TWI512153B - 晶體生長的溫度梯度控制裝置及其方法 - Google Patents

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晶體生長的溫度梯度控制裝置及其方法
本發明係有關於一種晶體生長的溫度梯度控制裝置及其方法,尤指一種生長藍寶石、多晶矽或單晶矽等晶體生長的溫度梯度控制裝置及其方法。
在多晶矽、單晶矽或藍寶石等晶體材料生長過程中,其中多晶矽碎料在坩堝中生長成為多晶矽錠以及多晶矽轉換為單晶矽時,通過對坩堝的加熱溫度控制,並利用設置在坩堝底部的籽晶,使融化並圍繞籽晶新生長的晶體按照籽晶的晶粒排列方式進行排列:其中籽晶為單晶時,新生長晶體的矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核,這些晶核長成與籽晶晶面取向相同的晶粒,則新生長的晶體就是單晶矽;若籽晶為多晶時,這些晶核長成與籽晶晶面取向不同的晶粒,則新生長的晶體就是多晶矽;但是這個過程必須是在一個密閉的爐體內完成的。
在新晶體生長的過程中,爐室內的坩堝需要形成下低上高的溫度梯度,為了形成溫度梯度,傳統設備通過改變坩堝的下部保溫效果,增加熱量的散失以便形成坩堝所需的下低上高的溫度梯度。
也有技術是通過在下軸內通入液氦等低溫流體,由低溫流體實現帶走坩堝下部熱量的目的,從而形成坩堝上下的溫度差“溫度梯度”的效果;以熱交換法為例,其生長方法為:A、首先通過加熱體加熱熔化坩堝內的晶體材料碎料,使碎料熔體溫度 保持略高於熔點5~10℃;B、待坩堝底部設置的籽晶上端部分被熔化時“這時晶體材料碎料也已經融化”,開始緩慢下降爐室內的溫度“同時也使坩堝的溫度降低,以便融化的晶體材料碎料結晶”;C、對爐室內坩堝底部的下軸注入氦氣,通過下軸的溫度傳遞對坩堝底部進行強制冷卻,這一過程中首先感知低溫的是坩堝底部以及設置在坩堝內底部的籽晶,低溫會隨著籽晶向融化的晶體材料碎料輻射;D、融化的晶體材料就會以籽晶為核心,逐漸生長出充滿整個坩堝的晶體;這便是晶體材料的結晶過程。
上述方式在生長時所需要件包括:坩堝的底部必須與下軸緊密連接,形成溫度導體;前期加熱坩堝時耗熱量極大;坩堝在加熱過程中由於擺放角度的原因,使得加熱體對於坩堝的加熱不均勻,使得坩堝四周的外緣面容易形成部分距離較近處較熱,其它相對於較熱部分的溫度較冷,這種環境下便會出現非均勻晶核。
同理,藍寶石的加工方法包括提拉法、坩堝下降法、導模法、熱交換法、泡生法等,針對目前對藍寶石製備的方法,以上製備方法都採用支撐體旋轉帶動坩堝同步旋轉的方案,坩堝內的藍寶石結晶過程受到微震使得結晶過程出現晶震現象而形成部分晶體錯位,造成品質下降。即使是溫度梯度法生長藍寶石,也會出現坩堝在加熱過程中擺放角度的偏差,使得加熱體對於坩堝的加熱不均勻,生長出的藍寶石容易出現非均勻晶核。
本發明主要目的,係要提供一種晶體生長的溫度梯度控制裝置及其方法專利申請,而本發明通過在坩堝外部與套筒之間或坩堝上部添加上蓋,由套筒結合冷卻介質降溫機構使發熱體的熱能讓坩堝上部的熱受益高於坩 堝下部或上蓋形成發熱體熱能向坩堝內晶體材料的上部聚攏,使上部的晶體材料獲取較快的溫度上升,實現了溫度的控制或溫度引導,實現晶體生長的溫度梯度控制。
為了實現上述發明的目的,本發明採用如下技術:
一種晶體生長的溫度梯度控制裝置,包括爐室、發熱體、坩堝、套筒、冷卻介質降溫機構,在爐室內設有坩堝,坩堝的下部處於套筒內形成獨立於爐室的小空間,在套筒外部設有發熱體,所述套筒下部小空間設有冷卻介質降溫機構;由冷卻介質降溫機構獲取坩堝底部低溫區,所述低溫區形成坩堝上部溫度高下部溫度底的溫度梯度。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,在發熱體外部的爐室中設有保溫罩。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,套筒為鍋形或筒形結構,鍋形套筒為至少一個,所述鍋形套筒的下部筒底套在冷卻介質降溫機構下軸上部,筒底下部的下軸上設有套筒固定環,下軸上端與坩堝的下部連接;或所述筒形套筒下端處於爐室底板或底部保溫層上,在筒形套筒內的下部設置冷卻介質降溫機構。