TWI432617B - 長晶裝置 - Google Patents

Description

長晶裝置

本發明是有關於一種加熱裝置，特別是指一種成長晶體用的長晶裝置。

晶棒的品質好壞取決於晶體成長過程、原料純度…等因素，而其中，長晶裝置的設計對熔融的長晶原料所提供的熱場結構對於之後的長晶界面(grain interface)、長晶初期的晶體成核(nucleation)、長晶過程中晶粒大小(grain size)等都有直接的影響，並攸關最終製作出的晶棒品質，因此，在長晶裝置的研究發展一直是業界所關注的命題之一。

參閱圖1，目前的長晶裝置1包含一用於容放長晶原料100的坩堝11、一環繞該坩堝11外側設置並可相對坩堝11上下移動地對該坩堝11加熱的加熱單元12、一包圍該坩堝11的傳熱件13，及一放置該傳熱件13與坩堝11的底盤14。

長晶時，該加熱單元12開始加熱以提供容放於該坩堝11中的長晶原料100一個固定熱場，待長晶原料100成熔融狀態之後，令該加熱單元12相對於該固定不動的坩堝11向上移動，而使熔融的長晶原料100隨著該加熱單元12相對該坩堝11移動時造成的熱場變化(即溫度的降低)並搭配該傳熱件13與底盤14的導熱效果而開始成核、長晶，最終得到晶棒。

長晶裝置1以製作多晶矽的晶棒為例，根據研究，若能在長晶過程中，控制熔融矽原料的長晶界面101具有較平整、甚至微凸的結晶面，可減少晶體的熱應力，以及控制長晶初期成核的效率與質量可增加孿生晶界(twin boundary)的形成，會有助於長晶過程中差排(dislocation)等晶格缺陷的消失，而獲得品質較佳的多晶矽晶棒；但以上述的長晶裝置1而言，由於該加熱單元12所形成的是單一熱場結構，所以對坩堝11中的矽原料長晶過程來說，熱場的溫度梯度控制極為粗糙而較不容易對於成核或者固-液長晶界面101的形態等長晶的關鍵因素有效地掌握。

另外，像是以布里曼法(Bridgeman Method)來製備晶棒則是坩堝下降遠離加熱單元，通常加熱單元是包括分開固定的一個頂部加熱器與一個環狀側邊加熱器，並配合在該底盤中另外設置的冷卻水流動裝置來加強控制長晶速度，雖然坩堝底部的初始結晶速度可以提升，但與上述長晶裝置1相同，對於固相區以及固液介面的熱場控制是較不容易的，且坩堝裡的熔融長晶原料可能會因為離該等加熱器愈來愈遠使得表面開始固化，加上坩堝的移動也易導致堝體震動損壞、干擾晶體生長。

此外，例如台灣專利第099205223、第098132239專利申請案，分別揭示針對底盤施以特別的導熱設計的技術來進一步改善長晶品質。

雖然，這樣的技術確實對於控制多晶矽的長晶過程有一定程度的改善，但是隨著半導體產業、光電產業的高度蓬勃發展，品質更佳的多晶矽晶棒是必然的發展需求，也因此，開發能提供溫度梯度控制更準確的熱場結構的長晶裝置，是相關業者的主要研發的方向。

因此，本發明之目的，即在提供一種可改善凹形長晶介面、擁有更好的溫度梯度控制的長晶裝置。

於是，本發明長晶裝置，包含一坩堝，及一環繞且包圍於該坩堝外側的熱場供應器。

該坩堝包括一具有一開口並用以放置長晶原料的容槽。

該熱場供應器作動時對該坩堝加熱且形成一包覆該坩堝的熱場結構，同時沿該坩堝容槽底面朝容槽開口方向依序形成一第一熱場，及一均溫高於第一熱場的第二熱場，而該熱場供應器可沿該坩堝容槽的底面向該容槽開口的延伸方向相對於該坩堝在一第一位置與一第二位置之間移動。

