CN106868583A

CN106868583A - 一种石英坩埚

Info

Publication number: CN106868583A
Application number: CN201510909607.6A
Authority: CN
Inventors: 方峰; 邓德辉; 高朝阳; 王学锋; 曾泽红; 孙媛
Original assignee: You Yan Semi Materials Co Ltd
Current assignee: Youyan semiconductor silicon materials Co.,Ltd.
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: CN106868583B

Abstract

本发明公开了一种石英坩埚。该石英坩埚的坩埚壁包括坩埚底壁、弧度过渡区及圆柱周壁三个部分，从坩埚内表面侧至外表面侧具有透明石英层和不透明石英层，其中，透明石英层的气泡含有率小于0.3％，不透明石英层的气泡含有率为0.6％以上。本发明的石英坩埚的弧度过渡区的透明层厚度是圆柱周壁处的透明层厚度的1.2-1.6倍。本发明通过石英坩埚的弧度过渡区的热传导特性抑制石英坩埚中弧度过渡区的硅熔体的流动能力，硅单晶的氧含量均匀性得到改善。采用本发明的石英坩埚，从坩埚外侧进行加热时，可抑制石英坩埚底部熔融硅的温度偏差，减少石英坩埚底部硅熔体浮力，抑制硅熔体的向单晶生长界面的热对流，获得氧含量均匀的硅单晶。

Description

一种石英坩埚

技术领域

本发明涉及一种石英坩埚，属于硅单晶制备技术领域。

背景技术

现代石英坩埚多采用电弧熔制法制作，以旋转塑模法为主流方法，该方法是利用离心力使原料石英粉堆积于旋转着的具有坩埚形状的模具的内表面，通过电弧放电热使堆积于旋转着的模具中的石英粉熔融、玻璃化，成形为坩埚形状。

如图1所示，为现有的石英坩埚的制作装置的结构示意图，该装置主要由有底圆筒状的模具3、使模具3绕其轴线旋转的驱动机构(图中未示出)、用于加热模具3内侧的电弧放电装置(图中未示出)构成。模具3例如由碳形成，在其内部形成有向模具内面开口的多个减压通路5。减压通路5上连接未图示的减压机构，在模具3旋转的同时，可通过减压通路5从其内面进行吸气。在模具3的内面，通过堆积石英粉末可形成石英堆积层。该石英堆积层通过模具3的旋转产生的离心力而保持在内壁面上。电弧放电装置具备由高纯度的碳形成的呈棒状的多个碳电极、保持这些碳电极的同时使其移动的电极移动机构、用于对各碳电极通电流的电源装置(图示略)。

利用电弧放电装置对保持的石英堆积层进行加热的同时通过减压通路5进行减压，由此石英砂堆积层熔化形成熔融状态的石英玻璃层。熔融状态的石英玻璃层冷却后形成石英坩埚毛坯，将石英坩埚毛坯从模具3取出进行整形加工后，即使成品石英(SiO₂)坩埚(图2所示)。

图2所示成品石英坩埚由圆柱周壁H、具有弧度的底壁R和弧度过渡区R2构成。直径10”-24”口径的石英坩埚壁厚度在8-18mm，这个坩埚壁厚度包括了透明层6f和包含气泡的不透明层6b。透明层的厚度在2-5mm，剩余的为不透明层。

作为在坩埚内表面形成气泡少、高纯度的透明SiO₂层的方法，已知有如下两种方法。

第一种方法是在石英粉的电弧熔融中从塑模侧进行石英层的减压抽取的方法，石英粉熔融、玻璃化时将石英层减压，通过真空的作用将内部的气泡吸引至外部而除去，可以形成基本上不含有气泡的透明SiO₂玻璃层。