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,在套筒與坩堝的上部之間設有支撐環。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,下軸上端與坩堝下部的連接處外緣套有坩堝固定環,下軸下部連接冷卻介質輸入和輸出裝置。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述下軸內由上部至下端為空心結構,在下軸的空心中設有管路,所述管路的內部為冷卻介質通路,冷 卻介質順著管路內上流後沿著管路與下軸的空心結構之間回流,形成坩堝的底部降溫結構;或所述管路與下軸的空心結構之間的外部為冷卻介質通路,冷卻介質順著管路外與下軸內的空心結構之間間隙上流後沿著管路內回流,形成坩堝的底部降溫另一替換結構。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,筒形套筒為至少一層,筒形套筒外筒和內筒下部放置在爐室底板或底部保溫層上;或外筒下部放置在爐室底板或底部保溫層上,內筒下部設有筒底,筒底套在下軸的上部;或外筒下部放置在爐室底板或底部保溫層上,內筒的中部設置具有散冷孔的支撐板,坩堝下部放在支撐板的中部穿孔上,使坩堝的下部裸露在支撐板的下部;或外筒和內筒下部分別設有筒底,在外筒的筒底中部設有開口,支架的上下兩端分別對應開口和放置在爐室底板或底部保溫層上;在內筒的筒底中部設有開口,另一支架設置在支架中部,另一支架的上端頂在內筒筒底的開口下部,另一支架的下端放置在爐室底板或底部保溫層上,在另一支架中部爐室底板或底部保溫層上設有下軸或惰性氣體注入孔;所述內筒的筒底中部穿孔開口上部設有支撐體,所述支撐體上部設有穿孔,坩堝下部放在支撐板的中部穿孔上,在支撐體上設有複數個散冷孔。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,在套筒的外筒和內筒之間設有支撐環或通過上連接環形成一體。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,在坩堝的上端設有上蓋,上蓋的下部與坩堝的上端之間設有導熱通路,由上蓋形成發熱體熱能向坩堝上部的聚攏,由導熱通路引導熱能向坩堝內晶體材料上部的加熱,輔助套筒獲取坩堝內晶體材料上部的溫度高於坩堝內下部的晶體材料。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,在上蓋的外緣設有向四周延伸的上蓋外沿,上蓋的下部放置在所述坩堝的上端;或放置在套筒的上端;或放置在坩堝與套筒之間設置的支撐環上部,上蓋的下部與套筒或支撐環的上端之間設有導熱通路。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述上蓋為平板結構或中部向上凸起結構或中部向下凹陷結構,在上蓋外緣設置的上蓋外沿由中部連接處向外方為水準結構;或上蓋外沿的外緣為上翹;或上蓋外沿的外緣為向下設置。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述上蓋外沿的外緣設置有向上環形凸起,附加蓋扣在上蓋外沿環形凸起中形成多層蓋。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述的導熱通路為上蓋的下部設有下部環,所述下部環上設有複數個豁口,豁口與豁口之間的下部環形成支腿,所述支腿下端放置在坩堝上部或支撐環上部或套筒上部,由豁口形成導熱通路。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述的導熱通路為套筒上端頂在上蓋的下部面下環形凸起外側或內側,在套筒上端設有複數個豁口,由所述複數個豁口形成導熱通路。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述的導熱通路為在上蓋下部與坩堝或套筒或支撐環之間設置圓環,在圓環上分佈複數個內外貫通的熱引導孔;或在圓環上部設置複數個豁口;或在圓環下部設置複數個豁口;或圓環的上部和下部同時設置複數個豁口,由所述圓環上設置的複數個內外貫通的熱引導孔或複數個豁口形成導熱通路。