CN104969019A - 坩埚衬垫 - Google Patents

Abstract

一种衬垫，其放置到坩埚中以防止半导体材料接触所述坩埚的内表面并且允许所述坩埚在半导体铸锭的制造中重复使用。

Description

坩埚衬垫

相关申请案的交叉参考

本发明主张2013年12月16日递交的第61/916,344号临时美国专利申请案、2013年12月16日递交的第61/916,575号临时美国专利申请案以及2013年2月5日递交的第61/760,900号临时美国专利申请案的优先权和权益。这三个申请案中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及用于坩埚的衬垫。

背景技术

硅是用于生产例如集成电路和太阳能电池等半导体装置的半导体材料。晶体硅晶圆是由高纯度电子级硅制成的，并且这些晶圆用作用于制造太阳能电池的衬底。无论是硅或另一种类型的半导体材料用于生产晶圆以用于形成太阳能电池，制造晶圆的过程涉及在高温下在坩埚内熔化半导体材料以形成铸锭。随后从所形成的铸锭中切下晶圆。所得到的太阳能电池的效率受到包含在铸锭和从其中切下的晶圆内的结构缺陷和杂质的存在强烈地影响。

为了形成从其中切下晶圆的铸锭，将半导体材料放置到坩埚中并且加热到非常高的温度。热量使得坩埚内的半导体材料熔化并且形成半导体材料的熔态体。此熔态材料随后在坩埚内冷却以形成铸锭。在熔化和冷却阶段期间，形成中的铸锭与坩埚的内部直接接触。

常规坩埚由熔融二氧化硅制成，其不会被熔态材料润湿但是在接触熔态材料之后发生溶解。坩埚的内部可以涂覆有氮化硅的薄层以保护熔融二氧化硅并且允许铸锭从坩埚中释放。具有氮化硅涂敷的常规坩埚的主要缺点在于在高温下来自坩埚的熔融二氧化硅材料的杂质可以扩散到熔态材料和所形成的铸锭中。这些杂质扩散到熔态和固体材料中引起所形成的铸锭的外边缘或边界具有极其低的电子品质。铸锭的外边缘或边界部分通常被称为红色区域，并且此红色区域可以占所得到的铸锭的25％之多。红色区域中的材料的品质因此较低使得它无法用于生产用于太阳能电池的晶圆，并且因此大量有价值的硅原料被浪费。另外，在冷却阶段期间，热应力和热特性的错配可以造成熔融二氧化硅坩埚发生破裂。因此，常规坩埚具有在铸锭中形成杂质并且在冷却阶段破裂使得坩埚无法重复使用的缺点。并且，常规坩埚通常被破坏以释放冷却铸锭，即使坩埚并未在形成铸锭所需的加热和冷却期间开裂或破裂。

除上述常规坩埚之外，可重复使用坩埚也是已知的。对于重复使用坩埚，需要且使用致密及稳定的内部涂敷以防止损坏坩埚并且防止在熔态材料的凝固期间铸锭与坩埚的内部壁之间的结合。已知的是当制造可重复使用坩埚时,使用石墨用于坩埚和使用氮化硅作为内部涂敷。然而，考虑到氮化硅涂敷和坩埚的石墨的不同热特性，需要多层涂敷层系以最大化涂敷厚度。并且，在此类可重复使用坩埚的单次使用之后，涂敷必须被移除且重新涂覆以用于坩埚的下一次使用。因此，可重复使用坩埚具有为了每次使用需要大量劳动力和时间来准备可重复使用坩埚的显著缺点。

已知的是使用石墨箔作为坩埚的衬垫，并且还已知的是使用熔融二氧化硅作为坩埚的衬垫。石墨箔与熔态材料反应，并且其光滑表面使得难以向其涂覆保护涂敷。熔融二氧化硅将氧气作为杂质输入到熔态材料中，并且熔融二氧化硅插入件是脆弱的且非柔性的。

发明内容

本发明大体上涉及用于坩埚的新衬垫。衬垫包含纤维材料，并且它被制造为匹配坩埚的内部形状。衬垫由一或多种高纯度材料组成，所述材料不与熔态半导体材料反应，并且不会将污染带给材料。所述衬垫允许坩埚重复使用。也就是说，虽然通常需要新衬垫来形成每个铸锭，但是同一坩埚可以重复使用。衬垫与冷却了的铸锭一起从坩埚中被拿出，并且随后在从被释放的铸锭中移除衬垫之后将衬垫丢弃。发明性衬垫允许具有非常小或没有边缘污染的高纯度半导体铸锭的形成。发明性衬垫还允许可重复使用坩埚(例如，石墨坩埚)用于现有铸锭生长炉中以形成此类高纯度铸锭。

根据本发明的衬垫可以具有多个层，其中所述层中的至少一个层包含纤维材料。可以使用一个以上纤维层，并且相比于常用的二氧化硅或石墨坩埚的光滑的表面，纤维材料的纹理改进了涂敷的结合强度。衬垫具有一定程度的柔性和延展性使得衬垫可以承受一定量的弯曲或挠曲而不会被破坏。虽然衬垫形成为与给定坩埚的内部形状相匹配的形状，但是衬垫的柔性和延展性允许衬垫在放置在坩埚内之后在某种程度上移动和调节。并且，衬垫的厚度通常将小于10毫米(mm)并且将具有小于按重量计百万分之500(ppm w)且优选地小于100ppm w的杂质含量。

