TWI420002B - 氧化矽玻璃坩堝 - Google Patents

Description

氧化矽玻璃坩堝

本發明涉及一種單晶矽拉晶用氧化矽(silica)玻璃坩堝。

支撐現今IT化社會的電子技術中，矽晶片於當製造其所應用的半導體裝置等時，是不可或缺的。這種矽晶片的特徵之一是具有氧析出物、位錯、氧層積缺陷等的微小缺陷。這種微小缺陷一方面具有可以捕獲在設備工藝中發生的重金屬污染的有益效果，另一方面，會成為設備不良的原因。從而，根據設備種類或所使用的設備工藝的不同，有必要將單晶矽結晶中的氧濃度調整為規定濃度。

目前，單晶矽的製造方法，通常採用稱為切克勞斯基法(Czochralski，下稱CZ法)的單晶矽拉晶方法。另外，還有一種是稱為MCZ法(Magneticfield applied CZ法)的方法，該方法是一種在CZ法上施加強有力的磁場的方法。

在CZ法中，一般來講，金屬雜質的濃度為幾ppb(1ppb等於十億分之一)以下的高純度多晶矽和電阻率調整用摻雜劑(硼(B)或磷(P))一同放入到高純度氧化矽玻璃坩堝內，並在大約1420℃的溫度下進行熔化。其次，將晶種矽棒接觸到矽熔液的液面上，旋轉晶種或氧化矽玻璃坩堝，將晶種減細(無位錯化)之後提升，由此獲得具有與晶種相同原子排列的單晶矽錠。

如上所述，氧化矽玻璃坩堝是一種熔化多晶矽並作為單晶矽提升時貯留矽熔融液的裝置。並且，氧化矽玻璃慢慢熔化為矽熔液。因此，提升該單晶矽時，氧化矽玻璃坩堝起到給上述矽晶片供氧的作用，同時也是供應鐵(Fe)或鋁(Al)、鈉(Na)等微量雜質的供給源。並且，含在氧化矽玻璃中的缺陷也熔解於矽熔液中並混入。代表性的缺陷，如被包含在氧化矽玻璃中的φ0.05mm以上的氣泡、鐵等的金屬小片等。

根據CZ法進行單晶矽的拉晶時，如果露出φ0.05mm以上的氣泡或者氣泡破裂，則氧化矽玻璃碎片會掉落到矽熔液中。該氧化矽玻璃碎片根據矽熔液的熱對流而移動，並附著到單晶矽上。此時，由於單晶矽進行多結晶化，因此單晶的成品率會降低。而且，氣泡中的氣體也混入到矽熔液中。如果該氣體成分摻入到單晶矽中，就會成為單晶矽的缺陷。由於包含在氧化矽玻璃中的鐵等雜質會切斷氧化矽玻璃的O-Si-O結合並在單晶矽生長過程中的溫度下轉移成穩定的結晶(β-白矽石(cristobalite))，因此，使金屬小片周圍結晶化。該結晶露出在結晶矽熔液之後會剝離，如同氣泡而混入到矽熔液中，從而降低單晶的成品率。近幾年，隨著坩堝的大口徑化(直徑700mm以上)，會促進利用氧化矽玻璃坩堝進行CZ法時的溫度條件的高溫化，因此，氧化矽玻璃的熔解速度具有變快的傾向。並且，還會促進根據CZ法的單晶矽製造時間的長時間化，氧化矽玻璃的熔解量會增大，因此，上述問題益發引起擔憂。

