TWI451008B - 製造半導體或金屬氧化物鑄塊之裝置 - Google Patents
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Description
本揭露內容係有關一種製造一鑄塊之裝置，更具體而言，是一種製造一半導體或金屬氧化物鑄塊之裝置，其係藉由接續地引起一液態半導體或金屬氧化物之原料沿一固化方向之液態至固態的相轉變而進行。
近來，以結晶矽太陽能電池進行太陽能發電之發展已達商業化，根據測試，其具有無污染、安全性、高效能及可靠性之優點。
因此，使用矽太陽能電池之約數百萬至數千萬瓦特之大規模太陽能發電已在德國、加拿大、美國及其他地方進行。
目前使用於太陽能發電的太陽能電池係使用一由丘克拉斯基拉製法製成的單晶矽鑄塊或一由布裡奇曼法製成的多晶矽鑄塊加以製備。有鑑於未來產能之持續增加及經濟可行性之改善，認為矽鑄塊及基板的價格應該降低且其產品品質及產量應更加改良。
考量此背景，已投入相當多的努力在有效率地製造高品質多晶或類單晶矽鑄塊上，與單晶矽鑄塊相比其物理性質並未有顯著惡化且生產價格容易降低。
基本上，用於太陽能電池之多晶矽鑄塊和類單晶矽鑄塊之製造的特徵在於方向性固化。特定而言，類單晶矽鑄塊之製造更使用了單晶晶種。
將單晶晶種置於一由石英或石墨製成的坩堝最底部並裝填太陽
能電池級的原料矽，之後加熱到1420℃，所有單晶晶種及原料矽皆被熔化。於此，藉由控制該單晶晶種使其有部分未被熔化而原料矽全部被熔化，則當矽的固化熱朝向該坩堝底部之方向移除時，固化會從該坩堝底部的晶種向坩堝上部展開，此即類單晶矽鑄塊之方向性固化過程。
在多晶矽鑄塊的情形，藉由一控制良好的方向性固化過程所獲得之鑄塊具有一柱狀結構，係由大量的單晶柱依同一方向集合而成。當鑄塊以垂直於晶體生長方向切割時，所得之基板與單晶鑄塊相似，具有可將由光激發的電子向一電極收集而無電子損失之結構。
如韓國專利早期公開案第2008-0068423號、第2008-0068424、第2009-0035336號、及第2009-0035337號中所示，近來，此項製造多晶矽鑄塊之技術有更進一步地發展，且已研究及發展出，製造一具有之多晶結構和單晶結構幾乎相似(一類單晶結構)的鑄塊。意即根據此項技術，和在單晶鑄塊的成長中一樣係使用單晶晶種，但板狀單晶晶種則放置在現有多晶矽鑄塊的坩堝底部，且生長出單晶鑄塊。為了能選擇性熔化該單晶晶種並成功生長該單晶鑄塊，必須發展一特製冷卻系統，該系統可選擇性僅冷卻坩鍋底部某一部分或精確地控制時間與空間中之熱傳導速率。
目前，用於太陽能電池之商業規模的多晶矽鑄塊約有400至650公斤重，且為保持高品質每一批製造一個鑄塊。然而，為了使用現有之多晶矽鑄塊製造裝置製造類單晶矽鑄塊，裝置中如位於坩堝底部之熱傳導系統或其類似物必須加以改善。
該製造類單晶矽鑄塊裝置之技術重點在於，當一原料填滿坩堝底部時，單晶矽晶種放置在該坩堝的最底部；在熔化該原料時，熔化僅限於該單晶矽晶種的上部，而該單晶矽晶種的底部仍維持在一固態狀態；當晶體成長時，該液態矽會進行朝向坩堝底部的方向性固化。於此，可提供一品質佳的鑄塊，其晶體結構係根據所使用之晶種而呈現類單晶結構且晶粒大小接近於單晶，使得晶體缺陷和雜質混合顯著減少，意即，類單晶鑄塊滿足高效率太陽能電池之規格。
相關技術之鑄塊製造裝置的性能係藉由晶體缺陷和金屬雜質混合的最少化及柱狀結構比例的最大化來決定，其等為鑄塊最主要的物理性質，係藉由減少加熱與冷卻所需要的處理時間來達成。
製程因素，如加熱、冷卻等等，皆與裝置之最佳化有關，例如裝上隔熱冷卻系統及隨之而來安置隔熱材料及其類似物在加熱器周圍是重要的。特定而言，圍繞坩堝之該隔熱冷卻系統，其與一冷卻裝置接觸，是重要的。因此，必須建構一個比相關技術更獨具匠心的下隔熱及熱傳導系統，以製造出高品質的多晶矽鑄塊，甚至是一類單晶，以及其他藉由一熔化晶體成長法(例如丘克拉斯基法)所製造出之大型半導體鑄塊或金屬氧化物鑄塊(如藍寶石)。
(專利文件1)韓國專利早期公開案第2008-0068423號
(專利文件2)韓國專利早期公開案第2008-0068424號
(專利文件3)韓國專利早期公開案第2009-0035336號
(專利文件4)韓國專利早期公開案第2009-0035337號
本發明之一具體實施態樣係關於提供一種製造一鑄塊之裝置，係依據原料在坩堝中的位置，可嚴格地控制原料的熔化與固化；依據固化進行的位置與時間，可變且精確地控制固化時產生之固化熱；在短時間內熔化該原料；抑制在坩堝側面上的成核與成長；利用現有的鑄塊製造裝置不做太大改變從而獲得經濟效益；以及允許裝置之最小化。
