TW202307288A - 石英坩堝、坩堝元件和單晶爐 - Google Patents

Abstract

本發明屬於一種石英坩堝、坩堝元件和單晶爐，石英坩堝包括坩堝主體，該坩堝主體的內部設置有分流筒，該分流筒被配置為將該坩堝主體沿其徑向方向劃分為位於該分流筒內部的內腔和圍設於該分流筒的週邊的外腔；該分流筒的側壁上設置有通孔以使得該外腔和該內腔連通。通過分流筒的設置將外核自然對流這一不穩定對流隔離至外腔，從而減緩由於不穩定對流引起的晶棒徑向含氧量不均一的問題。

Description

石英坩堝、坩堝元件和單晶爐

本發明屬於矽產品製作技術領域，尤其關於一種石英坩堝、坩堝元件和單晶爐。

在拉晶過程中矽熔液會發生對流現象，對流形式有兩種：靠近外側的外核自然對流和靠近內側的內核強迫對流，通常情況下外核自然對流主要受浮力(buoyancy)和馬蘭戈尼效應(Marangoni effects)影響而產生，馬蘭戈尼效應會在矽溶體表面產生剪應力，形成表面張力梯度，進而導致溶質氧的不穩定對流，導致溶質氧不能均一地浸入彎月面（固液交界面），從而導致晶棒中徑向含氧量呈現不均一性。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種石英坩堝、坩堝元件和單晶爐，解決由於外核自然對流引起的不穩定對流，造成的晶棒中徑向含氧量不均一的問題。

為了達到上述目的，本發明實施例採用的技術方案是：一種石英坩堝，包括坩堝主體，該坩堝主體的內部設置有分流筒，該分流筒被配置為將該坩堝主體沿其徑向方向劃分為位於該分流筒內部的內腔和圍設於該分流筒的週邊的外腔； 該分流筒的側壁上設置有通孔以使得該外腔和該內腔連通。

可選地，該分流筒包括與該坩堝主體的底部連接的下分流部，該通孔包括均勻分佈於該下分流部的外周面上的多個第一通孔，以連通該內腔和該外腔。

可選地，該石英坩堝包括直筒部和底部，以及連接於該直筒部和底部之間的弧形連接部，該下分流部位於該弧形連接部與該底部的連接處。

可選地，該分流筒還包括與該下分流部連接的且遠離該坩堝主體的底部的連接部，該下分流部和該連接部的連接位置在該坩堝主體的外側壁上的正投影和該直筒部與該弧形連接部之間的連接位置重合。

可選地，在該坩堝主體的徑向方向上，該下分流部的截面面積沿第一方向逐漸增大，該第一方向為從該坩堝主體的頂部到該坩堝主體的底部的方向。

可選地，該連接部為直筒結構，該連接部的側壁與該直筒部的側壁相平行。

可選地，該分流筒還包括與該連接部連接的且遠離該下分流部的一側的上分流部，在該坩堝主體的徑向方向上，該上分流部的截面的面積沿第二方向逐漸減小，該第二方向為從該連接部到該上分流部延伸的方向。

可選地，該通孔還包括均勻分佈於該上分流部的外周面上的多個第二通孔。

可選地，該第二通孔外露於該坩堝主體內的矽熔液的液面。

可選地，該分流筒採用石英材料製成。

可選地，該分流筒的外部包覆氫塗層。

本發明實施例還提供一種坩堝元件，包括上述的石英坩堝，以及套設於該石英坩堝外部的石墨坩堝。

本發明實施例還提供一種單晶爐，包括上述的坩堝元件。

本發明的有益效果是：通過分流筒的設置將外核自然對流這一不穩定對流隔離至外腔，從而減緩由於不穩定對流引起的晶棒徑向含氧量不均一的問題。

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。

參考圖1和圖2，在拉晶過程中矽熔液會發生對流現象，對流形式有兩種：靠近外側的外核自然對流100和靠近內側的內核強迫對流200，通常情況下外核自然對流主要受浮力(buoyancy)和馬蘭戈尼效應(Marangoni effects)影響而產生，馬蘭戈尼效應會在矽溶體表面產生剪應力，形成表面張力梯度，進而導致溶質氧的不穩定對流，導致溶質氧不能均一地浸入彎月面（固液交界面），從而導致晶棒1中徑向氧含量呈現不均一性。相較於自然對流的不確定性，內核強制對流主要受晶棒轉速的影響(拉晶過程中籽晶和晶棒1會進行旋轉向上運動，同時坩堝帶動矽溶體也會發生轉動，坩堝的轉動方向與晶棒轉動方向相反)，通過合適的晶轉參數匹配，可以形成穩定的強迫對流，在該對流的帶動下溶質氧可以均一地浸入到晶體，形成徑向氧含量均一的晶棒。

