专利名称：坩埚及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制造用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的单晶硅材料的石英坩埚的方法。更进一步地说，本发明涉及制造含有非常少量的不溶于液态硅中的气体的石英坩埚。
在制备通过提拉法生长的单晶硅晶体的过程中，首先在石英坩埚中将多晶硅熔化。在多晶硅熔化并且温度平衡以后，将晶种浸入熔体中并且在将坩埚旋转的同时进行提拉，由此形成单晶硅锭。
在生产和处理坩埚过程中，高质量的石英玻璃是半导体技术中不可或缺的材料，这是因为其纯度、温度稳定性和化学稳定性。但是由于在非常高温度的、带攻击性的硅熔体和石英坩埚壁之间的直接接触，来自坩埚的杂质污染熔体的危险是非常大的。
半透明石英坩埚通常是通过将石英粉导入模具中使其沿模具内表面汇集形成料层的工艺而制造的。而后将该石英粉层加热并在其内表面上熔化，同时将该模具旋转，由此形成石英坩埚，这含有相当大量的气泡。用于本文中时，术语“气泡”是指包含在坩埚空隙中的空气泡或空气囊。通常，半透明石英坩埚含有直径大约为50-200微米的气泡，平均气泡直径为约100微米。在半透明坩埚中大约存在70000气泡/立方厘米。这些石英坩埚的优点在于它们具有较高的强度并且相当容易形成大尺寸。由于这些原因，半透明坩埚得到了广泛运用。
但是在整个结构中含有气泡的半透明坩埚不是没有缺陷。由于硅熔体在晶体拉出过程中仍然与坩埚接触，对于较大直径的硅锭或较大质量的熔体，该接触时间可以长到100小时或更长，熔体持续与坩埚反应并且溶解该坩埚。石英坩埚的溶解使石英壁中的气泡暴露并暴裂。这种暴裂不仅会将气泡中的气体释放到熔体中，而且导致将石英颗粒释放到熔体中。熔体中的这些颗粒与在界面处生长的晶体接触并且导入到晶体结构中。当发生这种情况时，所形成的结构会在晶体中发生损失，它会导致产量下降。
为了改进产量并且降低所形成的晶体掺杂，人们已经采用了具有较小尺寸并且在坩埚内壁部分上具有较小气泡密度或“无气泡区域”的坩埚。Uchikawa等人在US4956208中指出制备具有半透明外层和透明玻璃内层的石英玻璃坩埚，所说的半透明外层具有较高的气泡含量，而所说的透明玻璃层基本上没有气泡。该透明的或基本上没有气泡的层大约0.3-3毫米厚并且含有少量直径小于50微米的气泡。但是这种“无气泡区域”坩埚在除去所有与坩埚有关的晶体缺陷方面只有有限的成功。由于制备大直径晶体需要较长的晶体拉出时间，如100小时或更长，Uchikawa等人的基本上无气泡的区域会在晶体生长完成之前就发生溶解并且随后坩埚的半透明部分会向熔体中释放气泡。另外，即使透明层足够厚，该层仍然含有释放到熔体中的气泡并且可以直接接触正在生长的晶体。真正不含气泡的“无气泡区域”工业上还不能生产。
此外，现已发现释放到熔体中的在常规制备的坩埚中由空气组成的气泡含有在热动力学上稳定的并且在液体硅中高度不溶的气体。这种无活性的气体，特别是氩气可以在生长界面处裹入并且导致晶体空隙缺陷或晶体表面处的气囊，它们可以作为较大的光点缺陷(LLPD)而检测到。这些缺陷影响不到4％由长成的晶体上切片得到的晶片并且使得这些切片不适用于1级晶片产品。
因此，在半导体工业仍然需要这样一种坩埚，它不会将大量含有不溶气体的气泡释放到多晶熔体中，这些气泡的释放会在后面导致在所形成的晶体中形成气体空隙。
因此，在本发明的目的中，它提供了可以将单晶硅晶体中的所形成的晶体空隙缺陷减至最少的石英坩埚；提供了含有极低量不溶气体的气泡的石英坩埚；提供了可以增加1级硅晶片产量的石英坩埚；提供了将在熔体-晶体界面处的含有不溶气体的气泡的存在量减至最少的石英坩埚；提供了在内层基本上没有气泡的区域的石英坩埚，在该内层中，在无气泡区域中的气泡含有极低量的不溶气体，以及提供了用于制备石英坩埚的方法，其中该坩埚在基本上没有不溶气体的气氛中熔化。
简而言之，本发明涉及一种制备用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的单晶硅晶体的石英坩埚的方法。在含有低于约0.5％不溶气体的气氛中，将石英粉导入模具中以沿其内表面形成一涂层，随后将模具加热，以熔化该石英并且生产坩埚。
本发明还涉及一种用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的硅晶体的石英坩埚，其中坩埚中的气泡包括低于0.5％的不溶气体。