一方面，本发明涉及用于坩埚的衬垫，其中所述衬垫包括内层和外层以及安置在内层和外层之间的一个或多个纤维层。当衬垫放置在坩埚内时，该内层面向熔态半导体材料。该外层面向坩埚的一个或多个内表面。根据本发明的此方面，内层可以包括陶瓷材料或非金属耐热材料，例如，碳、碳化硅、氧化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅、碳化硼、氮化硼和/或其组合。内层理想地与熔态半导体材料不具有反应性或具有较低反应性。外层可以包括不与坩埚反应的材料，并且外层可以包括纤维材料。一个或多个纤维层中的任何一或多者可以包括碳纤维或氧化硅纤维，并且一个或多个纤维层中的任何一者或多者可以包括织物，其中术语织物包含通过编织、针织、按压、制毡、或以其它方式集合或组合多个纤维或纤丝形成的任何材料。一个或多个纤维层给衬垫提供机械稳定性并且还允许衬垫形成为匹配坩埚的内表面的形状。

在另一方面，本发明涉及用于放置到坩埚中的衬垫以防止放置到衬垫中的材料接触坩埚的内表面并且用于允许坩埚重复使用，其中衬垫包括纤维和陶瓷材料。根据本发明的此另一方面，衬垫可以包括多个层，其中所述多个层中的至少一个层包括纤维材料并且所述多个层中的至少另一个层包括陶瓷材料。纤维材料可以是织物，并且陶瓷材料可以是氮化硅。

在又一方面中，本发明涉及用于坩埚的包括顶层和底层的衬垫。该顶层包括陶瓷材料，并且当衬垫放置到坩埚中时，该顶层的表面接触放置到衬垫中的材料。该底层包括纤维材料，并且当衬垫放置到坩埚中时，该底层的表面接触坩埚的内表面的至少某些。根据本发明的此方面，陶瓷顶层可以是氮化硅，并且底层的纤维材料可包含碳纤维和/或氧化硅纤维。在顶层与底层之间可以有一个或多个中间层，例如，第一中间层和第二中间层，其中该第一中间层包括纤维材料并且该第二中间层包括氮化硅。

在再一方面中，本发明涉及用于放置到坩埚中的衬垫以防止硅接触坩埚的内表面并且允许坩埚在硅铸锭的制造中重复使用，其中衬垫包括外层、内层以及内层与外层之间的多个中间层。当衬垫放置到坩埚中时该外层接触坩埚的内表面的至少某些，并且该外层包括第一纤维材料。当衬垫放置到坩埚中时该内层接触放置到衬垫中的硅，并且该内层包括氮化硅。该多个中间层包括第一中间层和第二中间层，其中该第一中间层包括第二纤维材料并且该第二中间层包括氮化硅。根据本发明的此方面，该第一纤维材料可以包括碳纤维并且第二纤维材料可以包括氧化硅纤维。该第二中间层可以包括在第一中间层的一侧上的氮化硅涂敷，并且该内层可以包括在第一中间层的另一侧上的氮化硅涂敷。

在另一方面，本发明涉及用于放置到坩埚中的衬垫以防止硅接触坩埚的内表面并且用于允许坩埚在硅铸锭的制造中重复使用，其中所述衬垫包括外部部分和内部部分。该外部部分配置为在衬垫放置到坩埚中时接触坩埚的内表面的至少某些，并且该外部部分包括第一纤维材料。该内部部分包括第二纤维材料、在该第二纤维材料的第一侧面上的第一氮化硅涂敷以及在该第二纤维材料的第二侧面上的第二氮化硅涂敷，其中该第一氮化硅涂敷邻接该外部部分，并且该第二氮化硅涂敷配置为在衬垫放置到坩埚中时接触放置到衬垫中的硅。

在又一方面中，本发明涉及制造硅铸锭的方法，其中所述方法包括：将衬垫放置到坩埚中以形成加衬的坩埚；当所述加衬的坩埚含有硅时加热所述加衬的坩埚以使包含在所述加衬的坩埚内的硅熔化；并且在熔化的硅已经足够冷却以形成固体硅铸锭之后从坩埚中移除衬垫，并且使用同一坩埚与另一衬垫重复放置/加热/移除步骤以制造另一固体硅铸锭。每一个衬垫都包括纤维材料和陶瓷材料，并且每个固体硅铸锭连同每一个衬垫一起从坩埚中被移除。

在本发明的这些方面的任何一个中，纤维材料可以是耐火(也就是说，耐热)材料，例如，碳、碳化硅、氧化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅、碳化硼、氮化硼和/或其组合，并且纤维可以以规则或不规则方式布置以形成网状物、网、织造织物或非织造织物。陶瓷材料可以例如是氮化硅、氧化硅或碳化硅，并且陶瓷材料可以通过刷洗、喷洒、化学沉积或一些其它应用技术应用于纤维层。根据本发明的衬垫是足够柔性的和延性的，以当将预成形衬垫放置到坩埚后允许该预成形衬垫的一些移动，针对该坩埚已经预成形该衬垫。衬垫可以形成为平坦片材，但是更加常见的是它将形成为与特定坩埚的内部配合且匹配。

通过参考附图和以下详细描述将更好的理解本发明的这些和其它方面、特征、优点和益处。然而应注意本发明不仅限于所揭示的特定实施例。

附图说明

图la到ld描绘了使用根据本发明的可重复使用坩埚和坩埚衬垫铸造铸锭的过程步骤。

图2a和2b是根据本发明的可重复使用坩埚和坩埚衬垫的分层结构的示意图。

图3a和3b是可重复使用坩埚和坩埚的边缘的示意图。

图4a和4b是坩埚和坩埚衬垫的结构的示意图。

具体实施方式

本发明涉及待插入到用于熔化半导体材料以形成铸锭的过程的坩埚中的衬垫。衬垫可以由多个层组成，例如，内层、外层并且可能地还有置于内层与外层之间的一个或多个中间层。内层与熔态材料接触并且外层面向坩埚的内表面。内层、外层和/或中间层中的任一者可以本身包括多个层。

