TWM448496U - 晶體生長裝置 - Google Patents

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TWM448496U
TWM448496U TW101217002U TW101217002U TWM448496U TW M448496 U TWM448496 U TW M448496U TW 101217002 U TW101217002 U TW 101217002U TW 101217002 U TW101217002 U TW 101217002U TW M448496 U TWM448496 U TW M448496U
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TW
Taiwan
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crystal growth
heat transfer
transfer block
fluid
heat
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TW101217002U
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English (en)
Inventor
Jen-Pin Yu
Chen-Wei Chang
Chia-Ying Hsieh
Original Assignee
C Sun Mfg Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material

Description

晶體生長裝置
本新型是有關於一種晶體生長裝置，特別是指一種具有流體式熱交換器的晶體生長裝置。
參閱圖1，是一現有的晶體生長裝置900。晶體的生長製程可概區分為加熱、熔解、長晶、退火及冷卻五個階段。於熔解階段，晶體生長裝置900透過加熱器91對坩堝92內的矽料93加熱，使矽料93完全熔解。於長晶階段，預先鋪設於坩堝92底壁內壁面的晶種94能使熔解的矽料93從晶種94往上定向凝固結晶。晶體生長裝置900包含有一設置於長晶平台95及坩堝92底壁且位於坩堝92的一中心線A上的熱交換器96。熱交換器96用於提升長晶平台95的散熱效果以避免晶種94於熔解階段熔化，且能受控而於不同階段提供不同的散熱效果。
然而，由於熱交換器96是位於中心線A上且直接接觸坩堝92底壁，因此熱交換器96僅能降低鄰近中心線A的晶種94之溫度，而遠離中心線A的晶種94於熔解階段仍會因溫度過高而熔解。此外，於長晶階段，由於熱交換器96造成鄰近中心線A的矽料93溫度較低，遠離中心線A的矽料93溫度較高，如此會導致矽料93長成如圖2所示中心高、周緣低的形狀，使凝固的矽料93無法做最佳的利用。再者，量測矽料93於中心線A的溫度對於製程的掌控相當重要，然而由於晶體生長裝置900的熱交換器96佔據 了一溫度感測器97的設置位置，導致溫度感測器97無法量測到矽料93於中心線A上的溫度。因此，如何發展出一種新的晶體生長裝置，能克服前述現有技術的缺點，遂成為本案進一步要探討的重點。
因此，本新型之目的，即在提供一種能提升長晶效果的晶體生長裝置。
於是，本新型晶體生長裝置，包含一爐體、一長晶平台、一坩堝、一加熱單元、一傳熱塊及一流體式熱交換器。該爐體界定一腔室。該長晶平台設置於該腔室內，且具有一頂面及一底面。該坩堝設置於該長晶平台的頂面並供一原料及一晶種層容置。該加熱單元設置於該腔室內並分布於該坩堝周側。該傳熱塊設置於該長晶平台的底面，且由高導熱係數之材料製成。該流體式熱交換器設置於該傳熱塊以帶走該傳熱塊的熱量。
較佳地，該傳熱塊具有一上表面及一下表面，該上表面接觸該長晶平台的底面。
較佳地，該傳熱塊還具有一側表面，及一連接該側表面及該下表面的倒角斜面。
較佳地，該倒角斜面與該下表面所夾的角度介於145度至165度之間。
