TW202246590A - 一種坩堝元件及拉晶爐 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供了一種坩堝元件及拉晶爐，該坩堝元件包括：石墨坩堝，該石墨坩堝包括本體以及從該本體的內表面凸出的多個凸肋；石英坩堝，該石英坩堝嵌套在該石墨坩堝中；其中，當該石英坩堝因加熱導致的軟化而發生朝向該石墨坩堝的變形時，該石墨坩堝與該石英坩堝之間的位於該凸肋的根部附近的間隙被保留，其中，該間隙隨該凸肋一起延伸直至通往外界環境。

Description

一種坩堝元件及拉晶爐
本發明屬於單晶矽製造領域，尤其關於一種坩堝元件及拉晶爐。
用於生產積體電路等半導體電子元器件的矽片，主要通過將直拉（Czochralski）法拉制的單晶矽棒切片而製造出。Czochralski法包括使由坩堝元件中的多晶矽熔化以獲得矽熔體，將單晶晶種浸入矽熔體中，以及連續地提升晶種移動離開矽熔體表面，由此在移動過程中在相介面處生長出單晶矽棒。
坩堝元件通常包括石墨坩堝和以完全貼合的方式嵌套在該石墨坩堝中的石英坩堝。在拉晶過程中的高溫下，石墨坩堝和石英坩堝會發生反應而生成氣體，由於石墨坩堝和石英坩堝完全貼合，生成的氣體難以在短時間內排出到外界環境中，導致在高溫下已發生軟化的石英坩堝形成遠離石墨坩堝的“鼓包”，這很大程度上影響了拉晶的正常進行，嚴重影響了晶棒的品質，極有可能導致坩堝元件內受熱不均，對流紊亂，進而導致晶棒斷線發生，影響拉晶良率。
石英坩堝的內表面通常是平滑的，導致內表面的面積有限，因此在拉晶過程中從石英坩堝的內表面析出的氧無法均勻地分佈於熔體中，拉制出的矽棒中的氧濃度也會不均勻，對後續處理過程中矽片中氧析出物或者稱為體微缺陷（Bulk Micro Defect，BMD）的均勻性產生影響。
為解決上述技術問題，本發明實施例期望提供一種坩堝元件及拉晶爐，在拉晶過程中生成於石墨坩堝和石英坩堝之間的氣體能夠及時地排出到外界環境中，避免石英坩堝形成“鼓包”，並且能夠使從石英坩堝的內表面析出的氧更均勻地分佈於熔體中，改善後續處理過程中形成於矽片中的BMD的均勻性。
本發明的技術方案是這樣實現的： 第一方面，本發明實施例提供了一種坩堝元件，該坩堝元件包括： 石墨坩堝，該石墨坩堝包括本體以及從該本體的內表面凸出的多個凸肋； 石英坩堝，該石英坩堝嵌套在該石墨坩堝中； 其中，當該石英坩堝因加熱導致的軟化而發生朝向該石墨坩堝的變形時，該石墨坩堝與該石英坩堝之間的位於該凸肋的根部附近的間隙被保留， 其中，該間隙隨該凸肋一起延伸直至通往外界環境。
第二方面，本發明實施例提供了一種拉晶爐，該拉晶爐包括根據第一方面所述之坩堝元件。
本發明實施例提供了一種坩堝元件及拉晶爐，由於上述的間隙與外界環境相通，因此在拉晶過程中在石墨坩堝與石英坩堝之間生成的氣體能夠經由間隙從石墨坩堝的本體的頂緣處逸出到坩堝元件的外部或者說逸出到外界環境中，由此避免了軟化的石英坩堝形成“鼓包”；當石英坩堝發生變形時，其內表面的面積會增大，從該內表面析出的氧會更均勻地分佈於熔體中，使後續處理過程中形成於矽片中的BMD的均勻性得到改善。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
參見圖1至圖4，本發明實施例提供了一種坩堝元件10，該坩堝元件10可以包括： 石墨坩堝100，該石墨坩堝100包括本體110以及從該本體110的內表面110S凸出的多個凸肋120，如在圖2中詳細示出的； 石英坩堝200，該石英坩堝200嵌套在該石墨坩堝100中，如在圖1和圖3中詳細示出的，其中，圖1中未詳細示出石墨坩堝100的該多個凸肋120； 其中，當該石英坩堝200因加熱導致的軟化而發生朝向該石墨坩堝100的變形時，如在圖4中詳細示出的，該石墨坩堝100與該石英坩堝200之間的位於該凸肋120的根部121附近的間隙G被保留，舉例而言，在採用直拉法拉晶的過程中，石英坩堝200會被加熱以熔化容納在該石英坩堝200中的多晶矽S，如在圖1中詳細示出的，並且使該多晶矽S保持熔化狀態，另外這裡的根部121指的是凸肋120的與本體110的內表面110S鄰接的部位或者說凸肋120的從本體110的內表面110S開始凸出的部位， 其中，該間隙G隨該凸肋120一起延伸直至通往外界環境，如結合圖2和圖4容易理解的。