本发明涉及一种用于可重复使用坩埚103的衬垫101，其横截面如图la到ld中所示。坩埚的尺寸和形状可以改变，并且本发明的衬垫的尺寸和形状同样可以改变。图la到ld示出了在衬垫101和坩埚103一起在半导体材料的熔化和随后的冷却过程中使用的情况下，该衬垫101和坩埚103的截面。如图la中所示，坩埚衬垫101插入到坩埚103中。衬垫包括至少一个层，但是衬垫可以包括多个层，并且所述层可以由纤维材料、陶瓷材料形成，以及其它涂敷或保护层所形成。如图lb中所示，一旦衬垫101插入到坩埚103中，则半导体材料105的固体件被放置在衬垫内。接下来，坩埚103、衬垫101和半导体材料105被插入到铸锭生长炉中以加热半导体材料105直至它熔化并且变为液体。在图lc中，半导体材料105示出为部分处于熔化状态109并且部分处于凝固状态107。在冷却阶段期间，熔态材料109定向凝固成凝固铸锭107。铸锭生长炉是可在市面上购得的。由GT先进技术有限公司制造的DSS450HP生长炉是现有铸锭生长炉的一个实例。一旦凝固完成，从可重复使用坩埚103中移除衬垫101，允许坩埚103仍然保持完整。随后从衬垫101中移除所形成的铸锭107。

一般来说，任何可重复使用坩埚可以结合衬垫使用。可重复使用坩埚和坩埚衬垫的尺寸可以针对不同晶体生长体系和应用进行调整。举例来说，本发明的坩埚衬垫的宽度和长度可为大约870mm并且高度可为大约420毫米以固持和处理近似450kg的硅原料和熔态材料。本发明的衬垫可以形成为许多不同配置和尺寸以适应各种尺寸和形状的坩埚和/或其它容器。

熔态材料

本发明可以结合许多不同类型的材料使用，其中非反应性和污染物的控制是所需的。金属、合金、半导体材料和需要高温的应用的其它化学合成物可以结合本发明使用。

本发明的衬垫可以用于多种半导体材料。硅是目前在用作太阳能电池的衬底的晶圆的制造中最常使用的半导体材料。

在一个所揭示的实施例中，高纯度、半导体级别硅(仅百万分之几的杂质)在石英或石墨坩埚中熔融。本发明的一个重要方面在于污染物和杂质得到控制并且不会从衬垫或从坩埚中引入到硅(或所使用的其它半导体材料原料)中。

在本发明的一些实施例中，衬垫被插入到坩埚中并且填充有纯多晶硅芯片，但是可以使用各种级别和组成的硅原料。此外，可以使用多种硅原料几何形状，例如，熔体、棒、颗粒、碎片等。

铸锭形成

通过本发明的衬垫，可以形成铸锭同时保留了坩埚的结构完整性且杂质得到了控制。应了解本发明的衬垫可以结合各种方法和各种设备使用以有效地在高温下熔化材料。

定向凝固和渐进式凝固方法可与本发明一起使用。关于定向凝固的信息，参见例如，1994年的材料研究杂志(J.of Mat.Res)，第9卷、第06号；2007年的材料研究杂志，第308卷，第1号；美国专利3,810,504；美国专利3,897,815；以及1992年6月的JOM第44卷、第6号。在定向凝固中，凝固从容器的一端发生并且前进到容器的另一端。举例来说，在坩埚中，凝固从坩埚的底部开始并且朝向坩埚的顶部前进。渐进式凝固(也被称作平行凝固)是在铸造器皿的壁处开始并且从该表面垂直地前进的凝固。模具腔室的几何形状对渐进式和定向凝固具有直接影响。

定向凝固可以在硅从熔融坩埚中倾倒到另外的坩埚之后在另外的坩埚中进行。此过程通常被称作硅铸造。在定向凝固中，硅是在同一坩埚中溶化和定向凝固的。所述方法比铸造更简单因为不涉及熔化倾倒。然而，在高温下在熔态材料与坩埚之间存在更长反应时间以及更长周转时间。通过使用具有本发明的衬垫的高纯度可重复使用坩埚(例如，石墨坩埚)，可以实现定向凝固而没有将杂质引入熔态材料中的问题。

由于凝固硅与坩埚之间的黏性和热膨胀不匹配，石英(熔融二氧化硅)坩埚中的硅的定向凝固引起显著的开裂问题。解决石英坩埚中的这个问题的先前尝试涉及有意地减弱石英坩埚的内壁(参见Khattak,C.P.，和Schmid,F.(1978)第13届IEEE光伏专家会议记录，IEEE，纽约，137)。引入高密度石墨坩埚用于定向凝固作为避免开裂的方式(Ciszek,T.F.(1979)晶体生长杂志(J.Crystal Growth)46,527)。用于太阳能电池的形成的大多数基于坩埚的形成硅铸锭的商业方法使用熔融坩埚中的定向凝固。

在一个所揭示的实施例中，本发明的多层衬垫被插入到石墨坩埚中，在所述石墨坩埚中放置例如硅等半导体材料到衬垫/坩埚系统中。根据已知定向凝固方法将半导体材料熔化。本发明的方面允许铸锭形成同时污染得到控制并且坩埚的结构完整性得以保留。

丘克拉斯基法(Czochralski method)是已知为用于获得半导体(例如，硅、锗和砷化镓)、金属(例如，钯、铂、银、金)、盐和合成宝石的单晶的晶体生长方法。参见例如，材料会刊(Materials Transactions)，JIM，第38卷、第11号(1997)；1989年10月的晶体生长杂志，第97卷、第3-4期；2004年10月的合金和化合物杂志(J.ofAlloys and Compounds)，第380卷、第1-2期；1984年的PCH/物理化学流体动力学(PhysicoChemical Hydrodynamics)(ISSN 0191-9059)第5卷、第1号。举例来说，在丘克拉斯基过程中，高纯度硅在坩埚中熔化并且固定在棒上的晶种浸渍到熔态硅中。棒被向上拉动并且同时旋转。通过精确控制温度、拉动速率和旋转速度，从熔融物中提取大的单晶且圆柱形的铸锭。丘克拉斯基过程中的单晶的生产在单晶炉中发生。石英坩埚放置在炉内部，位于惰性氩气氛围中。当多晶硅变为液体或熔态材料时(在1400摄氏度下)，具有单晶硅的细棒与其表面接触以充当晶种从而起始结晶。晶体生长的过程可以通过调节从坩埚中拉出晶种的速度、棒的旋转速度或炉内部大气的温度、压力和组成得到控制。

