专利名称：石英坩埚及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种石英坩埚及制造该石英坩埚的方法。
背景技术：
在根据提拉(Cz，Czochralski)法的单晶生长工艺中，将籽晶浸在容纳于石英坩埚中的硅熔体中，然后旋转籽晶绳(seed cable)，缓慢向上移动以通过固液界面生长出单
晶,定。用于进行提拉法的单晶生长装置通常包括石英坩埚、包围并支撑石英坩埚的坩埚支座、设置在坩埚支座外侧向石英坩埚提供辐射热量的加热器、设置在生长的单晶锭和石英坩埚之间以包围单晶锭并阻止热流从硅熔体向上排出的隔热罩、以及支撑坩埚支座下部的支架。特别地，单晶生长装置的石英坩埚是一种使多晶硅源材料熔化形成硅熔体的容器，因此，要求石英坩埚的杂质含量少，高温时物理变形小。通常，石英坩埚包括无气泡的透明内层以及设置在内层外侧的外层。容纳空间设置在内层的内侧，石英坩埚具有开放的上表面。当石英坩埚长时间保持在约1450°C至1500°C的高温时，石英坩埚被软化，以致其上部弯曲导致产量严重减少。例如，如图1所示，高温变形的石英坩埚的边缘R’的A部分比正常状态的边缘R更向坩埚的内侧弯曲，进而扰乱单晶硅生长工艺。如图2所示，石英坩埚10的上部(用圆指示)弯曲时，石英坩埚10和隔热罩13相互干扰，工艺条件发生改变，以致难以进行工艺。因此浪费了石英坩埚10中的硅熔体。此时，难以固化硅熔体，并很难将固化硅从生长装置中取出来，因为包围石英坩埚10的坩埚支座11或支撑石英坩埚10的支架14可能会由于硅固体的体积膨胀而受损。因此，为了将硅熔体从生长装置中取出来，生长几次极短的晶锭，并逐渐减少硅熔体的量，然后固化石英坩埚10中剩余的残留熔体。这些工艺花费的时间较长，成本高且危险，可能会引起事故。当石英坩埚10的上部弯曲且石英坩埚10与隔热罩13接触时，生成石墨颗粒。石墨颗粒落到硅熔体的表面上损坏正在生长的单晶，从而破坏单晶结构。此外，石英坩埚长时间保持高温时，石英坩埚侧面的一部分可能会凹陷，如图3所示。在这种情况下，破坏了石英坩埚的温度分布对称性，从而由于热冲击而破坏单晶结构。此外，为了生长优质单晶，通常将羟基(0H-)引入二氧化硅，使得在形成石英坩埚的内表面的过程中将杂质浓度保持在IOOppb (十亿分之一)或更低。此时，降低了坩埚的粘度，使坩埚严重凹陷。
发明内容
技术问题实施例提供一种高强度石英坩埚，其包括具有改良成分的外层，以防止由于生长单晶的高温工艺而导致坩埚本体弯曲凹陷，以及一种制造该高强度石英坩埚的方法。问题的解决方案在一个实施例中，一种单晶生长装置用石英坩埚包括含有二氧化硅的内层；以及含有二氧化硅且设置在内层外侧以包围所述内层的外层，其中在所述外层的二氧化硅中添加有氮。在另一个实施例中，一种制造石英坩埚的方法包括通过将天然硅砂放入坩埚模具中，然后熔化该天然硅砂，从而形成外层；通过将合成硅砂放入坩埚模具中，然后熔化该合成硅砂，从而在外层的内侧形成内层，其中形成所述外层时加入氮。在附图和下面的描述中阐明了一个或多个实施例的细节。其他特征根据说明书和附图以及权利要求是显而易见的。本发明的有益效果根据实施例的石英坩埚及其制造方法提供了强度高、耐久性好、石英坩埚外层的粘度高等物理性质，因此可以防止高温加热导致的石英坩埚的上部的物理变形(弯曲、凹陷及剥落)，且内层可以保持杂质浓度在大约IOOppb或更低，从而制造优质单晶。此外，利用提拉法将实施例应用于晶锭生长工艺时，可提高单晶的产量，防止石英坩埚及隔热罩之间发生摩擦，从而防止事故。
图1是示出相关技术中石英坩埚上部弯曲的平面图；图2是示出相关技术中单晶生长装置中的石英坩埚上部弯曲的剖视图；图3是示出相关技术中石英坩埚的侧面凹陷的图像；图4是示出根据实施例的单晶生长装置的示意图；图5是示出根据实施例的高强度石英坩埚的剖视图；图6是示出根据实施例的制造高强度石英坩埚的工艺的流程图。
