專利名稱：長晶裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種加熱裝置，特別是指一種成長晶體用的長晶裝置。
背景技術：
晶棒的質量好壞取決于晶體成長過程、原料純度等因素，而其中，長晶裝置的設計對熔融的長晶原料所提供的熱場結構對于之后的長晶界面(grain interface)、長晶初期的晶體成核(rmcleation)、長晶過程中晶粒大小(grain size)等都有直接的影響，并攸關最終制作出的晶棒質量，因此，在長晶裝置方面的研究發展一直是業界所關注的命題之一。參閱圖1，目前的長晶裝置1包含一用于容放長晶原料100的坩堝11、一環繞所述坩堝11外側設置并可相對坩堝11上下移動地對所述坩堝11加熱的加熱單元12、一包圍所述坩堝11的傳熱件13，及一放置所述傳熱件13與坩堝11的底盤14。長晶時，所述加熱單元12開始加熱以提供容放于所述坩堝11中的長晶原料100 一個固定熱場，待長晶原料100成熔融狀態之后，令所述加熱單元12相對于所述固定不動的坩堝11向上移動，而使熔融的長晶原料100隨著所述加熱單元12相對所述坩堝11移動時造成的熱場變化(即溫度的降低)并搭配所述傳熱件13與底盤14的導熱效果而開始成核、長晶，最終得到晶棒。長晶裝置1以制作多晶硅的晶棒為例，根據研究，若能在長晶過程中，控制熔融硅原料的長晶界面101具有較平整、甚至微凸的結晶面，可減少晶體的熱應力，以及控制長晶初期成核的效率與質量可增加孿生晶界(twin boundary)的形成，會有助于長晶過程中差排(dislocation)等晶格缺陷的消失，而獲得品質較佳的多晶硅晶棒；但以上述的長晶裝置1而言，由于所述加熱單元12所形成的是單一熱場結構，所以對坩堝11中的硅原料長晶過程來說，熱場的溫度梯度控制極為粗糙而較不容易對于成核或者固-液長晶界面101的形態等長晶的關鍵因素有效地掌握。另外，像是以布里曼法(Bridgeman Method)來制備晶棒則是坩堝下降遠離加熱單元，通常加熱單元是包括分開固定的一個頂部加熱器與一個環狀側邊加熱器，并配合在所述底盤中另外設置的冷卻水流動裝置來加強控制長晶速度，雖然坩堝底部的初始結晶速度可以提升，但與上述長晶裝置1相同，對于固相區以及固液接口的熱場控制是較不容易的， 且坩堝里的熔融長晶原料可能會因為離所述等加熱器愈來愈遠使得表面開始固化，加上坩堝的移動也易導致堝體震動損壞、干擾晶體生長。此外，例如臺灣專利第099205223、第098132239專利申請案，分別揭示針對底盤施以特別的導熱設計的技術來進一步改善長晶質量。雖然，這樣的技術確實對于控制多晶硅的長晶過程有一定程度的改善，但是隨著半導體產業、光電產業的高度蓬勃發展，質量更佳的多晶硅晶棒是必然的發展需求，也因此，開發能提供溫度梯度控制更準確的熱場結構的長晶裝置，是相關業者的主要研發的方向。
