TWM543880U - 用於長晶之冷卻式熱遮罩 - Google Patents

Description

用於長晶之冷卻式熱遮罩

本新型創作是有關於一種熱遮罩，且特別是有關於一種用於長晶之冷卻式熱遮罩。

長晶爐係用以將固態之原料(例如矽原料)加熱熔化成液態後，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。目前單晶矽晶棒的製造，大多係利用如柴氏法(Czochralski Method)、磁場直拉(MCZ)法或熔湯提拉法來進行長晶。

在長晶的過程中，若增加爐腔內的溫度梯度，使爐腔頂部的溫度處於相對較低的溫度，則當晶棒通過爐腔頂部時，會具有較好的散熱效果，如此可增加晶棒的結晶品質。因此，要如何控制爐腔內的溫度梯度，在長晶的過程中非常重要。

本新型創作提供一種用於長晶之冷卻式熱遮罩，可以在 長晶的過程中，增加長晶爐內的溫度梯度。

本新型創作的一種用於長晶之冷卻式熱遮罩，包括遮罩裝置、冷卻器、支撐結構以及絕熱材。遮罩裝置圍繞晶體生長區。遮罩裝置包括水平座、導流器、底座以及連接部。水平座遠離晶體生長區。導流器接近晶體生長區。導流器的外側高度大於導流器的內側高度。底座與導流器的底部連接。連接部連接底座與水平座。冷卻器位於遮罩裝置的內側，並圍繞晶體生長區的上方。冷卻器的底部與導流器的頂部互相靠近。支撐結構與水平座接合，並與冷卻器的頂部連接。絕熱材位於連接部與導流器之間以及連接部與冷卻器之間。

在本新型創作的一實施例中，上述的第一高度與第二高度的比值介於1.1至3之間。

在本新型創作的一實施例中，上述的水平座與連接部夾有第一角度，且第一角度介於90度至150度之間。

在本新型創作的一實施例中，上述的連接部與底座夾有第二角度，且第二角度介於90度至150度之間。

在本新型創作的一實施例中，上述的底座與導流器夾有第三角度，且第三角度為90度。

在本新型創作的一實施例中，上述的支撐結構與冷卻器夾有第四角度，且第四角度介於45度至135度之間。

在本新型創作的一實施例中，上述的冷卻器的底部與導流器的頂部接觸。

在本新型創作的一實施例中，上述的絕熱材具有多層結構。

在本新型創作的一實施例中，上述的水平座的長度小於300毫米。

在本新型創作的一實施例中，上述的冷卻器中包括水。

基於上述，本新型創作利用用於長晶之冷卻式熱遮罩中的導流器設計，可以在長晶的過程中，避免長晶爐內的擾流，進而增加長晶爐內的溫度梯度，以減少晶體上氧化物的堆積。另外，本新型創作可以藉由調整連接部與底座之間的夾角，增加用於長晶之冷卻式熱遮罩導流降氧的能力。此外，本新型創作中的絕熱材如具有多層結構，也能進一步提升保溫能力，除了能節能減碳以外，還能進一步增加長晶爐內的溫度梯度。

