锭生长装置的制作方法

1.本实用新型涉及锭生长装置。


背景技术：

2.单晶硅为大多数半导体部件的基础材料，这些物质将被制造成具有高纯度的单晶体，这种制造方法中的一种就是丘克拉斯基法(czochralski)。
3.在这种丘克拉斯基结晶法中，在将硅放入坩埚后，通过对坩埚进行加热来使硅熔融。而且，在单晶晶种(single crystal seed)与这种熔融硅相接触的状态下，在旋转的同时向上侧提拉，来使具有规定直径的锭(ingot)生长。
4.在作为这种丘克拉斯基法之一的连续生长型丘克拉斯基法(ccz： continuous czochralski)中，通过向坩埚的内部持续注入固态的多晶硅或熔融硅来对所消耗的熔融硅进行补充并使锭持续生长。
5.为了通过这种连续生长型丘克拉斯基法来使锭生长，通过对坩埚进行加热来确保向坩埚内部注入的熔融硅的温度均衡性尤为重要。尤其，若无法确保坩埚内部中的使得锭生长的锭生长区域的温度的均衡性，则将产生锭的单晶收率下降的问题。
6.并且，为了在锭生长环境中确保熔融硅的目标温度分布，将通过电能对坩埚进行加热，在连续生长型丘克拉斯基法中，这种电费在锭制造成本中占很大比重，因而有提出减少电能费用的必要性。


技术实现要素：

7.根据本实用新型的实施例，本实用新型的目的在于提供如下的锭生长装置，即，在对熔融硅进行加热的过程中，在确保熔融硅的温度均衡性的同时改善用于对坩埚进行加热的电能的能效。
8.本实用新型实施例的锭生长装置可包括：生长炉，在内部配置为了使锭生长而收容熔融硅的主坩埚；基座，包围上述主坩埚的外侧面，包括互相电绝缘的多个发热部件；以及加热器，用于产生磁场，借助因磁场而产生的电磁感应来对上述多个发热部件进行加热，上述多个发热部件可沿着上述主坩埚的外侧面形成环状。
9.在此情况下，上述基座可形成上述多个发热部件沿着与上述生长炉的底面平行的水平方向被分割的形状。
10.在此情况下，上述基座可形成上述多个发热部件沿着与上述生长炉的底面相垂直的垂直方向被分割的形状。
11.在此情况下，上述基座还可包括通过配置于上述多个发热部件之间来使得上述多个发热部件相结合的多个绝缘部件。
12.在此情况下，上述多个发热部件的端部可包括曲面部。
13.在此情况下，上述锭生长装置还可包括阻断部，配置于上述加热器与上述生长炉的底面之间，对上述加热器和上述基座的下侧的因上述磁场而产生的电磁感应进行阻断。
14.并且，本实用新型实施例的锭生长装置可包括：生长炉，在内部配置为了使锭生长而收容熔融硅的主坩埚；基座，包围上述主坩埚的外侧面；以及加热器，设置有线圈，上述线圈以沿着上述基座的外侧面卷绕的方式形成并产生磁场，借助因上述磁场而产生的电磁感应来对上述基座进行加热，上述线圈可包括：第一部分，以使得上述锭的提拉方向和上述线圈的中心的磁场方向平行的方式沿着上述基座的外侧面形成；以及第二部分，以与上述第一部分之间的倾斜度达到规定角度的方式从上述第一部分延伸而成。
15.在此情况下，上述线圈可使得上述第一部分及上述第二部分在上述基座的外侧面形成一次转折形状，可沿着上述基座的上下方向形成多次转折形状。
16.在此情况下，上述第二部分的长度可在上述线圈的总长度的1/18以内。
17.在此情况下，上述加热器还可包括外罩，上述外罩以包围上述线圈的外侧面的方式形成，用于阻断上述线圈露出于上述生长炉的内部空间。
18.本实用新型一实施例的锭生长装置可使得多个发热部件分别借助电磁感应来单独产生电流并发热，从而可确保熔融硅的温度均衡性。
19.并且，本实用新型一实施例的锭生长装置可使得多个发热部件单独发热，从而可提高用于对主坩埚进行加热的电能的能效。
20.根据本实用新型另一实施例的锭生长装置，以使得在线圈产生的磁场对生长成单晶的锭造成的影响最小化的方式使得线圈的第一部分与锭的提拉方向相垂直，从而可提高锭的单晶收率。
附图说明
21.图1为简要示出本实用新型一实施例的锭生长装置的图。
22.图2为重点示出本实用新型一实施例的锭生长装置的基座的立体图。
23.图3为图2的剖视图。
