TWI439582B - 石墨坩堝及製造矽單晶之裝置 - Google Patents

石墨坩堝及製造矽單晶之裝置 Download PDF

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Description

石墨坩堝及製造矽單晶之裝置
本發明係關於一種用於根據丘克拉斯基(Czochralski)法製造矽單晶的石墨坩堝，還關於一種包含該石墨坩堝的根據丘克拉斯基法製造矽單晶之裝置。
作為一個用於生長矽單晶的方法，通常使用以丘克拉斯基法(CZ法)為代表的拉伸法。在此使用之裝置通常具有用於保持原料矽熔體的石英坩堝，其中該坩堝被石墨坩堝包圍，該石墨坩堝的內部形狀係用於支撐該石英坩堝並實現均勻加熱，而用於加熱的加熱器設置在其外部。石英坩堝和石墨坩堝的形狀通常都包含近似圓柱體形狀的側壁和適當地徑向挖槽(chamfered)的底部。
在CZ法中，位於石英坩堝中的矽原料被加熱和熔化。由於矽的熔點為約1420℃，首先必須進行加熱以達到熔點。在此情況下，必須提高該加熱器的溫度至約1700℃。由於該加熱過程，石墨坩堝和石英坩堝均被加熱至矽的熔點或更高。當石英超過約1200℃時開始軟化和變形，並且由於在石英坩堝中熔融矽之荷重，石英坩堝與石墨坩堝的內部形狀幾乎完全地密切接觸，該石墨坩堝自外部來支撐石英坩堝。隨著最近矽晶圓直徑的增加，在CZ法中也需要增加石英坩堝的直徑和容量，並且上述加熱過程的溫度範圍和加熱均勻性的控制變得越來越重要。
如以下方程式所示，CZ法的一個已知的問題是，在矽的熔化溫度下，在石英坩堝的內表面上發生石英坩堝之成分SiO2 與熔融矽Si之間的反應。由此產生SiO氣體。此外，在石英坩堝外部，該SiO氣體與石墨構件的外表面反應，由此生成SiC固體。再者，在石英坩堝的外表面上，藉由石英坩堝的外表面與石墨坩堝的內表面之間的反應，產生SiO氣體和CO氣體，此外藉由與石墨坩堝的內表面的其他反應生成SiC固體。所生成的SiC的熱膨脹係數明顯不同於石墨。因此，在石墨坩堝的冷卻/加熱循環過程中，SiC成為破裂等的原因，因此在安全性等方面限制了其使用壽命。此外，所產生之CO氣體對該石英坩堝施加壓力，導致其變形。
SiO2 +Si=SiO
SiO2 +C=SiO+CO
SiO+2C=SiC+CO
關於改進石墨坩堝以解決上述問題的一些技術是已知的。其中之一是在日本專利申請公開第61-44791號中所公開的方法，其中在石英坩堝與石墨坩堝之間藉由使諸如氬氣的惰性氣體朝下游方向流動，並且由在石墨坩堝的下部側壁中向下設置的孔排放該氣體，使在石英坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體由此被排出。此外，在日本專利申請公開第10-297992號中公開了一種技術，其中在石墨坩堝中在熔融矽的液位上方的位置上設置水平的孔以避免石英坩堝由於所產生的氣體而變形。此外，在日本專利申請公開第2008-201619號中公開了一種方法，其中藉由使諸如氬氣的惰性氣體沿著垂直地設置在石墨坩堝內表面上的導氣溝槽向下游方向朝著坩堝底部流動，並且從底部排放所述氣體，在石英坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體由此被排出。