另一方面，就目的來說雖然與本發明完全不同，但是在現有技術中，在氧化矽玻璃坩堝上進行標記的技術，例如專利文獻1中揭示一種賦予可拆裝式記號部件的技術。

【專利文獻】

【專利文獻1】日本專利申請　特開平10-120486號公報

然而，上述先前技術具有如下所述的改善餘地。

第一，由於上述氧化矽玻璃坩堝的缺陷露出於矽熔液中時會帶來不良影響，因此，有必要預先管理從氧化矽玻璃坩堝的內表面到缺陷為止的距離。在此，到該缺陷為止的距離與浸漬在矽熔液中的時間(即，氧化矽玻璃坩堝的牆面的熔解量)有關。其原因在於，該浸漬時間以及熔解量因氧化矽玻璃坩堝的部位而不同。而且，由於矽熔液的液面會隨著單晶矽的提升而降低，因此，從氧化矽玻璃坩堝的直筒部朝向底部，存在浸漬時間以及熔解量增多的傾向。從而，對於氧化矽玻璃坩堝中存在的缺陷，如果能夠正確掌握其高度位置以及從內表面的距離等資訊，則應能夠管理從氧化矽玻璃坩堝的內表面到缺陷為止的距離。然而，在現有的氧化矽玻璃坩堝中，無法掌握從氧化矽玻璃坩堝的內表面到缺陷為止的距離，因此無法進行產品出貨的判斷，或者，無法解決種種問題。

第二，在專利文獻1中，相關記號部件是僅應用於氧化矽玻璃坩堝製程的每次搬送中、在各載物台內的定位。具體而言，在專利文獻1中，在相對移動時利用可拆裝式記號部件，而在轉移至此後的原料熔化以及大量(bulk)拉晶製程之前將記號部件拆卸掉。因此，在根據CZ法的單晶矽製造過程中，藉由該可拆裝式記號部件，很難管理從氧化矽玻璃坩堝內表面到缺陷位置的距離。

鑒於上述現狀，本發明的目的在於提供一種帶有基準點的氧化矽玻璃坩堝，其中，該基準點可藉由一定基準對坩堝中的缺陷位置進行數值化，同時，進行單晶矽拉晶時，基於已數值化的缺陷位置來判斷該缺陷是否構成問題。

即，本發明的主要構成如下所述。

(1)一種氧化矽玻璃坩堝，其包括具有上面開口之邊緣部的圓筒形直筒部、研缽狀的底部、連接直筒部與底部之角部，其中，該邊緣部，該氧化矽玻璃坩堝的內壁面以及外壁面之中的至少一處設置有固定式基準點，該基準點用以確定與規定部位之間的位置關係。

(2)如(1)所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，該內壁面以及/或該外壁面處的基準點，設置在該直筒部的該邊緣部到自此邊緣部起向下方距15cm為止的位置範圍內。

(3)如(1)所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，上述基準點具有凸形狀或凹形狀。

(4)如(1)所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，上述基準點呈圓狀，其直徑為0.5mm~10mm。

(5)如(1)所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，上述基準點為鐳射標記。

(6)如(1)所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，上述基準點為碳制模具由來的轉印痕。

根據本發明，可以正確掌握氧化矽玻璃坩堝中的缺陷高度位置以及從內表面的距離。而且，本發明的氧化矽玻璃坩堝用在單晶矽的拉晶時，可以預先掌握缺陷的位置信息，因此，能夠設定氧化矽玻璃坩堝浸漬於矽熔液的上限時間，從而防止缺陷的露出，由此能抑制單晶矽的不合格品的產生。

接下來，結合附圖說明本發明的實施方式。在此，在所有附圖中，對相同構成要素賦予相同的符號，並適當省略說明。

第1圖是模具以及坩堝的模式圖。在本實施方式中所使用的氧化矽玻璃坩堝1，可以應用於CZ法等的現有公知的任何一種氧化矽玻璃坩堝1來適宜使用，特別是適合使用為有容易增加缺陷等發生的可能性的，直徑為800mm以上的大口徑坩堝。

如第1圖所示，本實施方式的氧化矽玻璃坩堝1，至少在其外壁面上可以設置一固定式基準點，該基準點用於確定與規定部位(氣泡發生位置等)之間的位置關係。根據該固定式基準點，能夠以三維形式得知缺陷等的正確位置。另外，在圖中，1表示氧化矽玻璃坩堝，2表示碳制模具，3表示坩堝的開口邊緣部。在此，對於本實施方式中的固定式基準點的設置位置來說，設置在第1圖所示的坩堝邊緣部3(包括端面部)與自此邊緣部起向下方距15cm的部位之間的範圍內的位置上較為適宜。在氧化矽玻璃坩堝1的外壁面設置固定式基準點時，例如，可以通過製造氧化矽玻璃坩堝1時使用的模具2來設置。這裏所說的模具2是指相當於鑄件之鑄模的碳制容器。通常，從模具2的壁的上方，向所述模具2的壁供應作為氧化矽玻璃坩堝1的原料的氧化矽粉末，並填充到碳制模具2的整個壁上。接著，根據模具2旋轉的離心力形成規定厚度，並從內側進行電弧熔解而形成氧化矽玻璃坩堝1。

