CN106567124A - 掺杂器、长晶炉以及使用长晶炉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种掺杂器、长晶炉以及使用长晶炉的方法，用于熔化一固态的原料，所述长晶炉包括：一炉体；一坩埚设置于所述炉体内，用于容置所述原料；一加热装置用于加热所述坩埚，使所述原料熔化而形成一熔融原料；一储料桶用于容置一掺杂物，且所述储料桶具有一出口；一阻料器设置于所述储料桶且位于所述出口处，所述阻料器受控制而开启或封闭所述出口；一第一进料管穿设所述炉体，且具有一入料口与一出料口，所述入料口连通所述储料桶的出口；一冷却装置设置于所述第一进料管，用于对所述第一进料管内部进行冷却。
Description
技术领域
本发明与长晶炉中的掺杂剂添加有关；特别是指一种掺杂器、长晶炉以及使用所述长晶炉的方法。
背景技术
长晶炉是将固态的原料熔化成液态，再进后续的处理，使原料凝固，而为了改变材料的特性，通常会在熔化的原料中加入其它的材料。以制造晶棒(ingot)为例，请参阅图1，已知的晶棒使用固态掺杂方式是将固态的原料(例如硅原料)在长晶炉900内加热熔化成液态原料后，且另外将掺杂物(例如磷、砷、锑)由多个颗粒状先行熔化再凝固为块状的掺杂物910后，置入熔化后的硅原料920进行混合，最后再以晶种浸入熔化的原料中并往上旋转及提拉以进行长晶，终而制成一晶棒。
但是，若使用固相掺杂的方式进行混合，会因为硅原料熔点远高于掺杂物的熔点，使得掺杂物与硅原料混合的过程中会挥发出氧化物的气体930(例如氧化锑)，而造成长晶炉900内的污染，使得长晶炉900的寿命减短，且不利于晶体的生长。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供用于掺杂的掺杂器、长晶炉以及使用所述长晶炉的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种用于长晶炉的掺杂器，且所述掺杂器用于将一掺杂物添加至所述长晶炉中的熔融原料，所述掺杂器包括：一储料桶、一阻料器、一第一进料管以及一冷却装置。所述储料桶供容置所述掺杂物，所述储料桶具有一出口。所述阻料器，设置于所述储料桶且位于所述出口处，所述阻料器受控制而开启或封闭所述出口。所述第一进料管，具有一入料口与一出料口，所述入料口连通所述储料桶的出口。所述冷却装置，设置于所述第一进料管，用于对所述第一进料管内部进行冷却。所述阻料器受控制而开启所述出口之后，所述掺杂物自所述第一进料管的入料口落入所述第一进料管中，而自所述第一进料管的出料口落出。
为实现上述目的，本发明还提供的一种长晶炉，用于熔化一固态的原料，所述长晶炉包括：一炉体、一坩埚、一加热装置、一储料桶、一阻料器、一第一进料管以及一冷却装置。所述坩埚设置于所述炉体内，用于容置所述原料。所述加热装置用于加热所述坩埚，使所述原料熔化而形成一熔融原料。所述储料桶用于容置一掺杂物，且所述储料桶具有一出口。所述阻料器设置于所述储料桶且位于所述出口处，所述阻料器受控制而开启或封闭所述出口。所述第一进料管穿设所述炉体，且具有一入料口与一出料口，所述入料口连通所述储料桶的出口。所述冷却装置设置于所述第一进料管，用于对所述第一进料管内部进行冷却。所述阻料器受控制而开启所述出口之后，所述掺杂物自所述第一进料管的入料口落入所述第一进料管中，而自所述第一进料管的出料口落出至所述坩埚内而与所述熔融原料混合。
为实现上述目的，本发明还提供的一种使用上述的长晶炉进行掺杂的方法，包括下列步骤：A.启动所述加热装置，使所述坩埚内固态的原料熔化。B.启动所述冷却装置，以使所述第一进料管内部的温度下降。C.控制所述阻料器开启所述出口，使所述储料桶内的掺杂物自所述第一进料管的入料口落入所述第一进料管中，而自所述第一进料管的出料口落至所述坩埚中。
本发明的效果在于利用冷却装置，使所述掺杂物在经过所述第一进料管时，不会受炉体内的高温影响而变成气状，且还能以保持固态的方式进入坩埚内。
附图说明
图1为长晶炉的剖视图；
图2为本发明一优选实施例的长晶炉剖视图；
图3为本发明一优选实施例的掺杂器剖视图；
