CN102925957A - 长晶装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长晶装置，包含坩埚，以及位于坩埚外侧且对坩埚加热形成热场的热场供应器，坩埚包括具有开口并用以容置长晶原料的容槽，而热场供应器包括围绕坩埚并对坩埚加热的加热单元以及设于加热单元底部的隔热单元，且热场供应器可相对于坩埚在第一位置和第二位置之间移动而对坩埚形成具有温差的两个热场，藉此令坩埚中的长晶原料于此二形成明显的温度梯度的热场结构中可被控制地单向进行长晶，而获得具有较多孪生晶界的良好晶体。

Description

长晶装置

技术领域

本发明涉及一种加热装置，特别是指一种成长晶体用的长晶装置。

背景技术

晶棒的质量好坏取决于晶体成长过程、原料纯度等因素，而其中，长晶装置的设计对熔融的长晶原料所提供的热场结构对于之后的长晶界面(grain interface)、长晶初期的晶体成核(nucleation)、长晶过程中晶粒大小(grain size)等都有直接的影响，并攸关最终制作出的晶棒质量，因此，在长晶装置方面的研究发展一直是业界所关注的命题之一。

参阅图1，目前的长晶装置1包含一用于容放长晶原料100的坩埚11、一环绕所述坩埚11外侧设置并可相对坩埚11上下移动地对所述坩埚11加热的加热单元12、一包围所述坩埚11的传热件13，及一放置所述传热件13与坩埚11的底盘14。

长晶时，所述加热单元12开始加热以提供容放于所述坩埚11中的长晶原料100一个固定热场，待长晶原料100成熔融状态之后，令所述加热单元12相对于所述固定不动的坩埚11向上移动，而使熔融的长晶原料100随着所述加热单元12相对所述坩埚11移动时造成的热场变化(即温度的降低)并搭配所述传热件13与底盘14的导热效果而开始成核、长晶，最终得到晶棒。

长晶装置1以制作多晶硅的晶棒为例，根据研究，若能在长晶过程中，控制熔融硅原料的长晶界面101具有较平整、甚至微凸的结晶面，可减少晶体的热应力，以及控制长晶初期成核的效率与质量可增加孪生晶界(twin boundary)的形成，会有助于长晶过程中差排(dislocation)等晶格缺陷的消失，而获得品质较佳的多晶硅晶棒；但以上述的长晶装置1而言，由于所述加热单元12所形成的是单一热场结构，所以对坩埚11中的硅原料长晶过程来说，热场的温度梯度控制极为粗糙而较不容易对于成核或者固-液长晶界面101的形态等长晶的关键因素有效地掌握。

另外，像是以布里曼法(Bridgeman Method)来制备晶棒则是坩埚下降远离加热单元，通常加热单元是包括分开固定的一个顶部加热器与一个环状侧边加热器，并配合在所述底盘中另外设置的冷却水流动装置来加强控制长晶速度，虽然坩埚底部的初始结晶速度可以提升，但与上述长晶装置1相同，对于固相区以及固液接口的热场控制是较不容易的，且坩埚里的熔融长晶原料可能会因为离所述等加热器愈来愈远使得表面开始固化，加上坩埚的移动也易导致埚体震动损坏、干扰晶体生长。

此外，例如台湾专利第099205223、第098132239专利申请案，分别揭示针对底盘施以特别的导热设计的技术来进一步改善长晶质量。

虽然，这样的技术确实对于控制多晶硅的长晶过程有一定程度的改善，但是随着半导体产业、光电产业的高度蓬勃发展，质量更佳的多晶硅晶棒是必然的发展需求，也因此，开发能提供温度梯度控制更准确的热场结构的长晶装置，是相关业者的主要研发的方向。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种长晶装置，所述长晶装置可改善凹形长晶接口、拥有更好的温度梯度控制。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种长晶装置，包含一坩埚，及一环绕且包围于所述坩埚外侧的热场供应器。

所述坩埚包括一具有一开口并用以放置长晶原料的容槽。

所述热场供应器作动时对所述坩埚加热且形成一包覆所述坩埚的热场结构，同时沿所述坩埚容槽底面朝容槽开口方向依次形成一第一热场，及一均温高于第一热场的第二热场，而所述热场供应器可沿所述坩埚的容槽底面向所述容槽开口的方向相对于所述坩埚在一第一位置与一第二位置之间移动。