在本發明中，將利用碳制模具而成的轉印痕賦予到氧化矽玻璃坩堝上時，預先在該碳制模具上形成用於轉印痕的凹部以及/或凸部。對於該凹部以及/或凸部的形成方法並無特別限制，但是，例如在模具內形成凹部時，利用高速鋼鑽頭等進行加工，以此能形成凹部。在模具內形成凸部時，在製造該模具時對模具的鑄模等上進一步預先形成凹部，以此能在該模具上形成轉印痕用凸部。通過如上所述的利用模具轉印並設置的基準點，可以正確掌握坩堝以及其成形用模具之間的位置關係。此時，該基準點的個數、位置等可以根據坩堝的使用狀態來適當地選擇決定。

另外，在上述模具內形成凸部時，考慮到氧化矽玻璃坩堝和碳制模具之間的未熔融氧化矽粉末的層厚，以設定大小(高度)為2~15mm左右的凸部為較佳。其理由是，如果在所述範圍內，則結束氧化矽玻璃坩堝製程之後，從模具取出氧化矽玻璃坩堝時，不會破壞氧化矽玻璃坩堝，能夠順利取出。

該空間座標基準的基準點的形狀，可以從圓狀或線狀的凹部或凸部中選擇，並且，任一基準點均可設置在預先設定的部位上。另外，氧化矽玻璃坩堝經電弧熔融製造之後，如第1圖所示的坩堝的開口邊緣部3的上方處緊接著會留有稱作輪圈端部的部位(未圖示)，而此部位在後處理中會剪切掉，以此形成第1圖所示的形狀。因此，要將上述基準點設置在輪圈端部附近時，有必要考慮這一點。並且，也可以設定為這種凹部或者凸部等的各種形狀混在一起的形式。

第2圖表示基準點適宜狀態的模式圖。同圖(a)表示圓狀以及線狀的凹部的基準點，同圖(b)表示圓狀以及線狀的凸部的基準點。

如果是第2圖(a)所示的圓狀基準點A，則其圓直徑為0.5~10mm左右、深度為2~15mm左右為較佳。其理由是，如果小於此直徑以及深度的下限值，基準點有可能在單晶矽拉晶製程中消失掉，而另一方面，如果超過上限值，有可能被認定為坩堝缺陷。還有，如果是線狀基準點B，則其長度為10~100mm左右、深度為2~15mm左右、寬度為0.5~10mm左右為較佳，而且對於其設置位置來說，將其設置在從第1圖所示的坩堝的邊緣部(包括端面部)到此邊緣部的向下方距15cm為止的範圍內為較佳。

第2圖(b)所示的凸部基準點，僅其形狀與第2圖(a)所示的形狀相反，其他相同於上述凹部，如果是圓狀的基準點A'，則其直徑為0.5~10mm左右、深度為2~15mm左右為較佳。還有，如果是線狀的基準點B'，則其長度為10~100mm左右、深度為2~15mm左右、寬度為0.5~10mm左右為較佳。並且，這些凸部的設置位置與凹部的基準點一樣，將其設置在從第1圖所示的坩堝邊緣部(包含端部)到此邊緣部向下方距離15cm為止的範圍內為較佳。