图4为本发明的长晶炉剖视图，显示第一内管在第一位置；
图5为掺杂方法流程图；
图6为本发明的长晶炉剖视图，显示阻料器开启出口。
符号说明：
100 长晶炉
10 炉体
20 坩埚
30 加热装置
200 掺杂器
210 第一进料管
212 第一外管
214 第一内管
21a 入料口
21b 出料口
220 冷却装置
230 升降机构
240 第二进料管
242 第二外管
244 第二内管
250 第一开关阀
260 储料桶
26a 进料口
26b 抽气口
26c 出口
270 阻料器
280 连通管
290 第二开关阀
940 掺杂物
950 硅熔液
L1 第一距离
L2 第二距离
P1 第一位置
P2 第二位置
S100～S110 步骤。
具体实施方式
为能更清楚地说明本发明，列举一优选实施例并配合图式详细说明如后。请参阅图2所示，为本发明一优选实施例的长晶炉。
所述长晶炉100包括一炉体10、一坩埚20、一加热装置30以及一掺杂器200。实际在使用时，会先在一坩埚20内放置原料(例如，硅原料)，然后将所述坩埚20设置于所述炉体10内。所述加热装置30设置于所述炉体10内，并位在所述坩埚20外围，用于加热所述坩埚20，使所述原料熔化而形成一熔融原料(例如硅熔液950)。所述掺杂器200穿设于所述炉体10，用于提供掺杂物940(例如锑材料)以进入至所述坩埚20内。以下将说明掺杂器200的结构.
请同时参阅图3及图4，所述掺杂器200包括一第一进料管210、一冷却装置220、一升降机构230、一第二进料管240、一第一开关阀250、一储料桶260、一阻料器270、一连通管280以及一第二开关阀290。
所述第一进料管210穿设所述炉体10，并与所述坩埚20中的一水平参考面所夹的夹角小于90度，优选地，所述夹角介于35～55度之间，在本实例中，所述夹角为45度。所述第一进料管210包括一第一外管212以及穿设于所述第一外管212内的一第一内管214。所述第一外管212与所述炉体10相互固定，且所述第一外管212具有一朝向所述长晶炉100中的熔融原料前端。
所述第一内管214具有一入料口21a以及一出料口21b。所述入料口21a形成在所述第一内管214的侧壁上。所述出料口21b位在所述炉体10内。在本实施例中所述第一内管214的材质为石英，所述第一外管212的材质为金属。
所述冷却装置220设置于所述第一进料管210，用于对所述第一进料管210内部进行冷却。优选地，所述冷却装置220包括一冷却管，且所述冷却管环绕于所述第一内管214并位在第一外管212以及第一内管214之间，所述冷却管内用于流过一冷却液，用于对所述第一进料管210内部进行冷却，即为对所述第一内管214进行冷却。
所述升降机构230连接所述第一内管214，用于控制所述第一内管214相对所述第一外管212在一第一位置P1以及一第二位置P2间移动。所述第一内管214位于所述第一位置P1时(如图4)，所述第一内管214的出料口21b与所述第一外管212的前端之间相隔一第一距离L1；所述第一内管214位于所述第二位置P2时(如图2)，所述第一内管214的出料口21b与所述第一外管212的前端之间相隔一第二距离L2，所述第二距离L2大于所述第一距离L1。
所述第二进料管240包括一第二外管242以及设置于所述第二外管242内的一第二内管244。所述第二内管244穿过所述第一外管212，且所述第二内管244的末端抵于所述第一内管214的侧壁上，且所述第一进料管210与所述第二进料管240呈一夹角。当所述第一内管214位于所述第一位置P1时，所述第一内管214的入料口21a与所述第二内管244的末端错开，使第一内管214与第二内管244不连通；当所述第一内管214位于所述第二位置P2时，所述第一内管214的入料口21a对应所述第二内管244的末端，使得所述第一内管214与第二内管244内部相对应。在本实施例中，所述第二外管242为金属管，所述第二内管244为石英管。
所述第一开关阀250连接所述第二进料管240，用于控制所述第二进料管240内部的通道的开启或关闭。当所述第一开关阀250封闭所述第二进料管240时，所述第一进料管210内分为完全隔离的上下两段。
