扩散炉使用说明

高温扩散炉
使用说明书北京中联科利技术股份有限公司
目录
1．概述 (2)
1．1产品特点 (2)
1．2主要用途及适用范围 (2)
1．3品种、规格 (2)
1．4型号的组成及其代表意义 (2)
2．结构特征与工作原理 (3)
2．1总体结构 (3)
2．2分部件结构 (3)
2．3系统控制原理 (7)
2．4系统各主要单元功能结构及工作原理 (7)
3．主要性能指标 (10)
4．安装、调试 (11)
4．1安装条件 (11)
4．2安装程序及注意事项 (11)
4．3调试程序及注意事项 (12)
4．4 SiC桨及石英炉门的装调 (13)
4．5调试恒温区的方法及验收判据 (14)
4．6工艺试运行 (15)
5．使用、操作 (15)
5．1温控仪的使用 (15)
5．2恒温槽的操作使用 (16)
5．3计算机的操作使用 (16)
5．4操作过程中应注意事项 (16)
6．常见故障分析与排除 (17)
7．安全 (19)
1．概述
1.1产品特点
本设备加热部分选用进口炉丝以及耐高温保温材料，炉体使用寿命长，保温性能好。

送片系统采用丝杠、导轨及SiC桨悬臂式推拉舟机构，可确保进出舟运行平稳，同时能有效地防止因磨擦而产生的粉尘污染。

温控部分采用了内外联合的控温方式，炉体内置5段控温热电偶，实时实地检测和控制炉内温度，从根本上保证了恒温区的精度和稳定性，彻底改变了常规扩散炉（炉外单控模式）必须靠不断拉恒温区，校准炉外温控仪与炉内实际温度的偏差来保证恒温区的控温方式。

气路部分的关键件均采用进口件，并具有完善的安全保护措施，可靠性好。

整机由计算机控制，各部分软、硬件联锁；操作部分采用先进的触摸屏技术，工艺参数的设置及运行均可在触摸屏上直接进行；自动化程度高、操作简便、可靠性好。

1.2主要用途及适用范围
本设备主要用于6英寸、8英寸太阳能晶体硅电池片的扩散、氧化工艺；也可用于半导体器件制造中的扩散、氧化、退火及合金工艺，同时还适用于对其他材料的特殊温度处理。

1.3使用环境要求
1.3.1 环境温度5～40℃。

1.3.2 相对湿度＜75％。

1.3.3 海拔不超过2500m。

1.3.4 电网电压波动不超过额定值±10%。

1.3.5 环境洁净度不劣于：1000级。

1.3.6 有良好的抽风排毒系统，每管抽风量3000～4500L/min。

1.3.7 无高频及较强的磁场干扰。

1.4工作条件要求
1.4.1 电力规格：
扩散炉电器系统遵守下列安全规定：
●NFPA-79工业设备电器标准
● NFPA-70国际电工标准
采用3相+中线+地线5线制供电，电网电压波动不超过额定值的±10%；380VAC
/50HZ，每管最大功率约48KVA，总功率≤150KVA；设备外壳要求接地良好。

1.4.2 用水/气：
供应水压要求0.2～0.4Mpa，设备预留4分水管内丝接口，进水口水温≤20℃；
供应气压要求0.3～0.6Mpa，设备预留3/8″进气不锈钢管接口，气体纯度≥99.999%（推荐）。

1.4.3 排废：
气源柜、炉体柜、废气室及净化操作台顶部均要求有密封负压，抽气管与设备相连。

1.4.4 环境温度要求：5～40℃。

1.4.5 重量：约3300㎏。

2．结构特征与工作原理
2.1总体结构
总体结构分为四大部分，见系统配置图1，从左到右为：电气控制部分、推舟净化部分、电阻加热炉部分、气源柜部分。

图1
2.2分部件结构
2.2.1控制部分
控制柜是扩散/氧化系统的控制中心，由工业级一体化的15″触摸显示器、状
态指示灯以及控制开关、急停开关等。

在控制柜的后面板放置有工控计算机(IPC610P)一台，工控机的下方安装有SDC-45A双通道控温温控仪五个以及保护温控仪三个，分别对应控制和保护炉体的左、中、右五段温度。

