專利名稱：長(zhǎng)晶裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加熱裝置，特別是指一種成長(zhǎng)晶體用的長(zhǎng)晶裝置。
背景技術(shù)：
晶棒的質(zhì)量好壞取決于晶體成長(zhǎng)過(guò)程、原料純度等因素，而其中，長(zhǎng)晶裝置的設(shè)計(jì)對(duì)熔融的長(zhǎng)晶原料所提供的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于之后的長(zhǎng)晶界面(grain interface)、長(zhǎng)晶初期的晶體成核(nucleation)、長(zhǎng)晶過(guò)程中晶粒大小(grain size)等都有直接的影響，并攸關(guān)最終制作出的晶棒質(zhì)量，因此，在長(zhǎng)晶裝置方面的研究發(fā)展一直是業(yè)界所關(guān)注的命題之一。
參閱圖1，目前的長(zhǎng)晶裝置I包含一用于容放長(zhǎng)晶原料100的坩堝11、一環(huán)繞所述坩堝11外側(cè)設(shè)置并可相對(duì)坩堝11上下移動(dòng)地對(duì)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(zhǎng)晶時(shí)，所述加熱單元12開(kāi)始加熱以提供容放于所述坩堝11中的長(zhǎng)晶原料100 一個(gè)固定熱場(chǎng)，待長(zhǎng)晶原料100成熔融狀態(tài)之后，令所述加熱單元12相對(duì)于所述固定不動(dòng)的坩堝11向上移動(dòng)，而使熔融的長(zhǎng)晶原料100隨著所述加熱單元12相對(duì)所述坩堝11移動(dòng)時(shí)造成的熱場(chǎng)變化(即溫度的降低)并搭配所述傳熱件13與底盤14的導(dǎo)熱效果而開(kāi)始成核、長(zhǎng)晶，最終得到晶棒。
長(zhǎng)晶裝置I以制作多晶硅的晶棒為例，根據(jù)研究，若能在長(zhǎng)晶過(guò)程中，控制熔融硅原料的長(zhǎng)晶界面101具有較平整、甚至微凸的結(jié)晶面，可減少晶體的熱應(yīng)力，以及控制長(zhǎng)晶初期成核的效率與質(zhì)量可增加孿生晶界(twin boundary)的形成，會(huì)有助于長(zhǎng)晶過(guò)程中差排(dislocation)等晶格缺陷的消失，而獲得品質(zhì)較佳的多晶硅晶棒；但以上述的長(zhǎng)晶裝置I而言，由于所述加熱單元12所形成的是單一熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，所以對(duì)坩堝11中的硅原料長(zhǎng)晶過(guò)程來(lái)說(shuō)，熱場(chǎng)的溫度梯度控制極為粗糙而較不容易對(duì)于成核或者固-液長(zhǎng)晶界面101的形態(tài)等長(zhǎng)晶的關(guān)鍵因素有效地掌握。
另外,像是以布里曼法(Bridgeman Method)來(lái)制備晶棒則是 甘禍下降遠(yuǎn)離加熱單元，通常加熱單元是包括分開(kāi)固定的一個(gè)頂部加熱器與一個(gè)環(huán)狀側(cè)邊加熱器，并配合在所述底盤中另外設(shè)置的冷卻水流動(dòng)裝置來(lái)加強(qiáng)控制長(zhǎng)晶速度，雖然坩堝底部的初始結(jié)晶速度可以提升，但與上述長(zhǎng)晶裝置I相同，對(duì)于固相區(qū)以及固液接口的熱場(chǎng)控制是較不容易的， 且坩堝里的熔融長(zhǎng)晶原料可能會(huì)因?yàn)殡x所述等加熱器愈來(lái)愈遠(yuǎn)使得表面開(kāi)始固化，加上坩堝的移動(dòng)也易導(dǎo)致堝體震動(dòng)損壞、干擾晶體生長(zhǎng)。
此外，例如臺(tái)灣專利第099205223、第098132239專利申請(qǐng)案，分別揭示針對(duì)底盤施以特別的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步改善長(zhǎng)晶質(zhì)量。
雖然，這樣的技術(shù)確實(shí)對(duì)于控制多晶硅的長(zhǎng)晶過(guò)程有一定程度的改善，但是隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、光電產(chǎn)業(yè)的高度蓬勃發(fā)展，質(zhì)量更佳的多晶硅晶棒是必然的發(fā)展需求，也因此，開(kāi)發(fā)能提供溫度梯度控制更準(zhǔn)確的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)晶裝置，是相關(guān)業(yè)者的主要研發(fā)的方向。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種長(zhǎng)晶裝置，所述長(zhǎng)晶裝置可改善凹形長(zhǎng)晶接口、擁有更好的溫度梯度控制。
