TW201527608A - 先進坩堝支撐件及熱分佈管理 - Google Patents

先進坩堝支撐件及熱分佈管理 Download PDF

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Abstract

根據所揭露之具體實施例，係描述先進坩堝支撐系統，其容許更大之熱流流至坩堝的底部及從坩堝的底部流出，同時亦防止過度之熱源傳達到熱交換器。更詳言之，係描述“凸狀”之支撐基底提供熱流遍布該系統，亦具有各種的零件欲限制該熱量傳達到該熱交換器。同時，根據一個或更多額外的具體實施例，該坩堝支撐件的功能適合經由坩堝操縱裝置加以利用。舉例而言，該支撐板可具有零件設計於該支撐板內，賦予升降裝置與該支撐板接合，諸如“升降臂”插入複數個凹槽，如此使全部的支撐板組件、連同該坩堝本身當在該支撐件組件上時，可作為單一單元以被升降及運輸。

Description

先進坩堝支撐件及熱分佈管理 相關申請之對照
本申請案主張2013年9月30日之美國臨時專利申請案第61/884,503號的優先權。整個該專利申請案在此藉由參照而併入本案。
本發明係揭露一般有關於結晶材料之生長系統，更具體而言，係關於一種先進坩堝支撐件及熱分佈管理。
晶體生長設備或熔爐(諸如定向固化系統(DSS)、切克勞斯基(Czochralski,CZ)法之熔爐，以及熱交換器(HEM)之熔爐)，涉及在坩堝中原料(諸如矽或藍寶石)的融熔及經控制再固化，以生產鑄錠(ingot)或鑄塊(boule)。在數小時中的數個可辨識步驟中，即能將融熔原料生成出固化鑄錠的產物。舉例而言，藉由該DSS方法以生產矽鑄錠，將矽固體原料置於坩堝中，通常容納在石墨坩堝箱，且放置在DSS熔爐的熱區裡。另一方面，諸如生產藍寶石鑄錠，藉由HEM方法，將固體原料(諸如鋁礬土) 放置在固化熔爐的熱區中之含有單晶晶種(含有相同於原料之單晶體取向的材料)的坩堝裡。熱交換器(諸如氦冷卻熱交換器)係設置與該坩堝底部及該單晶晶種進行熱連接。
於任一方法中，該原料經由加熱以形成熔融液體之原料(基本上在HEM方法中沒有熔融的單晶晶種)，且該熔爐溫度遠高於晶種熔融溫度(比如矽之熔點1412℃)，係維持數小時以確保完全融化。一旦完全融熔，則將熱溫從融熔的原料中移除，通常藉由在熱區中應用溫度梯度，以便定向凝固該熔體(比如未熔融之晶體)形成鑄錠。藉由控制熔體凝固，可完成出具有比該起始原料更佳純度的鑄錠，且於該HEM方法之情況下，可完成出具有對應於該單晶晶種之晶向的結晶材料，如此即可在各種尖端科技上應用，諸如半導體和光伏產業。
為了穩定性，坩堝一般係設置在與坩堝底部形狀互相吻合之熔爐裡的支撐結構上。典型地，該等支撐件為固體材料，且一般在該坩堝位置會採用環形固體之形狀。然而，現存的坩堝支撐件設計，為了從熔爐的加熱元件產生輻射熱傳達至該坩堝底部而限制該“觀測因素(view factor)”。由於這樣的情況，該坩堝底部的溫度梯度並不理想。
另一方面，現行已知的坩堝操作裝置係使用該坩堝本身作為建立實體接合點的手段方法，正面臨增加該坩堝的實體尺寸和質量以及進料大小的挑戰與安全考量。在晶體生長的製程中係使用一個環作為支撐件該熱區 內的坩堝。目前該環係人工裝載方式置入至該熔爐作為其本身的分離裝載步驟，隨後在坩堝完全進料且準備進行晶體生長製程之前又接續著數個步驟，如此將造成該坩堝的裝載製程中任何自動化需求的爭議。
根據所揭露之具體實施例，係描述先進坩堝支撐系統，其容許更大之熱流流至坩堝的底部並從坩堝的底部流出、同時亦防止過度之熱源傳達到熱交換器。更詳言之，係描述“凸狀”之支撐基底提供熱流遍布該系統，亦具有各種的零件欲予限制該熱量傳達到該熱交換器。
根據一個或更多額外的具體實施例，該坩堝支撐件的功能適合經由坩堝操縱裝置加以利用。舉例而言，該支撐板可具有零件設計於該支撐板內，賦予升降裝置與該支撐板接合，諸如“升降臂”插入複數個凹槽，如此使全部的支撐板組件，連同該坩堝本身當在該支撐件組件上時，可作為單一單元被升降及運輸。
100‧‧‧坩堝
110‧‧‧熔爐
120‧‧‧坩堝支撐件
130‧‧‧熱交換器軸
1000‧‧‧程序
1005、1010、1015、1020、1025、1030‧‧‧步驟
結合下列附加圖式之描述，將充分了解本發明之前述內容及實施例的其他本質、特徵、態樣及優點，其中：第1圖係顯示熔爐及坩堝結構之實例；第2圖係顯示鑄塊生產過程之實例；第3圖係顯示坩堝凸狀支撐件之實例；第4圖係顯示坩堝凸狀支撐系統之實例； 第5圖係顯示坩堝支撐件之墊片之實例；第6圖係顯示用於升降支撐件的坩堝支撐件之實例；第7圖係顯示坩堝操縱器之實例；第8圖係顯示操縱器佈置之實例；第9圖係顯示操縱器佈置之另一實例；以及第10圖係顯示使用先進坩堝支撐件及熱分佈管理系統之示例性程序。
