TW202305195A - 一種用於生產單晶矽棒的石英坩堝、坩堝元件及拉晶爐 - Google Patents

一種用於生產單晶矽棒的石英坩堝、坩堝元件及拉晶爐 Download PDF

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Abstract

本發明實施例公開了一種石英坩堝，該石英坩堝包括：底部部分；周向部分，該周向部分包括徑向內側上的附加層；其中，該附加層包括富氧層以及設置在該富氧層上的矽基富氫層。石英坩堝的矽基富氫層將首先被分解並且分解出的氫將在對流的作用下浸入單晶矽棒中，由此可以抑制氧的析出，進而抑制單晶矽棒中缺陷的形核後進一步聚集長大以將該缺陷控制在較小尺寸並且可以很好地解決拉晶前期單晶矽棒局部氧偏高的問題，由此提高了晶棒的整體良率；而且隨著矽基富氫層的減薄，富氧層暴露於矽溶液，大量的氧析出，提高了此時單晶矽棒中氧的浸入，進而提高了拉晶後期單晶矽棒末端處氧的含量，因此達到使單晶矽棒整體的氧含量分佈均勻的目的。

Description

一種用於生產單晶矽棒的石英坩堝、坩堝元件及拉晶爐
本發明屬於半導體矽片生產領域，尤其關於一種用於生產單晶矽棒的石英坩堝、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。直拉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。當添加有摻雜劑時，多晶矽熔化也伴隨有摻雜劑的溶解，隨著單晶矽棒的不斷增長，石英坩堝中的熔體也不斷的下降，當單晶矽棒拉制完成時，石英坩堝內僅剩餘少量的熔體。
隨著矽片品質的不斷提高，對拉晶過程中的晶棒的晶體缺陷有了更高的管控要求。目前，影響晶體缺陷的其中兩個主要因素在於拉晶製程參數以及提供熱場的部件的結構和性能，通過優化拉晶製程參數能夠改善晶棒的品質，提供熱場的部件的結構和性能的好壞則是晶棒品質的先決條件。另外，提高熱場的部件的性能也是晶棒品質提升的至關重要指標。由於對拉晶爐的拉晶環境要求的日漸嚴苛，對於提供熱場的部件的性能和材質要求也逐漸提高，一般情況下，要求這些部件不僅能夠耐高溫，具有良好的熱穩定性，而且純度要高。
坩堝元件作為熱場中最為重要的部件之一，一般分為內側和外側兩個部分，位於內側的石英坩堝用於盛放矽溶液，晶棒中的氧是從石英坩堝分解得來，外側通常為石墨坩堝，起到支撐石英坩堝和傳遞熱的作用。然而，使用相關技術中的坩堝元件普遍存在的問題在於：石英坩堝將導致拉制的晶棒的氧分佈不均勻，而且石墨坩堝的使用壽命較短。
為解決上述技術問題，本發明實施例期望提供能夠促進單晶矽棒中的氧濃度分佈並且壽命較長的石英坩堝、坩堝元件和拉晶爐。
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石英坩堝，該石英坩堝包括：底部部分；周向部分，該周向部分包括徑向內側上的附加層；其中，該附加層包括富氧層以及設置在該富氧層上的矽基富氫層。
第二方面，本發明實施例提供了一種坩堝元件，該坩堝元件包括：根據第一方面的石英坩堝；外部坩堝；其中，該石英坩堝嵌套在該外部坩堝中，該外部坩堝用於支撐該石英坩堝以及向該石英坩堝傳遞熱。
第三方面，本發明實施例提供了一種拉晶爐，該拉晶爐包括根據第二方面的坩堝元件。
本發明實施例提供了用於生產單晶矽棒的石英坩堝、坩堝元件和拉晶爐，其中，石英坩堝的徑向內側上形成有附加層，附加層包括富氧層和設置在富氧層上的矽基富氫層，在使用本發明實施例提供的石英坩堝、坩堝元件或拉晶爐生產單晶矽棒的過程中，石英坩堝的矽基富氫層將首先被分解並且分解出的氫將在對流的作用下浸入單晶矽棒中，由此可以抑制氧的析出，同時氫可以有效抑制單晶矽棒中缺陷的形核後進一步聚集長大以將該缺陷控制在較小尺寸並且可以很好地解決拉晶前期單晶矽棒局部氧偏高的問題，由此提高了晶棒的整體良率；而且隨著矽基富氫層的減薄，富氧層暴露於矽溶液，大量的氧析出，提高了此時單晶矽棒中氧的浸入，進而提高了拉晶後期單晶矽棒末端處氧的含量，因此達到使單晶矽棒整體的氧含量分佈均勻的目的。
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”、“垂直”、“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和圖2，其示出了常規的拉晶爐的一種實現方式。如圖1所示，拉晶爐1包括：由殼體2圍成的爐室、設置在爐室內的坩堝元件10、石墨加熱器20、坩堝旋轉機構30和坩堝承載裝置40。坩堝元件10由坩堝承載裝置40承載，坩堝旋轉機構30位於坩堝承載裝置40的下方，用於驅動坩堝元件10繞自身的軸線沿方向R旋轉。
當使用拉晶爐1拉制單晶矽棒時，首先，將高純度的多晶矽原料放入坩堝元件10中，並在坩堝旋轉機構30驅動坩堝元件10沿方向R旋轉的同時通過石墨加熱器20對坩堝元件10不斷進行加熱，以將容置在坩堝元件10中的多晶矽原料熔化成熔融狀態，即熔化成熔體S2，其中，加熱溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的氣體通常是惰性氣體，使多晶矽熔化，同時又不會產生不需要的化學反應。當通過控制由石墨加熱器20提供的熱場將熔體S2的液面溫度控制在結晶的臨界點時，通過將位於液面上方的單晶籽晶S1從液面沿方向T向上提拉，熔體S2隨著單晶籽晶S1的提拉上升按照單晶籽晶S1的晶向生長出單晶矽棒S3。
隨著拉晶製程的進行，熔體S2逐步減少。如圖2所示，當拉制過程結束單晶矽棒S3與熔體S2完全分離時，坩堝元件10中僅剩餘少量的熔體S2。由於在拉晶過程中熔體S2逐步減少，因此熔體S2與坩堝元件10的接觸面積也逐漸減小，這將導致單晶矽棒S3中的氧含量不均勻，存在頭高尾低的情況。另外，常規的坩堝元件一般由石墨坩堝以及嵌套在石墨坩堝內的石英坩堝構成，其中，石墨坩堝起到支撐石英坩堝和傳遞熱的作用，然而，石墨材質的使用壽命較短，一般為30多爐就需要更換。
