TWM554222U - 長晶裝置及熱反射式保溫管 - Google Patents

Abstract

一種長晶裝置包括爐腔、坩堝、熱帷幕及熱反射式保溫管。爐腔頂部的閥口連通其內部的容置空間。坩堝設置於容置空間內。熱帷幕設置於容置空間內且位在坩堝上方。熱帷幕呈中空狀且其頂開口與底開口的距離定義為一深度。熱反射式保溫管位於容置空間內並吊掛在爐腔的閥口。熱反射式保溫管的局部穿過頂開口並插入在熱帷幕內，且未接觸於熱帷幕。熱反射式保溫管的底緣與頂開口之間的距離小於該深度、並大於85%的該深度。熱反射式保溫管能用來導引惰性氣體氣流經由閥口並沿著熱反射式保溫管而朝向坩堝方向流動。本創作另提供一種熱反射式保溫管。

Description

長晶裝置及熱反射式保溫管

本創作涉及一種長晶裝置，尤其涉及一種具有熱反射式保溫管的長晶裝置。

近年來，半導體產業蓬勃發展，其中矽晶圓為半導體產業最基本的必需品。矽晶圓成長的方式包括浮熔帶長晶法(Floating Zone Method)、雷射加熱提拉長晶法(Laser Heated Pedestal Growth)以及柴氏長晶法(Czochralski Method，簡稱CZ法)等。其中柴氏長晶法因具有較佳的經濟效益，故成為目前大尺寸晶圓的主要生長方式。

在CZ法的單晶生長(growth of single crystal)中，在維持減壓下的惰性氣體(如：氬氣、氮氣、氦氣)環境的腔室內，將晶種(seed crystal)浸漬於坩堝(crucible)內所積存的矽的原料熔湯中，並將所浸漬的晶種緩慢提拉，藉此於晶種的下方生長出單晶矽。

然而，在現有用於CZ法的長晶裝置中，由於其不具有任何氣體導流管的設計，因此在晶體生長時，爐腔內的惰性氣體流動較為紊亂，容易導致氧化物的堆積及氧化物掉落至熔湯的情況發生，進而影響了長晶的品質，並且容易導致生長中的晶體界面被上述掉落的氧化物雜質擊中而有晶格錯位的情況發生。再者，在現有用於CZ法的長晶裝置中，由於其不具有任何保溫管的設計，因此在整個晶體生長過程需要消耗較多的電力才能完成晶體生長程序，從而提升了晶棒製造的成本。

於是，本創作人有感上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本創作。

本創作實施例在於提供一種長晶裝置及其熱反射式保溫管，能有效地改善現有位置調整裝置所可能產生的缺陷。

本創作實施例公開一種長晶裝置，包括：一爐腔，其內包圍形成有一容置空間，並且所述爐腔頂部形成有連通所述容置空間的一閥口；一坩堝，其設置於所述容置空間內；一熱帷幕，其設置於所述容置空間內並且位在所述坩堝的上方，所述熱帷幕呈中空狀且具有一頂開口與一底開口，並且所述頂開口與所述底開口的距離定義為一深度；以及一熱反射式保溫管，其位於所述容置空間內並吊掛在所述爐腔的所述閥口，所述熱反射式保溫管的局部穿過所述頂開口並插入在所述熱帷幕內；其中，所述熱反射式保溫管未接觸於所述熱帷幕，且所述熱反射式保溫管的底緣與所述熱帷幕的所述頂開口之間的距離小於所述深度、並大於85%的所述深度；其中，所述熱反射式保溫管能用來導引惰性氣體氣流，以使所述惰性氣體氣流經由所述閥口並沿著所述熱反射式保溫管的內部而朝向所述坩堝方向流動。

本創作實施例另公開一種熱反射式保溫管，包括：一管狀部，其具有一中區段以及自所述中區段相反兩端延伸的一上區段與一下區段，並且所述中區段形成有一觀測孔；以及一吊掛部，其相連於所述管狀部的所述上區段頂緣；其中，所述熱反射式保溫管的厚度介於3毫米至5毫米，所述熱反射式保溫管的熔點大於1500℃且不與矽產生化學反應。

