TWI575123B - 摻雜器、長晶爐以及使用長晶爐的方法 - Google Patents

Description

摻雜器、長晶爐以及使用長晶爐的方法

本發明係與長晶爐中的摻雜劑添加有關；特別是指一種摻雜器、長晶爐以及使用該長晶爐的方法。

長晶爐是將固態之原料熔化成液態，再進後續的處理，使原料凝固，而為了改變材料之特性，通常會在熔化的原料中加入其它的材料。以製造晶棒（ingot）為例，請參圖1所示，已知的晶棒使用固態摻雜方式係將固態之原料（例如矽原料）在長晶爐900內加熱熔化成液態原料後，且另外將摻雜物（例如磷、砷、銻）由多個顆粒狀先行熔化再凝固為塊狀的摻雜物910後，置入熔化後的矽原料920進行混合，最後再以晶種浸入熔化之原料中並往上旋轉及提拉以進行長晶，終而製成一晶棒。

但是，若使用固相摻雜的方式進行混合，會因為矽原料熔點遠高於摻雜物的熔點，使得摻雜物與矽原料混合的過程中會揮發出氧化物的氣體930（例如氧化銻），而造成長晶爐900內的污染，使得長晶爐900的壽命減短，且不利於晶體的生長。

有鑑於此，本發明之目的在於提供用於摻雜的摻雜器、長晶爐以及使用該長晶爐的方法。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種用於長晶爐的摻雜器，且該摻雜器用以將一摻雜物添加至該長晶爐中的熔融原料，該摻雜器包括：一儲料桶、一阻料器、一第一進料管以及一冷卻裝置。該儲料桶供容置該摻雜物，該儲料桶具有一出口。該阻料器，設置於該儲料桶且位於該出口處，該阻料器係受控制而開啟或封閉該出口。該第一進料管，具有一入料口與一出料口，該入料口連通該儲料桶的出口。該冷卻裝置，設置於該第一進料管，用以對該第一進料管內部進行冷卻。藉此，該阻料器受控制而開啟該出口之後，該摻雜物自該第一進料管的入料口落入該第一進料管中，而自該第一進料管的出料口落出。

緣以達成上述目的，本發明又提供的一種長晶爐，用以熔化一固態之原料，該長晶爐包括：一爐體、一坩堝、一加熱裝置、一儲料桶、一阻料器、一第一進料管以及一冷卻裝置。該坩堝設置於該爐體內，用以容置該原料。該加熱裝置用以加熱該坩堝，使該原料熔化而形成一熔融原料。該儲料桶供容置一摻雜物，且該儲料桶具有一出口。該阻料器設置於該儲料桶且位於該出口處，該阻料器係受控制而開啟或封閉該出口。該第一進料管穿設該爐體，且具有一入料口與一出料口，該入料口連通該儲料桶的出口。該冷卻裝置設置於該第一進料管，用以對該第一進料管內部進行冷卻。藉此，該阻料器受控制而開啟該出口之後，該摻雜物自該第一進料管的入料口落入該第一進料管中，而自該第一進料管的出料口落出至該坩堝內而與該熔融原料混合。

緣以達成上述目的，本發明又再提供的一種使用上述中之長晶爐以進行摻雜的方法，包括下列步驟：A.啟動該加熱裝置，使該坩堝內固態之原料熔化。B.啟動該冷卻裝置，以使該第一進料管內部的溫度下降。C.控制該阻料器開啟該出口，使該儲料桶內的摻雜物自該第一進料管的入料口落入該第一進料管中，而自該第一進料管的出料口落至該坩堝中。

本發明之效果在於利用冷卻裝置，使該摻雜物在經過該第一進料管時，不會受爐體內的高溫影響而變成氣狀，且還能以保持固態之方式進入坩堝內。

為能更清楚地說明本發明，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖２所示，為本發明一較佳實施例之長晶爐。

該長晶爐100包括一爐體10、一坩堝20、一加熱裝置30以及一摻雜器200。實際在使用時，會先在一坩堝20內放置原料(例如，矽原料)，然後將該坩堝20設置於該爐體10內。該加熱裝置30設置於該爐體10內，並位在該坩堝20外圍，用以加熱該坩堝20，使該原料熔化而形成一熔融原料（例如矽熔液950）。該摻雜器200穿設於該爐體10，用以提供摻雜物940（例如銻材料）以進入至該坩堝20內。以下將說明摻雜器200之結構。