當該熱場供應器在該第一位置時，該坩堝位於該第二熱場中，而在該第二位置時，該坩堝位於該第一熱場中。

本發明的目的及解決其技術問題還可採用下列技術措施進一步實現。

較佳地，該熱場供應器包括一環繞於該坩堝周邊並對該坩堝加熱的加熱單元，及一位於該坩堝與加熱單元之間並設置於該加熱單元底部的隔熱單元，該加熱單元對該坩堝加熱時形成穩定熱場結構，而該隔熱單元將該熱場結構區隔界定出該第一熱場及第二熱場。

較佳地，該隔熱單元是由熱傳係數範圍在0.5~0.01W/mK的材料所構成。

較佳地，該熱場供應器在該第一位置時，該隔熱單元的頂部不高於該坩堝的容槽底部。

較佳地，本發明之長晶裝置還包含一設置於該坩堝外周圍的傳熱件，該傳熱件包括一以複數不同熱傳係數的材料所組成的導熱底板，及一由導熱底板頂緣延伸的側板。

較佳地，該傳熱件緊鄰並接觸於該坩堝外壁以增加導熱、保溫的效果。

較佳地，該熱場供應器在該第一位置時，該隔熱單元的頂部切齊該傳熱件的導熱底板與坩堝底部連接的延伸平面。

較佳地，該隔熱單元的高度不小於該坩堝容槽的深度。

較佳地，該隔熱單元的高度可小於該坩堝容槽的深度。

較佳地，該傳熱件的導熱底板的構成材料所具有的熱傳係數不小於100 W/mK。

較佳地，該傳熱件的導熱底板的構成材料所具有的熱傳係數範圍在100~250 W/mK。

較佳地，該傳熱件的導熱底板具有一對應於該坩堝底部中央位置並與該坩堝底部相接觸的第一熱交換區，及一熱傳係數相對低於該第一熱交換區的第二熱交換區，且該第二熱交換區環繞於該第一熱交換區外側。

較佳地，該傳熱件的側板的熱傳係數相對低於該導熱底板的第一熱交換區的熱傳係數。

較佳地，本發明之長晶裝置還包含一導熱支撐件，該導熱支撐件供該坩堝與傳熱件放置。

較佳地，該導熱支撐件與該傳熱件的導熱底板相連接以幫助提高該導熱底板對於該坩堝的熱交換效率。

總結來說，本發明長晶裝置所形成的兩熱場結構具有以下優點：

(1)提供更大的溫度梯度與取熱速度，以誘發出較多的孿生晶界(Twin Boundary)、降低晶體中差排(Dislocation)缺陷的產生。

(2)更加平坦，甚至微凸的長晶界面使晶格應力降低、缺陷滑移至晶體側壁而消失，進而改善最終晶棒品質。

(3)更低能耗。

(4)縮短長晶製程時間。

本發明之功效在於：提供一種能提供兩溫度不同的均勻熱場的長晶裝置，而可以更精確的控制長晶過程，進而得到品質良好的晶體結構。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明長晶裝置之一第一較佳實施例包含一熱場供應器2、一坩堝3、一包圍於該坩堝3外側的傳熱件5，及一供該傳熱件5與該坩堝3放置的導熱支撐件6。

該坩堝3包括一具有開口並用以容置長晶原料4的容槽31，且該坩堝3位於該熱場供應器2中。

該傳熱件5包括一位於該坩堝3底部並具有導熱功用的導熱底板51，及一由該導熱底板51頂緣延伸而環繞接觸於該坩堝3側周面、保溫用的側板52，較佳地，該傳熱件5緊鄰並接觸該坩堝3外壁以達到更直接的熱交換控制，且該導熱底板51的構成材料所具有的熱傳係數不小於100 W/mK，較佳地是界於100~250 W/mK間以期達到較好的熱交換效率。