在一般方面，提供一種製造一半導體或金屬氧化物鑄塊之裝置，其係藉由接續地引起一液態原料沿一固化方向之液態至固態的相轉變而進行，該裝置包含：一坩堝，容納一半導體或金屬氧化物原料；一冷卻單元，其於垂直方向上距該坩堝一預定距離，該坩堝之高度方向指定為該垂直方向且一與該垂直方向成直角之方向指定為一水平方向；一第一加熱單元，其於水平方向上距該坩堝一預定距離且圍繞該坩堝之周圍表面；以及一隔熱元件，其係呈水平方向位於該坩堝與該冷卻單元之間，該隔熱元件之位置係由一移動單元所移動。
該裝置可更包含一控制單元，用以控制該移動單元以移動該隔熱元件之位置，於此，當原料藉由加熱單元及冷卻單元熔化並接
續固化時，該控制單元控制該隔熱元件之位置從而控制裝置中的熱流。
更特定而言，當原料藉由加熱單元及冷卻單元被熔化並接續固化時，該控制單元係控制複數個平板的各自位置，其中該等平板係由一隔熱材料製成並構成該隔熱元件，根據該坩堝與該冷卻單元間之該隔熱元件之位置，從而控制該隔熱元件在垂直方向上的總厚度。
該裝置可更包含一控制單元，用以控制該移動單元以移動該隔熱元件之位置，其中該控制單元係控制該隔熱元件之位置，從而在原料藉由該加熱單元加以熔化時，隔開該坩堝與該冷卻單元；並控制該隔熱元件之位置，從而在一液態原料藉由該冷卻單元進行固化轉變時，形成一介於該坩堝與該冷卻單元間之穿透孔。
該隔熱元件可包含二個或二個以上由一隔熱材料製成之平板，該二個或二個以上之平板之各自位置係由該移動單元所獨立移動，以及該二個或二個以上之平板鑑於選自以下因素之至少一者而彼此不同：厚度、形狀、尺寸及其材料。
該隔熱元件可藉由該移動單元在水平方向上移動。
該裝置可更包含一第二加熱單元，連同第一加熱單元，該第二加熱單元於垂直方向上距該坩堝一預定距離，使該第二加熱單元於垂直方向上面向該冷卻單元且該坩堝位於該二者之間。
該隔熱元件可包含二個或二個以上由一隔熱材料製成之平板，該二個或二個以上之隔熱平板於垂直方向上置於同一或不同平
面，且至少部分該隔熱平板於垂直方向上係彼此緊密接觸，在此情況下該二個或二個以上之平板係位於不同平面。
該二個或二個以上之平板可各自獨立為一多邊形板、一中空之多邊形板、一圓形板、或一中空之圓形板，或係藉由將一多邊形板、一中空之多邊形板、一圓形板、或一中空之圓形板分割成N片(N為2或更大的自然數)而形成N個片件。
以下將參考所附圖式詳細描述本發明之裝置。關於本發明之圖式例示如下且藉由實施例提供，使本發明之精神可充分地轉移至本發明所屬技術領域具有通常知識者。因此，本發明不應限於下文所闡述之圖式，尚可以多種不同形式體現，並且為使本發明精神清楚，可能誇示下文所闡述之圖式。另外，類似的元件符號在說明書中表示類似的元件。
在此，除非文中有另外說明，說明書中所使用的術語，包含技術用語與科學術語，與本發明所屬技術領域具有通常知識者通常可了解之意義相同，且已知功能及組成之詳細解釋若可能混淆本發明之主旨者將被忽略。
根據本發明之一種製造一鑄塊之裝置係一種用於製造一半導體或金屬氧化物鑄塊之裝置，其係藉由接續地引起一液態原料沿一固化方向之液態至固態的相轉變而進行，該裝置包含：一坩堝，容納一半導體或金屬氧化物原料；一冷卻單元，其於垂直方向上距該坩堝一預定距離，該坩堝之高度方向指定為該垂直方向且一
與該垂直方向成直角之方向指定為一水平方向；一第一加熱單元，其於水平方向上距該坩堝一預定距離且圍繞該坩堝之周圍表面；以及，一隔熱元件，其係呈水平方向位於該坩堝與該冷卻單元之間，該隔熱元件之位置係由一移動單元所移動。
關於在製造一鑄塊時容納於該坩堝內作為原料之半導體或金屬氧化物，該半導體原料的例子可包含：第四族半導體包含矽(Si)、鍺(Ge)、及鍺化矽(SiGe)；三五族半導體包含砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、及磷化鎵(GaP)；二六族半導體包含硫化鎘(CdS)、及碲化鋅(ZnTe)；以及四六族半導體包含硫化鉛(PbS)。而該金屬氧化物原料的例子可包含氧化鋁。
由該半導體原料製造出的半導體鑄塊可包含一半導體鑄塊，含有：第四族半導體包含矽(Si)、鍺(Ge)、或鍺化矽(SiGe)；三五族半導體包含砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、或磷化鎵(GaP)；二六族半導體包含硫化鎘(CdS)、或碲化鋅(ZnTe)；或四六族半導體包含硫化鉛(PbS)。而由該金屬氧化物原料製造出的金屬氧化物鑄塊包含一藍寶石鑄塊。
容納於該坩堝中之該半導體或金屬氧化物原料藉由加熱單元熔化，並接續地沿一預定之固化方向固化，從而被製成一鑄塊。該鑄塊之例子可包含一具有柱狀結構之多晶鑄塊、一類單晶鑄塊、及一單晶鑄塊。
用於製造一單晶鑄塊之單晶晶種可置於該坩堝之一底面，作為接續固化的起始處。當然，為了製造類單晶鑄塊，可放置複數個不間斷排列之單晶晶種。
