CN102325927A - 氧化硅玻璃坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设置有基准点的单晶硅拉晶用氧化硅玻璃坩埚，藉由该基准点能正确掌握氧化硅玻璃坩埚的缺陷位置，从而可用于特定单晶硅的缺陷发生部位以及查明缺陷发生原因。对于本发明的氧化硅玻璃坩埚，在其坩埚边缘部、内壁面以及外壁面之中的至少一处，设置用以特定与规定部位之间的位置关系的基准点。

Description

氧化硅玻璃坩埚

技术领域

本发明涉及一种单晶硅拉晶用氧化硅（silica）玻璃坩埚。

背景技术

支撑现今IT化社会的电子技术中，应用于此技术中的半导体设备等的制造上硅晶片是不可或缺的。这种硅晶片的特征之一是具有氧析出物、位错、氧层积缺陷等的微小缺陷。这种微小缺陷一方面具有可以捕获在设备工艺中发生的重金属污染的有益效果，另一方面，会成为设备不良的原因。从而，根据设备种类或所使用的设备工艺的不同，有必要将单晶硅结晶中的氧浓度调整为规定浓度。

目前，作为单晶硅的制造方法，通常采用被称为切克劳斯基法(Czochralski，下称CZ法)的单晶硅拉晶方法。另外，还有一种是被称为MCZ法（Magneticfield applied CZ法）的方法，该方法是一种在CZ法上施加强有力的磁场的方法。

在CZ法中，一般来讲，金属杂质的浓度为几ppb(1ppb等于十亿分之一)以下的高纯度多晶硅和电阻率调整用掺杂剂(硼(B)或磷(P))一同放入到高纯度氧化硅玻璃坩埚内，并在大约1420℃的温度下进行熔化。其次，将晶种硅棒接触到硅熔液的液面上，旋转晶种或氧化硅玻璃坩埚，将晶种减细(无位错化)之后提升，由此获得具有与晶种相同原子排列的单晶硅锭。

如上所述，氧化硅玻璃坩埚是一种熔化多晶硅并作为单晶硅提升时贮留硅熔融液的装置。并且，氧化硅玻璃慢慢熔化为硅熔液。因此，提升该单晶硅时，氧化硅玻璃坩埚起到给上述硅晶片供氧的作用，同时也是供应铁（Fe）或铝（Al）、钠（Na）等微量杂质的供给源。并且，含在氧化硅玻璃中的缺陷也熔解于硅熔液中并混入。作为代表性缺陷，有含在氧化硅玻璃中的φ0.05mm以上的气泡、铁等的金属小片等。

根据CZ法进行单晶硅的拉晶时，如果露出φ0.05mm以上的气泡或者气泡破裂，则氧化硅玻璃碎片会掉落到硅熔液中。该氧化硅玻璃碎片根据硅熔液的热对流而移动，并附着到单晶硅上。此时，由于单晶硅进行多结晶化，因此单晶的成品率会降低。而且，气泡中的气体也混入到硅熔液中。如果该气体成分掺入到单晶硅中，就会成为单晶硅的缺陷。由于包含在氧化硅玻璃中的铁等杂质会切断氧化硅玻璃的O-Si-O结合并在单晶硅生长过程中的温度下转移成稳定的结晶(β-白硅石（cristobalite）)，因此，使金属小片周围结晶化。该结晶露出在结晶硅熔液之后会剥离，如同气泡而混入到硅熔液中，从而降低单晶的成品率。近几年，随着坩埚的大口径化(直径700mm以上)，会促进利用氧化硅玻璃坩埚进行CZ法时的温度条件的高温化，因此，氧化硅玻璃的熔解速度具有变快的倾向。并且，还会促进根据CZ法的单晶硅制造时间的长时间化，氧化硅玻璃的熔解量会增大，因此，上述问题越发引起担忧。

