CN108660506A - 一种坩埚及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种坩埚及制造方法，该坩埚包括坩埚本体，坩埚本体内设置容置腔，可容纳多晶硅熔液；设置于坩埚本体上的第一保护层和第二保护层，第一保护层和第二保护层基于沉积及退火形成；第一保护层覆盖坩埚本体的内壁，第二保护层覆盖坩埚本体的外壁。由于第一保护层和第二保护层完整地覆盖在坩埚本体的表面，能够对坩埚本体进行有效防护，有效提高坩埚的耐用性；而且，第一保护层和第二保护层均通过沉积和退火方式形成，具有高致密性和低缺陷的特点，能够有效屏蔽坩埚本体内的杂质，防止污染，从而保证单晶硅的制备质量，利于制备高电阻率的单晶硅；另外，通过使用坩埚本体与保护层相结合的结构，无需使用高昂的制备材质，有效降低成本。

Description

一种坩埚及制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造设备技术领域，特别是涉及一种坩埚及制造方法。
背景技术
单晶硅是制造半导体集成电路的基础，制备单晶硅通常使用直拉法(英文：Czochralski method，简称CZ)或者磁场直拉法(英文：Magnetic field appliedCzochralski method，简称：MCZ)，其原理是从熔融状态的高纯度多晶硅熔液中，采用晶种浸入并提拉的方式生长出单晶硅。其中，在单晶硅的制备过程中，多晶硅熔液需要使用坩埚进行盛放。
目前一种常使用的坩埚是天然石英石烧制而成的坩埚，然而这种天然石英石坩埚通常存在较多的杂质，这些杂质很容易污染盛放其中的多晶硅熔液，并继续存留在生长出的单晶硅中，导致单晶硅的电阻率下降，影响其电学性能。因此，以提高单晶硅的电学性能为目的，还通常使用一种合成石英玻璃制成的坩埚，合成石英玻璃具有较少的杂质能够避免杂质的引入；然而，合成石英玻璃坩埚造价昂贵，而且，在使用过程中很容易发生脆裂从而需要频繁更换，这样导致生产成本的增加。
因此，如何提供一种低成本、耐用的坩埚以满足制备高电阻单晶硅的需求，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种坩埚及制造方法，用于解决现有技术中制备单晶硅电阻率低、成本高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种坩埚，所述坩埚包括：
坩埚本体，所述坩埚本体内设置容置腔，用于容纳多晶硅熔液；
设置于所述坩埚本体上的第一保护层和第二保护层，所述第一保护层和所述第二保护层基于沉积及退火形成；所述第一保护层覆盖所述坩埚本体的内壁，所述第二保护层覆盖所述坩埚本体的外壁。
可选地，所述第二保护层的厚度大于所述第一保护层的厚度。
可选地，所述第一保护层的厚度和所述第二保护层的厚度均介于0.5mm至0.8mm。
可选地，所述第一保护层和所述第二保护层均包括二氧化硅层。
可选地，所述第一保护层包括二氧化硅层，所述第二保护层包括氮化硅层。
可选地，所述第一保护层为未掺杂的保护层；或者
所述第一保护层掺杂N型杂质，所述N型杂质包括磷或砷；或者
所述第一保护层掺杂P型杂质，所述P型杂质包括硼。
可选地，所述坩埚还包括设置于第一保护层上的第三保护层。
可选地，所述第三保护层包括氮化硅层。
可选地，所述坩埚本体包括天然石英石本体或者掺杂有镥硅氧氮的氮化硅陶瓷本体。
本发明实施例还提供一种坩埚的制造方法，所述方法包括以下步骤：
提供一坩埚本体，且所述坩埚本体内设置容置腔，用于容纳多晶硅熔液；
于所述坩埚本体的内壁上沉积形成第一保护层，以及于所述坩埚本体的外壁上沉积形成第二保护层；
进行退火。
可选地，沉积所述第一保护层时，还对其进行N型杂质掺杂或P型杂质掺杂，其中，所述N型杂质包括磷或砷，所述P型杂质包括硼。
可选地，沉积形成的所述第二保护层的厚度大于沉积形成的所述第一保护层的厚度。
可选地，所述第一保护层和所述第二保护层均包括二氧化硅层，于所述坩埚本体的内壁上沉积形成第一保护层，以及于所述坩埚本体的外壁上沉积形成第二保护层包括：
