TW527449B - Saucer for escaped melt in apparatus for pulling up single crystal - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 527449 A7 ------ —_B7_____ 五、發明說明（1 ) 【技術領域】 本發明係有關以邱克拉爾斯基法(C Z法）來成長單晶棒 的c Z法拉單晶裝置的構造。 【技術背景】 兹舉採用於製造半導体矽單晶的先行cz法拉單晶裝置 爲例’以第3圖加以說明。如第3圖所示，此CZ法拉單晶 裝置30係由拉晶室（chamber)31 、及設於拉晶室31中的增 堝32、及配置於坩堝32周圍的加熱器（Heater)34、及使坩 禍32迴轉的坩堝支撐軸33與其迴轉機構（未圖示）、及掐持 石夕晶種5的晶種掐具（S e e d C h u c k) 6、及將晶種掐具6上拉的 鋼絲（Wire)7 、及將鋼絲7迴轉和捲起的捲取機構（未圖示） 所構成。坩堝3 2在其內側設有容納原料矽融液2的石英坩 堝、在其外側設有石墨坩堝。又，加熱器34的外側周圍配 置加熱器隔熱材料。 其次說明上述CZ法拉單晶裝置30的單晶培育方法。 首先在坩堝32內將高純度多晶原料加熱到融點（約i 420°C) 以上使其融解。然後，將鋼絲7捲出使晶種5的前端接觸或 浸漬於融液2表面3的約中心部。之後，將坩渦支撐軸3 3 向適當方向迴轉，同時將鋼絲7向與坩堝3 2相反的方向迴 轉，並一面捲起拉上晶種5 ，以開始單晶培育。其後，適 當調節鋼絲7的上拉速度和融液溫度即可獲得略圓柱狀的 單晶棒1。 上述拉單晶裝置的石英坦堝及石墨i甘堝皆具有高耐熱 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- 527449 A7 B7 五、發明說明（2 ) 性，但較脆弱，缺乏耐衝擊性爲其缺點。因此拉單晶之際 ，將多晶原料裝塡於坩堝中加熱熔融時，熔融中的多晶塊 在坩渦內崩裂，其衝擊有時會使坩堝破損或龜裂，從該處 可能漏出融液。又，爲提升單晶培育的效率，於拉晶後不 讓殘留融液固化就再裝塡多晶原料，從一個石英坩堝獲得 複數單晶棒的多重拉法（Multiple CZ Method)也廣泛被應用 i ，惟此時的多晶原料再裝塡，有可能招致坩堝破損或融液 飛濺等，於作業中砂融液流失到坩堝外的情形◦又，雖爲 罕事，如因地震等使上拉裝置有大的搖震時，上拉機受到 左右大振擺，也有可能使坩堝內的融液流出坩堝外。再者 ，坩堝因使用而逐漸劣化，或上拉中單晶掉落時，坩堝會 被破壞，容納於坩渦內的融液也有可能幾乎全部流出。 像這樣，高溫的融液流出、飛.濺到坩渦外時，從坩堝 周圍到拉晶室的底部會被侵蝕，包括拉晶室底部和加熱器 用端子部以及坩堝支撐軸等的金屬部分及坩堝驅動裝置， 以及爲冷卻拉晶室所配設的下部冷卻水配管等。尤其加熱 到高溫的矽融液對金屬的侵蝕作用強，故冷卻水配管有可 能被侵蝕。又，溢出拉晶室外時對作業人員和機器也會有 不良影響。 爲此，例如特開平9-22 1 3 85號公報所揭露的拉單晶裝 置，係在坩堝下部配設具有能容納全部熔融原料的內容積 的無接縫一体成形的漏液托盤，以期迴避這樣的問題。 然而，這樣的漏液托盤，因托盤底部與側部爲完全一 体成形，隨著培育單晶的大型化及拉單晶裝置的大型化， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· I I . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5^ 527449 Α7 Β7 五、發明說明（3 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 材料上變爲非常高價的東西。又，托盤底部與側部以壓入（ 接合面漸細（Taper)嵌入）方式嵌合的一体成形時，如果壓入 不夠緊，因矽的比重（融液）爲2.5 4，而石墨的比重爲1.9左 右，所以當托盤內積留矽融液後，側部從嵌合處浮起以致 融液流出的可能性很高。 