對於設置在氧化矽玻璃坩堝上的根據本發明的基準點的使用方法的一例，以下將用第2圖(a)所示的圓形凹狀基準點來進行說明。例如，利用固定底盤+基準點，對氧化矽玻璃坩堝進行固定配置時，將氧化矽玻璃坩堝載置在具有與該氧化矽玻璃坩堝的底部形狀相符的凹陷的固定底盤上，如果能確保其中心軸，則根據本發明的基準點的個數只要有第2圖(a)所示的多個基準點A中的任意一點即可。還有，如果不使用如上所述的固定底盤，則如第2圖(a)所示設置2個以上的基準點A為較佳，特別是，考慮到以下所述的測量方法的適用性等，設置能算出基準平面(理論上的正確的幾何學基準)的基準點為更佳。另外，上述基準面是指JIS B0022中記載的基準平面。

利用一個或多個所述基準點時，利用三維測量儀能正確地測量氣泡等的發生部位。三維測量儀可以使用現有的任何一種測量儀。測量方法將三維測量儀的感測器對準上述多個基準點，將預先設定的基準面和從坩堝的多個基準點上通過最小二乘法等求得的基準面相對準而調整坩堝位置並固定即可。在此，該三維測量儀的感測器可以使用光學感測器、鐳射探針、觸摸探針等的任何一種。

通過上述方法可以將氧化矽玻璃坩堝一直設置在相同位置上，其結果，任一坩堝的相同座標都表示相同位置。即，在氧化矽坩堝的檢驗步驟和單晶矽的拉晶步驟等不同步驟之間也能夠交換座標資料，對於氧化矽玻璃坩堝的缺陷位置，為不露出該缺陷而設定氧化矽玻璃浸漬在矽熔液中的時間上限值，由此可以預先設定拉晶時的製造條件的變更等的對應方法。

在本發明所謂的氧化矽玻璃坩堝的缺陷等是指例如鐵(Fe)或鋁(Al)等的金屬小片，或者氣泡缺陷等。存在這些氣泡缺陷等時，單晶矽拉晶時單晶矽被多結晶化，因此有必要降低氣泡缺陷。

以上，說明將設置在模具內的凹凸結構轉印到坩堝上，並以此為基準點的情況，接下來說明利用鐳射設置基準點的情況。第3圖是表示設置本發明相關鐳射標記時的模式圖。在圖中，4表示模具的標記，5表示鐳射標記，6表示鐳射照射方向。利用鐳射設置基準點時，在製造坩堝之後坩堝存在於模具內的階段，如第3圖所示，基於設置在模具上的標記，一直在相同的位置上設置鐳射標記為好。因此，不僅在氧化矽玻璃坩堝的外壁面，還可以在內壁面上設置根據本發明的基準點。另外，設置鐳射標記的方法，考慮到形狀以及位置的正確性等的話，特別適合的是二氧化碳鐳射法。

另外，如第3圖所示，在取得碳制模具的對應關係時，如下所述，可以正確發現碳制模具的不當之處。

而且，還可以在氧化矽玻璃坩堝的開口邊緣部，即在坩堝上端面上設置基準點。此時，例如可以設置在經檢驗而檢測出來的缺陷部位的正上方位置上，由此能夠簡單地識別出所涉及的缺陷部位。在本發明中，基準點的設置方法，並非局限於如上所述的根據碳制模具的轉印痕方法或者鐳射標記方法，只要是能對氧化矽賦予基準點的方法，可以使用鑽頭加工等現有技術中對氧化矽玻璃進行的加工方法。

並且，該基準點的形狀與根據上述模具所賦予的形狀一樣，如果是圓狀基準點，則其直徑為0.5~10mm左右、深度為2~15mm左右為好，且其設置位置，從第1圖所示的坩堝上端(包括端部)到此坩堝上端向下方距15cm為止的範圍內的部位為較佳。並且，如果是線狀基準點B，則其長度為10~100mm左右、深度為2~15mm左右、寬度為0.5~10mm左右為宜，其設置位置，從第1圖所示坩堝的邊緣部(包括端部)到此邊緣部向下方距15cm為止的範圍內的部位為較佳。

例如，當採用二氧化碳鐳射法時，鐳射裝置可以使用三維控制鐳射標記，這種鐳射裝置只要是照射區域的高低在42mm範圍之內的話，則其焦點距離即可變，因此，不必微調與照射物之間距離或水平度也能在斜面和曲面上進行加工。

