增強長晶效率的長晶裝置的製作方法
2023-05-07 00:09:16 1
專利名稱：增強長晶效率的長晶裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種長晶裝置，特別是一種具有節能功效的增強長晶效率的長晶裝置。
背景技術：
矽晶圓為當前蓬勃發展的半導體產業最根本的必需品，其生長方式有許多種，包括浮融帶長晶法(Floating Zone Method)、雷射加熱提拉長晶法(Laser Heated Pedestal Growth)及柴式長晶法(Czochralski Method)等，其中柴氏長晶法是依其首創者之名Czochralski而命名，因此種長晶方法具有較佳的經濟效益，故成為目前大尺寸晶圓主要的生長方式。
如圖1所示，為現有的柴氏長晶爐的剖視圖，如圖所示，於長晶爐中設有一坩堝10，該坩堝10的外圍環設有一石墨加熱器12，於石墨加熱器12外緣尚環設有一絕緣層14，當利用此柴氏長晶爐長晶時，需將一單晶矽晶棒置入盛有熔融矽原料的坩堝10中，接著依序進行長頸部(Necking)、長晶冠(Crown)、長主體(Body)、以及收尾等動作。然而，由於矽晶圓生長過程中需在高溫及鈍性的氬氣氣體環境下生成，因此需耗費相當大的功率及成本，以一般的光電模組(PhotovoltaicModule)而言，其成本超過50％均來自於晶棒及晶圓的製造，而如此高的成本有相當大的部份可歸因於長晶爐缺乏適當的保溫設計，以致於功率消耗過大使得成本增加，且由於二氧化矽在高溫且鈍性的氣體下會脫氧生成一氧化矽及氧原子，而一氧化矽會在冷處沉積並受氣流影響落入熔融矽原料中，因此將影響生長矽晶圓的良率。
儘管現有技術中，有針對長晶爐增設熱帷幕、上保溫層、側保溫層及頂保溫層的設計，但該熱帷幕的材質往往選自鉬及石墨，且兩種材質的熱帷幕分別存在著成本過高及功效不佳等問題，而上保溫層、側保溫層及頂保溫層的厚度往往相當厚致使成本過高，並進而對拉晶的速率及長晶品質產生不良的影響，故如何對長晶爐作適當的保溫設計以在合理的成本範圍內增進長晶的效能，實為一重要且實際的問題。
有監於此，本實用新型針對上述現有長晶爐的缺點，提出一種能增強長晶效率的長晶裝置，以克服現有的缺點。
實用新型內容本實用新型的主要目的，是提供一種增強長晶效率的長晶裝置，其是由適當材質的熱帷幕、底保溫層及相關保溫層的設置，使長晶裝置在維持拉晶速度及良率下，減少功率的消耗並進而降低長晶成本。
本實用新型的另一目的，是提供一種增強長晶效率的長晶裝置，以延長長晶裝置的壽命。
根據本實用新型的目的，本實用新型一種增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，包括
一坩堝，其外圍環設有一石墨加熱器；一絕緣層，環設於該石墨加熱器外圍；一熱帷幕，設於該坩堝上方；以及一底保溫層，環設於該坩堝下方。
其中還可於該絕緣層上方環設一上保溫層。
其中還可於該絕緣層的外圍環設一側保溫層。
其中該側保溫層的形成是將該絕緣層的厚度增厚。
其中該側保溫層中可配置一可將氬氣、一氧化矽及一氧化碳等氣體有效外排的氣體導流管。
其中還可於該絕緣層及該熱帷幕的上方環設一頂保溫層。
其中該熱帷幕的材質是選自鉬及石墨。
其中該石墨材質的熱帷幕，其表面還塗布一塗層。
其中該塗層的材質是選自熱解碳及碳化矽。
其中該底保溫層的材質是選自碳纖及石墨。
底下由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易了解本實用新型的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。
為進一步說明本實用新型的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其中圖1為現有長晶爐的結構剖視圖。
圖2為本實用新型的結構剖視圖。
圖3是不同側保溫層厚度的比較示意圖。
圖4是不同上保溫層厚度的比較示意圖。