第1圖是根據本發明之一具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置。如第1圖(a)所示，本發明之製造一鑄塊之裝置可包含一坩堝(200)，其中容納一原料(100)；當該坩堝(200)之高度方向指定為一垂直方向(V)且一與該垂直方向成直角之方向指定為一水平方向(H)時，一冷卻單元(400)在垂直方向(V)上距該坩堝(200)一側一預定距離；一第一加熱單元(310)在水平方向(H)上距該坩堝(200)一預定距離且圍繞該坩堝之全部周邊；以及一隔熱元件(500)係呈水平方向位於該坩堝(200)與該冷卻單元(400)間，其位置係由一移動單元(600)所移動，該隔熱元件(500)係由一隔熱材料製成的二個或二個以上之平板(501及502)所組成。
較佳地，根據本發明之裝置可更包含一第二加熱單元(320)，其係於垂直方向(V)上距坩堝(200)另一側一預定距離。該第二加熱單元(320)於垂直方向上距坩堝一預定距離，使該第二加熱單元(320)於垂直方向(V)上面向冷卻單元(400)且坩堝(200)位於該二者之間。
用於熔化容納於坩堝(200)中的原料之加熱單元(300)，可包含一通常加熱元件並藉由電流產生焦耳熱。較佳地，該加熱單元(300)可包含第一加熱單元(310)距坩堝(200)之周圍表面一預定距離從而圍繞坩堝之全部周邊，以及一第二加熱單元(320)位於坩堝(200)上方，使該第二加熱單元(320)面向冷卻單元(400)且坩堝位於該二者之間。
安裝冷卻單元(400)用於冷卻由加熱單元(300)熔化之原料，
其係包含一通常冷卻零件，其具有一冷卻液流經之流動通道，從而藉由該冷卻液進行冷卻。該冷卻單元(400)距坩堝(200)之底面一預定距離為較佳。
更佳地，根據本發明之裝置可包含一支撐桿，用於支撐該冷卻單元，及一冷卻單元運送機用於運送該支撐桿從而在垂直方向(V)運送該冷卻單元(400)，連同該冷卻單元(400)包含具有冷卻液流經之流動通道之平板狀冷卻零件。該冷卻單元運送機使該冷卻單元(400)被運送，從而控制坩堝(200)與該冷卻單元(400)間之間隔距離。
一熱傳導系統包含移動單元(600)與隔熱元件(500)，其係控制裝置中的熱流，並根據坩堝中的位置及固化進行時間精確且可變地控制坩堝之內部溫度。該隔熱元件(500)之位置在原料熔化及接續固化時係由該移動單元(600)所移動。
具體而言，如第1圖所示，該製造一鑄塊之裝置可更包含一控制單元(700)，用於控制移動單元(600)、加熱單元(300)、及冷卻單元(400)(包含冷卻單元運送機)。該控制單元(700)在原料藉由加熱單元(300)及冷卻單元(400)熔化及接續固化時控制隔熱元件(500)，從而控制裝置中的熱流並根據坩堝(200)中之位置控制其溫度梯度。
更具體而言，該控制單元(700)之特徵在於，當原料熔化及接續固化時，藉由移動單元(600)打開或關閉隔熱元件(500)，該隔熱元件係包含由二個或二個以上由隔熱材料製成之平板。
如第1圖(a)所示，當原料被加熱單元(300)熔化時，控制單元(700)控制隔熱元件(500)之位置，從而隔開坩堝(200)與冷卻單元(400)。當已熔化的原料藉由冷卻單元(400)接續地固化時，該控制單元(700)控制隔熱元件(500)之位置從而形成一連通區域，意即，如第1圖(b)所示，一穿透孔(1)，係一垂直方向上介於坩堝(200)與冷卻單元(400)間打開之空間。
因此，當原料熔化時，由加熱單元(300)所產生的流向外部之熱損失會被降到最低，且坩堝中所容納的原料可在短時間內快速地熔化。當原料被熔化後要藉由冷卻單元(400)固化時，由固化產生的固化熱可經由移動隔熱元件(500)而形成之穿透孔(1)，有效地被除去。
於此，如第1圖(a)所示，藉由移動單元(600)移動及組合以便形成一遮蔽板隔開坩堝(200)與冷卻單元(400)之二個或二個以上之平板(501至504)，該等平板移動及組合從而形成一單一板，其投影形狀上無開孔。由移動及組合二個或二個以上之平板(501至504)所形成之該遮蔽板，其投影形狀的直徑係為坩堝(200)直徑的1至1.5倍。
該穿透孔(1)之大小可藉由控制單元(700)控制，其係根據原料之連續固化進行之程度。具體而言，較佳係形成穿透孔(1)使得：以原料之總體積計，在固化初期當已進行10%或更少的固化時，該穿透孔(1)之大小為坩堝(200)與垂直方向成直角之剖面截面積的0.1至0.5倍，與冷卻單元(400)連通；以原料之總體積計，在固化中期當已進行10%至60%的固化時，該穿透孔
