氫氣退火爐關(guān)鍵部件研究與開發(fā)

趙志然，李 明，黃志海，閆海蓮

（湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙410000）

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展對半導(dǎo)體器件的品質(zhì)要求越來越高，近十年來研究發(fā)現(xiàn)的硅中微小的原生缺陷如晶體的原生顆粒缺陷（COP）、激光散射層析缺陷（LSTD）等，都與硅中的氧有關(guān)。提升硅片質(zhì)量的關(guān)鍵是使制作器件的硅表層中形成低氧區(qū)，以減少晶格缺陷。途徑之一就是采用氫氣退火工藝，在氫氣中進行高溫退火，通過氫促進氧的外擴散并與氧反應(yīng)將氧消耗掉，以改善硅片質(zhì)量。研究表明，氫氣退火能降低硅片中氧化層錯密度約一個數(shù)量級，對于減少硅片COP、LSTD等缺陷也有明顯效果[1]。

氫氣退火工藝主要在氫氣退火爐中完成，傳統(tǒng)工藝由96%的氮氣與4%的氫氣組成，在高溫條件下，通過混合氣體中微量氫氣與硅片中的氧發(fā)生反應(yīng)，使硅片表層形成低氧區(qū)。這種混合性氣體具有非易爆性，屬于安全氣體[2]，反應(yīng)完的廢氣可直接進行排放。在氫氣退火工藝過程中，退火形成的低氧區(qū)的質(zhì)量和厚度除受退火溫度和退火時間影響外，還與氫氣濃度相關(guān)，氫氣純度越高，雜質(zhì)越容易從金屬表面逸出，雜質(zhì)去除的速度越快，效果越好。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，純氫氣退火的需求日益明顯[3]。在純氫氣退火中，工藝過程排放的廢氣中含有高含量的殘余氫氣，直接排放至空氣中很容易達到氫氣爆炸極限4%～72%，稍有不慎即有可能發(fā)生著火或爆炸事故[4]。對氫氣退火爐爐門密封高溫密封及尾氣處理系統(tǒng)的處理有著較高的要求。

1 系統(tǒng)組成

氫氣退火爐主要由反應(yīng)腔體（石英爐管）、加熱爐體、進氣系統(tǒng)（氮氣和氫氣兩路氣體）、氫氣尾氣處理裝置、推舟系統(tǒng)等主要部分組成，如圖1所示[5]。

圖1 氫氣退火爐系統(tǒng)組成

氫氣尾氣處理裝置是涉及設(shè)備安全性能的最重要部分。包括反應(yīng)管管口密封裝置以及廢氣處理系統(tǒng)。反應(yīng)管管口密封裝置用于實現(xiàn)氫氣退火爐反應(yīng)管管口在高溫環(huán)境下的可靠密封，避免氫氣泄露。氫氣退火爐廢氣處理系統(tǒng)用于實現(xiàn)氫氣尾氣的燃燒處理，避免其排放到外圍系統(tǒng)和環(huán)境中造成爆炸等危害。

2 爐門系統(tǒng)設(shè)計

由于氫氣退火爐反應(yīng)溫度較高，最高可達1 000℃。閉管臥式爐工藝過程中槳置于爐管中，槳上安裝有隔熱包。爐門由石英材料組成。爐門與石英管之間采用O型圈密封。建立其熱力學(xué)仿真模型。分別模擬有無隔熱包時的溫度場，如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，在爐門密封圈處，在不加隔熱包時密封圈處的溫度為250℃，在爐口處增加隔熱包后密封圈處的溫度顯著下降，溫度僅為180℃。對有隔熱包時密封圈處的實測溫度約在200℃左右，而氟橡膠的耐受溫度在250℃左右。一般情況下能夠滿足使用要求。但在密封條件要求較高的情況下，需增加設(shè)計的冗余量。為此需要對爐門處進行特殊的降溫處理，才能降低密封圈的使用環(huán)境溫度，提升密封圈的使用壽命和可靠性，確保設(shè)備的安全可靠。

圖2 有隔熱包時的溫度場

氫氣退火爐的反應(yīng)管管口密封裝置主要由金屬水冷法蘭、金屬爐門、導(dǎo)向桿、金屬波紋管、槳夾座等機構(gòu)組成。水冷法蘭由水冷法蘭支撐座、雙密封圈、密封圈支撐環(huán)、水冷法蘭套組成。水冷法蘭支撐座和水冷法蘭套通過螺釘連接，螺釘擰緊進而壓緊密封圈支撐環(huán)兩側(cè)的密封圈，密封圈因受擠壓而變形后緊貼密封圈達到密封的效果。水冷法蘭套內(nèi)空連接2個水路接頭，分別接冷卻水進水和冷卻水出水。冷卻水將熱量帶走，保證密封圈處較低的溫度。金屬水冷法蘭和爐門系統(tǒng)如圖4、圖5所示。

圖4 水冷法蘭示意圖

圖5 爐門系統(tǒng)示意圖

根據(jù)閉管臥式爐的特點，增加了水冷法蘭套，建立其熱力學(xué)仿真模型，并分析密封圈處的溫度特性。根據(jù)模型仿真結(jié)果可知，當增加水冷法蘭套后，與石英管密封的密封圈的溫度降低至80℃，同時水冷法蘭接觸的金屬爐門密封圈處的溫度更是低至60℃，如圖6所示。為此可知增加水冷法蘭后的密封方式讓密封圈的工作環(huán)境溫度更低，可靠性更高。