利用二氧化碳鐳射的基準點加工製程步驟如下所述。

1.將坩堝以其開口部朝下的狀態放置到墊板上，其中，該墊板具備坩堝定心用3爪式自定心卡盤機構，且該墊板的中心部設有標記加工機用的開口部；

2.利用3爪式自定心卡盤機構對坩堝進行定心；

3.在坩堝內壁面側升降鐳射加工機；

4.利用內置於鐳射裝置中的波長為650nm的紅色半導體鐳射，調整坩堝內壁面-鐳射照射口之間距離；

5.利用鐳射設置標記部；

6.轉動具有伺服控制機構的墊板，利用鐳射設置第二個基準點；

7.將金剛石工具加工機退回到原點位置。

在本發明中，基準點的設置位置，從坩堝的開口端部(包括上端面)到此開口端部向下方距15cm為止的範圍內的部位為較佳。其理由是，在單晶矽的拉晶中，因矽熔液的重量，當基準點位於矽熔液之下部位時，由於被外側的碳基座按壓，因此，當基準點位於該被按壓的外壁部上時，會有基準點消失掉的可能性。並且，當基準點位於矽熔液面之下的內面時，由於氧化矽玻璃被矽熔液溶化，因此，仍然會有基準點消失的可能性。

在設置有根據本發明的基準點的氧化矽玻璃坩堝中，進行單晶矽的拉晶時，可以推測在該單晶矽上是否發生缺陷。其推測順序如下：首先，掌握缺陷的高度位置和自內表面的距離，其次，通過比較由拉晶條件和在其條件下的浸漬時間計算出的氧化矽玻璃的消耗厚度來進行推測。具體來講，在矽熔液的溫度為1500℃、環境氣體壓力(Ar)為6.67kPa的條件下，氧化矽玻璃的熔解速度為15μm/h左右，因此，在一定程度上，可以從其熔解速度和浸漬時間計算出存在缺陷的高度上的氧化矽玻璃的消耗厚度。通過比較經所述計算而得的消耗厚度和自缺陷內表面的距離，可以推測缺陷露出的可能性。

【實施例】

(實施例1)

在直徑為800mm的氧化矽玻璃坩堝上，通過在碳制模具的內壁部上預先設置凸部的方法施加基準點C，以及通過二氧化碳鐳射加工方法施加基準點D0。基準點的設置結果如第4圖中的各照片所示。如該圖所示，可以看出已設置有基準點。另外，上述基準點位於坩堝邊緣部下方10cm處，其直徑為5mm。

另外，在本實施例中，二氧化碳鐳射的加工條件如下所述。

照射鐳射：CO₂ 鐳射(級別4)

照射鐳射的平均輸出：30W

照射鐳射的振盪波長頻帶：10.6μm

照射方式：XYZ 3軸同時掃描方式

加工空間：300×300×42mm

與所述基準點D0相同地在氧化矽玻璃坩堝上還施加基準點D1、D2，即共計3個基準點。測量結果如下所述。(單位：1/100mm)

C(X,Y,Z):(152.023，145.445，400.313)

D0(X,Y,Z):(150.413，132.560，421.432)

D1(X,Y,Z):(150.413，550.235，421.432)

D2(X,Y,Z):(434.341，132.560，421.432)

利用這些基準點，將作為被測量物件的氧化矽玻璃坩堝放置於測量用固定位置上。接著，利用光(氙燈(xenon lamp))的透射來確認氣泡引起的散亂，通過這種方法來確認直徑為50μm以上的氣泡缺陷的產生位置，並利用三維測量儀來測量其位置。三維測量儀使用攜帶型非接觸型測量系統。另外，在以下說明中，使用二氧化碳鐳射的加工方法施加圓孔狀基準點D0，但是，對於其他形狀的基準點，例如，通過二氧化碳鐳射加工施加在端部上的基準點以及預先在模具內部設置凸部的方法來施加的基準點等的，根據本發明的基準點來說，經確認均具有如下所述的結果。