請同時參閱圖３及圖４，該摻雜器200包括一第一進料管210、一冷卻裝置220、一升降機構230、一第二進料管240、一第一開關閥250、一儲料桶260、一阻料器270、一連通管280以及一第二開關閥290。

該第一進料管210穿設該爐體10，並與該坩堝20中的一水平參考面所夾的角度小於90度，較佳地，該角度介在35~55度之間，在本實例中，該角度為45度。該第一進料管210包括一第一外管212以及穿設於該第一外管212內的一第一內管214。該第一外管212與該爐體10相互固定，且該第一外管212具有一前端朝向該長晶爐100中的熔融原料。該第一內管214具有一入料口21a以及一出料口21b。該入料口21a形成在該第一內管214的側壁上。該出料口21b位在該爐體10內。在本實施例中該第一內管214的材質為石英，該第一外管212的材質為金屬。

該冷卻裝置220設置於該第一進料管210，用以對該第一進料管210內部進行冷卻。較佳地，該冷卻裝置220包括一冷卻管，且該冷卻管環繞於該第一內管214，並位在第一外管212以及第一內管214之間，該冷卻管內用以流過一冷卻液，用以對該第一進料管210內部進行冷卻，即為對該第一內管214進行冷卻。

該升降機構230連接該第一內管214，用以控制該第一內管214相對該第一外管212於一第一位置P1以及一第二位置P2間移動。該第一內管214位於該第一位置P1時（如圖４），該第一內管214的出料口21b與該第一外管212的前端之間相隔一第一距離L1；該第一內管214位於該第二位置P2時（如圖２），該第一內管214的出料口21b與該第一外管212的前端之間相隔一第二距離L2，該第二距離L2大於該第一距離L1。

該第二進料管240包括一第二外管242以及設置於該第二外管242內的一第二內管244。該第二內管244穿過該第一外管212，且該第二內管244的末端抵於該第一內管214的側壁上，且該第一進料管210與該第二進料管240夾一角度。當該第一內管214位於該第一位置P1時，該第一內管214的入料口21a與該第二內管244的末端錯開，使第一內管214與第二內管244不連通；當該第一內管214位於該第二位置P2時，該第一內管214的入料口21a對應該第二內管244的末端，使得該第一內管214與第二內管244內部相對應。在本實施例中，該第二外管242為金屬管，該第二內管244為石英管。

該第一開關閥250連接該第二進料管240，用以控制該第二進料管240內部之通道的開啟或關閉。當該第一開關閥250封閉該第二進料管240時，該第一進料管210內分為完全隔離的上下兩段。

該儲料桶260呈漏斗狀，供容置該摻雜物940。該儲料桶260具有一進料口26a、一抽氣口26b以及一出口26c。該摻雜物940由該進料口26a進入。該抽氣口26b供連通至一抽氣裝置（圖未示），用以藉由該抽氣裝置對儲料桶260內部抽氣。該出口26c位在該儲料桶260的末端，並連通該第二進料管240，使第二進料管240位於該儲料桶260與該第一進料管210之間。

該阻料器270設置於該儲料桶260內，且以受控制的開啟或封閉該出口26c。詳言之，該阻料器270以可分離的方式抵接於該第一進料管210與該儲料桶260之間的連接處，即為抵於該儲料桶260的末端而封閉該出口26c，使儲料桶260內的摻雜物940無法進入該第一進料管210內，反之，當該阻料器270之該端離開該儲料桶260的末端時，而開啟該出口26c，使儲料桶260內的摻雜物940進入該第一進料管210內。

該連通管280一端連通該儲料桶260，其另一端連通該第一進料管210並位於該第一開關閥250的下方。該第二開關閥290連接該連通管280，用以控制該連通內部之通道的開啟或關閉，且在該連通管280導通時，該儲料桶260與該第一進料管210的氣壓相等。