具体实施例方式下面，将参照附图对实施例进行详细说明。在实施例的描述中，应理解当晶片、装置、夹头、构件、部件、区域或表面是指位于另一晶片、装置、夹头、构件、部件、区域或表面“上/上方”或“下方”时，可以直接位于另一个上，或也可能存在居间件(intervening ones)。进一步地，将基于附图谈到位于每层上和下方。在附图中，为方便描述和清楚起见，放大、省略或示意性地示出每层的厚度或大小。同样，每个构件的大小不能完全反应实际大小。图4是示出根据实施例的单晶生长装置的示意图。图5是示出根据实施例的高强度石英坩埚的剖视图。参照图5，根据当前实施例的高强度石英坩埚120可包括无气泡的透明内层122， 含氮的不透明外层121，以及设置在内层122内侧的容纳空间。高强度石英坩埚120可具有开放的上表面。高强度石英坩埚120用在利用提拉(Cz)法生长硅单晶的生长装置中。硅熔体可容纳在高强度石英坩埚120中。参照图4，现在根据当前实施例对单晶生长装置进行说明。根据当前实施例的硅单晶生长装置100可包括腔体110，坩埚120，加热器130及升降构件150。例如，单晶生长装置100可包括腔体110，设置在腔体110中容纳硅熔体的坩埚 120，设置在腔体110中加热坩埚120的加热器130，以及一端与籽晶152连接的升降构件 150。腔体110为预定工艺提供空间，在该空间中生长用于硅晶片的单晶锭以用于电子部件如半导体。辐射绝缘体140可安装在腔体110的内壁上，防止热量从加热器130散发到腔体 110的侧壁。在当前实施例中，在生长硅单晶时，可调整旋转坩埚120中的各种参数如压力条件，以控制氧气浓度。例如，将氩气注入单晶生长装置的腔体中并排放至下侧以控制氧气浓度。坩埚120可设置在腔体110中以包含硅熔体(SM)，且坩埚120可由石英构成。由石墨构成的坩埚支座125可设置在坩埚120外侧以支撑坩埚120。将坩埚支座125固定到驱动构件(未示出)转动的转轴127上，以旋转并垂直移动坩埚120，使固液界面可保持在相同高度。加热器130可设置在腔体110中，以加热坩埚120。例如，加热器130可以是圆柱形以包围坩埚支座125。加热器130使堆积在坩埚120中的高纯度多晶硅块熔化形成硅熔体。在一个实施例中，提拉法用于生长硅单晶锭。在提拉法中，将单晶籽晶浸在硅熔体中，然后缓慢上拉以生长晶体。根据提拉法，按顺序进行由籽晶生长薄长晶体的缩颈工艺，沿径向方向生长晶体以具有靶直径的放肩工艺，生长晶体以具有恒定直径的本体生长工艺，以及缓慢减小晶体的直径以便从硅熔体中移除晶体的收尾工艺，从而完成单晶生长。坩埚120的内层122可由从坩埚120的内表面至大约IOmm的深度的高纯度的无气泡的透明合成二氧化硅(SiO2)层构成。内层122的杂质浓度大约为IOOppb或更低，便于生长优质单晶，但本发明不限于此。坩埚120的外层121可由含气泡的天然二氧化硅层构成，以提高耐久性，且抑制了熔体振动。由于外层121因气泡的缘故是不透明的，因此外层121可扩散热辐射。在外层121中添加氮(N)成分，以提高强度、耐久性、粘度等物理性质。例如，由于Si-N键比Si-O键的共价键特性强，因此外层121的玻璃化转变点高、密度高、维氏硬度 (Vicker hardness)高、粘度高、弹性高、化学耐久性好，热膨胀系数低。特别地，当氮含量为大约1原子％到15原子％时，可明显改善很大程度上影响石英坩埚弯曲或凹陷的硬度、粘度、或弹性等物理性质。根据实施例，由于如上配置的高强度石英坩埚包括外层121，虽然加热器在单晶生长过程中将高温辐射热量施加给石英坩埚，但可保持热稳定性、机械稳定性及化学稳定性， 因此可以防止坩埚上部弯曲或凹陷。图6是示出根据实施例的制造高强度石英坩埚的工艺的流程图。可通过将对应于石英坩埚的坩埚模具设置在腔体中，然后利用硅砂作为源材料进行氩(Ar)熔合工艺以顺序形成外层121和内层122来制造高强度石英坩埚。例如，在操作SlOO中形成外层121时，将天然硅砂放入坩埚模具中，加入具有较强共价键特性的氮，将天然硅砂和氮熔化形成含气泡的透明外层121。此时，将氮以约1原子％至约15原子％的浓度加入浓度为约至约50%的Ar 气氛中。根据另一实施例，氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、氮化钙(Ca3N2)或氮化锂(Li3N) 与天然硅砂混合，以添加含量为约1原子％至约15原子％的氮。接下来，在操作SllO中形成内层122时，可将合成硅砂放入坩埚模具中熔化，以在外层121的内侧形成厚度为约3mm至约15mm的透明内层122。通过控制气流并排气，内层 122可具有从坩埚的内表面向下至大约IOmm的深度的无气泡的高纯度结构。