實用新型內容為了克服上述缺陷，本實用新型提供了一種長晶裝置，所述長晶裝置可改善凹形長晶接口、擁有更好的溫度梯度控制。本實用新型為了解決其技術問題所采用的技術方案是一種長晶裝置，包含一坩堝，及一環繞且包圍于所述坩堝外側的熱場供應器。所述坩堝包括一具有一開口并用以放置長晶原料的容槽。所述熱場供應器作動時對所述坩堝加熱且形成一包覆所述坩堝的熱場結構，同時沿所述坩堝容槽底面朝容槽開口方向依次形成一第一熱場，及一均溫高于第一熱場的第二熱場，而所述熱場供應器可沿所述坩堝的容槽底面向所述容槽開口的方向相對于所述坩堝在一第一位置與一第二位置之間移動。當所述熱場供應器在所述第一位置時，所述坩堝位于所述第二熱場中，而當所述熱場供應器在所述第二位置時，所述坩堝位于所述第一熱場中。本實用新型為了解決其技術問題還可采用下列技術措施進一步實現較佳地，所述熱場供應器包括一環繞于所述坩堝周邊并對所述坩堝加熱的加熱單元，及一位于所述坩堝與加熱單元之間并設置于所述加熱單元下部的隔熱單元，所述加熱單元對所述坩堝加熱時形成穩定熱場結構，而所述隔熱單元將所述熱場結構分隔界定出所述第一熱場及第二熱場，即所述加熱單元在對所述坩堝加熱時，在有隔熱單元的部位對坩堝形成第一熱場，在隔熱單元上方的部位對坩堝形成第二熱場。較佳地，所述隔熱單元是由熱傳系數范圍在0. 5 0. 01ff/mK的材料所構成。較佳地，所述熱場供應器在所述第一位置時，所述隔熱單元的頂部不高于所述坩堝的容槽底面。較佳地，本實用新型的長晶裝置還包含一設置于所述坩堝外周圍的傳熱件，所述傳熱件包括一導熱底板，及一由導熱底板周邊緣向上延伸的側板。較佳地，所述傳熱件緊鄰并接觸于所述坩堝外壁以增加導熱、保溫的效果。較佳地，所述熱場供應器在所述第一位置時，所述傳熱件的導熱底板與坩堝容槽底面兩者的連接面與所述隔熱單元的頂端齊平。較佳地，所述隔熱單元的高度不小于所述坩堝容槽的深度。較佳地，所述隔熱單元的高度可小于所述坩堝容槽的深度。較佳地，所述傳熱件的導熱底板的構成材料所具有的熱傳系數不小于100W/mK。較佳地，所述傳熱件的導熱底板的構成材料所具有的熱傳系數范圍在100 250ff/mKo較佳地，所述傳熱件的導熱底板具有一對應于所述坩堝底部中央位置并與所述坩堝底部相接觸的第一熱交換區，及一熱傳系數低于所述第一熱交換區的第二熱交換區，且所述第二熱交換區環繞于所述第一熱交換區外圍。較佳地，所述傳熱件的側板的熱傳系數低于所述導熱底板的第一熱交換區的熱傳系數。較佳地，本實用新型的長晶裝置還包含一導熱支撐件，所述導熱支撐件供所述坩堝與傳熱件放置。較佳地，所述導熱支撐件與所述傳熱件的導熱底板相連接以幫助提高所述導熱底板對于所述坩堝的熱交換效率。本實用新型的有益效果是本實用新型的長晶裝置所形成的兩熱場結構具有以下優點(1)提供更大的溫度梯度與取熱速度，以誘發出較多的孿生晶界(Twin Boundary)、降低晶體中差排(Dislocation)缺陷的產生；(2)更加平坦，甚至微凸的長晶界面使晶格應力降低、缺陷滑移至晶體側壁而消失，進而改善最終晶棒質量；(3)更低能耗；(4)縮短長晶制程時間；綜上，本實用新型長晶裝置的功效在于，能提供兩溫度不同的均勻熱場，可以更精確的控制長晶過程，進而得到質量良好的晶體結構。
圖1是傳統的長晶裝置剖視圖；圖2是本實用新型的第一較佳實施例剖視圖；圖3是本實用新型為說明所述熱場供應器由所述第一位置往所述第二位置移動的剖視圖；圖4是本實用新型為說明所述熱場供應器在所述第二位置時與所述坩堝的相對位置；圖5是本實用新型的實驗組1 4的長晶裝置結構與傳統無隔熱單元的長晶裝置結構的比較圖，主要對比隔熱單元的包覆范圍及位置(將各實驗組及傳統長晶裝置結構簡圖同時顯示于圖5中，便于更直觀的對比隔熱單元的位置及包覆范圍)；圖6是本實用新型的第二較佳實施例剖視圖；圖7是本實用新型所制得晶體的缺陷比例以及傳統長晶裝置所制得晶體的缺陷比例柱狀圖。