用钥匙可以打开工控机控制面板，在工控机控制面板上，分布有电源开关、软驱插口、电源指示灯(POWER)、硬盘指示灯（H.D.D）、KB-LK指示灯、复位(RESET)按键、键盘锁（KB-LOCK）按键。

每层机箱输出端口与对应的控制线路都已经连接就绪，并有相应的标号提示。

在电控柜的顶部设置有组合式信号灯，用以对每管设备的运行情况进行监视，当系统出现异常时信号灯发出声光报警。

不可带电拔插工控机的接口插头，更不可有随意改换连接。

如非专业人员及检查、维修需要，不可打开工控机的盖板。

工控机控制框图见图2。

图2
在控制柜的底层，安装有三管控制系统的推舟控制装置、保护电路、电路转接控制板及各层的开关、保险等, 前盖板上装有三相电源指示灯及照明、净化、抽风开关等。

该柜内有220V的交流电，也有15V、5V直流电和控制信号线，检修时请注意区分及安全，谨防接错和短路。

2.2.2推舟净化部分
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三层推舟的丝
杠、导轨副传动系统及SiC悬臂桨座，丝杠的一端安装有驱动步进电机，导轨的两端是限位开关和极限保护开关（装在上面的是限位开关，装在下面的极限开关）。

靠近炉口的净化柜顶部设有漏斗状的抽气罩，与外接抽风系统连接后，用来排掉出舟时散发的大量高温有毒气体。

在柜子的下部装有控制电路转接板及净化用风机。

1、推舟净化柜内有380V交流电，请注意安全！
2、装配和使用过程中请注意始终保持限位开关先于极限开关接通。

2.2.3电阻加热炉部分
电阻加热炉柜共有五层。

顶层配置有水冷散热器及排热风扇，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。

中间分三层放置三个炉管，每层由四个坡面支架托起并固定住炉管，其位置在安装时已经与推舟送片机构——丝杠、导轨副调好对中，因此切不可轻易挪动。

炉管上从左至右分别有六个接线端子，请务必根据接线端子及线头上的标号对应连接，连接时，请使线与炉管外壁保持一定的距离，以防电缆因过热而短路。

在炉管外壁的中部，可以看到有五个热电偶接线座，中间三个的座内各接有两支热电偶，热偶Ⅰ用来控温，热偶Ⅱ为超温保护热电偶。

控温热电偶从左至右分别用补偿导线对应连接控制柜上对应层的左附控、控Ⅰ、控Ⅱ、控Ⅲ、右附控温控仪的第2通道，第1通道用于连接炉内的五段热电偶。

保护热电偶则连接到控制柜对应层的保Ⅰ、保Ⅱ、保Ⅲ温度保护仪。

内置热电偶的5个监测点必须与炉外5个热电偶的位置一一对应，这种对应
关系对恒温区温度控制精度及稳定性至关重要。

每管炉体的右侧设置有废气室，以排放工艺过程中产生的有毒有害气体。

炉柜的底层安装有三管加热炉的功率部件（可控硅、散热器、接触器、变压器、可控硅过零触发器等）。

底部背面的门板上装有散热风机，用以对可控硅进行散热。

2.2.4气源部分
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、及源瓶恒温槽等。

柜子的底部装有质量流量控制器电源、控制开关、保险等电路转接板以及设备总电源进线转接板。

停炉后再运行工艺前，必须认真检查各减压阀的压力是否在要求的范围之内、各手动阀是否都处在打开的位置，特别是源瓶上的聚四氟手动阀更应仔细检查，确保其已打开，否则有炸瓶的危险；对外的排气软管及废液瓶也应经常检查和清洗，防止由于废液和偏磷酸残渣堵塞管道而引起源瓶爆炸。

气路配置见图3 。

图3
2．3系统控制原理
系统控制方框图见图4，总控制原理图见所附电路图
图4
2.4系统各主要单元功能结构及工作原理
2.4.1温控仪
每管配置有五个高档进口双通道级联温控仪，该温控仪带有抑制超调功能、智能
自整定PID调节系统和内外级联控制功能，有多种信号输入方式，可方便地与炉体的控温热电偶组成温度控制系统，对炉体的恒温区实现精确控制。

