CN101970362A - 石英玻璃坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石英玻璃坩埚，该石英玻璃坩埚的外表面层由天然石英玻璃形成，内面层由合成石英玻璃形成。直筒部具有朝向上方并向外侧展开的形状，优选的，向外侧展开部分的下端和上端的内径差是0.1％以上，并且，角部的合成石英玻璃内面层的层厚是角部中央部分壁厚的20％以上～80％以下，直筒部及底部的合成石英玻璃内面层薄于角部的合成石英玻璃内面层。本发明提供一种即使是大口径的坩埚也在提拉时的高温下上难以产生内倒变形的石英玻璃坩埚。

Description

石英玻璃坩埚

【技术领域】

本发明涉及提拉硅单结晶用的石英玻璃坩埚。尤其涉及即使是大口径坩埚也在提拉时的高温下难以产生内倒变形的石英玻璃坩埚。

【背景技术】

作为半导体材料的硅单结晶主要是根据提升收容于石英玻璃坩埚内的硅熔液的同时进行单结晶化的方式来进行制造。作为提拉这种硅单结晶用的石英玻璃坩埚由于其内面层接触于熔硅，因此在公开技术中，为了提高单结晶的质量，以合成石英玻璃形成坩埚内面层。并且，由于合成石英玻璃的高温粘度稍稍低于天然石英玻璃，因此为了提高坩埚的高温强度，一种已公开坩埚，以合成石英玻璃形成内面层的同时，利用天然石英玻璃形成其外表面层(专利文献1～3)。

进而，一种已公开坩埚，将氧化铝和氮化硅加入到以天然石英玻璃形成的外表面层和合成石英玻璃形成的内面层之间，由此使其形成为在高温下构成结晶促进剂的结晶化层，由此提高石英玻璃坩埚的强度(专利文献4)。

并且，一种已公开坩埚，利用天然石英玻璃形成坩埚外表面层及内面层的同时，从坩埚底部到角部的内面层表面上内衬有石英玻璃层，由此防止提拉时的熔硅表面振动(专利文献5)。

另一方面，一种已公开石英玻璃坩埚，通过在坩埚上设置有其直筒部朝向上方并向外侧展开的锥形部，由此使得单结晶硅保持均匀的氧浓度(专利文献6)。进而，一种已公开的上端部具有向外展开形状的坩埚，由合成石英玻璃层形成其内层的同时，为了防止使用时的内倒、压曲，以碳材料形成其外层来提高坩埚在高温下的强度(专利文献7)。

专利文献1：日本专利特开平1-261293号公报

专利文献2：日本专利特开平1-275496号公报

专利文献3：日本专利特开平03-40989号公报

专利文献4：日本专利特开平04-21587号公报

专利文献5：WO2004/097080号公报

专利文献6：日本专利特开昭57-38398号公报

专利文献7：日本专利特开2007-076974号公报

【发明内容】

一种由合成石英玻璃形成内面层的坩埚，其混入到单结晶硅中的杂质很少，其具有提高单结晶化率及单结晶的结晶品质的效果，不过合成石英玻璃的高温粘度稍稍低于天然石英玻璃，所以，比较容易发生提拉时的坩埚直筒部内倒变形现象，为此导致提拉中断现象或降低结晶化率。特别是当坩埚大型化时，由于使用时的墙壁温度高，因此更容易发生这种问题(专利文献1～3)。这种现象也同样发生在从坩埚底部到角部的内面层表面上内衬有合成石英玻璃层的坩埚中(专利文献5)。

另一方面，一种在天然石英玻璃层和合成石英玻璃层之间加入作为结晶促进剂的氧化铝和氮化硅的坩埚中，虽然通过形成结晶化层来提高坩埚的强度，但是得不到足够防止内倒现象的强度，特别是大型坩埚得不到足够的强度。而且，结晶化层和石英玻璃层因热膨胀差而轻易发生剥离或碎裂现象，这有可能导致提拉中的硅熔液泄漏现象(专利文献4)。

并且，一种在坩埚上部设置有朝向上方并向外侧展开的锥形部的坩埚中，设置在基座上的坩埚的上端在高温下容易倒向外侧基座，由此可防止内倒(专利文献6)。可是，即使坩埚直筒部具有朝向上方并向外侧展开的形状，也当在坩埚的角部与基座之间具有间隙时，在提拉过程中，在坩埚的角部上发生慢慢沉入等变形，根据此变形，直筒部具有垂直形状，或，具有朝向上方稍微向内侧倾斜的形状，其结果，有可能会产生内倒先生。并且，提拉过程的变形也会构成有转移化的原因，或，构成结晶品质上产生偏差的原因。