(1)之大小為坩堝(200)與垂直方向成直角之剖面截面積的0.5至0.7倍，與冷卻單元(400)連通；以及以原料之總體積計，在固化後期當已進行60%或更多的固化時，該穿透孔(1)之大小為坩堝(200)與垂直方向成直角之剖面截面積的0.7至1.0倍，與冷卻單元(400)連通。於此，如上所述，組成隔熱元件(500)之二個或二個以上之平板(501至504)，係藉由控制單元(700)與移動單元(600)獨立地各自移動，從而形成穿透孔(1)。當該穿透孔(1)的中心位於一連接坩堝(200)與冷卻單元(400)之虛線上時，所形成穿透孔(1)是較佳的，意即，在此虛線上坩堝(200)與冷卻單元(400)是彼此對稱的。
於此，根據固化之進行程度，隔熱元件(500)藉由控制單元(700)連續或不連續地移動，因此，穿透孔(1)之大小當然也會連續或不連續地變動。
如上所述，在根據本發明之製造一鑄塊之裝置中，控制單元(700)局部地控制隔熱元件(500)在垂直方向(V)之總厚度，也控制穿透孔(1)之形成或不形成、穿透孔(1)之大小、及穿透孔(1)之形成位置，從而根據坩堝(200)中的位置嚴格地控制溫度梯度。
故此，加熱單元(300)位於坩堝(200)之垂直方向(V)與水平方向(H)上；冷卻單元(400)在垂直方向(V)上位於坩堝(200)下方；以及隔熱元件(500)在垂直方向(V)上位於坩堝(200)與冷卻單元(400)之間。因此，為了有效除去固化熱，隔熱元件(500)較佳係在水平方向上移動。在隔熱元件(500)
係由複數個隔熱材料製成之平板組成的情況下，較佳係在水平方向(H)獨立地移動該等平板。
此時，隔熱元件(500)係由一通常隔熱材料組成，該材料包含石墨或氧化鋁。作為移動單元(600)，藉由電力驅動使一通常裝置可在上、下、左、右之方向移動一物體的位置。例如，該移動單元(600)可包含一驅動零件(包含一驅動線性運動之汽缸或一驅動旋轉運動之馬達)、一轉換零件連接至該驅動零件的驅動軸以將線性運動或旋轉運動轉換成水平方向運動、以及一結合元件，其係將藉由轉換零件轉換之運動方向作用於隔熱元件(500)。
第2圖是根據本發明之製造一鑄塊之裝置所提供之隔熱元件(500)一例。第2圖解釋了當原料熔化及接續固化時，該隔熱元件(500)藉由控制單元(700)移動。
如第2圖所示，根據本發明之製造一鑄塊之裝置所提供之隔熱元件(500)可包含二個或二個以上由一隔熱材料製成之平板(501至504)，且該二個或二個以上之平板(501至504)之位置係藉由移動單元(600)獨立地各自移動。
如第2圖(a)所示，當原料在坩堝(200)內熔化時，控制單元(700)控制二個或二個以上之平板(501至504)使其移動，從而隔開坩堝(200)與冷卻單元(400)，造成該坩堝的底部被一隔熱材料遮蔽之效果，使得原料可在一短時間內有效地熔化。
如第2圖(b)和(c)所示，當已熔化的原料在垂直方向(V)上接續地固化時，為了防止在坩堝側面之成核與成長以及防止從
坩堝底部同時且大量地發生成核情況，控制單元(700)控制二個或二個以上之平板(501至504)在水平方向(H)上各自移動，從而選擇性地根據坩堝內之位置除去原料固化所產生的固化熱，進而可製造出一高品質單晶、類單晶或多晶半導體鑄塊。
特定而言，如第2圖(b)所示，在固化初期固化發生在坩堝底部，平板(例如501和502)放置在同一平面時作為一個平板層，在垂直方向上距坩堝較近之包含於該平版層之該等平板(503和504)，在水平方向(H)上移動一預定距離，而距坩堝較遠之包含於該平板層之平板(501和502)則形成一遮蔽板，從而防止一過度成核驅動力之作用。
具體而言，如第2圖(c)所示，在固化中期或後期連續固化沿著垂直方向(V)進行，距坩堝較遠的包含於該平板層之平板(501和502)在水平方向(H)上移動一預定距離，從而形成一具有一預定大小之穿透孔(1)，且距坩堝較近之包含於平板層之平板(503和504)更移動至坩堝(200)底部之邊緣區域，從而防止在坩堝側面上發生固化。意即，在固化中期或後期，該等平板移動，使得當在垂直方向(V)上距坩堝較近之該等平板移動時，該穿透孔(1)在水平方向上(H)的直徑變大。
於此，如第2圖所示之根據固化階段之隔熱元件的移動僅為一例，係為了清楚解釋製造一鑄塊時裝置內的熱流控制。在方向性固化期間之隔熱元件之移動程度，可藉由考慮下列各者而優化：坩堝之大小、坩堝之材質、原料的量、欲製造鑄塊之種類(單晶或多晶)，原料的種類及其他。至於根據本發明之裝置之優化利
用，當然不僅限於方向性固化期間之隔熱元件之移動程度。
第3圖至第6圖顯示了二個或二個以上之平板在垂直方向(V)上放置在不同平面之各種情況。以下關於第3圖至第6圖之說明，基於隔熱元件(500)隔開坩堝(200)與冷卻單元(400)的情況，詳細描述本發明之隔熱元件(500)。構成隔熱元件(500)之各平板藉由移動單元(600)與控制單元(700)所移動之方向將以箭頭表示。
