TWI614473B - 長晶爐設備 - Google Patents

Abstract

一種長晶爐設備，包含：一爐體；一坩堝，設置於該爐體中；一第一加熱器，位於該爐體與該坩堝頂部之間；及一第二加熱器，位於該爐體與該坩堝底部之間；其中，該第一加熱器與該第二加熱器皆包括數個可拆換的加熱元件，且該數個加熱元件中的至少一加熱元件的輸出功率與其他加熱元件的輸出功率不相同。本發明的創新設計，於有限長晶爐空間中摒棄側向加熱器，主要以第一、第二加熱器的變化與排列組合增加熱場內對流，使長晶爐內熱場最佳化，使之不易沉積碳化矽在晶碇內，有助晶碇長度與良率的產出，進而達到增加晶碇品質並降低製造成本的優勢。

Description

長晶爐設備

本發明是有關於一種長晶爐設備，特別是指一種運用改變長晶爐內加熱元件的變化與排列組合，使其長晶爐內熱場最佳化而獲得良好晶碇品質與晶碇尺寸的長晶爐設備。

目前一種已知的長晶爐設備，主要包含：一爐體，以及一放置於該爐體中的坩堝，該坩堝周圍設置數個加熱器，包含位於坩堝上方的上加熱器與坩堝下方的下加熱器以及位於坩堝側邊的側向加熱器，與位於下加熱器之下方的熱閘門。以上裝置透過加熱器、氬氣流動裝置、保溫與降溫裝置產生複雜的交互作用使矽融化、矽成長和矽退火來完成多晶矽的鑄造。然而一般加熱器設計在坩堝上方與側向，其缺點與問題在於爐體熱場內的對流在晶碇(ingot)底部較差，容易沉積碳化矽(SiC)在底部，需底切晶碇底部較多的部分，容易影響產出晶碇的長度，若將加熱器設計在頭部、底部與側向，其缺點在於側向加熱器功率較小，對晶碇(ingot)中間對流影響有限，然而要提高側向加熱器效率，必增大側向的加熱面積，將大幅影響晶碇產 出的尺寸大小，為了因應長晶爐內熱場最佳化與解決上述問題，故設計一種可變化的加熱器與加熱元件的長晶爐，有其發展的必要性與優勢。

因此，本發明之目的，即在提供一種運用改變長晶爐內加熱元件的變化與排列組合，使其長晶爐內熱場最佳化而獲得良好晶碇品質與晶碇尺寸的長晶爐設備。

本發明的長晶爐設備，包含：一爐體、一設置於該爐體中的坩堝、一位於該爐體與該坩堝頂部之間的第一加熱器，以及一位於該爐體與該坩堝底部之間的第二加熱器。其中該第一加熱器與該第二加熱器皆分別包含數個可拆換的該些加熱元件，且該數個加熱元件中的至少一加熱元件的輸出功率與其他加熱元件的輸出功率不相同。

本發明之功效：主要利用第一加熱器與第二加熱器的加熱元件的變化與排列組合，增加長晶爐內的熱對流，促使碳化矽不易沉積在晶碇內，提高晶碇品質，並且藉由減少加熱器的數量有助於晶碇的尺寸大小的產出，以達到既可增加晶碇品質與產量，亦可降低製造成本的優點。