圖5是不同頂保溫層厚度的比較示意圖。
圖6及圖7為本實用新型不同實施例示意圖。
圖8為本實用新型與現有長晶爐的長晶功率比較圖。
圖9為本實用新型與現有長晶爐的拉晶速率比較圖。
具體實施方式
本實用新型是一種增強長晶效率的長晶裝置，其是利用一熱帷幕及一底保溫層的設置以增加長晶裝置的保溫效果，並以增進長晶的效率與品質。
如圖2所示，為一增強長晶效率的長晶裝置結構剖視圖，如圖所示，一長晶裝置包括有一坩堝20；該坩堝20的上方設有一熱帷幕26，此熱帷幕26的設置可降低自然對流的產生，進而能減少一氧化矽沉積而掉入熔融矽原料的機率，且該熱帷幕26的材質可為鉬(Mo)或石墨，若選用石墨，除可降低熱帷幕26的製造成本，更可於熱帷幕26的表面塗布一層碳化矽或熱解碳(Pyrolitic Carbon)塗層以增加功效，而本實用新型所使用的塗有熱解碳的石墨材質熱帷幕26，其功效更與以鉬為材質的熱帷幕26相當，如表一所示；另坩堝的下方環設有一底保溫層28，此底保溫層28的材質可為碳纖或石墨，其中以碳纖材質的底保溫層28更具有保溫的功效，而能增進較佳的長晶效率。
表一不同熱帷幕材質及降低坩堝高度的影響。
再參照圖2，於坩堝20的外圍環設有一石墨加熱器22；此石墨加熱器22外緣尚環設有一絕緣層24，其外圍可增設一側保溫層32，或可直接將該絕緣層24加厚以形成側保溫層32，而本實用新型的側保溫層32的厚度無需太厚，過厚除增加成本支出外，於功效上並無顯著提升，如圖3及表二所示，又該側保溫層32中還可配置一氣體導流管，以有效排出長晶爐中的氬氣、一氧化矽及一氧化碳等氣體，由此設計可大幅增長加熱器及石墨坩堝的壽命，並減少碳化矽顆粒的生成；另絕緣層24的上方可環設一上保溫層30，此上保溫層30可增加本實用新型的節能功效，且本實用新型使用的上保溫層30厚度適中即可，因過厚的上保溫層30除增加成本外，並無法增進更多的節能效益，如圖4及表三所示；此外，於絕緣層24及熱帷幕26的上方更可環設一頂保溫層34，此頂保溫層34的厚度無需太厚，過厚的頂保溫層34除增加支出成本外，於功效上亦無顯著提升，如圖5及表四所示，而本實用新型是此頂保溫層34的設置以增加熱帷幕26上緣的溫度，進而有效減少氧化矽沉積，以延長熱帷幕26的壽命及減少晶圓斷線機率，並增加晶圓生長的良率。
表二不同側保溫層厚度的影響。
表三不同上保溫層厚度的影響。
表四不同頂保溫層厚度的影響。
除上述圖2所揭示的較佳實施例外，本實用新型的保溫層設計亦可為前述底保溫層28及其他保溫層的任意組合，如圖6及圖7所示，分別為本實用新型的不同實施態樣，圖6是具有熱帷幕26、底保溫層28與上保溫層30的設計；圖7則具有熱帷幕26、底保溫層28、上保溫層30與側保溫層32的設計。
參照圖8與圖9，其是具有熱帷幕26、底保溫層28、上保溫層30及側保溫層32的本實用新型與現有長晶爐消耗功率及拉晶速率的差別，由圖8可知，本實用新型的消耗的功率比現有消耗功率減少了約25-27kW，減少比例約30％，且隨著晶圓主體(Body)增長，此消耗功率的差仍保持在25-27kW左右，而在拉晶速率方面，參照圖9，當晶圓成長至約150mm以上後，本實用新型拉晶速率比現有長晶爐要快上20-26mm/hr左右，其速率增加的比例可達30-60％。再參照表五，其是一設有熱帷幕及保溫層的長晶爐與現有一般長晶爐的單晶生長功率模擬結果比較，由表一所列數據可知，具有熱帷幕及保溫層設計的長晶爐的單晶生長功率較現有長晶爐的單晶生長功率大幅降低，而當利用本實用新型所揭露的同時使用熱帷幕26、底保溫層28、上保溫層30、側保溫層32與頂保溫層34的設計時，所獲得的單晶生長功率最低，且較現有長晶爐的單晶生長功率大幅減少將近40％。
表五單晶生長功率比較表
除表五所揭示的模擬實驗結果外，本實用新型亦進行實體創作及實驗，而實驗結果則如表六所示，由表六所列的實驗數據可知，增設熱帷幕26及各保溫層確能有效降低長晶裝置的功率消耗並增進拉晶速率，且當熱帷幕26與底保溫層28的材質有所變更時，所得到的單晶生長效能亦會有所變化，其中當底保溫層使用碳纖材質時，所節省的長晶功率及所增進的拉晶速率均相當明顯。