如第3圖至第6圖所示，該隔熱元件(500)包含二個或二個以上由隔熱材料製成之平板。該二個或二個以上之平板可各自為一多邊形板、一中空之多邊形板、一圓形板、或一中空之圓形板。該二個或二個以上之平板係藉由將一多邊形板、一中空之多邊形板、一圓形板、或一中空之圓形板分割成N片(N為2或更大的自然數)而形成N個片件，較佳為2至10片。該二個或二個以上之平板的特徵係在垂直方向上置於同一平面或不同平面。
如第3圖至第6圖所示，在組成隔熱元件(500)之二個或二個以上之平板在垂直方向(V)上置於不同平面的情況，為了最小化在一開放空間之熱損失且更嚴格地控制當原料藉由加熱單元(300)熔化時裝置內的熱流，至少部分該等平板於垂直方向上係彼此緊密接觸。於此，為了更清楚描述圖式，位於不同平面的該等平板係彼此分開，且該等平板彼此緊密接觸之方向係以一虛線箭頭表示。
具體而言，該隔熱元件(500)可具有一結構，如第3圖(a)所示，係由二個或二個以上相同大小之圓形或多邊形平板(505
至508)堆疊而成，使得該等平板的表面彼此接觸；如第3圖(b)所示，係由二個或二個以上不同大小之圓形或多邊形平板(509至511)堆疊而成，使得最小平板(510)的表面與其它所有平板接觸；如第3圖(c)和(d)所示，係由二個或二個以上相同或不同大小之圓形或多邊形平板(512至514或515至518)堆疊而成，使得該等平板表面的局部區域彼此接觸。
或者，如第4圖(a)所示，該隔熱元件(500)可具有一結構，係N片平板(519至522)置於同一平面，其中N片平板係將一多邊形或圓形板分割成N片(N為2或更大的自然數，通常為2至10)而形成N個片件，且具有對應各該N個片件之大小的複數個平板(523至526)係置於該N片平板(519至522)之上方及下方，使得該等平板(523至526)不會彼此正對；如第4圖(b)所示，該隔熱元件(500)可具有一結構，係N片平板(527至530)置於同一平面，其中N片平板係將一多邊形或圓形板分割成N片(N為2或更大的自然數，通常為2至10)而形成N個片件，且有M片平板(531至534)係置於該該N片平板(527至530)之上方或下方，其中M片平板係將一多邊形或圓形板分割成M片(M為2或更大的自然數)而形成M個片件；以及如第4圖(c)所示，該隔熱元件(500)可具有一結構，係N片平板(535至538)置於同一平面，其中N片平板係將一多邊形或圓形板分割成N片(N為2或更大的自然數，通常為2至10)而形成N個片件，且一單一多邊形或圓形平板(539)係置於該N片平板(535至538)之上方或下方，使得該單一多邊形或圓形平板(539)的中心位於一連接坩堝(200)與冷卻單元(400)之虛線上。
如第5圖所示，該隔熱元件(500)可具有一結構，包含二個或二個以上之平面在垂直方向(V)上置於不同平面。具體而言，如第5圖所示，該隔熱元件(500)可具有一結構，係在一中空平板(540，一中空之多邊形板或一中空之圓形板)之上方或下方設置一多邊形或圓形平板(541)，該平板(541)之尺寸比該中空多邊形或圓形板的中空部分更大，且其位置靠近該中空平板，使得該多邊形或圓形平板(541)擋住該中空平板(540)之中空部分。
或者，如第6圖所示，該隔熱元件(500)可具有一結構，係L片平板(542和543)置於同一平面，其中L片平板係將一中空之多邊形板或一中空之圓形板分割成L片(L為2或更大的自然數)而形成L個片件，且有P片平板(544和545)係置於靠近該L片平板(542和543)之上方或下方，其中P片平板係將一尺寸大於該L片平板(542和543)的中空部分之多邊形或圓形板分割成P片(P為2或更大的自然數)而形成P個片件，使得該P片平板(544和545)擋住該L片平板(542和543)之中空部分。
如第3圖至第6圖所示，為了嚴格地控制根據固化進行程度之固化熱的除去速率，且精確地控制根據坩堝中的局部位置之固化熱除去速率，該隔熱元件(500)較佳具有一結構，係二個或二個以上之平板並非置於單一平面，而是位於垂直方向(V)上之不同平面，且位於不同平面之各平板在垂直方向至少有部分彼此緊密接觸。於此，置於單一平面上之該等平板作為一個平板層時，隔熱元件(500)較佳係由2至6個平板層組成。
此外，為了根據固化進行程度實施固化熱之局部控制或根據時
間更嚴格地進行固化熱之可變控制，隔熱元件(500)較佳可由二個或二個以上之平板組成，其中該各平板鑑於選自以下因素之至少一者而彼此不同：厚度、形狀、尺寸及其材料。
較佳地，組成隔熱元件(500)之該等平板可由一具有熱傳導率從1.2565 W/m°K至65 W/m°K之隔熱材料製成。滿足上述熱傳導率之隔熱材料的較佳例子可包含一藉由起泡石墨纖維所獲得之聚苯乙烯泡沫塑料型石墨氈、或石墨板。較佳地，組成隔熱元件(500)之該等平板各自獨立為一石墨氈或一石墨板。