然而，人們已經開始認識到，這些常規方法不再適合於特別是最近用於CZ法的大直徑/大容量(高重量)的石英坩堝。更具體而言，在石墨坩堝的內表面上設置複雜結構如導氣溝槽以排出所產生的氣體，這在保持大容量(高重量)的石英坩堝的安全性方面並不是較佳的。此外，在使用具有大直徑/大容量(高重量)的石英坩堝時，由於加熱溫度高而軟化的石英坩堝發生變形，其進而與對其支撐的石墨坩堝幾乎完全地密切接觸。因此，變得難以在所述坩堝之間供應充足的氣流。
因此，期望新穎的石墨坩堝技術，其藉由平穩地排出所產生的CO氣體而避免壓力在石英坩堝上累積，還避免在石墨坩堝內部形成/累積SiC，既無需(i)在石墨坩堝的內表面上提供複雜的結構，也無需(ii)在石墨坩堝與石英坩堝之間提供充足的惰性氣體流。
本發明的發明人勤勉地進行研究，以開發出滿足所述期望的石墨坩堝。發明人由此成功地找到新穎石墨坩堝，其中在石墨坩堝的至少一特殊位置上設置至少一近似水平之排氣孔，由於所產生的CO氣體被平穩地排出而不會在石英坩堝的表面上累積壓力，並且避免了在石墨坩堝的內部形成/累積SiC。由此實現本發明。
特定言之，本發明係關於一種用於根據丘克拉斯基法製造矽單晶的石墨坩堝，其特徵在於，在石墨坩堝的角落部分設置至少一排氣孔。
本發明還關於該石墨坩堝，其特徵在於，該至少一排氣孔的方向是近似水平的。
此外，本發明還關於一種根據丘克拉斯基法製造矽單晶之裝置，其特徵在於包含本發明的石墨坩堝。
在此，本發明的石墨坩堝不僅包含分離類型，還包含一體(one-piece)類型。此外，本發明還包含由CFC複合物(經碳纖維增強的碳)製成之坩堝。
在根據本發明的石墨坩堝中，在坩堝的角落部分設置至少一排氣孔。因此，所述石墨坩堝能夠平穩地釋放由石英坩堝與石墨坩堝之間的反應所產生的氣體，由此避免了在石墨坩堝的表面上形成SiC，以及由氣體壓力導致的石英坩堝的變形。因為本發明之根據丘克拉斯基法製造矽單晶的裝置包含根據本發明的石墨坩堝，所以在製造矽單晶期間，可以平穩地釋放由石英坩堝與石墨坩堝之間的反應所產生的氣體。因此，可以避免在石墨坩堝的表面上形成SiC，以及由氣體壓力導致的石英坩堝的變形，確保在製造過程中的安全性和延長石墨坩堝的使用壽命。
如第1圖中所例示之本發明之石墨坩堝1的例子，在本發明的石墨坩堝中，(內)側面部分2通常具有近似垂直的圓柱體形狀，而底部3具有適當地徑向挖槽的形狀。所述石墨坩堝的特徵在於，在其角落部分4設置有排氣孔5。在此，石墨坩堝1可以與傳統眾所周知用於根據丘克拉斯基法製造矽單晶的石墨坩堝基本上相同，且對於所述石墨坩堝是分離類型還是一體類型並沒有特別的限制，對其尺寸、形狀或材料也沒有特別的限制。即使在傳統眾所周知的分離類型的情況下(其中坩堝被分為二個或三個部分)，在使用時該坩堝作為一個整體具有上述形狀。在此，本發明的石墨坩堝的角落部分是指連接側面部分與底部的部分(區域)。本發明之石墨坩堝具有在使用時由其角落部分支撐石英坩堝和熔融矽的主要荷重的功能。因為在使用時石英坩堝被加熱至接近其軟化點，所以導致石英坩堝處於在底部和角落部分與石墨坩堝幾乎完全地密切接觸的狀態，並且達到所期望的加熱效果。在所述角落部分中，從石墨坩堝的內部向外部設置作為近似水平的孔的排氣孔5。
如第2圖所示，在使用時，惰性氣體21(通常是氬氣)通常在減壓下流向石墨坩堝的外部並排出。因此，排氣孔25和空隙28的內部壓力26處於略低於石墨坩堝的外部壓力27的狀態。因此，如上所述，在使用時，直至所述SiO氣體到達排氣孔的短時間內，由於SiO氣體與石墨坩堝的表面的C之間的反應而形成CO氣體。然而，該氣體被迅速地從排氣孔排出，並且可以避免施加在石英坩堝上的壓力累積。因此，SiO與石墨坩堝表面的反應主要發生在排氣孔中，或者僅在其外部周圍。