該導熱支撐件6供上述坩堝3、傳熱件5放置，同時具有一定的取熱效果以幫助改善該傳熱件5的導熱底板51對於該坩堝3底部的冷卻效率，也使得整體裝置的熱交換更加穩定。

配合參閱圖3、圖4，該熱場供應器2設置於該坩堝3周圍，並可相對該坩堝3於一如圖2所示的第一位置和一如圖4所示的第二位置間移動，包括有一環繞包圍該坩堝3並對該坩堝3加熱而形成穩定熱場結構的加熱單元21，及一位於該坩堝3與加熱單元21之間並設置於該加熱單元21底部的隔熱單元22，且該隔熱單元22具有的熱傳係數範圍在0.5~0.01W/mK間而有較好的隔熱效果，藉由設置在該加熱單元21底部的隔熱單元22將加熱單元21加熱形成的熱場結構區隔成沿該坩堝3的容槽31底面朝容槽31開口方向依序排列的一第一熱場201，及一均溫高於第一熱場201的第二熱場202。

以多晶矽的晶體成長為例來說明，當該熱場供應器2在該第一位置時，該坩堝3完全位於該第二熱場202中，而容放於容槽31中的矽晶原料成熔融態且未開始成核、長晶。當熱場供應器2相對該坩堝3自該第一位置往第二位置移動時，在該容槽31內的熔融態矽晶原料因為該第一、二熱場201、202界面處瞬間的溫度變化，而在該第一、二熱場201、202界面處開始產生固-液交界的長晶面，且隨著該第一、二熱場201、202界面的移動方向生長晶體，因此熔融的晶粒生長方向是由該坩堝3的容槽31底部開始並隨著熱場的移動方向向上成長，且由於熱場溫差的良好控制使得長晶成核過程中可產生較多的孿生晶界(twin boundary)的多晶矽晶體成長態樣而成形；繼之，隨著熱場供應器2相對該坩堝3的位置改變，上述的長晶過程不斷重複發生，最終使得坩堝3內的矽晶原料完全長成完整、品質較佳的多晶矽晶體。

另外，特別補充說明的是，針對該隔熱單元22的位置與包覆範圍，發明人更是做了較詳細的實驗模擬數據做進一步的研究，各實驗結構簡圖詳見圖5，共進行一組對照組、四組實驗組的數據比較。對照組為目前一般無隔熱單元、單一熱場的長晶裝置結構；實驗組1~3是本發明具有隔熱單元(灰色元件)、形成兩溫差熱場的長晶裝置結構，並針對隔熱單元的高度漸增做變化，且當該熱場供應器處於第一位置時，隔熱單元的頂部皆切齊該坩堝底部，而該第一較佳實施例的實施態樣則是對應於實驗組3的隔熱單元高度；實驗組4類似於實驗組2的隔熱單元高度，但改變其在該熱場供應器處於第一位置時的位置高低，實驗組4的隔熱單元的頂部遠低於該坩堝底部。實驗數據整理如下表所示：

該坩堝內容物的溫度梯度與長晶界面的電腦模擬圖可依序參考圖8~12，由實驗結果可得知，以本次實驗多晶矽晶體的成長為例，該熱場供應器2在該第一位置時，該隔熱單元22的頂部切齊該坩堝3的底部對熱場的控制較佳，因此可使初始的長晶界面邊緣趨向平整、得到熱應力較低的晶體；且對於溫度梯度的大小也高於對照組的裝置結構使得結晶時間較短、長晶速度較快、得到孿生晶界較多的長晶狀態，進而能得到整體晶體品質較佳的多晶矽晶體。當然，對於不同需求的晶體成長、或熱場的控制，隔熱單元的位置並非一定要切齊坩堝底部的平面，也可針對個別產品而微調隔熱單元的高低位置與整體高度的變化。