該等平板個別具有2公分至12公分之厚度較佳。如第3圖和第4圖所示，在隔熱元件(500)包含複數個多邊形或圓形平板的情況下，該等平板各自之大小較佳為坩堝(200)與垂直方向成直角之剖面截面積之0.2至0.5倍。如第5圖和第6圖所示，在隔熱元件(500)包含該等平板之情況，較佳各該平板具有一中空部分且中心位於一連接坩堝(200)與冷卻單元(400)之虛線上，其中該等平板係為中空多邊形板、中空圓形板、已分割之中空多邊形板、或已分割之中空圓形板。該中空部分之截面積較佳為坩堝(200)與垂直方向成直角之剖面截面積的0.1至0.5倍。該中空板之直徑較佳為坩堝(200)直徑之1.0至1.2倍，其中該中空板係中空之多邊形板或中空之圓形板(包含一未分割之平板或一將分割之平板)。
藉由一隔熱材料製成並滿足上述條件的該等平板組成之隔熱元件(500)，根據本發明之隔熱元件(500)可作為一遮蔽板用以防止當原料熔化時熱損失跑到坩堝以外的地方；當原料之方向性固
化從坩堝底部朝向坩堝上部進行時，藉由控制單元(700)允許該等平板各自獨立地移動以形成穿透孔，或根據該等平板之位置控制其在垂直方向上之總厚度，來有效地防止坩堝底部處成核的過度發生；有效地防止因冷卻而在坩堝側面上之側向成核與成長；有效地控制固/液態界面之形狀及其移動速率；以及最小化該等平板於水平方向上移動之空間，從而使裝置小型化的設計可行。
如上所述，根據第3圖至第6圖所示之隔熱元件之結構，當原料在坩堝內藉由加熱單元(300)熔化時，該隔熱元件藉由控制單元(700)與移動單元(600)移動以形成介於坩堝(200)與冷卻單元(400)間之遮蔽板。如第3圖至第6圖中箭頭所示，當坩堝內的原料熔化且接續固化時，該控制單元(700)獨立地控制組成隔熱元件(500)之各平板在水平方向(H)上移動。該等平板藉由控制單元(700)之獨立移動表示根據固化進行程度，該等平板各自且獨立地移動。
第2圖是根據本發明之裝置之一使用例，表示該穿透孔之形成，但如第7圖所示，裝置中的熱流，具體而言，根據坩堝中位置的溫度當然可藉由調節該隔熱元件之總厚度(垂直方向之總厚度)來控制，總厚度係由位於不同平面之複數個平板之垂直方向(V)的厚度相加。
具體而言，如第7圖所示，說明隔熱元件(500)係由三個平板層組成的情況，該隔熱元件(500)於垂直方向之總厚度係根據其位置而有所不同。如第7圖(a)所示，該隔熱元件(500)於垂直方向之總厚度可根據固化進行程度，在坩堝(200)內之原料熔
化時，藉由控制單元(700)與移動單元(600)允許隔熱元件(500)移動以連續地或不連續地控制，以形成介於坩堝(200)與冷卻單元(400)間之遮蔽板。如第7圖(b)所示，為了不要在固化初期當固化出現在坩堝(200)底面時提供過度成核之驅動力，僅移動除去位於N片平板(546和547或548和549，係將一多邊形或圓形板分割成N片(N為2或更大的自然數)而形成N個片件，位於同一平面)上方之單一平板(550，係一多角形板或圓形板)，以防止該單一平板(550)干擾裝置內的熱流。且如第7圖(c)所示，在固化中期或後期當垂直方向(V)之接續固化進行時，為了防止在坩堝側面之固化發生，僅移動在垂直方向(V)距坩堝較近之含於一平板層之平板(546和547)一預定距離，使得距坩堝較遠之含於一平板層之平板(548和549)形成一遮蔽板。
此即，當固化進行時，控制單元(700)根據固化進行程度依隔熱元件(500)位置控制隔熱元件(500)於垂直方向之總厚度，或控制穿透孔之形成或不形成以及穿透孔之大小，從而控制坩堝與冷卻單元間之熱傳導程度及熱傳導區域，因此，根據坩堝內位置可以嚴格地控制溫度梯度，使得半導體晶體之晶體成長速率及品質可被控制。
此外，為了更嚴格且有效地控制及除去固化時產生之固化熱，特別是在固化後期由坩堝上部產生之固化熱，以及嚴格地控制半導體晶體之晶體成長速率，控制單元(700)較佳係控制移動隔熱元件(500)之移動單元(600)，運送冷卻單元(400)之冷卻單元運送機(未繪示)以及隔熱元件(500)，從而根據固化進行程
度控制該隔熱元件(500)的移動及坩堝(200)與冷卻單元(400)間之間隔距離。
舉例而言，控制單元(700)可形成一較大之穿透孔(1)，或藉由移動隔熱元件(500)以減少其在垂直方向(V)之總厚度，以及藉由移動冷卻單元(400)接近坩堝底側以減少坩堝(200)與冷卻單元(400)間之間隔距離，從而更加迅速地控制坩堝內原料之晶體成長速率；控制單元(700)可形成一較小之穿透孔(1)，或藉由移動隔熱元件(500)以增加其在垂直方向(V)之總厚度，以及藉由移動冷卻單元(400)遠離坩堝底側以增加坩堝(200)與冷卻單元(400)間之間隔距離，從而更加緩慢地控制坩堝內原料之晶體成長速率(固化速率)。