根据当前实施例，在形成内层122时，为了将内层122的杂质浓度设置为大约 IOOppb或更低以生长优质单晶，将羟基(0H-)以约30ppma至约IOOppma的浓度引入合成硅砂。虽然引入了羟基(0H-)，但外层121中包括的氮成分将石英坩埚保持在高粘度、高弹性的状态下，因此即便在长时间高温条件下也可防止凹陷。根据实施例的石英坩埚及其制造方法提供了强度高、耐久性好、石英坩埚外层的粘度高等物理性质，因此可以防止高温加热导致的石英坩埚的上部的物理变形(弯曲、凹陷及剥落)，且内层可以保持杂质浓度在大约IOOppb或更低，从而制造优质单晶。此外，利用提拉法将实施例应用于晶锭生长工艺时，可提高单晶的产量，防止石英坩埚及隔热罩之间发生摩擦，从而防止事故。工业实用性此外，利用提拉法将实施例应用于晶锭生长工艺时，可提高单晶的产量，但本发明不限于此。虽然已参照其多个说明性实施例对实施例进行了说明，但应理解本领域技术人员可设计出许多其他修改和实施例，这些修改和实施例落入本发明原则的精神及范围内。更特别地，在本发明、附图及所附权利要求的范围内，本主题组合配置的组成部分和/或配置可以进行多种变化和修改。除组成部分和/或配置的变化和修改外，对于本领域技术人员来说，其他使用同样是显而易见的。
权利要求
1.一种单晶生长装置用石英坩埚，所述石英坩埚包括含有二氧化硅的内层；以及含有二氧化硅且设置在所述内层外侧以包围所述内层的外层，其中在所述外层的所述二氧化硅中添加有氮。
2.根据权利要求1所述的石英坩埚，其中所述内层包括透明层。
3.根据权利要求1所述的石英坩埚，其中所述外层包括不透明层。
4.根据权利要求1所述的石英坩埚，其中所述内层包括从所述石英坩埚的内表面向下至大约IOmm的深度的无气泡的合成二氧化硅层。
5.根据权利要求1所述的石英坩埚，其中所述外层包括具有气泡的天然二氧化硅层。
6.根据权利要求1所述的石英坩埚，其中所述外层的氮含量为约1原子％至约15原子％。
7.根据权利要求1所述的石英坩埚，其中所述内层的杂质浓度大约为IOOppb或更低。
8.—种制造石英坩埚的方法，所述方法包括通过将天然硅砂放入坩埚模具中，然后熔化所述天然硅砂，从而形成外层；通过将合成硅砂放入所述坩埚模具中，然后熔化所述合成硅砂，从而在所述外层的内侧形成内层，其中形成所述外层时加入氮。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述内层包括透明层，所述外层包括不透明层。
10.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述外层时，将所述氮以约1原子％至约15 原子％的含量加入浓度为约至约50%的氩气(Ar)气氛中。
11.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述外层时，氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、 氮化钙(Ca3N2)和氮化锂(Li3N)中的至少一种与所述天然硅砂混合，以添加含量为约1原子％至约15原子％的所述氮。
12.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述内层时，所述内层的厚度为约3mm至约 15mm0
13.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述内层时，将羟基(0H-)以约30ppma至约 IOOppma的浓度引入所述合成硅砂，使得所述内层的杂质浓度大约为IOOppb或更低。
全文摘要
提供了一种石英坩埚及制造该石英坩埚的方法。所述石英坩埚用在单晶生长装置中。所述石英坩埚包括含有二氧化硅的内层，以及含有二氧化硅且设置在内层外侧以包围所述内层的外层，其中在所述外层的二氧化硅中添加有氮。
文档编号C03B19/09GK102575377SQ201080045290
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月28日 优先权日2009年10月6日
发明者崔日洙, 文智勋, 金奉佑, 金度延 申请人:Lg矽得荣株式会社