本发明还涉及用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的硅晶体的石英坩埚，其中该坩埚在其内表面上具有无气泡区域，并且位于无气泡区域以及其余的部分中的气泡中的气体包括低于0.5％的不溶气体。
本发明的其它目的和特征可以在下面的描述中变得明显和得到说明。
图1是用于制造本发明的坩埚的装置的截面图。
在附图中，相应的数字表面相应的部分。
根据本发明，现已发现通过在基本上没有不可溶于液体硅中的气体的气氛，特别是氩气气氛中熔化从中拉出晶体的坩埚，可以明显降低或消除在由单晶硅晶体切片而得的硅晶片上作为大光点缺陷(LLPD)而测到的晶体空隙缺陷。本发明坩埚可以采用在内表面上带有无气泡区域或不带无气泡区域的技术制得。更为明显的是，现已发现氩气在热动力学上是稳定的并且事实上在硅熔体中是完全呈惰性的，而且当裹入熔体-液体界面处时，它会在生长的晶体中变成晶体空隙缺陷。通过在较低量的不溶气体如氩气的气氛中熔化坩埚，在坩埚空隙中形成的气泡具有较低的不溶气体，如氩气。因此，当坩埚在晶体生长过程中溶解而将气泡释放到熔体中时，不溶气体在晶体中引起的晶体空隙缺陷达到最少或被消除。
参见图1，它表示用于制造石英坩埚的装置22。装置22完全被气氛44包围，并且可以通过合适的排气或敞开区域而包含在一个封闭的腔室中。设置一个可旋转的模具1，它带有一个旋转轴2。在模具1中，有一个腔室20用于形成该坩埚。将模具1旋转并且将热源5和10插入腔20中。热源5和10在模具1中产生高温气氛8。通过管线18将石英粉6供入高温气氛8中。石英粉6沉积在模具1的内表面上，通过来自热源5和10的热量而熔化形成坩埚。
石英粉6由供应罐9供应。模具1可以配有常规的冷却机构。模具1的构型和尺寸可以根据要制造的坩埚的构型和尺寸而适当确定。模具1由具有适当耐热性和机械强度的材料制成。
模具1中的气氛8由与整个装置22周围的空气相同的气氛组成。来自围绕装置22的气氛44的气体可以通过模具上方的开口50和52进入到模具1中。另外，来自气氛44的气体可以通过管线18而喷入到模具1中。如上所说，围绕装置22的气氛44由与气氛8相同的气体组成，并且含有低于约0.5％，更优选地是低于0.1％，最优选地为低于0.01％不溶于硅中的气体。用于本文中时，术语“不溶于硅中”或“不溶的气体”是指该气体实际上不与液体硅起反应并且能够在液体硅中保存下来而不会发生溶解。不溶于硅中的气体的例子是氩气、氙气、氦气、氖气和氪气。举例来说，常用来测定气体在液体硅中的溶解性能的技术至少不能测定氩气在液体硅中的溶解性能。这些气体，特别是氩气在热动力学上是稳定的，并且在硅熔体中实际上是完全呈惰性的，硅熔体的温度大约为1420℃。这些在硅中热动力学稳定的气体在熔体中作为小气泡而保持下来，并且可以在熔体中保持一段较长的时间。最终这些气泡可以来到接近熔体界面的表面处并且裹入到晶体中并形成空隙缺陷。
在上述气体中，氩气具有最高的天然贮存量并且构成空气的大约1％。因此关键一点是控制在制造坩埚的装置周围的空气中的氩气量。最优选的是气氛44含有低于约0.01％氩气。
举例来说，合适的气氛可以包括合成空气(即具有较低氩气含量的空气)、氮气和氧气的混合物、或纯氮气。由于在密封的区域(这些区域直接向与外部气氛相对的周围区域中排气)内存在多个坩埚制造台，合成空气是最优选的气氛，这是因为它不会在由密封的坩埚制造区向外排气时使工人存在窒息的危险。适用于本发明的合成空气应含有低于0.5％氩气、优选地含有低于0.1％氩气、最优选的是含有低于0.01％氩气。合适的合成空气可以由OXARC，Inc.(Spokane，WA.)购买。如果采用氧气和氮气的混合物或纯氮气作为气氛，优选地该气体相对于不溶气体至少99.5％纯，更优选地相对于不溶气体至少99.9％纯、最优选地为相对于不溶气体至少99.99％纯。
根据本发明制得的坩埚含有约70000个气泡/立方厘米。气泡的直径约为50-200微米，平均直径约为100微米。在另一种实施方案中，该坩埚可以制成具有“无气泡区域”或如Uchikawa等人在US4956208中所说的透明内层，该文献作为参考而引入本文。但是可以看到Uchikawa等人的无气泡区域仍然含有气泡。这些气泡通常具有20-50微米的直径，并且其存在量最高达约10个气泡/立方厘米。如果采用含有较低不溶气体的气氛根据本发明制得的坩埚制成如Uchikawa等人所说的在内表面上具有无气泡区域，则优选地该无气泡区域至少应1.5毫米厚并且在无气泡区域内的气泡含有低于0.5％不溶气体，并且更优选地为约3毫米厚且在无气泡区域内的气泡含有低于0.5％不溶气体。熟悉本领域内的技术人员会明白在根据本发明制得的坩埚的半透明部分中气泡结合无气泡区域将含有与在无气泡区域内气泡相同数量的气泡。很显然，本发明的采用具有较低不溶气体量的气氛制得的坩埚结合如Uchikawa等人所说的无气泡区由于无气泡区域中气泡量明显降低而在气泡爆裂时具有降低释放到熔体中的石英量的优点。