已知的布里奇曼-斯托克巴杰(Bridgman-Stockbarger)技术也可以结合本发明采用。参见例如，1974年1月的晶体生长杂志，第21卷、第1期，第135-140页；1975年1月的晶体生长杂志，第28卷、第1期，第36-40页；2004年8月的晶体研究与技术(Crystal Research and Technology)，第39卷、第8期，第692-698页。所述方法涉及将多晶材料加热到其熔点以上并且从晶种所在的容器的一端缓慢地冷却它。与晶种材料相同晶体学取向的单个晶体在晶种上生长并且沿容器的长度逐渐地形成。所述过程可以水平或竖直几何形状执行。布里奇曼方法是生产例如砷化镓等特定半导体晶体的受欢迎的方式，而对于所述晶体丘克拉斯基过程则更加困难。

本发明也可以结合电磁铸造(EMC)使用。EMC与铸造和定向凝固方法有几分类似性，但也具有改变铸锭特性的若干独特特征。EMC是基于诱导加热冷坩埚熔融局限物。紧密间隔开的指状物所包围的区域的形状确定铸造铸锭的截面，并且多种形状是可能的(圆形、六边形、正方形、矩形等)。硅在位于指状物阵列内的竖直地可移动平台(通常是石墨)上熔化。熔化通过合适的预加热之后的诱导加热完成。放置在指状物阵列外部的感应线圈诱发电流在每个指状物的外周上围绕指状物的纵轴流动。类似于高频变压器，每个指状物继而诱发电流以在硅进料的外周围绕其纵轴流动。

根据本发明的衬垫可以在各种坩埚或其它容器中使用。另外，衬垫可以结合用于熔化材料以形成铸锭的各种方法和技术使用。

多层衬垫

本发明大体上涉及包括至少一个层的衬垫，但是衬垫可以包括多个层。在一个所揭示的实施例中，衬垫包括至少一个纤维层、至少一个外层和至少一个内层。内层和外层可以包含陶瓷材料和/或保护涂敷。衬垫可以包含两个或两个以上由相同或不同成分制成的纤维层。衬垫可以包含两个或两个以上由相同或不同成分制成的陶瓷层。应了解衬垫的层可以配置成众多布置，包括一个或多个纤维层和一个或多个其它层，例如一个或多个陶瓷层。本文中所描述的具体实施例并非限制性的而是实际上展示为可能的衬垫配置的实例。根据本发明的衬垫的多个层存在许多可能的布置，并且本发明意图涵盖那些可能的布置而无论特定的层布置是否特定地在本文中被识别出。

如在图2a中的截面中示出，衬垫101被插入到可重复使用坩埚103中。如图2b中所描绘，坩埚衬垫101可以具有两个层：220和230。在所描绘的实施例中，这两个层220、230的每一个均包括纤维层222、233以及两个其它层，即，用于内层220的层221和223以及用于外层230的层235和231。涂敷材料可用于形成内层220的层221和223和/或用于形成外层230的层235和231。无论作为涂层或以一些其它方式涂覆，内层220的层221和223和/或外层230的层235和231可以彼此不同或相同并且还可以是单个材料或多种材料的一些混合或组合。面向硅的层220中的纤维或纤丝具有的定尺寸涂敷可以不同于在面向坩埚的层230中的纤维或纤丝上使用的定尺寸涂敷。

纤维层

创新的衬垫可以包含一个或多个纤维层。每个纤维层中的纤维或纤丝可以由满足温度(对于硅高达1500℃)和纯度要求(杂质含量小于500ppm w并且优选地小于100ppm w)的材料制成。与常用的二氧化硅或石墨坩埚的光滑表面相比，纤维层的纹理改进涂敷材料的结合强度，并且纤维层提供对于组成衬垫的一个或多个其它层的机械支撑。纤维层可以是衬垫内的内层、外层或中间层。纤维层本身是柔性的，其继而提供至少在某种程度上是柔性的完整的衬垫。衬垫可以包括多于一个的纤维层，并且多个纤维层中的一个或多个可以是由不同成分制成的。

在本发明的一方面中，衬垫的纤维层可以由碳纤维或其它合适的纤维形成，方法是将它们固结到镜射坩埚的内部的薄壁主体中。此纤维层的强度可以通过在用例如氮化硅或碳化硅等耐火材料填充纤维之间的空间之前引入粘合剂而增加。粘合剂是用于将复合物中的两种或两种以上材料粘合在一起并且促进材料的粘附和附着的成分。本发明的纤维层可以由碳或氧化硅纤维组成。

在一些实施例中，一个或多个纤维层可以包括非织造碳纤维。碳纤维是可在市面上购得的并且具有强度高、高模数、低密度和合理的成本。碳纤维在组成上具有至少92wt.％的碳，并且可以是短的或连续的，并且它们的结构可以是结晶的、非晶形的或部分地结晶的。并入碳纤维以形成复合材料的方法是已知的。举例来说参见US20010049246Al。碳纤维通过静电喷涂粘附到模具，静电喷涂是纤维强化复合物部分的制造中众所周知的方法。举例来说参见R Tilney 1953的英国应用物理学杂志(Br.J.Appl.Phys.)4S51doi：10.1088/0508-3443/4/S2/321；以及2008年3月的静电学杂志(J.of Electrostatics)第66卷、第3-4期、第184-189页。包括碳纤维的复合材料提供以充当衬垫中的层的柔性材料。纤维层的此柔性转换成衬垫的一定柔性。