第二种方法为：使石英粉在电弧中通过时熔融，使该熔融的石英粉层积于已成形的石英坩埚内表面，形成透明玻璃层。

专利文献CN101570391B披露了将两种方法结合使用，在石英坩埚的内表面形成透明SiO₂玻璃层的技术方案。图2是石英坩埚的透明SiO₂层、不透明SiO₂层结构示意图，透明SiO₂层的厚度在圆柱周壁H、具有弧度的底壁R和弧度过渡区R2是基本相同的，即透明SiO₂层在坩埚内表面是均匀分布。

发明人在使用石英坩埚提拉硅单晶的过程中，熟知多晶硅熔化的形成硅熔体贮存在石英坩埚内时，硅熔体必然与接触的坩埚内表面的内表面透明SiO₂反应：SiO₂+Si＝2SiO。反应产物SiO经过硅熔体地流动而分散在熔体内，大部分SiO通过自由表面挥发了；少部分氧通过生长界面进入硅单晶体，氧是直拉硅单晶中的一种固有杂质，来源于石英坩埚。单晶直径的增大和半导体集成电路线宽的缩小，要求硅单晶更高的纯度，即要求低氧含量的硅单晶，同时要求硅单晶的氧含量要均匀分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石英坩埚，使用该石英坩埚能够获得氧含量均匀的硅单晶。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种石英坩埚，该石英坩埚的坩埚壁包括坩埚底壁、弧度过渡区及圆柱周壁三个部分，从坩埚内表面侧至外表面侧具有透明石英层和不透明石英层，其中，透明石英层的气泡含有率小于0.3％，不透明石英层的气泡含有率为0.6％以上。

优选地，所述不透明石英层的气泡含有率为0.6％-3.0％以内，不透明石英层的气泡含有率优选为1.0％-3.0％。

优选地，透明石英层的厚度为坩埚壁厚的15％-35％，不透明石英层的厚度为坩埚壁厚的65％-85％。

在弧度过渡区，透明石英层的厚度为坩埚壁厚的25％-35％，不透明石英层的厚度为坩埚壁厚的65％-75％。

弧度过渡区的透明石英层的厚度为圆柱周壁的透明石英层厚度的1.2-1.6倍。通过石英坩埚的弧度过渡区的热传导特性抑制石英坩埚中弧度过渡区的硅熔体的流动能力，硅单晶的氧含量均匀性得到改善。

本发明的优点在于：

采用本发明的石英坩埚，从坩埚外侧进行加热时，可抑制石英坩埚底部熔融硅的温度偏差，减少石英坩埚底部硅熔体浮力，抑制硅熔体的向单晶生长界面的热对流，获得氧含量均匀的硅单晶。

附图说明

图1为电弧制备石英坩埚的装置图。

图2为现有的石英坩埚的结构示意图。

图3为本发明石英坩埚的结构示意图。

图4为石英玻璃在全波段的透过率特性。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不限于此。

如图4所示，透明石英层的特性接近透明石英玻璃特性，对0.5-3.5微米波长红外谱线具有很好的透射率，透射率在85％以上。而不透明石英层因内部包含有细小的气泡，它对红外谱线有反射、散射等作用，透射率降低到30％以下。

对石英玻璃坩埚的红外线透射率E进行测定：在与波长0.5-3.5μm、波峰波长1.0μm的红外线光源，相距30cm的位置放置受热面积为1cm²的红外线功率计，不插入测定用坩埚样片时，测定红外线的受热量Q；然后在靠近红外线功率计的前方插入测定用坩埚样片，再次测定红外线的受热量q，以E＝(q/Q)×100[％]而计算出红外线透射率E。

透明石英层和不透明石英层对～1.0微米波长红外谱线透射率的差异，提供一个控制Heater和Si melt能量传递的机会。本发明基于透明石英层和不透明石英层～1.0微米波长红外谱线透射率差异，通过改变透明石英层的厚度达到控制Heater传递Simelt的能量，达到对Si melt控制，从而达到对硅单晶氧含量的控制。

