專利名稱：用于適用于半導(dǎo)體制造的硅的坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由無(wú)機(jī)材料、尤其氮化合的氮化硅制成的燒結(jié)塊(SinterkGrper)。
背景技術(shù)：
對(duì)于由純的氮化硅制成的坩堝(Tiegel)大致存在兩個(gè)應(yīng)用可行性。一個(gè)應(yīng)用是代替石墨窯具(Brermhilfsmittel)用于制造由氮化硅制成的窯具，該窯具在生產(chǎn)Si3N4構(gòu)件時(shí)使用，此外用于非鐵熔煉，例如鋁熔煉和硅熔煉。目前，在制造Si3N4構(gòu)件時(shí)，使用由石墨制成的坩堝和盤(pán)子。爐內(nèi)氣氛 (Ofenatmosphaere)很大程度上對(duì)于燒結(jié)產(chǎn)品的品質(zhì)負(fù)責(zé)。因?yàn)镾i3N4傾向于與石墨的碳起反應(yīng)，所以由石墨制成的燃燒盤(pán)(Brermplatte)和內(nèi)壁優(yōu)選地涂覆有昂貴的氮化硼(Bornitrid)，以便抑制該反應(yīng)。因此，特定的窯具、如用于制造由氮化硅制成的構(gòu)件的由氮化硅制成的坩堝或盤(pán)子是優(yōu)選的。目前，在光電學(xué)中為了拉拔單晶硅 (Siliziumeinkristall)也使用由石英制成的坩堝，該坩堝僅可使用一次。利用本發(fā)明追求用于多次使用的坩堝，以便與傳統(tǒng)的石英坩堝相比實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的提高。對(duì)于該問(wèn)題的解決方案為由氮化硅制成的坩堝。然而，由單件構(gòu)成的獨(dú)立式坩堝具有如下問(wèn)題，即，該坩堝在使用期間可能斷裂(rei β en)，這是因?yàn)榈枞缭S多陶瓷材料一樣對(duì)拉應(yīng)力敏感。此外，商業(yè)上所期望的基準(zhǔn)尺寸為大約70cm χ 70cm至大約90cmx 90cm尺寸的獨(dú)立式坩堝的制造是較困難，這是因?yàn)閷?duì)于這種體積大的生坯(Griink0rper)，燃燒爐必須顯著地設(shè)計(jì)為大尺寸。文件WO 2007/148986和文件WO 2007/148987示出由氮化硅制成的獨(dú)立式坩堝和用于制造的方法。通過(guò)在燃燒前組裝由多個(gè)彼此相接合的盤(pán)子構(gòu)成的坩堝并且利用特定的、低粘度的糊狀物(其在燒制反應(yīng)(Reaktionsbrand)之后一起得到由單個(gè)盤(pán)子構(gòu)成的獨(dú)立式坩堝)來(lái)密封，該文件解決困難的制造可行性的上述問(wèn)題。然而，在該結(jié)構(gòu)類型中，由于坩堝角緣(Tiegeleclckant)的高剛度而存在該風(fēng)險(xiǎn)，即，邊緣區(qū)域處于拉應(yīng)力下并且可能產(chǎn)生斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供新型坩堝，其可以以成本有利的方式來(lái)制造，其中，尤其在傳統(tǒng)的爐子中可在沒(méi)有大的死容積(Totvolumen)的情況下工作，并且其中，在使用時(shí)同時(shí)可避免坩堝的斷裂。該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求的坩堝來(lái)實(shí)現(xiàn)。至今設(shè)定，坩堝必須始終密封地封閉，以便防止液化的硅的流出并且由此防止損失或污染，這必須或者通過(guò)縫隙的特別的密封或者而氮化硅盤(pán)的緊密的彼此接合來(lái)引起?，F(xiàn)在令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，這不是必需的。首先，坩堝不必始終、而是僅在存在硅熔煉時(shí)緊密地閉合，這是因?yàn)榻雍峡p隙(FUgespalt)的縫隙寬度必須僅足夠小，以便防止粉末傾注(PulverschUttung)的侵入(Eindringen)。第二，不必存在完全的密封，這是因?yàn)橐簯B(tài)的硅由于其濕潤(rùn)特性(Benetzungsverhalten)及其表面應(yīng)力而表現(xiàn)不同于其它的流體(諸如水)，使得坩堝中的狹長(zhǎng)的、未封閉的接合縫隙(其似乎可作為膨脹縫(Dehrumgsfuge)起作用并且因此可防止斷裂)使得硅不流出成為可能，。