1‧‧‧爐體

10‧‧‧冷卻板

2‧‧‧坩堝

21‧‧‧底壁

22‧‧‧圍壁

3、32、33、36‧‧‧第一加熱器

3a、32a、33a、36a‧‧‧第一加熱元件

3b、32b、33b、36b‧‧‧第二加熱元件

4、42、43、44、45、46‧‧‧第二加熱器

4a、42a、43a、44a、45a、46a‧‧‧第三加熱元件

4b、42b、43b、44b、45b、46b‧‧‧第四加熱元件

5‧‧‧熱閘門

6‧‧‧熱對流示意方向

8‧‧‧加熱器側壁

8a、82a、86a‧‧‧第一加熱器側壁

8b、82b、84b、85b、86b‧‧‧第二加熱器側壁

9、91‧‧‧中心區域

9a、91a‧‧‧第一加熱器的中心區域

9b、91b‧‧‧第二加熱器的中心區域

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明長晶爐設備的一第一實施例的側視示意 圖；圖2是該第一實施例的部分元件俯視示意圖，顯示一第一加熱器與一第二加熱器之外圍的數個加熱元件位置與尺寸大小為兩側對稱；圖3是該第一實施例的側視與熱場分布示意圖，該熱場分布的熱對流示意方向由坩堝外圍兩側向中心位置而後向上流動；圖4是本發明長晶爐設備的一第二實施例的部分元件俯視示意圖，主要顯示一第一加熱器與一第二加熱器；圖5是本發明長晶爐設備的一第三實施例的部分元件俯視示意圖，顯示一第一加熱器中心位置與一第二加熱器外圍的數個加熱元件的位置與尺寸大小為上下交錯對稱；圖6是該第三實施例的側視與熱場分布示意圖，顯示該熱場分布的熱對流由坩堝中心位置往外圍由下而上循環流動；圖7是本發明長晶爐設備的一第四實施例的部分元件俯視示意圖，主要顯示一第一加熱器與一第二加熱器；圖8是本發明長晶爐設備的一第五實施例的部分元件俯視示意圖，顯示一第一加熱器外圍與一第二加熱器中心位置的數個加熱元件的位置與尺寸大小為上下交錯對稱；圖9是該第五實施例的側視與熱場分布示意圖，顯示該熱場分布的熱對流由坩堝外圍往中心位置由下向上循環流動；圖10是本發明長晶爐設備的一第六實施例的部分元件 俯視示意圖，主要顯示一第一加熱器與一第二加熱器；圖11是本發明長晶爐設備的一第七實施例的部分元件俯視示意圖，顯示一第一加熱器與一第二加熱器之中心位置的數個加熱元件位置與尺寸大小於中心區域對稱；圖12是該第七實施例的側視與熱場分布示意圖，顯示該熱場分布的對流分別是由坩堝中心點位置，分為由下往上以及由上往下的兩個方向皆往坩堝兩側外圍循環流動；圖13是本發明長晶爐設備的一第八實施例的部分元件俯視示意圖，主要顯示一第一加熱器與一第二加熱器。

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

請參閱圖1，其為本發明之一實施方式的一種長晶爐設備的裝置示意圖，在本實施方式中該長晶爐設備包含：一爐體1、一坩堝2、一熱閘門5、一第一加熱器3，以及一第二加熱器4。該坩堝2、該熱閘門5、該第一加熱器3與該第二加熱器4均設置於該爐體1內，坩堝2用以裝載長晶的原料與熔融後的熔湯，該第一加熱器3與該第二加熱器4分別位於該坩堝2的上方與下方，用以加熱坩堝2內的晶體原料，並控制爐體1內之熱場循環與分布。該第一加熱器3位於該爐體1與該坩堝2頂部之間，該第二加熱器4位於該爐體1與該坩堝2底部之間。該熱閘門5設置於坩堝2與該第二加熱器4之下方，該熱閘門5的閘門開關可被控制，可藉以調整爐內的長晶溫度。此外，該 爐體1內還設有一冷卻板10。

參閱圖1、2、3，本發明長晶爐設備的第一實施例，其中該第一加熱器3包含可拆換的數個第一加熱元件3a與數個第二加熱元件3b。該第二加熱器4包含可拆換的數個第三加熱元件4a與數個第四加熱元件4b。上述加熱元件的可拆換設計，使各加熱器3、4的加熱元件排列位置可改變，並依需求搭配使用所需要的尺寸、長度等結構設計的加熱元件，以組裝出所需要的加熱器。而該坩堝2具有一底壁21，以及至少一自該底壁21周緣向上延伸的圍壁22。本發明還包含一加熱器側壁8，該加熱器側壁8包括一第一加熱器側壁8a與一第二加熱器側壁8b。該第一加熱器側壁8a位於該第一加熱器3的左右兩側，且鄰近該坩堝2的圍壁22。該第二加熱器側壁8b位於該第二加熱器4的左右兩側，且鄰近該坩堝2的圍壁22。