本實施例中基於矽熔液的對流情況，提供一種石英坩堝3，在石英坩堝3內設置分流筒4，將外核自然對流和內核強迫對流隔離開，減少因馬蘭戈尼效應引起的不穩定對流，從而利於形成徑向氧含量均一的晶棒。

具體的，參考圖3，本實施例提供一種石英坩堝3，包括坩堝主體，該坩堝主體的內部設置有分流筒4，該分流筒4被配置為將該坩堝主體沿其徑向方向劃分為位於該分流筒4內部的內腔和圍設於該分流筒4的週邊的外腔； 該分流筒4的側壁上設置有通孔以使得該外腔和該內腔連通，在進行拉晶步驟時，該內腔被配置為容納晶棒。

通過分流筒4的設置，使得外核自然對流位於該外腔，而該內核強迫對流位於內腔，通過該分流筒4的隔離，減少不穩定對流對於晶棒1徑向氧含量的影響，利用內核強迫對流，使得溶質氧可以均一地浸入到晶體，形成徑向氧含量均一的晶棒。

需要說明的是，當兩相介面存在表面張力梯度時，便會發生馬蘭戈尼效應，這種現象多發生於氣液介面，在拉晶過程中，坩堝內持續通入惰性氣體（例如氬氣），因此在惰性氣體和矽熔液的介面會產生馬蘭戈尼效應（馬蘭戈尼效應會在矽溶液表面產生剪應力，形成表面張力梯度，矽熔液的表面沿晶棒1的徑向方向（參考圖3中的Y方向）存在張力梯度，溶質氧在矽熔液的表面梯度張力的作用下形成不穩定對流，影響氧均勻浸入晶棒）。該分流筒4的設置，將由於馬蘭戈尼效應產生的不穩定對流隔離在該外腔，從而減少不穩定對流對晶棒的徑向氧含量的影響，而位於該內腔的內核強迫對流，則利於晶棒徑向氧含量的均一性（通過合適的晶轉參數匹配，可以形成穩定的強迫對流，在該對流的帶動下溶質氧可以均一地浸入到晶體，形成徑向氧含量均一的晶棒1），從而提高晶棒品質。

示例性的實施方式中，該分流筒4包括與該坩堝主體的底部32連接的下分流部41，在進行拉晶步驟時，該下分流部41被配置為浸沒於該坩堝主體容納的熔融完成的初始矽熔液內，且該下分流部41的內徑大於晶棒的內徑，該下分流部41的外周面上均勻分佈有多個第一通孔401（即該通孔包括多個該第一通孔），以連通該內腔和該外腔。

隨著半導體矽晶圓品質的不斷提高，對拉晶過程中的晶棒1的晶體缺陷有了更高的管控要求，影響晶體缺陷的因素主要有兩個因素，其一是拉晶步驟參數，用優化的步驟參數去拉晶能制得品質更好的晶棒1；其二是熱場的結構和性能，其好壞是晶棒1品質的先決條件，熱場是拉晶爐中至關重要的組成部分，由於拉晶爐拉晶環境要求嚴苛，對於熱場的品質和材質要求極高，不僅要耐高溫，熱穩定性好，而且純度要高。

坩堝為熱場中最為重要的部件之一，石英坩堝3用於盛放矽溶液，同時晶棒1中的氧是從石英坩堝3分解得來，通常情況下圓弧處（弧形連接部33）的氧析出量最多，析出的氧經過對流（包括內核強制對流）浸入晶棒1。