較佳地，該傳熱塊的上表面之面積不小於該長晶平台的底面之面積的70%。
較佳地，該傳熱塊是以石墨、鉬或鎢為材料製成。
較佳地，該流體式熱交換器包括一供應一流體的流體供應單元、一連通該流體供應單元並用於控制該流體之流量的流量控制單元，及一連通該流體控制單元且接觸該傳熱塊的熱交換單元。
較佳地，該長晶平台界定一第一通道，該傳熱塊界定一連通該第一通道的第二通道，該熱交換單元界定一連通該第二通道的第三通道，該第一通道、該第二通道及該第三通道概位於該坩堝的一中心線上，該晶體生長裝置還包含一設置於該第一通道、該第二通道及該第三通道內的溫度感測器，該溫度感測器的一端鄰近該坩堝的底面。
較佳地，該熱交換單元具有一接觸該傳熱塊的外管體，及一設置於該外管體內的內管體，該內管體連通於該流量控制單元與該外管體之間，該外管體界定出該第三通道。
較佳地，該外管體是向上插設於該傳熱塊，且該外管體插入該傳熱塊的深度介於該傳熱塊的厚度之25%至45%。
較佳地，該流體為具有高導熱係數的液體或氣體。更佳地，該流體為一氦氣或一氬氣。
本新型之功效在於藉由該傳熱塊均勻地傳導來自該長晶平台的熱量，搭配該流體式熱交換器帶走該傳熱塊的熱量，能使該晶種層的溫度均勻地維持於熔點以下，進而使該原料能均勻地向上凝固。
有關本新型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一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖3與圖4，是本新型晶體生長裝置之較佳實施例。晶體生長裝置包含一爐體11、一提籠12、一長晶平台2、一坩堝3、一加熱單元4、一傳熱塊5、一流體式熱交換器6，及一溫度感測器7。坩堝3具有一中心線L。
爐體11界定一腔室110。長晶平台2設置於腔室110內，且具有一頂面21及一底面22。長晶平台2在本實施例中是由高導熱係數之材料製成。長晶平台2界定一位於該坩堝3的中心線L上且沿該中心線L延伸的第一通道201。
坩堝3設置於腔室110內且設置於長晶平台2的頂面21，並供一原料81及一晶種層82容置。坩堝3具有一底壁31，及一由其底壁31周緣向上延伸的圍繞壁32。晶種層82是設置於底壁31的一內壁面311上。原料81是設置於晶種層82的上方，在本實施例中原料81為一矽料，但不以此為限。由於坩堝3與長晶平台2接觸，因此坩堝3的熱量將傳遞至長晶平台2。
加熱單元4設置於該腔室110內，並包括複數個分布於坩堝3周側的加熱器41。加熱單元4用於對坩堝3內的原料81加熱。於熔解階段，加熱單元4用於將原料81加熱至完全熔解。
提籠12設置於腔室110內且籠罩坩堝3，且能相對於坩堝3升降。當由熔解階段進入長晶階段時，提籠12能緩 慢上升，使原料81從其底部開始冷卻並往上定向凝固結晶。
傳熱塊5設置於該長晶平台2的底面22，且具有一上表面51、一下表面52、一連接上表面51的側表面53，及一連接側表面53及下表面52的倒角斜面54。傳熱塊5界定一位於該坩堝3的中心線L上且沿該中心線L延伸的第二通道501，且第二通道501連通第一通道201。上表面51接觸長晶平台2的底面22，故長晶平台2的熱量將傳遞至傳熱塊5。由於傳熱塊5是由高導熱係數之材料製成，因此傳熱塊5接收來自長晶平台2的熱量後會迅速地將熱量由上表面51朝傳熱塊5其他部位傳遞，使熱量均勻地分布於傳熱塊5內部。本實施例的傳熱塊5是以石墨為材料製成，傳熱塊5也可以是以鉬或鎢為材料製成。傳熱塊5的上表面51之面積越大，長晶平台2的熱量能越均勻地傳遞至傳熱塊5，傳熱塊5的上表面51面積以不小於長晶平台2底面22面積的70%為佳。值得一提的是，倒角斜面54能使傳熱塊5的熱量較均勻地分布於傳熱塊5內部。倒角斜面54與下表面52所夾的角度θ以介於145度至165度之間為佳。