其中鄰近該第一加熱器側壁8a為該些第一加熱元件3a，其他位於該些第一加熱元件3a之間的為該些第二加熱元件3b，而藉由改變至少一第一加熱元件3a的直徑大小或其寬窄、粗細、長短的尺寸，進而使其該輸出功率大於該些第二加熱元件3b之輸出功率，如圖2的第一實施例俯視圖的上圖所示。此外，鄰近該第二加熱器側壁8b為該些第三加熱元件4a，而其他位於該些第三加熱元件4a之間的為該些第四加熱元件4b，且其中藉由改變至少一第三加熱元件4a的直徑大小或其寬窄、粗細、長短等尺寸，進而使其該輸出功率大於該些第四加熱元件4b之輸出功率，如 圖2的第一實施例俯視圖的下圖所示。因此可透過改變或調整第一加熱器3或第二加熱器4的部分加熱元件之直徑大小或其寬窄、粗細、長短等尺寸，進而影響爐體1內熱場分布的熱對流示意方向6，使爐體1內熱場分布更加均勻，進而改善晶碇長晶的品質。需要說明的是，雖然本實施例的第一加熱器3與第二加熱器4的整體大小略有不同，但於設計上，該第一加熱器3的該數個加熱元件3a、3b的位置與尺寸大小也可以分別對應該第二加熱器4的該數個加熱元件4a、4b的位置與尺寸大小。

此外，請參閱圖3第一實施例的側視圖，更可進一步將圖2的第一實施例俯視圖的上圖與下圖相對應兩側對稱配置之後，利用該第一加熱器3與該第二加熱器4改變部分的加熱元件，使其兩者的加熱器3、4外圍的該些第一加熱元件3a、與該些第三加熱元件4a的位置與尺寸大小等兩側對稱，因該些加熱器3、4兩側的輸出功率高於該些加熱器3、4中央區域的輸出功率，因而造成兩側溫度高於中央區域的溫度，進而使其爐體1內的熱場分布與坩堝2的熱對流示意方向6，是由外圍兩側向坩堝2中心位置方向靠近而後向上流動，可解決於坩堝2底部熱對流不均勻的問題，進而改善晶碇長晶的品質。

此外，該些第一加熱元件3a與該些第二加熱元件3b、該些第三加熱元件4a，以及該些第四加熱元件4b，其可為一種長條狀的加熱棒。且該些第一加熱元件3a與第三加熱元件4a的加熱元件直徑大小可為20mm~50mm。而 第二加熱元件3b與第四加熱元件4b的加熱直徑大小可為5mm~30mm。此僅為本實施例之舉例說明，該加熱元件之形狀與直徑、尺寸大小不應以此為限。

參閱圖4，本發明第二實施例與配合圖3所示，其大致結構與第一實施例相同，其不同處在於，該第二實施例還包含一位於該坩堝2上方與下方相對於該第一加熱器3與該第二加熱器4的中心區域9，該中心區域9包括一位於坩堝2上方的第一加熱器3的中心區域9a，以及一位於坩堝2下方的第二加熱器4的中心區域9b，9a與9b可為相互對應。該中心區域9不配置數個該些第二加熱元件3b與該些第四加熱元件4b，用於節省成本，但是同時因中心區域9不配置任何加熱元件，因此相較於第一加熱器3與第二加熱器4的鄰近加熱器側壁8兩側的區域，例如：相較於第一加熱元件3a與第三加熱元件4a的設置處，該中心區域9之輸出功率較低，而位於加熱器3、4兩側的該些加熱元件輸出功率較高，故本實施例也可達到如第一實施例圖3所示之熱場分布與熱對流示意方向6的效果，既可降低成本又可解決坩堝底部熱對流不均勻的問題，提升晶碇長晶的品質。