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,圓環的上下兩端分別設有臺階,所述臺階分別為外臺階或內臺階,由圓環上端的所述外臺階或內臺階卡接在上蓋下部設置的下環形凸起內側或外側的邊上;由圓環下端的所述外臺階或內臺階卡接在坩堝或套筒上端的內側或外側邊上。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述套筒和上蓋為鎢或鉬或石墨材質中的任意一種;或鎢和鉬組合;或鉬和石墨組合;或鎢和石墨組合形成兩層複合層;或鎢和鉬和石墨組成的三層複合層;或內外為鉬層中部為鎢層;或內外為鎢層中部為鉬層;或內外為石墨層中部為鎢層;或內外為鎢層中部為石墨層;或內外為石墨層中部為鉬層;或內外為鉬層中部為石墨層形成三層複合層;或在套筒的複合層中所述鎢層和鉬層和石墨層中加入氧化鋯層或氧化鋁層;或鎢或鉬或石墨材質中任一或其中兩個替換為氧化鋯或氧化鋁。
一種晶體生長的溫度梯度控制方法,在爐室內的坩堝設置在套筒的中部形成套筒對坩堝下部的獨立空間,坩堝下部的套筒空間中設有冷卻介質降溫機構,所述套筒為單層套筒或多層套筒,在套筒的外部設有發熱體,套筒上端略高於坩堝的上端或套筒與坩堝上端為同一高度,所述坩堝內的底部設置有籽晶,在籽晶上放置晶體材料,坩堝的下部設有冷卻介質降溫機構;所述發熱體分別連接電源的正負極,發熱體對套筒輻射加熱,同步也對坩堝上部的晶體材料加熱,坩堝上部的所述晶體材料受益最大,加熱速度也明顯快於坩堝下部的晶體材料和籽晶,單層套筒或多層套筒將熱量傳遞給坩堝;同時由冷卻介質降溫機構對坩堝的下部降溫,使坩堝下部形成低溫區,單層套筒或多層套筒發揮作用,一是使坩堝下部的低溫區內低 溫盡可能少的擴散;二是使坩堝內上部的晶體材料融化,並逐漸向下融化,當所述坩堝內的晶體材料全部融化時,所述籽晶的上端頭部也開始部分融化,由於坩堝下部的低溫區作用,籽晶融化明顯晚於籽晶上部的晶體材料融化的速度;而後降低發熱體的溫度,低溫區的低溫傳遞給坩堝,使所述坩堝由底部開始至上部緩慢均勻降溫,形成溫度梯度,坩堝內融化的晶體材料由底部籽晶處開始生長結晶,獲取晶體材料塊。
所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,為了使前一步驟中坩堝內上部的晶體材料獲取更多熱能,在坩堝的上端設有上蓋,上蓋的下部與坩堝的上端之間設有導熱通路,在發熱體對坩堝輻射加熱時,坩堝上部散失的熱能由上蓋引導至坩堝內上部的晶體材料處,使熱能盡可能少的流失,獲取更為合理的溫度梯度。
所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,冷卻介質降溫機構為下軸降溫,所述下軸內接通的冷卻介質內為水或氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。
所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,冷卻介質降溫機構利用惰性氣體注入孔降溫時,所述惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。
通過上述公開內容,本發明的有益效果是:
本發明所述晶體生長的溫度梯度控制裝置及其方法,通過將坩堝設置在爐室內,坩堝的下部處於單層或多層套筒內,所述單層或多層套筒下端處於爐室底板或底部保溫層上或多層套筒下端處於支撐環上,所述支撐環處於爐室底板或底部保溫層上,形成坩堝的下部獨立空間;當發熱體對坩 堝加熱時,通入坩堝下部的冷卻介質降溫機構的冷氣便會處於多層套筒內,最大可能的使冷能不外泄;而此時的發熱體也受到冷能的影響最小,不僅實現坩堝上部溫度高下部溫度底的溫度梯度,而且節能效果明顯;本發明還利用坩堝上部添加的上蓋,形成發熱體熱能向坩堝內晶體材料的上部聚攏,使上部的晶體材料獲取更好的溫度上升;本發明結構簡單,不僅可以確保坩堝極少出現非均勻晶核,而且有效地使發熱體上部散失的熱能得到利用,使坩堝內上部的晶體材料獲取了高於坩堝下部晶體材料的溫度,實現了溫度引導和最大化利用熱能的目的。