【發明的揭露】 因此，本發明鑒於此等先行的問題點而硏發，主要目 的在於提供當CZ法拉單晶裝置受某種原因以致融液流出坩 渦外時，可防止該漏液到達金屬零件和配管所構成的下部 機構’並可防範對作業人員和周邊機器造成不良影響的拉 單晶裝置的漏液托盤。 爲解決上述課題，有關本發明的拉單晶裝置的漏液托 盤’係配設於邱克拉爾斯基法的拉單晶裝置的拉晶室底部 的坩堝下部的漏液托盤，該漏液托盤至少由底部與筒部所 構成’底部與筒部係以螺合或用直栓螺絲予以接合爲其龙 徵。 . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如此構成的漏液托盤，即使爲大型的托盤也至少由底 部與筒部的兩零件以螺合或用直栓螺絲予以組合而成，故 與一体成形比較，可用小型的原材料製作零件，顯著提升 石墨材料的用料產率，降低製造成本。又，即使坩堝發生 漏液積留在托盤，也不致有筒部浮起等托盤分解成零件之 事’能夠確實迴避融液漏出托盤外的事件。 此情形下，漏液托盤可以由石墨材料製托盤本体及敷 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Γ^Γ 527449

貼於本体內面的耐熱材料所構成。 如此作法，能以石墨材料製托盤本体來確保托盤強度 及形狀精度，並以敷貼於本体內面的耐熱材料來抑制漏出 而積留的高溫融液的熱能移動，俾減低拉晶室的熱負荷， 以迴避拉晶室的破損。 而且此情形下，可以採用等方性石墨爲石墨材料，以 碳纖維成形材料爲耐熱材料。 如此使用等方性石墨爲石墨材料時，強度及耐熱性優 良，而且形狀尺寸精度高，形狀安定性優異，因此能夠作 成螺絲螺進的漏液托盤。又，使用碳纖維成形材料爲耐熱 材料時，耐熱材料能夠作成符合石墨材料製托盤本体形狀 的一体成形體，也容易作成零件後予以接合。 再者此情形下，漏液托盤以具有至少能容納全部熔融 原料的內容積爲宜。 如此作法，萬一堪渦破損或單晶掉下，以致融液幾乎 全部流入托盤，也不會流失到托盤外，能夠保護拉晶室內 的下部機構和拉晶室外的作業人員與機器類。此情形下， 從矽的融液比重較固体比重重可知，不得不充分考慮固化 時的体積膨脹。 又，具備上述漏液托盤的拉單晶裝置，即使融液流出 坩堝外，也能防止其到達金屬零件和配管所構成的下部機 構，而且使用具備漏液托盤的拉單晶裝置的拉單晶方法， 能於進行拉單晶時不讓作業人員和周邊機器受到不良影響 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------^--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 527449 A7 -----~—— R7____ 五、發明說明（5 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如以上所詳述，本發明的CZ法拉單晶裝置，在其敷貼 有耐J材料的等方性石墨製漏液托盤，即使因某種原因以 4 _液k出坦堝外時，也能夠以漏液托盤將之完全接住， 可以防止其流出外面。因此防範融液到達冷卻水配管等的 金屬部’獲得能夠迴避拉晶室的破損於未然的效果。 又’此漏液托盤係至少由底部和筒部接合組裝而成， I因此原材料容易能以廉價供應，也可充分順應拉單晶裝置 的大型化’構造簡單製作也容易，因此能夠降低成本。再 者’因內面敷貼耐熱材料’即使發生漏液，從托盤流出的 熱量少’可減低對拉晶室的熱負荷·，以迴避拉晶室的破損 等。 【圖面的簡單說明】 【第1圖】有關本發明實施形態的拉單晶裝置的說明 圖。 (a)斷面槪要圖、（b)部分平面圖 【第2圖】本發明實施形態的漏液托盤之例的說明圖 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (a)漏液托盤斷面槪要圖、（b)底部與筒部接合方式之部 分斷面圖、（b’）別種底部與筒部接合方式之部分斷面圖、（c) 車由袖管例之部分斷面圖。 