CN101481825B - 具有对流式散热构造的长晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有对流式散热构造的长晶炉，其长晶炉的炉内空间容设有加热室，加热室有上隔板、多个侧隔板、及下隔板。上隔板开设有上开口，下隔板开设有中央开口。硅浆冷凝时，通过下驱动器以驱动下阀门打开中央开口，使冷气流经由中央开口流入加热室下层，继由上驱动器驱动上阀门打开上开口，使热气流经由上开口流出、并沿着冷却的炉壁顺流而下，由中央开口流回加热室内。其自动对流式循环散热流场，可快速散热节省时间、提高生产效率。于冷却过程中，自底部开始固化结晶循序往上，使硅晶碇无内应力及碎裂存在，硅晶碇质量优良。

Description

具有对流式散热构造的长晶炉

技术领域

本发明涉及一种多晶硅长晶炉，尤指一种适用于具有对流式散热构造的长晶炉。

背景技术

请参阅图1，其为现有的长晶炉示意图。如图所示，长晶炉炉内容设有一加热室91，加热室91包括有罩笼911、加热器912、坩埚913、及支撑桌体914。

如图1所示，当硅浆于加热器912中加热至熔融状态后，于其长晶时程加热室91的罩笼911往上开启，冷场由罩笼911下方四周进入加热室91。由于支撑桌体914非常厚重，虽有冷场进入冷却，但支撑桌体914的相对热容量大，而连同使盛载硅浆的坩埚913底部也不易降温。因此，硅浆于坩埚913底部未达到理想的长晶温度，冷场已使硅浆的上部及侧部，尤其角落已先行冷却固化。

当硅浆从液相转换成固相时，其体积约膨胀9.5％，现有的硅浆长晶过程会先自上边、及侧边向中央成长，亦即硅浆的上边及四周先行固化，于稍后才固化的中央部其所产生的膨胀压力无法向上释出，因此产生内应力。此内应力有时导致晶碇的四周碎裂，尤其在四角落更为明显，有时虽无明显的裂痕，但到了后工程的切块与切片时，晶块或芯片会碎裂。因此，其于晶碇的生产质量不佳。

再者，于长晶过程中罩笼911拉起，其内壁四周与天板910摩擦，石墨屑会剥落而污染硅晶碇。退火时程罩笼911又放下关闭加热室91，冷却时程再度拉起，如此往复上下，不但剥落碳屑会渗入硅浆内，造成含碳量升高，降低质量。又使加热室91内壁与天板910间因长时磨耗，导致间隙渐渐增大，热量逸失的情况会日益增加。

此外，为了缩短冷却的时程，加热室91的六面隔板仅以石墨所制成的隔热层92来进行隔热，而未设有保温层对加热室91保温。以此种单薄的隔热方式，热能聚集不易。尤其在长晶时程，打开罩笼911下方四周后，为使硅浆能均匀长晶，先要使坩埚913底部降温，同时又要加大电功率去维持加热室91上方于高温，使得长晶过程既费时又耗电。

发明内容

本发明目的是提供一种具有对流式散热构造的长晶炉，其包括一炉体、一加热室、及至少一加热器。

其中，炉体包括有一炉上腔、及一炉底盖。炉底盖是盖合于炉上腔下方、并共同围绕形成一炉内空间。加热室容设于炉体的炉内空间内，加热室包括有一上隔板、多个侧隔板、及一下隔板，并共同围绕形成一室内空间。多个侧隔板与炉体内壁间隔有一室外空间。至少一加热器容设于炉体的加热室的室内空间内。

而且，加热室的上隔板开设有一上开口，下隔板开设有一中央开口。此外，加热室包括有一上阀门、一下阀门、一上驱动器、及一下驱动器。其中，上驱动器是驱动上阀门选择式地打开或对应闭合于上隔板的上开口，下驱动器是驱动下阀门选择式地打开或对应闭合于下隔板的中央开口。

因此，硅浆冷凝时，可使冷气流经由中央开口流入加热室下层，继由上驱动器驱动上阀门打开上开口，使热气流经由上开口流出、并沿着冷却的炉壁顺流而下，气流被炉壁降温后再由中央开口流回加热室内。因此形成一自动对流式循环散热流场，可快速散热节省时间、提高生产效率。并且在硅浆长晶冷却过程中，能自底部开始固化结晶循序往上，使硅晶碇无内应力及碎裂存在，故硅晶碇质量优良。

此外，于长晶炉中还可包括有一进气管，进气管包括有一气体出口，进气管是深入炉体内、并使气体出口设置于加热室内、并位于下方邻近中央开口处，并导入氩气以确保加热室内气体洁净，以提升硅晶块的质量。