由於上述的間隙G與外界環境相通，因此在拉晶過程中在石墨坩堝100與石英坩堝200之間生成的氣體能夠經由間隙G從石墨坩堝100的本體110的頂緣111處逸出到坩堝元件10的外部或者說逸出到外界環境中，如在圖1中通過箭頭A示意性地示出的，由此避免了軟化的石英坩堝200形成“鼓包”；而且如圖4所示，當石英坩堝200發生變形時，其內表面210的面積會增大，從該內表面210析出的氧會更均勻地分佈於熔體中，使後續處理過程中形成於矽片中的BMD的均勻性得到改善。
對於該多個凸肋120在本體110的內表面110S中的分佈方式可以有多種選擇，在本發明的可選實施例中，參見圖2和圖3，該多個凸肋120可以在該本體110的周向上均勻分佈，其中圖2中通過箭頭CD示意性地示出了本體110的周向。這樣，在石英坩堝200以抵靠石墨坩堝100的方式嵌套在石墨坩堝100中的情況下，能夠實現以更穩定的方式對石英坩堝200進行支撐；另外可以理解的是上述的間隙G也會沿著本體110的周向均勻分佈，由此有利於在石墨坩堝100與石英坩堝200之間生成的氣體的排出。
對於凸肋120的截面形狀可以有多種選擇，在本發明的可選實施例中，仍然參見圖2和圖3，每個凸肋120的橫截面可以呈半圓形。這樣，在石英坩堝200發生朝向石墨坩堝100的變形時，參見圖4，儘管石英坩堝200會壓靠凸肋120，但凸肋120的圓柱面可以避免石英坩堝200受到損傷；而且有助於石英坩堝200在發生變形時沿著凸肋120的圓柱面均勻鋪展開來，進一步有利於石英坩堝200的內表面210的面積增大。
對於凸肋120的整體形狀可以有多種選擇，在本發明的可選實施例中，參見圖2，每個凸肋120可以呈直線狀。這樣，不僅有利於凸肋120以簡單的方式製造出，而且上述的間隙G也會以直線的方式延伸由此有利於在石墨坩堝100與石英坩堝200之間生成的氣體以最短的路徑排出到外界環境中。
對於凸肋120的延伸方向可以有多種選擇，在本發明的可選實施例中，參見圖2，每個凸肋120可以在包含該本體110的縱向中心線110X的平面中延伸，或者說凸肋120是在本體110的高度方向上延伸的。這樣，有利於在石墨坩堝100與石英坩堝200之間生成的氣體以最短的路徑排出到外界環境。
對於凸肋120的設置位置可以有多種選擇，例如，儘管在附圖中未示出，但該多個凸肋可以設置在圖2中示出的本體110的底部113上，但在拉晶過程中，主要會在本體110的側壁112的底部的位置處生成氣體並導致石英坩堝200形成“鼓包”。在本發明的可選實施例中，參見圖2，該多個凸肋120僅設置在該本體110的整個側壁112上，可以理解的是，側壁112包括如在圖1中示出的上述頂緣111。這樣，有利於凸肋120以簡單的方式製造出，並且也能夠使主要在本體110的側壁112的底部的位置處生成氣體排出到外界環境中。
在本發明的可選實施例中，參見圖5，該坩堝元件10還可以包括托盤300，該托盤300用於以與該石墨坩堝100的本體110的底部113接觸的方式支承該石墨坩堝100和圖5中未示出的該石英坩堝200，其中，該石墨坩堝100的本體110的底部113處設置有朝向該托盤300漸擴的裙部114，該裙部114的大端直徑D1大於該托盤的直徑D2。相關石墨坩堝在拉晶過程中因矽蒸汽遇冷會凝結成小液滴，形成液流，該液流會順著石墨坩堝外壁往下流，進而流入石墨坩堝和坩堝托盤的中間縫隙，矽與石墨反應生成脆硬的碳化矽，碳化矽將石墨坩堝和托盤黏接到一起，在坩堝旋轉的過程中受剪切力的影響，坩堝托盤黏結處會發生破壞脫落，這很大程度上影響了熱場部件的正常使用，縮短了其使用壽命。在根據本發明的坩堝元件10中，由於設置有裙部114，液流無法流入至石墨坩堝100與托盤300之間的縫隙中，而是會從裙部114的末端滴落，進而防止了石墨坩堝100和托盤300的破損，延長了其使用壽命。