当所述热场供应器在所述第一位置时，所述坩埚位于所述第二热场中，而当所述热场供应器在所述第二位置时，所述坩埚位于所述第一热场中。

本发明为了解决其技术问题还可采用下列技术措施进一步实现：

较佳地，所述热场供应器包括一环绕于所述坩埚周边并对所述坩埚加热的加热单元，及一位于所述坩埚与加热单元之间并设置于所述加热单元下部的隔热单元，所述加热单元对所述坩埚加热时形成稳定热场结构，而所述隔热单元将所述热场结构分隔界定出所述第一热场及第二热场，即所述加热单元在对所述坩埚加热时，在有隔热单元的部位对坩埚形成第一热场，在隔热单元上方的部位对坩埚形成第二热场。

较佳地，所述隔热单元是由热传系数范围在0.5～0.01W/mK的材料所构成。

较佳地，所述热场供应器在所述第一位置时，所述隔热单元的顶部不高于所述坩埚的容槽底面。

较佳地，本发明的长晶装置还包含一设置于所述坩埚外周围的传热件，所述传热件包括一导热底板，及一由导热底板周边缘向上延伸的侧板。

较佳地，所述传热件紧邻并接触于所述坩埚外壁以增加导热、保温的效果。

较佳地，所述热场供应器在所述第一位置时，所述传热件的导热底板与坩埚容槽底面两者的连接面与所述隔热单元的顶端齐平。

较佳地，所述隔热单元的高度不小于所述坩埚容槽的深度。

较佳地，所述隔热单元的高度可小于所述坩埚容槽的深度。

较佳地，所述传热件的导热底板的构成材料所具有的热传系数不小于100W/mK。

较佳地，所述传热件的导热底板的构成材料所具有的热传系数范围在100～250W/mK。

较佳地，所述传热件的导热底板具有一对应于所述坩埚底部中央位置并与所述坩埚底部相接触的第一热交换区，及一热传系数低于所述第一热交换区的第二热交换区，且所述第二热交换区环绕于所述第一热交换区***。

较佳地，所述传热件的侧板的热传系数低于所述导热底板的第一热交换区的热传系数。

较佳地，本发明的长晶装置还包含一导热支撑件，所述导热支撑件供所述坩埚与传热件放置。

较佳地，所述导热支撑件与所述传热件的导热底板相连接以帮助提高所述导热底板对于所述坩埚的热交换效率。

本发明的有益效果是：本发明的长晶装置所形成的两热场结构具有以下优点：

(1)提供更大的温度梯度与取热速度，以诱发出较多的孪生晶界(Twin Boundary)、降低晶体中差排(Dislocation)缺陷的产生；

(2)更加平坦，甚至微凸的长晶界面使晶格应力降低、缺陷滑移至晶体侧壁而消失，进而改善最终晶棒质量；

(3)更低能耗；

(4)缩短长晶制程时间；

综上，本发明长晶装置的功效在于，能提供两温度不同的均匀热场，可以更精确的控制长晶过程，进而得到质量良好的晶体结构。

附图说明

图1是传统的长晶装置剖视图；

图2是本发明的第一较佳实施例剖视图；

图3是本发明为说明所述热场供应器由所述第一位置往所述第二位置移动的剖视图；

图4是本发明为说明所述热场供应器在所述第二位置时与所述坩埚的相对位置；

图5是本发明的实验组1～4的长晶装置结构与传统无隔热单元的长晶装置结构的比较图，主要对比隔热单元的包覆范围及位置(将各实验组及传统长晶装置结构简图同时显示于图5中，便于更直观的对比隔热单元的位置及包覆范围)；

图6是本发明的第二较佳实施例剖视图；

图7是本发明所制得晶体的缺陷比例以及传统长晶装置所制得晶体的缺陷比例柱状图。

具体实施方式

实施例1：参阅图2，本发明长晶装置的第一较佳实施例包含一热场供应器2、一坩埚3、一包围于所述坩埚3外侧的传热件5，及一供所述传热件5与所述坩埚3放置的导热支撑件6。

所述坩埚3包括一具有开口并用以容置长晶原料4的容槽31，且所述坩埚3位于所述热场供应器2中。

所述传热件5包括一位于所述坩埚3底部并具有导热功用的导热底板51，及一由所述导热底板51周边缘向上延伸而环绕接触于所述坩埚3侧周面并保温用的侧板52，较佳地，所述传热件5紧邻并接触所述坩埚3外壁以达到更直接的热交换控制，且所述导热底板51的构成材料所具有的热传系数不小于100W/mK，较佳地是界于100～250W/mK间以期达到较好的热交换效率。