进而，一种坩埚上端部具有向外展开的形状，并且，由碳形成外层的石英玻璃坩埚中，由于其坩埚具有双重结构，因此其制造方法复杂，加工和操作变得麻烦。特别是完全抑制碳粒子从外面碳层混入到内面玻璃层，并在维持石英玻璃内面层的清净度的状态下进行处理是非常困难的(专利文献7)。

为了解决上述课题，本发明提供的石英玻璃坩埚，其具备由天然石英玻璃形成的外表面层，以及由合成石英玻璃形成的内面层，直筒部具有朝向上方并向外侧展开的形状，并且，角部的合成石英玻璃内面层的层厚是角部部中央部分壁厚的20％以上～80％以下，直筒部及底部的合成石英玻璃内面层薄于角部的合成石英玻璃内面层。

根据本发明，由于直筒部具有朝向上方并向外侧展开的形状，因此在高温下不会发生内倒现象，并且，在角部上的由合成石英玻璃形成的内面层的最大层厚为角部最大壁厚的20％以上，因此，设置在基座上的坩埚的角部在高温下容易贴紧于基座，并且，内面层的最大层厚限制为角部最大层厚的80％以下，而且，直筒部及底部的由合成石英玻璃的内面层薄于角部内面层，因此，在高温下也充分确保角部的强度，并且，直筒部及底部也具有充分的强度，由此不产生沉入等变形。从而，在大型坩埚中也能获得出色的单结晶拉提效果。

本发明中，在朝向上方并向外侧展开的直筒部上，其下端和上端的内径差优选为0.1％以上。因为如果在直筒部的向外展开部分的上端和下端的内径差是0.1％以上的话，坩埚的上端部向外侧的受力会变大，这样可以确实防止坩埚内倒。

本发明中，可以设计成从直筒部的上端到角部的范围向上方并向外侧展开的形状，也可以设计成从直筒部的上端起50mm以内的范围是垂直部分，并且，从垂直部分下端到角部的范围向上方并向外侧展开的形状。不管何种形状，其向外展开部分的下端和上端的内径差达到0.1％以上为好。作为直筒部全体来看，两者呈朝向上方并向外侧展开的形状，因此，加大坩埚上端部所接受的向外侧的受力，能够确实防止坩埚内倒。

本发明中，直筒部的壁厚为朝向上端部逐渐变薄为好。通过使得直筒部的壁厚朝向上端部逐渐变薄，由此使得坩埚直筒部的上端部分轻于下侧部分，由此进一步能降低内倒的可能性。

根据本发明，即使是大口径的坩埚也在提拉时的高温下上难以产生内倒等变形的石英玻璃坩埚。

【附图说明】

图1：本发明第1实施例相关的石英玻璃坩埚结构的简略断面图。

图2：本发明第2实施例相关的石英玻璃坩埚结构的简略断面图。

【具体实施方式】

接下来，结合附图并基于实施例对本发明进行具体说明。

图1表示本发明第1实施例相关的石英玻璃坩埚结构的简略断面图。

如图1所示，本实施例相关的石英玻璃坩埚10是提拉硅单结晶用的坩埚，其外表面层20由天然石英玻璃形成，内面层21由合成石英玻璃形成。所谓天然石英玻璃是指溶融天然水晶、硅石等的天然原料并制造而成的石英玻璃。通常，相较于合成石英，天然石英具有其金属杂质的浓度高、OH基的浓度低的特性。譬如，在天然石英中包含的Al含有量为1ppm以上，碱金属(Na，k，Li)含有量分别为0.05ppm以上，OH基的含有量少于60ppm。另一方面，所谓合成石英玻璃是指溶融譬如硅醇盐的加水分解而生成的合成原料并制造而成的石英玻璃。通常，相较于天然石英，合成石英具有其金属杂质的浓度低，OH基的浓度高的特性。譬如，在合成石英中包含的各种金属杂质(Al，Na，K，Li等)的含有量少于0.05ppm，OH基的含有量为30ppm以上。但是，市面上也存在添加有Al等金属杂质的合成石英，因此，在合成石英与天然石英判断基准上，不应该仅仅考虑一个因素，而是应该结合多个因素来综合性地进行判断。