1‧‧‧爐室
2‧‧‧保溫罩
3‧‧‧發熱體
4‧‧‧套筒
4.1‧‧‧外筒
4.2‧‧‧內筒
5‧‧‧坩堝
6‧‧‧晶體材料
7‧‧‧籽晶
8‧‧‧坩堝固定環
9‧‧‧下軸
10‧‧‧套筒固定環
11‧‧‧冷卻介質通路
12‧‧‧管路
13‧‧‧爐室底板或底部保溫層
14‧‧‧支撐環
15‧‧‧上連接環
16‧‧‧筒底
17‧‧‧附加蓋
18‧‧‧上蓋外沿
19‧‧‧下部環
20‧‧‧豁口
21‧‧‧散冷孔
22‧‧‧支撐體
23‧‧‧冷卻介質
24‧‧‧支架
25‧‧‧穿孔
26‧‧‧支撐板
27‧‧‧上蓋
28‧‧‧下環形凸起
29‧‧‧臺階
30‧‧‧圓環
31‧‧‧惰性氣體注入孔
32‧‧‧熱引導孔
圖1係為本發明的單層套筒結構示意圖。
圖2係為本發明的多層套筒實施例結構示意圖。
圖3係為本發明的第三實施例結構示意圖。
圖4係為本發明的第四實施例結構示意圖。
圖5是本發明的第五施例結構示意圖。
圖6是本發明的上蓋與套筒形成的溫度引導結構示意圖。
圖7是本發明的上蓋、套筒和形成的圓環溫度引導結構示意圖。
下面結合實施例對本發明進行進一步的說明;下面的實施例並不是對於本發明的限定,僅作為支援實現本發明的方式,在本發明所公開的技術框架內的任意等同結構替換,均為本發明的保護範圍; 請參閱圖1~7所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,包括爐室1、發熱體3、坩堝5、套筒4、冷卻介質降溫機構,在爐室1內設有坩堝5,坩 堝5的下部處於套筒4內形成獨立於爐室1的小空間,在套筒4外部設有發熱體3,在發熱體3外部的爐室1中設有保溫罩2;為了實現一爐生產單個坩堝5或多個坩堝5的晶體生長,爐室1內設置的坩堝5數量為可選方式;也就是說單個坩堝5,當小型爐室1內利用生產單個坩堝5晶體生長時,所述爐室1可替代保溫罩2,若為多個坩堝5晶體生長時,在每一坩堝5和外部設置的發熱體3需要使用保溫罩2將其罩住,形成獨立的生長空間,所述套筒4下部小空間設有冷卻介質降溫機構;由冷卻介質降溫機構獲取坩堝底部低溫區,所述低溫區形成坩堝上部溫度高下部溫度底的溫度梯度。
請參閱圖1~5,套筒4為鍋形或筒形結構,鍋形套筒4為至少一個,所述鍋形套筒4的下部筒底16套在冷卻介質降溫機構下軸9上部,筒底16下部的下軸9上設有套筒固定環10,下軸9上端與坩堝5的下部連接;或所述筒形套筒4下端處於爐室底板或底部保溫層13上,在筒形套筒4內的下部設置冷卻介質降溫機構;在套筒4與坩堝的上部之間設有支撐環14;其中下軸9上端與坩堝5下部的連接處外緣套有坩堝固定環8,下軸9下部連接冷卻介質23輸入和輸出裝置。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述下軸9內由上部至下端為空心結構,在下軸9的空心中設有管路12,所述管路12的內部為冷卻介質通路11,冷卻介質23順著管路12內上流後沿著管路12與下軸9的空心結構之間回流,形成坩堝的底部降溫結構;或所述管路12與下軸9的空心結構之間的外部為冷卻介質通路11,冷卻介質23順著管路12外與下軸9內的空心結構之間間隙上流後沿著管路12內回流,形成坩堝的底部降溫另一替換結構。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,筒形套筒4為至少一層,筒形套筒4外筒4.1和內筒4.2下部放置在爐室底板或底部保溫層13上;或外筒4.1下部放置在爐室底板或底部保溫層13上,內筒4.2下部設有筒底16,筒底16套在下軸9的上部;或外筒4.1下部放置在爐室底板或底部保溫層13上,內筒4.2的中部設置具有散冷孔21的支撐板26,坩堝5下部放在支撐板26的中部穿孔25上,使坩堝5的下部裸露在支撐板26的下部;或外筒4.1和內筒4.2下部分別設有筒底16,在外筒4.1的筒底16中部設有開口,支架24的上下兩端分別對應開口和放置在爐室底板或底部保溫層13上;在內筒4.2的筒底16中部設有開口,另一支架24設置在支架24中部,另一支架24的上端頂在內筒4.2筒底16的開口下部,另一支架24的下端放置在爐室底板或底部保溫層13上,在另一支架24中部爐室底板或底部保溫層13上設有下軸9或惰性氣體注入孔31;所述內筒4.2的筒底16中部穿孔25開口上部設有支撐體22,所述支撐體22上部設有穿孔25,坩堝5下部放在支撐板26的中部穿孔25上,在支撐體22上設有複數個散冷孔21;在套筒4的外筒4.1和內筒4.2之間設有支撐環14或通過上連接環15形成一體。