TWI518216B - 氧化矽玻璃坩堝及其單晶矽的生產方法 - Google Patents

氧化矽玻璃坩堝及其單晶矽的生產方法 Download PDF

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Description

氧化矽玻璃坩堝及其單晶矽的生產方法
本發明涉及氧化矽玻璃坩堝以及使用氧化矽玻璃坩堝的單晶矽生產方法。
近年來，花費精力開發能夠通過簡單的結構來防止直筒部上端向內側翻倒的矽單晶提拉用石英玻璃坩堝。作為這種技術，例如，在專利文獻1中記載了一種矽單晶提拉用石英玻璃坩堝，其中，在直筒部外周、即初期熔融線的上方設置圓周狀的槽。該槽設置在碳基座上端的下方位置上。
另外，在專利文獻2中，如圖5所示，記載了通過將坩堝彎曲部11的內壁面的曲率R1設定為100~240mm，抑制液面降低時的急劇的液面面積的變化，另外，通過將坩堝彎曲部11的壁厚W的變化量設定為0.1mm/cm~1.2mm/cm、優選設定為0.2mm/cm~0.5mm/cm，使坩堝彎曲部11的熱分佈變均勻。該專利文獻2中記載了通過這些方法，抑制矽的多晶化，從而能夠提高單晶收率。
【現有技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】日本特開2008-273788號公報
【專利文獻2】日本特開2007-269533號公報
但是，上述文獻記載的現有技術，在以下的方面具有改善的餘地。
第一，在專利文獻1記載的氧化矽玻璃坩堝中，在使用者單獨準備用於保持氧化矽玻璃坩堝的基座、或使用者單獨確定投入到氧化矽玻璃坩堝中的多晶矽的量的情況下，可能有時無法在作為初期熔融線的上方、並且碳基座上端的下方位置上預先設置圓周狀的槽。
第二，在專利文獻2記載的氧化矽玻璃坩堝中，坩堝截面的內表面形成複合曲線，因此，在直筒部17和彎曲部11的連接部分內表面的曲率大幅變化。另外，在彎曲部11和底部13的連接部分內表面的曲率也大幅變化，在這些連接部分對彎曲部11施加的壓力急劇變動，有可能發生氧化矽玻璃坩堝的壓曲以及筒部向坩堝內部的翻倒。另外，在這些連接部分在矽熔液的液面上會發生波動，由此，在矽單晶上有可能產生位錯。
另外，近年來，直徑300mm的晶片成為半導體芯片的製造工藝的主流，使用直徑450mm的晶片的工藝也在開發中。為了製造這樣的晶片，當然在用於製造單晶矽錠的CZ法中使用的氧化矽玻璃坩堝也要求為28英寸(71cm)、32英寸(81cm)、36英寸(約91cm)或40英寸(102cm)的大口徑的坩堝。直徑101cm的坩堝為重量約120kg的巨大的坩堝，在其中收容的矽熔液的質量為900kg以上。
而且，氧化矽玻璃的軟化點為約1200~1300℃，相對於此，CZ法中將矽熔液在加熱至1450~1500℃的高溫的狀態下經過2周以上的長時間進行提拉。即，在矽單晶的提拉時，在坩堝中收容約1500℃的矽熔液為900kg以上。此時，為了使矽熔液升溫至約1500℃，必須提高在氧化矽玻璃坩堝的外側設置的加熱器的加熱溫度，氧化矽玻璃坩堝通過加熱 而發生軟化，容易壓曲或翻倒的問題變顯著。
被提拉的矽單晶的純度要求為99.999999999%以上，因此，要求沒有從用於提拉的氧化矽玻璃坩堝中混入氧化矽的碎片等。因此，氧化矽玻璃坩堝通過加熱發生軟化而引起壓曲或翻倒時，有時氧化矽的碎片掉下，引起大問題。
本發明是鑒於上述情況而完成的，其目的在於提供一種有效地抑制氧化矽玻璃坩堝的壓曲或者側壁部向坩堝內部的翻倒的技術。另外，本發明的其他目的在於提供一種抑制在矽單晶上發生位錯、提高單晶收率的技術。
根據本發明，提供一種用於單晶矽的提拉的氧化矽玻璃坩堝，其具備：具有上面開口的邊緣部的圓筒狀的側壁部、由曲線構成的研缽狀的底部、和連接該側壁部和該底部的彎曲部。該氧化矽玻璃坩堝中，在通過該氧化矽玻璃坩堝的旋轉軸的截面上，以該彎曲部的內表面的曲率從側壁部朝向底部的方向緩慢增大的方式設置。
根據該構成，由於彎曲部內表面的曲率以從側壁部朝向底部的方向緩慢增大的方式設置，因此，在單晶矽的提拉中矽熔液的液面不斷降低時，在彎曲部內表面的曲率不會發生大幅變化，因此，緩和矽熔液對彎曲部施加的壓力的變動。因此，根據該構成，能夠有效地抑制氧化矽玻璃坩堝的壓曲以及側壁部向坩堝內部的翻倒。