第8圖是根據本發明之一較佳具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置。如第8圖所示，根據本發明之製造一鑄塊之裝置可包含，連同上述之坩堝(200)、加熱單元(300)、冷卻單元(400)、隔熱元件(500)、移動單元(600)、控制單元(700)，尚有一測量坩堝(200)溫度之溫度感測器(未繪示)、一包覆坩堝(200)外周圍表面以保護坩堝(200)之基座(810)、一位於水平方向以支撐基座(810)之坩堝支架(820)、一下隔熱層(830)具有一在坩堝(200)與冷卻單元(400)間穿透一預定區域而形成之移動孔、一側隔熱層(840)，其係在水平方向距加熱單元一預定距離且圍繞坩堝(200)全部周邊以隔絕釋放至坩堝(200)以外區域的熱且維持一不變的溫度、一真空腔(1000)，其內至少設置有坩堝(200)、溫度感測器、基座(810)、坩堝支架(820)、加熱單元
(300)、冷卻單元(400)、隔熱元件(500)、下隔熱層(830)及側隔熱層(840)，以及惰性氣體之供應及排氣部件以供應及排出一惰性氣體進入或離開該真空腔(1000)。於此，隔熱元件(500)位於下隔熱層(830)及冷卻單元(400)間為較佳的，且只要隔熱元件(500)是可動的則該隔熱元件(500)相接於該下隔熱層(830)為更佳的。
於此，連同側隔熱層(840)、下隔熱層(830)及擋住形成於下隔熱層(830)中之移動孔之隔熱元件(500)，尚有一上隔熱層(未繪示)位於坩堝(200)之最上面部分，使得該上隔熱層係面向下隔熱層(830)而坩堝(200)位於該二者之間，因此，坩堝(200)之水平方向及垂直方向全部周邊部分皆被隔熱體包覆。側隔熱層(840)於垂直方向之一末端係與下隔熱層(830)接觸，且側隔熱層(840)於垂直方向之另一末端係與該上隔熱層(未繪示)接觸，因此，較佳為坩堝(200)之全部周邊部分皆被一隔熱材料包覆，但不包含下隔熱層(830)中之移動孔。
較佳地，控制單元(700)接收來自溫度感測器輸出之資訊，以控制加熱單元(300)與冷卻單元(400)，連同移動單元(600)，從而控制坩堝(200)之溫度，並控制惰性氣體之供應及排氣零件。
在隔熱元件(500)係藉由控制單元(700)及移動單元(600)移動以形成介於坩堝(200)與冷卻單元(400)之遮蔽板的情況，該隔熱元件(500)較佳係位於下隔熱層(830)之下方使得隔熱元件(500)與下隔熱層(830)緊密接觸，如此該隔熱元件(500)可擋住該下隔熱層(830)中之移動孔。於此，較佳地，下隔熱層
(830)中形成之移動孔之大小相當於或小於藉由移動與結合組成隔熱元件(500)之平板所形成之遮蔽板之大小。具體而言，該下隔熱層(830)中形成之移動孔之大小較佳係坩堝(200)與垂直方向成直角之剖面截面積的1.0至1.2倍。
如上所述，控制單元(700)之特徵在於控制移動隔熱元件(500)之移動單元(600)及運送冷卻單元(400)之冷卻單元運送機，從而隨著已熔化之原料進行方向性固化，在垂直方向上移動冷卻單元(400)。
當坩堝(200)內容納之原料熔化時，控制單元(700)控制隔熱元件(500)以形成在下隔熱層(830)下方之遮蔽板，以便擋住該下隔熱層(830)之移動孔。在前述之固化初期與中期，控制單元(700)在移動隔熱元件(500)時，移動冷卻單元(400)朝向下隔熱層(830)。在固化後期，控制單元(700)移動冷卻單元(400)使其通過下隔熱層(830)之移動孔，從而使冷卻單元(400)位於下隔熱層(830)之上方或使冷卻單元(400)和坩堝(200)之底表面接觸。
如上文所述，根據本發明之製造一鑄塊之裝置，當原料藉由加熱單元與冷卻單元熔化且接續地固化時，隔熱元件依其位置於垂直方向上之總厚度係根據固化進行程度而有差異地控制，或藉由移動隔熱元件以控制穿透孔之形成或不形成及穿透孔之大小，以便控制坩堝與冷卻單元間之熱傳導程度及熱傳導區域，從而根據坩堝內的位置嚴格地控制溫度梯度。此外，當原料藉由移動隔熱元件而接續地固化時，根據可選擇的位置及時間來控制熱傳導速
率，使得可提供一高品質單晶半導體鑄塊及一具有大尺寸晶粒與少晶體缺陷之高品質多晶半導體鑄塊。此外，可防止在坩堝側面上之成核及成長，提供優越的生產力。
如上所述，雖以如具體組件及其類似物、例示性之具體實施態樣及圖式等特定事項描述本發明，其等僅提供用以協助對本發明之完整理解。因此，不應將本發明限於例示性具體實施態樣。本發明所屬技術領域具有通常知識者可由本說明書內容完成各種修改與變化。
因此，本發明之精神不應限於上述之例示性具體實施態樣，且後述申請專利範圍連同所有與申請專利範圍等同或相當之修改皆屬於本發明之範疇及精神。
100‧‧‧原料
200‧‧‧坩堝
300‧‧‧加熱單元
310‧‧‧第一加熱單元