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,在坩堝5的上端設有上蓋27,上蓋27的下部與坩堝5的上端之間設有導熱通路,由上蓋27形成發熱體3熱能向坩堝5上部的聚攏,由導熱通路引導熱能向坩堝5內晶體材料6上部的加熱,輔助套筒4獲取坩堝5內晶體材料6上部的溫度高於坩堝5內下部的晶體材料6;在上蓋27的外緣設有向四周延伸的上蓋外沿18,上蓋27的下部放置在所述坩堝5的上端;或放置在套筒4的上端;或放置在坩 堝5與套筒4之間設置的支撐環14上部,上蓋27的下部與套筒4或支撐環14的上端之間設有導熱通路;進一步所述上蓋27為平板結構或中部向上凸起結構或中部向下凹陷結構,在上蓋27外緣設置的上蓋外沿18由中部連接處向外方為水準結構;或上蓋外沿18的外緣為上翹;或上蓋外沿18的外緣為向下設置;所述上蓋外沿18的外緣設置有向上環形凸起,附加蓋17扣在上蓋外沿18環形凸起中形成多層蓋。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述的導熱通路為上蓋27的下部設有下部環19,所述下部環19上設有複數個豁口20,豁口20與豁口20之間的下部環19形成支腿,所述支腿下端放置在坩堝5上部或支撐環14上部或套筒4上部,由豁口形成導熱通路;或所述的導熱通路為套筒4上端頂在上蓋27的下部面下環形凸起28外側或內側,在套筒4上端設有複數個豁口20,由所述複數個豁口20形成導熱通路;或所述的導熱通路為在上蓋27下部與坩堝5或套筒4或支撐環14之間設置圓環30,在圓環30上分佈複數個內外貫通的熱引導孔32;或在圓環30上部設置複數個豁口20;或在圓環30下部設置複數個豁口20;或圓環30的上部和下部同時設置複數個豁口20,由所述圓環30上設置的複數個內外貫通的熱引導孔32或複數個豁口20形成導熱通路。
其中圓環30的上下兩端分別設有臺階29,所述臺階29分別為外臺階或內臺階,由圓環30上端的所述外臺階或內臺階卡接在上蓋27下部設置的下環形凸起28內側或外側的邊上;由圓環30下端的所述外臺階或內臺階卡接在坩堝5或套筒4上端的內側或外側邊上。
所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,所述套筒4或內筒4.2和外筒 4.1以及上蓋27為鎢或鉬或石墨材質中的任意一種;或鎢和鉬組合;或鉬和石墨組合;或鎢和石墨組合形成兩層複合層;或鎢和鉬和石墨組成的三層複合層;或內外為鉬層中部為鎢層;或內外為鎢層中部為鉬層;或內外為石墨層中部為鎢層;或內外為鎢層中部為石墨層;或內外為石墨層中部為鉬層;或內外為鉬層中部為石墨層形成三層複合層;或在套筒的複合層中所述鎢層和鉬層和石墨層中加入氧化鋯層或氧化鋁層;或鎢或鉬或石墨材質中任一或其中兩個替換為氧化鋯或氧化鋁。
一種晶體生長的溫度梯度控制方法,在爐室1內的坩堝5設置在套筒4的中部形成套筒4對坩堝5下部的獨立空間,坩堝5下部的套筒4空間中設有冷卻介質降溫機構,所述套筒4為單層套筒4或多層套筒4,在套筒4的外部設有發熱體3,套筒4上端略高於坩堝5的上端或套筒4與坩堝5上端為同一高度,所述坩堝5內的底部設置有籽晶7,在籽晶7上放置晶體材料6,坩堝5的下部設有冷卻介質降溫機構;所述發熱體3分別連接電源的正負極,發熱體3對套筒4輻射加熱,同步也對坩堝5上部的晶體材料6加熱,坩堝5上部的所述晶體材料6受益最大,加熱速度也明顯快於坩堝5下部的晶體材料6和籽晶7,單層套筒4或多層套筒4將熱量傳遞給坩堝5;同時由冷卻介質降溫機構對坩堝5的下部降溫,使坩堝5下部形成低溫區,單層套筒4或多層套筒4發揮作用,一是使坩堝5下部的低溫區內低溫盡可能少的擴散;二是使坩堝5內上部的晶體材料6融化,並逐漸向下融化,當所述坩堝5內的晶體材料6全部融化時,所述籽晶7的上端頭部也開始部分融化,由於坩堝5下部的低溫區作用,籽晶7融化明顯晚於籽晶7上部的晶體材料6融化的速度;而後降低發熱體3的溫度,低溫區的低溫傳 遞給坩堝5,使所述坩堝5由底部開始至上部緩慢均勻降溫,形成溫度梯度,坩堝5內融化的晶體材料6由底部籽晶7處開始生長結晶,獲取晶體材料塊。