如图3所示，本发明的石英坩埚的坩埚壁包括坩埚底壁R、弧度过渡区R2及圆柱周壁H三个部分，从坩埚内表面侧至外表面侧具有透明石英层和不透明石英层，其中，透明石英层的气泡含有率小于0.3％，不透明石英层的气泡含有率为0.6％以上。

优选地，所述不透明石英层的气泡含有率为0.6％～3.0％以内。优选地，透明石英层的厚度为坩埚壁厚的15％-35％，不透明石英层的厚度为坩埚壁厚的65％-85％。在弧度过渡区R2，透明石英层的厚度为坩埚壁厚的25％-35％，不透明石英层的厚度为坩埚壁厚的65％-75％。弧度过渡区R2的透明石英层的厚度为圆柱周壁的透明石英层厚度的1.2-1.6倍。

对比例1

作为本发明的对照，现有技术提供一个电弧制备石英坩埚的装置图的实例。石英坩埚的结构如图1(右侧)所示，现有技术提供的石英坩埚制备装置，该装置主要由有底圆筒状的模具3、使模具3绕其轴线旋转的驱动机构、用于加热模具3内侧的电弧放电装置构成。模具3例如由碳形成，在其内部形成有向模具内面开口的多个减压通路5。减压通路5上连接未图示的真空机组，在模具3旋转的同时，可通过减压通路5从其内面进行吸气。在模具3的内面，通过堆积石英粉末可形成石英堆积层6。该石英堆积层6通过模具3的旋转产生的离心力而保持在内壁面上。

现有技术减压通路5在石英坩埚的坩埚底壁R、弧度过渡区R2及圆柱周壁H即整个石英坩埚的外侧壁提供基本相同的真空度，减压通道5在石英坩埚的坩埚底壁R、圆柱周壁H用同样管路口径标示。在电弧烧制堆积石英粉末时，坩埚底壁R、弧度过渡区R2及圆柱周壁H的时间是相同的，得到的石英坩埚毛坯6在坩埚底壁R、弧度过渡区R2及圆柱周壁H部位的透明层6f厚度和不透明层6b厚度基本相同。

冷却后取出石英坩埚毛坯6进行切边、倒角、打磨后得到图2所示的成品石英坩埚。选取3只22英寸成品石英坩埚N(N1、N2、N3)，测量圆柱周壁H、弧度过渡区R2和坩埚底壁R部位的透明层6f厚度和不透明层6b厚度；测量圆柱周壁H、弧度过渡区R2和坩埚底壁R部位的平均红外线透射率(％)，结果如表1所示。

对比例2

直径为22英寸(约556mm)的石英玻璃坩埚N1、N2、N3。在此石英玻璃坩埚中分别填充多晶硅碎块120kg后，将石英玻璃坩埚装填在直拉单晶炉中，在单晶炉内将坩埚内的多晶硅熔化、稳定，用同样的Recipe经过引晶、放肩、转肩、等径、收尾等流程，提拉毛坯直径约205mm的硅单晶锭Y1、Y2、Y3。晶体生长参数例如坩埚位置及旋转速度、晶体旋转速度、氩气流量及单晶炉炉内压力，这些工艺参数对氧含量的有影响的，在对比例及实施例的Recipe中设置保持一样，这样尽可能的排除工艺参数对实施效果的影响。

硅单晶锭Y1、Y2、Y3分别在单晶锭头部50mm取样片(slug)，用傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR，测试slug含氧量。结果如表1所示。

实施例1

本实施例中提供一个电弧制备石英坩埚的装置图的实例，石英坩埚的结构如图1(左侧)所示，所提供的石英坩埚制备装置主要由有底圆筒状的模具3’、使模具3’绕其轴线旋转的驱动机构、用于加热模具3’内侧的电弧放电装置构成。模具3’例如由碳形成，在其内部形成有向模具内面开口的多个减压通路5’。减压通路5’上连接未图示的真空机组，在模具3’旋转的同时，可通过减压通路5’从其内面进行吸气。在模具3’的内面，通过堆积石英粉末可形成石英堆积层6’。该石英堆积层6’通过模具3’的旋转产生的离心力而保持在内壁面上。