所述储料桶260呈漏斗状，用于容置所述掺杂物940。所述储料桶260具有一进料口26a、一抽气口26b以及一出口26c。所述掺杂物940由所述进料口26a进入。所述抽气口26b供连通至一抽气装置(图未示)，用于通过所述抽气装置对储料桶260内部抽气。所述出口26c位于所述储料桶260的末端，并连通所述第二进料管240，使第二进料管240位于所述储料桶260与所述第一进料管210之间。
所述阻料器270设置于所述储料桶260内，且受控制的开启或封闭所述出口26c。详言之，所述阻料器270以可分离的方式抵接于所述第一进料管210与所述储料桶260之间的连接处，即为抵于所述储料桶260的末端而封闭所述出口26c，使储料桶260内的掺杂物940无法进入所述第一进料管210内，反之，当所述阻料器270的所述端离开所述储料桶260的末端时，而开启所述出口26c，使储料桶260内的掺杂物940进入所述第一进料管210内。
所述连通管280一端连通所述储料桶260，其另一端连通所述第一进料管210并位于所述第一开关阀250的下方。所述第二开关阀290连接所述连通管280，用于控制所述连通内部的通道的开启或关闭，且在所述连通管280导通时，所述储料桶260与所述第一进料管210的气压相等。
如图5所示，图5是长晶炉100的使用方法流程图，且所述方法以进行半导体掺杂为例，因此所述原料以硅原料以及所述掺杂物940以锑材料为例进行说明。在本实施例中，所述锑材料呈现颗粒状，且每一颗粒的体积愈小则效果愈好。在其它实例中，所述长晶炉1 00也可用于混合多种金属，以制成合金，并不以用于进行半导体掺杂为限。此外，在使用所述长晶炉10 0前，所述第一内管214位在第一位置P1，所述第一阻料器270封闭所述出口26c，所述第一开关阀250关闭第二进料管240的通道，以及所述第二开关阀290关闭所述连通管280之通道。
步骤S100：如图4所示，在所述坩埚20内设置硅原料，且所述硅原料呈固态，之后控制所述炉体10内部维持于一预定压力，所述预定压力在本实施例中为为80托(torr)，然后利用所述加热装置30对坩埚20加热，使所述硅原料熔化而形成熔融原料，所述熔融原料即为硅熔液950。
步骤S102：控制所述加热装置30，使所述炉体10在所述硅熔液950的液面上方的温度降低，且温度降低后液面上方的温度不低于所述硅原料的熔点，在本实施例中所述温度为1414度。
步骤S104：启动所述冷却装置220，以使所述第一进料管210内部的温度下降。
步骤S106：如图2所示，控制所述升降机构230使所述第一内管214由第一位置P1向第二位置P2移动，使所述第二内管244与所述第一内管214连通，且所述第二内管244的出料口21b靠近所述硅熔液950。
步骤S108：所述抽气装置对所述储料桶260抽气并侦测所述储料桶260与所述第一进料管210的压力，且在所侦测的压力一致时而停止抽气，之后控制所述第二开关阀290，开启所述连通管280内部的通道，使第二进料管240与所述储料桶260连通，而使所述储料桶260与所述炉体10内的气压相同，然后控制所述第一开关阀250，开启所述第一进料管210内部的通道。
步骤S110：如图6所示，控制所述阻料器270而开启所述出口26c，使所述储料桶260内的掺杂物940依序由第二进料管240、第一进料管210，最后自所述第一进料管210的出料口21b落至所述坩埚20中，而与所述硅熔液950混合，而形成半导体材料，且因为所述第一进料管210与所述第二进料管240具有一夹角，使掺杂物940受到所述夹角的影响，而减缓移动速度。此外，因为冷却装置220的作动，使所述掺杂物940在经过所述第一进料管210时，不会受炉体10内的高温影响而变成气状，且还能以保持固态的方式进入坩埚20内。