具體實施方式
實施例1 參閱圖2，本實用新型長晶裝置的第一較佳實施例包含一熱場供應器2、 一坩堝3、一包圍于所述坩堝3外側的傳熱件5，及一供所述傳熱件5與所述坩堝3放置的導熱支撐件6。所述坩堝3包括一具有開口并用以容置長晶原料4的容槽31，且所述坩堝3位于所述熱場供應器2中。所述傳熱件5包括一位于所述坩堝3底部并具有導熱功用的導熱底板51，及一由所述導熱底板51周邊緣向上延伸而環繞接觸于所述坩堝3側周面并保溫用的側板52，較佳地，所述傳熱件5緊鄰并接觸所述坩堝3外壁以達到更直接的熱交換控制，且所述導熱底板 51的構成材料所具有的熱傳系數不小于100W/mK，較佳地是界于100 250W/mK間以期達到較好的熱交換效率。所述導熱支撐件6供上述坩堝3、傳熱件5放置，同時具有一定的取熱效果以幫助改善所述傳熱件5的導熱底板51對于所述坩堝3底部的冷卻效率，也使得整體裝置的熱交換更加穩定。配合參閱圖3、圖4，所述熱場供應器2設置于所述坩堝3周圍，并可相對所述坩堝 3于如圖2所示的第一位置和如圖4所示的第二位置間移動，所述熱場供應器2包括有一環繞包圍所述坩堝3并對所述坩堝3加熱而形成穩定熱場結構的加熱單元21，及一位于所述坩堝3與加熱單元21之間并設置于所述加熱單元21下部的隔熱單元22，且所述隔熱單元 22具有的熱傳系數范圍在0. 5 0. 01W/mK間而有較好的隔熱效果，通過設置在所述加熱單元21下部的隔熱單元22將加熱單元21加熱形成的熱場結構區隔成沿所述坩堝3的容槽 31底面朝容槽31開口方向依次排列的一第一熱場201，及一均溫高于第一熱場201的第二熱場202。以多晶硅的晶體成長為例來說明，當所述熱場供應器2在如圖2所示的所述第一位置時，所述坩堝3完全位于所述第二熱場202中，而容放于容槽31中的硅晶原料成熔融態且未開始成核、長晶。當熱場供應器2相對所述坩堝3自所述第一位置往第二位置移動時(如圖3所示)，在所述容槽31內的熔融態硅晶原料因為所述第一、二熱場201、202界面處瞬間的溫度變化，而在所述第一、二熱場201、202界面處開始產生固-液交界的長晶面， 且隨著所述第一、二熱場201、202界面的移動方向生長晶體，因此熔融的晶粒生長方向是由所述坩堝3的容槽31底部開始并隨著熱場的移動方向向上成長，且由于熱場溫差的良好控制使得長晶成核過程中可產生較多的孿生晶界(twin boundary)的多晶硅晶體成長態樣而成形；隨后，隨著熱場供應器2相對所述坩堝3的位置改變，上述的長晶過程不斷重復發生，最終使得坩堝3內的硅晶原料完全長成完整、質量較佳的多晶硅晶體。另外，特別補充說明的是，針對所述隔熱單元22的位置與包覆范圍，實用新型人更是做了較詳細的實驗仿真數據做進一步的研究，各實驗組的結構簡圖詳見圖5(主要對比顯示隔熱單元的位置與包覆范圍)，共進行一組對照組、四組實驗組的數據比較。對照組為目前傳統一般無隔熱單元、僅有單一熱場的長晶裝置結構；實驗組1 3是本實用新型具有隔熱單元、形成兩溫差熱場的長晶裝置結構，并針對隔熱單元的高度漸增做變化，且當所述熱場供應器處于第一位置時，實驗組1 3隔熱單元的頂端皆與所述坩堝底面齊平，而所述第一較佳實施例的實施態樣則是對應于實驗組3的隔熱單元高度，即所述隔熱單元的高度不小于所述坩堝容槽的深度；實驗組4類似于實驗組2的隔熱單元高度，但改變其在所述熱場供應器處于第一位置時的位置高低，實驗組4的隔熱單元的頂部遠低于所述坩堝底部。實驗數據整理如下表1所示表1
