一种用于生产单晶硅棒的石英坩埚、坩埚组件及拉晶炉的制作方法

1.本发明涉及半导体硅片生产领域，尤其涉及一种用于生产单晶硅棒的石英坩埚、坩埚组件及拉晶炉。


背景技术：

2.用于生产集成电路等半导体电子元器件的硅片，主要通过将直拉(czochralski)法拉制的单晶硅棒切片而制造出。直拉法包括使由坩埚组件中的多晶硅熔化以获得硅熔体，将单晶晶种浸入硅熔体中，以及连续地提升晶种移动离开硅熔体表面，由此在移动过程中在相界面处生长出单晶硅棒。当添加有掺杂剂时，多晶硅熔化也伴随有掺杂剂的溶解，随着单晶硅棒的不断增长，石英坩埚中的熔体也不断的下降，当单晶硅棒拉制完成时，石英坩埚内仅剩余少量的熔体。
3.随着硅片品质的不断提高，对拉晶过程中的晶棒的晶体缺陷有了更高的管控要求。目前，影响晶体缺陷的其中两个主要因素在于拉晶工艺参数以及提供热场的部件的结构和性能，通过优化拉晶工艺参数能够改善晶棒的品质，提供热场的部件的结构和性能的好坏则是晶棒品质的先决条件。另外，提高热场的部件的性能也是晶棒品质提升的至关重要指标。由于对拉晶炉的拉晶环境要求的日渐严苛，对于提供热场的部件的性能和材质要求也逐渐提高，一般情况下，要求这些部件不仅能够耐高温，具有良好的热稳定性，而且纯度要高。
4.坩埚组件作为热场中最为重要的部件之一，一般分为内侧和外侧两个部分，位于内侧的石英坩埚用于盛放硅溶液，晶棒中的氧是从石英坩埚分解得来，外侧通常为石墨坩埚，起到支撑石英坩埚和传递热的作用。然而，使用现有的坩埚组件普遍存在的问题在于：石英坩埚将导致拉制的晶棒的氧分布不均匀，而且石墨坩埚的使用寿命较短。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供能够促进单晶硅棒中的氧浓度分布并且寿命较长的石英坩埚、坩埚组件和拉晶炉。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.第一方面，本发明实施例提供了一种石英坩埚，所述石英坩埚包括：底部部分；周向部分，所述周向部分包括径向内侧上的附加层；其中，所述附加层包括富氧层以及设置在所述富氧层上的硅基富氢层。
8.第二方面，本发明实施例提供了一种坩埚组件，所述坩埚组件包括：根据第一方面的石英坩埚；外部坩埚；其中，所述石英坩埚嵌套在所述外部坩埚中，所述外部坩埚用于支撑所述石英坩埚以及向所述石英坩埚传递热。
9.第三方面，本发明实施例提供了一种拉晶炉，所述拉晶炉包括根据第二方面的坩埚组件。
10.本发明实施例提供了用于生产单晶硅棒的石英坩埚、坩埚组件和拉晶炉，其中，石
英坩埚的径向内侧上形成有附加层，附加层包括富氧层和设置在富氧层上的硅基富氢层，在使用本发明实施例提供的石英坩埚、坩埚组件或拉晶炉生产单晶硅棒的过程中，石英坩埚的硅基富氢层将首先被分解并且分解出的氢将在对流的作用下浸入单晶硅棒中，由此可以抑制氧的析出，同时氢可以有效抑制单晶硅棒中缺陷的形核后进一步聚集长大以将该缺陷控制在较小尺寸并且可以很好地解决拉晶前期单晶硅棒局部氧偏高的问题，由此提高了晶棒的整体良率；而且随着硅基富氢层的减薄，富氧层暴露于硅溶液，大量的氧析出，提高了此时单晶硅棒中氧的浸入，进而提高了拉晶后期单晶硅棒末端处氧的含量，因此达到使单晶硅棒整体的氧含量分布均匀的目的。
附图说明
11.图1为常规拉晶炉的一种实现方式的示意图；
12.图2为图1的常规拉晶炉的另一示意图；
13.图3为根据本发明实施例的石英坩埚的示意图；
