TWI813412B - 石英坩堝及拉晶爐 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種用於拉製晶棒的石英坩堝及拉晶爐，該石英坩堝包括：由二氧化矽材質製成的坩堝基底；以及鍍覆在該坩堝基底的內表面的一部分上的鍍膜，該鍍膜用於在拉製晶棒的過程中阻止該坩堝基底的被鍍覆的部分的氧原子析出，其中，該鍍膜的鍍覆面積沿從該坩堝基底的口部至該坩堝基底的底部的方向逐漸減少。由於鍍膜的存在，熔體與石英坩堝的接觸面積有所減少，這也使得拉製出的單晶矽棒的氧含量更為均勻。
Description
本發明屬於半導體矽片生產領域，尤其關於一種石英坩堝及拉晶爐。
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)法拉製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，當單晶矽棒拉製完成時，石英坩堝內僅剩餘少量的熔體。
值得注意的是，石英坩堝在高溫下會產生矽原子和氧原子，氧原子熔入矽熔體中並與矽熔體中的矽原子發生反應而形成二氧化矽氣體揮發物，隨著拉晶過程的繼續，石英坩堝會不斷地與熔體發生反應而變薄。然而，單晶矽棒中的氧含量並不是均勻的並且往往是頭高尾低，之所以導致這種情況是因為：氧的分凝係數約等於1，並因而在固體和熔體中的分佈幾乎一樣，但隨著拉晶過程中坩鍋內熔體的不斷下降，熔體與石英坩堝的接觸面積逐漸減小，因此在拉晶過程中從石英坩堝的內表面析出的氧無法均勻地分佈於熔體中，拉製出的單晶
矽棒中的氧濃度也會不均勻，存在單晶矽棒內的氧分布頭高尾低的情況，這對後續處理過程中矽片中氧析出物或者稱為體微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)的均勻性產生影響。
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的石英坩堝和拉晶爐。
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用於拉製晶棒的石英坩堝，該石英坩堝包括：由二氧化矽材質製成的坩堝基底；以及鍍覆在該坩堝基底的內表面的一部分上的鍍膜，該鍍膜用於在拉製晶棒的過程中阻止該坩堝基底的被鍍覆的部分的氧原子析出，其中，該鍍膜的鍍覆面積沿從該坩堝基底的口部至該坩堝基底的底部的方向逐漸減少。
第二方面，本發明實施例提供了一種拉晶爐，其包括根據第一方面的石英坩堝。
本發明實施例提供了用於生產單晶矽棒的石英坩堝和拉晶爐，其中，通過在該石英坩堝的內表面的一部分上鍍膜可以阻止該部分的氧原子析出，由於鍍膜的鍍覆面積是沿從坩堝基底的口部至坩堝基底的底部的方向逐漸減少的，在拉晶過程中從石英坩堝析出的氧原子逐漸增多。也就是說，當開始拉晶時，儘管此時石英坩堝內的熔體量較多，但由於鍍膜的存在，熔體與石英坩堝的接觸
面積較常規石英坩堝有所減少，這也使得最先被拉出的單晶矽棒的頭部部分的氧含量較使用常規石英坩堝拉製的單晶矽棒的頭部部分也有所減少，隨著拉晶過程的繼續，鍍膜的鍍覆面積減小使得剩餘熔體能夠逐步與石英坩堝充分接觸，因此，拉製出的單晶矽棒中的氧含量趨於接近使用常規石英坩堝拉製的單晶矽棒中的氧含量，從而達到使單晶矽棒整體的氧含量分佈均勻的目的。
1:拉晶爐
2:殼體
10:石英坩堝
10':石英坩堝
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
R:方向
T:方向
D:寬度
d:寬度
OP:口部
LA:鍍膜
PT:鍍膜條
DE:坩堝基底
BO:底部
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為根據本發明的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為根據本發明的另一實施例的石英坩堝的示意圖；圖6為根據本發明的實施例的拉晶爐的示意圖；以及圖7為示出了在使用常規石英坩堝拉製的單晶矽棒中和在使用本發明的實施例提供的石英坩堝拉製出的單晶矽棒中，氧的濃度與單晶矽棒的長度之間的關係的曲線圖。