本實施例中，在分流筒4靠近該坩堝主體的底部32的下分流部41上設置該第一通孔401，利於攜帶氧的矽熔液通過該第一通孔401進入到該內腔，且在一實施方式中，僅在該下分流部41設置該第一通孔401，減少該內腔的攜帶氧的矽熔液的量，從而實現低氧晶棒的生長。

從石英坩堝3的弧形連接部33析出的氧大部分在自然對流的作用下流動至矽熔液的表面，在惰性氣體的吹掃下揮發並被惰性氣體帶走，少部分攜帶有溶質氧的矽熔液經該第一通孔401流入該內腔，在對流的作用下均勻地浸入晶體並通過內核強迫對流的作用均勻地浸入固液交界面，進而生長出徑向氧含量均一的低氧晶棒。

示例性的實施方式中，該第一通孔401的直徑為20mm-25mm，但並不以此為限。

該第一通孔401的排布方式以及設置數量可以有多種，例如，沿該分流筒4的軸向方向，間隔設置了多圈該第一通孔401（例如可以為3圈-4圈，但並不以此為限），沿該分流筒4的周向方向，每一圈該第一通孔401的數量可以為20個-25個，不同圈的該第一通孔401的數量可以相同，也可以不同。

示例性地，一圈中的一個第一通孔401在該分流筒4的軸向方向上的正投影位於另一圈的相鄰的兩個第一通孔401之間，或者一圈中的一個第一通孔401在該分流筒4的軸向方向上的正投影與另一圈中的一個第一通孔401重合。

需要說明的是，本實施例中，該第一通孔401在該分流筒4的軸向方向上的截面為圓形，但並不以此為限，例如還可以為多邊形等。

示例性的實施方式中，該石英坩堝3包括直筒部31和底部32，以及連接於該直筒部31和底部32之間的弧形連接部33，該下分流部41連接於該弧形連接部33與該底部32的連接處。

晶棒中的氧是從石英坩堝3分解得來，通常情況下圓弧處（即弧形連接部33）的氧析出量最多，因此，該下分流部41連接於該弧形連接部33與該底部32的連接處，使得該下分流部41靠近該弧形連接部33設置，便於該弧形連接部33析出的氧由矽熔液攜帶進入該內腔。

示例性地，在該分流筒4的徑向方向上，該下分流部41在該坩堝主體的外側壁上的正投影位於該弧形連接部33內，或者該下分流部41在該坩堝主體的外側壁上的正投影與該弧形連接部33完全重合，或者該弧形連接部33在該分流筒4上的正投影位於該下分流部41內。該下分流部41與該弧形連接部33對應，由該弧形連接部33析出的氧可直接通過該下分流部41上的該第一通孔401進入到該內腔，縮短該弧形連接部33析出的氧進入該內腔的路徑，以利於矽熔液攜帶氧進入該內腔。

示例性的實施方式中，該分流筒4還包括與下分流部41連接的且遠離該坩堝主體的底部32的連接部42，該下分流部41和該連接部42的連接位置在該坩堝主體的外側壁上的正投影和該直筒部31與該弧形連接部33之間的連接位置重合，即該下分流部41在該坩堝主體的外側壁上的正投影與該弧形連接部33完全重合。

示例性的實施方式中，為了該弧形連接部33能夠析出足夠的氧，該弧形連接部33的厚度大於該底部32的厚度，且該弧形連接部33的厚度大於該直筒部31的厚度，例如，該弧形連接部33的壁厚為30mm-35mm，該底部32的厚度為27mm-30mm，該直筒部31的厚度為20mm-23mm，但並不以此為限。

示例性的實施方式中，在該坩堝主體的徑向方向上，該下分流部41的截面積沿第一方向逐漸增大，該第一方向為從該坩堝主體的頂部到該坩堝主體的底部的方向。

示例性地，該下分流部41呈喇叭狀，但並不以此為限。

在該弧形連接部33，由於該坩堝主體和該坩堝主體內容納的矽熔液的相對運動較大，對流沖刷力度大，利於氧的析出，同理，該下分流部41呈喇叭狀，且該下分流部41朝向該弧形連接部33的外表面為向遠離該弧形連接部33的方向凹陷的曲面，在該下分流部41的位置，對流強烈，利於矽熔液攜帶氧通過該該第一通孔401進入該內腔。