在一些实施例中，利用可在市面上购得的切短的碳纤维以形成一个或多个纤维层。并入切短的碳纤维的方法可以包含将切短的碳纤维应用于类似于坩埚的尺寸的模具。切短的碳纤维通过静电喷涂粘附到模具，静电喷涂是纤维强化复合物部分的制造中众所周知的方法。纤维强化复合材料包含嵌入在或结合到基质中的强度和模数的纤维(例如，碳纤维或氧化硅纤维)。

在本发明的一些实施例中，一个或多个层是由织造氧化硅纤维织物或其它氧化硅纤维材料制成的纤维层，其中纤维或纤维材料是不含或实质上不含杂质的或被制成不含或实质上不含杂质的。一个或多个氧化硅织物层放置在聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PFTE)模具中，所述模具具有与可重复使用坩埚减去第二外部层的尺寸相同的内部尺寸。在本发明的一些实施例中，氧化硅纤维可以包括构造的衬垫内的纤维层。氧化硅纤维是可在市面上购得的。并且，参见例如关于氧化硅纤维的美国专利3,821，070和聚合物科学杂志(J.Polym.Science)，Pt.C.编号19，267(1967)。另外，可以包含微细氧化硅颗粒以进一步闭合纤维之间的空隙空间并且减少或消除衬垫的渗透性。氧化硅纤维层通过所形成的氧化硅基质结合在一起，给予内部衬垫机械完整性同时保持一定量的柔性。

在本发明的一些实施例中，衬垫的纤维层可以是碳纤维织物或可以包含碳纤维织物。碳纤维织物是可在市面上以各种配置(织纹、密度、复合物等)购得的。织物是由织到织物中的碳纤维的线轴形成的。碳纤维织物是可在市面上从例如Hexel有限公司等供应商和其它商业供应商购得的。碳纤维织物是柔性的、耐久的，并且是结实的，并且能够承受高温。

在本发明的一方面中，衬垫包括内层、外层和放置在内层与外层之间的一个或多个纤维层。此外，在本发明的一方面中，外层材料不与坩埚反应。非反应性或惰性可以意味着但不限于缺乏在分子结构、分子键合、化学键合或状态上的改变。惰性还意味着衬垫的材料的化学成分并不染污与衬垫接触的熔态材料。可以理解包含陶瓷层的其它层可用于形成衬垫。

在本发明的一方面中，一个或多个纤维层给衬垫提供机械稳定性同时仍然允许衬垫至少在某种程度上是柔性的。另外，一个或多个纤维层可以经成形或形成为与坩埚的内表面匹配。衬垫还可包含一个或多个其它层，包含一个或多个陶瓷层。

在本发明的一个实施例中，衬垫可以由若干层组成，包含其它纤维层，然而，外层由纤维层组成。可以理解包含陶瓷层的其它层可用于形成衬垫。

在本发明的一些实施例中，衬垫由多个层组成，所述层中的一个或多个是纤维层。所述纤维层可以是相同或不同成分的。纤维层可以包含碳纤维、氧化硅纤维、碳纤维织物和/或氧化硅织物。举例来说，具有多个层的衬垫可以包括具有碳纤维的纤维层、具有氧化硅纤维的纤维层、具有碳纤维织物的纤维层、具有氧化硅织物的纤维层或其任何组合。

在一些实施例中，纤维定尺寸涂敷可以涂覆到纤维层的纤维或纤丝。纤维定尺寸涂敷或层辅助于限制反应性并且改进层与熔态材料之间的润湿特性。碳纤维定尺寸涂敷充当涂覆到纤维的保护层以防止处理期间的损坏。碳纤维定尺寸涂敷是可在市面上购得的。第二涂敷或层可以涂覆到纤维层以密封空隙并且控制与熔态硅(或其它熔态半导体材料)的反应性和润湿行为。此外，额外的涂敷或层辅助于机械特性，例如，在从可重复使用坩埚中释放衬垫方面。

纤维层可以经操控使得完整的衬垫具有镜射或匹配坩埚的内表面的形状，并且完整的衬垫将具有一定程度的柔性或延展性使得它可以承受一定量的弯曲。举例来说，根据本发明的坩埚衬垫可以承受小于200mm的弯曲半径而不会被破坏。同时，在室温下，衬垫的一个或多个层可以在略小于200mm的弯曲半径下形成开裂，作为衬垫的全部复合物将不会被破坏并且可以仍然成功地使用以铺衬坩埚并且形成高品质硅铸锭。

纤维层的纹理与常用二氧化硅或石墨坩埚的光滑表面相比改进涂敷的结合强度。由热膨胀系数的不匹配或在坩埚的充填期间原料的冲击力造成的剥离涂敷的风险得到了最小化。虽然包括单个纤维层的坩埚衬垫可以是可行的，但是额外层缓解了缺陷和破坏的风险，例如，泄漏和结合到坩埚。此多余部分显著增大了坩埚和坩埚衬垫系统的可靠性。

根据本发明的衬垫的两个或两个以上纤维层可以通过缝合或纺织物和/或复合物的制造过程中已知的一些其它技术结合或固持在一起。多个纤维层可以其它方式结合或固持在一起，例如，通过使用一种或多种高温陶瓷粘合剂以结合纤维层。此类粘合剂是可在市面上购得的。

陶瓷层

本发明的衬垫可以包括一个或多个包含陶瓷材料或非金属耐火材料的层。陶瓷材料可以是任何无机结晶材料，由金属和非金属复合。陶瓷和非金属耐火材料通常可以承受非常高的温度，例如，在1000℃到1600℃(1800℉到3000℉)范围内的温度。因此，层或涂敷可以由与熔态半导体材料非反应性的且满足温度和纯度要求(杂质含量小于500ppm w)的材料制成。这些材料包含但不限于碳、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氧化铝、氮化硼或其任何组合。

