專利名稱：石英坩堝及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種石英坩堝及制造該石英坩堝的方法。
背景技術：
在根據(jù)提拉(Cz，Czochralski)法的單晶生長工藝中，將籽晶浸在容納于石英坩堝中的硅熔體中，然后旋轉籽晶繩(seed cable)，緩慢向上移動以通過固液界面生長出單
晶,定。用于進行提拉法的單晶生長裝置通常包括石英坩堝、包圍并支撐石英坩堝的坩堝支座、設置在坩堝支座外側向石英坩堝提供輻射熱量的加熱器、設置在生長的單晶錠和石英坩堝之間以包圍單晶錠并阻止熱流從硅熔體向上排出的隔熱罩、以及支撐坩堝支座下部的支架。特別地，單晶生長裝置的石英坩堝是一種使多晶硅源材料熔化形成硅熔體的容器，因此，要求石英坩堝的雜質含量少，高溫時物理變形小。通常，石英坩堝包括無氣泡的透明內層以及設置在內層外側的外層。容納空間設置在內層的內側，石英坩堝具有開放的上表面。當石英坩堝長時間保持在約1450°C至1500°C的高溫時，石英坩堝被軟化，以致其上部彎曲導致產(chǎn)量嚴重減少。例如，如圖1所示，高溫變形的石英坩堝的邊緣R’的A部分比正常狀態(tài)的邊緣R更向坩堝的內側彎曲，進而擾亂單晶硅生長工藝。如圖2所示，石英坩堝10的上部(用圓指示)彎曲時，石英坩堝10和隔熱罩13相互干擾，工藝條件發(fā)生改變，以致難以進行工藝。因此浪費了石英坩堝10中的硅熔體。此時，難以固化硅熔體，并很難將固化硅從生長裝置中取出來，因為包圍石英坩堝10的坩堝支座11或支撐石英坩堝10的支架14可能會由于硅固體的體積膨脹而受損。因此，為了將硅熔體從生長裝置中取出來，生長幾次極短的晶錠，并逐漸減少硅熔體的量，然后固化石英坩堝10中剩余的殘留熔體。這些工藝花費的時間較長，成本高且危險，可能會引起事故。當石英坩堝10的上部彎曲且石英坩堝10與隔熱罩13接觸時，生成石墨顆粒。石墨顆粒落到硅熔體的表面上損壞正在生長的單晶，從而破壞單晶結構。此外，石英坩堝長時間保持高溫時，石英坩堝側面的一部分可能會凹陷，如圖3所示。在這種情況下，破壞了石英坩堝的溫度分布對稱性，從而由于熱沖擊而破壞單晶結構。此外，為了生長優(yōu)質單晶，通常將羥基(0H-)引入二氧化硅，使得在形成石英坩堝的內表面的過程中將雜質濃度保持在IOOppb (十億分之一)或更低。此時，降低了坩堝的粘度，使坩堝嚴重凹陷。

發(fā)明內容
技術問題實施例提供一種高強度石英坩堝，其包括具有改良成分的外層，以防止由于生長單晶的高溫工藝而導致坩堝本體彎曲凹陷，以及一種制造該高強度石英坩堝的方法。問題的解決方案在一個實施例中，一種單晶生長裝置用石英坩堝包括含有二氧化硅的內層；以及含有二氧化硅且設置在內層外側以包圍所述內層的外層，其中在所述外層的二氧化硅中添加有氮。在另一個實施例中，一種制造石英坩堝的方法包括通過將天然硅砂放入坩堝模具中，然后熔化該天然硅砂，從而形成外層；通過將合成硅砂放入坩堝模具中，然后熔化該合成硅砂，從而在外層的內側形成內層，其中形成所述外層時加入氮。在附圖和下面的描述中闡明了一個或多個實施例的細節(jié)。其他特征根據(jù)說明書和附圖以及權利要求是顯而易見的。本發(fā)明的有益效果根據(jù)實施例的石英坩堝及其制造方法提供了強度高、耐久性好、石英坩堝外層的粘度高等物理性質，因此可以防止高溫加熱導致的石英坩堝的上部的物理變形(彎曲、凹陷及剝落)，且內層可以保持雜質濃度在大約IOOppb或更低，從而制造優(yōu)質單晶。此外，利用提拉法將實施例應用于晶錠生長工藝時，可提高單晶的產(chǎn)量，防止石英坩堝及隔熱罩之間發(fā)生摩擦，從而防止事故。


圖1是示出相關技術中石英坩堝上部彎曲的平面圖；圖2是示出相關技術中單晶生長裝置中的石英坩堝上部彎曲的剖視圖；圖3是示出相關技術中石英坩堝的側面凹陷的圖像；圖4是示出根據(jù)實施例的單晶生長裝置的示意圖；圖5是示出根據(jù)實施例的高強度石英坩堝的剖視圖；圖6是示出根據(jù)實施例的制造高強度石英坩堝的工藝的流程圖。