綜上所述，本創作實施例所公開的長晶裝置，能透過所述熱反射式保溫管的結構設計，及其與周邊元件(如：爐腔與熱帷幕) 的位置配置關係，以使得所述惰性氣體氣流(如：氬氣氣流、氮氣氣流、氦氣氣流)在爐腔內的氣場流動更佳順暢，進而減少了晶體生長時之氧化物的堆積及氧化物掉落至熔湯的情況發生，並且可以降低因雜質擊中所述晶體生長界面而導致晶體錯位發生的機率。

本創作實施例所公開的長晶裝置，能透過所述熱反射式保溫管的設置，可以使得所述熔湯表面的熱輻射保留在反射式保溫管內，從而達到了保溫節能的效果。

再者，所述熱反射式保溫管的熔點大於1500℃且不與矽產生化學反應，藉此，若所述熱反射式保溫管不慎與坩堝中的熔湯接觸，也可以有效避免熔湯被汙染的情況發生。

另，所述熱反射式保溫管上可通過形成有觀測孔，以使得長晶裝置的操作人員可以透過所述觀測孔搭配爐腔上的監測孔方便地監控坩堝內晶體生長及熔湯的狀況。

為更進一步瞭解本創作的特徵及技術內容，請參閱以下有關本創作的詳細說明與附圖，然而附圖僅提供參考與說明用，並非用來對本創作的保護範圍作任何的限制。

100‧‧‧長晶裝置

1‧‧‧爐腔

11‧‧‧容置空間

12‧‧‧閥口

13‧‧‧監測孔

2‧‧‧坩堝

3‧‧‧吊線

4‧‧‧加熱元件

5‧‧‧熱帷幕

51‧‧‧頂開口

52‧‧‧底開口

6‧‧‧熱反射式保溫管

61‧‧‧管狀部

611‧‧‧中區段

612‧‧‧上區段

613‧‧‧下區段

614‧‧‧觀測孔

62‧‧‧吊掛部

7‧‧‧支撐件

F‧‧‧惰性氣體氣流

M‧‧‧熔湯

S‧‧‧晶種

D1‧‧‧深度

D2‧‧‧距離

G‧‧‧間隙

R1‧‧‧外徑

R2‧‧‧內徑

C‧‧‧中心線

L‧‧‧光線

圖1為本創作第一實施例長晶裝置的剖面示意圖。

圖2為本創作第一實施例惰性氣體氣流在爐腔中流動的示意圖。

圖3為本創作第一實施例長晶裝置與習知長晶裝置的晶體生長能耗模擬分析圖。

圖4為本創作第二實施例的長晶裝置的剖面示意圖。

請參閱圖1至圖3，為本創作的實施例，需先說明的是，各實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本創 作的實施方式，以便於了解本創作的內容，而非用來侷限本創作的保護範圍。

[第一實施例]

如圖1及圖2，其為本創作的第一實施例，本實施例公開一種長晶裝置100，包括一爐腔1、一坩堝2、一吊線3、一加熱元件4、一熱帷幕5、及一熱反射式保溫管6。需先說明的是，本實施例是以熱反射式保溫管6搭配於上述相對應元件來作說明，但本創作不限制熱反射式保溫管6與上述相對應元件之間的連接關係。

如圖1及圖2，所述爐腔1大致呈圓桶狀且其內部包圍形成有一容置空間11。所述爐腔1的頂部形成有連通容置空間11的一閥口12，並且所述閥口12可用來通過一惰性氣體氣流F(如：圖2)至所述容置空間11中。

所述坩堝2是由石英材質所製成。所述坩堝2設置於所述容置空間11內，並且所述坩堝2是用以容置一熔湯M。更詳細地說，所述坩堝2具有可盛裝熔料的一內部空間，並且可將所盛裝之熔料(如：多晶矽的半導體材料、或者是硼、磷的摻雜物)透過高溫而熔融於坩堝2之內部空間中而形成所述熔湯M。再者，由於所述坩堝2(石英坩堝)在高溫下容易軟化變形，進而導致所述熔湯M從坩堝2中流出的情況發生。因此，所述坩堝2的外圍可進一步設置有由石墨材質所製成的一支撐件7。藉此，所述支撐件7可提供坩堝2足夠的支撐力道，以避免所述熔湯M從坩堝2中流出的情況發生。