應當瞭解的是上述圖式並非按一定比例繪製，僅呈現本發明之基本原理的各種較佳特徵之簡化表示。本發明之具體設計的零件，舉例而言，包括具體尺寸、方向、位置及形狀，部份將由具體的延伸應用及使用環境而決定。
本文所使用之術語僅為說明特定具體實施例之目的，而非用以限制本發明。除非上下文中清楚地表示了其他的意義，否則形式之“一個(a)”、“一個(an)”和“該(the)”包含複數個參考關係。更應瞭解的是，本說明書中所使用之術語“含有”及/或“包含”，詳細說明所述特徵、數字、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並非排除其他之一種或更多的特徵、數字、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或增加。於此所用之術語“及/或”包括該相關所列項目之一種或更多的任何及全部組合。
第1圖係顯示傳統結晶物質生長系統。如 第1圖所示，傳統結晶物質生長系統包括坩堝100、熔爐110、坩堝支撐件(諸如環)120、以及熱交換器軸130。
該坩堝100可以是傳統用於固定、熔融、及再固化原物質材料的習知容器。舉例而言，當生產矽或藍寶石晶體時，典型的分別使用石英或石墨坩堝。其他或替代的坩堝100，例如可由鉬、碳化矽、氮化矽、碳化矽或氮化矽與二氧化矽之複合物、熱分解的氮化硼、氧化鋁、或氧化鋯所製成，以及視需要可用氮化矽塗佈以防止固化後該鑄錠的破裂。該坩堝100亦可具有各種不同的形狀，例如至少一邊或底部具有包括圓柱形、立方體、長方體(具有正方形橫截面)或錐形。
該坩堝100可配置於結晶熔爐110的內部，結晶熔爐110包括熔爐室，該熔爐室具有底壁及複數個側壁，以定義內部。該結晶熔爐係可以是任何適用於高溫加熱(比如高於1000℃的溫度)及熔融原物質材料、且隨後使經熔融的原物質材料再固化的裝置。舉例而言，合適的熔爐包括晶體生長熔爐及DSS熔爐。典型地，該熔爐可提供兩部份，比如爐頂及爐底，為了進入該熔爐的內部(舉例而言，將該坩堝100裝載於其中)，該爐頂及爐底可分離。
該熱交換器130可包括垂直方向(比如第1圖所示之上下方向)延伸的長軸，且穿透該熔爐室的底壁。該熱交換器軸130的第一端部可與該坩堝100(特別是該坩堝之底部)結合。該熱交換器130經由冷卻流體穿過該熱交換器軸可維持熔融原料的特定溫度。
一般參照第2圖，在典型HEM實行方式中，“種源”可設置於坩堝中，接著原料或“進料”物質(比如矽或氧化鋁)可設置於該坩堝100中，隨後經由加熱該坩堝壁而熔融。於該熔融期間，該熱交換器維持該晶種於稍微低於熔點的溫度中，比如使用冷卻流體穿過該熱交換器軸，以保持該種源為固體形式。在原物質材料熔融之後，可透過熱排除而冷卻予以再固化，因而開始結晶(“生長”)且該再固化材料增長成三維空間。當結晶完成時，降低該熔爐溫度及該晶體鑄錠(鑄塊)緩慢地退火。該全部的結晶過程可能需要將近72小時。
如上所述，坩堝係設置在支撐結構120上的熔爐裡，該支撐結構120通常與坩堝的基底的形狀互相吻合。典型地，該等支撐件為固體材料，且一般採用環形固體之形狀。然而，現有的坩堝支撐件設計，為了從熔爐的加熱元件產生輻射熱傳達至該坩堝底部而限制該“觀測因素(view factor)”。由於這樣的情況，該坩堝的基底的溫度梯度並不理想。
本發明因此提供容許更大之熱流流至坩堝的底部及從坩堝的底部流出、同時亦防止過度之熱源傳達到熱交換器的先進坩堝支撐系統。具體而言，經由導入“通孔(vents)”於支撐系統中(比如在該“環”120之上)，熱源於加熱過程中可更容易地到達該坩堝的基底，也可更容易地於冷卻過程中離開該基底。另一方面，各種零件也可避免額外的熱流碰接到該運轉中的熱交換器，諸如極小化熱 源轉換至該熱交換器，使其維持在洽當的冷卻容量。經由此種方式使該重新定向的熱源予以均勻地輻射，陡峭的熱源梯度出現在該熱交換器周圍之坩堝的底部，有利於該基底對原物質產生更大的融熔力量，還使該晶種在接近於該熱交換器時能維持在固體形式。
具體而言，根據本文中一個或更多說明的具體實施例中，先進坩堝“凸狀”支撐件使較好的觀測因素至該坩堝底部。舉例而言，參照地3圖，呈現出坩堝凸狀支撐件之實例，其中隆起“凸狀”零件(比如含有鉭墊片之實例)一般均勻地係設置於支撐基底(比如等壓式地施壓石墨材料細粒)。該隆起凸狀零件使該坩堝之底部來回通風。