上述三維測量儀的規格以及構成如下。

測量範圍…X:850mm　Y:700mm　Z:600mm

測長精度…X，Y，Z軸　U1(0.5±L/900)

空間軸…U3(0.8±L/600)

(U1，U3:μm)(L=测量长度：mm)

本實驗中的氧化矽玻璃坩堝的定位可以使用如上所述的基準面來進行，但是在本實驗中，使用如上所述的固定底盤+基準點的方法。利用固定底盤+基準點在規定位置上固定氧化矽玻璃坩堝之後，使用上述三維測量儀測量氣泡缺陷位置。測量結果如第5圖所示。

在上述已測量氣泡缺陷位置的氧化矽玻璃坩堝內，將影響單晶矽缺陷發生的位置上存在氣泡缺陷的坩堝(坩堝A)、影響單晶矽缺陷發生的位置上不存在氣泡缺陷的坩堝(坩堝B)分別設置在CZ爐上，在此爐中放入多晶矽塊，並保持在氬氣環境中(6.67kPa)，經10小時從室溫(20℃)升溫到1500℃，並以此溫度保持規定時間並熔化上述矽塊，由此形成矽熔液。在該矽熔液中浸漬晶種，一邊旋轉坩堝一邊慢慢提升晶種而進行單晶矽的成長。

根據氧化矽玻璃坩堝A的缺陷位置的資料，進行單晶矽缺陷發生部位的推測。對從上述推測資訊中實際推測的部位切成晶片時的缺陷發生狀況，以及在其前後部位的晶片缺陷發生狀況進行比較。其結果表示在第6圖中。此時的缺陷測量，利用具有化學研磨作用的化學成分和具有機器研磨作用的粒子混合溶液對切出的晶片進行研磨，並利用鐳射面檢測儀測量研磨面的LPD大於0.065μm的缺陷的個數。從同圖中可知，特定部位的晶片缺陷發生率高於其他部位的晶片缺陷發生率。即，由此可知，可以極其正確地推測缺陷的發生。

一方面，使用氧化矽玻璃坩堝B在所述拉晶條件下製造單晶矽，切出晶片，按照所述順序確認晶片的缺陷發生。其結果，沒有發現特別明顯的缺陷發生部位。

根據本發明，可以正確掌握坩堝和用以坩堝之模具的位置關係，因此，有利於確定坩堝引起的缺陷發生部位以及查明缺陷發生原因。而且，利用本發明的坩堝進行單晶矽的拉晶時，根據缺陷等的位置資訊，可以尋求回避使用該當坩堝等的各種對策，因此可以防止發生缺陷，進而能提高單晶矽錠的成品率。

綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧氧化矽玻璃坩堝

2‧‧‧碳制模具

3‧‧‧坩堝開口邊緣部

4‧‧‧模具的標記

5‧‧‧鐳射標記

6‧‧‧鐳射照射方向

第1圖是模具以及坩堝的模式圖。

第2圖是圓狀以及線狀的基準點的模式圖。

第3圖是設置鐳射標記時的模式圖。

第4圖是基準點的照片。

第5圖是坩堝中的氣泡缺陷的評價結果示意圖。

第6圖是提升的單晶中的氣泡位置示意圖。

1．．．氧化矽玻璃坩堝

2．．．碳制模具

3．．．坩堝開口邊緣部

Claims (5)

1. 一種氧化矽玻璃坩堝，包括具有上面開口之邊緣部的圓筒形直筒部、研缽狀的底部、連接直筒部與底部之角部，其中，該邊緣部，該氧化矽玻璃坩堝的內壁面以及外壁面之中的至少一處設置有固定式基準點，該基準點用以確定缺陷的位置信息，其中，該內壁面以及/或該外壁面處之基準點，設置在該直筒部的該邊緣部到自該邊緣部起向下方距15cm的位置之間的範圍內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，基準點具有凸形狀或凹形狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，該基準點呈圓形，其直徑為0.5mm~10mm。
4. 如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，該基準點為鐳射標記。
5. 如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，該基準點為碳制模具由來的轉印痕。