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、設置在爐室內的石英坩堝10、石墨加熱器20、坩堝旋轉機構30和坩堝承載裝置40。石英坩堝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，用於驅動石英坩堝10繞自身的軸線沿方向R旋轉。
當使用拉晶爐1拉製單晶矽棒時，首先，將高純度的多晶矽原料放入石英坩堝10中，並在坩堝旋轉機構30驅動石英坩堝10沿方向R旋轉的同時通過石墨加熱器20對石英坩堝10不斷進行加熱，以將容置在石英坩堝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。
隨著拉晶步驟的進行，熔體S2逐步減少。如圖2所示，當拉製過程結束單晶矽棒S3與熔體S2完全分離時，石英坩堝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與石英坩堝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。
為了使單晶矽棒S3中的氧含量均勻，本發明的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製晶棒的石英坩堝10'，其特徵在於，該石英坩堝10'包括：由二氧化矽材質製成的坩堝基底DE；以及
鍍覆在該坩堝基底DE的內表面的一部分上的鍍膜LA，該鍍膜LA用於在拉製晶棒的過程中阻止該坩堝基底DE的被鍍覆的部分的氧原子析出，其中，該鍍膜LA的鍍覆面積沿從該坩堝基底的口部OP至該坩堝基底的底部BO的方向逐漸減少。
通過使用上述實施例中的石英坩堝10'，由於鍍膜LA的存在，熔體與石英坩堝10'的接觸面積較常規石英坩堝有所減少，這使得最先被拉出的單晶矽棒的頭部部分的氧含量與使用常規石英坩堝拉製的單晶矽棒的頭部部分相比也有所減少，隨著拉晶過程的繼續，鍍膜LA的鍍覆面積減小使得熔體能夠逐步與石英坩堝10'充分接觸，因此，拉製出的單晶矽棒中的氧含量趨於接近使用常規石英坩堝拉製的單晶矽棒中的氧含量，從而達到使單晶矽棒整體的氧含量分佈均勻的目的。
對於鍍膜LA的實現形式，可選地，該鍍膜LA以彼此間隔開的多個鍍膜條PT的形式分佈在該坩堝基底DE的該內表面上。
在本發明的一種實施例中，可選地，參見圖3，該多個鍍膜條PT中的每個鍍膜條從該坩堝基底DE的口部OP沿該內表面向下延伸至該坩堝基底DE的底部BO，其中，每個鍍膜條的寬度從該坩堝基底的口部OP沿該內表面向下逐漸減小。
具體而言，如圖3所示，每個鍍膜條在坩堝基底的口部處的寬度D大於在坩堝基底的底部處的寬度d。
在本發明的另一種實施例中，可選地，如圖4所示，該多個鍍膜條PT中的每個鍍膜條PT從該坩堝基底DE的口部OP沿該內表面向下延伸至該坩堝
基底DE的在豎向方向上的中間位置處。也就是說，在圖4所示的實施例中，坩堝基底DE的內表面的僅上半部分設置有鍍膜LA。
對於僅設置在坩堝基底的內表面的上半部分上的鍍膜，可選地，該多個鍍膜條中的至少一個鍍膜條的寬度從該坩堝基底的該口部沿該內表面向下逐漸減小。
可選地，如圖4所示，每個鍍膜條PT在坩堝基底的口部OP處的寬度D大於在坩堝基底DE的中部處的寬度d。
在圖2至圖4的實施例中，鍍膜LA呈縱向佈置在坩堝基底DE的內表面上的多個鍍膜條的形式，而在佈置有鍍膜條的位置處，石英坩堝無法與熔體發生反應，也就是說，與常規石英坩堝相比較，至少在熔體量較多的情況下，本發明實施例提供的石英坩堝與熔體接觸面積有所減小。因此在單晶矽棒的頭部拉製階段，氧濃度有所降低。
應當指出的是，鍍膜條的佈置並不限於上述實施例，在另一可選實施例中，參見圖5，多個鍍膜條PT中的每個鍍膜條PT呈環形形狀，其中，該環形形狀的中心線與該坩堝基底的旋轉軸線重合，並且該多個鍍膜條PT的中的每個鍍膜條寬度沿從該坩堝基底的該口部至該坩堝基底的該底部的方向依次減小。如圖5所示，位於坩堝基底的口部OP附近的鍍膜條PT的寬度D大於位於坩堝基底的中部處的寬度d。