另一方面，就目的来说虽然与本发明完全不同，但是在现有技术中，作为在氧化硅玻璃坩埚上进行标记的技术，例如专利文献1中揭示了一种赋予可拆装式记号部件的技术。

【背景技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利申请 特开平10-120486号公报。

发明内容

【发明要解决的课题】

　然而，上述先前技术具有如下所述的改善余地。

第一，由于上述氧化硅玻璃坩埚的缺陷露出于硅熔液中时会带来不良影响，因此，有必要预先管理从氧化硅玻璃坩埚的内表面到缺陷为止的距离。在此，到该缺陷为止的距离与浸渍在硅熔液中的时间(即，氧化硅玻璃坩埚的墙面的熔解量)有关。其原因在于，该浸渍时间以及熔解量因氧化硅玻璃坩埚的部位而不同。而且，由于硅熔液的液面会随着单晶硅的提升而降低，因此，从氧化硅玻璃坩埚的直筒部朝向底部，存在浸渍时间以及熔解量增多的倾向。从而，对于氧化硅玻璃坩埚中存在的缺陷，如果能够正确掌握其高度位置以及从内表面的距离等信息，则，应该能够管理从氧化硅玻璃坩埚的内表面到缺陷为止的距离。然而，在现有的氧化硅玻璃坩埚中，无法掌握从氧化硅玻璃坩埚的内表面到缺陷为止的距离，因此无法进行产品出货的判断，或者，无法解决种种问题。

第二，在专利文献1中，相关记号部件是仅应用于氧化硅玻璃坩埚制造工序的每次搬送中的、在各载物台内的定位中的。具体来讲，在专利文献1中，在相对移动时利用可拆装式记号部件，而在转移至此后的原料熔化以及大量（bulk）拉晶工序之前将记号部件拆卸掉。因此，在根据CZ法的单晶硅制造过程中，藉由该可拆装式记号部件，很难管理从氧化硅玻璃坩埚内表面到缺陷位置的距离。

鉴于上述现状，本发明的目的在于提供一种带有基准点的氧化硅玻璃坩埚，其中，该基准点可藉由一定基准对坩埚中的缺陷位置进行数值化，同时，进行单晶硅拉晶时，基于已被数值化的缺陷位置来判断该缺陷是否构成问题。

【解决课题的手段】

　即，本发明的主要构成如下所述。

（1）一种氧化硅玻璃坩埚，其包括具有上面开口之边缘部的圆筒形直筒部、研钵状的底部、连接直筒部与底部之角部，其中，该边缘部，该氧化硅玻璃坩埚的内壁面以及外壁面之中的至少一处设置有固定式基准点，该基准点用以特定与规定部位之间的位置关系。

（2）如（1）所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，该内壁面以及/或该外壁面处的基准点，设置在该直筒部的该边缘部到自此边缘部起向下方距15cm为止的位置范围内。

（3）如（1）所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，上述基准点具有凸形状或凹形状。

（4）如（1）所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，上述基准点呈圆状，其直径为0.5mm～10mm。

（5）如（1）所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，上述基准点为激光标记。

（6）如（1）所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，上述基准点为碳制模具由来的转印痕。

【发明效果】

根据本发明，可以正确掌握氧化硅玻璃坩埚中的缺陷高度位置以及从内表面的距离。而且，本发明的氧化硅玻璃坩埚用在单晶硅的拉晶时，可以预先掌握缺陷的位置信息，因此，能够设定氧化硅玻璃坩埚浸渍于硅熔液的上限时间，从而防止缺陷的露出，由此能抑制单晶硅的不合格品的产生。

附图说明

图1是模具以及坩埚的模式图。

图2是圆状以及线状的基准点的模式图。

图3是设置激光标记时的模式图。

图4是基准点的照片。

图5是坩埚中的气泡缺陷的评价结果示意图。

图6是提升的单晶中的气泡位置示意图。

具体实施方式

接下来，结合附图说明本发明的实施方式。在此，在所有附图中，对相同构成要素赋予相同的符号，并适当省略说明。

图1是模具以及坩埚的模式图。在本实施方式中所使用的氧化硅玻璃坩埚1，可以作为应用于CZ法等的现有公知的任何一种氧化硅玻璃坩埚1来适宜使用，特别是适合使用为有容易增加缺陷等发生的可能性的，直径为800mm以上的大口径坩埚。