所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,為了使前一步驟中坩堝5內上部的晶體材料6獲取更多熱能,在坩堝5的上端設有上蓋27,上蓋27的下部與坩堝5的上端之間設有導熱通路,在發熱體3對坩堝5輻射加熱時,坩堝5上部散失的熱能由上蓋27引導至坩堝5內上部的晶體材料處,使熱能盡可能少的流失,獲取更為合理的溫度梯度。
所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,冷卻介質降溫機構為下軸9降溫,所述下軸9內接通的冷卻介質內為水或氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。
所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,冷卻介質降溫機構利用惰性氣體注入孔31降溫時,所述惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。
本發明未詳述部分為現有技術。
為了公開本發明的目的而在本文中選用的實施例,當前認為是適宜的,但是,應瞭解的是,本發明旨在包括一切屬於本構思和發明範圍內的實施例的所有變化和改進。
1‧‧‧爐室
2‧‧‧保溫罩
3‧‧‧發熱體
4‧‧‧套筒
5‧‧‧坩堝
6‧‧‧晶體材料
7‧‧‧籽晶
9‧‧‧下軸
12‧‧‧管路
13‧‧‧爐室底板或底部保溫層
14‧‧‧支撐環
16‧‧‧筒底
17‧‧‧附加蓋
18‧‧‧上蓋外沿
19‧‧‧下部環
20‧‧‧豁口
21‧‧‧散冷孔
22‧‧‧支撐體
23‧‧‧冷卻介質
25‧‧‧穿孔

Claims (20)

  1. 一種晶體生長的溫度梯度控制裝置,包括爐室(1)、發熱體(3)、坩堝(5)、套筒(4)、冷卻介質降溫機構,其特徵是:在爐室(1)內設有坩堝(5),坩堝(5)的下部處於套筒(4)內形成獨立於爐室(1)的小空間,在套筒(4)外部設有發熱體(3),套筒(4)為鍋形或筒形結構,鍋形套筒(4)為至少一個,所述鍋形套筒(4)的下部筒底(16)套在冷卻介質降溫機構下軸(9)上部,筒底(16)下部的下軸(9)上設有套筒固定環(10),下軸(9)上端與坩堝(5)的下部連接;或所述筒形套筒(4)下端處於爐室底板或底部保溫層(13)上,所述套筒(4)下部小空間設有冷卻介質降溫機構;由冷卻介質降溫機構獲取坩堝底部低溫區,所述低溫區形成坩堝上部溫度高下部溫度底的溫度梯度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中在發熱體(3)外部的爐室(1)中設有保溫罩(2)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中在套筒(4)與坩堝(5)的上部之間設有支撐環(14)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中下軸(9)上端與坩堝(5)下部的連接處外緣套有坩堝固定環(8),下軸(9)下部連接冷卻介質(23)輸入和輸出裝置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中所述下軸(9)內由上部至下端為空心結構,在下軸(9)的空心中設有管路(12),所述管路(12)的內部為冷卻介質通路(11),冷卻介質(23)順著管路(12)內上流後沿著管路(12)與下軸(9)的空心結構之間回流,形成坩堝的底 