由於該流動的增加，因此，該等坩堝支撐凸狀之實例也暴露該熱交換器(“HEX”)於此相同的輻射加熱，其對該過程造成負面影響。為了減緩熱交換器加熱超過外圍直徑，絕緣零件可以設置於凹腔內並圍繞熱交換器。舉例而言，一種實行方式係可使用絕緣層插入至該坩堝支撐凸狀的中心腔。該絕緣體極小化熱源傳導至熱交換器。另一方面，具有低放射率材料(比如鎢)之層/薄片也可以插入該中心腔，其中該低放射率有助於反射該輻射回到該坩堝底部。於此等構型中，該熱流更為等溫，如此沒有“流失(bleeding)”熱源至該系統的底部外面(比如傳達至該支撐板)，以及重新定向該熱源朝向該坩堝。
第4圖說明該第3圖之坩堝支撐系統實例 的側視圖實例，呈現該坩堝靜止於該支撐件上，以及該絕緣層和低放射率媒介上(諸如鎢薄片)。具體而言，該凸狀支撐板支撐該複數個“凸狀(crown)”零件，其圍繞凹腔，且絕緣體及視需要之低放射率防熱板可以設置於該凹腔中，以防止熱源傳達至該熱交換器(“冷凝管(cold finger)”)。
注意第5圖所示，為了耐久性，該凸狀零件可具有可移動之墊片，諸如鉭墊片(比如具有固定的零件，諸如棘爪/突出構型)，可能必須隨著時間而置換，同時，鎢帽可以設置於該熱交換器上，以使更大的熱量接觸至該坩堝基底。
如同上述，現行已知的坩堝操作裝置係使用該坩堝本身作為建立實體接合的手段方法，正面臨增加該坩堝的實體尺寸和質量以及進料大小的挑戰與安全考量，同時由於裝載該支撐環及該坩堝的冗長人工過程將造成自動化需求的爭議。
根據本文中一個或更多特定的具體實施例，該坩堝支撐件的功能係適合於該坩堝操縱裝置之坩堝的進料、從熔爐中的裝載及卸載、及隨後可能地坩堝/鑄塊的過程步驟加以利用。具體而言，再一次參照第3圖，該支撐板可具有零件設計於該支撐板內，賦予升降裝置與該支撐板接合，諸如“升降臂”插入複數個凹槽，如此使全部的支撐板組件，且該坩堝本身同時在該支撐件組件上，可作為單一單元被升降及運輸。
例如，參照第6圖所示，該支撐板的底視圖顯露該槽的背面上的腔，如此升降臂可以插入穿過該槽形，以及旋轉(比如朝向中心)以接合該支撐板。對於強度的說明，該腔存在於上層零件(castle feature)下，儘管並非必要性，但該支撐板係認為應堅固足以支撐在該上層零件間之坩堝的裝載重量。
一般而言，本文描述之坩堝運輸技術的更好理解方式可參照第7-9圖而得到。具體而言，第7圖說明升降臂機構(“操縱器”)之實例，係設計用以滑過坩堝，且穿過該支撐板的槽以接合該升降臂，如同更詳細的第8及第9圖所示。(注意該術語“推桿”係參考該例示性的升降臂表現出一般高爾夫之推桿的形狀。)如同更具體地第8圖所示，該操縱器設計可實行連接、推力軸承、升降桿、可拆卸的吊重起重器等。該升降機構之頂端組件可含有適合控制該升降臂旋轉的結構，欲予在該支撐板的對應腔內接合該“推桿尾端”。一旦接合，該坩堝及支撐板便可以操縱、運輸(滿載或其他方式)、設置於熔爐、從熔爐移除等等。此等方式，不僅該坩堝係於一般情況下容易操縱，而且該整個構型予以適用在自動化設施。
第10圖說明與先進坩堝支撐件及熱分佈管理系統之使用的簡化程序實例。如第10圖所示，該程序1000可於步驟1005開始，繼續到步驟1010，其中，如同上文詳細的描述，坩堝可設置於凸狀支撐件上。於步驟1015中操縱器(升降機構)接著可以設置於該坩堝上欲予接 合該支撐基底(比如旋轉該升降臂)，隨後於步驟1020中該坩堝及支撐件予以操縱(移動、運輸等)至理想的位置。一旦完成，在步驟1025中該坩堝及支撐件可從該操縱器移出(反向旋轉該升降臂)。該程序1000於步驟1030中完成。
顯然地，程序1000沒有具體提及該坩堝在何時係進行什麼樣的動作，諸如裝填該坩堝、倒空該坩堝、加熱/冷卻該坩堝等，如同在該操縱過程中的任何時間點可執行該些動作。應當理解第10圖所示之步驟係僅僅是用於說明的實例，且某些步驟可依需要包括或排除。進一步而言，當該步驟係具體順序呈現時，該等順序僅是例示性，且在沒有背離本文之具體實施例的範疇情況下，可欲予應用該步驟之任何適當的排列方式。
本文所描述之組件、排列及技術，因而提供了先進坩堝支撐件及熱分佈管理。具體而言，本文具體實施例所描述優化的坩堝之支撐件，諸如優化該坩堝基底、結晶晶種、及熱交換器帽的熱管理，用以生長藍寶石鑄塊。另一方面，本文的技術使該運用坩堝本身作為裝載或卸載之依附實體的接合予以改變，現在使用該坩堝支撐件作為機械的接合，使得操作簡單且對於自動化製造過程提供更大的收益。
雖然自動化熱交換器組裝手段已呈現且描述於例示性實施例，應當理解在本文具體實施例的精神及範疇內可做各種其他的修飾及變化，以實現部分或全部的優點。因此，附加申請專利範圍之宗旨係欲予保護此等所 有的變化及改變如同落入本文具體實施例之真正的精神及範疇內。
1005、1010、1015、1020、1025、1030‧‧‧步驟