如圖５所示，為長晶爐100的使用方法流程圖，且該方法以進行半導體摻雜為例，因此該原料以矽原料以及該摻雜物940以銻材料為例進行說明。在本實施例中，該銻材料呈現顆粒狀，且每一顆粒的體積愈小則效果愈好。在其他實例中，該長晶爐100也可用於混合多種金屬，以製成合金，並不以用以進行半導體摻雜為限。此外，在使用該長晶爐100前，該第一內管214位在第一位置P1，該第一阻料器270封閉該出口26c，該第一開關閥250關閉第二進料管240之通道，以及該第二開關閥290關閉該連通管280之通道。

步驟S100：如圖４所示，設置矽原料於該坩堝20內，且該矽原料呈固態，之後控制該爐體10內部維持於一預定壓力，該預定壓力於本實施例中為為80托（torr），然後利用該加熱裝置30對坩堝20加熱，使該矽原料熔化而形成熔融原料，該熔融原料即為矽熔液950。

步驟S102：控制該加熱裝置30，使該爐體10於該矽熔液950之液面上方的溫度降低，且溫度降低後液面上方的溫度不低於該矽原料的熔點，在本實施例中該溫度為1414度。

步驟S104：啟動該冷卻裝置220，以使該第一進料管210內部的溫度下降。

步驟S106：如圖２所示，控制該升降機構230使該第一內管214由第一位置P1向第二位置P2移動，使該第二內管244與該第一內管214連通，且該第二內管244之出料口21b靠近該矽熔液950。

步驟S108：該抽氣裝置對該儲料桶260抽氣並偵測該儲料桶260與該第一進料管210之壓力，且於所偵測的壓力一致時而停止抽氣，之後控制該第二開關閥290，開啟該連通管280內部之通道，使第二進料管240與該儲料桶260連通，而使該儲料桶260與該爐體10內的氣壓相同，然後控制該第一開關閥250，開啟該第一進料管210內部之通道。

步驟S110：如圖６所示，控制該阻料器270而開啟該出口26c，使該儲料桶260內的摻雜物940依序由第二進料管240、第一進料管210，最後自該第一進料管210的出料口21b落至該坩堝20中，而與該矽熔液950混合，而形成半導體材料，且因為該第一進料管210與該第二進料管240夾有一角度，使摻雜物940受到該角度的影響，而減緩移動速度。此外，因為冷卻裝置220的作動，使該摻雜物940在經過該第一進料管210時，不會受爐體10內的高溫影響而變成氣狀，且還能以保持固態之方式進入坩堝20內。

綜上所述，本發明的摻雜器200、長晶爐100以及使用該長晶爐的方法，因為該摻雜物940在進入坩堝20內而進行熔化時，該第二進料管240靠近該坩堝20，且與水平面夾45度，使得摻雜物940進入坩堝20時不會產生噴濺，此外，因摻雜器200的結構設計，使得摻雜物940能以顆粒狀的方式進入該坩堝20內而快速的與熔化後的原料進行混合，而較不會產生氧化物的氣體而污染爐體10。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本創作說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本創作之專利範圍內。

［本發明］
100‧‧‧長晶爐
10‧‧‧爐體
20‧‧‧坩堝
30‧‧‧加熱裝置
200‧‧‧摻雜器
210‧‧‧第一進料管
212‧‧‧第一外管
214‧‧‧第一內管
21a‧‧‧入料口
21b‧‧‧出料口
220‧‧‧冷卻裝置
230‧‧‧升降機構
240‧‧‧第二進料管
242‧‧‧第二外管
244‧‧‧第二內管
250‧‧‧第一開關閥
260‧‧‧儲料桶
26a‧‧‧進料口
26b‧‧‧抽氣口
26c‧‧‧出口
270‧‧‧阻料器
280‧‧‧連通管
290‧‧‧第二開關閥
940‧‧‧摻雜物
950‧‧‧矽熔液
L1‧‧‧第一距離
L2‧‧‧第二距離
P1‧‧‧第一位置
P2‧‧‧第二位置
S100~S110‧‧‧步驟

圖１為長晶爐之剖視圖。 圖２為本發明一較佳實施例之長晶爐剖視圖。 圖３為本發明一較佳實施例之摻雜器剖視圖。 圖４為本發明之長晶爐剖視圖，係顯示第一內管在第一位置。 圖５為摻雜方法流程圖。 圖６為本發明之長晶爐剖視圖，係顯示阻料器開啟出口。