部降溫結構;或所述管路(12)與下軸(9)的空心結構之間的外部為冷卻介質通路(11),冷卻介質(23)順著管路(12)外與下軸(9)內的空心結構之間間隙上流後沿著管路(12)內回流,形成坩堝的底部降溫另一替換結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中筒形套筒(4)為至少一層,筒形套筒(4)外筒(4.1)和內筒(4.2)下部放置在爐室底板或底部保溫層(13)上;或外筒(4.1)下部放置在爐室底板或底部保溫層(13)上,內筒(4.2)下部設有筒底(16),筒底(16)套在下軸(9)的上部;或外筒(4.1)下部放置在爐室底板或底部保溫層(13)上,內筒(4.2)的中部設置具有散冷孔(21)的支撐板(26),坩堝(5)下部放在支撐板(26)的中部穿孔(25)上,使坩堝(5)的下部裸露在支撐板(26)的下部;或外筒(4.1)和內筒(4.2)下部分別設有筒底(16),在外筒(4.1)的筒底(16)中部設有開口,支架(24)的上下兩端分別對應開口和放置在爐室底板或底部保溫層(13)上;在內筒(4.2)的筒底(16)中部設有開口,另一支架(24)設置在支架(24)中部,另一支架(24)的上端頂在內筒(4.2)筒底(16)的開口下部,另一支架(24)的下端放置在爐室底板或底部保溫層(13)上,在另一支架(24)中部爐室底板或底部保溫層(13)上設有下軸(9)或惰性氣體注入孔(31);所述內筒(4.2)的筒底(16)中部穿孔(25)開口上部設有支撐體(22),所述支撐體(22)上部設有穿孔(25),坩堝(5)下部放在支撐板(26)的中部穿孔(25)上,在支撐體(22)上設有複數個散冷孔(21)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中在套 筒(4)的外筒(4.1)和內筒(4.2)之間設有支撐環(14)或通過上連接環(15)形成一體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中在坩堝(5)的上端設有上蓋(27),上蓋(27)的下部與坩堝(5)的上端之間設有導熱通路,由上蓋(27)形成發熱體(3)熱能向坩堝(5)上部的聚攏,由導熱通路引導熱能向坩堝(5)內晶體材料(6)上部的加熱,輔助套筒(4)獲取坩堝(5)內晶體材料(6)上部的溫度高於坩堝(5)內下部的晶體材料(6)。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中在上蓋(27)的外緣設有向四周延伸的上蓋外沿(18),上蓋(27)的下部放置在所述坩堝(5)的上端;或放置在套筒(4)的上端;或放置在坩堝(5)與套筒(4)之間設置的支撐環(14)上部,上蓋(27)的下部與套筒(4)或支撐環(14)的上端之間設有導熱通路。
  10. 如申請專利範圍第8項述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中所述上蓋(27)為平板結構或中部向上凸起結構或中部向下凹陷結構,在上蓋(27)外緣設置的上蓋外沿(18)由中部連接處向外方為水準結構;或上蓋外沿(18)的外緣為上翹;或上蓋外沿(18)的外緣為向下設置。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中所述上蓋外沿(18)的外緣設置有向上環形凸起,附加蓋(17)扣在上蓋外沿(18)環形凸起中形成多層蓋。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中所述的導熱通路為上蓋(27)的下部設有下部環(19),所述下部環(19)上設 有複數個豁口(20),豁口(20)與豁口(20)之間的下部環(19)形成支腿,所述支腿下端放置在坩堝(5)上部或支撐環(14)上部或套筒(4)上部,由豁口形成導熱通路。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中所述的導熱通路為套筒(4)上端頂在上蓋(27)的下部面下環形凸起(28)外側或內側,在套筒(4)上端設有複數個豁口(20),由所述複數個豁口(20)形成導熱通路。