如图1所示，本实施方式的氧化硅玻璃坩埚1，至少在其外壁面上可以设置一固定式基准点，该基准点用于特定与规定部位(气泡发生位置等)之间的位置关系。根据该固定式基准点，能够以三维形式得知缺陷等的正确位置。另外，在图中，1表示氧化硅玻璃坩埚，2表示碳制模具，3表示坩埚的开口边缘部。在此，对于本实施方式中的固定式基准点的设置位置来说，设置在图1所示的坩埚边缘部3(包括端面部)与自此边缘部起向下方距15cm的部位之间的范围内的位置上较为适宜。在氧化硅玻璃坩埚1的外壁面设置固定式基准点时，例如，可以通过制造氧化硅玻璃坩埚1时使用的模具2来设置。这里所说的模具2是指相当于铸件之铸模的碳制容器。通常，从模具2的壁的上方向着所述模具2的壁供应作为氧化硅玻璃坩埚1的原料的氧化硅粉末，并填充到碳制模具2的整个壁上。接着，根据模具2旋转的离心力形成规定厚度，并从内侧进行电弧熔解而形成氧化硅玻璃坩埚1。

在本发明中，将利用碳制模具而成的转印痕赋予到氧化硅玻璃坩埚上时，预先在该碳制模具上形成用于转印痕的凹部以及/或凸部。对于该凹部以及/或凸部的形成方法并无特别限制,但是，例如在模具内形成凹部时，利用高速钢钻头等进行加工，以此能形成凹部。在模具内形成凸部时，在制造该模具时对模具的铸模等上进一步预先形成凹部，以此能在该模具上形成转印痕用凸部。通过如上所述的利用模具转印并被设置的基准点，可以正确掌握坩埚以及其成形用模具之间的位置关系。此时，该基准点的个数、位置等可以根据坩埚的使用状态来适当地选择决定。

另外，在上述模具内形成凸部时，考虑到氧化硅玻璃坩埚和碳制模具之间的未熔融氧化硅粉末的层厚，优选设定大小(高度)为2～15mm左右的凸部。其理由是，如果在所述范围内，则结束氧化硅玻璃坩埚制造工序之后，从模具取出氧化硅玻璃坩埚时，不会破坏氧化硅玻璃坩埚，能够顺利取出。

作为该空间坐标基准的基准点的形状，可以从圆状或线状的凹部或凸部中选择，并且，任一基准点均可设置在预先设定的部位上。另外，氧化硅玻璃坩埚经电弧熔融而被制造之后，如图1所示的坩埚的开口边缘部3的上方处紧接着会留有被称作轮圈端部的部位(未图示)，而此部位在后处理中会被剪切掉，以此形成图1所示的形状。因此，要将上述基准点设置在轮圈端部附近时，有必要考虑这一点。并且，也可以设定为这种凹部或者凸部等的各种形状混在一起的形式。

图2表示基准点适宜状态的模式图。同图(a)表示圆状以及线状的凹部的基准点，同图(b)表示圆状以及线状的凸部的基准点。

　如果是图2(ａ)所示的圆状基准点A，则其圆直径为0.5～10mm左右、深度为2～15mm左右为优选。其理由是，如果小于此直径以及深度的下限值，基准点有可能在单晶硅拉晶工序中消失掉，而另一方面，如果超过上限值，有可能被认定为坩埚缺陷。还有，如果是线状基准点B，则其长度为10～100mm左右、深度为2～15mm左右、宽度为0.5～10mm左右为优选，而且对于其设置位置来说，优选将其设置在从图1所示的坩埚的边缘部(包括端面部)到此边缘部的向下方距15cm为止的范围内。

图2(b)所示的凸部基准点，仅其形状与图2（a）所示的形状相反，其他相同于上述凹部，如果是圆状的基准点A'，则其直径为0.5～10mm左右、深度为2～15mm左右为优选。还有，如果是线状的基准点B'，则其长度为10～100mm左右、深度为2～15mm左右、宽度为0.5～10mm左右为优选。并且，这些凸部的设置位置与凹部的基准点一样，优选将其设置在从图1所示的坩埚边缘部(包含端部)到此边缘部向下方距离15cm为止的范围内。