為讓本新型創作的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧用於長晶之冷卻式熱遮罩

100‧‧‧爐壁

110、210‧‧‧遮罩裝置

112‧‧‧水平座

114、214‧‧‧連接部

116‧‧‧底座

118‧‧‧導流器

118a、130a‧‧‧頂部

118b、130b、330b‧‧‧底部

120‧‧‧絕熱材

130、230、330‧‧‧冷卻器

140‧‧‧支撐結構

150‧‧‧支撐台

160‧‧‧坩堝

170‧‧‧加熱器

180‧‧‧熔湯

190‧‧‧晶體

214a‧‧‧第一部分

214b‧‧‧第二部分

214c‧‧‧第三部分

D1‧‧‧距離

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

L‧‧‧長度

R‧‧‧晶體生長區

α‧‧‧第一角度

α 1‧‧‧第一轉折角

β‧‧‧第二角度

β 1‧‧‧第二轉折角

γ‧‧‧第三角度

δ‧‧‧第四角度

圖1A是裝設有本新型創作一實施例的一種用於長晶之冷卻式熱遮罩的長晶爐的剖面示意圖。

圖1B是圖1A中的用於長晶之冷卻式熱遮罩的部分剖面示意圖。

圖2是依照本新型創作的又一實施例的一種用於長晶之冷卻 式熱遮罩的部分剖面示意圖。

圖3是依照本新型創作的再一實施例的一種用於長晶之冷卻式熱遮罩的部分剖面示意圖。

圖4是本新型創作實驗例1中，連接部與底座之間的第二角度與晶體中的氧含量的關係圖。

圖5是本新型創作實驗例2中，支撐結構與冷卻器之間的第四角度與長晶爐的能耗及溫度梯度的關係圖。

圖6是本新型創作實驗例3中，絕熱材的材料的導熱係數與長晶爐的能耗及溫度梯度的關係圖。

圖1A是裝設有本新型創作之一實施例的一種用於長晶之冷卻式熱遮罩的長晶爐的剖面示意圖。

請參考圖1A，長晶爐包括爐壁100、用於長晶之冷卻式熱遮罩10、支撐台150、坩堝160以及加熱器170。用於長晶之冷卻式熱遮罩10、支撐台150、坩堝160以及加熱器170位於爐壁100內。支撐台150用以支撐坩堝160。加熱器170位於爐壁100與用於長晶之冷卻式熱遮罩10之間。

本實施例的用於長晶之冷卻式熱遮罩10包括遮罩裝置110、絕熱材120、冷卻器130以及支撐結構140。遮罩裝置110圍繞晶體生長區R，因此圖1A的剖面圖雖然顯示遮罩裝置110在晶體生長區R兩側，但應可理解遮罩裝置110實際上接近筒狀。 冷卻器130則位於遮罩裝置110的內側，並圍繞晶體生長區R的上方。冷卻器130的底部130b與遮罩裝置110互相靠近。支撐結構140與遮罩裝置110接合，並與冷卻器130的頂部130a連接。絕熱材120位於遮罩裝置110上。

請繼續參考圖1A，在坩堝160內裝有熔湯180。晶體生長區R內具有晶體190，晶體190固定於上方的拉晶棒(未繪示)。在本實施例中，晶體190是由熔湯180中藉由拉晶棒拉出的單晶。更具體地說，本實施例是使用柴氏法形成晶體190，但本新型創作並不限於此。

在本實施例中，用於長晶之冷卻式熱遮罩10用來阻擋加熱器170發出的熱傳遞到晶體生長區R的上方，因此，可以在長晶的過程中，增加長晶爐內的溫度梯度，改善半導體晶體的製造品質及生產效率。

圖1B是圖1A中的用於長晶之冷卻式熱遮罩10的部分剖面示意圖。圖1B省略繪示了圖1A中的用於長晶之冷卻式熱遮罩10的右半部分。

請參考圖1B，遮罩裝置110包括水平座112、連接部114、底座116以及導流器118。

水平座112遠離晶體生長區R，且支撐結構140與水平座112接合。在一實施例中，水平座112的長度L例如小於300毫米，且可以藉由更改水平座112的長度L，獲得不同的絕熱效果。在一實施例中，長度L越長，能讓遮罩裝置110越接近晶棒， 使用於長晶之冷卻式熱遮罩有較好的導流能力，除了能降低晶體中的含氧量以外，還能提升長晶爐內的溫度梯度。在一實施例中，遮罩裝置110的材料例如鉬，然而本新型創作不限於此。在其他實施例中，只要是適用於長晶設備之金屬，皆可以做為本創作遮罩裝置110的材料。

請繼續參考圖1B，導流器118接近晶體生長區R，且導流器118的外側的第一高度H1大於導流器118的內側的第二高度H2，換句話說，導流器118靠近晶體生長區R側的第二高度H2小於導流器118遠離晶體生長區R側的第一高度H1。因此，本實施例可以藉由導流器118外高內低的設計，降低長晶爐內的擾流。在一實施例中，第一高度H1與第二高度H2的比值介於1.1至3之間。底座116與導流器118的底部118b連接。連接部114連接底座116與水平座112。在本實施例中，連接部114與底座116以及水平座112垂直，換句話說，連接部114與底座116之間的夾角以及連接部114與水平座112之間的夾角皆為90度，然而本新型創作不限於此。在其他實施例中，連接部114與水平座112之間的夾角以及連接部114與底座116之間的夾角不為90度。

至於支撐結構140是與水平座112接合，並與冷卻器130的頂部130a連接。冷卻器130的底部130b與導流器118的頂部118a互相靠近。在本實施例中，冷卻器130的底部130b與導流器118的頂部118a之間具有距離D1，然而本新型創作不限於此。在其他實施例中，冷卻器130的底部130b與導流器118的頂部118a 可以互相接觸，並藉此進一步降低長晶爐內的擾流，以減少晶體上氧化物的堆積。

