TW201713804A - 長晶裝置 - Google Patents

Abstract

一種長晶裝置，包括一腔體、一吊線、一坩堝、一加熱元件、一熱帷幕以及一冷卻元件。吊線設置於腔體中，用以上拉一晶種。坩堝配置於腔體中，用以容置一熔湯。加熱元件配置於腔體中且位於坩堝的外圍，用以加熱熔湯。熱帷幕配置於腔體中且位於坩堝上方。熱帷幕具有一內壁與一外壁。內壁與外壁之間具有一內部空間。冷卻元件配置於內壁與外壁之間的內部空間。

Description

長晶裝置

本發明是有關於一種長晶裝置，且特別是有關於一種具有冷卻元件的長晶裝置。

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 method）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，在維持成減壓下的惰性氣體環境的腔室內，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。此外，在CZ法中，需在溶液上成長的單晶矽周圍配置圓柱或是倒圓錐形式的熱帷幕來隔絕輻射熱，以控制長成的單晶矽的溫階（temperature gradient）。然而，被逐漸拉起的晶棒在降溫的過程中經過900°C~1200°C時，有可能會出現疊差(stacking fault)。這些由氧化所引起的疊差簡稱為OISF (Oxidation Induced Stacking Faults)。因此，如何讓晶棒降溫的速度加快，也就是提高溫度梯度，以降低氧化疊差的生成，就成為值得研究的課題。

本發明提供一種長晶裝置，可解決習知技術中溫度梯度較小而容易產生氧化疊差的問題。

本發明的長晶裝置包括一腔體、一吊線、一坩堝、一加熱元件、一熱帷幕以及一冷卻元件。吊線設置於腔體中，用以上拉一晶種。坩堝配置於腔體中，用以容置一熔湯。加熱元件配置於腔體中且位於坩堝的外圍，用以加熱熔湯。熱帷幕配置於腔體中且位於坩堝上方。熱帷幕具有一內壁與一外壁。內壁與外壁之間具有一內部空間。冷卻元件配置於內壁與外壁之間的內部空間。

在本發明的一實施例中，以熱帷幕靠近熔湯的一側為底部，冷卻元件從熱帷幕的底部分布至頂部。

在本發明的一實施例中，冷卻元件為裝有冷卻液的金屬管。

在本發明的一實施例中，熱帷幕的材質為石墨。

在本發明的一實施例中，內壁與外壁是可拆解地組裝在一起。

在本發明的一實施例中，長晶裝置更包括一保溫元件，配置於腔體中。加熱元件位於保溫元件與坩堝之間。

在本發明的一實施例中，長晶裝置更包括一保溫材，配置於內壁與外壁之間的內部空間。

在本發明的一實施例中，其中保溫材為碳纖維。

基於上述，在本發明的長晶裝置中，熱帷幕內設有冷卻元件，可加大長晶時晶棒的溫度梯度而提升晶棒品質，並可提升產出效率。

為讓本發明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。

圖1是依照本發明一實施例的長晶裝置的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的長晶裝置100包括一腔體110、一吊線120、一坩堝130、一加熱元件140、一熱帷幕150以及一冷卻元件160。腔體110通常為圓桶狀，且適合通入鈍氣至腔體110，腔體110內的壓力例如是60 torr。鈍氣例如是氬氣，不容易與長晶材料產生反應，可確保晶棒的品質。坩堝130配置於腔體110中，用以容置一熔湯50。在本實施例中，可將例如是多晶矽的半導體材料及例如是硼、磷的摻雜物以1420°C以上的高溫熔融於坩堝130中以形成熔湯50。吊線120設置於腔體110中，用以上拉一晶種60。加熱元件140配置於腔體110中且位於坩堝130的外圍，用以加熱熔湯50。熱帷幕150配置於腔體110中且位於坩堝130上方。熱帷幕150可在拉晶的過程中隔絕輻射熱，進而控制並且提高矽晶棒70的溫階。

當多晶矽材料與摻雜物熔化完成而形成熔湯50時，將吊線120緩慢地下放至熔湯50中。接著，吊線120一邊旋轉一邊緩步拉升晶種60，以使得類似於圓柱體狀的矽晶棒70在晶種60下方形成。另外，長晶裝置100可更包括旋轉軸190，旋轉軸190可支撐坩堝130並且帶動坩堝130旋轉。例如當吊線120以逆時針方向旋轉並緩步拉升晶種60時，坩堝130藉由旋轉軸190的帶動而以順時針方向旋轉。另外，隨著矽晶棒70越來越長，熔湯50的液面會越來越低。此時，可調整坩堝130與熱帷幕150之間的距離而使兩者逐漸靠近，藉以保持熱帷幕150的底部與熔湯50的液面的距離，並使矽晶棒70維持較佳的溫度梯度。

本實施例的熱帷幕150具有一內壁152與一外壁154。內壁152與外壁154之間具有一內部空間156。內壁152是指構成熱帷幕150面向吊線120的內表面的壁，而外壁154是指構成熱帷幕150背向吊線120的外表面的壁。冷卻元件160配置於內壁152與外壁154之間的內部空間156。因此，冷卻元件160大致是被密封於內壁152與外壁154之間，並與外界隔絕。藉此，可避免冷卻元件160對於熔湯50產生污染。由於冷卻元件160的降溫作用，矽晶棒70離開熔湯50後的溫度會快速下降，也就是矽晶棒70上的溫度梯度會增加。因此，矽晶棒70經過900°C~1200°C這個溫度段的時間也會縮短，進而降低OISF產生的機會，以提高矽晶棒70的品質。而且，溫度梯度增加後，矽晶棒70形成的速度也可以加快，有助於縮短製程時間而降低製程成本。