由上述說明可知，本發明主要是藉著該熱場供應器2的加熱單元21和隔熱單元22的配合而相對該坩堝3形成具有溫差的第一、二熱場201、202，而讓該坩堝3內的矽晶原料在長晶過程中因為具有穩定溫差的第一、二熱場201、202在瞬間的溫度梯度變化中使欲成核、成長的晶種保持單向的型態下成長，且在第一、二熱場201、202較大的溫度梯度控制下，使得長晶初期產生大量的孿生晶界，最終得到晶體熱應力較低、晶體品質也較佳的多晶矽晶體。

參閱圖6，本發明長晶裝置之一第二較佳實施例與該第一較佳實施例類似，其不同處在於本第二較佳實施例中的傳熱件5的導熱底板51是以不同熱傳係數的材料分別構成散熱速率不一的一第一熱交換區511與一第二熱交換區512。該第一熱交換區511是相對應位於該坩堝3底部中央部位，而該熱傳係數相對低於該第一熱交換區511的第二熱交換區512則位於該第一熱交換區511外周圍，另外該保溫用的側板52也是以熱傳係數相對低於該第一熱交換區511的材料所形成，如此可使得該坩堝3底部中央位置的冷卻速率高於兩側冷卻速率，而針對該坩堝3底部不同位置的取熱效率作改善來得到較佳的熱交換效果。

參閱圖7，本發明第一較佳實施例所述的長晶裝置所製備的多晶矽晶體，其雜質含量約為1.31%、微晶含量約0.97%，較諸習知的長晶裝置(見圖1)所製備出的多晶矽晶體的雜質約1.66%、微晶含量約1.01%，可明顯看出因長晶界面的改善使得雜質比例下降；更值得一提的是，用本發明第一較佳實施例再搭配傳熱件所特別設計的導熱底板取熱結構而成的第二較佳實施例所述的長晶裝置，其所製備出的多晶矽晶體的雜質含量和微晶比例更大幅降低至0.22%、0.99%，均直接驗證本發明的長晶裝置確實可以藉著兩不同溫度的熱場與對於坩堝底部導熱的獨特設計，而控制坩堝中的溫度變化，進而得到品質較佳的晶體結構。

綜上所述，本發明之長晶裝置(參見圖6)主要是藉著熱場供應器2的加熱單元21和隔熱單元22的配合而相對坩堝3形成具有溫差的第一、二熱場201、202並配合該傳熱件5的導熱底板51所具有的複數熱傳係數材料的設計，進而讓該坩堝3內的矽晶原料在長晶過程中因為第一、二熱場201、202的移動與溫度控制而在成核、生長時保持單向、孿生晶界形成較多的型態下成長，最終得到熱應力較低、晶體品質也較佳的多晶矽晶體，因此，確實可以改善目前的長晶裝置只能以單一熱場進行晶體成長，而導致製作出的晶體熱應力較高、晶體品質較差的問題，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．長晶裝置