另外，根據本發明，提供一種單晶矽的生產方法，其中，包括：向氧化矽玻璃坩堝中投入多晶矽的製程；將該多晶矽加熱熔融而得到矽熔液的製程；和從該矽熔液中提拉單晶矽的製程。而且，該生產方法中使用的上述氧化矽玻璃坩堝，具備：具有上面開口的邊緣部的圓筒狀的側壁部、由曲線構成的研缽狀的底部、和連接該側壁部和該底部的彎曲部。該氧化矽玻璃坩堝中，在通過該氧化矽玻璃坩堝的旋 轉軸的截面上，以該彎曲部的內表面的曲率從側壁部朝向底部的方向緩慢增大的方式設置。
根據該生產方法，由於以彎曲部的內表面的曲率從側壁部朝向底部的方向緩慢增大的方式設置，因此，在單晶矽的提拉中矽熔液的液面不斷降低時，在彎曲部內表面的曲率不會發生大幅變化，因此，緩和由矽熔液對彎曲部施加的壓力的變動。因此，根據該生產方法，在這些連接部分在矽熔液的液面上發生波動的可能性低，因此，在矽單晶上難以發生位錯。
根據本發明，能夠有效地抑制氧化矽玻璃坩堝的壓曲以及側壁部向坩堝內部的翻倒。另外，根據本發明，抑制在矽單晶上發生位錯，從而能夠提高單晶收率。
10‧‧‧石英玻璃坩堝
11‧‧‧彎曲部
12‧‧‧直筒部
13‧‧‧底部
R1‧‧‧彎曲部的內面曲率
R2‧‧‧底部的內面曲率
M1‧‧‧彎曲部的曲率的中心點
M2‧‧‧底部的曲率的中心點
W‧‧‧彎曲部的壁厚
111‧‧‧透明的氧化矽玻璃層
112‧‧‧氧化矽玻璃坩堝
114‧‧‧含有氣泡的氧化矽玻璃層
115‧‧‧側壁部
116‧‧‧底部
117‧‧‧彎曲部
圖1是對本發明實施方式相關的氧化矽玻璃坩堝的整體構成進行說明的截面圖。
圖2是實測以往的氧化矽玻璃坩堝的內表面形狀之後，對該內表面形狀的所形成的曲率的變化率進行視覺化之後的截面圖。
圖3是實測以往的氧化矽玻璃坩堝的內表面形狀之後，計算由對該內表面施加的靜水壓產生的壓力的結果的圖。
圖4是對本發明實施方式相關的氧化矽玻璃坩堝的彎曲部的內表面所形成的緩和曲線進行說明的截面圖。
圖5是對以往公知的氧化矽玻璃坩堝的內表面所形成的複合曲線進行說明的截面圖。
以下，使用附圖對本發明的實施方式進行說明。 另外，所有附圖中，對同樣的構成要素賦予同樣的符號，適當省略說明。
<氧化矽玻璃坩堝>
圖1是用於對氧化矽玻璃坩堝的構成進行簡要說明的截面圖。本實施方式的氧化矽玻璃坩堝112是在內表面側具有透明的氧化矽玻璃層111、和在外表面側具有含有氣泡的氧化矽玻璃層114的氧化矽玻璃坩堝。該氧化矽玻璃坩堝112通過切克勞斯基法(CZ法)等在單晶矽的提拉中使用時以開口部朝上的方式載置於基座(未圖示)上。
該氧化矽玻璃坩堝112，在通過該氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，具有：內表面形成緩和曲線的彎曲部(也稱之為角部)117、具有上面開口的邊緣部的圓筒狀的側壁部115、和由直線或曲率比較小的曲線構成的研缽狀的底部116。本實施方式中，彎曲部117是連接側壁部115與底部116的部分，係指從彎曲部117的曲線的切線與氧化矽玻璃坩堝112的側壁部115重合的點到與底部116具有共同切線的點的部分。
使用該氧化矽玻璃坩堝112生產單晶矽時，依次進行向氧化矽玻璃坩堝中投入多晶矽的製程、將該多晶矽加熱熔融而得到矽熔液的製程、和從該矽熔液中提拉單晶矽的製程。
該氧化矽玻璃坩堝112中，在通過氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，側壁部115的內表面以及底部116的內表面，通過彎曲部117的內表面所形成的緩和曲線無折點地連接。因此，在單晶矽的提拉中，矽熔液的液面不斷降低時，在彎曲部117附近緩和由矽熔液對彎曲部117施加的壓力的變動。因此，根據該構成，能夠有效地抑制氧化矽玻璃坩堝112的壓曲以及側壁部115向坩堝內部的翻倒。另外，根據該生產 方法，在這些連接部分在矽熔液的液面上發生波動的可能性低，因此，在矽單晶上難以發生位錯。
需要說明的是，此時，上述的提拉單晶矽的製程優選包括如下製程：從液面達到側壁部115和彎曲部117的連接部的時刻的附近開始減緩提拉單晶矽的速度。這樣，在從矽熔液中提拉單晶矽的製程中，矽熔液的液面不斷降低時，在側壁部115的內表面和彎曲部117的內表面的連接部分在矽熔液的液面上發生波動進一步降低。其結果，在矽單晶上更加難以發生位錯。