因此，本發(fā)明基于如下構(gòu)思，S卩，將單個(gè)盤(pán)子如此地彼此接合成坩堝，使得接合縫隙首先通過(guò)材料的熱膨脹而閉合并且因此避免所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，其可能導(dǎo)致坩堝的破裂。此外，本發(fā)明基于如下構(gòu)思，即，接合縫隙在產(chǎn)生熔煉的硅時(shí)不必完全閉合，而是當(dāng)該接合縫隙足夠窄和長(zhǎng)使得液態(tài)的硅由于其濕潤(rùn)特性及其表面應(yīng)力不可流出時(shí)，則已足夠。由此引起，盤(pán)子由于自身的熱膨脹相互不受壓并且因此不產(chǎn)生所不期望的拉應(yīng)力，其導(dǎo)致坩堝或坩堝部件的斷裂或破裂。由此引起，根據(jù)本發(fā)明的坩堝可多次再利用。因此本發(fā)明涉及用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅的坩堝，其中，坩堝由多個(gè)構(gòu)件構(gòu)成并且具有至少一個(gè)不封閉的接合縫隙。對(duì)于在從1400°C至1600°C之間的范圍中的最大的使用溫度，接合縫隙具有通常大約0. 05mm至0. 5mm、有利地尤其0. Imm至0. 2mm的寬度。接合縫隙在俯視圖中可具有不同的形式，在最簡(jiǎn)單的情況中可實(shí)施為對(duì)接接頭 (stumpfer Stoss), W^1JftfeM^ 14 P (Gehrungsschnitt) (50) ^/ ) Π (Hinterschnitt) (60)或燕尾連接(ktiwalbensctiwanzverbindung)的變型(70)，為槽和彈簧連接或者為槽和彈簧連接的變型。圖3繪出這些接合縫隙的實(shí)施形式。對(duì)于帶有較小的絕對(duì)膨脹的坩堝， 作為對(duì)接接頭或直角的接合部位的連接是足夠的。對(duì)于更大的坩堝，接合縫隙的更復(fù)雜的實(shí)施形式是有利的。坩堝的構(gòu)件根據(jù)本發(fā)明由支罩保持成所希望的形式。在此，側(cè)壁和/或底部件可實(shí)施為單件或多件式，并且有利地還可彼此通過(guò)接合縫隙相連接。單個(gè)的側(cè)壁和底部件的相應(yīng)多件式實(shí)施形式對(duì)于更大的坩堝中有利的，尤其對(duì)于帶有在大約70cm χ 70cm至大約90cm χ 90cm的范圍中的基準(zhǔn)尺寸的商業(yè)上所期望的尺寸。坩堝壁和底部的多部分允許，必要的總膨脹分布在多個(gè)接合縫隙上，使得接合縫隙在室溫下不變得太大并且因此避免原料的侵入(Eindringen)，其例如可以作為粉末或顆粒傾注存在?？紤]到用于坩堝和支罩的材料、在粉末傾注中所出現(xiàn)的微粒大小和坩堝的尺寸，接合縫隙的形狀和寬度的匹配可以以簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行。對(duì)于本發(fā)明以及相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，在本發(fā)明中重要的是，坩堝或坩堝的壁不一定必須有助于結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性，這是因?yàn)樵摲€(wěn)定性在特別有利的設(shè)計(jì)方案中可由支罩引起。該支罩原理上可由所有的在適于熔煉硅的高溫中不損害其機(jī)械穩(wěn)定性并且不釋放逃脫的雜質(zhì)的材料制成。由于坩堝和支罩的構(gòu)件的不同的膨脹特性，當(dāng)它們由不同的材料制成時(shí)，縫隙寬度為兩種材料的熱膨脹系數(shù)的函數(shù)。