流體式熱交換器6包括一供應一流體的流體供應單元61、一連通流體供應單元61並用於控制該流體之流量的流量控制單元62，及一連通流體控制單元且接觸傳熱塊5的熱交換單元63。該流體為具有高導熱係數的液體或氣體。液體以水為佳。氣體以氦氣或氬氣為佳，且氣體熱傳導的 效率較液體佳。由於不同的製程階段需要不同的散熱效果，流體式熱交換器6能藉由流量控制單元62調節該流體的流量以調節其散熱的效果。熱交換單元63具有一接觸傳熱塊5的外管體631，及一設置於外管體631內的且連通於流量控制單元62與外管體631之間內管體632。外管體631是向上插設於傳熱塊5，且界定一位於該坩堝3的中心線L上且沿該中心線L延伸的第三通道601，該第三通道601連通該第二通道501。該流體由流體供應器依序經由流量控制單元62、熱交換單元63的內管體632、外管體631，最後流至熱交換單元63外部，且於流經外管體631時與傳熱塊5產生熱交換(Heat exchange)而將傳熱塊5的熱量帶走。流體流出熱交換單元63後可被回收、冷卻並再次利用。
值得一提的是，雖熱交換單元63吸收傳熱塊5鄰近中心線L區域之熱量，但由於傳熱塊5的熱量傳導速率極高，因此使得傳熱塊5上表面51的溫度仍為均勻分布(即上表面51無論遠離中心線L或鄰近中心線L其溫度概為相同)。進而使得長晶平台2、坩堝3、晶種層82及原料81的熱量也能均勻地向下傳遞。藉此，能避免如現有技術中部分晶種被熔化的情況產生。換句話說，傳熱塊5於熱量的傳遞上產生緩衝的效果。此外，如圖5所示，由於原料81及晶種的溫度分布均勻，使得生長的晶體也較均勻平坦，從而能提升晶體的利用性。
再者，當外管體631插入該傳熱塊5的深度D1 介於該傳熱塊5的厚度D2 之25%至45%時，能於傳熱塊5的上表 面51產生較均勻的溫度分布。
溫度感測器7呈棒狀且設置於第一通道201、第二通道501及第三通道601內，且向下延伸至爐體11外部。溫度感測器7的頂端鄰近該坩堝3的底面以量測原料81於中心線L上的溫度。溫度感測器7可與一控制電路(圖未示)電連接，使控制電路能根據量測結果控制加熱單元4及其他元件。藉由溫度感測器7、第一通道201、第二通道501及第三通道601的相互配合，晶體生長裝置能量測原料81於中心線L上的溫度，進而能根據量測的結果調整原料81的溫度，從而提升晶體生長的良率。
綜上所述，本新型晶體生長裝置藉由傳熱塊5均勻地傳導來自長晶平台2的熱量，搭配流體式熱交換器6帶走傳熱塊5的熱量，能使晶種層82的溫度均勻地維持於熔點以下，進而使原料81能均勻地向上凝固，再者，透過第一通道201、第二通道501及第三通道601可供溫度感測器7通過，使溫度感測器7能設置於坩堝3的中心線L上，從而能根據量測的溫度對製程進行較佳的控制，故確實能達成本新型之目的。
惟以上所述者，僅為本新型之較佳實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本新型申請專利範圍及新型說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。
11‧‧‧爐體
110‧‧‧腔室
12‧‧‧提籠
2‧‧‧長晶平台
21‧‧‧頂面
22‧‧‧底面
201‧‧‧第一通道
3‧‧‧坩堝
31‧‧‧底壁
32‧‧‧圍繞壁
311‧‧‧內壁面
4‧‧‧加熱單元
41‧‧‧加熱器
5‧‧‧傳熱塊
51‧‧‧上表面
52‧‧‧下表面
53‧‧‧側表面
54‧‧‧倒角斜面
501‧‧‧第二通道
6‧‧‧流體式熱交換器
61‧‧‧流體供應單元
62‧‧‧流量控制單元
63‧‧‧熱交換單元
631‧‧‧外管體
632‧‧‧內管體
601‧‧‧第三通道
7‧‧‧溫度感測器
81‧‧‧原料
82‧‧‧晶種層
θ‧‧‧角度
D1 ‧‧‧深度
D2 ‧‧‧厚度
L‧‧‧中心線
900‧‧‧晶體生長裝置
91‧‧‧加熱器
92‧‧‧坩堝
93‧‧‧矽料
94‧‧‧晶種
95‧‧‧長晶平台
96‧‧‧熱交換器
97‧‧‧溫度感測器
A‧‧‧中心線
