CN104114754A

CN104114754A - 氧化硅玻璃坩埚

Info

Publication number: CN104114754A
Application number: CN201280065351.XA
Authority: CN
Inventors: 须藤俊明; 佐藤忠广; 北原贤; 吉冈拓麿; 岸弘史
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2013139359A; EP2799597B1; WO2013099431A1; EP2799597A1; TWI507574B; EP2799597A4; JP5762945B2; KR101638586B1; TW201331431A; KR20140107513A; CN104114754B; US20150027364A1; US9758900B2

Abstract

本发明有效抑制氧化硅玻璃坩埚12的压曲或者向侧壁部15的坩埚内部的翻倒。提供一种氧化硅玻璃坩埚12，其具备：具有上面开口的边缘部的圆筒状的侧壁部15、由曲线构成的研钵状的底部16、和连接侧壁部15和底部16的弯曲部17。该氧化硅玻璃坩埚12中，侧壁部15的厚度方向的每单位面积的热阻大于弯曲部17的厚度方向的每单位面积的热阻。

Description

氧化硅玻璃坩埚

技术领域

本发明涉及氧化硅玻璃坩埚。

背景技术

近年来，花费精力开发能够通过简单的结构来防止坩埚侧壁部上端向内侧翻倒的硅单晶提拉用石英玻璃坩埚。作为这种技术，例如，在专利文献1中记载了一种硅单晶提拉用石英玻璃坩埚，其中，在侧壁部外周、即初期熔融线的上方设置圆周状的槽。该槽设置在碳基座上端的下方位置上。

另一方面，花费精力开发如下方法，即：通过切克劳斯基法制造单晶时，有效并且确实地设计在单晶提拉中在生长单晶的生长界面以外难以发生固化的提拉条件。作为这种的技术，例如，在专利文献2中记载了通过切克劳斯基法由收容原料熔液的坩埚生长单晶时的、单晶的提拉条件的设计方法。该方法中记载了如下所述的单晶提拉条件的设计方法，即，求出通过综合传热分析得到的、从生长的单晶的外周面到坩埚内壁的熔液内的温度差ΔT(K)除以从生长的单晶的外周面到坩埚内壁的熔液表面上的水平方向的距离L(cm)而得到的、平均熔液内温度梯度G(K/cm)，根据该平均熔液内温度梯度G与在单晶提拉中在生长单晶的生长界面以外发生的固化的发生率的关系，设定提拉条件。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2008-273788号公报

【专利文献2】日本特开2004-67452号公报。

发明内容

【发明要解决的课题】

但是，上述文献记载的先前技术，在以下的方面具有改善的余地。

第一，在专利文献1记载的氧化硅玻璃坩埚中，在使用者单独准备用于保持氧化硅玻璃坩埚的基座、或使用者单独确定投入到氧化硅玻璃坩埚中的多晶硅的量的情况下，可能有时无法在初期熔融线的上方且碳基座上端的下方位置上预先设置圆周状的槽。

第二，在专利文献2记载的方法中，从平均熔液内温度梯度G与在单晶提拉中在生长单晶的生长界面以外发生的固化的发生率的关系考虑，即使设定提拉条件也难以有效地抑制坩埚的压曲或者侧壁部向坩埚内部的翻倒。

另外，近年来，直径300mm的晶片成为半导体芯片制造工艺的主流，使用直径450mm的晶片的工艺也在开发中。为了制造这样的晶片，当然在用于制造单晶硅锭的CZ 法中使用的氧化硅玻璃坩埚也要求为28英寸(71cm)、32英寸(81cm)、36英寸(约91cm)或40英寸 (102cm)的大口径坩埚。直径101cm的坩埚为重量约120kg的巨大的坩埚，在其中收容的硅熔液的质量为900kg以上。