在本發明的一實施例中，以熱帷幕150靠近熔湯50的一側為底部150A，冷卻元件160從熱帷幕150的底部150A分布至頂部150B。換言之，冷卻元件160從上到下佈滿在熱帷幕150的內部空間156中。如此，冷卻元件160可以提供較佳的冷卻效果，以增加溫度梯度並加快長晶速度。冷卻元件160的冷卻能力越好，溫度梯度就能越明顯地增加。本實施例的冷卻元件160可以是裝有冷卻液的金屬管，例如是裝有冷卻水、氬氣或氦氣的銅管，但本發明不侷限於此。由於內壁152與外壁154隔絕了冷卻元件160與熔湯50，因此冷卻元件160的材質的選擇不需考慮是否會污染熔湯50。

為了進一步提升冷卻效果，本實施例的長晶裝置100可更包括一保溫材170，配置於內壁152與外壁154之間的內部空間156。保溫材例如為碳纖維，但本發明不侷限於此。

本實施例的熱帷幕150的材質為石墨或其他適當材質。內壁152與外壁154的材質可以相同或不同。內壁152與外壁154例如是可拆解地組裝在一起。因此，在置放冷卻元件160時，可先將內壁152與外壁154拆開，然後再組裝在一起。內部空間156例如是與腔體110內的其他空間隔絕而彼此不連通的，已確保冷卻效果及避免污染熔湯50。

本實施例的長晶裝置100可更包括一保溫元件180，配置於腔體110中。加熱元件140位於保溫元件180與坩堝130之間，以保持熔湯50的溫度以及加熱元件140所造成的加熱效果。

申請人對於上述實施例的具有冷卻元件160的長晶裝置100以及習知技術中沒有設置冷卻元件的長晶裝置進行了模擬分析。模擬的長晶裝置100的製程條件為：熔湯投料量60 kg、矽晶棒轉速16 rpm、矽晶棒拉速60 mm/hr、坩堝轉速-14 rpm、腔體內氣壓60 torr、冷卻元件內所通的氬氣流量40 slpm (Standard liters per minute)，而模擬的習知的長晶裝置的製程條件除了沒有冷卻元件之外，其他都與長晶裝置100相同。在以上述條件進行模擬後得到，長晶裝置100的矽晶棒從熔湯的表面起算的平均溫度梯度為5.137 ºK/mm，而習知長晶裝置的矽晶棒從熔湯的表面起算的平均溫度梯度為4.137 ºK/mm。由此可知，相較於習知長晶裝置所達成的溫度梯度，上述實施例的具有冷卻元件160的長晶裝置100所達成的溫度梯度提高了24%，足以證明本發明的長晶裝置確實有助於加大晶棒的溫度梯度。

綜上所述，在本發明的長晶裝置中，冷卻元件對晶棒產生冷卻效果，以加大晶棒的溫度梯度而降低氧化疊差產生的機率，不僅可以提升晶棒的品質，還可提升產出效率。另外，因為冷卻元件是配置於熱帷幕的內部空間，所以可以避免冷卻元件污染熔湯。

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

50‧‧‧熔湯
60‧‧‧晶種
70‧‧‧矽晶棒
100‧‧‧長晶裝置
110‧‧‧腔體
120‧‧‧吊線
130‧‧‧坩堝
140‧‧‧加熱元件
150‧‧‧熱帷幕
150A‧‧‧底部
150B‧‧‧頂部
152‧‧‧內壁
154‧‧‧外壁
156‧‧‧內部空間
160‧‧‧冷卻元件
170‧‧‧保溫材
180‧‧‧保溫元件
190‧‧‧旋轉軸

圖1是依照本發明一實施例的長晶裝置的剖面示意圖。

50‧‧‧熔湯

60‧‧‧晶種

70‧‧‧矽晶棒

100‧‧‧長晶裝置

110‧‧‧腔體

120‧‧‧吊線

130‧‧‧坩堝

140‧‧‧加熱元件

150‧‧‧熱帷幕

150A‧‧‧底部

150B‧‧‧頂部

152‧‧‧內壁

154‧‧‧外壁

156‧‧‧內部空間

160‧‧‧冷卻元件

170‧‧‧保溫材

180‧‧‧保溫元件

190‧‧‧旋轉軸

Claims (8)

1. 一種長晶裝置，包括： 一腔體； 一吊線，設置於該腔體中，用以上拉一晶種； 一坩堝，配置於該腔體中，用以容置一熔湯； 一加熱元件，配置於該腔體中且位於該坩堝的外圍，用以加熱該熔湯； 一熱帷幕，配置於該腔體中且位於該坩堝上方，其中該熱帷幕具有一內壁與一外壁，該內壁與該外壁之間具有一內部空間；以及 一冷卻元件，配置於該內壁與該外壁之間的該內部空間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的長晶裝置，其中以該熱帷幕靠近該熔湯的一側為底部，該冷卻元件從該熱帷幕的底部分布至頂部。
3. 如申請專利範圍第1項所述的長晶裝置，其中該冷卻元件為裝有冷卻液的金屬管。
4. 如申請專利範圍第1項所述的長晶裝置，其中該熱帷幕的材質為石墨。
5. 如申請專利範圍第1項所述的長晶裝置，其中該內壁與該外壁是可拆解地組裝在一起。
6. 如申請專利範圍第1項所述的長晶裝置，更包括一保溫元件，配置於該腔體中，其中該加熱元件位於該保溫元件與該坩堝之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的長晶裝置，更包括一保溫材，配置於該內壁與該外壁之間的該內部空間。
8. 如申請專利範圍第7項所述的長晶裝置，其中該保溫材為碳纖維。