所述吊線3能穿設過閥口12且位於容置空間11內，並且所述吊線3是於晶體生長時用以向上拉提一晶種S以形成一晶棒(圖未繪示)。所述加熱元件4設置於容置空間11內且位於坩堝2及支撐件7的外側，用以加熱所述熔湯M。

所述熱帷幕5設置於爐腔1的容置空間11內，並且位在所述 坩堝2及熔湯M的上方。較佳地，所述熱帷幕5的底開口52與熔湯M表面的距離是介於5毫米至50毫米之間。M所述熱帷幕5可在將晶種S向上拉提的過程中隔絕輻射熱，進而控制並且提高所述晶棒的溫度梯度。更詳細地說，所述熱帷幕5呈中空圓柱狀且具有一頂開口51與一底開口52，所述頂開口51的直徑與底開口52的直徑可視晶體生長的需要而有不同大小的設計，並且所述頂開口51與底開口52的距離定義為一深度D1。

所述熱反射式保溫管6能穿設過爐腔1的閥口12而設置於爐腔1的容置空間11內，而所述吊線3是位於熱反射式保溫管6內。更詳細地說，所述熱反射式保溫管6包括有一管狀部61及相連於管狀部61頂緣的一吊掛部62(如：掛勾)。所述管狀部61的局部穿過熱帷幕5的頂開口51並插入在熱帷幕5的中空內部空間內，而所述吊掛部62吊掛在爐腔1的閥口12。其中，所述熱反射式保溫管6的所述管狀部61的底緣並未接觸於熱帷幕5，且所述熱反射式保溫管6的管狀部61的底緣與熱帷幕5的頂開口51之間的距離D2小於所述深度D1，並且大於85%的所述深度D1。

如圖2，所述熱反射式保溫管6能用來導引所述惰性氣體氣流F，以使惰性氣體氣流F經由爐腔1的閥口12、並且沿著所述熱反射式保溫管6的內部而朝向坩堝2方向流動。必須說明的是，圖2中僅以惰性氣體氣流F在爐腔1內右半部的流動狀態作說明，但於實際應用時，惰性氣體氣流F是會在整個爐腔1中流動。

藉此，本創作的長晶裝置100能透過所述熱反射式保溫管6的結構設計及其與周邊元件(如：爐腔1與熱帷幕5)的位置配置關係，以使得所述惰性氣體氣流F在爐腔1內的氣場流動更佳順暢(如：圖2)，進而減少了氧化物的堆積及氧化物掉落至熔湯M的情況發生，並且可以降低因掉落至熔湯M的氧化物擊中晶體生長界面而導致晶格錯位發生的機率。

再者，本創作的長晶裝置100能透過所述熱反射式保溫管6的底緣與熱帷幕5的頂開口51之間的距離D2小於所述深度D1且大於85%的所述深度D1的位置配置關係，以使得所述惰性氣體氣流F能在爐腔1內維持順暢地流動的同時，不會因為熱反射式保溫管6觸碰到熱帷幕5，而對熱帷幕5造成損壞。

更明確地說，若所述距離D2等於所述深度D1，則所述熱反射式保溫管6會觸碰到熱帷幕5而可能會對熱帷幕5造成損壞；反之，若所述距離D2小於85%的所述深度D1，則熱反射式保溫管6與熱帷幕5之間的間隙過大，從而擾亂了惰性氣體氣流F在爐腔1內的氣場流動。

請繼續參閱圖1及圖2，在本實施例中，所述熱反射式保溫管6與熱帷幕5之間較佳地是形成有不大於5毫米的一間隙G，藉此，可更有效地避免熱反射式保溫管6觸碰到熱帷幕5、並能確保惰性氣體氣流F在爐腔1內的氣場流動。再者，所述熱反射式保溫管6的管狀部61的內表面較佳地是呈光滑狀，藉此，可更有效地減少氧化物堆積於管狀部61的內表面。