參閱圖5、6，本發明的第三實施例，其大致結構與第一實施例相同，不同處在於，其中鄰近該第一加熱器側壁82a為該些第一加熱元件32a，以及其他位於該些第一加熱元件32a之間的為該些第二加熱元件32b，而藉由改變至少一第二加熱元件32b的直徑大小或其寬窄、粗細、 長短等尺寸，進而使其該輸出功率大於該些第一加熱元件32a之輸出功率，如圖5的第三實施例俯視圖的上圖所示。此外，鄰近該第二加熱器側壁82b為該些第三加熱元件42a，而其他位於該些第三加熱元件42a之間的為該些第四加熱元件42b，且其中藉由改變至少一第三加熱元件42a的直徑大小或其寬窄、粗細、長短的尺寸，進而使其該輸出功率大於該些第四加熱元件42b之輸出功率，如圖5的第三實施例俯視圖的下圖所示。

本實施例利用該第一加熱器32與該第二加熱器42改變部分的加熱元件，使其兩者的加熱器32、42的加熱元件輸出功率較高的區域為上下相對交錯排列的方式，進而使坩堝2上方接近第二加熱元件32b處，與坩堝2下方兩側接近第三加熱元件42a處的溫度較高，進而影響坩堝2中的熱場分布之熱對流示意方向6由坩堝2中心往外圍兩側由下而上循環流動，同樣得以用來解決熱場分布不均勻的問題，進而改善晶碇長晶的品質。

除此之外，該些第一加熱元件32a與該些第二加熱元件32b、該些第三加熱元件42a，以及該些第四加熱元件42b，其可為一種長條狀的加熱棒。且該些第二加熱元件32b與第三加熱元件42a的加熱元件直徑大小可為20mm~50mm。而第一加熱元件32a與第四加熱元件42b的加熱直徑大小可為5mm~30mm。此僅為本實施例之舉例說明，該加熱元件之形狀與直徑大小不應以此為限。

參閱圖7，本發明的第四實施例，配合圖6所 示，其大致結構與第三實施例相同，其不同處在於，該第四實施例還包含一位於該坩堝2上方與下方相對於該第一加熱器33與該第二加熱器43的中心區域91。該中心區域91包括一位於坩堝2上方的第一加熱器33的中心區域91a，以及一位於坩堝2下方的第二加熱器43的中心區域91b，91a與91b可為相互對應。其中該中心區域91b不配置數個該些第四加熱元件43b，用於節省成本，且因第二加熱器43的中心區域91b的輸出功率較低，則可使坩堝2底部靠近第二加熱器43的中心區域91b的位置溫度較低，進而使其達到如第三實施例圖6中所示的熱場分布與熱對流示意方向6之相同效果。

參閱圖8、9，本發明第五實施例其大致結構與該第一實施例相同，其不同處在於，鄰近該第二加熱器側壁84b為該些第三加熱元件44a，而其他位於該些第三加熱元件44a之間的為該些第四加熱元件44b，且其中藉由改變至少一第四加熱元件44b的直徑大小或其寬窄、粗細、長短的尺寸，進而使其該輸出功率大於該些第三加熱元件44a之輸出功率，如圖8的第五實施例俯視圖的下圖所示。

本實施例利用該第一加熱器3與該第二加熱器44改變部分的加熱元件，使其兩者的加熱器的加熱元件輸出功率較高的區域為上下相對交錯的方式，其中與第一實施例不同之處，是該第二加熱器44高輸出功率的位置位於該第二加熱器44的中心區域，與第一實施例的配置正好相反，進而使坩堝2上方接近第一加熱器3兩側的第一加熱 元件3a處，與坩堝2下方接近第四加熱元件44b處的溫度較高，坩堝2中的熱場分布之熱對流示意方向6由坩堝2外圍區域往中心位置由下向上循環流動，同樣得以用來解決熱場分布不均勻的問題，進而改善晶碇長晶的品質。