综上所述，本发明的掺杂器200、长晶炉100以及使用所述长晶炉的方法，因为所述掺杂物940在进入坩埚20内而进行熔化时，所述第二进料管240靠近所述坩埚20，且与水平面呈45度夹角，使得掺杂物940进入坩埚20时不会产生喷溅，此外，因掺杂器200的结构设计，使得掺杂物940能以颗粒状的方式进入所述坩埚20内而快速的与熔化后的原料进行混合，而较不会产生氧化物的气体而污染炉体10。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (21)
1.一种用于长晶炉的掺杂器，且所述掺杂器用于将一掺杂物添加至所述长晶炉中的熔融原料，所述掺杂器包括：
一储料桶，供容置所述掺杂物，所述储料桶具有一出口；
一阻料器，设置于所述储料桶且位于所述出口处，所述阻料器受控制而开启或封闭所述出口；
一第一进料管，具有一入料口与一出料口，所述入料口连通所述储料桶的出口；以及
一冷却装置，设置于所述第一进料管，用于对所述第一进料管内部进行冷却；
所述阻料器受控制而开启所述出口之后，所述掺杂物自所述第一进料管的入料口落入所述第一进料管中，而自所述第一进料管的出料口落出。
2.根据权利要求1所述的掺杂器，其特征在于，所述第一进料管包括一第一外管以及穿设于所述第一外管内的一第一内管，所述第一内管具有所述入料口与所述出料口。
3.根据权利要求2所述的掺杂器，其特征在于，所述掺杂器进一步包括一升降机构，连接所述第一内管，所述升降机构控制所述第一内管相对所述第一外管在一第一位置以及一第二位置间移动；所述第一外管具有一朝向所述长晶炉中的熔融原料的前端，；所述第一内管位于所述第一位置时，所述第一内管的出料口与所述第一外管的前端之间相隔一第一距离；所述第一内管位于所述第二位置时，所述第一内管的出料口与所述第一外管的前端之间相隔一第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
4.根据权利要求3所述的掺杂器，其特征在于，进一步包含一设置于所述储料桶与所述第一进料管之间的第二进料管，所述第二进料管与所述第一进料管呈一夹角；所述第一进料管的入料口通过所述第二进料管连通所述储料桶的出口；所述第一内管的管壁上形成有所述入料口，且所述第一内管位于所述第二位置时，所述入料口与所述第二进料管内部相对应。
5.根据权利要求4所述的掺杂器，其特征在于，所述第二进料管包括一第二外管以设置于所述第二外管内的一第二内管，所述第二内管连通所述第一进料管的入料口与所述储料桶的出口，且所述第一内管位于所述第二位置时，所述入料口与所述第二内管内部相对应。
6.根据权利要求4所述的掺杂器，其特征在于，进一步包括一第一开关阀，设置于所述第二进料管，用于控制所述第二进料管内部的通道的开启或关闭。
7.根据权利要求4所述的掺杂器，其特征在于，进一步包括一连通管以及一第二开关阀，所述连通管的一端连通所述储料桶，另一端连通所述第二进料管；所述第二开关阀连接所述连通管，用于控制所述连通内部的通道的开启或关闭；所述储料桶具有一抽气口，所述抽气口供抽气使用。
8.一种长晶炉，用于熔化一固态的原料，所述长晶炉包括：
一炉体；
一坩埚，设置于所述炉体内，用于容置所述原料；
一加热装置，用于加热所述坩埚，使所述原料熔化而形成一熔融原料；
一储料桶，供容置一掺杂物，且所述储料桶具有一出口；
一阻料器，设置于所述储料桶且位于所述出口处，所述阻料器受控制而开启或封闭所述出口；
一第一进料管，穿设所述炉体且具有一入料口与一出料口，所述入料口连通所述储料桶的出口；以及
一冷却装置，设置于所述第一进料管，用于对所述第一进料管内部进行冷却；
所述阻料器受控制而开启所述出口之后，所述掺杂物自所述第一进料管的入料口落入所述第一进料管中，而自所述第一进料管的出料口落出至所述坩埚内而与所述熔融原料混合。
9.根据权利要求8所述的长晶炉，其特征在于，所述第一进料管与所述坩埚中的一水平参考面所夹的夹角小于90度。
10.根据权利要求9所述的长晶炉，其特征在于，所述第一进料管与所述水平参考面所夹的夹角介于35～55度之间。
11.根据权利要求8所述的长晶炉，其特征在于，所述第一进料管包括一第一外管以及穿设于所述第一外管内的一第一内管，所述第一内管具有所述入料口与所述出料口。