具體實(shí)施例方式對(duì)于支罩合適的材料例如為石墨或鉬。支罩不僅可以整體地而且可以多件式地實(shí)施。例如，坩堝可以由平狀的元件組裝而成，優(yōu)選的是該元件插入到石墨坩堝中。有利地也可應(yīng)用由L形型材構(gòu)成的框架以保持平狀的元件。有利地，本發(fā)明涉及用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅的坩堝，其由支罩(1)、至少一個(gè)底部元件O)以及以交替的次序的兩個(gè)側(cè)壁(3)和兩個(gè)側(cè)壁(4)構(gòu)成，其中，至少兩個(gè)側(cè)壁(4)在至少一個(gè)邊緣處如此地實(shí)現(xiàn)，使得它們與側(cè)壁C3)形成形狀配合的連接，其中，所有的側(cè)壁C3)和(4)對(duì)接地(stumpf)安放在底部元件上并且因此共同形成空腔(5)，并且所有的底部元件和側(cè)壁與支罩處于接觸中并由該支罩保持成形。

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的這類型的坩堝。在根據(jù)本發(fā)明的坩堝中，側(cè)壁 (3)和側(cè)壁(4)也可相應(yīng)具有相同的形狀。根據(jù)本發(fā)明的坩堝也可這樣設(shè)計(jì)，使得至少兩個(gè)側(cè)壁(4)在至少一個(gè)邊緣處具有階梯，其抓住在至少一個(gè)側(cè)壁C3)的邊緣上并且與側(cè)壁C3)的邊緣形成形狀配合。側(cè)壁(3) 和側(cè)壁(4)彼此可通過(guò)斜口相連接。側(cè)壁(3)和/或側(cè)壁(4)的邊緣可這樣剪切，使得在由側(cè)壁⑶和⑷形成的角落與支罩(1)的角落之間構(gòu)造有空腔(5)。在根據(jù)本發(fā)明的坩堝中，側(cè)壁(3)和的面對(duì)接地安放在底部元件(2)上并且具有對(duì)于面法線的這樣的角度，即，壁元件形成等腰梯形，其中，上部和下部的側(cè)緣彼此平行地伸延并且側(cè)緣形成全等角。有利地，側(cè)壁( 和(4)及底部元件( 在不應(yīng)用密封膠的情況下進(jìn)行組裝。在根據(jù)本發(fā)明的在圖1中繪出的坩堝中，如果至少兩個(gè)側(cè)壁(4)在兩個(gè)相面對(duì)的邊緣處具有階梯(其相應(yīng)抓住在側(cè)壁C3)的邊緣上并且與側(cè)壁C3)的邊緣形成形狀配合)， 則兩個(gè)側(cè)壁( 和兩個(gè)側(cè)壁以交錯(cuò)的次序布置?？紤]到商業(yè)上所期望的坩堝(基準(zhǔn)尺寸為大約70cm χ 70cm至大約90cm χ 90cm) 的上面所描述的尺寸，有意義的是，底部元件O)由多個(gè)底部件構(gòu)成并且/或者側(cè)壁(3)由多個(gè)側(cè)部件(30)構(gòu)成。在根據(jù)本發(fā)明的這種坩堝中，側(cè)壁(4)同樣可由多個(gè)側(cè)部件GO)構(gòu)成。在根據(jù)本發(fā)明的坩堝中，通過(guò)對(duì)接接頭、斜口(50)、底切口(60)或燕尾連接的變型(70)，底部元件(2)或側(cè)壁的底部件(20)和/或側(cè)部件(30)和/或側(cè)部件(40)相應(yīng)可彼此相連接。這種坩堝在圖2中繪出。有利地，支罩可為石墨坩堝。相當(dāng)特別有利地，所有的部件由含氮化物的氮化硅(NSN)制成。此外，本發(fā)明涉及如上文描述的用于制造坩堝的方法，該坩堝用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅，該方法具有以下步驟-混合氮化硅粉末與硅粉末及必要時(shí)有機(jī)粘合劑，以便獲得粉末混合物；-使由粉末混合物制成的生坯成形，其得到側(cè)壁(3)、⑷、底部元件(2)、側(cè)部件 (30)、(40)或底部件(20)；-必要時(shí)機(jī)加工生坯；-必要時(shí)在氮環(huán)境中熱處理經(jīng)機(jī)加工的生坯，其中，生坯通過(guò)硅粉末的氮化被轉(zhuǎn)化成含氮的氮化硅。根據(jù)該方法，粉末混合物關(guān)于粉末的無(wú)機(jī)的固態(tài)成分有利地含有20至35% (重量百分?jǐn)?shù))的硅粉末，關(guān)于粉末的無(wú)機(jī)的固態(tài)成分含有帶有D50 < Ι.Ομπι的粒子分布 (Korngroessenverteilung)的80至65% (重量百分?jǐn)?shù))的氮化硅粉末，并且含有以粉末混合物的有機(jī)固體的3至10% (重量百分?jǐn)?shù))的含量的至少一種有機(jī)粘合劑。