除此之外，該些第一加熱元件3a與該些第二加熱元件3b、該些第三加熱元件44a，以及該些第四加熱元件44b，其可為一種長條狀的加熱棒。且該些第一加熱元件3a與第四加熱元件44b的加熱元件直徑大小可為20mm~50mm，而第二加熱元件3b與第三加熱元件44a的加熱直徑大小可為5mm~30mm，此僅為本實施例之舉例說明，該加熱元件之形狀與直徑大小不應以此為限。

參閱圖10，本發明第六實施例配合圖9所示，其大致結構與第五實施例相同，其不同處在於，第二加熱器45的鄰近該第二加熱器側壁85b處未配置所述第三加熱元件45a，除可節省成本外亦可使坩堝2底部外圍接近第二加熱器45的兩側輸出功率較低，使其溫度相較於坩堝2中心位置較低，進而使其達到如第五實施例圖9中所示的熱場分布與熱對流示意方向6之相同效果。

參閱圖11、12，本發明第七實施例，其大致結構與第一實施例相同，其不同處在於，本實施例採用圖5第三實施例的該第一加熱器32，配合圖8第五實施例的該第二加熱器44。

本實施例利用該第一加熱器32與該第二加熱器44改變部分的加熱元件，使其兩者的加熱器32、44的加熱 元件輸出功率較高的區域為上下對應的方式，該第一加熱器32與第二加熱器44高輸出功率的位置皆位於各加熱器32、44的中心區域，與第一實施例的配置正好相反，進而使坩堝2上方接近第一加熱器32中心區域的第二加熱元件32b處，與坩堝2下方接近第四加熱元件44b處的溫度較高，使其坩堝2位於中心區域的上下側溫度較高於坩堝2兩側，進而影響該爐體內坩堝2的熱對流示意方向6，由坩堝2中心位置分為由下往上以及由上往下的兩個方向往坩堝2兩側外圍循環流動，同樣得以用來解決熱場分布不均勻的問題，進而改善晶碇長晶的品質。

除此之外，該些第一加熱元件32a與該些第二加熱元件32b、該些第三加熱元件44a，以及該些第四加熱元件44b，可為一種長條狀的加熱棒。且該些第二加熱元件32b與第四加熱元件44b的加熱元件直徑大小可為20mm~50mm，而第一加熱元件32a與第三加熱元件44a的加熱直徑大小可為5mm~30mm，此僅為本實施例之舉例說明，該加熱元件之形狀與直徑大小不應以此為限。

參閱圖13，本發明的第八實施例，配合圖12所示，其大致結構與第七實施例相同，其不同處在於第一加熱器36的鄰近該第一加熱器側壁86a處未配置至少一該第一加熱元件36a，以及第二加熱器46的鄰近該第二加熱器側壁86b亦未配置至少一該第三加熱元件46a，除可節省成本外，亦可使坩堝2上下外圍接近第一加熱器36與第二加熱器46的兩側輸出功率較低，使其溫度相較於坩堝2中 心位置較低，進而使其達到如第八實施例圖12中所示的熱場分布與熱對流示意方向6之相同效果。