具體實施例方式下面，將參照附圖對實施例進行詳細說明。在實施例的描述中，應理解當晶片、裝置、夾頭、構件、部件、區(qū)域或表面是指位于另一晶片、裝置、夾頭、構件、部件、區(qū)域或表面“上/上方”或“下方”時，可以直接位于另一個上，或也可能存在居間件(intervening ones)。進一步地，將基于附圖談到位于每層上和下方。在附圖中，為方便描述和清楚起見，放大、省略或示意性地示出每層的厚度或大小。同樣，每個構件的大小不能完全反應實際大小。圖4是示出根據(jù)實施例的單晶生長裝置的示意圖。圖5是示出根據(jù)實施例的高強度石英坩堝的剖視圖。參照圖5，根據(jù)當前實施例的高強度石英坩堝120可包括無氣泡的透明內層122， 含氮的不透明外層121，以及設置在內層122內側的容納空間。高強度石英坩堝120可具有開放的上表面。高強度石英坩堝120用在利用提拉(Cz)法生長硅單晶的生長裝置中。硅熔體可容納在高強度石英坩堝120中。參照圖4，現(xiàn)在根據(jù)當前實施例對單晶生長裝置進行說明。根據(jù)當前實施例的硅單晶生長裝置100可包括腔體110，坩堝120，加熱器130及升降構件150。例如，單晶生長裝置100可包括腔體110，設置在腔體110中容納硅熔體的坩堝 120，設置在腔體110中加熱坩堝120的加熱器130，以及一端與籽晶152連接的升降構件 150。腔體110為預定工藝提供空間，在該空間中生長用于硅晶片的單晶錠以用于電子部件如半導體。輻射絕緣體140可安裝在腔體110的內壁上，防止熱量從加熱器130散發(fā)到腔體 110的側壁。在當前實施例中，在生長硅單晶時，可調整旋轉坩堝120中的各種參數(shù)如壓力條件，以控制氧氣濃度。例如，將氬氣注入單晶生長裝置的腔體中并排放至下側以控制氧氣濃度。坩堝120可設置在腔體110中以包含硅熔體(SM)，且坩堝120可由石英構成。由石墨構成的坩堝支座125可設置在坩堝120外側以支撐坩堝120。將坩堝支座125固定到驅動構件(未示出)轉動的轉軸127上，以旋轉并垂直移動坩堝120，使固液界面可保持在相同高度。加熱器130可設置在腔體110中，以加熱坩堝120。例如，加熱器130可以是圓柱形以包圍坩堝支座125。加熱器130使堆積在坩堝120中的高純度多晶硅塊熔化形成硅熔體。在一個實施例中，提拉法用于生長硅單晶錠。在提拉法中，將單晶籽晶浸在硅熔體中，然后緩慢上拉以生長晶體。根據(jù)提拉法，按順序進行由籽晶生長薄長晶體的縮頸工藝，沿徑向方向生長晶體以具有靶直徑的放肩工藝，生長晶體以具有恒定直徑的本體生長工藝，以及緩慢減小晶體的直徑以便從硅熔體中移除晶體的收尾工藝，從而完成單晶生長。坩堝120的內層122可由從坩堝120的內表面至大約IOmm的深度的高純度的無氣泡的透明合成二氧化硅(SiO2)層構成。內層122的雜質濃度大約為IOOppb或更低，便于生長優(yōu)質單晶，但本發(fā)明不限于此。坩堝120的外層121可由含氣泡的天然二氧化硅層構成，以提高耐久性，且抑制了熔體振動。由于外層121因氣泡的緣故是不透明的，因此外層121可擴散熱輻射。在外層121中添加氮(N)成分，以提高強度、耐久性、粘度等物理性質。例如，由于Si-N鍵比Si-O鍵的共價鍵特性強，因此外層121的玻璃化轉變點高、密度高、維氏硬度 (Vicker hardness)高、粘度高、彈性高、化學耐久性好，熱膨脹系數(shù)低。特別地，當?shù)繛榇蠹s1原子％到15原子％時，可明顯改善很大程度上影響石英坩堝彎曲或凹陷的硬度、粘度、或彈性等物理性質。根據(jù)實施例，由于如上配置的高強度石英坩堝包括外層121，雖然加熱器在單晶生長過程中將高溫輻射熱量施加給石英坩堝，但可保持熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性， 因此可以防止坩堝上部彎曲或凹陷。圖6是示出根據(jù)實施例的制造高強度石英坩堝的工藝的流程圖。可通過將對應于石英坩堝的坩堝模具設置在腔體中，然后利用硅砂作為源材料進行氬(Ar)熔合工藝以順序形成外層121和內層122來制造高強度石英坩堝。例如，在操作SlOO中形成外層121時，將天然硅砂放入坩堝模具中，加入具有較強共價鍵特性的氮，將天然硅砂和氮熔化形成含氣泡的透明外層121。此時，將氮以約1原子％至約15原子％的濃度加入濃度為約至約50%的Ar 氣氛中。根據(jù)另一實施例，氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)、氮化鈣(Ca3N2)或氮化鋰(Li3N) 與天然硅砂混合，以添加含量為約1原子％至約15原子％的氮。接下來，在操作SllO中形成內層122時，可將合成硅砂放入坩堝模具中熔化，以在外層121的內側形成厚度為約3mm至約15mm的透明內層122。通過控制氣流并排氣，內層 122可具有從坩堝的內表面向下至大約IOmm的深度的無氣泡的高純度結構。