生坯的成形通常可通過(guò)傳統(tǒng)的陶瓷的成型方法(如濕壓(Nai3 pressen)、粉漿澆鑄(Schlickergie^en))或有利地通過(guò)干壓CTrockenpressen)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在該用于制造根據(jù)本發(fā)明的坩堝的方法中，所獲得的側(cè)壁(3)、0)、底部元件 O)、側(cè)部件(30) “40)或底部件00)在支罩(1)中接下來(lái)如此布置，使得這些部件形成坩禍。此外，本發(fā)明涉及用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅的方法，該方法具有以下步驟-提供根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝；-使適用于半導(dǎo)體制造的硅和可選地還有在坩堝中的冶金的硅材料結(jié)晶。在該用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅的方法中，坩堝的壁可至少部分地利用石墨或碳來(lái)絕緣。
權(quán)利要求
1.一種用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅的坩堝，其特征在于，所述坩堝由多個(gè)構(gòu)件構(gòu)成并且具有至少一個(gè)不封閉的接合縫隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅的坩堝，它由支罩(1)、至少一個(gè)底部元件O)以及以交替的次序的兩個(gè)側(cè)壁C3)和兩個(gè)側(cè)壁(4)構(gòu)成，其中，至少兩個(gè)側(cè)壁(4)在至少一個(gè)邊緣處如此地實(shí)現(xiàn)，使得它們與所述側(cè)壁(3)形成形狀配合的連接，其中，所有的側(cè)壁⑶和⑷對(duì)接地安放在所述底部元件上并且因此共同形成空腔(5)，并且所有的底部元件和側(cè)壁與所述支罩處于接觸中并由所述支罩保持成形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的坩堝，其特征在于，所述側(cè)壁(3)和側(cè)壁(4)相應(yīng)具有相同的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，至少兩個(gè)側(cè)壁(4) 在至少一個(gè)邊緣處具有階梯，所述階梯抓住在至少一個(gè)側(cè)壁(3)的邊緣上并且與所述側(cè)壁(3)的邊緣形成形狀配合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述側(cè)壁C3)和側(cè)壁(4)彼此通過(guò)斜口相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述側(cè)壁(3)和/或側(cè)壁的邊緣這樣剪切，使得在由所述側(cè)壁C3)和側(cè)壁(4)形成的角落與所述支罩(1) 的角落之間構(gòu)造有空腔(5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，對(duì)接地安放在所述底部元件( 上的所述側(cè)壁C3)和(4)的面具有對(duì)于面法線的這樣的角度，即，所述壁元件形成等腰梯形，其中，上部和下部的側(cè)緣彼此平行地伸延并且所述側(cè)緣形成全等角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述側(cè)壁C3)和(4) 及所述底部元件( 在不應(yīng)用密封膠的情況下接合在一起。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述兩個(gè)側(cè)壁(3) 和兩個(gè)側(cè)壁(4)以交替的次序布置，其中，至少兩個(gè)側(cè)壁(4)在兩個(gè)相面對(duì)的邊緣處具有階梯，所述階梯相應(yīng)通過(guò)側(cè)壁(3)的邊緣相接合并且與所述側(cè)壁(3)的邊緣形成形狀配合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述底部元件(2) 