圖6 增加水冷法蘭套后的溫度場

考慮到閉管氫氣退火爐的結(jié)構(gòu)特點，金屬爐門套放在槳上，隨著槳前后運動。同時為了能夠保障爐門具有一定的自適應(yīng)能力，金屬爐門用波紋管連接。當上述運動機構(gòu)失效或者發(fā)生位置改變時，金屬爐門與水冷法蘭套之間密封將會無法保障。此時設(shè)備狀態(tài)無法監(jiān)測，并存在氫氣泄露，有可能造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。為此設(shè)計如圖7所示的結(jié)構(gòu)，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

圖7 爐門密封結(jié)構(gòu)示意圖

如圖7所示，將爐門板上的密封圈改為雙O型圈，在石英反應(yīng)管密封法蘭端面與爐門板雙O型圈接觸的中間位置開設(shè)抽真空孔，增配一微型隔膜泵用于爐門貼合時兩個O型密封圈之間的本底真空檢漏，只有漏率控制在安全范圍內(nèi)，才可進行下一步工藝，保證爐門與石英反應(yīng)管密封法蘭端面的密封萬無一失。

3 尾氣燃燒裝置設(shè)計

在通氫氣的核心工藝中，退火爐反應(yīng)管內(nèi)為純凈的氫氣，同時根據(jù)工藝的要求需不斷的通入氮氣，將反應(yīng)管內(nèi)已經(jīng)與晶硅反應(yīng)的氫氣不斷的排出反應(yīng)管。由于氫氣易燃易爆的特性，在排出反應(yīng)管后需第一時間將氫氣進行處理。目前在氫氣使用的其他場合，氫氣尾氣的處理方式為燃燒處理。但目前國內(nèi)市場上并無此類成熟產(chǎn)品，為此從安全性的角度考慮，設(shè)計一種新型的安全可靠的尾氣處理裝置是十分必要的。

3.1 尾氣燃燒裝置基本組成

尾氣燃燒裝置組成如圖8所示。尾氣通過水冷法蘭套焊接的尾氣管輸送出，經(jīng)過阻燃單向閥后進入氫氣燃燒裝置，經(jīng)燃燒裝置處理后的尾氣經(jīng)過波紋管進入到排廢筒內(nèi)部。燃燒裝置內(nèi)部有兩組電阻絲，雙重保護。保證尾氣能夠正常燃燒。

圖8 尾氣燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖

燃燒加熱絲的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 燃燒盒示意圖

3.2 安全邏輯關(guān)系及控制

加熱電阻絲通電，熱電偶實時檢測廢氣噴射管的出氣口處溫度，廢氣噴射管的出氣口處溫度至氫氣的燃點后，打開尾氣閥，廢氣依次經(jīng)過廢氣導(dǎo)出管、阻燃單向閥導(dǎo)入廢氣噴射管，同時空氣經(jīng)進氣孔進入燃燒腔室。

尾氣閥保持打開狀態(tài)一定時間后，火焰探頭如果未檢測到火焰，則發(fā)送火未燃信號，關(guān)閉尾氣閥并發(fā)出火未燃報警；火焰探頭如果檢測到火焰，則發(fā)送點火正常信號，尾氣閥保持打開狀態(tài)，廢氣與空氣中的氧氣燃燒；燃燒過程中氫氣檢測探頭實時檢測排廢筒內(nèi)是否存在氫氣泄露，熱電偶實時檢測廢氣噴射管的出氣口溫度，火焰探頭實時檢測火焰有無，若出現(xiàn)氫氣泄露、溫度低于氫氣燃點或火焰熄滅，則關(guān)閉尾氣閥并發(fā)出氫氣泄漏報警信號、溫度低報警信號或火焰熄滅報警信號。燃燒產(chǎn)生的水蒸汽及殘余氣體經(jīng)排廢筒排出。

3.3 燃燒加熱絲的設(shè)計

進口加熱絲的電極深入到加熱區(qū)，在使用過程中電極容易與加熱絲短聯(lián)，如圖10所示。短路后加熱絲的整體阻值將減小，電熱絲的整體溫度將升高，容易造成電阻絲燒壞的現(xiàn)象。同時進口加熱絲的電極深入到加熱區(qū)，電熱絲與電極之間的焊點處溫度較高，焊接處容易因高溫而燒熔、燒壞，進而導(dǎo)致電阻絲因斷路造成失效。威脅設(shè)備的使用安全。同時焊點位于電阻絲的內(nèi)部，連接制造工藝較為復(fù)雜，制造成本也將不斷增加。

圖10 進口加熱絲結(jié)構(gòu)

通過對進口電阻絲的分析，設(shè)計出如圖11所示的加熱絲結(jié)構(gòu)，此加熱絲通過對加熱絲螺旋方向的控制，讓電極與加熱絲的焊接點、壓接點放置在加熱絲的外部，通過仿真分析，此時的焊接點的溫度較進口爐絲低一些。且所有焊接點均在加熱絲的外部，降低了制造成本和可靠性。

圖11 改進后加熱絲結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

通過對氫氣退火爐爐門密封系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)的總體設(shè)計介紹，著重分析了爐門密封的安全性邏輯、尾氣處理系統(tǒng)的安全邏輯。同時根據(jù)仿真對尾氣處理加熱絲進行了優(yōu)化設(shè)計。氫氣退火爐交付使用后經(jīng)過2年科研及生產(chǎn)實踐驗證，爐門密封系統(tǒng)和尾氣燃燒處理系統(tǒng)具備系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，對于尾氣處理的效果良好，能夠滿足工藝及生產(chǎn)的使用要求。