24.图4为重点示出本实用新型另一实施例的锭生长装置的基座的剖视图。
25.图5为简要示出本实用新型另一实施例的锭生长装置的线圈的侧视图。
26.图6为从上侧观察图5中的线圈的图。
27.图7为简要示出以螺旋形卷绕的线圈的立体图。
28.图8a为示出图7中的比较例中的基座的上侧区域的温度偏差和本实用新型另一实施例的基座的上侧区域的温度偏差的图表。
29.图8b为示出图7中的比较例中的基座的中心区域的温度偏差和本实用新型另一实施例的基座的中心区域的温度偏差的图表。
30.附图标记的说明
31.100：锭生长装置110：生长炉
32.120：主坩埚130：基座
33.131、132：多个发热部件140：加热器
34.141、341：线圈342：第一部分
35.343：第二部分
具体实施方式
36.在本说明书及实用新型要求保护范围中使用的单词和术语不应限定于通常所理解的含义或词典中的含义来解释，立足于创作人可以为了以最佳的方法说明自己的实用新型而对术语和概念进行定义的原则，应解释成符合本实用新型的技术思想的含义和概念。
37.因此，在本说明书中记载的实施例和附图中所示的结构属于本实用新型的优选一实施例，并不全面代表本实用新型的技术思想，在本实用新型的申请时间点上，相应结构可存在能够进行代替的多种等同物和变形例。
38.在本说明书中，“包括”或“具有”等的术语应理解为仅用于说明记载于说明书上的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合的存在，而不是预先排除一个或一个以上的其他特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
39.只要没有特殊情况，某个结构要素位于其他结构要素的“前方”、“后方”、“上部”或“下部”等的表述不仅包括以与其他结构要素直接接触的方式位于其他结构要素的“前方”、“后方”、“上部”或“下部”的情况，还包括在中间设置其他结构要素的情况。并且，只要没有特殊情况，某个结构要素与其他结构要素“相连接”等的情况不仅包括直接相连接的情况，还包括间接相连接的情况。
40.以下，参照附图来对本实用新型实施例的锭生长装置进行说明。在本说明书中，为了简化附图，在对本实用新型实施例的锭生长装置进行说明的过程中，将不会详细示出或不示出与本实用新型的内容无关的结构，将以与本实用新型的思想相关的内容为中心来对本实用新型的锭生长装置进行说明。
41.在本说明书中，将z轴的箭头方向称为生长炉的上侧。下侧则意味着与上述上侧相反的方向。
42.图1为简要示出本实用新型一实施例的锭生长装置的图。
43.参照图1，本实用新型一实施例的锭生长装置100可包括生长炉110、主坩埚120、基座130以及加热器140。
44.上述生长炉110具备维持真空状态的内部空间110a，使得锭i在内部空间 110a生长。在上述内部空间110a配置后述的主坩埚120。
45.在上述生长炉110设置真空泵(未图示)和非活性气体供给部(未图示)。上述真空泵可使得上述内部空间110a维持真空气氛。并且，上述非活性气体供给部向上述内部空间110a供给非活性气体。例如，上述非活性气体可以是氩 (ar)。
46.上述主坩埚120收容于上述生长炉110的上述内部空间110a。上述主坩埚 120可收容熔融硅m。上述主坩埚120大致形成倒置圆顶(reverse dome)形状。并且，上述主坩埚120的形状并不限定于倒置圆顶形状，可形成气缸形状等的多种形状。
47.而且，上述主坩埚120由石英(quartz)材质形成。但是，上述主坩埚120 并不限定于由石英材质形成的情况，可由在约1400℃以上的温度下具有耐热性并能够承受剧烈的温度变化的多种材质形成。
48.而且，在使单晶晶种s与收容于上述主坩埚120的熔融硅m相接触的状态下，若通过使得与上述生长炉110的上侧相连接的金属线w朝向上侧(z轴) 提拉上述单晶晶种s，则沿着提拉方向(z轴)来使得上述锭i以具有规定直径的锭i的方式生长。