而且，氧化硅玻璃的软化点为约1200~1300℃，相对于此，CZ法中将硅熔液在加热至1450~1500℃的高温的状态下经过两周以上的长时间进行提拉。即，在硅单晶的提拉时，在坩埚中收容约1500℃的硅熔液为900kg以上。此时，为了使硅熔液升温至约1500℃，必须提高在氧化硅玻璃坩埚的外侧设置的加热器的加热温度，氧化硅玻璃坩埚通过加热而发生软化，容易压曲或翻倒的问题变显著。

被提拉的硅单晶的纯度要求为99.999999999%以上，因此，要求没有从用于提拉的氧化硅玻璃坩埚中混入氧化硅的碎片等。因此，氧化硅玻璃坩埚通过加热发生软化而引起压曲或翻倒时，有时氧化硅的碎片掉下，引起大问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种有效地抑制氧化硅玻璃坩埚的压曲或者侧壁部向坩埚内部的翻倒的技术。

【用于解决问题的方法】

根据本发明，提供一种氧化硅玻璃坩埚，其是用于单晶硅的提拉的氧化硅玻璃坩埚，具备：具有上面开口的边缘部的圆筒状的侧壁部、由曲线构成的研钵状的底部、和连接该侧壁部和该底部的弯曲部，该侧壁部的厚度方向的每单位面积的热阻大于该弯曲部的厚度方向的每单位面积的热阻。

根据该构成，侧壁部的厚度方向的每单位面积的热阻大于该弯曲部的厚度方向的每单位面积的热阻，因此，进行单晶硅的提拉时在硅熔液的液面接近弯曲部的时刻能够缓和氧化硅玻璃坩埚的加热强度。其结果，根据该构成，能够抑制在硅熔液的液面接近弯曲部的时刻氧化硅玻璃坩埚的侧壁部或者弯曲部被过度加热，因此，能够抑制氧化硅玻璃坩埚的压曲或者侧壁部向坩埚内部的翻倒。

【发明效果】

根据本发明，能够抑制氧化硅玻璃坩埚的压曲或者侧壁部向坩埚内部的翻倒。

附图说明

图1是用于对实施方式1的氧化硅玻璃坩埚的构成进行说明的截面图。

图2是用于对实施方式1的氧化硅玻璃坩埚的侧壁部的温度梯度进行说明的截面图。

图3是用于对实施方式1的氧化硅玻璃坩埚的弯曲部的温度梯度进行说明的截面图。

图4是用于对实施方式2的氧化硅玻璃坩埚的侧壁部的温度梯度进行说明的截面图。

图5是用于对实施方式2的氧化硅玻璃坩埚的弯曲部的温度梯度进行说明的截面图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。在所有附图中，对同样的构成要素赋予同样的符号，并适当省略说明。

<氧化硅玻璃坩埚>

图1是用于对氧化硅玻璃坩埚的构成进行简要说明的截面图。本实施方式的氧化硅玻璃坩埚12在内表面侧具有透明的氧化硅玻璃层11，在外表面侧具有含有气泡的氧化硅玻璃层14。该氧化硅玻璃坩埚12应用在通过切克劳斯基法(CZ法)等提拉单晶硅的场合时，以开口部朝上的方式载置于基座(未图示)上。

该氧化硅玻璃坩埚12具有：曲率比较大的弯曲部(也称为角部)17，具有向上面开口的边缘部的圆筒状的侧壁部15，以及由直线或曲率比较小的曲线构成的研钵状的底部16。本实施方式中，弯曲部17是连接侧壁部15与底部16的部分，是指从弯曲部17的曲线的切线与氧化硅玻璃坩埚12的侧壁部15重合的点到与底部16具有共同切线的点为止的部分。

具体而言，坩埚的侧壁部15是与坩埚的中心轴(Z轴)平行的圆筒状的部分，从坩埚的开口向大致正下方延伸的部分。但是，侧壁部15无需与Z轴完全平行，也可以以朝向开口缓慢变宽的方式倾斜。另外，侧壁部15可以为直线形，也可以为缓慢弯曲的形状。