所述导热支撑件6供上述坩埚3、传热件5放置，同时具有一定的取热效果以帮助改善所述传热件5的导热底板51对于所述坩埚3底部的冷却效率，也使得整体装置的热交换更加稳定。

配合参阅图3、图4，所述热场供应器2设置于所述坩埚3周围，并可相对所述坩埚3于如图2所示的第一位置和如图4所示的第二位置间移动，所述热场供应器2包括有一环绕包围所述坩埚3并对所述坩埚3加热而形成稳定热场结构的加热单元21，及一位于所述坩埚3与加热单元21之间并设置于所述加热单元21下部的隔热单元22，且所述隔热单元22具有的热传系数范围在0.5～0.01W/mK间而有较好的隔热效果，通过设置在所述加热单元21下部的隔热单元22将加热单元21加热形成的热场结构区隔成沿所述坩埚3的容槽31底面朝容槽31开口方向依次排列的一第一热场201，及一均温高于第一热场201的第二热场202。

以多晶硅的晶体成长为例来说明，当所述热场供应器2在如图2所示的所述第一位置时，所述坩埚3完全位于所述第二热场202中，而容放于容槽31中的硅晶原料成熔融态且未开始成核、长晶。当热场供应器2相对所述坩埚3自所述第一位置往第二位置移动时(如图3所示)，在所述容槽31内的熔融态硅晶原料因为所述第一、二热场201、202界面处瞬间的温度变化，而在所述第一、二热场201、202界面处开始产生固-液交界的长晶面，且随着所述第一、二热场201、202界面的移动方向生长晶体，因此熔融的晶粒生长方向是由所述坩埚3的容槽31底部开始并随着热场的移动方向向上成长，且由于热场温差的良好控制使得长晶成核过程中可产生较多的孪生晶界(twin boundary)的多晶硅晶体成长态样而成形；随后，随着热场供应器2相对所述坩埚3的位置改变，上述的长晶过程不断重复发生，最终使得坩埚3内的硅晶原料完全长成完整、质量较佳的多晶硅晶体。

另外，特别补充说明的是，针对所述隔热单元22的位置与包覆范围，发明人更是做了较详细的实验仿真数据做进一步的研究，各实验组的结构简图详见图5(主要对比显示隔热单元的位置与包覆范围)，共进行一组对照组、四组实验组的数据比较。对照组为目前传统一般无隔热单元、仅有单一热场的长晶装置结构；实验组1～3是本发明具有隔热单元、形成两温差热场的长晶装置结构，并针对隔热单元的高度渐增做变化，且当所述热场供应器处于第一位置时，实验组1～3隔热单元的顶端皆与所述坩埚底面齐平，而所述第一较佳实施例的实施态样则是对应于实验组3的隔热单元高度，即所述隔热单元的高度不小于所述坩埚容槽的深度；实验组4类似于实验组2的隔热单元高度，但改变其在所述热场供应器处于第一位置时的位置高低，实验组4的隔热单元的顶部远低于所述坩埚底部。实验数据整理如下表1所示：

表1：

由实验结果可得知，以本次实验多晶硅晶体的成长为例，所述热场供应器2在所述第一位置时，所述隔热单元22的顶端对齐所述坩埚3底面对热场的控制较佳，因此可使初始的长晶界面边缘趋向平整、得到热应力较低的晶体；且对于温度梯度的大小也高于对照组的装置结构使得结晶时间较短、长晶速度较快、得到孪生晶界较多的长晶状态，进而能得到整体晶体质量较佳的多晶硅晶体。当然，对于不同需求的晶体成长、或热场的控制，隔热单元的顶端位置并非一定要对齐坩埚底面，也可针对个别产品而微调隔热单元的高低位置与整体高度的变化。

由上述说明可知，本发明主要是借着所述热场供应器2的加热单元21和隔热单元22的配合而相对所述坩埚3形成具有温差的第一、二热场201、202，而让所述坩埚3内的硅晶原料在长晶过程中因为具有稳定温差的第一、二热场201、202在瞬间的温度梯度变化中使欲成核、成长的晶种保持单向的型态下成长，且在第一、二热场201、202较大的温度梯度控制下，使得长晶初期产生大量的孪生晶界，最终得到晶体热应力较低、晶体质量也较佳的多晶硅晶体。