在一實施例中，冷卻器130中包括水，換句話說，冷卻器130藉由水來冷卻晶體生長區R的上方部分。一旦冷卻器130的冷卻效果越好，越能增加長晶爐內的溫度梯度，提升晶體的生長效率。在本實施例中，冷卻器130與支撐結構140垂直，換句話說，冷卻器130與支撐結構140之間的夾角為90度，然而本新型創作不限於此。在其他實施例中，冷卻器130與支撐結構140之間的夾角不為90度。

本實施例的絕熱材120位於連接部114與導流器118之間以及連接部114與冷卻器130之間。在圖1B中，絕熱材120和導流器118之間以及和冷卻器130之間具有空隙，然而本新型創作不限於此。在其他實施例中，絕熱材120和導流器118之間以及和冷卻器130之間的空隙可被絕熱材120完全填滿，藉此獲得最佳的絕熱效果。在本實施例中，絕熱材120的材料例如碳纖、氧化鋯或其組合，更具體地說，絕熱材120的材料可以包括特殊編法的碳纖材、特製的氧化鋯球或其組合，然而本新型創作不限於此。在其他實施例中，絕熱材120的材料可為導熱係數小於0.1的材料，藉此進一步提升用於長晶之冷卻式熱遮罩的保溫能力。

在另一實施例中，絕熱材120可具有多層結構，更具體地說，可以藉由調整絕熱材120的層數以控制絕熱效果。絕熱材120的厚度越厚或層數越多，絕熱材120會有越好的絕熱效果，除 了可以減少熱能的損耗，還能進一步提升爐內的溫度梯度並降低晶體中的含氧量。

圖2是依照本新型創作的又一實施例的一種用於長晶之冷卻式熱遮罩的部分剖面示意圖。

請參考圖2，在此必須說明的是，圖2的實施例沿用前一實施例(圖1B)的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2與圖1B的差異在於：在圖2的實施例中，連接部214與水平座112之間的夾角以及連接部214與底座116之間的夾角不為90度，且連接部214具有兩個轉折角；以及冷卻器230與支撐結構140之間的夾角不為90度。

在一實施例中，水平座112與連接部214夾有第一角度α，且第一角度α例如介於90度至150度之間。在一實施例中，連接部214與底座116夾有第二角度β，且第二角度β例如介於90度至150度之間。當第二角度β越小，可以使越多氣流流經氧揮發區，使用於長晶之冷卻式熱遮罩有較好的導流能力，並能降低晶體中的含氧量。在一實施例中，底座116與導流器118夾有第三角度γ，且第三角度γ例如90度。在一實施例中，支撐結構140與冷卻器230夾有第四角度δ，且第四角度δ例如介於45度至135度之間。

在本實施例中，連接部214具有靠近水平座112的第一 部分214a、靠近底座116的第三部分214c以及連接第一部分214a與第三部分214c的第二部分214b。第一部分214a與第二部分214b之間夾有第一轉折角α 1，且第二部分214b與第三部分214c之間夾有第二轉折角β 1。第一轉折角α 1使連接部214往用於長晶之冷卻式熱遮罩的外側彎曲，而第二轉折角β 1使連接部214往用於長晶之冷卻式熱遮罩的內側彎曲。在本實施例中，第一轉折角α 1等於第二轉折角β 1，換句話說，第一角度α與第二角度β也是相同的角度。

圖3是依照本新型創作的再一實施例的一種用於長晶之冷卻式熱遮罩的部分剖面示意圖。

請參考圖3，在此必須說明的是，圖3的實施例沿用前一實施例(圖2)的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖3與圖2的差異在於：冷卻器330與支撐結構140之間的夾角為90度，且冷卻器330的底部330b與導流器118的頂部118a接觸。在本實施例中，冷卻器330與支撐結構140之間的夾角為90度，冷卻器330幅射冷卻的效果最好，晶體溫度較低，導致晶體固液界面處溫梯較高，因此，可以獲得較佳的晶體的生長效率。此外，本實施例的冷卻器330可以降低長晶爐內的擾流，以減少晶體上氧化物的堆積。

以下列舉實驗來驗證本新型創作的功效，但本新型創作 之範圍並不侷限於以下實驗。

實驗例1

將矽置入長晶爐的坩堝中，並將晶種固定於長晶爐的拉晶棒上。長晶爐通入流量為60slpm的氬氣，並將爐壓控制於20torr。將長晶爐內的溫度升溫至1685K以上，使矽熔融於坩鍋中。在開始進行晶體成長時，拉晶棒以16rpm順時針方向旋轉，而坩鍋以14rpm逆時針方向旋轉。在實驗例1中，固定用於長晶之冷卻式熱遮罩的水平座的長度為160mm，支撐結構與冷卻器之間的第四角度為113度，導流器與冷卻器互相接觸，且絕熱材為單層碳纖，而此處使用的碳纖是東海碳素(NTC)生產的絕熱碳纖。改變連接部與底座之間的第二角度分別為102.8度、129.5度或140.69度，計算熔湯與晶體界面的氧含量並顯示於圖4。由圖4可以發現，當第二角度越小，則晶體中的氧含量較小。