以SiHCl3和NO为反应气体，在温度为1000℃至1200℃以及压强为500Torr至760Torr的条件下，以化学气相沉积方式形成所述第一保护层和第二保护层。
可选地，所述进行退火包括：
在Ar或者He的气体氛围中，温度为1200℃至1800℃的条件下进行退火。
可选地，在所述进行退火之前，还包括：
于所述第一保护层上，沉积形成第三保护层。
如上所述，本发明的坩埚及制造方法，具有以下有益效果：所述坩埚包括坩埚本体，所述坩埚本体内设置容置腔，用于容纳多晶硅熔液；设置于所述坩埚本体上的第一保护层和第二保护层，所述第一保护层和所述第二保护层基于沉积及退火形成；所述第一保护层覆盖所述坩埚本体的内壁，所述第二保护层覆盖所述坩埚本体的外壁。由于所述第一保护层和所述第二保护层完整地覆盖在坩埚本体的表面，在使用过程中能够对坩埚本体进行有效防护，有效提高了坩埚的耐用性；而且，所述第一保护层和所述第二保护层均通过沉积和退火方式形成，具有高致密性和低缺陷的特点，有效阻挡坩埚本体内的杂质，从而保证单晶硅的制备质量，利于制备高电阻单晶硅；另外，由于仅需在坩埚本体的外表面覆盖所述第一保护层和第二保护层，形成坩埚本体与保护层相结合的结构，无需使用高昂的制备材质，因此具有较低的成本
附图说明
图1显示为本发明实施例提供的一种坩埚的结构示意图。
图2显示为本发明实施例提供的另一种坩埚的结构示意图。
图3显示为本发明实施例提供的一种坩埚的制造方法的流程示意图。
图4显示为本发明实施例提供的一种坩埚本体的结构示意图。
元件标号说明
1 坩埚本体
11 容置腔
2 第一保护层
3 第二保护层
4 第三保护层
S1～S3 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
参见图1，为本发明实施例提供的一种坩埚的结构示意图，如图1所示，该坩埚包括坩埚本体1，以及设置于所述坩埚本体1上的第一保护层2和第二保护层3。
其中，所述坩埚本体1内设置有容置腔11，在使用过程中，所述容置腔11可以用于盛放多晶硅熔液；所述容置腔11可以为规则的内腔，例如长方体形、正方体形以及弧面形等，所述容置腔11也可以为非规则的内腔，在本发明实施例中不做限定。
而且，所述坩埚本体1可以选用天然石英石本体，或者掺杂有镥硅氧氮(化学式为：Lu4Si2O7N2)的氮化硅陶瓷本体。
所述第一保护层2和所述第二保护层3基于沉积及退火形成；所述第一保护层2覆盖于所述坩埚本体1的内壁，所述第二保护层3覆盖于所述坩埚本体1的外壁。
在第一种实施情况下，所述第一保护层2和所述第二保护层3可以为相同材质的保护层，所述第一保护层2和所述第二保护层3可以均为二氧化硅层。在具体实施时，以SiHCl3和NO为反应气体，在温度为1000℃至1200℃以及压强为500Torr至760Torr的条件下，以化学气相沉积方式同时在所述坩埚本体1的内壁上以及所述坩埚本体1的外壁上形成二氧化硅层；然后，通过退火使得所述二氧化硅层致密化并消除缺陷。覆盖于所述坩埚本体1内壁上的二氧化硅层可以理解为第一保护层2，覆盖于所述坩埚本体1外壁上的二氧化硅层可以理解为第二保护层3，通过第一保护层2和第二保护层3实现对坩埚本体1的保护。
在第二种实施情况下，所述第一保护层2和所述第二保护层3可以为不同材质的保护层；一示例性实施中，所述第一保护层2可以为二氧化硅层，所述第二保护层3可以为氮化硅层。在具体实施时，可以通过在所述坩埚本体1的外壁上形成阻挡层，所述阻挡层可以为光刻胶等，这样先于坩埚本体1的内壁上通过沉积形成第一保护层2；然后去除所述坩埚本体1外壁上的阻挡层，并在所述坩埚本体1内壁上形成阻挡层，于所述坩埚本体1的外壁上沉积形成第二保护层3；去除阻挡层，经过退火致密化和消除缺陷，得到图1所示的第一保护层2和第二保护层3的结构。当然需要说明的是，上述第一保护层2和第二保护层3的形成方式仅是一示例性实施例，在具体实施时，还可以通过利用沉积、光刻结合离子刻蚀和退火的方式形成覆盖所述坩埚本体1内壁的第一保护层2，以及覆盖所述坩埚本体1外壁的第二保护层3，在本发明实施例中不做限定。由于氮化硅层具有更强的致密性和稳定性，因此使用氮化硅层作为所述坩埚本体1的外层保护，能够有效防止坩埚本体1的脆裂损坏等，进一步增强所述坩埚本体1的耐用性。