对于设置在氧化硅玻璃坩埚上的根据本发明的基准点的使用方法的一例，以下将用图2(ａ)所示的圆形凹状基准点来进行说明。例如，利用固定底盘+基准点，对氧化硅玻璃坩埚进行固定配置时，将氧化硅玻璃坩埚载置在具有与该氧化硅玻璃坩埚的底部形状相符的凹陷的固定底盘上，如果能确保其中心轴，则根据本发明的基准点的个数只要有图2(ａ)所示的多个基准点A中的任意一点即可。还有，如果不使用如上所述的固定底盘，则如图2(ａ)所示设置2个以上的基准点A为优选，特别是，考虑到以下所述的测量方法的适用性等，更优选的是设置能算出基准平面(理论上的正确的几何学基准)的基准点。另外，上述基准面是指JIS B 0022中记载的基准平面。

利用一个或多个所述基准点时，利用3维测量仪能正确地测量气泡等的发生部位。作为3维测量仪，可以使用现有的任何一种测量仪。作为测量方法，将3维测量仪的传感器对准上述多个基准点，将预先设定的基准面和从坩埚的多个基准点上通过最小二乘法等求得的基准面相对准而调整坩埚位置并固定即可。在此，作为该3维测量仪的传感器可以使用光学传感器、激光探针、触摸探针等的任何一种。

通过上述方法可以将氧化硅玻璃坩埚一直设置在相同位置上，其结果，任一坩埚的相同坐标都表示相同位置。即，在氧化硅坩埚的检验工序和单晶硅的拉晶工序等不同工序之间也能够交换坐标数据，对于氧化硅玻璃坩埚的缺陷位置，为了不露出该缺陷而设定氧化硅玻璃浸渍在硅熔液中的时间上限值，由此可以预先设定拉晶时的制造条件的变更等的对应方法。

在本发明所谓的氧化硅玻璃坩埚的缺陷等是指例如铁（Fe）或铝（Al）等的金属小片，或者气泡缺陷等。存在这些气泡缺陷等时，单晶硅拉晶时单晶硅被多结晶化，因此有必要降低气泡缺陷。

以上，说明了将设置在模具内的凹凸结构转印到坩埚上，并以此为基准点的情况，接下来说明利用激光设置基准点的情况。图3是表示设置了本发明相关激光标记时的模式图。在图中，4表示模具的标记，5表示激光标记，6表示激光照射方向。利用激光设置基准点时，在制造坩埚之后坩埚存在于模具内的阶段，如图3所示，基于设置在模具上的标记，一直在相同的位置上设置激光标记为好。因此，不仅在氧化硅玻璃坩埚的外壁面，还可以在内壁面上设置根据本发明的基准点。另外，作为设置激光标记的方法，考虑到形状以及位置的正确性等的话，特别适合的是二氧化碳激光法。

另外，如图3所示，在取得碳制模具的对应关系时，如下所述，可以正确发现碳制模具的不当之处。

而且，还可以在氧化硅玻璃坩埚的开口边缘部，即在坩埚上端面上设置基准点。此时，例如可以设置在经检验而检测出来的缺陷部位的正上方位置上，由此能够简单地识别出所涉及的缺陷部位。在本发明中，作为基准点的设置方法，并非局限于如上所述的根据碳制模具的转印痕方法或者激光标记方法，只要是能对氧化硅赋予基准点的方法，可以使用钻头加工等现有技术中对氧化硅玻璃进行的加工方法。

并且，该基准点的形状与根据上述模具所赋予的形状一样，如果是圆状基准点，则其直径为0.5～10mm左右、深度为2～15mm左右为好，而且作为其设置位置，优选的是从图1所示的坩埚上端(包括端部)到此坩埚上端向下方距15cm为止的范围内的部位。并且，如果是线状基准点B，则其长度为10～100mm左右、深度为2～15mm左右、宽度为0.5～10mm左右为好，作为其设置位置，优选的是从图1所示坩埚的边缘部(包括端部)到此边缘部向下方距15cm为止的范围内的部位。