49.并且，在上述生长炉110设置通过接收固态硅原料来使其熔融的预备熔融部(未图
示)。上述预备熔融部向上述主坩埚120供给上述熔融硅。
50.上述基座130(susceptor)包围上述主坩埚120的外侧面。上述基座130 支撑上述主坩埚120。上述基座130的内侧面可形成与上述主坩埚120的外侧面相对应的形状。例如，若上述主坩埚120形成倒置圆顶形状，则上述基座130 也形成倒置圆顶形状。
51.因此，即使因上述主坩埚120采用石英材质而在高温条件下产生变形，上述基座130也能够以使得上述主坩埚120维持收容上述熔融硅m的状态的方式包围并支撑上述主坩埚120。将在后续内容中参照附图来详细说明上述基座 130。
52.并且，在上述生长炉110的下侧配置用于支撑上述基座130的基座支撑部 150。上述基座支撑部150的上端形成与上述基座130的下端相对应的形状。并且，在上述基座支撑部150在上述生长炉110的下侧支撑上述基座130的状态下，上述基座支撑部150与上述基座130一同旋转。因此，在上述主坩埚120 收容上述熔融硅m的状态下，上述主坩埚120与基座130一同旋转。
53.并且，在上述生长炉110设置以可使上述基座支撑部150进行旋转的方式提供旋转力的驱动部(未图示)。上述基座支撑部150以可旋转的方式与上述驱动部相连接。若上述驱动部接收电源并向上述基座支撑部150提供旋转力，则上述主坩埚120与上述基座130一同旋转。
54.并且，在上述生长炉110设置用于对上述基座130进行加热的加热器140。上述加热器140包括：线圈141，通过接收电源来产生磁场；以及外罩142，用于包围上述线圈141。
55.上述线圈141借助因磁场而产生的电磁感应来在上述基座130产生电流。在此情况下，在上述基座130产生的电流将被转换成热能。因此，上述加热器 140将对上述基座130进行加热。上述基座130的热量将导热到上述主坩埚120，上述基座130将由此对上述主坩埚120进行加热。
56.上述外罩142以使得上述线圈141维持规定形状的方式支撑上述线圈141。上述外罩142阻断上述线圈向上述生长炉110的上述内部空间110a露出。因此，上述外罩142可通过阻断上述线圈141向上述生长炉110的上述内部空间110a 露出，来在上述线圈141接收电源并形成磁场的情况下，防止在上述真空状态下因等离子现象而产生电弧放电(arc discharge)或因上述线圈141与存在于上述内部空间110a中的非活性气体(例：氩)相接触而产生电弧放电。
57.上述加热器140以包围上述基座130的外侧面的方式形成。并且，上述加热器140可通过作为感应加热方式的电磁感应来对上述基座130进行加热。在上述加热器140采用感应加热方式的情况下，上述加热器140以与上述基座130 的外侧面隔开的方式配置，由此防止上述基座130的热量重新导热到加热器 140。
58.并且，在上述生长炉110的下侧配置用于支撑上述加热器140的加热器支撑部160。上述加热器支撑部160可大致形成圆筒形状。在形成上述圆筒形状的上述加热器支撑部160的内部配置上述基座支撑部150。并且，上述加热器支撑部160的上端形成与上述加热器140的下端相对应的形状，由此使上述加热器140配置于上述加热器支撑部160的上端。
59.并且，在上述加热器140的下侧设置阻断部170，上述阻断部170用于对因在上述加热器140产生的磁场而引起的电磁感应进行阻断。
60.上述阻断部170配置于上述加热器140与上述生长炉110的底面112之间。上述阻断
部170由非磁性体形成，并不受到因在上述加热器140产生的磁场而引起的电磁感应来发热。并且，上述阻断部170与上述加热器支撑部160相结合。
61.并且，上述阻断部170配置于上述基座130的下侧与上述生长炉110的底面112之间，由此阻断在上述基座130产生的热量导热到上述生长炉110的底面112或配置于上述基座130和上述底面112的装置。