參見圖6，本發明實施例還提供了一種拉晶爐1，該拉晶爐可以包括根據本發明實施例的坩堝元件10。
在本發明的可選實施例中，參見圖6，該拉晶爐1還可以包括設置在該坩堝元件10上方的溫度控制單元20，該溫度控制單元20用於將沿著如圖6中空心箭頭示出的拉晶方向移動的該單晶矽棒R中的進入到該溫度控制單元20中的節段RS的溫度控制在650℃至700℃。
在BMD的形成過程中，會形成比較大的應力場，該應力場如果沒有得到及時釋放，會阻止BMD的進一步形成，影響BMD的密度。將單晶矽棒R的溫度控制在上述溫度下有利於晶體中空隙（vacancy）的形成，而空隙可以很好地釋放上述的應力場，進而有助於BMD的進一步形成。另外，將單晶矽棒R的溫度控制在上述溫度下，能夠減小單晶矽棒R的徑向溫度梯度，使得氧沿著單晶矽棒R的徑向更均勻地分佈，有利於後續處理過程中BMD的徑向均勻性，由此可製備出BMD徑向均勻的矽片。
如在圖6中示出的，拉晶爐1還可以包括爐體30和用於對坩堝元件10中的石英坩堝200進行加熱的加熱器40，其中，坩堝元件10、溫度控制單元20、和加熱器40都位於爐體30的空腔中。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
10:坩堝元件 20:溫度控制單元 30:爐體 40:加熱器 100:石墨坩堝 110:本體 110S:內表面 110X:中心線 111:頂緣 112:側壁 113:底部 114:裙部 120:凸肋 121:根部 200:石英坩堝 210:內表面 300:托盤 A:箭頭 G:間隙 R:單晶矽棒 RS:節段 CD:箭頭 D1:直徑 D2:直徑
圖1為根據本發明的實施例的坩堝元件的石墨坩堝和石英坩堝彼此嵌套的示意圖； 圖2為根據本發明的實施例的坩堝元件的石墨坩堝的立體剖視圖； 圖3為根據本發明的實施例的坩堝元件沿著圖1中示出的線L-L剖切的截面圖； 圖4為圖3中的虛線方框區域的放大示圖，其中示出了石英坩堝因被加熱而發生變形； 圖5為根據本發明的另一實施例的坩堝元件的立體剖視圖； 圖6為根據本發明的實施例的拉晶爐的示意圖。
100:石墨坩堝
110:本體
110S:內表面
110X:中心線
112:側壁
113:底部
120:凸肋
CD:箭頭

Claims (9)

  1. 一種坩堝元件，該坩堝元件包括： 石墨坩堝，該石墨坩堝包括本體以及從該本體的內表面凸出的多個凸肋； 石英坩堝，該石英坩堝嵌套在該石墨坩堝中； 其中，當該石英坩堝因加熱導致的軟化而發生朝向該石墨坩堝的變形時，該石墨坩堝與該石英坩堝之間的位於該凸肋的根部附近的間隙被保留， 其中，該間隙隨該凸肋一起延伸直至通往外界環境。
  2. 如請求項1所述之坩堝元件，其中，該多個凸肋在該本體的周向上均勻分佈。
  3. 如請求項1所述之坩堝元件，其中，每個凸肋的橫截面呈半圓形。
  4. 如請求項1所述之坩堝元件，其中，每個凸肋呈直線狀。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之坩堝元件，其中，每個凸肋在包含該本體的縱向中心線的平面中延伸。
  6. 如請求項5所述之坩堝元件，其中，該多個凸肋僅設置在該本體的整個側壁上。
  7. 如請求項1所述之坩堝元件，其中，該坩堝元件還包括托盤，該托盤用於以與該石墨坩堝的底部接觸的方式支承該石墨坩堝和該石英坩堝，其中，該石墨坩堝的底部設置有朝向該托盤漸擴的裙部，該裙部的大端直徑大於該托盤的直徑。
  8. 一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括根據如請求項1至7中任一項所述之坩堝元件。
  9. 如請求項8所述之拉晶爐，其中，該拉晶爐還包括設置在該坩堝元件上方的溫度控制單元，該溫度控制單元用於將沿著拉晶方向移動的該單晶矽棒中的進入到該溫度控制單元中的節段的溫度控制在650℃至700℃。
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