坩埚的底部16是包含与坩埚Z轴的交点的大致圆盘状的部分，在底部16与侧壁部15之间形成弯曲部17。坩埚底部16的形状可以是所谓的圆底，也可以是平底。另外，弯曲部17的曲率和角度也可以任意设定。坩埚底部16为圆底时，底部16也具有适度的曲率，因此，底部16与弯曲部17的曲率差与平底相比非常小。例如，氧化硅玻璃坩埚12的侧壁部15开始弯曲的点可以作为侧壁部15与弯曲部17的边界。另外，坩埚的底的曲率一定的部分为底部16，距坩埚的底的中心的距离增加时，曲率开始变化的点可以作为底部16与弯曲部17的边界。

此时，坩埚底部16为平底时，底部16平坦或构成极平缓的弯曲面，弯曲部17的曲率非常大。需要说明的是，底部16可定义为坩埚壁面的切线相对于与Z轴正交的XY平面的倾斜角为5度以下、10度以下、15度以下、20度以下、25度以下或者30度以下的区域。

在具有这样的形状的氧化硅玻璃坩埚12的情况下，利用切克劳斯基法(CZ法)等提拉单晶硅时由于侧壁部15的自重18由侧壁部15对弯曲部17施加较大的力，侧壁部15上也会施加到向内侧翻倒的力。另一方面，在单晶硅的提拉初期，由于在氧化硅玻璃坩埚12内部填充硅熔液至侧壁部15的上方，因此，由该硅熔液向侧壁部15、弯曲部17以及底部16施加较大的压力，由此可以抑制对弯曲部17的压曲19或侧壁部15向内侧的翻倒。

但是，硅熔液的液面下降至弯曲部17附近时，硅熔液对侧壁部15的压力消失。另外，硅熔液对弯曲部17以及底部16施加的压力也减小。并且，来自设置于支撑氧化硅玻璃坩埚12的模具(未图示)外周部的碳加热器(未图示)的大量热量仍然流入侧壁部15，因此，侧壁部15被加热至高温。但是，被加热至高温的侧壁部15已经没有与硅熔液接触，因此，热量消失的场所减少，侧壁部15达到所谓的空转的状态而被过度加热，有时氧化硅玻璃发生软化而难以支撑自重18。因此，容易发生弯曲部17上的压曲19或侧壁部15向内侧的翻倒。

<通过根据含有气泡的氧化硅玻璃层的厚度的不同调节温度梯度而产生的压曲以及翻倒的抑制>

图2是对实施方式1相关的氧化硅玻璃坩埚的侧壁部的温度梯度进行说明的截面图。另外，图3是对实施方式1相关的氧化硅玻璃坩埚的弯曲部的温度梯度进行说明的截面图。

本实施方式中，侧壁部15的厚度方向的每单位面积的热阻大于弯曲部17的厚度方向的每单位面积的热阻。另外，弯曲部17的厚度方向的每单位面积的热阻大于底部16的厚度方向的每单位面积的热阻。在此，如下式所示，热阻是表示在对物体加热时引起的热移动中热的流动困难度的系数，单位用(K/W)或者(℃/W)表示。

热阻(℃/W)=温度差(℃)÷热源的热量(W)

本实施方式中，其厚度方向的每单位面积的热阻优选在与实际的硅单晶的提拉时的条件接近的条件下测定。具体而言，优选是在氧化硅玻璃坩埚的外侧的周围温度为1000℃、1050℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃中的任意一种的条件下测定的值。另外，优选为在氧化硅玻璃坩埚的内侧的周围温度与外侧的周围温度相比仅仅低1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃中的任意一个温度的条件下测定的值。

本实施方式中，为了顺利地从填充到氧化硅玻璃坩埚12中的硅熔液的液面24提拉单晶硅，需要将液面24的温度维持在规定的温度范围内。而且，在单晶硅的提拉初期，由于该氧化硅玻璃坩埚12的侧壁部15的厚度方向的每单位面积的热阻大，因此，如图2所示，侧壁部15的外侧与内侧的温度差(温度梯度28)增大。因此，为了将液面24的温度维持在规定的温度范围内，需要从在支撑氧化硅玻璃坩埚12的模具(未图示)的外周部设置的碳加热器20向氧化硅玻璃坩埚12供给大量热量22。其结果，被加热至高温的侧壁部15容易发生软化，但由硅熔液向侧壁部15、弯曲部17以及底部16施加较大压力，因此，抑制弯曲部17上的压曲19或侧壁部15向内侧的翻倒。