本發(fā)明為了解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
一種長(zhǎng)晶裝置，包含一坩堝，及一環(huán)繞且包圍于所述坩堝外側(cè)的熱場(chǎng)供應(yīng)器。
所述坩堝包括一具有一開(kāi)口并用以放置長(zhǎng)晶原料的容槽。
所述熱場(chǎng)供應(yīng)器作動(dòng)時(shí)對(duì)所述坩堝加熱且形成一包覆所述坩堝的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)沿所述坩堝容槽底面朝容槽開(kāi)口方向依次形成一第一熱場(chǎng)，及一均溫高于第一熱場(chǎng)的第二熱場(chǎng)，而所述熱場(chǎng)供應(yīng)器可沿所述坩堝的容槽底面向所述容槽開(kāi)口的方向相對(duì)于所述坩堝在一第一位置與一第二位置之間移動(dòng)。
當(dāng)所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第一位置時(shí)，所述坩堝位于所述第二熱場(chǎng)中，而當(dāng)所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第二位置時(shí)，所述坩堝位于所述第一熱場(chǎng)中。
本發(fā)明為了解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用下列技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)
較佳地，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器包括一環(huán)繞于所述坩堝周邊并對(duì)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(shè)置于所述加熱單元下部的隔熱單元，所述加熱單元對(duì)所述坩堝加熱時(shí)形成穩(wěn)定熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而所述隔熱單元將所述熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)分隔界定出所述第一熱場(chǎng)及第二熱場(chǎng)，即所述加熱單元在對(duì)所述坩堝加熱時(shí)，在有隔熱單元的部位對(duì)坩堝形成第一熱場(chǎng)，在隔熱單元上方的部位對(duì)坩堝形成第二熱場(chǎng)。
較佳地，所述隔熱單元是由熱傳系數(shù)范圍在O. 5 O. Olff/mK的材料所構(gòu)成。
較佳地，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第一位置時(shí)，所述隔熱單元的頂部不高于所述坩堝的容槽底面。
較佳地，本發(fā)明的長(zhǎng)晶裝置還包含一設(shè)置于所述坩堝外周圍的傳熱件，所述傳熱件包括一導(dǎo)熱底板，及一由導(dǎo)熱底板周邊緣向上延伸的側(cè)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(dǎo)熱、保溫的效果。
較佳地，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第一位置時(shí)，所述傳熱件的導(dǎo)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(dǎo)熱底板的構(gòu)成材料所具有的熱傳系數(shù)不小于100W/mK。
較佳地，所述傳熱件的導(dǎo)熱底板的構(gòu)成材料所具有的熱傳系數(shù)范圍在100 250ff/mKo
較佳地，所述傳熱件的導(dǎo)熱底板具有一對(duì)應(yīng)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(qū)，及一熱傳系數(shù)低于所述第一熱交換區(qū)的第二熱交換區(qū)，且所述第二熱交換區(qū)環(huán)繞于所述第一熱交換區(qū)外圍。
較佳地，所述傳熱件的側(cè)板的熱傳系數(shù)低于所述導(dǎo)熱底板的第一熱交換區(qū)的熱傳系數(shù)。
較佳地，本發(fā)明的長(zhǎng)晶裝置還包含一導(dǎo)熱支撐件，所述導(dǎo)熱支撐件供所述坩堝與傳熱件放置。
較佳地，所述導(dǎo)熱支撐件與所述傳熱件的導(dǎo)熱底板相連接以幫助提高所述導(dǎo)熱底板對(duì)于所述坩堝的熱交換效率。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的長(zhǎng)晶裝置所形成的兩熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)