這樣，該氧化矽玻璃坩堝112中，在通過氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，以彎曲部117的內表面的曲率從側壁部115朝向底部116的方向緩慢增大(連續地或者間斷地增大)的方式設置。因此，在單晶矽的提拉中矽熔液的液面不斷降低時，在彎曲部117內表面的曲率不會大幅變化，因此，緩和由矽熔液對彎曲部117施加的壓力的變動。因此，根據該構成，能夠有效地抑制氧化矽玻璃坩堝112的壓曲以及側壁部115向坩堝內部的翻倒。另外，在單晶矽的提拉中矽熔液的液面不斷降低時，在彎曲部117附近內表面的曲率不會大幅變化，因此，緩和由矽熔液對彎曲部117附近施加的壓力的變動。其結果，根據該生產方法，在彎曲部117附近在矽熔液的液面上發生波動的可能性低，因此，在矽單晶上難以發生位錯。
圖2是在實測以往的氧化矽玻璃坩堝的內表面形狀的方面將該內表面形狀的所形成的曲率的變化率視覺化後的截面圖。這樣，本發明人在開發上述實施方式的氧化矽玻璃坩堝的過程中準確地實際測定以往的氧化矽玻璃坩堝的內表面的三維形狀。而且，本發明人使用所得到的三維形狀的實測值、分析在通過氧化矽玻璃坩堝的旋轉軸的截面上內表 面的曲線的曲率如何變化。其結果，本發明人發現，在以往的氧化矽玻璃坩堝的內表面上在彎曲部117引起曲率的急劇的變化。該曲率的急劇的變化假定是由於以往的氧化矽玻璃坩堝的彎曲部的設計圖使用複合曲線。另外，該曲率的急劇的變化也假定是由於，在以往的氧化矽玻璃坩堝的製造工藝中，在電弧熔融時氧化矽玻璃下垂到彎曲部，不能得到如設計所示的彎曲部的形狀。
圖3是表示在實測以往的氧化矽玻璃坩堝的內表面形狀的方面計算由對該內表面施加的靜水壓產生的壓力的結果的圖。本發明人認為圖2所示的曲率的急劇的變化沒有成為對坩堝施加的力的不連續性的原因，如圖3所示，根據32英寸坩堝的內面形狀的實測值進行靜水壓如何變化的計算。其結果，本發明人發現，水平方向的分力以及垂直方向的分力的任意一種在彎曲部的附近存在極大點/極小點。即，本發明人發現，在彎曲部附近存在對氧化矽玻璃坩堝施加的力局部大的部位、力的變化大的部位。
以往，在氧化矽玻璃坩堝的領域中，如專利文獻2所示，彎曲部的內表面由單一曲率的曲線構成是技術常識。即，本發明人發現，以往的氧化矽玻璃坩堝中，彎曲部的內表面由單一曲率的曲線構成是氧化矽玻璃坩堝112的壓曲以及側壁部115向坩堝內部的翻倒的原因，由此設計本實施方式的氧化矽玻璃坩堝。另外，本發明人發現，以往的氧化矽玻璃坩堝中，彎曲部的內表面由單一曲率的曲線構成是在矽單晶上發生位錯的原因，由此設計本實施方式的氧化矽玻璃坩堝。
需要說明的是，多數情況下彎曲部117的內表面實際上存在微小的凸凹和小的變形等，但優選理解為基本上無視由這樣的微小的凸凹和小的變形等產生的局部的曲率的 急劇的變化。即，彎曲部117的內表面優選在通過氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，在曲線長方向上通過每10mm的移動平均而平滑化的移動平均線來理解。這樣，可以理解為無視由這樣的微小的凸凹和小的變形等產生的局部的曲率的急劇的變化，因此，能夠在全局上確認彎曲部117的內表面的曲率從側壁部115朝向底部116的方向緩慢增大。需要說明的是，取得該移動平均的間隔並非限定於10mm間隔，例如，也可以為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm中的任意一種間隔。
另外，在通過氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，在側壁部115和彎曲部117的內表面的交界線上的曲率的偏差優選為1/300mm以下。在該側壁部115和彎曲部117的內表面的交界線上的曲率的偏差越小，能夠降低在該交界線附近引起急劇的壓力的變動的可能性。其結果，在該交界線附近對側壁部115或者彎曲部117施加的壓力急劇變動，能夠抑制發生氧化矽玻璃坩堝的壓曲以及側壁部115向坩堝內部的翻倒。需要說明的是，該曲率的偏差可以為1/300mm、1/400mm、1/500mm、1/600mm、1/700mm、1/800mm、1/900mm、1/1000mm、1/2000mm、1/3000mm、1/4000mm、1/5000mm、1/6000mm、1/7000mm、1/8000mm、1/9000mm、1/10000mm的任意的值以下，也可以在它們中的任意的二個值的範圍內。