本发明的衬垫可以包括氮化硅的层。氮化硅是显示耐热冲击性的陶瓷材料。它在高温下并不劣化并且具有不寻常地高的断裂韧性。氮化硅的应用技术是已知的。举例来说，氮化硅浆料可以通过刷洗、喷洒等涂覆，并且干燥的氮化硅粉末可以通过静电沉积涂覆。

在本发明的一些实施例中，陶瓷材料是以浆料或液体状态制备的并且通过刷洗、喷洒或一些其它已知的应用方法被涂覆到纤维层。氮化硅也可以通过采用化学气相沉积被涂覆到织物，并且就这一点而言参见例如美国专利5,871,586、美国专利4,250,210和1995年7月的化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)第1卷、第1期、第8-23页。

本发明的衬垫可以包括二氧化硅的层，二氧化硅也称为氧化硅。

本发明的衬垫的层可以包括碳化硅的陶瓷层、硅和碳的硬质合成地产生的结晶化合物。在表面上涂覆碳化硅的层的方法是已知的。参见例如，通过流体化床化学气相沉积的高表面积碳化硅的合成(Synthesis of high surface area silicon carbide byfluidized bed chemical vapour deposition)，应用催化学A(Applied Catalysis A)：总162(1997)181-191；以及轻质碳化硅镜的快速制造(Rapid fabrication of lightweight siliconcarbide mirrors)；光力学设计和工程技术(Optomechanical Design and Engineering)2002，243-253。举例来说，纤维层涂覆有聚硅氮烷树脂并且在氮气氛围中固化以产生碳化硅。

在本发明的一个实施例中，衬垫包含内层、外层和放置在内层与外层之间的一个或多个中间层。内层，或面向熔态半导体材料的层，包括陶瓷材料，它是惰性的或者与熔态半导体材料是非反应性的。可以理解其它层可以由一个或多个纤维或陶瓷层组成。内部陶瓷层面向熔态半导体材料，例如，熔态硅，并且陶瓷材料是惰性的或与熔态硅不反应的。在一些实施例中，内部陶瓷层包含碳、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氧化铝或氮化硼。

在一个所揭示的实施例中，与熔态材料接触的层以及与坩埚接触的层是由氮化硅制成的，而中间层可以包含其它材料，例如，氧化硅、碳化硅或纤维层。在一个所揭示的实施例中，衬垫的内层具有与熔态材料的极少的反应或不与熔态材料反应。

本发明的衬垫的构造、材料和组成允许衬垫的可重用性。也就是说，虽然新衬垫通常将与同一坩埚一起使用以形成每个铸锭，但是有可能从衬垫中释放所形成的铸锭并且随后在一个或多个额外铸锭的形成中重复使用同一衬垫。

在本发明的一方面中，衬垫放置于坩埚中以防止熔态材料与坩埚的内表面之间的接触。衬垫可以包含纤维和陶瓷材料，因此允许坩埚重复使用。另外，衬垫可以包括多个层，其中至少一个层是纤维层并且其中至少一个层是陶瓷层。此外，举例来说，纤维材料可以由碳纤维、碳纤维织物、氧化硅纤维或氧化硅织物构造。

在本发明的一方面中，可以将包含纤维和陶瓷层的衬垫放置于坩埚中以防止熔态材料与坩埚的内表面之间的接触。因此衬垫允许坩埚被重复使用。另外，衬垫可以包括多个层，其中至少一个层是纤维层并且其中至少一个层是陶瓷层。多个层可以经布置使得当衬垫放置于坩埚中时纤维层与坩埚的内表面接触。另外，多个层可以经布置使得陶瓷层配置为与熔态半导体材料接触。陶瓷层可以包含碳、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氧化铝或氮化硼。

在本发明的实施例中，衬垫由一个陶瓷顶层以及一个底层组成，当衬垫放置于坩埚中时所述陶瓷顶层与放置到衬垫中的材料接触，当衬垫放置于坩埚中时所述底层与坩埚的内表面的一部分接触。陶瓷顶层可以包含碳、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氧化铝或氮化硼。另外，衬垫可以包括多个中间层。中间层可以包含至少一个纤维层或至少一个陶瓷层。一个或多个陶瓷中间层中的每一个可以包含碳、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氧化铝或氮化硼。一个或多个纤维中间层中的每一个可以包含碳纤维、碳纤维织物、氧化硅纤维、氧化硅织物或其任何组合。

在本发明的衬垫的一个实施例中，当放置到坩埚中时，所述衬垫防止熔态硅接触坩埚的内表面，这允许坩埚被重复使用。举例来说，衬垫可以包括与坩埚的内部接触的外部纤维层以及与熔态硅接触的内部陶瓷层。陶瓷层可以包含碳、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氧化铝、氮化硼或其任何组合。外部纤维层可以包含氧化硅纤维、碳纤维、氧化硅纤维织物、碳纤维织物或其任何组合。衬垫也可以包含许多中间层，例如，一个或多个纤维层和/或一个或多个陶瓷层。应理解纤维层可以是不同复合物的层。举例来说，纤维层可以包含碳纤维，或者纤维层可以包含氧化硅纤维、碳纤维、氧化硅纤维织物、碳纤维织物或其任何组合。中间层的陶瓷层可以包含碳、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氧化铝、氮化硼或其任何组合。

在另一实施例中，当放置到坩埚中时本发明的衬垫防止硅与坩埚的内表面接触由此允许坩埚被重复使用。当放置于坩埚中时衬垫的外部部分与坩埚的内表面接触。衬垫的外部部分包括纤维材料，例如，氧化硅纤维、碳纤维、氧化硅纤维织物、碳纤维织物或其任何组合。衬垫的内部部分包括另一纤维层，借此纤维层的每一侧与陶瓷层(例如，氮化硅)接触。当衬垫放置于坩埚中时，衬垫的内部部分中具有氮化硅层的一侧与衬垫的外部部分接触，并且衬垫的内部部分中具有氮化硅层的另一侧与熔态硅接触。纤维层可以包含氧化硅纤维、碳纤维、氧化硅纤维织物、碳纤维织物或其任何组合。