14.图4为根据本发明的另一实施例的石英坩埚的示意图；
15.图5为根据本发明实施例的坩埚组件的构示意图；
16.图6为根据本发明的另一实施例的坩埚组件的示意图；
17.图7为根据本发明的又一实施例的坩埚组件的示意图；
18.图8为根据本发明实施例的拉晶炉的示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.参见图1和图2，其示出了常规的拉晶炉的一种实现方式。如图1所示，拉晶炉1包括：由壳体2围成的炉室、设置在炉室内的坩埚组件10、石墨加热器20、坩埚旋转机构30和坩埚承载装置40。坩埚组件10由坩埚承载装置40承载，坩埚旋转机构30位于坩埚承载装置40的下方，用于驱动坩埚组件10绕自身的轴线沿方向r旋转。
21.当使用拉晶炉1拉制单晶硅棒时，首先，将高纯度的多晶硅原料放入坩埚组件10中，并在坩埚旋转机构40驱动坩埚组件10沿方向r旋转的同时通过石墨加热器20对坩埚组件10不断进行加热，以将容置在坩埚组件10中的多晶硅原料熔化成熔融状态，即熔化成熔体s2，其中，加热温度维持在大约一千多摄氏度，炉中的气体通常是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。当通过控制由石墨加热器20提供的热场将熔体s2的液面温度控制在结晶的临界点时，通过将位于液面上方的单晶籽晶s1从液面沿方向t向上提拉，熔体s2随着单晶籽晶s1的提拉上升按照单晶籽晶s1的晶向生长出单晶硅棒s3。
22.随着拉晶工艺的进行，熔体s2逐步减少。如图2所示，当拉制过程结束单晶硅棒s3与熔体s2完全分离时，坩埚组件10中仅剩余少量的熔体s2。由于在拉晶过程中熔体s2逐步减少，因此熔体s2与坩埚组件10的接触面积也逐渐减小，这将导致单晶硅棒s3中的氧含量不均匀，存在头高尾低的情况。另外，常规的坩埚组件一般由石墨坩埚以及嵌套在石墨坩埚内的石英坩埚构成，其中，石墨坩埚起到支撑石英坩埚和传递热的作用，然而，石墨材质的使用寿命较短，一般为30多炉就需要更换。
23.为了解决上述问题，第一方面，本发明实施例提出了一种石英坩埚。具体地，参见图3，本发明实施例提供了一种用于拉制晶棒的石英坩埚100，所述石英坩埚100包括：底部部分101；周向部分102，所述周向部分102包括径向内侧上的附加层103；其中，所述附加层103包括富氧层103a以及设置在所述富氧层103a上的硅基富氢层103b。
24.本发明实施例提供了一种石英坩埚；该石英坩埚的径向内侧上形成有附加层103，附加层103包括富氧层103a和设置在富氧层103a上的硅基富氢层103b，在使用本发明实施例提供的石英坩埚、坩埚组件或拉晶炉生产单晶硅棒的过程中，石英坩埚的硅基富氢层将首先被分解并且分解出的氢将在对流的作用下浸入单晶硅棒中，由此可以抑制氧的析出，同时氢可以有效抑制单晶硅棒中缺陷的形核后进一步聚集长大以将该缺陷控制在较小尺寸并且可以很好地解决拉晶前期单晶硅棒局部氧偏高的问题，由此提高了晶棒的整体良率；而且随着硅基富氢层的减薄，富氧层暴露于硅溶液，大量的氧析出，提高了此时单晶硅棒中氧的浸入，进而提高了拉晶后期单晶硅棒末端处氧的含量，因此达到使单晶硅棒整体的氧含量分布均匀的目的。
25.对于附加层的设置，优选地，参见图4，所述周向部分102包括直壁部分102a和位于所述直壁部分102a与所述底部部分101之间的圆弧壁部分102b，其中，所述附加层103设置在所述圆弧壁部分102b上。