所述第一保护层2和所述第二保护层3的厚度介于0.5mm至0.8mm，而且，所述第一保护层2的厚度和所述第二保护层3的厚度可以相同也可以不同。在一优选实施例中，所述第二保护层3的厚度可以大于所述第一保护层2的厚度，这样，第二保护层3能够进一步加强对坩埚本体1外壁的防护，防止内外温度差异导致的坩埚本体1的损坏。
在单晶硅的制备过程中，为了满足集成电路的制备需要，可能在制备过程中同时对单晶硅进行掺杂。为了方便单晶硅的掺杂，在本发明的一个实施例性实施例中，所述第一保护层2可以掺杂N型杂质，所述N型杂质包括磷或砷；所述第一保护层2可以掺杂P型杂质，所述P型杂质包括硼。当然，根据单晶硅的制备需要，所述第一保护层2也可以为未掺杂的保护层。
由上述实施例的描述可见，本发明实施例提供的一种坩埚，包括坩埚本体1，所述坩埚本体1内设置容置腔11，用于容纳多晶硅熔液；设置于所述坩埚本体1上的第一保护层2和第二保护层3，所述第一保护层2和所述第二保护层3基于沉积及退火形成；所述第一保护层2覆盖所述坩埚本体1的内壁，所述第二保护层3覆盖所述坩埚本体1的外壁。由于所述第一保护层2和所述第二保护层3完整地覆盖在坩埚本体1的表面，在使用过程中能够对坩埚本体1进行有效防护，有效提高了坩埚的耐用性；而且，所述第一保护层2和所述第二保护层3均通过沉积和退火方式形成，具有高致密性和低缺陷的特点，有效阻挡坩埚本体1内的杂质，从而保证单晶硅的制备质量，利于制备高电阻单晶硅；另外，由于仅需在坩埚本体1的外表面覆盖所述第一保护层2和第二保护层3，从而形成坩埚本体1与保护层相结合的结构，无需使用高昂的制备材质，因此具有较低的成本。
实施例二
参见图2，为本发明实施例提供的另一种坩埚的结构示意图，如图2所示，所述坩埚包括坩埚本体1、第一保护层2和第二保护层3。其中，所述坩埚本体1内设置容置腔11，用于容纳多晶硅熔液。所述第一保护层2和所述第二保护层3均基于沉积及退火形成，且所述第一保护层2覆盖所述坩埚本体1的内壁，所述第二保护层3覆盖所述坩埚本体1的外壁。本发明实施例与实施例一的不同之处在于，所述第一保护层2上还设置有第三保护层4。在一示例性实施例中，所述第三保护层4可以为氮化硅层。本发明实施例与实施例一相同之处，可参见实施例一的描述，在此不再赘述。
由上述实施例的描述可见，本发明实施例通过设置第三保护层4，这样可以于所述坩埚本体1内壁上形成多层的保护结构，从而进一步增强对坩埚本体1的保护，提高坩埚的耐用性；而且，多层的保护结构同时增强阻隔作用，防止坩埚本体1内的杂质污染多晶硅熔液，有利于提高单晶硅的电阻率；另外，作为第三保护层4的氮化硅层具有很高的致密性，在拉单晶的过程中能够防止硅单晶与第一保护层2的粘连，从而进一步单晶硅的质量。
与本发明提供的坩埚的装置实施例相对应，本发明实施例还提供了一种坩埚的制造方法。
参见图3，为本发明实施例提供的一种坩埚的制造方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：提供一坩埚本体1，且所述坩埚本体1内设置容置腔11，用于容纳多晶硅熔液；
步骤S2：于所述坩埚本体1的内壁上沉积形成第一保护层2，以及于所述坩埚本体1的外壁上沉积形成第二保护层3；
步骤S3：进行退火。
下面结合具体实施例对所述坩埚的制造方法进行详细描述。
在步骤S1中，参见图4，为本发明实施例提供的一种坩埚本体的结构示意图，如图4所示，所述坩埚本体1内设置有容置腔11，在使用过程中，所述容置腔11可以用于盛放多晶硅熔液；所述容置腔11可以为规则的内腔，例如长方体形、正方体形以及弧面型等，所述容置腔11也可以为非规则的内腔，在本发明实施例中不做限定。所述坩埚本体1可以选用天然石英石本体，或者掺杂有镥硅氧氮(化学式为：Lu4Si2O7N2)的氮化硅陶瓷本体。
在步骤S2中，于所述坩埚本体1的内壁上沉积形成第一保护层2，以及于所述坩埚本体1的外壁上沉积形成第二保护层3，如图1所示。