例如，当采用二氧化碳激光法时，作为激光装置可以使用3维控制激光标记，这种激光装置只要是照射区域的高低在42mm范围之内的话，则其焦点距离即可变，因此，不必微调与照射物之间距离或水平度也能在斜面和曲面上进行加工。

利用二氧化碳激光的基准点加工顺序如下所述。      

　1.将坩埚以其开口部朝下的状态放置到垫板上的工序，其中，该垫板具备坩埚定心用3爪式自定心卡盘机构，而且，该垫板的中心部设有标记加工机用的开口部；

　2.利用3爪式自定心卡盘机构对坩埚进行定心的工序；

　3.在坩埚内壁面侧升降激光加工机的工序；

　4. 利用内置于激光装置中的波长为650nm的红色半导体激光，调整坩埚内壁面-激光照射口之间距离的工序；

　5.利用激光设置标记部的工序；

　6.转动具有伺服控制机构的垫板，利用激光设置第二个基准点的工序；

　7.将金刚石工具加工机退回到原点位置的工序。

在本发明中，作为基准点的设置位置，优选的是从坩埚的开口端部(包括上端面)到此开口端部向下方距15cm为止的范围内的部位。其理由是，在单晶硅的拉晶中，因硅熔液的重量，当基准点位于硅熔液之下部位时，由于被外侧的碳基座按压，因此，当基准点位于该被按压的外壁部上时，会有基准点消失掉的可能性。并且，当基准点位于硅熔液面之下的内面时，由于氧化硅玻璃被硅熔液溶化，因此，仍然会有基准点消失的可能性。

在设置有根据本发明的基准点的氧化硅玻璃坩埚中，进行单晶硅的拉晶时，可以推测在该单晶硅上是否发生缺陷。其推测顺序如下：首先，掌握缺陷的高度位置和自内表面的距离，其次，通过比较由拉晶条件和在其条件下的浸渍时间计算出的氧化硅玻璃的消耗厚度来进行推测。具体来讲，在硅熔液的温度为1500℃、气氛压力(Ar)为6.67kPa的条件下，氧化硅玻璃的熔解速度为15μm/h左右，因此，在一定程度上，可以从其熔解速度和浸渍时间计算出存在缺陷的高度上的氧化硅玻璃的消耗厚度。通过比较经所述计算而得的消耗厚度和自缺陷内表面的距离，可以推测缺陷露出的可能性。

【实施例】

　(实施例1)

在直径为800mm的氧化硅玻璃坩埚上，通过在碳制模具的内壁部上预先设置凸部的方法施加了基准点C，以及通过二氧化碳激光加工方法施加了基准点D0。基准点的设置结果如图4中的各照片所示。如该图所示，可以看出已设置有基准点。另外，上述基准点位于坩埚边缘部下方10cm处，其直径为5mm。

另外，在本实施例中，二氧化碳激光的加工条件如下所述。      

　照射激光：　CO₂激光(级别4)

　照射激光的平均输出:　30W

　照射激光的振荡波长频带:10.6μm

　照射方式:　XYZ3轴同时扫描方式

　加工空间 :　300×300×42mm

与所述基准点D0相同地在氧化硅玻璃坩埚上还施加了基准点D1、D2，即共计3个基准点。测量结果如下所述。(单位:1/100mm)

　C(X,Y,Z):(152.023，145.445，400.313)

　D0(X,Y,Z):(150.413，132.560，421.432)

　D1(X,Y,Z):(150.413，550.235，421.432)

　D2(X,Y,Z):(434.341，132.560，421.432)