由多個(gè)底部件構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述側(cè)壁(3)由多個(gè)側(cè)部件(30)構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述側(cè)壁(4)由多個(gè)側(cè)部件GO)構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述底部元件(2) 或所述側(cè)壁的底部件00)和/或側(cè)部件(30)和/或側(cè)部件GO)通過(guò)對(duì)接接頭、斜口(50)、 底切口(60)或燕尾連接的變型(70)相應(yīng)彼此相連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所述支罩為石墨坩禍。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，所有的部件由含氮化物的氮化硅(NSN)制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝，其特征在于，對(duì)于在從1400°C至1600°C之間的范圍中的最大的使用溫度，所述接合縫隙具有大約Imm或更小的寬度，有利地 0. 05mm 至 0. 5mm,尤其 0. Imm 至 0. 2mm。
17.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的坩堝的方法，其具有以下步驟-混合氮化硅粉末與硅粉末及必要時(shí)有機(jī)粘合劑，以便獲得粉末混合物；-使由粉末混合物制成的生坯成形，所述生坯得到所述側(cè)壁(3) “4)、底部元件O)、側(cè)部件(30)、(40)或底部件(20)；-必要時(shí)機(jī)加工所述生坯；-必要時(shí)在氮環(huán)境中熱處理經(jīng)機(jī)加工的所述生坯，其中，所述生坯通過(guò)所述硅粉末的氮化被轉(zhuǎn)化成含氮的氮化硅。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述粉末混合物關(guān)于粉末的無(wú)機(jī)的固態(tài)成分含有20至35%重量百分?jǐn)?shù)的硅粉末，關(guān)于粉末的無(wú)機(jī)的固態(tài)成分含有帶有D50 < l.Oym的粒子分布的80至65%重量百分?jǐn)?shù)的氮化硅粉末，并且含有以所述粉末混合物的有機(jī)固體的3至10%重量百分?jǐn)?shù)的含量的至少一種有機(jī)粘合劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述生坯的成形通過(guò)干壓實(shí)現(xiàn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18至19中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述側(cè)壁(3)、 G)、底部元件O)、側(cè)部件(30)、(40)或底部件00)在支罩(1)中這樣布置，使得這些部件得到所述坩堝。
21.一種用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅的方法，其具有以下步驟-提供根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的坩堝；-使適用于半導(dǎo)體制造的硅和可選地還有在所述坩堝中的冶金的硅材料結(jié)晶。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述坩堝的壁至少部分地利用石墨或碳來(lái)絕緣。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造坩堝的燒結(jié)塊，坩堝用于制造適用于半導(dǎo)體制造的硅，其中，坩堝由多個(gè)構(gòu)件構(gòu)成并且具有至少一個(gè)不封閉的接合縫隙。
文檔編號(hào)C30B29/06GK102388169SQ201080016907
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者F·阿茨貝格爾, R·瓦格納 申請(qǐng)人:H.C.施塔克股份有限公司