实施例2：参阅图6，本发明长晶装置的第二较佳实施例与所述第一较佳实施例类似，其不同处在于本第二较佳实施例中的传热件5的导热底板51是以不同热传系数的材料分别构成散热速率不一的一第一热交换区511与一第二热交换区512。所述第一热交换区511是相对应位于所述坩埚3底部中央部位，而所述热传系数低于所述第一热交换区511的第二热交换区512则位于所述第一热交换区511外周围，另外所述保温用的侧板52也是以热传系数低于所述第一热交换区511的材料所形成，如此可使得所述坩埚3底部中央位置的冷却速率高于两侧冷却速率，而针对所述坩埚3底部不同位置的取热效率作改善来得到较佳的热交换效果。

参阅图7，本发明实施例1(第一较佳实施例)所述的长晶装置所制备的多晶硅晶体，其杂质含量约为1.31％、微晶含量约0.97％，传统的长晶装置(见图1)所制备出的多晶硅晶体的杂质约1.66％、微晶含量约1.01％，可明显看出因长晶界面的改善使得杂质比例下降；更值得一提的是，用本发明第一较佳实施例再搭配传热件所特别设计的导热底板取热结构而成的实施例2(第二较佳实施例)所述的长晶装置，其所制备出的多晶硅晶体的杂质含量和微晶比例更大幅降低至0.22％、0.99％，均直接验证本发明的长晶装置确实可以借着两不同温度的热场与对于坩埚底部导热的独特设计，而控制坩埚中的温度变化，进而得到质量较佳的晶体结构。

综上所述，本发明的长晶装置(参见图6)主要是借着热场供应器2的加热单元21和隔热单元22的配合而相对坩埚3形成具有温差的第一、二热场201、202并配合所述传热件5的导热底板51所具有的若干热传系数材料的设计，进而让所述坩埚3内的硅晶原料在长晶过程中因为第一、二热场201、202的移动与温度控制而在成核、生长时保持单向、孪生晶界形成较多的型态下成长，最终得到热应力较低、晶体质量也较佳的多晶硅晶体，因此，确实可以改善目前的长晶装置只能以单一热场进行晶体成长，而导致制作出的晶体热应力较高、晶体质量较差的问题，故确实能达成本发明的目的。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种长晶装置，包括坩埚和热场供应器，所述坩埚具有容槽，所述容槽上端为容槽开口，所述热场供应器环绕且包围于所述坩埚外侧，所述热场供应器能够沿所述容槽底面向所述容槽开口的方向相对于所述坩埚在第一位置与第二位置之间移动，其特征在于：所述热场供应器沿所述坩埚容槽底面朝容槽开口方向依次形成有第一热场和均温高于第一热场的第二热场，所述热场供应器在所述第一位置时，所述坩埚位于所述第二热场中，所述热场供应器在所述第二位置时，所述坩埚位于所述第一热场中。

2.根据权利要求1所述的长晶装置，其特征在于：所述热场供应器设有加热单元和隔热单元，所述加热单元环绕于所述坩埚周边并对所述坩埚加热，所述隔热单元位于所述坩埚与所述加热单元之间并设置于所述加热单元下部，所述加热单元对所述坩埚加热时形成稳定热场结构，而所述隔热单元将所述热场结构分隔界定出所述第一热场和所述第二热场。

3.根据权利要求2所述的长晶装置，其特征在于：所述隔热单元是由热传系数范围在0.5～0.01W/mK的材料所构成。

4.根据权利要求3所述的长晶装置，其特征在于：所述热场供应器在所述第一位置时，所述隔热单元的顶端不高于所述坩埚的容槽底面。

5.根据权利要求4所述的长晶装置，其特征在于：设有位于所述坩埚外周围的传热件，所述传热件具有导热底板以及由导热底板周边缘向上延伸的侧板。

6.根据权利要求5所述的长晶装置，其特征在于：所述热场供应器在所述第一位置时，所述传热件的导热底板与坩埚容槽底面两者的连接面与所述隔热单元的顶端齐平。

7.根据权利要求6所述的长晶装置，其特征在于：所述传热件的导热底板的构成材料所具有的热传系数范围为100～250W/mK。

8.根据权利要求7所述的长晶装置，其特征在于：所述传热件的导热底板具有第一热交换区和第二热交换区，所述第一热交换区对应于所述坩埚底部中央位置并与所述坩埚底部相接触，所述第二热交换区的热传系数低于所述第一热交换区，且所述第二热交换区环绕于所述第一热交换区***。

9.根据权利要求8所述的长晶装置，其特征在于：所述传热件的侧板的热传系数低于所述导热底板的第一热交换区的热传系数。

10.根据权利要求9所述的长晶装置，其特征在于：设有用于放置所述坩埚与传热件的导热支撑件。

Images