CN115233295A - 长晶炉 - Google Patents
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Abstract
一种长晶炉，包括一炉体、一坩埚、一第一加热装置、一第二加热装置及一升降装置，所述坩埚设置于所述炉体中，用以容置待熔化的固态原料，所述坩埚具有一上开口；所述第一加热装置设置于所述坩埚的侧边***，用以对所述坩埚加热；所述第二加热装置设置于所述坩埚的所述上开口上方，所述第二加热装置包括一加热器，所述加热器面对所述坩埚的上开口；所述升降装置与所述第二加热装置连接，所述升降装置能受控制地带动所述第二加热装置在一轴向方向上相对所述坩埚上下移动。
Description
技术领域
本发明与长晶炉有关；特别是指一种降低熔化硅料过程中所耗费的热能的长晶炉。
背景技术
在典型的CZ法(Czochralski)制程中，是将硅料置于坩埚内，并将硅料在约1416℃的温度熔化为液态硅后，将具预定结晶取向的硅晶种下降以接触液态硅的表面，在适当地温度控制下，液态硅在硅晶种上形成具有与所述硅晶种所具预定结晶取向的单晶，接着，旋转并慢慢提拉硅晶种及坩埚，以在硅晶种下方形成硅晶棒。
已知现有的长晶炉是通过设置于坩埚侧边的加热器输出热能以熔化坩埚中的硅料，而现有的长晶炉的设置使得坩埚的热能容易自坩埚上方开口逸散，进而造成大量热能的损耗及增加加热器输出功率，除此之外，当坩埚内部温度下降时，需耗费较长的时间熔化硅料，不仅影响到生产效率，也容易因为坩埚本体温度分布不均匀而使得坩埚使用寿命缩短，进而造成生产成本的提升。因此，如何降低熔化硅料过程中加热器所输出的总功率以及如何使坩埚本体温度均匀分布是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种长晶炉，在于熔化坩埚中熔化硅料的过程中能降低熔化硅料过程中加热器所输出的总功率以及使坩埚本体温度均匀分布。
缘以达成上述目的，本发明提供的一种长晶炉，包括一炉体、一坩埚、一第一加热装置、一第二加热装置及一升降装置，所述坩埚设置于所述炉体中，用以容置待熔化的固态原料，所述坩埚具有一上开口；所述第一加热装置设置于所述坩埚的侧边***，用以对所述坩埚加热；所述第二加热装置设置于所述坩埚的所述上开口上方，所述第二加热装置包括一加热器，所述加热器面对所述坩埚的上开口；所述升降装置与所述第二加热装置连接，所述升降装置能受控制地带动所述第二加热装置在一轴向方向上相对所述坩埚上下移动。
本发明的效果在于，进行熔化坩埚中的固态原料的步骤时，能通过控制所述升降装置带动所述第二加热装置在所述轴向方向移动至接近所述坩埚上方的位置，如此一来，能通过设置于所述坩埚的侧边***的所述第一加热装置以及设置于所述坩埚的所述上开口上方的所述第二加热装置同时对所述坩埚进行加热，而使得所述坩埚均匀受热，借此，不仅能改善现有的长晶炉的热能容易自坩埚上方开口逸散，进而造成大量热能的损耗及增加加热器输出功率的问题，还能改善坩埚本体温度分布不均匀而使得坩埚使用寿命缩短的问题；当完成熔化坩埚中的固态原料的步骤后，能通过控制所述升降装置带动所述第二加热装置在所述轴向方向移动至远离所述坩埚上方的位置，以利后续例如拉晶的作业。
附图说明
图1为本发明第一优选实施例的长晶炉的示意图。
图2为上述优选实施例的加热器的示意图。
图3为本发明第二优选实施例的长晶炉的示意图。
图4为本发明第二优选实施例的长晶炉部分构件放大示意图。
图5为比较例的长晶炉的示意图。
具体实施方式