在第一种实施情况下，所述第一保护层2和所述第二保护层3可以为相同材质的保护层，一示例性实施例中所述第一保护层2和所述第二保护层3可以均为二氧化硅层。形成所述二氧化硅层的过程包括：以SiHCl3和NO为反应气体，在温度为1000℃至1200℃以及压强为500Torr至760Torr的条件下，以化学气相沉积方式于所述坩埚本体1的内壁和外壁上形成二氧化硅层，覆盖于所述坩埚本体1内壁上的二氧化硅层可以理解为第一保护层2。
在第二种实施情况下，所述第一保护层2和所述第二保护层3可以为不同材质的保护层，一示例性实施例中所述第一保护层2可以为二氧化硅层，所述第二保护层3可以为氮化硅层。在具体实施时，可以在所述坩埚本体1的外壁上形成阻挡层，所述阻挡层可以为光刻胶等，这样先于坩埚本体1的内壁上通过沉积形成第一保护层2；然后去除所述坩埚本体1外壁上的阻挡层，并在所述坩埚本体1内壁上形成阻挡层，于所述坩埚本体1的外壁上沉积形成第二保护层3；去除阻挡层，从而第一保护层2和第二保护层3的结构。或者，可以在坩埚本体1的表面形成氮化硅层，通过离子刻蚀刻蚀掉坩埚本体1内壁上的氮化硅层，然后于所述坩埚本体1内壁上沉积第一保护层2，最终得到所述第一保护层2和第二保护层3的结构。当然，上述形成不同材质的第一保护层2和第二保护层3的过程，仅是一示例性实施例，在具体实施时，可以通过不同的光刻、化学气相沉积、物理气相沉积等方式于所述坩埚本体1的内壁上形成第一保护层2，以及于所述坩埚本体1的外壁形成第二保护层3。
为了对坩埚本体1的外壁进行保护，在本发明实施例中，所述第二保护层3的厚度可以大于所述第一保护层2的厚度；在具体实施时，可以通过控制第一保护层2和第二保护层3的沉积时间得到不同厚度的第一保护层2和第二保护层3，而且也可以利用阻挡层进行多次沉积，从而得到不同厚度的第一保护层2和第二保护层3。
由于在单晶硅的制备过程中，可能需要进行掺杂，在本发明的一个实施例中，为了方便掺杂，在沉积所述第一保护层2时，还对所述第一保护层2进行N型杂质掺杂或P型杂质掺杂，其中，所述N型杂质包括磷或砷，所述P型杂质包括硼。
在步骤S3中，形成所述第一保护层2和所述第二保护层3之后，对所述坩埚进行退火。在一示例性例实施例中，所述退火在Ar或者He的气体氛围中进行，退火温度为1200℃至1800℃；在一优选实施例中，退火温度可以为1500℃。上述退火过程可以使第一保护层2和第二保护层3中的原子进行重组，去除保护层中的缺陷，并使得保护层更加致密；这样，经过退火后，由于第一保护层2和第二保护层3具有很高的致密性能够加强对坩埚本体1的保护，防止坩埚本体1发生损坏；而且，第一保护层2和第二保护层3本身具有较少的缺陷，同时有效屏蔽坩埚本体1中的杂质，防止污染多晶硅熔液，能够制备出高电阻率的单晶硅。
为了进一步增强坩埚的耐用性，以及提高单晶硅的质量，在本发明的一示例性实施例中，执行步骤S3之前，还可以包括步骤：于所述第一保护层2，沉积形成第三保护层4，如图2所示。在一优选实施例中，所述第三保护层4可以为氮化硅层。形成所述第三保护层4的过程可以为：在第一种实施情况下，于所述第二保护层3上形成阻挡层，所述阻挡层可以为光刻胶，并裸露出第一保护层2；于坩埚表面沉积第三保护层4，去除阻挡层，从而只保留第一保护层2上的第三保护层4。在第二种实施情况下，当第二保护层3与第三保护层4材质相同时，以氮化硅层为例，可以先于坩埚本体1的内壁上沉积形成第一保护层2；然后，于所述坩埚本体1的外壁以及所述第一保护层2上，沉积氮化硅层，而位于所述坩埚本体1外壁的氮化硅层可以理解为第二保护层3，位于所述第一保护层2上的氮化硅层可以理解为第三保护层4。通过形成所述第三保护层4，能够在坩埚本体1内壁形成多层的保护结构，从而增强对坩埚的保护，提高坩埚耐用性；而且，上述多层的保护结构能够进一步增强对坩埚本体1内杂质的屏蔽，提高单晶硅的电阻率；另外，作为第三保护层4的氮化硅层，能够有效防止单晶硅与第一保护层2的粘连，从而进一步提高单晶硅的质量。
本发明坩埚制造方法的实施例与坩埚装置实施例相同之处，可参见上述坩埚装置实施例的描述，在此不再赘述。