【第3圖】先行的CZ法所使用拉單晶裝置說明圖。 【第4圖】試驗實施例1和比較例的漏液托盤之筒部與 底部接合方式有效性的實驗方法說明圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8^ 527449 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6 ) 【圖號說明】 1 單晶棒 2 融液 3 表面 5 晶種 6 晶種掐具（SeedChuck) 7 鋼絲 10 本發明的CZ法拉單晶裝置 13 雰圍氣体排出管 · 14 電極 15 漏液托盤 15a 底部 15b 筒部 15c 軸袖管 16 耐熱材料 17 直栓螺絲接合部 18 螺合接合部 30 先行的CZ法拉單晶裝置 31 拉晶室（Chamber) 31a 底部 3 lb 內壁面 32 坩堝 32a 石英坩堝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂-------- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 527449

五、發明說明（7 ) 32b 石墨坩堝 33 坩堝支撐軸 34 加熱器 35 加熱器隔熱材料 【發明的最佳實施形態】 以下將本發明的實施形態根據圖面予以說明’惟本發 明並不限定於此等實施形態。 第1圖（a)爲有關本發明的備有漏液托盤的拉單晶裝置 的主要部分縱斷面圖，（b)爲底部的部分平面圖。又’第2 圖（a)爲有關本發明的漏液托盤之一例的主要部分縱剖面圖 ，第2圖（b)、（b’）及（c)爲表示漏液托盤的底部與筒部接合方 式的主要部分詳細圖◦又，具有與先行例同一機能的構成 零件賦予同一符號。 如第1圖（a)所示，CZ法拉單晶裝置10的拉晶室31爲 密閉槽型，由冷卻水配管或外殼（未圖示）放流冷卻水到周壁 。拉晶室31內設有坩堝32，並備有在坩堝32周圍配置的 加熱器34，以及使坩渦32迴轉的坩渦支撐軸33及其迴轉 機構（未圖示）所構成。又，拉晶室3 1的下部設有雰圍氣体 排出管1 3。此排出管雖設於拉晶室側面，也有設於底部的 情形。 . 坩渦3 2在其內側，亦即容納原料矽融液2的一側，設 有石英坩堝3 2 a ，其外側設有保護該石英坩堝的石墨坦堝 32b ° 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -1〇 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 527449 A7 B7 五、發明說明（8 ) 又，坩堝32外周配置加熱器34，加熱器34外周配置 加熱器隔熱材料3 5。在加熱器3 4的下部安裝金屬製的加熱 器通電用電極1 4連通到裝置之外部電源。此電極14，其上 部有的採用碳製，使金屬部分不露出於高溫的爐內。 然後，緊接於拉晶室3 1的底部3 1 a的內壁面3 1 b ，配 設有本發明的漏液托盤1 5。 此漏液托盤1 5如第2圖（a)所示，係由底部1 5a與筒部 15b構成，其接合係以直栓螺絲接合部17(參考第2圖（b))或 螺合接合部18(參考第2圖（b’））予以‘接合。將此漏液托盤15 嵌入拉晶室底部3 1 a，托盤底部1 5 a會密接於大約拉晶室底 部內壁面3 1 b的全面。 在漏液托盤1 5，讓貫通拉晶室底部3 1 a及托盤底部1 5a 的坦渦支撐軸3 3和加熱器通電用電極1 4等構件通過的軸袖 管15c能螺進組裝於底部15a(參考第2圖（c))，強度和氣密 性也能十分確保。又’其高度在各位置與托盤筒部1 5 b同 一水平爲宜，組合底部1 5 a與筒部1 5 b可得的漏液托盤1 5 的內容積係設定爲全部原料融液2的容積以上。 