱动臂(61)、炉门支座(62)、球面轴承(63)、连接轴(64)、第二弹性件(65)及轴承座(66)，所述轴承座(66)设于所述外密封炉门(2)上，所述球面轴承(63)安装于所述轴承座(66)内，所述连接轴(64)一端设于所述球面轴承(63)内，另一端与所述炉门支座(62)相连，所述第二弹性件(65)套设于所述连接轴(64)上，第二弹性件(65)两端分别与所述轴承座(66)和炉门支座(62)相抵，所述驱动臂(61)与所述炉门支座(62)相连。

2.根据权利要求1所述的用于低压扩散炉的炉门装置，其特征在于：所述密封延长管(1)、外密封炉门(2)和所述内密封炉门(4)之间形成压力补偿腔(8)，所述压力补偿腔(8)配置有补气组件。

3.根据权利要求2所述的用于低压扩散炉的炉门装置，其特征在于：所述补气组件包括进气管(81)、排气管(82)、压力控制仪(83)、以及用于检测所述反应管(3)和所述压力补偿腔(8)之间压差的压差传感器(84)，所述进气管(81)上设有流量计(85)，所述压力控制仪(83)的输入端与所述压差传感器(84)相连，压力控制仪(83)的输出端与所述流量计(85)相连。

4.根据权利要求2所述的用于低压扩散炉的炉门装置，其特征在于：所述补气组件包括进气管(81)、排气管(82)、以及用于检测所述反应管(3)和所述压力补偿腔(8)之间压差的压差传感器(84)，所述进气管(81)上设有用于调节进气量的手动调节阀(87)。

5.根据权利要求1所述的用于低压扩散炉的炉门装置，其特征在于：所述外密封炉门(2)内侧设有密封槽(21)，所述密封件(5)设于所述密封槽(21)内，所述外密封炉门(2)

配置有主动散热结构，所述主动散热结构包括冷却风机和/或设于外密封炉门(2)外侧并与所述密封槽(21)对应的冷却液槽(22)，所述冷却液槽(22)中通冷却液。

6.根据权利要求1所述的用于低压扩散炉的炉门装置，其特征在于：所述密封延长管(1)为石英管，所述外密封炉门(2)为金属炉门，所述内密封炉门(4)为石英炉门。

7.根据权利要求6所述的用于低压扩散炉的炉门装置，其特征在于：所述内密封炉门(4)包括筒体(41)，所述筒体(41)靠近所述反应管(3)的一端设有端板(42)并于筒体(41)内设有隔板(43)，所述端板(42)与所述隔板(43)之间形成隔热腔(44)。

8.一种低压扩散炉，包括反应管(3)，其特征在于：还包括权利要求1至7中任一项所述的用于低压扩散炉的炉门装置。

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