實驗例2

按照實驗例1的長晶條件，但改變支撐結構與冷卻器之間的第四角度分別為113度和90度，測量長晶爐中的溫度梯度(mm/K)與長晶爐能耗(kW)並顯示於圖5。由圖5可以發現，當第四角度為113度時，長晶爐的能耗較低，可以更節省能源。當第四角度為90度時，冷卻器幅射冷卻的效果最好，晶體溫度較低，導致晶體固液界面處溫梯較高，可以獲得較佳的晶體的生長效率。

實驗例3

按照實驗例1的長晶條件，但改變支撐結構與冷卻器之間的第四角度為90度，且絕熱材為導熱係數(W/mK)分別大於0.2與小於0.1的多層碳纖，其中的多層碳纖指的是兩層以上(包含兩層)堆疊在一起的碳纖，而此處使用的碳纖是東海碳素(NTC)生產的絕熱碳纖。然後測量長晶爐中的溫度梯度(mm/K)與長晶爐能耗(kW)並顯示於圖6。由圖6可以發現，當絕熱材為導熱係數小於0.1的材料時，長晶爐的能耗較低，且長晶爐內的溫度梯度較高，能夠較節省能源，還可以獲得較佳的晶體的生長效率。

綜上所述，本新型創作藉由改良用於長晶之冷卻式熱遮罩的導流器，使其具有外高內低的形狀，所以避免長晶爐內的擾流，進而增加長晶爐內的溫度梯度，以減少晶體上氧化物的堆積。此外，本新型創作藉由增加水平座的長度，能讓遮罩裝置越接近晶棒，使用於長晶之冷卻式熱遮罩有較好的導流能力。另外，本新型創作藉由改變連接部與底座之間的夾角，可以使越多氣流流經氧揮發區，改進冷卻式熱遮罩的導流能力，並能降低晶體中的含氧量。再者，本新型創作藉由增加絕熱材的厚度，可獲得更好的絕熱效果，不但可以減少熱能的損耗以外，還能進一步提升爐內的溫度梯度並降低晶體中的含氧量。此外，本新型創作藉由使冷卻器的底部與導流器的頂部接近甚至彼此接觸，能進一步降低長晶爐內的擾流，以減少晶體上氧化物的堆積。而且，本新型創作還可藉由增加冷卻器的冷卻效果，使長晶爐內的溫度梯度增加，提升晶體的生長效率。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧遮罩裝置

112‧‧‧水平座

116‧‧‧底座

118‧‧‧導流器

118a、130a‧‧‧頂部

118b、130b‧‧‧底部

120‧‧‧絕熱材

130‧‧‧冷卻器

140‧‧‧支撐結構

D1‧‧‧距離

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

L‧‧‧長度

R‧‧‧晶體生長區

Claims (10)

1. 一種用於長晶之冷卻式熱遮罩，包括： 一遮罩裝置，圍繞一晶體生長區，其中該遮罩裝置包括： 一水平座，遠離該晶體生長區； 一導流器，接近該晶體生長區，其中該導流器的外側具有第一高度且該導流器的內側具有第二高度，該第一高度大於該第二高度； 一底座，與該導流器的底部連接；以及 一連接部，連接該底座與該水平座； 一冷卻器，位於該遮罩裝置的內側，並圍繞該晶體生長區的上方，且該冷卻器的底部與該導流器的頂部互相靠近； 一支撐結構，與該遮罩裝置的該水平座接合，並與該冷卻器的頂部連接；以及 一絕熱材，位於該連接部與該導流器之間以及該連接部與該冷卻器之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該第一高度與該第二高度的比值介於1.1至3之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該水平座與該連接部夾有一第一角度，且該第一角度介於90度至150度之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該連接部與該底座夾有一第二角度，且該第二角度介於90度至150度之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該底座與該導流器夾有一第三角度，且該第三角度為90度。
6. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該支撐結構與該冷卻器夾有一第四角度，且該第四角度介於45度至135度之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該冷卻器的該底部與該導流器的該頂部接觸。
8. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該絕熱材具有多層結構。
9. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該水平座的長度小於300毫米。
10. 如申請專利範圍第1項所述的用於長晶之冷卻式熱遮罩，其中該冷卻器中包括水。