12.根据权利要求11所述的长晶炉，其特征在于，所述长晶炉进一步包括一升降机构，连接所述第一内管，所述升降机构控制所述第一内管相对所述第一外管在一第一位置以及一第二位置之间移动；所述第一外管具有一朝向所述长晶炉中的熔融原料的前端；所述第一内管位于所述第一位置时，所述第一内管的出料口与所述第一外管的前端之间相隔一第一距离；所述第一内管位于所述第二位置时，所述第一内管的出料口与所述第一外管的前端之间相隔一第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
13.根据权利要求12所述的长晶炉，其特征在于，进一步包含一设置于所述储料桶与所述第一进料管之间的第二进料管，且与所述第二进料管呈一夹角；所述第一进料管的入料口通过所述第二进料管连通所述储料桶的出口；所述第一内管的管壁上形成有所述入料口，且所述第一内管位于所述第二位置时，所述入料口与所述第二进料管内部相对应。
14.根据权利要求13所述的长晶炉，其特征在于，所述第二进料管包括一第二外管以设置于所述第二外管内的一第二内管，所述第二内管连通所述第一进料管的入料口与所述储料桶的出口，且所述第一内管位于所述第二位置时，所述入料口与所述第二内管内部相对应。
15.根据权利要求13所述的长晶炉，其特征在于，进一步包括一设置于所述第二进料管的第一开关阀，用于控制所述第二进料管内部的通道的开启或关闭。
16.根据权利要求13所述的掺杂器，其特征在于，进一步包括一连通管以及一第二开关阀，且所述连通管的一端连通所述储料桶，另一端连通所述第二进料管；所述第二开关阀连接所述连通管，用于控制所述连通管内部的通道的开启或关闭；所述储料桶具有一抽气口，所述抽气口供抽气使用。
17.一种采用权利要求8所述的长晶炉的掺杂方法，其特征在于，包括下列步骤：
A.启动所述加热装置，使所述坩埚内固态的原料熔化；
B.启动所述冷却装置，以使所述第一进料管内部的温度下降；以及
C.控制所述阻料器开启所述出口，使所述储料桶内的掺杂物自所述第一进料管的入料口落入所述第一进料管中，而自所述第一进料管的出料口落至所述坩埚中。
18.根据权利要求17所述的掺杂方法，其特征在于，执行步骤A之前控制所述炉体内部维持于一预定压力；步骤A与步骤C之间更进一步包括对所述储料桶抽气，且于所述储料桶内部压力达到所述预定压力时，控制所述阻料器使掺杂物自所述第一进料管的入料口落入所述第一进料管中。
19.根据权利要求17所述的掺杂方法，其特征在于，步骤A至步骤C之间进一步包括控制所述加热装置，使所述炉体在熔融原料的液面上方的温度降低，且温度降低后液面上方的温度不低于所述原料的熔点。
20.根据权利要求17所述的掺杂方法，其特征在于，所述第一进料管包括一第一外管以及穿设于所述第一外管内的一第一内管，所述第一内管具有所述入料口与所述出料口；所述长晶炉更进一步包括一升降机构，连接所述第一内管，所述升降机构控制所述第一内管相对所述第一外管于一第一位置以及一第二位置间移动；所述第一内管位于所述第一位置时，所述第一内管的出料口与所述第一外管的前端之间相隔一第一距离；所述第一内管位位于所述第二位置时，所述第一内管的出料口与所述第一外管的前端之间相隔一第二距离，所述第二距离大于所述第一距离；执行步骤A之前，控制所述升降机构使所述第一内管位于所述第一位置；步骤A与步骤C之间，更包括控制所述升降机构使所述第一内管移到所述第二位置。
21.根据权利要求17所述的掺杂方法，其特征在于，所述长晶炉更包括一第二进料管以及一第一开关阀；所述第二进料管设置于所述储料桶与所述第一进料管之间，且与所述第一进料管呈一夹角；所述第一开关阀设置于所述第二进料管，用于控制所述第二进料管内部的通道的开启或关闭；在步骤A之前包括有控制所述第一开关阀关闭所述第二进料管内部的通道，对储料桶抽气并侦测所述储料桶与所述第一进料管的压力，在所侦测的压力一致时，控制所述第一开关阀关闭所述第二进料管内部的通道；步骤A与步骤C之间更进一步包括对储料桶抽气并侦测所述储料桶与所述第一进料管的压力，在所侦测的压力一致时，控制所述第一开关阀开启所述第二进料管内部的通道。
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