示例性的實施方式中，該下分流部41靠近該坩堝主體的底部32的一端的直徑為300mm，該下分流部41遠離該坩堝主體的一端的的直徑為195mm，但並不以此為限。

示例性的實施方式中，該連接部42為直筒結構，該連接部42的側壁與該直筒部31的側壁相平行，且在進行拉晶步驟時，該連接部42遠離該下分流部41的端面外露於該坩堝主體內容納的矽熔液的液面。

該分流筒4與該坩堝主體同軸設置，且該分流筒4和該坩堝主體均為軸對稱結構，便於晶棒的伸入，以及晶棒的生長。

示例性的實施方式中，該連接部42的直徑與該直筒部31的直徑的比例為1:4，但並不以此為限。

該連接部42遠離該下分流部41的端面外露於該坩堝主體內容納的矽熔液的液面，保證該內腔和該外腔的分隔。

示例性的實施方式中，該分流筒4還包括與該連接部42連接的且遠離該下分流部41的上分流部43，在該坩堝主體的徑向方向上，該上分流部43的截面的面積沿第二方向逐漸減小，該第二方向為從該連接部42到該上分流部43延伸的方向。

在該坩堝主體的徑向方向上，該上分流部43的截面的面積沿第二方向逐漸減小，即沿著遠離該連接部42的方向，該上分流部43呈收縮狀，採用這樣的結構形式，減少散熱，利於保溫，利於晶棒1的生長。

示例性的實施方式中，該連接部42的直徑為195mm，該上分流部43遠離該連接部42的一端的端面的直徑為140mm，但並不以此為限。

示例性的實施方式中，該上分流部43的外周面上均勻分佈置有多個第二通孔402（即該通孔包括多個該第二通孔402）。

該矽熔體與該坩堝主體發生反應產生一氧化矽（SiO）氣體，在該上分流部43的外周面上分佈該第二通孔402，利於該SiO氣體的揮發散出。

示例性地，該第二通孔402的尺寸、以及分佈方式可根據實際需要設定，例如該第二通孔402的直徑為15mm-20mm。

示例性地，沿該分流筒4的軸向方向，間隔設置多圈該第二通孔402，可以設置2-3圈，但並不以此為限。

每一圈間隔設置多個該第二通孔402，每一圈可以包括15-21個該第二通孔402，但並不以此為限。

一圈中的一個該第二通孔402在該分流筒4的軸向方向上的正投影位於另一圈中相鄰的兩個該第二通孔402之間，或者一圈中的一個該第二通孔402在該分流筒4的軸向方向上的正投影與另一圈中一個該第二通孔402重合，但並不以此為限。

示例性的實施方式中，該第二通孔402外露於該坩堝主體內的矽熔液的液面，保證該一氧化矽氣體的散出。

需要說明的是，在實際使用中（即在拉晶步驟過程中），該第二通孔402外露於該坩堝主體內的矽熔液的液面，更具體地，該第二通孔402在晶體生長階段外露於該坩堝主體內的矽熔液的液面，保證該氧化矽氣體的散出。

示例性地，該上分流部43與該連接部42的連接位置與該坩堝主體的外側壁的上端面齊平，即該上分流部43整體外露於該坩堝主體，以保證該上分流部上分佈的該第二通孔402全部外露於該坩堝主體。

該下分流部41的厚度、該連接部42的厚度和該上分流部43的厚度可以相同，也可以不同，示例性地實施方式中，該下分流部41的厚度為25mm-30mm，該連接部42的厚度為25mm-20mm，該上分流部43的厚度為20mm，但並不以此為限。

示例性的實施方式中，該坩堝主體和該分流筒採用相同的基體材質成型，即採用石英材質。

示例性的實施方式中，該坩堝主體和該分流筒為一體結構。

示例性的實施方式中，該坩堝主體和該分流筒為分體結構，在製作時，可單獨製作該坩堝主體和該分流筒後，在將該坩堝主體和該分流筒固定連接在一起。

示例性地，在製作低氧晶棒時，該分流筒的外部塗覆氫塗層，阻止該分流筒的氧的析出，利於低氧產品的形成。

該分流筒的外部塗覆氫塗層（即該分流筒的外部包裹一層氫塗層）不但可以阻止該分流筒的氧的析出，且氫塗層可以增加氧的擴散係數，從而使得氧均勻分佈於矽熔液內，有利於氧均勻的浸入到晶棒中，提高晶棒中氧徑向的均一性。