为能更清楚地说明本发明，兹举数优选实施例并配合附图详细说明如后。请参图1所示，为本发明第一优选实施例的长晶炉1，包括一炉体10、一坩埚20、一第一加热装置40、一第二加热装置60及一升降装置80，所述坩埚20设置于所述炉体10中，用以容置待熔化的固态硅原料S，所述坩埚20具有一上开口201，所述第一加热装置40设置于所述坩埚20的侧边***，用以对所述坩埚20加热，所述第二加热装置60设置于所述坩埚20的所述上开口201上方，所述第二加热装置60包括一加热器62，所述加热器62面对所述坩埚20的上开口201，所述升降装置80与所述第二加热装置60连接，所述升降装置80能受控制地带动所述第二加热装置60在一轴向方向X上相对所述坩埚20上下移动。
借此，在进行熔化坩埚中的固态硅原料S的步骤时，能通过控制所述升降装置80带动所述第二加热装置60在所述轴向方向X移动至接近所述坩埚20上方的位置，如此一来，能通过设置于所述坩埚20的侧边***的所述第一加热装置40以及设置于所述坩埚20的所述上开口201上方的所述第二加热装置60同时对所述坩埚20进行加热，而使得所述坩埚20均匀受热并避免热能自所述坩埚20的所述上开口201上方逸散，以有效降低所述第一加热装置40及所述第二加热装置60输出的总输出功率，并延长所述坩埚20的使用寿命，除此之外，通过设置于所述坩埚20的所述上开口201上方的所述第二加热装置60能加速所述坩埚20中接近所述上开口的固态硅原料S的熔化；当完成熔化坩埚20中的固态硅原料S的步骤后，能通过控制所述升降装置80带动所述第二加热装置60在所述轴向方向X移动至远离所述坩埚20上方的位置，以利后续例如拉晶的作业。
再说明的是，所述升降装置80包含一支架82及一吊线84，所述吊线84连接所述支架82，所述加热器62具有两个连接部621分别连接于所述支架82，于本实施例中，所述加热器62为一石墨加热器，所述石墨加热器在所述轴向方向X上的厚度为15～25mm，优选为16.5～22.5mm，且如图2所示，所述石墨加热器在所述两个连接部之间具有多个弯折的加热段622。
请再配合图1，所述长晶炉1包含一热遮罩90，设置于所述炉体10中并位于所述坩埚20上方，所述热遮罩90呈锥状且底部具有一开口901，所述开口901的开口面积小于所述坩埚20的开口面积，所述热遮罩90于所述开口901上方具有一通道T，所述通道T连通所述坩埚20内部，所述第二加热装置60设置于所述通道T中，借此，通过所述热遮罩90能避免坩埚20内溶液的飞溅及热能自所述坩埚20的所述上开口201上方逸散。
请配合图3，为本发明第二优选实施例的长晶炉2，所述长晶炉2具有与第一优选实施例的长晶炉1大致相同的结构，不同的是，所述长晶炉2的所述第二加热装置60包含一上盖64，所述上盖64由包含钼或石墨的材质制成，所述上盖64、所述加热器62及所述坩埚20是在所述轴向方向X上依序设置，所述上盖64连接于所述升降装置80的所述支架82，且所述吊线84而能受控制地带动所述上盖64与所述加热器62相对所述坩埚20在所述轴向方向X同时上下移动，且所述上盖64为罩状，所述上盖64具有一容置空间R，所述加热器62设置于所述容置空间R中，借此，能有效避免热能自所述加热器62上方以及所述坩埚20的所述上开口201上方逸散。
进一步说明的是，所述坩埚20在与所述轴向方向X垂直的方向上具有一第一最大宽度D1，所述上盖64在与所述轴向方向X垂直的方向上具有一第二最大宽度D2，所述加热器62在与所述轴向方向X垂直的方向上具有一第三最大宽度D3，其中，所述第一最大宽度D1与所述第二最大宽度D2的比为1：0.4～1：0.8，优选为1：0.45～1：0.7，所述第一最大宽度D1与所述第三最大宽度D3的宽度比为1：0.2～1：0.7，优选为1：0.25～1：0.65，所述第二最大宽度D2与所述第三最大宽度D3的比为1：0.6～1：0.9，优选为1：0.7～1：0.85，所述上盖64与所述加热器62之间在所述轴向方向X上具有一间距H，所述坩埚20在所述轴向方向X上的高度H1与所述间距H之比为1：0.05～1：0.1，优选为1：0.055～1：0.075，所述上盖64底部在所述轴向方向X上与所述热遮罩90上表面之间的最小距离H2小于或等于15mm，优选为12mm；所述加热器62与所述坩埚20内熔化的固态硅原料S的液面之间在所述轴向方向X上具有一间距H3，所述坩埚20在所述轴向方向X上的高度H1与所述间距H3之比为1：0.3～1：0.8，优选为1：0.4～1：0.65。