圖1是一現有的晶體生長裝置的一剖視示意圖； 圖2是圖1之晶體生長裝置的一坩堝及一凝結完成之矽料的一剖視示意圖，說明該矽料的形狀中心高、周緣低；圖3是一本新型晶體生長裝置的較佳實施例的一剖視示意圖；圖4是該較佳實施例的一局部剖視示意圖；及圖5是該較佳實施例的一坩堝及一凝結完成之原料的一剖視示意圖，說明該原料的形狀平坦、均勻。
2‧‧‧長晶平台
21‧‧‧頂面
22‧‧‧底面
201‧‧‧第一通道
3‧‧‧坩堝
31‧‧‧底壁
32‧‧‧圍繞壁
311‧‧‧內壁面
5‧‧‧傳熱塊
51‧‧‧上表面
52‧‧‧下表面
53‧‧‧側表面
54‧‧‧倒角斜面
501‧‧‧第二通道
6‧‧‧流體式熱交換器
61‧‧‧流體供應單元
62‧‧‧流量控制單元
63‧‧‧熱交換單元
631‧‧‧外管體
632‧‧‧內管體
601‧‧‧第三通道
7‧‧‧溫度感測器
81‧‧‧原料
82‧‧‧晶種層
θ‧‧‧角度
D1 ‧‧‧深度
D2 ‧‧‧厚度
L‧‧‧中心線

Claims (12)

  1. 一種晶體生長裝置，包含：一爐體，界定一腔室；一長晶平台，設置於該腔室內，且具有一頂面及一底面；一坩堝，設置於該長晶平台的頂面並供一原料及一晶種層容置；一加熱單元，設置於該腔室內並分布於該坩堝周側；一傳熱塊，設置於該長晶平台的底面，且由高導熱係數之材料製成；及一流體式熱交換器，設置於該傳熱塊以帶走該傳熱塊的熱量。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之晶體生長裝置，其中，該傳熱塊具有一上表面及一下表面，該上表面接觸該長晶平台的底面。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之晶體生長裝置，其中，該傳熱塊還具有一側表面，及一連接該側表面及該下表面的倒角斜面。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之晶體生長裝置，其中，該倒角斜面與該下表面所夾的角度介於145度至165度之間。
  5. 依據申請專利範圍第2項所述之晶體生長裝置，其中，該傳熱塊的上表面之面積不小於該長晶平台的底面之面 積的70%。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之晶體生長裝置，其中，該傳熱塊是以石墨、鉬或鎢為材料製成。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之晶體生長裝置，其中，該流體式熱交換器包括一供應一流體的流體供應單元、一連通該流體供應單元並用於控制該流體之流量的流量控制單元，及一連通該流體控制單元且接觸該傳熱塊的熱交換單元。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之晶體生長裝置，其中，該長晶平台界定一第一通道，該傳熱塊界定一連通該第一通道的第二通道，該熱交換單元界定一連通該第二通道的第三通道，該第一通道、該第二通道及該第三通道概位於該坩堝的一中心線上，該晶體生長裝置還包含一設置於該第一通道、該第二通道及該第三通道內的溫度感測器，該溫度感測器的一端鄰近該坩堝的底面。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之晶體生長裝置，其中，該熱交換單元具有一接觸該傳熱塊的外管體，及一設置於該外管體內的內管體，該內管體連通於該流量控制單元與該外管體之間，該外管體界定出該第三通道。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述之晶體生長裝置，其中，該外管體是向上插設於該傳熱塊，且該外管體插入該傳熱塊的深度介於該傳熱塊的厚度之25%至45%。
  11. 依據申請專利範圍第7項所述之晶體生長裝置，其中，該流體為具有高導熱係數的液體或氣體。
  12. 依據申請專利範圍第11項所述之晶體生長裝置，其中，該流體為一氦氣或一氬氣。
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