(I)提供更大的溫度梯度與取熱速度，以誘發(fā)出較多的孿生晶界(Twin Boundary)、降低晶體中差排(Dislocation)缺陷的產(chǎn)生；
(2)更加平坦，甚至微凸的長(zhǎng)晶界面使晶格應(yīng)力降低、缺陷滑移至晶體側(cè)壁而消失，進(jìn)而改善最終晶棒質(zhì)量；
(3)更低能耗；
(4)縮短長(zhǎng)晶制程時(shí)間；
綜上，本發(fā)明長(zhǎng)晶裝置的功效在于，能提供兩溫度不同的均勻熱場(chǎng)，可以更精確的控制長(zhǎng)晶過(guò)程，進(jìn)而得到質(zhì)量良好的晶體結(jié)構(gòu)。


圖I是傳統(tǒng)的長(zhǎng)晶裝置剖視圖2是本發(fā)明的第一較佳實(shí)施例剖視圖3是本發(fā)明為說(shuō)明所述熱場(chǎng)供應(yīng)器由所述第一位置往所述第二位置移動(dòng)的剖視圖4是本發(fā)明為說(shuō)明所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第二位置時(shí)與所述坩堝的相對(duì)位置；
圖5是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)組I 4的長(zhǎng)晶裝置結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)無(wú)隔熱單元的長(zhǎng)晶裝置結(jié)構(gòu)的比較圖，主要對(duì)比隔熱單元的包覆范圍及位置(將各實(shí)驗(yàn)組及傳統(tǒng)長(zhǎng)晶裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖同時(shí)顯示于圖5中，便于更直觀的對(duì)比隔熱單元的位置及包覆范圍)；
圖6是本發(fā)明的第二較佳實(shí)施例剖視圖7是本發(fā)明所制得晶體的缺陷比例以及傳統(tǒng)長(zhǎng)晶裝置所制得晶體的缺陷比例柱狀圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :參閱圖2，本發(fā)明長(zhǎng)晶裝置的第一較佳實(shí)施例包含一熱場(chǎng)供應(yīng)器2、一坩堝3、一包圍于所述坩堝3外側(cè)的傳熱件5，及一供所述傳熱件5與所述坩堝3放置的導(dǎo)熱支撐件6。
所述坩堝3包括一具有開(kāi)口并用以容置長(zhǎng)晶原料4的容槽31，且所述坩堝3位于所述熱場(chǎng)供應(yīng)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(dǎo)熱功用的導(dǎo)熱底板51，及一由所述導(dǎo)熱底板51周邊緣向上延伸而環(huán)繞接觸于所述坩堝3側(cè)周面并保溫用的側(cè)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(dá)到更直接的熱交換控制，且所述導(dǎo)熱底板 51的構(gòu)成材料所具有的熱傳系數(shù)不小于100W/mK，較佳地是界于100 250W/mK間以期達(dá)到較好的熱交換效率。
所述導(dǎo)熱支撐件6供上述坩堝3、傳熱件5放置，同時(shí)具有一定的取熱效果以幫助改善所述傳熱件5的導(dǎo)熱底板51對(duì)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(wěn)定。
配合參閱圖3、圖4，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器2設(shè)置于所述坩堝3周圍，并可相對(duì)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(dòng)，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器2包括有一環(huán)繞包圍所述坩堝3并對(duì)所述坩堝3加熱而形成穩(wěn)定熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)范圍在O. 5 O. Olff/mK間而有較好的隔熱效果，通過(guò)設(shè)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(chǎng)結(jié)構(gòu)區(qū)隔成沿所述坩堝3的容槽 31底面朝容槽31開(kāi)口方向依次排列的一第一熱場(chǎng)201，及一均溫高于第一熱場(chǎng)201的第二熱場(chǎng)202。