為了解決上述問題，第一方面，本發明實施例提出了一種石英坩堝。具體地，參見圖3，本發明實施例提供了一種用於拉制晶棒的石英坩堝100，該石英坩堝100包括：底部部分101；周向部分102，該周向部分102包括徑向內側上的附加層103；其中，該附加層103包括富氧層103A以及設置在該富氧層103A上的矽基富氫層103B。
本發明實施例提供了一種石英坩堝；該石英坩堝的徑向內側上形成有附加層103，附加層103包括富氧層103A和設置在富氧層103A上的矽基富氫層103B，在使用本發明實施例提供的石英坩堝、坩堝元件或拉晶爐生產單晶矽棒的過程中，石英坩堝的矽基富氫層將首先被分解並且分解出的氫將在對流的作用下浸入單晶矽棒中，由此可以抑制氧的析出，同時氫可以有效抑制單晶矽棒中缺陷的形核後進一步聚集長大以將該缺陷控制在較小尺寸並且可以很好地解決拉晶前期單晶矽棒局部氧偏高的問題，由此提高了晶棒的整體良率；而且隨著矽基富氫層的減薄，富氧層暴露於矽溶液，大量的氧析出，提高了此時單晶矽棒中氧的浸入，進而提高了拉晶後期單晶矽棒末端處氧的含量，因此達到使單晶矽棒整體的氧含量分佈均勻的目的。
對於附加層的設置，可選地，參見圖4，該周向部分102包括直壁部分102A和位於該直壁部分102A與該底部部分101之間的圓弧壁部分102B，其中，該附加層103設置在該圓弧壁部分102B上。
在單晶矽棒的拉制過程中，因氧的分凝影響，單晶矽棒中的氧在長度方向呈現頭部偏高、尾部偏低的狀況，然而，通過使用根據本發明實施例提供的石英坩堝，由於在圓弧壁部分102B上形成有附加層，因此在拉晶過程的等徑初期，圓弧壁部分102B處的矽基富氫層將首先被分解，以通過抑制圓弧壁部分102B處的氧析出而限制單晶矽棒中的缺陷在形核後進一步聚集長大，由此解決了等徑初期因拉速波動引起的缺陷進一步長大的問題，以及所拉制出的單晶矽棒的頭部氧偏高的問題，在等徑後期，隨著富氧層暴露，大量的氧析出，提高了此時單晶矽棒中氧的浸入，進而提高了單晶矽棒的末端的氧含量。
根據本發明實施例，石英坩堝100的各個部分的厚度可以不同，可選地，該周向部分102的厚度大於該底部部分101的厚度。
進一步，可選地，該圓弧壁部分102B的厚度大於該直壁部分102A的厚度。
根據本發明的可選實施例，該直壁部分102A、該圓弧壁部分102B和該底部部分101的厚度比為6：8：5。在拉制單晶矽棒的過程中，矽溶液會對石英坩堝的徑向內側進行沖刷，其中，矽溶液對圓弧壁部分的沖刷作用最為強烈，而對底部部分的沖刷作用最小，因此將圓弧壁部分的壁厚設置成最厚，而將底部部分的壁厚設置成最薄，由此可以在保證成本合理的前提下，優化石英坩堝的使用壽命。
第二方面，參見圖5，本發明實施例提供了一種坩堝元件GS，該坩堝元件GS包括：根據第一方面的石英坩堝100；外部坩堝200；其中，該石英坩堝100嵌套在該外部坩堝200中，該外部坩堝200用於支撐該石英坩堝100以及向該石英坩堝100傳遞熱。
為了更好地支撐石英坩堝100，可選地，參見圖6，該外部坩堝200包括在該外部坩堝200的口部處沿水平方向徑向向外地延伸的第一凸緣201，並且該石英坩堝100包括在該石英坩堝的口部處沿水平方向徑向向外地延伸的第二凸緣104，該第一凸緣201和該第二凸緣104設置成當該石英坩堝100嵌套在該外部坩堝200中時，該第二凸緣104擱置在該第一凸緣201上。
參見圖6，外部坩堝200呈大致筒形形狀，在使用時，外部坩堝200用於接收來自加熱器的熱並均勻地傳輸給嵌套在外部坩堝200內側的石英坩堝100，石英坩堝100再將熱均勻地傳輸給容置在其中的矽溶液，由於石英坩堝在加熱過程中會出現軟化塌陷的情況，因此需要外部坩堝對其進行很好的支撐，根據本發明實施例，通過為外部坩堝200和石英坩堝100均設置位於口部的水平凸緣，並將二者的凸緣設置成當石英坩堝100嵌套在外部坩堝200中時石英坩堝100的凸緣搭接在外部坩堝200的凸緣上，實現了外部坩堝200對石英坩堝100的更好支撐，防止了石英坩堝100的軟化塌陷。
為了使外部坩堝具有更優的使用壽命，可選地，該外部坩堝200由碳纖維複合材料製成。
根據本發明的可選實施例，參見圖7，該外部坩堝200形成為底面為平面狀的圓筒形形狀，由此外部坩堝200可以更均勻地受熱，並且也可以再將熱均勻地傳遞給溶液，而且在旋轉的過程中更加平穩，有效抑制矽溶液熔體的抖動。
第三方面，參見圖8，本發明實施例提供了一種拉晶爐LF，該拉晶爐LF包括根據上述第二方面的坩堝元件GS。
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。
1:拉晶爐 2:殼體 10:坩堝元件 20:石墨加熱器 30:坩堝旋轉機構 40:坩堝承載裝置 S1:單晶籽晶 S2:熔體 S3:單晶矽棒 T:方向 R:方向 GS:坩堝元件 LF: 100:石英坩堝 101:底部部分 102:周向部分 102A:直壁部分 102B:圓弧壁部分 103:附加層 103A:富氧層 103B:矽基富氫層 104:第二凸緣 200:外部坩堝 201:第一凸緣
圖1為常規拉晶爐的一種實現方式的示意圖； 圖2為圖1的常規拉晶爐的另一示意圖； 圖3為根據本發明實施例的石英坩堝的示意圖； 圖4為根據本發明的另一實施例的石英坩堝的示意圖； 圖5為根據本發明實施例的坩堝元件的構示意圖； 圖6為根據本發明的另一實施例的坩堝元件的示意圖； 圖7為根據本發明的又一實施例的坩堝元件的示意圖； 圖8為根據本發明實施例的拉晶爐的示意圖。
100:石英坩堝
101:底部部分
102:周向部分
103:附加層
103A:富氧層
103B:矽基富氫層