通过上述所述坩埚20、所述上盖64及所述加热器62之间的宽度比例的选择，能提供较好的加热及防止热能逸散的效果。
续请参阅下列表1，为本发明与比较例的长晶炉3于熔化固态硅原料的过程中的总输出功率及坩埚温差下降百分比的比较列表，其中，所述总输出功率下降百分比是根据比较例的长晶炉3与实施例1、2、3的长晶炉1、2熔化坩埚中的固态硅原料S的输出总功率之差与比较例的长晶炉3输出总功率的比率计算所得，石墨坩埚温差下降百分比及石英坩埚温差下降百分比是根据比较例的长晶炉3与实施例1、2、3的坩埚的最大温差的差值与比较例的长晶炉3的坩埚3a的最大温差值的比率计算所得。
如图5所示，比较例的长晶炉3仅在坩埚3a侧边***设置第一加热装置3b且未在坩埚3a上方设置第二加热装置，而实施例1是采用如图1所示设置有加热器62的长晶炉1，其总输出功率下降百分比为10.32％、石墨坩埚温差下降百分比为2.63％以及石英坩埚温差下降百分比为2.45％。
实施例2、3是采用如图3所示设置有加热器62及上盖64的长晶炉2进行熔化固态硅原料S的制程，且于实施例2中，所述上盖64是采用包含石墨的材质制成，其总输出功率下降百分比为15.65％、石墨坩埚温差下降百分比为4.22％以及石英坩埚温差下降百分比为3.67％，相较于实施例1的长晶炉1，实施例2的长晶炉2因于坩埚3a上方设置设置上盖64，故更能有效降低总输出功率及降低坩埚温度；于实施例3中，所述上盖64是采用包含钼的材质制成，其总输出功率下降百分比24.09％、石墨坩埚温差下降百分比为5.72％以及石英坩埚温差下降百分比为4.84％，相较于实施例1、2的长晶炉，实施例3的长晶炉因设置包含热传导系数低的材质制成的上盖64，能提供坩埚较好的保温效果，因此更能有效降低总输出功率及降低坩埚温度。
根据表1所示，可知与比较例的长晶炉3仅在坩埚3a侧边***设置第一加热装置3b且未在坩埚3a上方设置第二加热装置相比较，采用如图1所示设置有加热器62的长晶炉1及如图3所示设置有加热器62及上盖64的长晶炉2进行熔化固态硅原料S的制程能大幅降低总输出功率，且能有效降低坩埚的温度，提升坩埚使用寿命。
表1
综上所述，通过本发明的长晶炉，在进行熔化坩埚20中的固态硅原料S的步骤时，能控制所述升降装置80带动所述第二加热装置60在所述轴向方向X移动至接近所述坩埚20上方的位置，以通过设置于所述坩埚20的侧边***的所述第一加热装置40以及设置于所述坩埚20的所述上开口201上方的所述第二加热装置60同时对所述坩埚20进行加热，而使得所述坩埚20均匀受热并避免热能自所述坩埚20的所述上开口201上方逸散，达成有效降低所述第一加热装置40及所述第二加热装置60输出的总输出功率，及延长所述坩埚20的使用寿命的功效，除此之外，通过设置于所述坩埚20的所述上开口201上方的所述第二加热装置60还能达成加速所述坩埚20中接近所述上开口201的固态硅原料S的熔化的效果；而当完成熔化坩埚20中的固态硅原料S的步骤后，能通过控制所述升降装置80带动所述第二加热装置60在所述轴向方向X移动至远离所述坩埚20上方的位置，以利后续进行例如拉晶的作业。
以上所述仅为本发明优选可行实施例而已，举凡应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效变化，理应包含在本发明的专利范围内。