另一方面，硅熔液的液面下降至弯曲部17附近时，硅熔液对侧壁部15施加的压力消失。另外，硅熔液对弯曲部17以及底部16施加的压力也减小。但是，本实施方式中，该氧化硅玻璃坩埚12的弯曲部17的厚度方向的每单位面积的热阻比侧壁部15小，因此，如图3所示，弯曲部17的外侧与内侧的温度差(温度梯度28)减小。因此，为了将液面24的温度维持在规定的温度范围内，可以从在支撑氧化硅玻璃坩埚12的模具(未图示)的外周部设置的碳加热器20向弯曲部17中流入少量热量，因此，弯曲部17不会被过度加热。另外，虽然侧壁部15已不与硅熔液接触而导致热量的消失场所减少且侧壁部15达到所谓的空转的状态，但是，从碳加热器20中仅仅流入少量的热量，因此，能够避免氧化硅玻璃软化至难以支撑自重18程度为止。因此，能够抑制发生弯曲部17上的压曲19或侧壁部15向内侧的翻倒。

另外，硅熔液的液面进一步下降至底部16附近时，硅熔液对侧壁部15以及弯曲部17施加的压力消失。另外，硅熔液对底部16施加的压力也进一步减小。但是，本实施方式中，该氧化硅玻璃坩埚12的底部16的厚度方向的每单位面积的热阻小于侧壁部15以及弯曲部17，因此，底部的外侧与内侧的温度差(温度梯度)进一步减小。因此，为了将液面24的温度维持在规定的温度范围内，从在支撑氧化硅玻璃坩埚12的模具(未图示)的外周部设置的碳加热器20流入到底部16内的热量可以控制到更小，因此，底部16不会被过度加热。另外，虽然侧壁部15以及弯曲部17已不与硅熔液接触而导致热量的消失场所减少且侧壁部15以及弯曲部17达到所谓的空转的状态，但是，从碳加热器20中仅仅流入更少量的热量，因此，能够避免氧化硅玻璃软化至难以支撑自重18程度为止。因此，能够抑制发生弯曲部17上的压曲19或侧壁部15向内侧的翻倒。

作为满足这种条件的氧化硅玻璃坩埚12，可以具有各种结构，因此，在此不做特别限定。例如，如图2以及图3所示，氧化硅玻璃坩埚12具有：包括含有气泡的氧化硅玻璃层14以及透明的氧化硅玻璃层11的二层以上的结构，可以列举：侧壁部15的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度大于弯曲部17的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度、弯曲部17的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度大于底部16的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度的结构。此时，含有气泡的氧化硅玻璃层14由于每单位面积的热阻大，因此，含有气泡的氧化硅玻璃层14的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度32)较大。另一方面，透明的氧化硅玻璃层11的每单位面积的热阻小于含有气泡的氧化硅玻璃层14，因此，在透明的氧化硅玻璃层11的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度30)较小。因此，如图2所示，侧壁部15的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度大时，在侧壁部15整体的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度28)增大。

另一方面，如图3所示，弯曲部17的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度小于侧壁部15时，在弯曲部17整体的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度28)比侧壁部15小。另外，底部16的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度比弯曲部17更小时，在底部16整体的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度)也更小于弯曲部17。其结果，如果是侧壁部15的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度大于弯曲部17的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度、弯曲部17的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度大于底部16的含有气泡的氧化硅玻璃层14的厚度的结构，则得到满足如上所述条件的氧化硅玻璃坩埚12。