62.并且，在上述阻断部170形成使上述基座支撑部150通过的通孔(未图示)。因此，使得上述基座支撑部150经过通孔通过上述阻断部170，由此防止上述阻断部170和旋转的上述基座支撑部150产生干扰。
63.图2为重点示出本实用新型一实施例的锭生长装置的基座的立体图，图3 为图2的剖视图。
64.参照图2及图3，上述基座130包括多个发热部件131、132以及配置于上述多个发热部件131、132之间的多个绝缘部件133。
65.上述多个发热部件131、132形成倒置圆顶形状的基座130的外形。上述多个发热部件131、132互相电绝缘。并且，上述多个发热部件131、132由包括石墨(graphite)在内的材质形成。但是，上述多个发热部件131、132的材质并不限定于石墨，可由耐热性强的多种材质形成。
66.并且，上述基座130可形成上述多个发热部件131、132沿着与上述生长炉 110(参照图1)的底面112平行的水平方向(z轴)被分割的形状。并且，上述多个发热部件131、132包括：多个第一发热部件131，形成上述基座130的侧壁；以及多个第二发热部件132，形成上述基座130的底部。
67.上述多个第一发热部件131可形成包围上述主坩埚120(参照图1)的外侧面的环状。并且，上述多个第一发热部件131形成使得通过磁场感应的电流沿着上述主坩埚120(参照图1)的外侧面流动的环状。由此，因磁场而感应的电流将在上述多个第一发热部件131单独流动，由此确保上述基座130的整体温度的均衡性。
68.并且，上述多个第一发热部件131的大小从上侧朝向下侧逐渐变大。由此，以并不在上述基座130的上侧集中发热的方式得到调节。
69.并且，根据本实用新型的多种实施例，可通过以不同的大小设计上述多个第一发热部件131，来调节上述基座130的侧壁的上侧区域、中心区域或下侧区域的发热程度。
70.并且，根据本实用新型的一实施例，上述多个第一发热部件131可设置3 个，但并不限定于此，可设置4个以上。
71.另一方面，在上述多个第一发热部件131的端部131a、131b形成尖锐的形状的情况下，电流将在上述端部131a、131b集中流动，将产生过度发热的问题。
72.为了解决这种问题，在上述多个第一发热部件131的端部131a、131b设置曲面部131a、131b。由此，防止因电磁感应而产生的电流在上述多个第一发热部件131的曲面部131a、131b集中流动，从而防止上述曲面部131a、131b过度发热。
73.上述多个绝缘部件133配置于上述多个发热部件131、132之间，来使得上述多个发热部件131、132相结合。上述多个绝缘部件133与上述多个第一发热部件131一同形成上述基座130的侧壁。
74.并且，上述多个绝缘部件133由非磁性体形成。例如，上述多个绝缘部件 133可由
陶瓷材质形成。由此，上述多个绝缘部件133将阻断上述多个发热部件131、132互相电连接。
75.图4为重点示出本实用新型另一实施例的锭生长装置的基座的剖视图。
76.参照图4，本实用新型另一实施例的锭生长装置的基座230包括多个发热部件231、232以及配置于上述多个发热部件231、232之间的多个绝缘部件233。而且，在本实用新型另一实施例中的结构要素与之前所述的实施例中的结构要素相同或相似的情况下，将由之前所述的说明进行代替。
77.上述基座230形成上述多个发热部件231、232沿着与上述生长炉110(参照图1)的底面112(参照图1)相垂直的垂直方向(z轴)被分割的形状。由此，因磁场而感应的电流将在上述多个发热部件231、232单独流动，由此防止在上述基座230的特定部分过度发热或不发热。
78.根据本实用新型的另一实施例，上述基座230可包括3个上述多个发热部件231、232，但并不限定于此，可设置4个以上。
79.在这种条件下，需要解释的是，模拟中的温度最高达到6000℃左右，但锭生长装置中的实际温度不同。
80.对以未分割的方式成一体化的基座(以下，称为“一体化的基座”)、本实用新型实施例的基座以及本实用新型另一实施例的基座的发热性能进行比较。