將軸袖管1 5 c作成低於筒部1 5 b時，漏液托盤的內容積 係從底部到軸袖管上端位置的容積爲全部原料融液的容積 以上爲宜。 設定內容積時’宜考慮矽融液的比重較凝固的固体重 。亦即，矽融液的比重約爲2.54，固体爲2.33。所以漏液 的一部分固化時体積會膨脹。據此，設定漏液托盤丨5的內 容積爲全部原料融液的容積以上爲宜。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -Ί Ί - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I ϋ n n ϋ met i 訂---------· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 527449 五、發明說明（9 漏液托盤1 5的材質從耐熱性、耐蝕性、加工性的觀點 ’以石墨材料合適，就中尤以等方性石墨爲佳。因此使用 胃方性石墨爲石墨材料時，能夠作出強度及耐熱性特別優 $ ’ Μ漏液等的熱衝擊能夠防止破裂發生，並且形狀尺寸 半胄度優良’形狀安定，加工性優異，也可作出以螺進方式 而不會漏液的托盤。 本發明的漏液托盤15係如上所述，由底部15a與筒部 1 5b構成’以螺合或用直栓螺絲予以接合，故有不同於無接 縫的一体成形品的優異性。 首先’構件至少可分爲底部、筒部及軸袖管3類，因 此構件原料的石墨材料不必使用大於需要的大形材料，又 各個零件的製造也容易，所以能夠降低成本。再者，如果 將底部和筒部分割成複數的構件，以直栓螺絲組裝，則有 更爲降低成本的效果。例如第1圖（b)，係將筒部分割爲4 塊，以直栓螺絲接合部1 7組裝而成。 又’因係使用分割構件，故部分受到損傷時，就有只 要更換該部分即可的優點。 再者本發明的漏液托盤1 5的特徵在於漏液托盤內面敷 貼有耐熱材料1 6 ’而此耐熱材料選定爲碳纖維成形材料。 使用碳纖維成形材料爲耐熱材料時，能夠容易作成符 合石墨材料製托盤本体形狀以及軸袖管的成形体。又碳纖 維製的成形体可以作成一体物件也可以零件別作成後予以 接合。由於敷貼有耐熱材料，從坩堝漏出而積留的高溫融 液的熱損失減少，能夠減低拉晶室的熱負荷，防範拉晶室 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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527449 五、發明說明（1〇 ) 的損傷。 _ 例如在如此構成的法拉單晶裝置1〇，投入坩堝32內的 矽多晶原料，被加熱器34熔融形成原料融液2。從上方以 鋼絲吊下裝在晶種掐具裡的晶種浸漬在此原料融液2中， 一面迴轉鋼絲及坩堝32 ，一面以設定的速度上拉，就可以 成長出所定的單晶棒1。 在上述拉單晶裝置1〇，譬如將多晶原料投入坩堝32之 際，因投入原料的衝擊以致坩堝32發生龜裂時，融液2從 該龜裂處流出坩堝32外部，流出的融液2沿著坩堝的外周 壁向下流，掉落到拉晶室3 1的底部3 1 a。 此時’如使用備有本發明的漏液托盤1 5的拉單晶裝置 1 0，因緊接拉晶室底部內壁面3 1 b配設著漏液托盤15，故 可由漏液托盤1 5收容流出的融液2。而且漏液托盤1 5底部 1 5a與筒部1 5b係以螺合或直栓螺絲無間隙地組裝而成，因 此收容的融液2不會流出到他處。又，漏液托盤丨5具有收 容全量原料融液2的內容積，所以收容的融液2不會溢出漏 液托盤1 5。是故，能夠確實防止融液2到達坩堝3 2的下部 機構’防範流出的融液溢出拉晶室對作業人員造成不良影 響。 以下，舉本發明的實施例將本.發明予以具体說明，惟 本發明不限於此等實施例。 (實施例1、比較例） 試驗漏液托盤底部與筒部接合方法的實效性。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -V0 - 527449 A7