100‧‧‧長晶爐

10‧‧‧爐體

20‧‧‧坩堝

30‧‧‧加熱裝置

200‧‧‧摻雜器

210‧‧‧第一進料管

214‧‧‧第一內管

21a‧‧‧入料口

21b‧‧‧出料口

220‧‧‧冷卻裝置

230‧‧‧升降機構

240‧‧‧第二進料管

250‧‧‧第一開關閥

260‧‧‧儲料桶

270‧‧‧阻料器

280‧‧‧連通管

290‧‧‧第二開關閥

940‧‧‧摻雜物

950‧‧‧矽熔液

L2‧‧‧第二距離

P2‧‧‧第二位置

Claims (21)

1. 一種用於長晶爐的摻雜器，且該摻雜器用以將一摻雜物添加至該長晶爐中的熔融原料，該摻雜器包括： 一儲料桶，供容置該摻雜物，該儲料桶具有一出口； 一阻料器，設置於該儲料桶且位於該出口處，該阻料器係受控制而開啟或封閉該出口； 一第一進料管，具有一入料口與一出料口，該入料口連通該儲料桶的出口；以及 一冷卻裝置，設置於該第一進料管，用以對該第一進料管內部進行冷卻； 藉此，該阻料器受控制而開啟該出口之後，該摻雜物自該第一進料管的入料口落入該第一進料管中，而自該第一進料管的出料口落出。
2. 如請求項1所述之摻雜器，其中該第一進料管包括一第一外管以及穿設於該第一外管內的一第一內管，該第一內管具有該入料口與該出料口。
3. 如請求項2所述之摻雜器，該摻雜器更包括一升降機構，連接該第一內管，該升降機構控制該第一內管相對該第一外管於一第一位置以及一第二位置間移動；該第一外管具有一前端朝向該長晶爐中的熔融原料；該第一內管位於該第一位置時，該第一內管的出料口與該第一外管的前端之間相隔一第一距離；該第一內管位於該第二位置時，該第一內管的出料口與該第一外管的前端之間相隔一第二距離，該第二距離大於該第一距離。
4. 如請求項3所述之摻雜器，更包含一第二進料管，設置於該儲料桶與該第一進料管之間，且與該第一進料管夾一角度；該第一進料管的入料口透過該第二進料管連通該儲料桶的出口；該第一內管的管壁上形成有該入料口，且該第一內管位於該第二位置時，該入料口與該第二進料管內部相對應。
5. 如請求項4所述之摻雜器，其中該第二進料管包括一第二外管以設置於該第二外管內的一第二內管，該第二內管連通該第一進料管的入料口與該儲料桶的出口，且該第一內管位於該第二位置時，該入料口與該第二內管內部相對應。
6. 如請求項4所述之摻雜器，更包括一第一開關閥，設置於該第二進料管，用以控制該第二進料管內部之通道的開啟或關閉。
7. 如請求項4所述之摻雜器，更包括一連通管以及一第二開關閥，該連通管之一端連通該儲料桶，另一端連通該第二進料管；該第二開關閥連接該連通管，用以控制該連通內部之通道的開啟或關閉；該儲料桶具有一抽氣口，該抽氣口供抽氣使用。
8. 一種長晶爐，用以熔化一固態之原料，該長晶爐包括： 一爐體； 一坩堝，設置於該爐體內，用以容置該原料； 一加熱裝置，用以加熱該坩堝，使該原料熔化而形成一熔融原料； 一儲料桶，供容置一摻雜物，且該儲料桶具有一出口； 一阻料器，設置於該儲料桶且位於該出口處，該阻料器係受控制而開啟或封閉該出口； 一第一進料管，穿設該爐體，且具有一入料口與一出料口，該入料口連通該儲料桶的出口；以及 一冷卻裝置，設置於該第一進料管，用以對該第一進料管內部進行冷卻； 藉此，該阻料器受控制而開啟該出口之後，該摻雜物自該第一進料管的入料口落入該第一進料管中，而自該第一進料管的出料口落出至該坩堝內而與該熔融原料混合。
9. 如請求項8所述之長晶爐，其中該第一進料管與該坩堝中的一水平參考面所夾的角度小於90度。
10. 如請求項9所述之長晶爐，其中該第一進料管與該水平參考面所夾的角度介在35~55度之間。