320‧‧‧第二加熱單元
400‧‧‧冷卻單元
500‧‧‧隔熱元件
501~550‧‧‧平板
600‧‧‧移動單元
700‧‧‧控制單元
810‧‧‧基座
820‧‧‧坩堝支架
830~840‧‧‧隔熱層
1000‧‧‧真空室
第1圖是根據本發明之一具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置。
第2圖是根據本發明之製造一鑄塊之裝置所提供之隔熱元件一例。
第3圖是根據本發明之具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置所提供之隔熱元件數例。
第4圖是根據本發明之具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置所提供之隔熱元件數例。
第5圖是根據本發明之具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置所提供之隔熱元件另一例。
第6圖是根據本發明之具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置所提供之隔熱元件再一例。
第7圖是根據本發明之另一具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置。
第8圖是根據本發明之再一具體實施態樣之製造一鑄塊之裝置。
100‧‧‧原料
200‧‧‧坩堝
300‧‧‧加熱單元
310‧‧‧第一加熱單元
320‧‧‧第二加熱單元
400‧‧‧冷卻單元
500‧‧‧隔熱元件
501~504‧‧‧平板
600‧‧‧移動單元
700‧‧‧控制單元
Claims (12)
- 一種製造一半導體或金屬氧化物鑄塊之裝置，其係藉由接續地引起一液態原料沿一固化方向之液態至固態的相轉變而進行，該裝置包含：一坩堝，容納一半導體或金屬氧化物原料；一冷卻單元，其於垂直方向上距該坩堝一預定距離，並藉由一冷卻單元運送機於垂直方向上運送，該坩堝之高度方向指定為該垂直方向且一與該垂直方向成直角之方向指定為一水平方向；一第一加熱單元，其於水平方向上距該坩堝一預定距離且圍繞該坩堝之周圍表面；一隔熱元件，其係呈水平方向位於該坩堝與該冷卻單元間，該隔熱元件之位置係由一移動單元所移動；以及一控制單元，控制該移動單元以移動該隔熱元件之位置、及控制該冷卻單元運送機，其中在原料藉由該加熱單元及該冷卻單元加以熔化並接續固化時，該控制單元係根據固化之進行程度而控制二或二個以上之平板之各自位置，並控制該坩堝與該冷卻單元間之間隔距離，其中該等平板係由一隔熱材料製成並構成該隔熱元件。
- 如請求項1之裝置，其中該控制單元根據固化之進行程度控制構成該隔熱元件之平板的各自位置，以根據該坩堝與該冷 卻單元間之該隔熱元件的位置來控制該隔熱元件在垂直方向上的總厚度，其中以原料之總體積計，10%或更少之固化之進行稱為固化初期，10至60%之固化之進行稱為固化中期，以及60%或更多之固化之進行稱為固化後期。
- 如請求項1之裝置，其中該控制單元根據固化之進行程度控制構成該隔熱元件之平板的各自位置，以在原料被熔化時遮蔽該坩堝之底部，並形成一介於該坩堝與該冷卻單元間之穿透孔，其中以原料之總體積計，10%或更少之固化之進行稱為固化初期，10至60%之固化之進行稱為固化中期，以及60%或更多之固化之進行稱為固化後期，。
- 如請求項1之裝置，其中該二個或二個以上之平板鑑於選自以下因素之至少一者而彼此不同：厚度、形狀、尺寸及其材料。
- 如請求項1之裝置，其中該隔熱元件藉由該移動單元在水平方向上移動。
- 如請求項1之裝置，其更包含一第二加熱單元，該第二加熱單元於垂直方向上距該坩堝一預定距離，使該第二加熱單元於垂直方向上面向該冷卻單元且該坩堝位於該二者之間。
- 如請求項1至6中任一項之裝置，其中該隔熱元件係包含二個或二個以上由一隔熱材料製成之平板，該二個或二個以上之隔熱平板於垂直方向上置於同一或不同平面。
- 如請求項7之裝置，其中在該二個或二個以上之平板置於不 同平面的情況下，至少部分該隔熱平板於垂直方向上係彼此緊密接觸。
- 如請求項7之裝置，其中該二個或二個以上之平板係藉由將一多邊形板、一中空之多邊形板、一圓形板、或一中空之圓形板分割成N片(N為2或更大的自然數)而形成N個片件。
- 如請求項7之裝置，其中該二個或二個以上之平板係各自獨立為一多邊形板、一中空之多邊形板、一圓形板、或一中空之圓形板。
- 如請求項1之裝置，其中該半導體為矽(Si)、鍺(Ge)、或砷化鎵(GaAs)。
- 如請求項1之裝置，其中該金屬氧化物為藍寶石(Al2 O3 )。
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