石英坩埚、坩埚组件和单晶炉的制作方法

1.本发明涉及硅产品制作技术领域，尤其涉及一种石英坩埚、坩埚组件和单晶炉。


背景技术：

2.在拉晶过程中硅熔液会发生对流现象，对流形式有两种：靠近外侧的外核自然对流和靠近内侧的内核强迫对流，通常情况下外核自然对流主要受浮力(buoyancy)和马兰戈尼效应(marangoni effects)影响而产生，马兰戈尼效应会在硅溶体表面产生剪应力，形成表面张力梯度，进而导致溶质氧的不稳定对流，导致溶质氧不能均一地浸入弯月面(固液交界面)，从而导致晶棒中径向含氧量呈现不均一性。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供一种石英坩埚、坩埚组件和单晶炉，解决由于外核自然对流引起的不稳定对流，造成的晶棒中径向含氧量不均一的问题。
4.为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：一种石英坩埚，包括坩埚主体，所述坩埚主体的内部设置有分流筒，所述分流筒被配置为将所述坩埚主体沿其径向方向划分为位于所述分流筒内部的内腔和围设于所述分流筒的外围的外腔；
5.所述分流筒的侧壁上设置有通孔以使得所述外腔和所述内腔连通。
6.可选的，所述分流筒包括与所述坩埚主体的底部连接的下分流部，所述通孔包括均匀分布于所述下分流部的外周面上的多个第一通孔，以连通所述内腔和所述外腔。
7.可选的，所述石英坩埚包括直筒部和底部，以及连接于所述直筒部和底部之间的弧形连接部，所述下分流部位于所述弧形连接部与所述底部的连接处。
8.可选的，所述分流筒还包括与所述下分流部连接的且远离所述坩埚主体的底部的连接部，所述下分流部和所述连接部的连接位置在所述坩埚主体的外侧壁上的正投影和所述直筒部与所述弧形连接部之间的连接位置重合。
9.可选的，在所述坩埚主体的径向方向上，所述下分流部的截面面积沿第一方向逐渐增大，所述第一方向为从所述坩埚主体的顶部到所述坩埚主体的底部的方向。
10.可选的，所述连接部为直筒结构，所述连接部的侧壁与所述直筒部的侧壁相平行。
11.可选的，所述分流筒还包括与所述连接部连接的且远离所述下分流部的一侧的上分流部，在所述坩埚主体的径向方向上，所述上分流部的截面的面积沿第二方向逐渐减小，所述第二方向为从所述连接部到所述上分流部延伸的方向。
12.可选的，所述通孔还包括均匀分布于所述上分流部的外周面上的多个第二通孔。
13.可选的，所述第二通孔外露于所述坩埚主体内的硅熔液的液面。
14.可选的，所述分流筒采用石英材料制成。可选的，所述分流筒的外部包覆氢涂层。
15.本发明实施例还提供一种坩埚组件，包括上述的石英坩埚，以及套设于所述石英坩埚外部的石墨坩埚。
16.本发明实施例还提供一种单晶炉，包括上述的坩埚组件。
17.本发明的有益效果是：通过分流筒的设置将外核自然对流这一不稳定对流隔离至外腔，从而减缓由于不稳定对流引起的晶棒径向含氧量不均一的问题。
附图说明
18.图1表示外核自然对流和内核强迫对流模拟示意图；
19.图2表示坩埚组件示意图；
20.图3表示本发明实施例中的石英坩埚的结构示意图。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.参考图1和图2，在拉晶过程中硅熔液会发生对流现象，对流形式有两种：靠近外侧的外核自然对流100和靠近内侧的内核强迫对流200，通常情况下外核自然对流主要受浮力(buoyancy)和马兰戈尼效应(marangoni effects)影响而产生，马兰戈尼效应会在硅溶体表面产生剪应力，形成表面张力梯度，进而导致溶质氧的不稳定对流，导致溶质氧不能均一地浸入弯月面(固液交界面)，从而导致晶棒1中径向氧含量呈现不均一性。相较于自然对流的不确定性，内核强制对流主要受晶棒转速的影响(拉晶过程中籽晶和晶棒1会进行旋转向上运动，同时坩埚带动硅溶体也会发生转动，坩埚的转动方向与晶棒转动方向相反)，通过合适的晶转参数匹配，可以形成稳定的强迫对流，在该对流的带动下溶质氧可以均一地浸入到晶体，形成径向氧含量均一的晶棒。