五、發明說明（彳1 ) 如第4圖所不，用等方性石墨材料按漏液托盤的底部 與筒部的接合方法別製作3種縮小型（Miniature)，將之水平 設置在拉單晶裝置實機的24吋石英坩堝內，各漏液托盤內 裝入粒狀多晶原料後，用加熱器加熱熔融，在145〇。^保持 1小時，以調查有無融液漏出。 漏液托盤的底邰與筒邰的接合方法爲，實施例1 _( 1 )底 | A I進筒邰的螺合方式，實施例1-(2)底部對筒部以直栓螺 絲的接合方法，比較例（3)底部嵌入筒部的嵌合方式。 試驗結果，比較例（3)的嵌合方式在嵌合部有微小的縫 隙而發生漏液，（1)及（2)則完全不見外滲的情形。 (貫施例2) 本實施例則製作如第1圖所示的敷貼耐熱材料丨6的漏 液托盤1 5，安裝在拉單晶裝置以求漏液托盤的有效性。 漏液托盤的材質：等方性石墨材料，托盤的內容積（含 耐熱材料容積24,700 cm3) : 1 28,000 cm3，矽融液的容積： 59,000 cm3(矽150 kg)，漏液托盤的.底部與筒部的接合方式 :底部螺進筒部的螺合方式。 將1 50 kg的多晶矽投入24吋石英坩堝內開始加熱熔融 ，約熔解80%後石英坩堝出現龜裂而發生漏液。此時，冷 卻拉晶室底部內壁面31b的冷卻水溫度上升了 1.2°C(冷卻水 配管未圖示），但無特別異常，耐熱材料1 6的耐熱效果十分 有效。 停止操作將爐內冷卻後，拆解爐子調查的結果，大約 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 527449 A7 ______B7 五、發明說明（12 ) 有8 0 k g的砍凝固在漏液托盤1 5內，在螺合接合部1 § (參考 第2圖（c))可見矽的滲透到內側的螺絲一紋的程度，在漏液 托盤1 5的外部則不見任何漏液的痕跡，而確認了漏液托盤 的有效性。 又，本發明不限於上述實施形態。上述實施形態僅爲 例示，具有記載於本發明申請專利範圍的技術構想及實質 上同一結構，能達到同樣效果者，皆包含於本發明的技術 範圍。 例如，本發明雖舉矽單晶的培育爲例來說明，但本發 明不限於僅製造矽單晶，只要是單晶培育裝置，不論任何 形態皆適用本發明，採用LEC法的化合物半導体等的單晶 培育裝置也可利用乃毋庸贅言。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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Claims (1)

1. 5親祕53號靜伸請案 一修正本民國90年ό月修正 Α8 Β8 C8 D8 产年t月:補充1 1 員 明 示 本 案 修 正 後 是 否 變 原 實 質 1¾ 容 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 -法拉單晶裝置的拉晶室底 爲：該漏液托盤至少由底 以螺合或用直栓螺絲予以 拉單晶裝置的漏液托盤’ 的托盤本体及敷貼於本体 拉單晶裝置的漏液托盤， ’耐熱材料爲碳纖維製成 拉單晶裝置的漏液托盤， 納全部原料融液的內容積 六、鼻利範圍 1. 一種配設於邱克拉爾 部坩堝下部的漏液托盤，其特徵 部與筒部所構成，底部與筒部係 接合。 2·如申請專利範圍第1項的 其中前述漏液托盤爲石墨材料製 內面的耐熱材料所構成。 3 .如申請專利範圍第2項的 其中前述石墨材料爲等方性石墨 形材料。 ， 4·如申請專利範圍第1項的 其中前述漏液托盤至少具有能容 5·如申請專利範圍第2項的拉單晶裝置的漏液托盤， 其中前述漏液托盤至少具有能容納全部原料融液的內容積 〇 6. 如申請專利範圍第3項的拉單晶裝置的漏液托盤， 其中則述漏液托盤至少具有能容納全部原料融液的內容積 〇 7. —種拉單晶裝置，其特徵爲：具備有如申請專利範 圍第1項至第6項的任何一項的漏液托盤。 8. —種拉單晶方法，係屬邱克拉爾去的拉單晶方 法，其特徵係使用如申請專利範圍第7項所記載的拉單晶 裝置來進行拉單晶。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)