在本發明中，只要充分實現上述功效，在角落部分所設置的排氣孔的位置、形狀、數量和方向並沒有特別的限制。另一方面，因為石墨坩堝必須安全地支撐石英坩堝和熔融矽的荷重，綜合考慮上述內容，可以選擇排氣孔的位置、形狀、數量和方向在一較佳的範圍內。具體而言，關於排氣孔的方向，在爐內部充滿諸如氬氣的惰性氣體的情況下，較佳係以水平方向設置排氣孔，從而更加平穩地排放所產生的CO氣體。
具體而言，若設置多個排氣孔，則它們的位置較佳為等分圓柱形的角落部分的位置。在等分位置的情況下，可以使由孔導致的坩堝強度下降最小化。排氣孔的形狀沒有特別的限制，可以採用圓形和多邊形。其截面積也沒有特別的限制。然而，可以在充分考慮如何避免被加熱至接近其軟化點的石英坩堝的石英壁在排氣孔方向上的變形的情況下，選擇該截面積。因此，在綜合考慮所述問題的情況下，每個排氣孔的截面積較佳為225平方毫米或更小。這意味著，若截面為圓形，則其半徑較佳在5毫米至8毫米的範圍內。若採用具有該截面積的排氣孔，則排氣孔的數量較佳為在2至3個/分離的坩堝及6至8個/不分離的坩堝的範圍內。
排氣孔的方向並沒有特別的限制。然而，該排氣孔的設置方向較佳能夠由此實施上述方法，換言之，能夠使在石英坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體平穩地排出。具體而言，較佳係以近似水平或稍微向上的方式設置所述排氣孔，因為其實現了平穩的氣流。
本發明之根據丘克拉斯基法製造矽單晶的裝置的特徵在於，其包含本發明的上述石墨坩堝，以代替用於傳統眾所周知之裝置中的石墨坩堝。因此，在傳統眾所周知的製造條件下，在石英坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體迅速地由石墨坩堝的排氣孔排放至外部。由此可以抑制在石墨坩堝內部形成和累積SiC，並且可以抑制由於CO氣體累積的壓力導致石英坩堝的變形。
實施例
藉由使用外徑為500毫米且內徑為460毫米的石墨坩堝(具有在角落部分中均等的6個位置上水平設置的、內徑為5毫米的孔)拉伸50個矽晶塊(ingot)。完全無法檢測到在坩堝內部之任何SiC的沉積。然而，在坩堝外部的孔的周圍，檢測到約為3毫米的SiC的沉積。此外，完全沒有觀察到由於CO氣體而導致的石英坩堝的變形。
根據本發明的石墨坩堝可用於根據丘克拉斯基法製造矽單晶的裝置中。
1．．．石墨坩堝
2．．．(內)側面部分
3．．．底部
4．．．角落部分
5．．．排氣孔
21．．．惰性氣體
25．．．排氣孔
26．．．內部壓力
27．．．外部壓力
28．．．空隙
第1圖所示為本發明之石墨坩堝。
第2圖所示為用於解釋本發明之排氣孔的作用效果之示意圖。
1．．．石墨坩堝
2．．．(內)側面部分
3．．．底部
4．．．角落部分
5．．．排氣孔

Claims (2)

  1. 一種用於根據丘克拉斯基(Czochralski)法製造矽單晶的石墨坩堝，其包含一側面部分、一底部、及一連接該側面部分及該底部之角落部分，其特徵在於，在該石墨坩堝的角落部分設置有至少一排氣孔，其中該至少一排氣孔的方向是向上或水平的。
  2. 一種根據丘克拉斯基法製造矽單晶之裝置，其包含如請求項1的石墨坩堝。
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