根據(jù)當前實施例，在形成內層122時，為了將內層122的雜質濃度設置為大約 IOOppb或更低以生長優(yōu)質單晶，將羥基(0H-)以約30ppma至約IOOppma的濃度引入合成硅砂。雖然引入了羥基(0H-)，但外層121中包括的氮成分將石英坩堝保持在高粘度、高彈性的狀態(tài)下，因此即便在長時間高溫條件下也可防止凹陷。根據(jù)實施例的石英坩堝及其制造方法提供了強度高、耐久性好、石英坩堝外層的粘度高等物理性質，因此可以防止高溫加熱導致的石英坩堝的上部的物理變形(彎曲、凹陷及剝落)，且內層可以保持雜質濃度在大約IOOppb或更低，從而制造優(yōu)質單晶。此外，利用提拉法將實施例應用于晶錠生長工藝時，可提高單晶的產(chǎn)量，防止石英坩堝及隔熱罩之間發(fā)生摩擦，從而防止事故。工業(yè)實用性此外，利用提拉法將實施例應用于晶錠生長工藝時，可提高單晶的產(chǎn)量，但本發(fā)明不限于此。雖然已參照其多個說明性實施例對實施例進行了說明，但應理解本領域技術人員可設計出許多其他修改和實施例，這些修改和實施例落入本發(fā)明原則的精神及范圍內。更特別地，在本發(fā)明、附圖及所附權利要求的范圍內，本主題組合配置的組成部分和/或配置可以進行多種變化和修改。除組成部分和/或配置的變化和修改外，對于本領域技術人員來說，其他使用同樣是顯而易見的。
權利要求
1.一種單晶生長裝置用石英坩堝，所述石英坩堝包括含有二氧化硅的內層；以及含有二氧化硅且設置在所述內層外側以包圍所述內層的外層，其中在所述外層的所述二氧化硅中添加有氮。
2.根據(jù)權利要求1所述的石英坩堝，其中所述內層包括透明層。
3.根據(jù)權利要求1所述的石英坩堝，其中所述外層包括不透明層。
4.根據(jù)權利要求1所述的石英坩堝，其中所述內層包括從所述石英坩堝的內表面向下至大約IOmm的深度的無氣泡的合成二氧化硅層。
5.根據(jù)權利要求1所述的石英坩堝，其中所述外層包括具有氣泡的天然二氧化硅層。
6.根據(jù)權利要求1所述的石英坩堝，其中所述外層的氮含量為約1原子％至約15原子％。
7.根據(jù)權利要求1所述的石英坩堝，其中所述內層的雜質濃度大約為IOOppb或更低。
8.—種制造石英坩堝的方法，所述方法包括通過將天然硅砂放入坩堝模具中，然后熔化所述天然硅砂，從而形成外層；通過將合成硅砂放入所述坩堝模具中，然后熔化所述合成硅砂，從而在所述外層的內側形成內層，其中形成所述外層時加入氮。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述內層包括透明層，所述外層包括不透明層。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中形成所述外層時，將所述氮以約1原子％至約15 原子％的含量加入濃度為約至約50%的氬氣(Ar)氣氛中。
11.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中形成所述外層時，氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)、 氮化鈣(Ca3N2)和氮化鋰(Li3N)中的至少一種與所述天然硅砂混合，以添加含量為約1原子％至約15原子％的所述氮。
12.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中形成所述內層時，所述內層的厚度為約3mm至約 15mm0
13.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中形成所述內層時，將羥基(0H-)以約30ppma至約 IOOppma的濃度引入所述合成硅砂，使得所述內層的雜質濃度大約為IOOppb或更低。
全文摘要
提供了一種石英坩堝及制造該石英坩堝的方法。所述石英坩堝用在單晶生長裝置中。所述石英坩堝包括含有二氧化硅的內層，以及含有二氧化硅且設置在內層外側以包圍所述內層的外層，其中在所述外層的二氧化硅中添加有氮。
文檔編號C03B19/09GK102575377SQ201080045290
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權日2009年10月6日
發(fā)明者崔日洙, 文智勛, 金奉佑, 金度延 申請人:Lg矽得榮株式會社