Claims (13)

  1. 一種設備，係包含：支撐基板；以及複數個間隔的凸狀零件，係配置於該支撐基板上，該凸狀零件係組構以接收及垂直地支撐坩堝，該複數個凸狀零件間隔開來以支撐該坩堝，且容許熱流在該複數個凸狀零件之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，復包含：孔洞，在該支撐基板中，組構以容許熱交換器通過。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，復包含：凹腔，係藉由該支撐基板形成，該凹腔包含於該間隔的凸狀零件所定義的內部空間中，並且圍繞該熱交換器孔洞；以及絕緣體，係設置於該凹腔中，且組構以圍繞該熱交換器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之設備，復包含：低放射率薄片，係覆蓋該絕緣體朝向經支撐之坩堝的一側上的該的絕緣體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之設備，復包含：可更換之墊片，係位於各該複數個凸狀零件上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中，該支撐基板定義出複數個槽形孔洞，各該複數個槽形孔洞組構以容許各別之升降臂通過，該各別之升降臂於穿過該 槽形孔洞且旋轉時，該各別之升降臂致使該支撐基板被個各別之升降臂接合。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中，該複數個槽形孔洞復定義對應凹腔，用於該支撐基板被該各別之升降臂接合，而該升降臂沒有突出超過該支撐基板的底面。
  8. 一種系統，係包含：支撐基板，其中，該支撐基板定義複數個槽形孔洞，各該複數個槽形孔洞組構以容許各別之升降臂通過，該各別之升降臂於穿過該槽形孔洞且旋轉時，該各別之升降臂致使該支撐基板被該各別之升降臂接合；以及操縱器，係具有複數個升降臂，組構以與該複數個槽形孔洞配對，且旋轉以接合該支撐基板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中，該複數個槽形孔洞復定義對應凹腔，用於該支撐基板被該各別之升降臂接合，而該升降臂沒有突出超過該支撐基板的底面。
  10. 一種方法，係包括：設置坩堝在支撐基底上；設置操縱器在該坩堝上方；經由該操縱器接合該支撐基底；以及經由該操縱器同時操縱該坩堝及支撐基底。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，復包括： 經由從該支撐基底分離該操縱器，而從該操縱器移除該坩堝及支撐基底。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，基底支撐件係凸狀支撐件。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，接合係包括：設置該操縱器的升降臂穿過該坩堝支撐件中的孔洞；以及旋轉該升降臂以使該升降臂的一部分與該坩堝支撐件接合。
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