附图标记说明
[本发明]
1,2：长晶炉
10：炉体
20：坩埚
201：上开口
40：第一加热装置
60：第二加热装置
62：加热器
621：连接部
622：加热段
64：上盖
80：升降装置
82：支架
84：吊线
90：热遮罩
901：开口
D1：第一最大宽度
D2：第二最大宽度
D3：第三最大宽度
H：间距
H1：高度
H2：最小距离
H3：间距
R：容置空间
S：固态硅原料
T：通道
X：轴向方向
S：固态硅原料
[比较例]
3：长晶炉
3a：坩埚
3b：第一加热装置
S：固态硅原料
Claims (14)
1.一种长晶炉，包含：
一炉体；
一坩埚，设置于所述炉体中，用以容置待熔化的固态原料，所述坩埚具有一上开口；
一第一加热装置，设置于所述坩埚的侧边***，用以对所述坩埚加热；
一第二加热装置，设置于所述坩埚的所述上开口上方，所述第二加热装置包括一加热器，所述加热器面对所述坩埚的上开口；
一升降装置，与所述第二加热装置连接，所述升降装置能受控制地带动所述第二加热装置在一轴向方向上相对所述坩埚上下移动。
2.如权利要求1所述的长晶炉，其中，所述第二加热装置包含一上盖，所述上盖、所述加热器及所述坩埚是在所述轴向方向上依序设置。
3.如权利要求2所述的长晶炉，其中，所述上盖与所述升降装置连接，所述升降装置能受控制地带动所述上盖及所述加热器相对于所述坩埚在所述轴向方向同时上下移动。
4.如权利要求2所述的长晶炉，其中，所述坩埚在与所述轴向方向垂直的方向上具有一第一最大宽度，所述上盖在与所述轴向方向垂直的方向上具有一第二最大宽度，所述第一最大宽度与所述第二最大宽度之比为1：0.4～1：0.8。
5.如权利要求2所述的长晶炉，其中，所述上盖在与所述轴向方向垂直的方向上具有一第二最大宽度，所述加热器在与所述轴向方向垂直的方向上具有一第三最大宽度，所述第二最大宽度与所述第三最大宽度之比为1：0.6～1：0.9。
6.如权利要求2所述的长晶炉，其中，所述上盖与所述加热器之间在所述轴向方向上具有一间距，所述坩埚在所述轴向方向上的高度与所述间距之比为1：0.05～1：0.1。
7.如权利要求2所述的长晶炉，其中，所述上盖为罩状，所述上盖具有一容置空间，所述加热器设置于所述容置空间中。
8.如权利要求2所述的长晶炉，其中，包含一热遮罩，设置于所述炉体中并位于所述坩埚上方，所述热遮罩呈锥状且底部具有一开口，所述开口的开口面积小于所述坩埚的开口面积，所述热遮罩在所述开口上方具有一通道，所述通道连通所述坩埚内部，所述第二加热装置设置于所述通道中。
9.如权利要求8所述的长晶炉，其中，所述上盖底部在所述轴向方向上与所述热遮罩上表面之间的最小距离小于或等于15mm。
10.如权利要求2所述的长晶炉，其中，所述上盖由包含钼或石墨的材质制成。
11.如权利要求1所述的长晶炉，其中，所述坩埚在与所述轴向方向垂直的方向上具有一第一最大宽度，所述加热器在与所述轴向方向垂直的方向上具有一第三最大宽度，所述第一最大宽度与所述第三最大宽度的宽度比为1：0.2～1：0.7。
12.如权利要求1所述的长晶炉，其中，所述升降装置包含一支架及一吊线，所述吊线连接所述支架，所述加热器具有两个连接部分别连接于所述支架。
13.如权利要求12所述的长晶炉，其中，所述加热器为一石墨加热器，所述石墨加热器在所述轴向方向上的厚度为15～25mm，所述石墨加热器在所述两个连接部之间具有多个弯折的加热段。
14.如权利要求1所述的长晶炉，其中，所述加热器与所述坩埚液面之间在所述轴向方向上具有一间距，所述坩埚在所述轴向方向上的高度与所述间距之比为1：0.3～1：0.8。
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