由上述該些實施例可知，本發明可使該第一加熱器與該第二加熱器的其中至少一個的外形具有對稱結構，且該第一加熱器與該第二加熱器彼此間可以為上下對稱結構，也可以為上下交錯對稱的結構。例如：由圖2、圖4中可使該第一加熱器與該第二加熱器的外形為兩側對稱的結構，且第一加熱器與第二加熱器的兩側區域相對於中心區域的輸出功率較高，以及圖5與圖7中該第一加熱器與該第二加熱器的外形與圖8、圖10中該第一加熱器與該第二加熱器的外形，使其具有上下交錯對稱的結構(其中一加熱器的兩側區域相對於中心區域的輸出功率較高，另一加熱器的兩側區域相對於中心區域的輸出功率較低)，而另外亦可從圖11、圖13使該第一加熱器與第二加熱器的外形為上下中心區域對稱的結構，且第一加熱器與第二加熱器的中心區域相對於兩側區域的輸出功率較高；藉由上述的對稱結構更可使坩堝中的熱對流方向具有更多的變化選項，其優勢為藉此提供不同的長晶製程所需坩堝內的熱對流流場變化，進而改善長晶製程中的熱場不均勻等缺陷，優化長晶晶碇的品質。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，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專利說明書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。

2‧‧‧坩堝

21‧‧‧底壁

22‧‧‧圍壁

3‧‧‧第一加熱器

3a‧‧‧第一加熱元件

3b‧‧‧第二加熱元件

4‧‧‧第二加熱器

4a‧‧‧第三加熱元件

4b‧‧‧第四加熱元件

6‧‧‧熱對流示意方向

Claims (10)

1. 一種長晶爐設備，包含：一爐體；一坩堝，設置於該爐體中；一第一加熱器，位於該爐體與該坩堝頂部之間；及一第二加熱器，位於該爐體與該坩堝底部之間；其中，該第一加熱器與該第二加熱器皆包括數個可拆換的加熱元件，且該數個加熱元件中的至少一加熱元件的輸出功率與其他加熱元件的輸出功率不相同。
2. 如請求項1所述的長晶爐設備，其中，該第一加熱器具有一第一加熱器側壁，該第一加熱器的該數個加熱元件中，其中數個加熱元件鄰近該第一加熱器側壁，其他加熱元件位於鄰近該第一加熱器側壁的該數個加熱元件之間，鄰近該第一加熱器側壁的該數個加熱元件的輸出功率大於其他加熱元件的輸出功率。
3. 如請求項1所述的長晶爐設備，其中，該第二加熱器具有一第二加熱器側壁，該第二加熱器的該數個加熱元件中，其中數個加熱元件鄰近該第二加熱器側壁，其他加熱元件位於鄰近該第二加熱器側壁的該數個加熱元件之間，鄰近該第二加熱器側壁的該數個加熱元件的輸出功率大於其他加熱元件的輸出功率。
4. 如請求項1至3中任一項所述的長晶爐設備，其中，該第一加熱器的該數個加熱元件的位置與尺寸大小分別 對應該第二加熱器的該數個加熱元件的位置與尺寸大小。
5. 如請求項1至3中任一項所述的長晶爐設備，其中，該第一加熱器的該數個加熱元件中的至少一加熱元件的輸出功率與該第一加熱器的其他加熱元件的輸出功率不相同，該第二加熱器的該數個加熱元件中的至少一加熱元件的輸出功率與該第二加熱器的其他加熱元件的輸出功率不相同。
6. 如請求項1所述的長晶爐設備，其中，每一加熱元件為一長條狀的加熱棒。
7. 如請求項6所述的長晶爐設備，其中，該數個加熱元件中的至少一加熱元件的直徑與其他加熱元件的直徑不相同。
8. 如請求項7所述的長晶爐設備，其中，所述至少一加熱元件的直徑為20mm~50mm，所述其他加熱元件的直徑為5mm~30mm。
9. 如請求項5所述的長晶爐設備，其中，該第一加熱器的該數個加熱元件中的至少一加熱元件的直徑與該第一加熱器的其他加熱元件的直徑不相同；該第二加熱器的該數個加熱元件中的至少一加熱元件的直徑與該第二加熱器的其他加熱元件的直徑不相同。
10. 如請求項1所述的長晶爐設備，其中，該第一加熱器與該第二加熱器中的其中至少一個的外形為對稱結構。