其中，上驱动器可包括有一导螺杆或油压缸或是气压缸、及一驱动马达…等皆可。且下驱动器可包括有一导螺杆或油压缸或是气压缸、及一驱动马达…等皆可。

并且，加热室的多个侧隔板彼此并排围绕固定于上隔板下方、并共同形成一上罩结构。其中，上罩结构可固设于炉上腔内，下隔板可固设于炉底盖内，因此当下隔板随着炉底盖上升以盖合于炉上腔下方时，上罩结构便能易于对应罩盖在下隔板上方。并且，加热室是双层结构包括有一内层隔热材，例如采用内层石墨隔热材、及一外层保温材例如采用外层氧化铝纤维保温材。如此，加热室可通过内层石墨隔热材的绝热、再由及外层保温材的保温，使加热室于熔融硅材料时更加节省能源。

如上述的长晶炉还可包括有一支撑桌体，此支撑桌体包括有一桌板、及多根支撑柱。桌板是容设于加热室的室内空间内，桌板并通过多根支撑柱以固设于炉底盖内。至少一加热器包括有一底加热器与支撑桌体的桌板组设一起。

再者，至少一加热器可包括有一顶加热器悬吊固设于炉上腔内、并对应位于桌板上方。顶加热器包括有至少二层的加热结构，例如，一上加热器、及一下加热器，两者皆为方形框体。下加热器呈中空框状且其外周是大于上加热器，二者共同形成一金字塔形状。

而且，顶加热器的上加热器还可包括有二石墨电极，分别电连接至上加热器以提供电力令上加热器发热用。其中，顶加热器的下加热器还可包括有二石墨电极，分别电连接至下加热器以提供电力令下加热器发热用。上隔板贯设有多个贯孔，共多根石墨电极可穿过多个贯孔后固定于炉上腔内。

附图说明

图1为现有的长晶炉示意图；

图2是本发明长晶炉一较佳实施例的剖视图；

图3是本发明长晶炉较佳实施例的开启下阀门的剖视图；

图4是本发明长晶炉较佳实施例的开启上、及下阀门的剖视图；

图5是本发明长晶炉较佳实施例的开启上、下阀门、及炉底盖的剖视图。

【主要组件符号说明】

炉体1                炉内空间10            炉上腔11

炉底盖12             加热室2，91           室内空间201

室外空间202          上隔板21              上开口210

上阀门211            上驱动器212           侧隔板22

内层隔热材221        外层保温材222         下隔板23

中央开口230          下阀门231             下驱动器232

穿孔233              加热器3，912          底加热器31

顶加热器32           上加热器321           下加热器322

石墨电极323，324     进气管4               气体出口41

支撑桌体5，914      桌板51             支撑柱52

负载框体6           底板61             侧板62

坩埚7，913          天板910            罩笼911

隔热层92

具体实施方式

请参阅图2，其是本发明长晶炉一较佳实施例的剖视图。如图所示，本实施例为一种具有对流式散热构造的长晶炉，包括一炉体1(furnacebody)、一加热室2(heating room)、及至少一加热器3(heater)。

本实施例的炉体1包括有一炉上腔11、及一炉底盖12，炉底盖12是由下往上盖合于炉上腔11下方、并共同围绕形成一炉内空间10。加热室2容设于炉体1的炉内空间10内，加热室2包括有一上隔板21、四个侧隔板22、及一下隔板23，并共同围绕形成一室内空间201，上述的六个隔板与炉体15内壁间隔有一室外空间202。

而且，加热室2的四个侧隔板22彼此并排围绕固定于上隔板21下方、并共同形成一上罩结构。其中，上罩结构是固设于炉上腔11内，下隔板23是固设于炉底盖12内。因此当下隔板23随着炉底盖12上升以盖合于炉上腔11下方时，上罩结构便能易于对应罩盖在下隔板23上方。此外，本实施例的加热室2是采用双层结构，其包括有一内层隔热材221，例如采用内层石墨隔热材，及一外层保温材222，例如采用外层氧化铝纤维保温材。

如此，加热室2可通过内层石墨隔热材的绝热、再由及外层保温材222的保温，使加热室2于加热熔融硅晶原料时以及长晶过程中更加节省能源。

如图2所示，加热器3容设于加热室2的室内空间201内，加热器3包括有一顶加热器32(top heater)悬吊固设于炉上腔11内、并对应位于桌板51上方。顶加热器32包括有二层的加热结构，例如，一上加热器321、及一下加热器322，两者皆为方形中空框体，且下加热器322其外周是大于上加热器321，二者共同形成一金字塔形状，以对应图2所示堆栈而成的硅原料形状。