81.首先，在上述一体化的基座借助通过加热器产生的电磁感应来被加热的情况下，上述一体化的基座的上端部的温度将高于上述一体化的基座的其他部分的温度。即，温度从上述一体化的基座的上侧朝向下侧逐渐变低。这是因为在上述一体化的基座的上端部形成环状。
82.而且，本实用新型一实施例的基座130(参照图3)的上端部的温度与其他部分的温度之间的温度差小。
83.而且，可看到本实用新型一实施例的基座的侧壁的温度高于上述一体化的基座的侧壁的温度并整体上形成均衡。这是因为通过如上所述的方式来使得多个发热部件借助电磁感应单独发热。
84.如上所述，本实用新型一实施例的基座可通过确保所发热的温度的均衡性来提高锭的单晶收率。
85.并且，由于本实用新型一实施例的基座比接收相同电力的上述一体化的基座呈现出更高的温度，从而可提高在锭生长装置中使用的电能的能效。
86.而且，本实用新型另一实施例的基座230(参照图4)的侧壁在比上述一体化的基座的侧壁宽的部分以更高的温度发热。
87.这是因为本实用新型另一实施例的基座230(参照图4)的多个发热部件借助电磁感应单独发热。
88.另一方面，虽然本实用新型另一实施例的基座230(参照图4)以比本实用新型一实施例的基座130(参照图3)低的温度发热，但在比上述一体化的基座宽的部分以高温度发热，因而在基座由被分割的多个发热部件构成的情况下，提高发热性能。
89.图5为简要示出本实用新型另一实施例的锭生长装置的线圈的侧视图，图 6为从上侧观察图5中的线圈的图。
90.本实用新型另一实施例的锭生长装置在外形上与图1所示的本实用新型一实施例
的锭生长装置相似。参照图5及图6，将重点察看本实用新型另一实施例的锭生长装置的线圈341。
91.首先，在本实用新型另一实施例的锭生长装置设置基座330。如上所述，上述基座330形成多个发热部件沿着水平方向(x轴)或垂直方向(z轴)被分割的形状。
92.与之前所述的实施例相同，上述外罩142包围上述线圈341，并以维持上述线圈341的形状的方式进行支撑。
93.上述线圈341包括：第一部分342，以使得上述锭i(参照图1)的提拉方向(z轴，参照图1)和上述线圈341的中心o的磁场方向c平行的方式沿着上述基座330的外侧面形成；以及第二部分343，以与上述第一部分342之间的倾斜度达到规定角度的方式从上述第一部分342延伸而成。
94.在此情况下，上述线圈341使得上述第一部分342和上述第二部分343在上述基座330的外侧面形成一次转折形状。而且，上述线圈341使得上述第一部分342和上述第二部分343沿着上述基座330的上下方向(z轴)形成多次转折形状。其中，上述基座330的上下方向(z轴)与上述锭的提拉方向(z 轴，参照图1)相同。
95.如图5所示，当从侧面观察上述基座330时，上述第一部分342包括：第一转折形状部342a，配置于上述线圈341的上侧；第二转折形状部342b，以隔开的方式配置于上述第一转折形状部342a的下侧；以及第三转折形状部342c，以隔开的方式配置于上述第二转折形状部342b的下侧。并且，上述第一部分 342并不限定于由第一转折形状部342a、第二转折形状部342b、第三转折形状部342c形成的情况，如图5所示，可包括第四转折形状部、第五转折形状部等多个转折形状部。
96.而且，第一部分342以依次连接上述第一转折形状部342a、上述第二转折形状部342b以及上述第三转折形状部342c的方式构成，但是，当从上述基座 330的侧面观察时，能够以互相隔开的方式配置。
97.上述第二部分343包括：第一连接部343a，配置于上述第一转折形状部342a 的一侧与上述第二转折形状部342b的另一侧之间；以及第二连接部343b，配置于上述第二转折形状部342b的一侧与上述第三转折形状部342c的另一侧之间。而且，在上述第一部分342由上述多个转折形状部构成的情况下，上述第二部分343以与上述多个转折形状部相对应的方式由多个上述连接部构成。