權利要求1.一種長晶裝置，包括坩堝和熱場供應器，所述坩堝具有容槽，所述容槽上端為容槽開口，所述熱場供應器環繞且包圍于所述坩堝外側，所述熱場供應器能夠沿所述容槽底面向所述容槽開口的方向相對于所述坩堝在第一位置與第二位置之間移動，其特征在于所述熱場供應器沿所述坩堝容槽底面朝容槽開口方向依次形成有第一熱場和均溫高于第一熱場的第二熱場，所述熱場供應器在所述第一位置時，所述坩堝位于所述第二熱場中，所述熱場供應器在所述第二位置時，所述坩堝位于所述第一熱場中。
2.根據權利要求1所述的長晶裝置，其特征在于所述熱場供應器設有加熱單元和隔熱單元，所述加熱單元環繞于所述坩堝周邊并對所述坩堝加熱，所述隔熱單元位于所述坩堝與所述加熱單元之間并設置于所述加熱單元下部，所述加熱單元對所述坩堝加熱時形成穩定熱場結構，而所述隔熱單元將所述熱場結構分隔界定出所述第一熱場和所述第二熱場。
3.根據權利要求2所述的長晶裝置，其特征在于所述熱場供應器在所述第一位置時， 所述隔熱單元的頂端不高于所述坩堝的容槽底面。
4.根據權利要求3所述的長晶裝置，其特征在于設有位于所述坩堝外周圍的傳熱件， 所述傳熱件具有導熱底板以及由導熱底板周邊緣向上延伸的側板。
5.根據權利要求4所述的長晶裝置，其特征在于所述傳熱件緊鄰并接觸于所述坩堝外壁。
6.根據權利要求5所述的長晶裝置，其特征在于所述熱場供應器在所述第一位置時， 所述傳熱件的導熱底板與坩堝容槽底面兩者的連接面與所述隔熱單元的頂端齊平。
7.根據權利要求6所述的長晶裝置，其特征在于所述傳熱件的導熱底板具有第一熱交換區和第二熱交換區，所述第一熱交換區對應于所述坩堝底部中央位置并與所述坩堝底部相接觸，所述第二熱交換區的熱傳系數低于所述第一熱交換區，且所述第二熱交換區環繞于所述第一熱交換區外圍。
8.根據權利要求7所述的長晶裝置，其特征在于所述傳熱件的側板的熱傳系數低于所述導熱底板的第一熱交換區的熱傳系數。
9.根據權利要求8所述的長晶裝置，其特征在于設有用于放置所述坩堝與傳熱件的導熱支撐件。
10.根據權利要求9所述的長晶裝置，其特征在于所述導熱支撐件與所述傳熱件的導熱底板相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種長晶裝置，包含坩堝，以及位于坩堝外側且對坩堝加熱形成熱場的熱場供應器，坩堝包括具有開口并用以容置長晶原料的容槽，而熱場供應器包括圍繞坩堝并對坩堝加熱的加熱單元以及設于加熱單元底部的隔熱單元，且熱場供應器可相對于坩堝在第一位置和第二位置之間移動而對坩堝形成具有溫差的兩個熱場，藉此令坩堝中的長晶原料于此二形成明顯的溫度梯度的熱場結構中可被控制地單向進行長晶，而獲得具有較多孿生晶界的良好晶體。
文檔編號C30B11/00GK202193875SQ20112029226
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月12日 優先權日2011年8月12日
發明者余文懷, 徐文慶, 楊瑜民, 白凱元, 藍崇文, 藍文杰, 許松林 申請人:昆山中辰矽晶有限公司