承接上述，顶加热器32的上加热器321使以二石墨电极323分别电连接至上加热器321，以提供电力令上加热器321发热用。顶加热器32的下加热器322亦以二石墨电极324分别电连接至下加热器322，以提供电力令下加热器322发热用。上隔板21贯设有八贯孔，上述共四根石墨电极323，324穿过其中四贯孔后固定于炉上腔11内，另有不通电的四石墨棒连接顶加热器32穿过其余四贯孔，并固定于炉上腔11内。

请参阅图2，本实施例加热室2的上隔板21开设有一上开口210(upperopening)，下隔板23开设有一中央开口230(central opening)。尤其是，加热室2还包括有一上阀门211(upper door)、一下阀门231(lower door)、一上驱动器212、及一下驱动器232。其中，本实施例的上驱动器212是采用一螺杆与一驱动马达，用以驱动上阀门211选择式地打开或对应闭合于上隔板21的上开口210；本实施例的下驱动器232也是采用另一螺杆与另一驱动马达，用以驱动下阀门231选择式地打开或对应闭合于下隔板23的中央开口230。

图2显示有一支撑桌体5(supporting table)，支撑桌体5包括有一桌板51、及多根支撑柱52，桌板51容设于加热室2的室内空间201内，桌板51并通过多根支撑柱52以固设于炉底盖12内。

其中，本实施例的加热器3又包括有一底加热器31(bottom heater)其是与支撑桌体5的桌板51组设一起。另有一负载框体6(loadingframe)，被承置于支撑桌体5的桌板51上方，负载框体6包括有一底板61、及四个侧板62，四个侧板62是环绕并立设于底板61上方、并共同围绕形成一内凹空间，用以容装一坩埚7于其内。

加热室2的下隔板23贯设有多个穿孔233，多根支撑柱52可分别穿过多个穿孔233后固定于炉底盖12上。在本实施例中，上述每一根支撑柱52可以使用石墨电极支柱，除可用以支撑顶抵于底加热器31下方，又可彼此形成电性连接以提供电力给底加热器31发热用。

当开始加热时，加热室各阀门全部关闭并通过顶、底加热器32，31一起对坩埚7由上下方同时加热，可以加速坩埚7内硅原料的熔融效率；同时，本实施例的上加热器321与下加热器322更依照硅原料堆栈而成的金字塔形状设计排列，故可使其上加热器321与下加热器322更加靠近硅原料，更有利于硅原料初期的热能吸收，一旦金字塔形外层的硅原料熔融后，变成液态熔融硅浆直接流入内层硅原料的颗粒间，又可加速内部硅原料吸收热能，如此产生良性循环以快速熔融加热整锅坩埚7内的硅原料，故可节省能源与时间。

如图2所示，于本例中还设有一通入氩气用的进气管4，进气管4包括有一气体出口41，进气管4是穿过深入炉体1内、并使气体出口41设置于加热室2内、并位于加热室2下方邻近中央开口230处。便于长晶炉加热过程中，将外部氩气导入经过进气管4进到炉内作为保护气体用，使得硅材料在加热熔融脱氧过程中一些不纯物挥发后，能通过加热室2下方通入的氩气循着室内热气流的推升向上。脱氧过程，上阀门211略为开启，便使挥发物可被带走并逸出至加热室2的外，再以排气管引出长晶炉外，更可确保加热室2内气体洁净，确保硅晶块质量的提升。

当开始冷却长晶时，请参阅图3，其是本实施例长晶炉开启下阀门的剖视图。当坩埚7内的硅浆进入长晶阶段时，上阀门211回复紧闭，并切断底加热器31的电源，稍降低温度并徐徐打开加热室2其下阀门231，使冷气流由此进入，均匀分布到坩埚7底部，加上进气管4的气体出口41由此邻近下阀门231处通入氩气，使得硅浆顺利由底部先降温固化结晶，逐渐往上冷却，硅晶由下往上延伸成长，此时，顶加热器32也配合逐渐减少电能供应而逐渐降温。

因此，于固化结晶过程，硅晶膨胀所产生的压力向上排挤，因硅浆上方尚在软化状态，压力得以释放，直至最后固化，完成全部长晶。故而可改善现有坩埚四周的硅浆先固化后，为后固化的中央部份的硅晶膨胀所挤压，导致应力严重集中现象。再者，本实施例因为加热室2保温良好，故可用较少的电能就可以使逐渐凝固的硅晶碇维持一定的软化程度，而使硅晶碇于长晶时完全无内应力及碎裂存在，故而硅晶碇质量优良，并能节省能源。