98.上述第一连接部343a以从上述第一转折形状部342a的一侧朝向上述第二转折形状部342b的另一侧倾斜的方式形成。即，上述第一转折形状部342a通过上述第一连接部343a来与上述第二转折形状部342b电连接，上述第一转折形状部342a以沿着上述水平方向(x轴)配置的方式设置。其中，上述水平方向(x轴)与上述线圈341的中心的磁场方向c相垂直。
99.上述第二连接部343b以从上述第二转折形状部342b的一侧朝向上述第三转折形状部342c的另一侧倾斜的方式形成。即，上述第二转折形状部342b通过上述第二连接部343b来与上述第三转折形状部342c电连接，上述第二转折形状部342b以沿着上述水平方向(x轴)配置的方式设置。同样，上述多个转折形状部能够以沿着上述水平方向(x轴)配置的方式设置。
100.因此，上述第一部分342沿着作为与上述线圈341的中心的磁场方向c相垂直的方
向的水平方向(x轴)形成，使得因在上述线圈341产生的磁场而引起的力不会与锭的单晶生长的方向倾斜。即，可通过沿着水平方向(x轴)配置上述线圈341的上述第一部分342，来提高上述锭的单晶的收率。
101.并且，如图6所示，当从上侧观察上述线圈341时，上述第二部分343的第一连接部343a配置于与上述线圈341的同心圆的中心o之间形成规定角度的范围内配置。上述规定角度可达到约20
°
。即，上述第二部分343可配置于与上述线圈341的同心圆的中心o之间形成约20
°
的范围内，上述第二部分 343的长度在上述线圈341的总长度的1/18以内。上述第二部分343的长度根据上述线圈341的厚度来决定。例如，上述线圈341的厚度越小，上述第二部分343的长度越小。
102.如上所述，随着上述线圈341以使上述第二部分343的长度最小化的方式形成，可使得因在上述第二部分343产生的磁场而引起的力对锭i(参照图1) 的单晶产生的影响最小化。
103.图7为简要示出以螺旋形卷绕的线圈的立体图，图8a为示出图7中的比较例中的基座的上侧区域的温度偏差和本实用新型另一实施例的基座的上侧区域的温度偏差的图表，图8b为示出图7中的比较例中的基座的中心区域的温度偏差和本实用新型另一实施例的基座的中心区域的温度偏差的图表。
104.参照图7至图8b，对比较例中的以螺旋形卷绕的线圈(以下，称为“比较例中的线圈”)、本实用新型另一实施例的线圈的性能进行比较。
105.首先，如图7所示，上述比较例的线圈30按螺旋形沿着基座20的外侧面卷绕多次。
106.而且，与比较例中的线圈相比，以线圈的同心圆的中心为基准，通过本实用新型再一实施例的线圈加热的基座大致对称。即，与比较例中的线圈相比，本实用新型另一实施例的线圈以基座的温度均衡的方式对基座进行加热。由此，本实用新型另一实施例的线圈将确保基座的温度均衡性。
107.并且，如图8a所示，通过上述比较例中的线圈加热的基座的上侧区域的温度偏差达到约488℃，通过本实用新型另一实施例的线圈加热的基座的上侧区域的温度偏差达到约420℃。即，与上述比较例中的线圈相比，本实用新型另一实施例的线圈使得基座的上侧区域的温度偏差小。
108.并且，如图8b所示，通过上述比较例中的线圈加热的基座的中心区域的温度偏差达到约305℃，通过本实用新型另一实施例的线圈加热的基座的中心区域的温度偏差达到约273℃。即，与上述比较例中的线圈相比，本实用新型另一实施例的线圈使得基座的中心区域的温度偏差小。而且，如上所述，由于是并未将对主坩埚和收容于主坩埚的熔融硅产生热传递的情况考虑在内的模拟结果，因而需要解释的是，与驱动锭生长装置的实际温度有差别。
109.如上所述，与上述比较例中的线圈相比，本实用新型另一实施例的线圈将确保基座的温度均衡性。并且，本实用新型另一实施例的线圈将确保基座的温度均衡性，因而将防止在确保基座的温度均衡性的过程中过度消耗电能。
110.以上，对本实用新型的实施例进行了说明，但本实用新型的思想并不限定于在本说明书中提出的实施例，理解本实用新型的思想的本实用新型所属技术领域的普通技术人员可在相同的思想范围内通过结构要素的附加、变更、删除、添加等来轻松提出其他实施
例，但这也属于本实用新型的思想范围内。