TWI425180B - 高溫爐水冷散熱系統 - Google Patents

Description

高溫爐水冷散熱系統

本發明係關於一種高溫爐水冷散熱系統，特別是一種能使高溫爐體溫度梯度分佈均勻之水冷散熱系統。

晶圓被廣泛用於做為半導體、通訊及光電元件的基板。依據特性及用途晶圓可區分為矽晶圓、氧化物晶圓以及化合物晶圓。矽晶圓被大量應用於積體電路元件的製造，而氧化物晶圓以及化合物晶圓則被應用於光電、通訊元件的製造。化合物晶圓包含砷化鎵（GaAs）晶圓等，應用於射頻通訊元件作為基板材料。而氧化物晶圓包含氧化鋁（Al₂ O₃ ）或稱為藍寶石（Sapphire）晶圓等，藍寶石晶圓一般則應用於發光二極體作為基板材料。

晶圓一般係由晶棒切片經研磨拋光而來。而晶棒一般係於高溫爐中生長製造。第一圖顯示一傳統用於生長晶棒（Ingot）的高溫爐。高溫爐包含腔體（Chamber）10及水冷散熱系統20。生長晶棒時，腔體10中坩堝經加熱裝置加熱並維持在高溫的狀態，使坩堝中晶體維持在熔融態（Crystal melt），而一晶棒12作為種晶（Seed crystal）由高溫爐上方機構（未圖示）控制置入熔融態晶體中。藉由緩慢拉升晶棒12以生長預定直徑尺寸的晶棒。腔體10中內壁則具有隔熱層以避免加熱裝置提供的熱能向外輻射流失。水冷散熱系統20位於高溫爐腔體10底部，其中有冷卻水流通以進行冷卻。進行冷卻時，冷卻水係由水冷散熱系統20之冷卻水入口22進入冷卻水道26，當冷卻水流過冷卻水道26的同時吸收帶走高溫爐腔體10內的熱能，並經冷卻水出口24流出。第二圖顯示傳統水冷散熱系統20的俯視圖。

由於第二圖所示傳統水冷散熱系統20的設計係由一側經冷卻水入口22引入較低溫冷卻水，冷卻水的溫度隨著冷卻水流經冷卻水道26的時間與距離增加，當冷卻水由另一側自冷卻水出口24流出時，自冷卻水出口24流出之冷卻水的溫度與自冷卻水入口22流入之冷卻水的溫度之間即產生一不均勻溫度梯度，亦即傳統水冷散熱系統20上方高溫爐腔體10內因散熱不均勻同樣產生不均勻溫度梯度，此高溫爐腔體10內之不均勻溫度梯度可能影響高溫爐腔體10內晶體成長，因而降低晶棒的品質。

因此為了改善傳統高溫爐水冷散熱系統的缺點，亟需提出一種改良的高溫爐水冷散熱系統，此水冷散熱系統能使高溫爐體溫度梯度分佈均勻。

本發明的主要目的在於提供一種高溫爐水冷散熱系統，使高溫爐腔體高溫區溫度梯度分佈均勻。

根據上述目的，本發明一實施例提供一種水冷散熱系統，該水冷散熱系統係裝設於一高溫爐腔體底部，藉由注入冷卻水以進行高溫爐冷卻。水冷散熱系統包含一冷卻水入口以將冷卻水導入水冷散熱系統中心以進入一螺旋狀冷卻水道，使冷卻水自水冷散熱系統中心流入該冷卻水道並成螺旋狀向外流出至一冷卻水出口，以將熱源自爐體中心至爐體周圍帶離，當冷卻水流過冷卻水道的同時吸收帶走高溫爐腔體內的熱能，使腔體中心溫度與四周溫度呈輻射狀分佈。

以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地實行在其他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的了解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的程序步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。


參考第三圖所示，顯示本發明一實施例之水冷散熱系統。水冷散熱系統30之冷卻水入口32係將冷卻水導入水冷散熱系統30中心並進入冷卻水道36，冷卻水道36自水冷散熱系統30中心成螺旋狀向外延伸至冷卻水出口34。當冷卻水經冷卻水入口32進入水冷散熱系統30中心並進入冷卻水道36，順著螺旋狀向外延伸之冷卻水道36流至冷卻水出口34，當冷卻水流過冷卻水道36的同時吸收帶走高溫爐腔體10內的熱能。由於冷卻水係由水冷散熱系統30中心進入並呈螺旋狀向外流動，因此能自高溫爐體中心將熱能帶離，產生自高溫爐體中心至高溫爐四周的輻射狀溫度梯度分佈。因此即使自冷卻水入口32引入與自冷卻水出口34流出之冷卻水的溫度隨著冷卻水流經冷卻水道36的時間與距離增加，也不至於產生不均勻溫度梯度，水冷散熱系統30上方高溫爐腔體內亦不至於因散熱不均勻產生不均勻溫度梯度，因此可將散熱問題對高溫爐腔體內晶體成長的影響降至最低，維持晶棒的品質。第四圖顯示本發明一實施例之水冷散熱系統的俯視圖。第四圖顯示冷卻水入口32透過管線連接水冷散熱系統30中心，並銜接冷卻水道36。冷卻水道36自水冷散熱系統30中心呈螺旋狀延伸至而冷卻水出口34。值得一提的是，由於冷卻水道36係自水冷散熱系統30中心呈螺旋狀向水冷散熱系統30周邊延伸，因此冷卻水出口34的位置可依需求選擇，而第二圖中所示之傳統水冷散熱系統20之冷卻水出口24則必須位於冷卻水入口22的相對一側，因此本實施例之水冷散熱系統30具有較高的設計彈性。此外如第三圖所示，水冷散熱系統30相對於高溫爐體底部中心可設計為增加表面積的構型，例如圖中所示之圓弧凸狀表面38，或是其他任何可增加表面積的構型，例如波浪形表面等。第五圖與第六圖顯示本發明另一實施例之水冷散熱系統。而第五圖顯示水冷散熱系統30相對於高溫爐體底部中心設計為增加表面積的圓弧凹狀表面39。上述實施例之水冷散熱系統之冷卻水道於俯視圖中雖然係順時針螺旋，但逆時針螺旋設計亦可採用。上述實施例中省略的習知特徵可應用任何相關習知技術加以實施，任何熟悉本領域技術者均能根據一般技術水準實施本發明。