通过启动自整定功能，温控仪能自动调整演算出一组最合理的PID控制参数。

仪器各参数可手动输入，也可通过温控仪提供的RS485通讯端口，与同样具有RS485通讯协议的计算机主机进行联接，计算机可通过指令自动设置并运行温度控制仪的相关参数，所需的工艺参数均可在触摸显示器上直接操作与显示。

温控仪经初始化后的各功能值不可随意调整和更改，否则，极有可能造成温度控制精度下降甚至导致炉温失控。

2.4.2推舟净化单元
净化由净化风机、初效过滤器、高效过滤器组成。

启动风机，1000级的环境空气经过二级过滤器后，可获得洁净的100级水平层流净化区。

一般在进出舟时，要求启动净化风机，一是为硅片进出反应管提供高洁净区，二是将高温热气流驱散，以免灼热的气流将过滤器及净化台顶部烤焦。

净化风机可手动开启，工艺运行中也可设置在相应步自动开启。

推舟部分由导轨、丝杠、SiC桨固定座、石英炉门、不锈钢炉门及步进电机驱动系统等组成；用于在该局部高洁净区平稳地向反应管中推进、拉出工艺片。

由于进、出舟的纯直线行程达2000mm，所以在运行中要求平、直、无抖动，因而该部分采用了直线导轨副配合丝杠副进行传动。

直线导轨副与丝杠副均为台湾生产，SiC桨由美国进口，制作精度都非常高。

直线导轨副与丝杠副在实际应用中，处于平行线上，直线导轨副作导引，丝杠作传动，因而从结构上保证了固定其上的SiC桨固定座及石英舟运行的平稳性。

上述推舟系统的运动过程通过计算机进行控制，可在触摸显示器上手动或程序自动运行。

详细操作请参看计算机软件操作使用说明书。

已调好的SiC桨座上的螺钉请不要再随意旋动，否则有可能造成在进出舟的
过程中碰坏石英均流板、硅片甚至石英管。

2.4.3加热炉
炉膛用Φ8mm电热线材绕制，其有效工作内径为Φ320mm，恒温区长1080mm。

在炉口加有绝缘及隔热刚玉法兰，并伸出炉体约15mm，以阻止炉内热焰直接作用于炉体端盖的不锈钢环，防止其氧化和变形。

炉体采用主、从五段加热，分别控制。

每段都设置有热电偶及相应的温控仪和功率控制组件，对每段加热区实行自动控制。

炉子用低压大电流供电，为了延长炉体的使用寿命，暂不用时，可设置炉温500～600℃
自动保温，并注意一定要设置好超温报警保护，以防不可预见的故障烧坏炉体和石英器件。

炉丝及炉体两端的保温棉圈均很脆弱，搬动炉体时，应抠住两边的提手，不可抓抬炉丝的引出接线排或炉体的内壁。

2.4.4功率部件
由特种变压器、空气开关、交流接触器、熔断器、可控硅、触发器等组合而成。

这些元器件均采用了可靠性较高的产品，譬如交流接触器就选用的是德国西门子公司的产品。

具体布置可参阅相关电路图。

温控仪的输出信号输入到过零触发板上，产生脉冲去触发功率部件中的可控硅，使炉子的每段加热温度受到控制。

炉子的主控工作电压111V和78V,付控工作电压为85V。

由于采用的是低电压供电，因此炉子的工作电流将会比较大，但一般不会超过110A，如果工作电流达到115A以上，可能与电网电压偏高有关系，需要引起注意；此时也可边用钳形电流表监测炉体加热电流边调整温控器的输出限值，加热电流控制在90A左右（炉口端应适当加大些，调在100A左右为好）。