24.本实施例中基于硅熔液的对流情况，提供一种石英坩埚3，在石英坩埚3内设置分流筒4，将外核自然对流和内核强迫对流隔离开，减少因马兰戈尼效应引起的不稳定对流，从而利于形成径向氧含量均一的晶棒。
25.具体的，参考图3，本实施例提供一种石英坩埚3，包括坩埚主体，所述坩埚主体的内部设置有分流筒4，所述分流筒4被配置为将所述坩埚主体沿其径向方向划分为位于所述分流筒4内部的内腔和围设于所述分流筒4的外围的外腔；
26.所述分流筒4的侧壁上设置有通孔以使得所述外腔和所述内腔连通，在进行拉晶工艺时，所述内腔被配置为容纳晶棒。
27.通过分流筒4的设置，使得外核自然对流位于所述外腔，而所述内核强迫对流位于内腔，通过所述分流筒4的隔离，减少不稳定对流对于晶棒1径向氧含量的影响，利用内核强迫对流，使得溶质氧可以均一地浸入到晶体，形成径向氧含量均一的晶棒。
28.需要说明的是，当两相界面存在表面张力梯度时，便会发生马兰戈尼效应，这种现
象多发生于气液界面，在拉晶过程中，坩埚内持续通入惰性气体(例如氩气)，因此在惰性气体和硅熔液的界面会产生马兰戈尼效应(马兰戈尼效应会在硅溶液表面产生剪应力，形成表面张力梯度，硅熔液的表面沿晶棒1的径向方向(参考图3中的y方向)存在张力梯度，溶质氧在硅熔液的表面梯度张力的作用下形成不稳定对流，影响氧均匀浸入晶棒)。所述分流筒4的设置，将由于马兰戈尼效应产生的不稳定对流隔离在所述外腔，从而减少不稳定对流对晶棒的径向氧含量的影响，而位于所述内腔的内核强迫对流，则利于晶棒径向氧含量的均一性(通过合适的晶转参数匹配，可以形成稳定的强迫对流，在该对流的带动下溶质氧可以均一地浸入到晶体，形成径向氧含量均一的晶棒1)，从而提高晶棒质量。
29.示例性的实施方式中，所述分流筒4包括与所述坩埚主体的底部32连接的下分流部41，在进行拉晶工艺时，所述下分流部41被配置为浸没于所述坩埚主体容纳的熔融完成的初始硅熔液内，且所述下分流部41的内径大于晶棒的内径，所述下分流部41的外周面上均匀分布有多个第一通孔401(即所述通孔包括多个所述第一通孔)，以连通所述内腔和所述外腔。
30.随着半导体硅晶圆品质的不断提高，对拉晶过程中的晶棒1的晶体缺陷有了更高的管控要求，影响晶体缺陷的因素主要有两个因素，其一是拉晶工艺参数，用优化的工艺参数去拉晶能制得品质更好的晶棒1；其二是热场的结构和性能，其好坏是晶棒1品质的先决条件，热场是拉晶炉中至关重要的组成部分，由于拉晶炉拉晶环境要求严苛，对于热场的品质和材质要求极高，不仅要耐高温，热稳定性好，而且纯度要高。
31.坩埚为热场中最为重要的部件之一，石英坩埚3用于盛放硅溶液，同时晶棒1中的氧是从石英坩埚3分解得来，通常情况下圆弧处(弧形连接部33)的氧析出量最多，析出的氧经过对流(包括内核强制对流)浸入晶棒1。
32.本实施例中，在分流筒4靠近所述坩埚主体的底部32的下分流部41上设置所述第一通孔401，利于携带氧的硅熔液通过所述第一通孔401进入到所述内腔，且在一实施方式中，仅在所述下分流部41设置所述第一通孔401，减少所述内腔的携带氧的硅熔液的量，从而实现低氧晶棒的生长。
33.从石英坩埚3的弧形连接部33析出的氧大部分在自然对流的作用下流动至硅熔液的表面，在惰性气体的吹扫下挥发并被惰性气体带走，少部分携带有溶质氧的硅熔液经所述第一通孔401流入所述内腔，在对流的作用下均匀地浸入晶体并通过内核强迫对流的作用均匀地浸入固液交界面，进而生长出径向氧含量均一的低氧晶棒。
34.示例性的实施方式中，所述第一通孔401的直径为20-25mm，但并不以此为限。
35.所述第一通孔401的排布方式以及设置数量可以有多种，例如，沿所述分流筒4的轴向方向，间隔设置了多圈所述第一通孔401(例如可以为3-4圈，但并不以此为限)，沿所述分流筒4的周向方向，每一圈所述第一通孔401的数量可以为20-25个，不同圈的所述第一通孔401的数量可以相同，也可以不同。