另外，在通過氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，在彎曲部117和底部115的內表面的交界線上的曲率的偏差優選為1/300mm以下。該彎曲部117和底部115的內表面的交界線上的曲率的偏差越小，能夠降低在該交界線附近引起液面降低時的急劇的壓力的變動的可能性。其結果，在該交界線附近對彎曲部117或者底部116施加的壓力急劇變動，能 夠抑制發生氧化矽玻璃坩堝的壓曲以及側壁部115向坩堝內部的翻倒。需要說明的是，該曲率的偏差可以為1/300mm、1/400mm、1/500mm、1/600mm、1/700mm、1/800mm、1/900mm、1/1000mm、1/2000mm、1/3000mm、1/4000mm、1/5000mm、1/6000mm、1/7000mm、1/8000mm、1/9000mm、1/10000mm的任意的值以下，也可以在它們中的任意的二個值的範圍內。
該彎曲部117的緩和曲線沒有特別限定，例如，優選為選自由迴旋曲線、三次曲線以及正弦半波長遞減曲線組成的組中的一種以上的曲線。這三種緩和曲線具有如下述表1所示的特性。
圖4是用於對實施方式的氧化矽玻璃坩堝的彎曲部的內表面所形成的緩和曲線進行說明的截面圖。如該圖所示，直線狀(R=∞)的側壁部15以及圓弧曲線狀(R=250mm)的底部的內表面通過彎曲部117的內表面所形成的緩和曲線(曲率半徑連續地變化為R=∞、R=1000mm、R=500mm、R=333mm、R=250mm)無折點地連接。
因此，在單晶矽的提拉中，矽熔液的液面不斷降低時，在彎曲部117附近緩和由矽熔液對彎曲部117施加的壓力的變動。因此，根據該構成，能夠有效地抑制氧化矽玻 璃坩堝112的壓曲以及側壁部115向坩堝內部的翻倒。另外，在單晶矽的提拉中，矽熔液的液面不斷降低時，在彎曲部117附近能夠降低引起液面降低時的急劇的壓力的變動的可能性。因此，根據該生產方法，在液面不斷降低至彎曲部117附近時，能夠抑制在矽單晶上發生位錯。
需要說明的是，本實施方式的氧化矽玻璃坩堝中，在通過氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，彎曲部117的內表面無需在數學意義上成為完全的緩和曲線。這是由於，實際上使用CAD系統等，設計側壁部115的內表面以及底部116的內表面通過彎曲部117的內表面所形成的緩和曲線無折點地連接的結構的氧化矽玻璃坩堝112，使用該CAD資料設計用於製造氧化矽玻璃坩堝的碳模具的CAD數據。另外，基於該CAD數據製造碳模具，但此時也發生若干的製造誤差。另外，進一步使用該碳模具製造氧化矽玻璃坩堝112，此時也仍然發生若干的製造誤差。因此，在通過實際上製造的氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，彎曲部117的內表面在數學意義上成為完全的緩和曲線的情況少，多數情況下形成與CAD數據略微不同的形狀。
本實施方式的氧化矽玻璃坩堝中，關於其最大誤差，與CAD數據的理想的的形狀比較，包括在正負1mm以下的幅度內。另外，其最大誤差也可以為0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.10mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm、0.90mm、1.00mm、2.00mm、3.00mm、4.00mm、5.00mm、6.00mm、7.00mm、8.00mm、9.00mm、10.00mm、11.00mm中的任意的值以下或者它們中二個值的範圍內。在其最大誤差的範圍滿足這些條件的情況下，可以將直線狀的側壁部115以及圓弧曲線狀的底部116的 內表面以力學上自然的結構無折點地完美連接，並且對於氧化矽玻璃坩堝112在矽熔液的液面下降至彎曲部117的附近的情況下，在彎曲部117附近緩和由矽熔液對彎曲部117施加的壓力的變動，因此優選。