1、该部件上的交流接触器、熔断器、变压器等均有裸露的380V交流电，检
修时应特别注意安全。

2、为防止炉丝老化后温度升不上去，变压器的各控制段均留有抽头，新炉体
请不要接至变压器的高电压端，以防止由于电流过大而加速炉体的老化。

3、更换可控硅时，请注意极性，在紧固可控硅散器上的螺母时请交替进行。

2.4.5送气单元
逆时针旋转截止阀，可打开进气通道；顺时针旋转减压阀，并根据表头指示，可调节进气压力到需要值，一般进气压力调在0.35～0.4Mpa较合适。

气源柜的供电由柜子底层电气转接板上的开关控制，当发现控制柜某层没有电源时，应检查相应层的开关是否合上以及保险是否完好。

自动控制时，控制单元经PCL-726板送出控制信号驱动PCLD-785载板上的固态继电器,再由固态继电器去驱动对应的电磁阀及气动阀；经PCL-812PG输入、输出A/D 、D/A信号控制和显示工艺气体流量。

工艺过程中请注意经常查看气源柜内的抽风排毒系统是否工作正常、 HCL及POCL3携带气体是否发生泄漏。

2.4.7超温保护系统
CH402及SDC-45A 温控仪本身均具有超温、断偶报警功能；同时，为安全起见，在主控段各控温热电偶的旁边，又增设了一支温度监测热电偶，接至CH402温度保护仪，专作超温保护用。

当温度超过保护设定值时，超温段相应温控仪（或温度保护仪）的报警指示灯亮，计算机上也有指示，保护系统会在发出声光报警的同时切断炉体加热功率部件的电流。

为保护工艺片起见，超温保护的温度设定值以高于工艺过程中的最高使用温度10℃左右为宜。

2.4.8系统温度控制原理
输入的三相380V＋中线交流电压经电源转接板后，分为四路：一路给控制柜供电，一路给气源柜供电，一路给净化操作台供电，还有一路则经变压器降压、可控硅整流后作为炉体的加热电源；其中控制柜和气源柜为单相供电，而净化操作台和炉体柜则为三相供电。

置于炉体侧壁内的三支控温热电偶将检测到的温度毫伏值分别送给相对应的
温控仪，温控仪将热电偶测得的炉膛温度值与设定的目标温度值比较并经PID运算后，输出相关的4～20mA电流值给可控硅触发器，除法器根据各温控仪控制电流的大小，分别给出相应变化的脉宽过零触发信号，控制五个双向可控硅的通断时间，形成对五段炉丝加热功率的独立控制，从而达到自动控温的目的。

3．主要性能指标
3.1.1 炉膛有效内径：Ф320mm
3.1.2 温度控制范围： 400～1100℃
3.1.3 恒温区长度及精度：≤±0.5℃/1080mm （801～1100℃）
≤±1℃/1080mm （400～800℃）
3.1.4 单点温度稳定性：≤±1℃/4h （880℃时）
3.1.5 升降温速率可控范围
爬升率: 15℃/min (最大)
下降率: 5℃/ min (最大)
3.1.6 具有超温、断偶、短路报警和保护功能。

3.1.7 具有自动斜率升降温及恒温功能。

3.1.8 净化工作台净化级别： 100级（环境1000级）
3.1.9 送片方式：
采用SiC桨悬臂自动送片机构，舟速20～500mm/min连续可调；
定位精度:≤±2mm，SiC桨最大载片承重:16Kg
3.1.9 工艺过程由工控计算机全自动控制，直接在触摸屏上操作。

4．安装、调试
4.1安装条件
4.1.1 洁净度不劣于1000级的净化厂房。

4.1.2 冷却用供、排水管道。

4.1.3 负压排废、毒气及排热气通道。

4.1.4 工艺气体供气管道。

4.1.5 3相+中线+地线，50HZ供电，每管功率约48KVA，总功率≤150KVA，设备外壳要求接地良好。

4.1.6 石英器件清洗设备。

4.1.7 设备的装调过程中需用到以下工具及仪器：7～19#呆扳手一套；4〞、12〞活动扳手各一把；内六角扳手一套；大号一字、十字起子各一把；电讯一字、十字起子各一把；万用表一块；拉恒温区的标准热电偶（长1800mm）一根；5位半以上数字表一块；2m卷尺一个；冰瓶、补偿线一套以及吸尘器、毛刷等。