由上述实施例的描述可见，本发明实施例提供的一种坩埚的制造方法，包括提供一坩埚本体1，且所述坩埚本体1内设置容置腔11，用于容纳多晶硅熔液；于所述坩埚本体1的内壁上沉积形成第一保护层2，以及于所述坩埚本体1的外壁上沉积形成第二保护层3；进行退火。通过形成覆盖坩埚本体1表面的第一保护层2和第二保护层3，上述保护层能够对坩埚本体1进行有效的防护，从而提高了坩埚的耐用性；而且，通过沉积和退火方式形成保护层，具有高致密性和低缺陷的特点，有效阻挡坩埚本体1内的杂质，从而保证单晶硅的制备质量，利于制备高电阻单晶硅；另外，通过形成坩埚本体1与保护层相结合的结构，无需使用高昂的材质，因此具有较低的成本。
综上所述，本发明提供的坩埚及制造方法，于坩埚本体上沉积和退火形成保护层，该保护层能够对坩埚本体进行有效防护，提高坩埚耐用性；致密低缺陷的保护层有效屏蔽坩埚本体的杂质，利用制备高电阻率的单晶硅；沉积形成保护层与坩埚本体的复合结构，克服了对高昂坩埚制备材质的依赖，降低成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种坩埚，其特征在于，所述坩埚包括：
坩埚本体，所述坩埚本体内设置容置腔，用于容纳多晶硅熔液；
设置于所述坩埚本体上的第一保护层和第二保护层，所述第一保护层和所述第二保护层基于沉积及退火形成；所述第一保护层覆盖所述坩埚本体的内壁，所述第二保护层覆盖所述坩埚本体的外壁。
2.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述第二保护层的厚度大于所述第一保护层的厚度。
3.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述第一保护层的厚度和所述第二保护层的厚度均介于0.5mm至0.8mm。
4.根据权利要求1至3任一所述的坩埚，其特征在于，所述第一保护层和所述第二保护层均包括二氧化硅层。
5.根据权利要求1至3任一所述的坩埚，其特征在于，所述第一保护层包括二氧化硅层，所述第二保护层包括氮化硅层。
6.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于：
所述第一保护层为未掺杂的保护层；或者
所述第一保护层掺杂N型杂质，所述N型杂质包括磷或砷；或者
所述第一保护层掺杂P型杂质，所述P型杂质包括硼。
7.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述坩埚还包括设置于第一保护层上的第三保护层。
8.根据权利要求7所述的坩埚，其特征在于，所述第三保护层包括氮化硅层。
9.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述坩埚本体包括天然石英石本体或者掺杂有镥硅氧氮的氮化硅陶瓷本体。
10.一种坩埚的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：
提供一坩埚本体，且所述坩埚本体内设置容置腔，用于容纳多晶硅熔液；
于所述坩埚本体的内壁上沉积形成第一保护层，以及于所述坩埚本体的外壁上沉积形成第二保护层；
进行退火。
11.根据权利要求10所述的坩埚的制造方法，其特征在于：沉积所述第一保护层时，还对其进行N型杂质掺杂或P型杂质掺杂，其中，所述N型杂质包括磷或砷，所述P型杂质包括硼。
12.根据权利要求10所述的坩埚的制造方法，其特征在于，所述第二保护层的厚度大于所述第一保护层的厚度。
13.根据权利要求10所述的坩埚的制造方法，其特征在于，所述第一保护层和所述第二保护层均包括二氧化硅层，于所述坩埚本体的内壁上沉积形成第一保护层，以及于所述坩埚本体的外壁上沉积形成第二保护层包括：
以SiHCl3和NO为反应气体，在温度为1000℃至1200℃以及压强为500Torr至760Torr的条件下，以化学气相沉积方式形成所述第一保护层和第二保护层。
14.根据权利要求10所述的坩埚的制造方法，其特征在于，所述进行退火包括：
在Ar或者He的气体氛围中，温度为1200℃至1800℃的条件下进行退火。
15.根据权利要求10所述的坩埚的制造方法，其特征在于，在所述进行退火之前，还包括：
于所述第一保护层上，沉积形成第三保护层。
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