包含在坩埚中的气泡不管基位置如何均是来自制造坩埚的气氛44的气体。这些气泡中一部分气泡随后在晶体拉出过程中当熔体与坩埚接触并且所坩埚壁起反应并溶解其一部分时释放到硅熔体中。而采用空气作为气氛用常规方法制得的坩埚，其气泡含有大量不溶于硅中的气体，特别是氩气。由于气泡由坩埚壁释放，包含在气泡中的不溶气体可以长时间地保留在熔体中并且最终裹入熔体界面，从而如上所说在所形成的晶体中造成晶体空隙缺陷。
但是，当在具有明显较低量的不溶气体如氩气的气氛中制得的本发明的坩埚将气泡释放到熔体中时，所形成的晶体基本上没有晶体空隙缺陷。用于本文中时，术语“基本上没有晶体空隙缺陷”是指所形成的晶体与采用在空气气氛中熔化的常规坩埚、在相同操作条件下制得的晶体相比含有至少少50％，更优选地含有至少少90％、最优选地含有少100％的晶体空隙缺陷。由于释放到熔体中的不溶气体如氩气的量通过使用本发明的坩埚而明显降低或消除，所形成的晶体基本上没有晶体空隙缺陷。因此由该单晶上切片而获得的大量晶片适合作为1级材料。
由上述内容可以看到本发明的几个目的均达到了。
由于在上述制造坩埚的方法中还可以作出多种不脱离本发明的范围的变化，因此上面所说的内容可以认为是说明性的而不是要进行限制。
权利要求
1.一种制造石英坩埚的方法，所述石英坩埚适用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的单晶硅，该方法包括在含有低于约0.5％在约1420℃的熔融硅中不溶的气体的气氛中，将石英粉导入旋转模具中；汇集石英粉以沿模具内表面形成一层石英粉；沿内表面加热该石英粉层以熔化该石英粉并且形成坩埚。
2.如权利要求1所说的方法，其中该气氛含有低于约0.1％不溶气体。
3.如权利要求1所说的方法，其中该气氛含有低于约0.01％不溶气体。
4.如权利要求1所说的方法，其中该气氛含有低于约0.5％氩气。
5.如权利要求1所说的方法，其中该气氛含有低于约0.1％氩气。
6.如权利要求1所说的方法，其中该气氛含有低于约0.01％氩气。
7.如权利要求1所说的方法，其中该气氛是合成空气。
8.如权利要求1所说的方法，其中该气氛是氮气。
9.如权利要求1所说的方法，其中该气氛是氧气和氮气的混合物。
10.一种用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的单晶硅的石英坩埚，其中坩埚中存在气泡，该气泡中的气体包括低于0.5％的不溶气体。
11.如权利要求10所说的坩埚，其中该气泡中的气体包括低于0.1％的不溶气体。
12.如权利要求10所说的坩埚，其中该气泡中的气体包括低于0.01％的不溶气体。
13.用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的单晶硅的石英坩埚，该坩埚具有至少约1.5毫米厚的内层并且该内层基本上没有气泡，气泡含有气体，并且该气泡中的气体含有低于0.5％不溶气体。
14.如权利要求13所说的石英坩埚，其中该内层至少约2毫米厚。
15.如权利要求13所说的石英坩埚，其中该内层至少约3毫米厚。
16.用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的单晶硅的石英坩埚，该坩埚具有至少约3毫米厚的内层并且该内层基本上没有气泡，气泡含有气体，并且该气泡中的气体由低于0.01％不溶气体组成。
全文摘要
本发明公开了一种用于制备基本上没有晶体空隙缺陷的单晶硅的石英坩埚。该坩埚是通过在含有低于约0.5%不溶气体如氩气的气氛中,将石英粉导入旋转模具中而制得的。石英粉以沿模具内表面汇集,而后加热以熔化该石英粉由此形成坩埚。在所形成的坩埚中,包含在气泡中的气体含有低于约0.5%不溶气体。
文档编号C30B29/06GK1256724SQ99800258
公开日2000年6月14日 申请日期1999年1月25日 优先权日1998年2月3日
发明者J·D·霍尔德 申请人:Memc电子材料有限公司