4.2安装程序及注意事项
4.2.1设备进入厂房前，请仔细搞好卫生，里里外外用毛刷、吸尘器、抹布彻底清扫干净。

4.2.2对照图1的布局，一般先装电阻加热炉体柜，其次摆好推舟净化柜，最后摆置气源柜及电控柜。

注意在装各部分之前，要先装好地脚螺钉，等各柜位置均定位好后再调节地脚螺钉，将各部分高度协调好。

4.2.3安装好加热炉体及热电偶。

4.2.4接好排废、毒气及排热气管道。

4.2.5接好冷却水管路，通水检查确认散热器各接头无滴漏。

4.2.6接好工艺气体进气管道，试压，确保无漏气点。

4.2.7打开净化操作台后盖板，去掉高效过滤器上的包装塑料后重新安装好。

4.2.8安装好工控机及显示器。

4.2.9按接线图及电缆上的标记，接好各部分之间的连接电缆及热电偶补偿导线，并接好机壳地线。

4.2.10仔细检查炉体、可控硅、变压器及各转接端头的压接螺钉，应无松动现象。

4.2.11仔细检查各转接线，确认各部分连接无误后，接好总电源进线。

1、炉体柜就位后，为了方便操作，应在先安装好炉体、保温棉圈及其端盖
板后，再将两侧的气源柜和净化操作台靠紧。

2、工艺气体管道在接入设备之前，应通大流量的N2冲净管道内灰尘等杂
质。

3、注意各电源线的火线、零线及地线的位置不可接错。

4、注意各功率组板上的三相电源进线不可接错。

5、炉体上引出线排与炉丝的焊接处很脆，安装联接加热大线时，请用两个
扳手小心紧固，切不可只用一只扳手硬拧或将线排左右摇晃，以防引出
线排断裂而导致炉体报废。

6、热电偶的安装以其两根丝的焊点高出炉体的炉丝1mm左右即可。

7、请注意补偿导线的极性：红色的线应接热电偶的+极（相对较硬的那根）。

4.3调试程序及注意事项
4.3.1逐柜、逐层上电，检查各部件上电情况，注意检查机壳是否带电。

4.3.2电控柜及气源柜上电，检查计算机、温控仪、温度保护仪、各控制开关、指示灯、电磁阀、质量流量控制器、流量计电源等是否正常。

在计算机手动操作屏上逐一试验，看对各器件的控制是否正确无误。

4.3.3推舟净化柜中，逐一检查照明、排风及净化送风是否正常。

配合计算机检查自动进出舟、行程限位及极限保护是否正确。

4.3.4检查可控硅散热风扇、水冷散热器排热风扇以及气源柜、电控柜的冷却风扇等是否工作正常。

4.3.5将炉温设定为300℃（温度保护值应设得高于该温度），按下面板上的炉体加热“开”按钮，炉子开始升温，注意观察温控仪温度显示情况及功率部件、炉体等有无异常。

用钳形电流表分别测量五段炉丝的工作电流，调节可控硅触发板上的相应电位器，将加热电流控制在95A左右（炉口端可在110A以内）。

4.3.6待炉温恒定后，将温度保护值改为299℃，此时，炉体加热应自动断开，同时超温保护系统发出声光报警；再为人为断开和短接热电偶，同样炉体加热应能自动
断开，保护系统发出声光报警，指示灯分别显示超温和短路。

4.3.7在显示器上编辑和模拟运行工艺，各部分应能工作正常。

1、请注意净化风机的转向是否正确（外壳上有标记），如果不对，将风机三
相电源线中的任意两根互换即可。

2、温控仪除温度设定值必要时由工艺人员修改外，各窗口内的其它参数都不
得改动，否则会引起控温精度下降甚至造成炉温失控。

3、系统正常后，将温控仪及温度保护仪的超温保护值设为高于设备的最高工
艺温度10℃即可。

4.4 SiC桨及石英炉门的装调
4.4.1将洗净好的石英管放入炉膛，两人抬取石英管时，每人负责看管一端，负责尾部者严禁直接用手抬尾气管，以免该管发生断裂，抬石英管时将石英管尾部的三根小管朝向净化台外侧，待石英管放进炉膛后转动石英管直至石英管内三个固定圈朝下，用卷尺量好从不锈钢盖板至石英管口的距离。