纤维层对衬垫提供的机械支撑还允许无法以其它方法实施的衬垫设计。举例来说，衬垫的上侧可以作为唇缘形成，其于几何学上改进衬垫对抗向内弯曲或下垂的机械稳定性。衬垫可以具有改进其机械稳定性(例如，其刚度)的一个或多个特征，例如，凹槽、折叠、弯曲等，并且衬垫可以构造成任何形状、尺寸、或取向以配适于任何给定坩埚。

图3a和3b描绘可重复使用坩埚103的截面图，其具有衬垫101形成以覆盖或围绕坩埚103的边缘。同样，衬垫101的此类配置倾向于增大衬垫101的机械稳定性并且防止衬垫101的向内弯曲或下垂。

图4a和4b以截面示意图描绘用于可重复使用坩埚103(例如，由碳-碳复合物制成的坩埚)的坩埚衬垫101的一个示例性实施例。如图4b所示，坩埚衬垫101可以具有两层，即，内部层180和外部层160。内部层180包括：内层181(例如，氮化硅)，其直接接触半导体材料；纤维层183(例如，氧化硅纤维和氧化硅基质)；以及中间层185(例如，氮化硅)。在这个示例性实施例中，外部层160仅是纤维层，例如，可以浸润有聚硅氮烷树脂或类似材料的碳纤维。

虽然在本文中已经描述本发明的衬垫通常用于硅铸锭的形成，但是任何其它半导体材料可以结合所述衬垫使用。所述衬垫包括至少一个纤维层和一个其它层，例如，陶瓷层。所述衬垫放置到可重复使用坩埚中以提供半导体材料与坩埚的内表面之间的屏障。衬垫/坩埚设备随后被加热以使材料熔化到熔化状态。随后允许熔态材料冷却。随后从坩埚中移除固体铸锭和衬垫。可以使用另一类似衬垫和同一坩埚重复此方法或过程以形成另一铸锭。

以下实例描述可以结合可重复使用石墨坩埚在生长炉中使用的不同坩埚衬垫的制造和组成，所述生长炉例如，由GT先进技术有限公司制造的DSS450HP铸锭生长炉。对于此系统的坩埚的内部尺寸(其当然随后是衬垫的近似尺寸)被评估为宽度和长度为870mm，并且高度为420mm。

实例1：通过碳纤维的坩埚衬垫的纤维层的形成

坩埚衬垫的纤维层由金属杂质含量小于100ppm w的织造碳纤维织物制造。放置两层碳织物于具有与可重复使用坩埚相同内部尺寸的聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PFTE)模具中。替代地，织物主体可以形成于具有偏离尺寸的两个或两个以上模具中以允许堆叠。

第一和内部织物层从模具中被取出并且氮化硅层被涂覆到第二织物层的内表面，方法是喷洒具有金属杂质含量小于100ppm w的氮化硅浆料。此方法在制备标准二氧化硅坩埚的氮化硅涂敷的领域中是众所周知的。在干燥之后，内部织物层被重新插入并且氮化硅浆料以相同方式涂覆和处理。由于外部碳层，此衬垫与到目前为止由于耐久性保护涂敷的缺乏而不可以使用的可重复使用碳坩埚高度兼容。

实例2：通过切短的碳纤维的坩埚衬垫的纤维层的形成

用于坩埚衬垫的纤维层由金属杂质含量小于100ppm(以重量计)的切短的碳纤维形成。碳纤维可以通过静电喷涂而应用于模具，静电喷涂是纤维强化复合物部分的制造中众所周知的方法。所形成的网状物通过在网状物上喷洒高纯度聚硅氮烷树脂而进一步固结。通常通过在氮气氛围中的热处理而固化这些粘合剂以形成碳化硅。具有偏离尺寸的模具用于制备可以涂覆有如实例1中所描述的氮化硅层的并且可堆叠到彼此中的一个或多个纤维主体。

实例1和2的变体

另外，织物纤维可以在涂覆氮化硅涂敷之前使用化学气相沉积涂覆氮化硅、氧化硅或碳化硅(Synterials有限公司)。显而易见的是碳纤维被例如氧化硅或碳化硅等另一合适的纤维材料代替。还可设想出组合由不同纤维材料制成的两个织物层。

衬垫材料的替代使用

在区域熔化再结晶(ZMR)中，硅晶圆被部分或完全熔化并在晶体生长炉内通常水平地移动的衬底材料上凝固。上述材料可以制造为片或带(例如，156mm宽以匹配标准硅晶圆尺寸)并且用作ZMR中的衬底材料。其中衬垫材料可以用作衬底材料的晶体生长过程的另一实例是水平带生长(HRG)。在HRG中，熔态硅膜连续地形成于衬底上，方法是铸造和凝固在所述衬底上。

在本文中已经对其它文档(例如，专利案、公开专利申请案、杂志、书籍、论文和网络内容)进行了参考和引用，并且应注意全部此类文档出于所有目的特此以引用的方式全文并入本文中。

Claims (36)

1.一种用于坩埚的衬垫，其包括：

内层，当所述衬垫放置在所述坩埚内时该内层面向熔态半导体材料；

外层，其面向所述坩埚的一个或多个内表面；以及

一个或多个纤维层，其置于所述内层与所述外层之间。

2.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述内层包括陶瓷材料。

3.根据权利要求2所述的衬垫，其中所述内层包括碳、碳化硅、氧化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅、碳化硼、氮化硼或其中两个或两个以上的组合。

4.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述内层与所述熔态半导体材料不具有反应性或具有较低反应性。

5.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述熔态半导体材料是熔态硅。

6.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述外层包括不与所述坩埚反应的材料。

7.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述外层包括纤维材料。

8.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述一个或多个纤维层中的至少一个层包括碳、碳化硅、氧化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅、碳化硼、氮化硼或其中两个或两个以上的组合。