表6增設熱帷幕及保溫層的實驗數據表
綜上所述，本實用新型能在不犧牲晶圓品質的前題下，有效減少長晶裝置功率的消耗，並提升單晶生長時的拉升速率，且因本實用新型的耗能低，故石墨加熱器及石墨坩堝的溫度較現有為低，而能延長兩者的使用壽命；又本實用新型的低功率消耗更可使石英坩堝的溶氧速率降低，因而能提升所生成的矽晶圓的品質，並進而增加利用此矽晶圓製作的產品的壽命。
惟以上所述的，僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用來限定本實用新型的實施範圍。故即凡依本實用新型申請專利範圍所述的形狀、構造、特徵及精神所為的均等變化或修飾，均應包括於本實用新型的中請專利範圍內。
權利要求1.一種增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，包括一坩堝，其外圍環設有一石墨加熱器；一絕緣層，環設於該石墨加熱器外圍；一熱帷幕，設於該坩堝上方；以及一底保溫層，環設於該坩堝下方。
2.如權利要求1所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中還可於該絕緣層上方環設一上保溫層。
3.如權利要求1所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中還可於該絕緣層的外圍環設一側保溫層。
4.如權利要求4所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中該側保溫層的形成是將該絕緣層的厚度增厚。
5.如權利要求4所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中該側保溫層中可配置一可將氬氣、一氧化矽及一氧化碳等氣體有效外排的氣體導流管。
6.如權利要求1所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中還可於該絕緣層及該熱帷幕的上方環設一頂保溫層。
7.如權利要求1所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中該熱帷幕的材質是選自鉬及石墨。
8.如權利要求7所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中該石墨材質的熱帷幕，其表面還塗布一塗層。
9.如權利要求8所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中該塗層的材質是選自熱解碳及碳化矽。
10.如權利要求1所述的增強長晶效率的長晶裝置，其特徵在於，其中該底保溫層的材質是選自碳纖及石墨。
專利摘要本實用新型提供一種增強長晶效率的長晶裝置，其結構包括一坩堝，此坩堝的外圍環設有一石墨加熱器，於此石墨加熱器外圍尚環設有一絕緣層，該絕緣層可適當加厚以形成一側保溫層，該側保溫層可配置一氣體導流管以排出氬氣等氣體，而坩堝的上方設有一熱帷幕，該熱帷幕的材質選自石墨且表面塗布有一熱解碳塗層，此材質的選擇可降低選用鉬為熱帷幕材質時的成本，並能維持極佳的長晶品質，而坩堝下方另設有一底保溫層，該底保溫層的材質可選自碳纖或石墨，此外，更可於絕緣層的上方設一適當厚度的上保溫層以增加本實用新型節能的效果，並可於絕緣層及熱帷幕上方環設一頂保溫層，以減少一氧化矽沉積而掉入熔湯的機率。本實用新型可提高晶圓生長的良率，並能減少長晶裝置的功率消耗且能增強長晶效率。
文檔編號C30B15/00GK2658174SQ0320782
公開日2004年11月24日 申請日期2003年8月20日 優先權日2003年8月20日
發明者徐文慶, 謝兆坤, 吳文欽, 曾榮琳, 張義洲, 陳子齡, 藍崇文 申請人:中美矽晶製品股份有限公司