參考圖2，本發明實施例還提供一種坩堝元件，包括上述的石英坩堝3，以及套設於該石英坩堝3外部的石墨坩堝2。

該石英坩堝3包括坩堝主體以及位於該坩堝主體內的該分流筒4，該分流筒4將該坩堝主體的腔體劃分為位於該分流筒4內部的內腔和位於該分流筒4外部的外腔； 該坩堝主體包括直筒部31和底部32，以及連接於該直筒部31和該底部32之間的弧形連接部33，在一實施方式中，該底部32為弧面，該底部32的直徑小於該弧形連接部33的直徑，且該弧形連接部33與該底部32相切，以使得該弧形連接部33和該底部32的連接處圓滑過渡。

本發明實施例還提供一種單晶爐，包括上述的坩堝元件。

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。

100:外核自然對流 200:內核強迫對流 1:晶棒 2:石墨坩堝 3:石英坩堝 31:直筒部 32:底部 33:弧形連接部 4:分流筒 41:分流筒 42:連接部 43:上分流部 401:第一通孔 402:第二通孔

圖1表示外核自然對流和內核強迫對流模擬示意圖； 圖2表示坩堝元件示意圖； 圖3表示本發明實施例中的石英坩堝的結構示意圖。

31:直筒部

32:底部

33:弧形連接部

4:分流筒

41:分流筒

42:連接部

43:上分流部

401:第一通孔

402:第二通孔

Claims (13)

1. 一種石英坩堝，包括坩堝主體，該坩堝主體的內部設置有分流筒，該分流筒被配置為將該坩堝主體沿其徑向方向劃分為位於該分流筒內部的內腔和圍設於該分流筒的週邊的外腔； 該分流筒的側壁上設置有通孔以使得該外腔和該內腔連通。
2. 如請求項1所述之石英坩堝，其中，該分流筒包括與該坩堝主體連接的下分流部，該通孔包括分佈於該下分流部的外周面上的多個第一通孔，以連通該內腔和該外腔。
3. 如請求項2所述之石英坩堝，其中，該坩堝主體包括直筒部和底部，以及連接於該直筒部和該底部之間的弧形連接部，該下分流部位於該弧形連接部與該底部的連接處。
4. 如請求項3所述之石英坩堝，其中，該分流筒還包括與該下分流部連接的且遠離該坩堝主體的底部的連接部，該下分流部和該連接部的連接位置在該坩堝主體的外側壁上的正投影，和該直筒部與該弧形連接部之間的連接位置重合。
5. 如請求項2所述之石英坩堝，其中，在該坩堝主體的徑向方向上，該下分流部的截面面積沿第一方向逐漸增大，該第一方向為從該坩堝主體的頂部到該坩堝主體的底部的方向。
6. 如請求項4所述之石英坩堝，其中，該連接部為直筒結構，該連接部的側壁與該直筒部的側壁相平行。
7. 如請求項4所述之石英坩堝，其中，該分流筒還包括與該連接部連接的且遠離該下分流部的上分流部，在該坩堝主體的徑向方向上，該上分流部的截面的面積沿第二方向逐漸減小，該第二方向為從該連接部到該上分流部延伸的方向。
8. 如請求項7所述之石英坩堝，其中，該通孔還包括均勻分佈於該上分流部的外周面上的多個第二通孔。
9. 如請求項8所述之石英坩堝，其中，該第二通孔外露於該坩堝主體內矽熔液的液面。
10. 如請求項1所述之石英坩堝，其中，該分流筒採用石英材料製成。
11. 如請求項1所述之石英坩堝，其中，該分流筒的外部包覆有氫塗層。
12. 一種坩堝元件，包括如請求項1至11中任一項所述之石英坩堝，以及套設於該石英坩堝外部的石墨坩堝。
13. 一種單晶爐，包括如請求項12所述之坩堝元件。

Images