4.4.2把密封圈嵌入石英门密封槽中，密封圈应压紧压平。

4.4.3将送片座上的波纹管前端的锁紧圈拧松（最好是不要拧下来）。

4.4.4将装好密封圈的石英门安装在悬臂桨上，安装时要用力均匀，防止将石英门上的圆筒与桨碰撞。

4.4.5首先把桨夹座两边的四氟锁紧螺钉拧松，将装有石英门的悬臂桨一起放入送片座上的桨夹座中，把石英门上的圆筒伸至四氟波纹管中，拧紧锁紧螺母，注意拧紧波纹管时石英门与桨的位置要垂直。

4.4.6将石英匀流板放在悬臂桨最前端，进舟至匀流板位于管口位置，调节好桨的上下位置（桨的前后位置一般不会变动，用户可根据实际情况进行调节）使得匀流板基本处于石英管中心，调节时只需调节桨夹座后面的调节螺母。

4.4.7边进舟边观察匀流板的位置，打开废气室侧壁的观察窗口，待进舟到最前端时检查石英门与石英管之间的位置，石英门与石英管之间是否完全密封，可在石英炉门与石英管口之间放一张薄纸，炉门关紧后纸张应抽不出来。

同时，在石英门盖住石英管口后，调节压紧石英门的四氟波纹管及支撑石英门的弹簧使之有一定的压缩量。

4.4.8退舟，安装炉尾的保温棉圈及不锈钢盖板。

4.4.9将尾气管、热电偶管从石英管尾部插入石英管中，安装时注意将热电偶管及尾
气管从固定圈中通过。

然后将热偶管盖盖住另一个管口，用不锈钢夹子夹好。

4.4.10放入石英隔热包和前挡板等，由于密封圈使用温度为220~250度之间，因此在升温前一定要安装隔热包。

同时在拆卸隔热包时应在温度250左右，不要等隔热包完全冷却再拆卸。

（因在冷却状态下偏磷酸容易粘在隔热包上而取不下来）。

4.4.11从石英管后部下面装入内热偶,接好补偿导线及温度监测仪。

4.4.12装好源瓶、清洗瓶、冷凝瓶等，按气路原理图接好气路中PFA管道及单向阀、聚四氟阀以及排废尾气管、废液收集瓶等。

1、整个装调过程均应小心操作，在SiC桨未调整好以前，切忌快速进出舟，
以防损坏器件。

2、考虑到装满工艺片后，SiC桨会向下有少量小垂，为防止桨触碰石英管底，
空载调试时，应调到桨的前端适当上扬8～10mm。

3、石英炉门在自动进舟到位后，联接其上的聚四氟波纹管的压缩量应控制在
3～5mm之间，太小关不紧炉门，太大则又容易压坏石英炉门。

4、SiC桨装调好以后，各定位螺钉均不得再随意旋动。

清洗石英管或SiC桨
时，只需松开桨座上盖的四个压紧螺线，将桨抽出即可。

4、桨的位置调好以后，应将调节桨俯仰的螺母做好标记，防止在清洗桨的过
望程中不小心动了该螺母，引起桨与石英管的位置变化而导致器件损坏。

4.5调试恒温区的方法及验收判据
扩散炉恒温区精度的测量按中华人民共和国第四机械工业部部颁标SJ2065/82 《半导体器件生产用扩散炉测试方法》的相关条款进行检测。

我司扩散炉采用的是内外联合的控温方式，炉体内置5段控温热电偶，实时实地检测和控制炉内温度，彻底改变了常规扩散炉（炉外单控模式）必须靠不断拉恒温区，校准炉外温控仪与炉内实际温度的偏差来保证恒温区的控温方式。

检验恒温区的具体步骤如下：
4.5.1根据工艺要求在计算机上设置好所需的温度值。

4.5.2将炉体的炉口用保温棉圈堵好（静态、闭管）。

4.5.3保证内置热电偶的5个监测点与炉外5个热电偶的位置一一对应。

4.5.4按下面板上的加热“开”按钮。

4.5.5当炉温达到设定温度并稳定1小时以上，将中间3个温控仪（分别监测恒温区。