11. 如請求項8所述之長晶爐，其中該第一進料管包括一第一外管以及穿設於該第一外管內的一第一內管，該第一內管具有該入料口與該出料口。
12. 如請求項11所述之長晶爐，該長晶爐更包括一升降機構，連接該第一內管，該升降機構控制該第一內管相對該第一外管於一第一位置以及一第二位置間移動；該第一外管具有一前端朝向該長晶爐中的熔融原料；該第一內管位於該第一位置時，該第一內管的出料口與該第一外管的前端之間相隔一第一距離；該第一內管位於該第二位置時，該第一內管的出料口與該第一外管的前端之間相隔一第二距離，該第二距離大於該第一距離。
13. 如請求項12所述之長晶爐，更包含一第二進料管，設置於該儲料桶與該第一進料管之間，且與該第二進料管夾一角度；該第一進料管的入料口透過該第二進料管連通該儲料桶的出口；該第一內管的管壁上形成有該入料口，且該第一內管位於該第二位置時，該入料口與該第二進料管內部相對應。
14. 如請求項13所述之長晶爐，其中該第二進料管包括一第二外管以設置於該第二外管內的一第二內管，該第二內管連通該第一進料管的入料口與該儲料桶的出口，且該第一內管位於該第二位置時，該入料口與該第二內管內部相對應。
15. 如請求項13所述之長晶爐，更包括一第一開關閥，設置於該第二進料管，用以控制該第二進料管內部之通道的開啟或關閉。
16. 如請求項13所述之長晶爐，更包括一連通管以及一第二開關閥，且該連通管之一端連通該儲料桶，另一端連通該第二進料管；該第二開關閥連接該連通管，用以控制該連通管內部之通道的開啟或關閉；該儲料桶具有一抽氣口，該抽氣口供抽氣使用。
17. 一種如請求項8之長晶爐的摻雜方法，包括下列步驟： A.啟動該加熱裝置，使該坩堝內固態之原料熔化； B.啟動該冷卻裝置，以使該第一進料管內部的溫度下降；以及 C.控制該阻料器開啟該出口，使該儲料桶內的摻雜物自該第一進料管的入料口落入該第一進料管中，而自該第一進料管的出料口落至該坩堝中。
18. 如請求項17所述之摻雜方法，其中執行步驟A之前控制該爐體內部維持於一預定壓力；步驟A與步驟C之間更包括對該儲料桶抽氣，且於該儲料桶內部壓力達到該預定壓力時，控制該阻料器使摻雜物自該第一進料管的入料口落入該第一進料管中。
19. 如請求項17所述之摻雜方法，其中步驟A至步驟C之間更包括控制該加熱裝置，使該爐體於熔融原料之液面上方的溫度降低，且溫度降低後液面上方的溫度不低於該原料的熔點。
20. 如請求項17所述之摻雜方法，其中該第一進料管包括一第一外管以及穿設於該第一外管內的一第一內管，該第一內管具有該入料口與該出料口；該長晶爐更包括一升降機構，連接該第一內管，該升降機構控制該第一內管相對該第一外管於一第一位置以及一第二位置間移動；該第一內管位於該第一位置時，該第一內管的出料口與該第一外管的前端之間相隔一第一距離；該第一內管位於該第二位置時，該第一內管的出料口與該第一外管的前端之間相隔一第二距離，該第二距離大於該第一距離；執行步驟A之前，控制該升降機構使該第一內管於該第一位置；步驟A與步驟C之間，更包括控制該升降機構使該第一內管移到該第二位置。
21. 如請求項17所述之摻雜方法，其中該長晶爐更包括一第二進料管以及一第一開關閥；該第二進料管，設置於該儲料桶與該第一進料管之間，且與該第一進料管夾一角度；該第一開關閥設置於該第二進料管，用以控制該第二進料管內部之通道的開啟或關閉；於步驟A之前包括有控制該第一開關閥關閉該第二進料管內部之通道，對儲料桶抽氣並偵測該儲料桶與該第一進料管之壓力，於所偵測的壓力一致時，控制該第一開關閥關閉該第二進料管內部之通道；步驟A與步驟C之間更包括對儲料桶抽氣並偵測該儲料桶與該第一進料管之壓力，於所偵測的壓力一致時，控制該第一開關閥開啟該第二進料管內部之通道。