為了生產具有高密度的體微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)的矽片，在矽片中摻雜有氮是非常有利的。舉例而言，在矽片中摻雜有氮的情況下，能夠促進以氮作為核心的BMD的形成，從而使BMD達到一定的密度，使BMD作為金屬吸雜源有效地發揮作用，而且還能夠對BMD的密度分佈產生有利影響，
比如使BMD的密度在矽片的徑向上的分佈更為均勻。作為使矽片中摻雜有氮的一種實現方式，可以使石英坩堝中的矽熔體中摻雜有氮，由此拉製出的單晶矽棒以及由單晶矽棒切割出的矽片中便會摻雜有氮。
鑒於上述情況，可選地，本發明實施例提供的石英坩堝上鍍覆的鍍膜是氮化矽膜。由此，不僅阻止了熔體與坩堝基底的內表面的一部分直接接觸，而且還促成了對單晶矽棒的氮摻雜，從而進一步促進單晶矽棒中氧濃度的均勻性。
與常規石英坩堝相比較，使用本發明的實施例提供的石英坩堝拉製出的單晶矽棒具有更為均勻的氧濃度，具體地，請參見圖6，其示出了在使用常規石英坩堝拉製的單晶矽棒中和在使用本發明的實施例提供的石英坩堝拉製出的單晶矽棒中，單晶矽棒內的氧的濃度與單晶矽棒的長度之間的關係的曲線圖，其中，實線代表使用常規石英坩堝拉製的單晶矽棒內的情況，虛線代表使用本發明的實施例提供的石英坩堝拉製出的單晶矽棒內的情況。通過比較可以看出，使用本發明的實施例提供的石英坩堝拉製出的單晶矽棒內的氧濃度隨著晶棒長度的增長並沒有發生明顯的變化，也就是說，從整體上看，單晶矽棒的氧濃度較為均勻。
參見圖7，本發明實施例還提供了一種拉晶爐1'，與常規拉晶爐的區別在於，該拉晶爐1'包括根據本發明的上述實施例提供的石英坩堝10'。
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。
10':石英坩堝
D:寬度
d:寬度
OP:口部
LA:鍍膜
PT:鍍膜條
DE:坩堝基底
BO:底部
Claims (8)
- 一種用於拉製晶棒的石英坩堝，該石英坩堝包括：由二氧化矽材質製成的坩堝基底；以及鍍覆在該坩堝基底的內表面的一部分上的鍍膜，該鍍膜用於在拉製晶棒的過程中阻止該坩堝基底的被鍍覆的部分的氧原子析出，其中，該鍍膜的鍍覆面積沿從該坩堝基底的口部至該坩堝基底的底部的方向逐漸減少。
- 如請求項1所述之用於拉製晶棒的石英坩堝，其中，該鍍膜以彼此間隔開的多個鍍膜條的形式分佈在該坩堝基底的該內表面上。
- 如請求項2所述之用於拉製晶棒的石英坩堝，其中，該多個鍍膜條中的每個鍍膜條從該坩堝基底的口部沿該內表面向下延伸至該坩堝基底的底部，其中，每個鍍膜條的寬度從該坩堝基底的口部沿該內表面向下逐漸減小。
- 如請求項2所述之用於拉製晶棒的石英坩堝，其中，該多個鍍膜條中的每個鍍膜條呈環形形狀，其中，該環形形狀的中心線與該坩堝基底的旋轉軸線重合，並且該多個鍍膜條的中的每個鍍膜條寬度沿從該坩堝基底的該口部至該坩堝基底的該底部的方向依次減小。
- 如請求項1所述之用於拉製晶棒的石英坩堝，其中，該鍍膜是氮化矽膜。
- 一種用於拉製晶棒的石英坩堝，該石英坩堝包括：由二氧化矽材質製成的坩堝基底；以及 鍍覆在該坩堝基底的內表面的一部分上的鍍膜，該鍍膜用於在拉製晶棒的過程中阻止該坩堝基底的被鍍覆的部分的氧原子析出，其中，該鍍膜以彼此間隔開的多個鍍膜條的形式分佈在該坩堝基底的該內表面上，並且該多個鍍膜條中的每個鍍膜條從該坩堝基底的口部沿該內表面向下延伸至該坩堝基底的在豎向方向上的中間位置處。
- 如請求項6所述之用於拉製晶棒的石英坩堝，其中，該多個鍍膜條中的至少一個鍍膜條的寬度從該坩堝基底的該口部沿該內表面向下逐漸減小。
- 一種拉晶爐，該拉晶爐包括根據請求項1所述之用於拉製晶棒的石英坩堝。
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