本發明上述實施例之水冷散熱系統可應用任何需利用冷卻液進行散熱冷卻的高溫爐，例如用於生長矽晶棒的高溫爐或是用於生長藍寶石晶棒的高溫爐等。水冷散熱系統裝設於高溫爐腔體底部並藉由一支撐桿與腔體中坩堝接觸。生長晶棒時，腔體中坩堝經加熱裝置加熱並維持在高溫的狀態，使坩堝中晶體維持在熔融態，而晶棒作為種晶由高溫爐上方機構控制置入熔融態晶體中。藉由緩慢拉升晶棒以生長預定直徑尺寸的晶棒。腔體中內壁則具有隔熱層以避免加熱裝置提供的熱能向外輻射流失。位於高溫爐腔體底部的水冷散熱系統則注入冷卻水以進行冷卻。進行冷卻時，冷卻水係由水冷散熱系統中心之冷卻水入口進入冷卻水道，將爐體中心大量熱源帶離。當冷卻水流過冷卻水道的同時吸收帶走高溫爐腔體內的熱能，使腔體中心溫度與四周溫度呈輻射狀分佈。


本發明利用一種高溫爐體腔體中心注入冷卻水及螺旋狀水冷管路設計，能將大量熱源自爐體中心開始至週邊均勻帶離使高溫爐體溫度梯度分佈均勻。此外水冷散熱系統對應爐體底部則設計成增加表面積的構型例如圓弧凸狀，可進一步增加水冷散熱面積，並使中心至四周之溫度呈輻射狀分佈，以避免影響晶體生長品質。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

10‧‧‧腔體

12‧‧‧晶棒

20‧‧‧水冷散熱系統

22‧‧‧冷卻水入口

24‧‧‧冷卻水出口

26‧‧‧冷卻水道

30‧‧‧水冷散熱系統

32‧‧‧冷卻水入口

34‧‧‧冷卻水出口

36‧‧‧冷卻水道

38‧‧‧圓弧凸狀表面

39‧‧‧圓弧凹狀表面

第一圖顯示一傳統用於生長晶棒的高溫爐。
第二圖顯示傳統水冷散熱系統的俯視圖。
第三圖顯示本發明一實施例之水冷散熱系統。
第四圖顯示本發明一實施例之水冷散熱系統的俯視圖。
第五圖與第六圖顯示本發明另一實施例之水冷散熱系統。

30‧‧‧水冷散熱系統

32‧‧‧冷卻水入口

34‧‧‧冷卻水出口

36‧‧‧冷卻水道

38‧‧‧圓弧凹狀表面

Claims (8)

1. 一種高溫爐水冷散熱系統，包含：一冷卻水入口以將冷卻水導入水冷散熱系統中心；一螺旋狀冷卻水道連接該冷卻水入口，使冷卻水自水冷散熱系統中心流入該冷卻水道並成螺旋狀向外流出；及一冷卻水出口，將冷卻水自該冷卻水道導出；其中，該水冷散熱系統對應於高溫爐體底部中心部份具有圓弧凹狀表面或圓弧凸狀表面。
2. 如申請專利範圍第1項的水冷散熱系統，其中該螺旋狀冷卻水道包含順時針螺旋冷卻水道及逆時針螺旋冷卻水道。
3. 如申請專利範圍第1項的水冷散熱系統，其中該高溫爐包含生長藍寶石晶棒的高溫爐或是用於生長矽晶棒的高溫爐。
4. 一種水冷散熱系統，係裝設於一高溫爐腔體底部，而該水冷散熱系統對應於該高溫爐腔體底部中心部份具有圓弧凹狀表面或圓弧凸狀表面，藉由注入冷卻水以進行高溫爐冷卻，該水冷散熱系統包含一冷卻水入口以將冷卻水導入水冷散熱系統中心以進入一螺旋狀冷卻水道，使冷卻水自水冷散熱系統中心流入該冷卻水道並成螺旋狀向外流出至一冷卻水出口，以將熱源自爐體中心至爐體周圍帶離，當冷卻水流過冷卻水道的同時吸收帶走高溫爐腔體內的熱能，使腔體中心溫度與四周溫度呈輻射狀分佈。
5. 如申請專利範圍第4項的水冷散熱系統，其中該水冷散熱系統對應於高溫爐體底部中心部份具有波浪形表面。
6. 如申請專利範圍第4項的水冷散熱系統，其中該高溫爐包含生長藍寶石晶棒的高溫爐。
7. 如申請專利範圍第4項的水冷散熱系統，其中該螺旋狀冷卻水道包含順時針螺旋冷卻水道及逆時針螺旋冷卻水道。
8. 如申請專利範圍第4項的水冷散熱系統，其中該水冷散熱系統藉由一支撐桿與高溫爐腔體中一坩堝接觸。