以多晶硅的晶體成長(zhǎng)為例來(lái)說(shuō)明，當(dāng)所述熱場(chǎng)供應(yīng)器2在如圖2所示的所述第一位置時(shí)，所述坩堝3完全位于所述第二熱場(chǎng)202中，而容放于容槽31中的硅晶原料成熔融態(tài)且未開(kāi)始成核、長(zhǎng)晶。當(dāng)熱場(chǎng)供應(yīng)器2相對(duì)所述坩堝3自所述第一位置往第二位置移動(dòng)時(shí)(如圖3所示)，在所述容槽31內(nèi)的熔融態(tài)硅晶原料因?yàn)樗龅谝弧⒍釄?chǎng)201、202界面處瞬間的溫度變化，而在所述第一、二熱場(chǎng)201、202界面處開(kāi)始產(chǎn)生固-液交界的長(zhǎng)晶面， 且隨著所述第一、二熱場(chǎng)201、202界面的移動(dòng)方向生長(zhǎng)晶體，因此熔融的晶粒生長(zhǎng)方向是由所述坩堝3的容槽31底部開(kāi)始并隨著熱場(chǎng)的移動(dòng)方向向上成長(zhǎng)，且由于熱場(chǎng)溫差的良好控制使得長(zhǎng)晶成核過(guò)程中可產(chǎn)生較多的孿生晶界(twin boundary)的多晶硅晶體成長(zhǎng)態(tài)樣而成形；隨后，隨著熱場(chǎng)供應(yīng)器2相對(duì)所述坩堝3的位置改變，上述的長(zhǎng)晶過(guò)程不斷重復(fù)發(fā)生，最終使得坩堝3內(nèi)的硅晶原料完全長(zhǎng)成完整、質(zhì)量較佳的多晶硅晶體。
另外，特別補(bǔ)充說(shuō)明的是，針對(duì)所述隔熱單元22的位置與包覆范圍，發(fā)明人更是做了較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的研究，各實(shí)驗(yàn)組的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖5(主要對(duì)比顯示隔熱單元的位置與包覆范圍)，共進(jìn)行一組對(duì)照組、四組實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)比較。對(duì)照組為目前傳統(tǒng)一般無(wú)隔熱單元、僅有單一熱場(chǎng)的長(zhǎng)晶裝置結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)組I 3是本發(fā)明具有隔熱單元、形成兩溫差熱場(chǎng)的長(zhǎng)晶裝置結(jié)構(gòu)，并針對(duì)隔熱單元的高度漸增做變化，且當(dāng)所述熱場(chǎng)供應(yīng)器處于第一位置時(shí)，實(shí)驗(yàn)組I 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(shí)施例的實(shí)施態(tài)樣則是對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組4類似于實(shí)驗(yàn)組2的隔熱單元高度，但改變其在所述熱場(chǎng)供應(yīng)器處于第一位置時(shí)的位置高低，實(shí)驗(yàn)組4的隔熱單元的頂部遠(yuǎn)低于所述坩堝底部。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如下表I所示
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得知，以本次實(shí)驗(yàn)多晶硅晶體的成長(zhǎng)為例，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器2在所述第一位置時(shí)，所述隔熱單元22的頂端對(duì)齊所述坩堝3底面對(duì)熱場(chǎng)的控制較佳，因此可使初始的長(zhǎng)晶界面邊緣趨向平整、得到熱應(yīng)力較低的晶體；且對(duì)于溫度梯度的大小也高于對(duì)照組的裝置結(jié)構(gòu)使得結(jié)晶時(shí)間較短、長(zhǎng)晶速度較快、得到孿生晶界較多的長(zhǎng)晶狀態(tài)，進(jìn)而能得到整體晶體質(zhì)量較佳的多晶硅晶體。當(dāng)然，對(duì)于不同需求的晶體成長(zhǎng)、或熱場(chǎng)的控制，隔熱單元的頂端位置并非一定要對(duì)齊坩堝底面，也可針對(duì)個(gè)別產(chǎn)品而微調(diào)隔熱單元的高低位置與整體高度的變化。表I :
權(quán)利要求