  14. 如申請專利範圍第8項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中所述的導熱通路為在上蓋(27)下部與坩堝(5)或套筒(4)或支撐環(14)之間設置圓環(30),在圓環(30)上分佈複數個內外貫通的熱引導孔(32);或在圓環(30)上部設置複數個豁口(20);或在圓環(30)下部設置複數個豁口(20);或圓環(30)的上部和下部同時設置複數個豁口(20),由所述圓環(30)上設置的複數個內外貫通的熱引導孔(32)或複數個豁口(20)形成導熱通路。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中圓環(30)的上下兩端分別設有臺階(29),所述臺階(29)分別為外臺階或內臺階,由圓環(30)上端的所述外臺階或內臺階卡接在上蓋(27)下部設置的下環形凸起(28)內側或外側的邊上;由圓環(30)下端的所述外臺階或內臺階卡接在坩堝(5)或套筒(4)上端的內側或外側邊上。
  16. 如申請專利範圍第8項所述的晶體生長的溫度梯度控制裝置,其中所述套筒(4)和上蓋(27)為鎢或鉬或石墨材質中的任意一種;或鎢和鉬組合;或鉬和石墨組合;或鎢和石墨組合形成兩層複合層;或鎢和鉬和石墨組成 的三層複合層;或內外為鉬層中部為鎢層;或內外為鎢層中部為鉬層;或內外為石墨層中部為鎢層;或內外為鎢層中部為石墨層;或內外為石墨層中部為鉬層;或內外為鉬層中部為石墨層形成三層複合層;或在套筒的複合層中所述鎢層和鉬層和石墨層中加入氧化鋯層或氧化鋁層;或鎢或鉬或石墨材質中任一或其中兩個替換為氧化鋯或氧化鋁。
  17. 一種如申請專利範圍第1項所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,其方法是:在爐室(1)內的坩堝(5)設置在套筒(4)的中部形成套筒(4)對坩堝(5)下部的獨立空間,坩堝(5)下部的套筒(4)空間中設有冷卻介質降溫機構,所述套筒(4)為單層套筒(4)或多層套筒(4),在套筒(4)的外部設有發熱體(3),套筒(4)上端略高於坩堝(5)的上端或套筒(4)與坩堝(5)上端為同一高度,所述坩堝(5)內的底部設置有籽晶(7),在籽晶(7)上放置晶體材料(6),坩堝(5)的下部設有冷卻介質降溫機構;所述發熱體(3)分別連接電源的正負極,發熱體(3)對套筒(4)輻射加熱,同步也對坩堝(5)上部的晶體材料(6)加熱,坩堝(5)上部的所述晶體材料(6)受益最大,加熱速度也明顯快於坩堝(5)下部的晶體材料(6)和籽晶(7),單層套筒(4)或多層套筒(4)將熱量傳遞給坩堝(5);同時由冷卻介質降溫機構對坩堝(5)的下部降溫,使坩堝(5)下部形成低溫區,單層套筒(4)或多層套筒(4)發揮作用,一是使坩堝(5)下部的低溫區內低溫盡可能少的擴散;二是使坩堝(5)內上部的晶體材料(6)融化,並逐漸向下融化,當所述坩堝(5)內的晶體材料(6)全部融化時,所述籽晶(7)的上端頭部也開始部分融化,由於坩堝(5)下部的低溫區作用,籽晶(7)融化明顯晚於籽晶(7)上部的晶體材料(6) 融化的速度;而後降低發熱體(3)的溫度,低溫區的低溫傳遞給坩堝(5),使所述坩堝(5)由底部開始至上部緩慢均勻降溫,形成溫度梯度,坩堝(5)內融化的晶體材料(6)由底部籽晶(7)處開始生長結晶,獲取晶體材料塊。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,其中為了使前一步驟中坩堝(5)內上部的晶體材料(6)獲取更多熱能,在坩堝(5)的上端設有上蓋(27),上蓋(27)的下部與坩堝(5)的上端之間設有導熱通路,在發熱體(3)對坩堝(5)輻射加熱時,坩堝(5)上部散失的熱能由上蓋(27)引導至坩堝(5)內上部的晶體材料處,使熱能盡可能少的流失,獲取更為合理的溫度梯度。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,其中冷卻介質降溫機構為下軸(9)降溫,所述下軸(9)內接通的冷卻介質內為水或氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的晶體生長的溫度梯度控制方法,其特徵是:冷卻介質降溫機構利用惰性氣體注入孔(31)降溫時,所述惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氮氣、氟利昂或氡氣中的任意一種。
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