Claims (9)

  1. 一種用於生產單晶矽棒的石英坩堝，該石英坩堝包括： 底部部分； 周向部分，該周向部分包括徑向內側上的附加層； 其中，該附加層包括富氧層以及設置在該富氧層上的矽基富氫層。
  2. 如請求項1所述之用於生產單晶矽棒的石英坩堝，其中，該周向部分包括直壁部分和位於該直壁部分與該底部部分之間的圓弧壁部分，其中，該附加層設置在該圓弧壁部分上。
  3. 如請求項2所述之用於生產單晶矽棒的石英坩堝，其中，該周向部分的厚度大於該底部部分的厚度。
  4. 如請求項3所述之用於生產單晶矽棒的石英坩堝，其中，該圓弧壁部分的厚度大於該直壁部分的厚度。
  5. 一種坩堝元件，該坩堝元件包括： 根據如請求項1至4中任一項所述之用於生產單晶矽棒的石英坩堝； 外部坩堝； 其中，該石英坩堝嵌套在該外部坩堝中，該外部坩堝用於支撐該石英坩堝以及向該石英坩堝傳遞熱。
  6. 如請求項5所述之坩堝元件，其中，該外部坩堝包括在該外部坩堝的口部處沿水平方向徑向向外地延伸的第一凸緣，並且該石英坩堝包括在該石英坩堝的口部處沿水平方向徑向向外地延伸的第二凸緣，該第一凸緣和該第二凸緣設置成當該石英坩堝嵌套在該外部坩堝中時，該第二凸緣擱置在該第一凸緣上。
  7. 如請求項5或6所述之坩堝元件，其中，該外部坩堝由碳纖維複合材料製成。
  8. 如請求項5或6所述之坩堝元件，其中，該外部坩堝形成為底面為平面狀的圓筒形形狀。
  9. 一種拉晶爐，該拉晶爐包括根據如請求項5至8中任一項所述之坩堝元件。
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