利用这些基准点，将作为被测量对象的氧化硅玻璃坩埚放置于测量用固定位置上。接着，利用光(氙灯（xenon lamp）)的透射来确认气泡引起的散乱，通过这种方法来确认直径为50μm以上的气泡缺陷的产生位置，并利用3维测量仪来测量其位置。作为3维测量仪，使用了便携式非接触型测量系统。另外，在以下说明中，使用二氧化碳激光的加工方法施加圆孔状基准点D0，但是，对于其他形状的基准点，例如，通过二氧化碳激光加工施加在端部上的基准点以及预先在模具内部设置凸部的方法来施加的基准点等的，根据本发明的的基准点来说，经确认均具有如下所述的结果。

上述3维测量仪的规格以及构成如下。      

　测量范围… X:850mm  Y:700mm  Z:600mm

　测长精度… X，Y，Z轴 U1≤(0.5±L/900)

　空间轴… U3≤(0.8±L/600)

　(U1，U3:μm)(L=测量长度:mm)

本实验中的氧化硅玻璃坩埚的定位可以使用如上所述的基准面来进行，但是在本实验中，使用了如上所述的固定底盘+基准点的方法。利用固定底盘+基准点在规定位置上固定氧化硅玻璃坩埚之后，使用上述3维测量仪测量了气泡缺陷位置。测量结果如图5所示。

在上述已测量气泡缺陷位置的氧化硅玻璃坩埚内，将影响单晶硅缺陷发生的位置上存在气泡缺陷的坩埚(坩埚A)、影响单晶硅缺陷发生的位置上不存在气泡缺陷的坩埚(坩埚B)分别设置在CZ炉上，在此炉中放入多晶硅块，并保持在氩气环境中(6.67kPa)，经10小时从室温(20℃)升温到1500℃，并以此温度保持规定时间并熔化上述硅块，由此形成了硅熔液。在该硅熔液中浸渍晶种，一边旋转坩埚一边慢慢提升晶种而进行单晶硅的成长。

根据氧化硅玻璃坩埚A的缺陷位置的数据，进行了单晶硅缺陷发生部位的推测。对从上述推测信息中实际被推测的部位切成晶片时的缺陷发生状况，以及在其前后部位的晶片缺陷发生状况进行了比较。其结果表示在图6中。作为此时的缺陷测量，利用具有化学研磨作用的化学成分和具有机器研磨作用的粒子混合溶液对切出的晶片进行了研磨，并利用激光面检测仪测量了研磨面的LPD大于0.065μm的缺陷的个数。从同图中可知，特定部位的晶片缺陷发生率高于其他部位的晶片缺陷发生率。即，由此可知，可以极其正确地推测缺陷的发生。

一方面，使用氧化硅玻璃坩埚B在所述拉晶条件下制造单晶硅，切出晶片，按照所述顺序确认了晶片的缺陷发生。其结果，没有发现特别明显的缺陷发生部位。

【产业上的利用可能性】

根据本发明，可以正确掌握坩埚和用以坩埚之模具的位置关系，因此，有利于特定坩埚引起的缺陷发生部位以及查明缺陷发生原因。而且，利用本发明的坩埚进行单晶硅的拉晶时，根据缺陷等的位置信息，可以寻求回避使用该当坩埚等的各种对策，因此可以防止发生缺陷，进而能提高单晶硅锭的成品率。

符号的说明

　1 氧化硅玻璃坩埚

　2 碳制模具

　3 坩埚开口边缘部

　4 模具的标记

　5 激光标记

　6 激光照射方向

Claims (6)

1.一种氧化硅玻璃坩埚，其包括具有上面开口之边缘部的圆筒形直筒部、研钵状的底部、连接直筒部与底部之角部，其特征在于：该边缘部，该氧化硅玻璃坩埚的内壁面以及外壁面之中的至少一处设置有固定式基准点，该基准点用以特定与规定部位之间的位置关系。

2.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其特征在于：该内壁面以及/或该外壁面处之基准点，设置在该直筒部的该边缘部到自该边缘部起向下方距15cm的位置之间的范围内。

3.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其特征在于：上述基准点具有凸形状或凹形状。

4.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其特征在于：上述基准点呈圆形，其直径为0.5mm～10mm。

5.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其特征在于：上述基准点为激光标记。

6.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其特征在于：上述基准点为碳制模具由来的转印痕。

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