如图所示，石英玻璃坩埚10具有形成有垂直侧壁部分的直筒部11，继而该直筒部11下端并弯曲的角部12，继而该角部12并相对平坦的底部13，直筒部11具有朝向上方并向外侧展开的碗型形状。在此，直筒部11和角部12的边界为，在直筒部11不变的坩埚壁部切线倾角开始变化的位置。角部12和底部13的边界根据坩埚底部为圈底还是平底而不同，在本发明中不必特别明确规定，但是，例如，相对于垂直于坩埚的中心轴(Z轴)的XY平面，坩埚壁部的切线倾角为10度以上的区域定义为角部12，不到10度的区域定义为底部13。

在本实施例相关的石英玻璃坩埚10中，从直筒部11到角部12及底部13的坩埚全体外侧部分(外表面层)20由天然石英玻璃形成。从而，相较于全部由合成石英玻璃形成的坩埚，在高温下的坩埚强度更大，坩埚更难发生变形。

并且，在本实施例相关的石英玻璃坩埚10中，从直筒部11到角部12及底部13的坩埚全体内侧部分(内面层)21由合成石英玻璃形成。因为与硅熔液接触的内面层21由具有高纯度的合成石英玻璃层形成，所以，能够提拉杂质浓度极低的硅单结晶。除了角部12之外的直筒部11及底部13之由合成石英玻璃构成的内面层21层厚相对于直筒部11的壁厚及底部13的壁厚分别为5％～50％左右为好。

进而，在石英玻璃坩埚10中，角部12上的由合成石英玻璃构成的内面层21最大层厚t1是位于同一位置上的角部12壁厚t0之20％以上80％以下，角部12内面层21的最大壁厚t1大于直筒部11及底部13的内面层21层厚t2、t3，直筒部11及底部13的内面层21薄于角部12的内面层21。

在石英玻璃坩埚10中，角部12的最大层厚t1为角部12的壁厚t0之20％以上，并且，其厚度大于直筒部11及底部13的由合成石英玻璃形成的内面层21的最大层厚t2、t3，因此，当坩埚设置到基座时，在提拉时的高温下，相较于直筒部11，坩埚的角部12稍稍容易软化，从而，提拉之前对硅材质进行溶融操作过程中，角部12紧密贴紧于基座，坩埚稳定地支撑于基座上。另一方面，直筒部11向外展开形成，并受到向外的力量，由此，在提拉过程中不产生直筒部11内倒现象。

另一方面，角部12内面层21的层厚薄于角部12壁厚之20％的话，在对硅材质进行溶融操作过程中，在高温下难以软化，角部12不贴紧于基座，角部12与基座之间残留间隙，由此，在继续提拉过程中，此间隙构成坩埚全体变形的原因。由于坩埚全体的变形，当初具有向外侧展开形状的直筒部变为垂直或朝向上方稍微向内侧倾斜的形状，由此，最终会有可能导致内倒。

在石英玻璃坩埚10中，角部12的内面层21的最大层厚t1是角部12的壁厚t0之80％以下。该合成石英玻璃内面层的层厚若超过80％，则角部过于软化并导致容易产生沉入的现象。并且，直筒部11及底部13的由合成石英玻璃构成的内面层21薄于角部12的由合成石英玻璃构成的内面层21，因此，直筒部11及底部13相较于角部12更难软化，难以变形。

在石英玻璃坩埚10中，直筒部11具有朝向上方并向外侧展开的形状(向外展开形状)。因此直筒部11受到向外的力量，所以，在提拉时的高温下，即使坩埚的强度稍稍软化也可以防止其内倒。

在石英玻璃坩埚10中，从直筒部11上端11a到角部12的范围形成为朝向上方并向外侧展开的形状。直筒部11下端11b和上端11a的内径差为0.1％以上，即，相对于下端11b内径r1，其上端11a内径r2为1.001r1以上为好。若直筒部11的内径差少于0.1％，则向外侧的倾斜程度太小，直筒部11因软化状态的不同而有可能产生内倒现象。在上述向外展开形状中，直筒部11的外径随从内径的向外展开形状的倾斜程度而形成同样的向外展开形状即可。再者，只要是直筒部11的下端11b和上端11a的内径差是0.1％以上的话，其直筒部11外径从下端到上端可以具有同样直径。

并且，包括坩埚直筒部11内面层21及外表面层20的壁厚朝向上端部11a逐渐变薄为好。根据这种形状，坩埚直筒部11上端部分轻于下侧部分，能够进一步降低发生内倒现象的可能性。

如上所述，本实施例相关的石英玻璃坩埚10，其在提拉硅单结晶时，放入到坩埚内的硅材质在融化时，石英玻璃坩埚贴紧于外侧的碳基座上，由此，从提拉初期开始就可以抑制坩埚的变形，不产生提拉过程当中的变形，具有很低的有转位化率，并减少结晶品质的偏差。并且，角部经软化之后可以对应于随着提拉而消耗的碳基座所导致的基座形状的微小变动，因此，坩埚对应基座形状而贴紧于此，由此能够提高单结晶化率。