另外，在通過氧化矽玻璃坩堝12的旋轉軸的截面上，優選側壁部115的外表面以及底部116的外表面通過彎曲部117的外表面所形成的緩和曲線無折點地連接。這是由於，碳模具的CAD數據以適合於氧化矽玻璃坩堝12的外表面的CAD數據的方式進行設計。因此，為了使基於碳模具的CAD數據製造的碳模具的彎曲部的內表面形成與緩和曲線近似的曲線，優選氧化矽玻璃坩堝12的彎曲部117的外表面的CAD數據形成緩和曲線。另外是由於，碳模具的彎曲部的內表面如果形成與緩和曲線近似的曲線，則在該碳模具的內表面上層疊天然石英粉以及合成二氧化矽粉末，進行電弧熔融而得到的氧化矽玻璃坩堝的彎曲部117的內表面也形成與緩和曲線近似的曲線。
以上，參照附圖對本發明的實施方式進行說明，但這些為本發明的例示，也可以採用上述以外的各種構成。
例如，上述的實施方式中，在通過氧化矽玻璃坩堝112的旋轉軸的截面上，作為彎曲部117的內表面的曲率從側壁部115朝向底部116的方向緩慢增大的曲線，對緩和曲線進行說明，但並沒有特別限定於緩和曲線。例如，彎曲部117的內表面所形成的曲線可以是多個曲率的曲線連接而成的複合曲線。在這樣的情況下，彎曲部117的內表面的曲率從側壁部115朝向底部116的方向間斷地增大，因此，得到與上述的實施方式同樣的作用效果。需要說明的是，在採用這樣的複合曲線的情況下，彎曲部117的內表面所形成的曲線可以為具有2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、 70、80、90、100的任意數以上的不同的曲率的曲線連接而成的複合曲線，也可以為具有這些數中任意的二個數的範圍內的不同的曲率的曲線連接而成的複合曲線。需要說明的是，在任意的情況下，連接具有多個不同的曲率的曲線的情況下，曲率緩慢增大，因此優選。

Claims (7)

  1. 一種氧化矽玻璃坩堝，是用於單晶矽的提拉的氧化矽玻璃坩堝，包括：具有上面開口的邊緣部的圓筒狀的側壁部，由曲線構成的研缽狀的底部，以及連接所述側壁部和所述底部的彎曲部，在經過所述氧化矽玻璃坩堝的旋轉軸的截面上，所述彎曲部內表面的曲率以從側壁部朝向底部的方向緩慢增大的方式設置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，在經過所述氧化矽玻璃坩堝的旋轉軸的截面上，所述彎曲部的內表面構成緩和曲線。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的氧化矽玻璃坩堝，其中，所述緩和曲線為選自由迴旋曲線、三次曲線以及正弦半波長遞減曲線組成的組中的一種以上的曲線。
  4. 一種單晶矽的生產方法，包括：向氧化矽玻璃坩堝中投入多晶矽的製程，將所述多晶矽加熱熔融而得到矽熔液的製程，以及從所述矽熔液中提拉單晶矽的製程，其中，所述氧化矽玻璃坩堝包括：具有上面開口的邊緣部的圓筒狀的側壁部，由曲線構成的研缽狀的底部，以及連接所述側壁部和所述底部的彎曲部， 在經過所述氧化矽玻璃坩堝的旋轉軸的截面上，所述彎曲部內表面的曲率以從側壁部朝向底部的方向緩慢增大的方式設置。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的生產方法，其中，提拉所述單晶矽的製程包括：從所述液面達到所述側壁部和所述彎曲部的交界線的時刻的附近開始減緩提拉所述單晶矽的速度的製程。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的生產方法，其中，在通過所述氧化矽玻璃坩堝的旋轉軸的截面上，所述彎曲部的內表面構成緩和曲線。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的生產方法，其中，所述緩和曲線為選自由迴旋曲線、三次曲線以及正弦半波長遞減曲線組成的組中的一種以上的曲線。
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