另，所述熱反射式保溫管6的管狀部61的外徑R1於本實施例中不小於熱帷幕5的底開口52的內徑R2；其中，所述熱反射式保溫管6的管狀部61的外徑R1較佳地是不大於120%的底開口52的內徑R2，藉此，可以讓所述熱反射式保溫管6在熱帷幕5內插入足夠的深度D1，以使得所述惰性氣體氣流F能夠穩定地在爐腔1內流動。

在本實施例中，所述熱反射式保溫管6的厚度較佳地是介於3毫米(mm)至5毫米(mm)，但本創作不受限於此。再者，所述爐腔1定義有一中心線C，並且所述閥口12、熱帷幕5、及熱反射式保溫管6皆大致對稱於所述中心線C，而所述吊線3是大致重疊地設置於所述中心線C。

另，所述熱反射式保溫管6的熔點較佳地是大於1500℃且較佳地是不與矽產生化學反應，藉此，若所述熱反射式保溫管6不慎與坩堝2中的熔湯M接觸，也可以有效避免熔湯M被汙染的情況發生。更佳地，所述熱反射式保溫管6可進一步限定為一熱反射式保溫鉬管6，藉此，透過鉬管的放射率物理特性，可以使得所述熔湯M表面的熱輻射保留在熱反射式保溫鉬管6內，從而達到了保溫節能的效果。

如圖3，進一步地說，本實施例對具有熱反射式保溫管6的長晶裝置100以及習知技術中沒有設置熱反射式保溫管6的長晶裝置進行了模擬分析。模擬的習知的長晶裝置的製程條件除了沒有熱反射式保溫管6之外，其它都與本實施例的長晶裝置100相同。

從模擬分析的結果可得知，在長晶高度為0毫米的情況下，本實施例長晶裝置100所需電力大致為90千瓦，而習知的長晶裝置的所需電力大致為120千瓦。在長晶高度為500毫米的情況下，本實施例長晶裝置100所需電力大致為62千瓦，而習知長晶裝置所需的電力大致為70千瓦。在長晶高度為1000毫米的情況下，本實施例長晶裝置100所需電力大致為60千瓦，而習知長晶裝置所需電力大致為68千瓦。由此可知，相較於習知長晶裝置所需的電力，本實施例長晶裝置100無論在何種長晶高度下，其所需的電力皆低於習知的長晶裝置100的所需電力。因此，本創作的長晶裝置100能有效減少長晶裝置100長晶時的能耗，從而達到了保溫節能的效果。

[第二實施例]

如圖4，其為本創作的第二實施例，本實施例與上述第一實施例大致相同，兩者的差異處大致如下所述。

本實施例的熱反射式保溫管6的管狀部61具有一中區段611以及自所述中區段611相反兩端延伸的一上區段612與一下區段 613，並且所述中區段611形成有一觀測孔614。而所述吊掛部62相連於管狀部61的上區段612頂緣。

所述爐腔1形成有一監測孔13，並且所述熱反射式保溫管6的觀測孔614與爐腔1的監測孔13的位置相互對應，以使一光線L能通過所述觀測孔614與監測孔13而行進至坩堝2內。藉此，本實施例長晶裝置100的操作人員可以透過所述觀測孔614與監測孔13方便地監控坩堝2內的熔湯M狀況及晶體生長狀況。

[本創作實施例的技術功效]

綜上所述，本創作的長晶裝置100能透過所述熱反射式保溫管6的結構設計及其與周邊元件(如：爐腔1與熱帷幕5)的位置配置關係，以使得所述惰性氣體氣流F在爐腔1內的氣場流動更佳順暢，進而減少了氧化物的堆積及掉落至熔湯M的情況發生，並且可以降低因雜質擊中所述吊線3而導致吊線3斷線的機率。

本創作的長晶裝置100能透過所述熱反射式保溫管6的底緣與熱帷幕5的頂開口51之間的距離D2小於所述深度D1且大於85%的所述深度D1的位置配置關係，以使得所述惰性氣體氣流F能在爐腔1內維持順暢地流動的同時，不會因為熱反射式保溫管6觸碰到熱帷幕5而對熱帷幕5造成損壞。

本創作的長晶裝置100的熱反射式保溫管6可以進一步限定為一熱反射式保溫鉬管6，因此，透過鉬管的放射率物理特性，可以使得所述熔湯M表面的熱輻射保留在熱反射式保溫鉬管6內，從而達到了保溫節能的效果。