本实施中在减压通路5’设计了可以变化真空度的通路，在石英坩埚的坩埚底壁R和圆柱周壁H的外侧壁具有基本相同的真空度，坩埚底壁R、圆柱周壁H用同样管路口径标示；减压通路5’R2在弧度过渡区R2的外侧壁具有更高的真空度，用更大的管路口径标示高的真空度。

在电弧烧制堆积石英粉末时，坩埚底壁R、弧度过渡区R2及圆柱周壁H的时间是相同的，但减压通路5’真空度在R2在部分得到强化，石英坩埚毛坯6’在弧度过渡区R2的透明层6’f厚度得到增强。

冷却后取出石英坩埚毛坯6’进行切边、倒角、打磨后得到图3所示的成品石英坩埚。在圆柱周壁H、坩埚底壁R部位的透明SiO₂玻璃层6’f厚度基本相同，在R2部位处的透明SiO₂玻璃层6’f厚度增厚为厚度S。选取5只22英寸成品石英坩埚M(M1、M2、M3、M4、M5)，测量圆柱周壁H、R2部位处的透明SiO₂玻璃层的厚度S和坩埚底壁R部位的透明层6f厚度和不透明层6b厚度；测量圆柱周壁H、R2部位处的透明SiO₂玻璃层和坩埚底壁R部位的平均红外线透射率(％)。结果如表1所示。

实施例2

直径为22英寸(约556mm)的石英玻璃坩埚M1、M2、M3、M4、M5。在此石英玻璃坩埚中分别填充多晶硅碎块120kg后，将石英玻璃坩埚装填在直拉单晶炉中，在单晶炉内将坩埚内的多晶硅熔化、稳定，使用实施例3相同的Recipe经过引晶、放肩、转肩、等径、收尾等流程，提拉毛坯直径约205mm的硅单晶锭X1、X2、X3、X4、X5。

硅单晶锭X1、X2、X3、X4、X5分别在单晶锭50mm取样片(slug)，用傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR，测试slug含氧量。结果如表1所示。

表1实施例、对比例及实施效果

实施例与对比例结果对照显示，实施例5支单晶锭头部slug FTIR测试氧含量的均值为13.7ppma，而对比例的3支单晶锭头部slug FTIR测试氧含量的均值为15.5ppma。采用本发明在测试中对单晶锭头部氧含量有ΔO＝15.5-13.7＝1.8ppma贡献，相比现有技术降低单晶锭头部氧含量11.6％。

Claims

1.一种石英坩埚，其特征在于，该石英坩埚的坩埚壁包括坩埚底壁、弧度过渡区及圆柱周壁三个部分，从坩埚内表面侧至外表面侧具有透明石英层和不透明石英层，其中，透明石英层的气泡含有率小于0.3％，不透明石英层的气泡含有率为0.6％以上。

2.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述不透明石英层的气泡含有率为0.6％-3.0％。

3.根据权利要求2所述的石英坩埚，其特征在于，所述不透明石英层的气泡含有率为1.0％-3.0％。

4.根据权利要求1或2所述的石英坩埚，其特征在于，透明石英层的厚度为坩埚壁厚的15％-35％，不透明石英层的厚度为坩埚壁厚的65％-85％。

5.根据权利要求4所述的石英坩埚，其特征在于，在弧度过渡区，透明石英层的厚度为坩埚壁厚的25％-35％，不透明石英层的厚度为坩埚壁厚的65％-75％。

6.根据权利要求1或2所述的石英坩埚，其特征在于，弧度过渡区的透明石英层的厚度为圆柱周壁的透明石英层厚度的1.2-1.6倍。