图2表示本发明第2实施例相关的石英玻璃坩埚结构的简略断面图。

如图2所示，本实施例相关的石英玻璃坩埚30，从直筒部11上端11a到下方50mm以内的部分并非呈向外展开形状，而是形成为垂直形状，从所述垂直部分下端11c到角部12的范围形成为朝向上方并向外侧展开的形状。如果垂直部分是从直筒部11上端11a的50mm以下范围的话，即使形成为同样开口直径(内径)也直筒部11上端部分发生内倒的可能性很低，因此，从直筒部11上端起50mm以内的部分到角部的范围形成为向外展开形状亦可。

关于直筒部11，其下端11b和上端11a(11c)的内径差为0.1％以上，即，上端11a(11c)的内径比下端11b的内径大0.1％以上为好。该内径差若小于0.1％，则朝向外侧的倾斜很小，随着直筒部11软化状态的不同有可能会发生内倒现象。其他结构与第1实施例相关的石英玻璃坩埚具有实质上的相同结构，因此，在此省略同样构成因素以及付有同样符号部分的详细说明。

如以上所述说明，本实施例相关的石英玻璃坩埚30具有如同上述石英玻璃坩埚10，其应用于硅单结晶的提拉，对于放入到坩埚内的硅材质进行融化时，石英玻璃坩埚贴紧于外侧的碳基座，因此能够从提拉初期开始抑制坩埚的变形，不产生提拉中的变形，具有很低的有转位化率，并减少结晶品质的偏差。并且，角部经软化之后可以对应于随着提拉而消耗的碳基座所导致的基座形状的微小变动，因此，坩埚对应基座形状而贴紧于此，由此能够提高单结晶化率。

实施例

在旋转碳模的内表面上堆积天然石英粉，并在其上侧堆积合成石英粉，通过电弧溶融方式制造石英玻璃坩埚。此时，使用内表面层朝向上方并向外侧展开的、具有倾斜角度的碳模，并且，坩埚直筒部的上端部和下端部的壁厚，角部的壁厚分别具有如表1所示厚度而堆积天然石英粉和合成石英粉，并且，使得内面层的合成石英玻璃层具有表1所示的层厚而进行调整，由此制造出口径约24英寸的石英玻璃坩埚的样品No.1～No.6。各石英玻璃坩埚的大小分别为高度50cm、从直筒部下端到上端(坩埚上端)的高度35cm。接着，利用这些坩埚样品No.1～No.6进行硅单结晶的提拉。其结果如表1所示。

如表1所示，在样品No.1～3之任意一个样品中，直筒部的上端内径和下端内径的差是0.1％以上，在角部中央部分上的合成石英玻璃层的比例为20％以上～80％，因此，角部经软化并贴紧于基座，提拉时坩埚的并未变形，得到良好的提拉结果。

另一方面，样品No.4是对角部壁厚的内面层(合成层)的最大层厚超过80％的样品，其中，在角部发生局部压曲，提拉成绩不良。并且，样品No.5是直筒部的上端和下端的开口直径差不满0.1％的样品，其中，在坩埚的上端部上产生内倒部分，提拉成绩不良。进而，样品No.6是相对于角部壁厚的内面层(合成层)的最大层厚不满20％的样品，其中，坩埚角部与基座的贴紧状态不良，提拉成绩不良。

综上所述，虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (5)

1.一种提拉硅单结晶用的石英玻璃坩埚，其特征在于：具备由天然石英玻璃形成的外表面层，以及由合成石英玻璃形成的内面层，直筒部具有朝向上方并向外侧展开的形状，角部的上述内面层的最大层厚是在该位置上的上述角部壁厚的20％以上～80％以下，上述直筒部及底部的上述内面层薄于上述角部的上述内面层的最大层厚。

2.如权利要求1所述的石英玻璃坩埚，其特征在于：上述直筒部的下端和上端的内径差是0.1％以上。

3.如权利要求1所述的石英玻璃坩埚，其特征在于：从上述直筒部的上端到上述角部的范围具有朝向上方并向外侧展开的形状。

4.如权利要求1所述的石英玻璃坩埚，其特征在于：从上述直筒部的上端起50mm以内的范围是垂直部分，从上述垂直部分下端到角部的范围具有朝向上方并向外侧展开的形状。

5.如权利要求1所述的石英玻璃坩埚，其特征在于：上述直筒部的壁厚朝向上端部逐渐变薄。

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