9.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述一个或多个纤维层中的至少一个层包括织物。

10.根据权利要求1所述的衬垫，其中所述一个或多个纤维层为所述衬垫提供机械稳定性并且还允许所述衬垫形成为匹配所述坩埚的所述内表面的形状。

11.一种衬垫，其用于放置到坩埚中以防止放置到所述衬垫中的材料接触所述坩埚的内表面并且允许所述坩埚重复使用，所述衬垫包括纤维材料和陶瓷材料。

12.根据权利要求11所述的衬垫，其中所述衬垫包括多个层，所述多个层中的至少一个层包括所述纤维材料，所述多个层中的至少另一个层包括陶瓷材料。

13.根据权利要求12所述的衬垫，其中所述多个层中的包括所述纤维材料的所述至少一个层包括织物。

14.根据权利要求12所述的衬垫，其中所述多个层中的包括所述纤维材料的所述至少一个层配置为在所述衬垫放置到所述坩埚中时接触所述坩埚的所述内表面的至少某些。

15.根据权利要求12所述的衬垫，其中所述多个层中的包括所述陶瓷材料的所述至少另一个层配置为在所述衬垫放置到所述坩埚中时接触放置到所述衬垫中的材料。

16.根据权利要求12所述的衬垫，其中所述多个层中的包括所述陶瓷材料的所述至少另一个层包括氮化硅。

17.一种用于坩埚的衬垫，其包括：

包括陶瓷材料的顶层，当所述衬垫放置到所述坩埚中时该顶层的表面接触放置到所述衬垫中的材料；以及

包括纤维材料的底层，当所述衬垫放置到所述坩埚中时该底层的表面接触所述坩埚的内表面的至少某些。

18.根据权利要求17所述的用于坩埚的衬垫，其中所述顶层包括氮化硅。

19.根据权利要求17所述的用于坩埚的衬垫，其进一步包括在所述顶层与所述底层之间的一个或多个中间层。

20.根据权利要求19所述的用于坩埚的衬垫，其中所述一个或多个中间层包括第一中间层和第二中间层，所述第一中间层包括第二纤维材料，所述第二中间层包括氮化硅。

21.根据权利要求20所述的用于坩埚的衬垫，其中所述第一中间层包括氧化硅纤维并且其中所述底层包括碳纤维。

22.一种衬垫，其用于放置到坩埚中以防止硅接触所述坩埚的内表面并且允许所述坩埚在硅铸锭的制造中重复使用，所述衬垫包括：

外层，当所述衬垫放置到所述坩埚中时该外层接触所述坩埚的所述内表面的至少某些，所述外层包括第一纤维材料；

内层，当所述衬垫放置到所述坩埚中时该内层接触放置到所述衬垫中的硅，和所述内层包括氮化硅；以及

多个中间层，其在所述内层与所述外层之间，所述多个中间层包括第一中间层和第二中间层，所述第一中间层包括第二纤维材料，所述第二中间层包括氮化硅。

23.根据权利要求22所述的衬垫，其中所述第一纤维材料和第二纤维材料中的每一个都包括织造纤维织物。

24.根据权利要求22所述的衬垫，其中所述外层的所述第一纤维材料包括碳纤维材料。

25.根据权利要求24所述的衬垫，其中所述碳纤维材料包括织造碳纤维织物。

26.根据权利要求22所述的衬垫，其中所述第一中间层的所述第二纤维材料包括氧化硅纤维材料。

27.根据权利要求26所述的衬垫，其中所述氧化硅纤维材料包括织造氧化硅纤维织物。

28.根据权利要求22所述的衬垫，其中所述第二中间层包括在所述第一中间层的一侧上的氮化硅涂敷。

29.根据权利要求28所述的衬垫，其中所述内层包括在所述第一中间层的另一侧上的氮化硅涂敷。

30.一种衬垫，其用于放置到坩埚中以防止硅接触所述坩埚的内表面并且允许所述坩埚在硅铸锭的制造中重复使用，所述衬垫包括：

外部部分，配置为在所述衬垫放置到所述坩埚中时接触所述坩埚的所述内表面的至少某些，所述外部部分包括第一纤维材料；以及

内部部分，其包括第二纤维材料、在所述第二纤维材料的第一侧面上的第一氮化硅涂敷、和在所述第二纤维材料的第二侧面上的第二氮化硅涂敷，所述第一氮化硅涂敷邻接所述外部部分，所述第二氮化硅涂敷配置为在所述衬垫放置到所述坩埚中时接触放置到所述衬垫中的硅。

31.根据权利要求30所述的衬垫，其中所述第一纤维材料和第二纤维材料中的每一个都包括织造纤维织物。

32.根据权利要求30所述的衬垫，其中所述外部部分的所述第一纤维材料包括碳纤维材料。

33.根据权利要求32所述的衬垫，其中所述碳纤维材料包括织造碳纤维织物。

34.根据权利要求30所述的衬垫，其中所述内部部分的所述第二纤维材料包括氧化硅纤维材料。

35.根据权利要求34所述的衬垫，其中所述氧化硅纤维材料包括织造氧化硅纤维织物。

36.一种制造硅铸锭的方法，其包括：

将衬垫放置到坩埚中以形成加衬的坩埚，所述衬垫包括纤维材料和陶瓷材料；

当所述加衬的坩埚含有硅时加热所述加衬的坩埚，以使包含在所述加衬的坩埚内的硅熔化；

在熔融硅已经足够冷却以形成固体硅铸锭之后，从所述坩埚中移除所述衬垫，所述固体硅铸锭连同所述衬垫一起从所述坩埚中被移除；以及

使用所述坩埚与另一衬垫重复所述放置、加热和移除步骤以制造另一固体硅铸锭，所述另一衬垫还包括所述纤维材料和所述陶瓷材料。