如图3所示，由于中央开口230与下阀门231间的分件线很短且位置最低，并远离坩埚7锅口而位于桌板51下方，因此当长晶过程，下阀门231徐徐向下开启使得下阀门231离开下隔板23时，二者间接触面的摩擦所掉落的石墨屑很有限，且将不会飘落到坩埚7内，故不会污染坩埚7内的硅晶碇，可确保硅晶碇的质量。

请参阅图4，其是本实施例长晶炉开启上、及下阀门的剖视图。当坩埚7内的硅浆长晶完成后即进入冷却阶段，此时，顶加热器32的电源已完全关闭，再开启加热室2的上阀门211。加热室2内的热气流往上浮升并自上开口210排出，炉体因有水或喷雾的冷却而降温，因此热气流沿着冷却的炉上腔11与炉底盖12的炉壁顺流而下，其间，热量由炉壁吸热而降温，再由中央开口回流至加热室2内，周而复始，因此形成一对流式循环散热流场，藉以自然循环即可快速散热冷却硅晶碇，节省时间。

图5是本实施例长晶炉开启上、下阀门、及炉底盖的剖视图。一旦炉内冷却至较低的安全温度后，如图所示，就可向下打开炉底盖12，使大量的冷却气流直接冷却坩埚7内已长晶完成的硅晶碇，再加上述的前阶段冷却，因此，可使本阶段冷却更加迅速，得以快速取下硅晶碇，节省等待时间，并增加产量。

综合上述，由于本实施例于加热室2基于良好的隔热与保温，及最有效的加热方式的础石上，通过打开或闭合上、下阀门211，231，可以驱出硅浆内的挥发物，又可控制冷场气流，进而使熔融后的硅浆长晶过程，自底部开始固化结晶，并均匀地依序往上成长，才能使固化膨胀的压力向尚未结晶的上方释放，如此，硅晶碇才不会有应力存在或龟裂。故其能改善现有的冷场气流分布不均，使硅浆四周及上部先行固化，而在长晶完成后于晶碇内部产生应力或发生角落破裂的问题。又，本发明能通过对流式循环散热流场，能合宜地控制冷场气流，而得以最少的热能与时间即可以使硅浆完成长晶，使硅晶碇质量优良，并能以自然循环方式，通过炉体的散热，使晶碇快速降温，故可节省等待换料时间，提高产能。

本实施例自硅材料的加热、熔融、驱除挥发物、硅晶成长、至晶碇冷却，总合耗用能源与时间，较的现有改善至多。

上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (11)

1.一种具有对流式散热构造的长晶炉，包括：

一炉体，包括有一炉上腔、及一炉底盖，该炉底盖盖合于该炉上腔下方、并共同围绕形成一炉内空间；

一加热室，容设于该炉体的该炉内空间内，该加热室包括有一上隔板、多个侧隔板、及一下隔板，并共同围绕形成一室内空间，该多个侧隔板与该炉体内壁间隔有一室外空间；以及

至少一加热器，容设于该加热室的该室内空间内；

其特征在于：

该加热室的该上隔板开设有一上开口，该下隔板开设有一中央开口；以及

该加热室还包括有一上阀门、一下阀门、一上驱动器、及一下驱动器，其中，该上驱动器是驱动该上阀门选择式地打开或对应闭合于该上隔板的该上开口，该下驱动器是驱动该下阀门选择式地打开或对应闭合于该下隔板的该中央开口。

2.如权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括有一进气管，该进气管包括有一气体出口，该进气管深入该炉体内，该气体出口设置于该加热室内、并位于该加热室下方邻近该中央开口处。

3.如权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，该上驱动器包括有一导螺杆及一马达。

4.如权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，该下驱动器包括有一导螺杆及一马达。

5.如权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，该加热室的该多个侧隔板彼此并排围绕固定于该上隔板下方、并共同形成一上罩结构。

6.如权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，该加热室是双层结构包括有一内层隔热材、及一外层保温材。

7.如权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，还包括有一支撑桌体，该支撑桌体包括有一桌板、及多根支撑柱，该桌板容设于该加热室的该室内空间内，该桌板并通过该多根支撑柱以固设于该炉底盖内；

其中，该至少一加热器包括有一底加热器，该底加热器是与该支撑桌体的该桌板组设一起。

8.如权利要求1所述的长晶炉，其特征在于，该至少一加热器包括有一顶加热器，该顶加热器悬吊固设于该炉上腔内。

9.如权利要求8所述的长晶炉，其特征在于，该顶加热器包括有一上加热器、及一下加热器，该下加热器其外周大于该上加热器。

10.如权利要求9所述的长晶炉，其特征在于，该顶加热器的该上加热器包括有二石墨电极，分别电连接至该上加热器。

11.如权利要求9所述的长晶炉，其特征在于，该顶加热器的该下加热器还包括有二石墨电极，分别电连接至该下加热器。

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