1.一種長(zhǎng)晶裝置，包括坩堝和熱場(chǎng)供應(yīng)器，所述坩堝具有容槽，所述容槽上端為容槽開(kāi)口，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器環(huán)繞且包圍于所述坩堝外側(cè)，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器能夠沿所述容槽底面向所述容槽開(kāi)口的方向相對(duì)于所述坩堝在第一位置與第二位置之間移動(dòng)，其特征在于所述熱場(chǎng)供應(yīng)器沿所述坩堝容槽底面朝容槽開(kāi)口方向依次形成有第一熱場(chǎng)和均溫高于第一熱場(chǎng)的第二熱場(chǎng)，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第一位置時(shí)，所述坩堝位于所述第二熱場(chǎng)中，所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第二位置時(shí)，所述坩堝位于所述第一熱場(chǎng)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于所述熱場(chǎng)供應(yīng)器設(shè)有加熱單元和隔熱單元，所述加熱單元環(huán)繞于所述坩堝周邊并對(duì)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(shè)置于所述加熱單元下部，所述加熱單元對(duì)所述坩堝加熱時(shí)形成穩(wěn)定熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而所述隔熱單元將所述熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)分隔界定出所述第一熱場(chǎng)和所述第二熱場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于所述隔熱單元是由熱傳系數(shù)范圍在O.5 O. Olff/mK的材料所構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第一位置時(shí)，所述隔熱單元的頂端不高于所述坩堝的容槽底面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于設(shè)有位于所述坩堝外周圍的傳熱件，所述傳熱件具有導(dǎo)熱底板以及由導(dǎo)熱底板周邊緣向上延伸的側(cè)板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于所述熱場(chǎng)供應(yīng)器在所述第一位置時(shí)，所述傳熱件的導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求6所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于所述傳熱件的導(dǎo)熱底板的構(gòu)成材料所具有的熱傳系數(shù)范圍為100 250W/mK。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于所述傳熱件的導(dǎo)熱底板具有第一熱交換區(qū)和第二熱交換區(qū)，所述第一熱交換區(qū)對(duì)應(yīng)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(qū)的熱傳系數(shù)低于所述第一熱交換區(qū)，且所述第二熱交換區(qū)環(huán)繞于所述第一熱交換區(qū)外圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于所述傳熱件的側(cè)板的熱傳系數(shù)低于所述導(dǎo)熱底板的第一熱交換區(qū)的熱傳系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的長(zhǎng)晶裝置，其特征在于設(shè)有用于放置所述坩堝與傳熱件的導(dǎo)熱支撐件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種長(zhǎng)晶裝置，包含坩堝，以及位于坩堝外側(cè)且對(duì)坩堝加熱形成熱場(chǎng)的熱場(chǎng)供應(yīng)器，坩堝包括具有開(kāi)口并用以容置長(zhǎng)晶原料的容槽，而熱場(chǎng)供應(yīng)器包括圍繞坩堝并對(duì)坩堝加熱的加熱單元以及設(shè)于加熱單元底部的隔熱單元，且熱場(chǎng)供應(yīng)器可相對(duì)于坩堝在第一位置和第二位置之間移動(dòng)而對(duì)坩堝形成具有溫差的兩個(gè)熱場(chǎng)，藉此令坩堝中的長(zhǎng)晶原料于此二形成明顯的溫度梯度的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)中可被控制地單向進(jìn)行長(zhǎng)晶，而獲得具有較多孿生晶界的良好晶體。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102925957SQ201110230460
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者藍(lán)崇文, 許松林, 余文懷, 藍(lán)文杰, 楊瑜民, 白凱元, 徐文慶 申請(qǐng)人:昆山中辰矽晶有限公司