本創作的長晶裝置100能透過在熱反射式保溫管6上形成有觀測孔614，並且在爐腔1上形成有一監測孔13，以使得長晶裝置100的操作人員可以透過所述監測孔13與觀測孔614方便地監控坩堝2內熔湯M的狀況。

以上所述僅為本創作的優選可行實施例，並非用來侷限本創作的保護範圍，凡依本創作申請保護範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本創作的保護範圍。

100‧‧‧長晶裝置

1‧‧‧爐腔

11‧‧‧容置空間

12‧‧‧閥口

2‧‧‧坩堝

3‧‧‧吊線

4‧‧‧加熱元件

5‧‧‧熱帷幕

51‧‧‧頂開口

52‧‧‧底開口

6‧‧‧熱反射式保溫管

61‧‧‧管狀部

62‧‧‧吊掛部

7‧‧‧支撐件

M‧‧‧熔湯

S‧‧‧晶種

D1‧‧‧深度

D2‧‧‧距離

G‧‧‧間隙

R1‧‧‧外徑

R2‧‧‧內徑

C‧‧‧中心線

Claims (10)

1. 一種長晶裝置，包括：一爐腔，其內包圍形成有一容置空間，並且所述爐腔頂部形成有連通所述容置空間的一閥口；一坩堝，其設置於所述容置空間內；一熱帷幕，其設置於所述容置空間內並且位在所述坩堝的上方，所述熱帷幕呈中空狀且具有一頂開口與一底開口，並且所述頂開口與所述底開口的距離定義為一深度；以及一熱反射式保溫管，其位於所述容置空間內並吊掛在所述爐腔的所述閥口，所述熱反射式保溫管的局部穿過所述頂開口並插入在所述熱帷幕內；其中，所述熱反射式保溫管未接觸於所述熱帷幕，且所述熱反射式保溫管的底緣與所述熱帷幕的所述頂開口之間的距離小於所述深度、並大於85%的所述深度；其中，所述熱反射式保溫管能用來導引一惰性氣體氣流，以使所述惰性氣體氣流經由所述閥口並沿著所述熱反射式保溫管的內部而朝向所述坩堝方向流動。
2. 如請求項1所述的長晶裝置，其中，所述熱反射式保溫管與所述熱帷幕之間形成有不大於5毫米的一間隙。
3. 如請求項1所述的長晶裝置，其中，所述熱反射式保溫管包含有一管狀部及相連於所述管狀部頂緣的一吊掛部，所述管狀部的局部穿過所述頂開口並插入在所述熱帷幕內，而所述吊掛部吊掛在所述爐腔的所述閥口。
4. 如請求項3所述的長晶裝置，其中，所述管狀部的內表面呈光滑狀，所述管狀部的外徑不小於所述底開口的內徑、並不大於 120%的所述底開口的內徑。
5. 如請求項3所述的長晶裝置，其中，所述管狀部形成有一觀測孔，所述爐腔形成有一監測孔，並且所述觀測孔與所述監測孔的位置相互對應，以使光線能通過所述觀測孔與所述監測孔而行進至所述坩堝內。
6. 如請求項1所述的長晶裝置，其中，所述熱反射式保溫管的厚度介於3毫米至5毫米。
7. 如請求項1所述的長晶裝置，其中，所述爐腔定義有一中心線，並且所述閥口、所述熱帷幕、及所述熱反射式保溫管皆大致對稱於所述中心線。
8. 如請求項1所述的長晶裝置，其中，所述熱反射式保溫管的熔點大於1500℃且不與矽產生化學反應。
9. 如請求項1至8中任一項所述的長晶裝置，其中，所述熱反射式保溫管進一步限定為一熱反射式保溫鉬管。
10. 一種熱反射式保溫管，包括：一管狀部，其具有一中區段以及自所述中區段相反兩端延伸的一上區段與一下區段，並且所述中區段形成有一觀測孔；以及一吊掛部，其相連於所述管狀部的所述上區段頂緣；其中，所述熱反射式保溫管的厚度介於3毫米至5毫米，所述熱反射式保溫管的熔點大於1500℃且不與矽產生化學反應。