26.在单晶硅棒的拉制过程中，因氧的分凝影响，单晶硅棒中的氧在长度方向呈现头部偏高、尾部偏低的状况，然而，通过使用根据本发明实施例提供的石英坩埚，由于在圆弧壁部分102b上形成有附加层，因此在拉晶过程的等径初期，圆弧壁部分102b处的硅基富氢层将首先被分解，以通过抑制圆弧壁部分102b处的氧析出而限制单晶硅棒中的缺陷在形核后进一步聚集长大，由此解决了等径初期因拉速波动引起的缺陷进一步长大的问题，以及所拉制出的单晶硅棒的头部氧偏高的问题，在等经后期，随着富氧层暴露，大量的氧析出，提高了此时单晶硅棒中氧的浸入，进而提高了单晶硅棒的末端的氧含量。
27.根据本发明实施例，石英坩埚100的各个部分的厚度可以不同，优选地，所述周向部分102的厚度大于所述底部部分101的厚度。
28.进一步，优选地，所述圆弧壁部分102b的厚度大于所述直壁部分102a的厚度。
29.根据本发明的优选实施例，所述直壁部分102a、所述圆弧壁部分102b和所述底部部分101的厚度比为：6∶8∶5。在拉制单晶硅棒的过程中，硅溶液会对石英坩埚的径向内侧进行冲刷，其中，硅溶液对圆弧壁部分的冲刷作用最为强烈，而对底部部分的冲刷作用最小，因此将圆弧壁部分的壁厚设置成最厚，而将底部部分的壁厚设置成最薄，由此可以在保证成本合理的前提下，优化石英坩埚的使用寿命。
30.第二方面，参见图5，本发明实施例提供了一种坩埚组件gs，所述坩埚组件gs包括：根据第一方面的石英坩埚100；外部坩埚200；其中，所述石英坩埚100嵌套在所述外部坩埚200中，所述外部坩埚200用于支撑所述石英坩埚100以及向所述石英坩埚100传递热。
31.为了更好地支撑石英坩埚100，优选地，参见图6，所述外部坩埚200包括在所述外部坩埚200的口部处沿水平方向径向向外地延伸的第一凸缘201，并且所述石英坩埚100包括在所述石英坩埚的口部处沿水平方向径向向外地延伸的第二凸缘104，所述第一凸缘201和所述第二凸缘104设置成当所述石英坩埚100嵌套在所述外部坩埚200中时，所述第二凸缘104搁置在所述第一凸缘201上。
32.参见图6，外部坩埚200呈大致筒形形状，在使用时，外部坩埚200用于接收来自加热器的热并均匀地传输给嵌套在外部坩埚200内侧的石英坩埚100，石英坩埚100再将热均匀地传输给容置在其中的硅溶液，由于石英坩埚在加热过程中会出现软化塌陷的情况，因此需要外部坩埚对其进行很好的支撑，根据本发明实施例，通过为外部坩埚200和石英坩埚100均设置位于口部的水平凸缘，并将二者的凸缘设置成当石英坩埚100嵌套在外部坩埚200中时石英坩埚100的凸缘搭接在外部坩埚200的凸缘上，实现了外部坩埚200对石英坩埚100的更好支撑，防止了石英坩埚100的软化塌陷。
33.为了使外部坩埚具有更优的使用寿命，优选地，所述外部坩埚200由碳纤维复合材料制成。
34.根据本发明的优选实施例，参见图7，所述外部坩埚200形成为底面为平面状的圆筒形形状，由此外部坩埚200可以更均匀地受热，并且也可以再将热均匀地传递给溶液，而且在旋转的过程中更加平稳，有效抑制硅溶液熔体的抖动。
35.第三方面，参见图8，本发明实施例提供了一种拉晶炉lf，所述拉晶炉lf包括根据上述第二方面的坩埚组件gs。
36.需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
37.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。