<通过使用不同种类材料来调节温度梯度而产生的压曲以及翻倒的抑制>

图4是用于对实施方式2的氧化硅玻璃坩埚的侧壁部的温度梯度进行说明的截面图。另外，图5是用于对实施方式2的氧化硅玻璃坩埚的弯曲部的温度梯度进行说明的截面图。

本实施方式中，如图4以及图5所示，氧化硅玻璃坩埚12具有包含导热率彼此不同的不同种类材料的二层以上的结构。具体而言，这些二层以上中的外侧层44作为杂质含有铝，因此，每单位面积的热阻大。需要说明的是，含有铝作为杂质的外侧层44通过在制造氧化硅玻璃坩埚12时使用的模具的内侧将在天然石英粉中混合有氧化铝粉末而成的材料进行电弧熔融而得到。另一方面，这些二层以上中的内侧层46含有氮作为杂质，因此，每单位面积的热阻小。需要说明的是，含有氮作为杂质的内侧层46通过将合成氧化硅粉末在氮气或氨气气氛下进行电弧熔融而得到。

此时，例如，如图4以及图5所示，氧化硅玻璃坩埚12具有包含导热率彼此不同的不同种类材料的二层以上的结构，可以列举：侧壁部15的外侧层44的厚度大于弯曲部17的外侧层44的厚度、且弯曲部17的外侧层44的厚度大于底部16的外侧层44的厚度的结构。此时，外侧层44由于每单位面积的热阻大，因此，在外侧层44的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度32)大。另一方面，内侧层46的每单位面积的热阻小于外侧层44，因此，内侧层46的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度30)大。因此，如图4所示，侧壁部15的外侧层44的厚度大时，在侧壁部15整体的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度28)增大。

另一方面，如图3所示，弯曲部17的外侧层44的厚度小于侧壁部15时，在弯曲部17整体的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度28)比侧壁部15小。另外，底部16的外侧层44的厚度比弯曲部17更小时，在底部16整体的外侧与内侧之间的温度差(温度梯度)也比弯曲部17小。其结果，如果是侧壁部15的外侧层44的厚度大于弯曲部17的外侧层44的厚度、弯曲部17的外侧层44的厚度大于底部16的外侧层44的厚度的结构，则得到满足如上所述的条件的氧化硅玻璃坩埚12。

以上，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但这些为本发明的例示，也可以采用上述以外的各种构成。

【符号的说明】

11 透明的氧化硅玻璃层

12 氧化硅玻璃坩埚

14 含有气泡的氧化硅玻璃层

15 侧壁部

16 底部

17 弯曲部

18 自重

19 压曲

20 碳加热器

22 热量

24 液面

28 温度梯度

30 温度梯度

32 温度梯度

44 外侧层

46 内侧层。

Claims

1.一种氧化硅玻璃坩埚，是用于单晶硅的提拉的氧化硅玻璃坩埚，其具备: 具有上面开口的边缘部的圆筒状的侧壁部，由曲线构成的研钵状的底部，以及连接所述侧壁部和所述底部的弯曲部，其中，所述侧壁部的厚度方向的每单位面积的热阻大于所述弯曲部的厚度方向的每单位面积的热阻。

2.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，所述弯曲部的厚度方向的每单位面积的热阻大于所述底部的厚度方向的每单位面积的热阻。

3.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，所述氧化硅玻璃坩埚具有包括含有气泡的氧化硅玻璃层以及透明的氧化硅玻璃层的二层以上的结构，所述侧壁部的含有气泡的氧化硅玻璃层的厚度大于所述弯曲部的含有气泡的氧化硅玻璃层的厚度。

4.如权利要求3所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，所述弯曲部的含有气泡的氧化硅玻璃层的厚度大于所述底部的含有气泡的氧化硅玻璃层的厚度。

5.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，所述氧化硅玻璃坩埚具有包含导热率彼此不同的不同种类材料的二层以上的结构。

6.如权利要求5所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，所述二层以上中的外侧层含有铝作为杂质。

7.如权利要求5所述的氧化硅玻璃坩埚，其中，所述二层以上中的内侧层含有氮作为杂质。