100．．．長晶原料

101．．．長晶界面

11．．．坩堝

12．．．加熱單元

13．．．傳熱件

14．．．底盤

2．．．熱場供應器

201．．．第一熱場

202．．．第二熱場

21．．．加熱單元

22．．．隔熱單元

3．．．坩堝

31．．．容槽

4．．．長晶原料

5．．．傳熱件

51．．．導熱底板

511．．．第一熱交換區

512．．．第二熱交換區

52．．．側板

6．．．導熱支撐件

圖1是一剖視示意圖，說明目前的長晶裝置；

圖2是一剖視示意圖，說明本發明之一第一較佳實施例；

圖3是一剖視示意圖，說明一熱場供應器由一第一位置往一第二位置移動；

圖4是一剖視示意圖，說明該熱場供應器在該第二位置時的坩堝相對位置；

圖5是一剖視示意圖，說明習知與本發明的實驗裝置的簡易結構比較；

圖6是一剖視示意圖，說明本發明之一第二較佳實施例；及圖7是一直方圖，說明習知與本發明所製得晶體的缺陷比例；圖8是一溫度梯度圖，說明對照組1，圖1所示的習知長晶裝置的模擬溫度分佈；圖9是一溫度梯度圖，說明實驗組1，本發明第一較佳實施例配合第一種態樣隔熱單元的模擬溫度分佈；圖10是一溫度梯度圖，說明實驗組2，本發明第一較佳實施例配合第二種態樣隔熱單元的模擬溫度分佈；圖11是一溫度梯度圖，說明實驗組3，本發明第一較佳實施例的模擬溫度分佈；及圖12是一溫度梯度圖，說明實驗組4，本發明第一較佳實施例配合第三種態樣隔熱單元的模擬溫度分佈。

2．．．熱場供應器

201．．．第一熱場

202．．．第二熱場

21．．．加熱單元

22．．．隔熱單元

3．．．坩堝

31．．．容槽

4．．．長晶原料

5．．．傳熱件

51．．．導熱底板

52．．．側板

6．．．導熱支撐件

Claims (14)

1. 一種長晶裝置，包含：一坩堝，包括一具有一開口的容槽；及一熱場供應器，環繞且包圍於該坩堝外側並沿該坩堝容槽的底面向該容槽開口的延伸方向相對於該坩堝在一第一位置與一第二位置之間移動，並沿該坩堝容槽底面朝容槽開口方向依序形成一第一熱場，及一均溫高於第一熱場的第二熱場，該熱場供應器在該第一位置時，該坩堝位於該第二熱場中，在該第二位置時，該坩堝位於該第一熱場中，其中，該熱場供應器包括一環繞於該坩堝周邊並對該坩堝加熱的加熱單元，及一位於該坩堝與加熱單元之間並設置於該加熱單元底部的隔熱單元，該加熱單元對該坩堝加熱時形成穩定熱場結構，而該隔熱單元將該熱場結構區隔界定出該第一熱場及第二熱場。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之長晶裝置，其中，該隔熱單元是由熱傳係數範圍在0.5~0.01W/mK的材料所構成。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之長晶裝置，其中，該熱場供應器在該第一位置時，該隔熱單元的頂部不高於該坩堝的容槽底部。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之長晶裝置，還包含一設置於該坩堝外周圍的傳熱件，該傳熱件包括一以複數不同熱傳係數的材料所組成的導熱底板，及一由導熱底板頂緣延伸的側板。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之長晶裝置，其中，該傳熱 件緊鄰並接觸於該坩堝外壁以增加導熱、保溫的效果。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之長晶裝置，其中，該熱場供應器在該第一位置時，該隔熱單元的頂部切齊該傳熱件的導熱底板與坩堝底部連接的延伸平面。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之長晶裝置，其中，該隔熱單元的高度不小於該坩堝容槽的深度。
8. 根據申請專利範圍第6項所述之長晶裝置，其中，該隔熱單元的高度小於該坩堝容槽的深度。
9. 根據申請專利範圍第6項所述之長晶裝置，其中，該傳熱件的導熱底板的構成材料所具有的熱傳係數不小於100W/mK。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之長晶裝置，其中，該傳熱件的導熱底板的構成材料所具有的熱傳係數範圍在100~250W/mK。
11. 根據申請專利範圍第10項所述之長晶裝置，其中，該傳熱件的導熱底板具有一對應於該坩堝底部中央位置並與該坩堝底部相接觸的第一熱交換區，及一熱傳係數相對低於該第一熱交換區的第二熱交換區，且該第二熱交換區環繞於該第一熱交換區外側。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之長晶裝置，其中，該傳熱件的側板的熱傳係數相對低於該導熱底板的第一熱交換區的熱傳係數。
13. 根據申請專利範圍第12項所述之長晶裝置，還包含一導熱支撐件，該導熱支撐件供該坩堝與傳熱件放置。
14. 根據申請專利範圍第13項所述之長晶裝置，其中，該導熱支撐件與該傳熱件的導熱底板相連接以幫助提高該導熱底板對於該坩堝的熱交換效率。