36.示例性的，一圈中的一个第一通孔401在所述分流筒4的轴向方向上的正投影位于另一圈的相邻的两个第一通孔401之间，或者一圈中的一个第一通孔401在所述分流筒4的轴向方向上的正投影与另一圈中的一个第一通孔401重合。
37.需要说明的是，本实施例中，所述第一通孔401在所述分流筒4的轴向方向上的截面为圆形，但并不以此为限，例如还可以为多边形等。
38.示例性的实施方式中，所述石英坩埚3包括直筒部31和底部32，以及连接于所述直筒部31和底部32之间的弧形连接部33，所述下分流部41连接于所述弧形连接部33与所述底部32的连接处。
39.晶棒中的氧是从石英坩埚3分解得来，通常情况下圆弧处(即弧形连接部33)的氧析出量最多，因此，所述下分流部41连接于所述弧形连接部33与所述底部32的连接处，使得所述下分流部41靠近所述弧形连接部33设置，便于所述弧形连接部33析出的氧由硅熔液携带进入所述内腔。
40.示例性的，在所述分流筒4的径向方向上，所述下分流部41在所述坩埚主体的外侧壁上的正投影位于所述弧形连接部33内，或者所述下分流部41在所述坩埚主体的外侧壁上的正投影与所述弧形连接部33完全重合，或者所述弧形连接部33在所述分流筒4上的正投影位于所述下分流部41内。所述下分流部41与所述弧形连接部33对应，由所述弧形连接部33析出的氧可直接通过所述下分流部41上的所述第一通孔401进入到所述内腔，缩短所述弧形连接部33析出的氧进入所述内腔的路径，以利于硅熔液携带氧进入所述内腔。
41.示例性的实施方式中，所述分流筒4还包括与下分流部41连接的且远离所述坩埚主体的底部32的连接部42，所述下分流部41和所述连接部42的连接位置在所述坩埚主体的外侧壁上的正投影和所述直筒部31与所述弧形连接部33之间的连接位置重合，即所述下分流部41在所述坩埚主体的外侧壁上的正投影与所述弧形连接部33完全重合。
42.示例性的实施方式中，为了所述弧形连接部33能够析出足够的氧，所述弧形连接部33的厚度大于所述底部32的厚度，且所述弧形连接部33的厚度大于所述直筒部31的厚度，例如，所述弧形连接部33的壁厚为30-35mm，所述底部32的厚度为27-30mm，所述直筒部31的厚度为20-23mm，但并不以此为限。
43.示例性的实施方式中，在所述坩埚主体的径向方向上，所述下分流部41的截面积沿第一方向逐渐增大，所述第一方向为从所述坩埚主体的顶部到所述坩埚主体的底部的方向。
44.示例性的，所述下分流部41呈喇叭状，但并不以此为限。
45.在所述弧形连接部33，由于所述坩埚主体和所述坩埚主体内容纳的硅熔液的相对运动较大，对流冲刷力度大，利于氧的析出，同理，所述下分流部41呈喇叭状，且所述下分流部41朝向所述弧形连接部33的外表面为向远离所述弧形连接部33的方向凹陷的曲面，在所述下分流部41的位置，对流强烈，利于硅熔液携带氧通过该所述第一通孔401进入所述内腔。
46.示例性的实施方式中，所述下分流部41靠近所述坩埚主体的底部32的一端的直径为300mm，所述下分流部41远离所述坩埚主体的一端的的直径为195mm，但并不以此为限。
47.示例性的实施方式中，所述连接部42为直筒结构，所述连接部42的侧壁与所述直筒部31的侧壁相平行，且在进行拉晶工艺时，所述连接部42远离所述下分流部41的端面外露于所述坩埚主体内容纳的硅熔液的液面。
48.所述分流筒4与所述坩埚主体同轴设置，且所述分流筒4和所述坩埚主体均为轴对称结构，便于晶棒的伸入，以及晶棒的生长。
49.示例性的实施方式中，所述连接部42的直径与所述直筒部31的直径的比例为1:4，但并不以此为限。
50.所述连接部42远离所述下分流部41的端面外露于所述坩埚主体内容纳的硅熔液的液面，保证所述内腔和所述外腔的分隔。
51.示例性的实施方式中，所述分流筒4还包括与所述连接部42连接的且远离所述下分流部41的上分流部43，在所述坩埚主体的径向方向上，所述上分流部43的截面的面积沿第二方向逐渐减小，所述第二方向为从所述连接部42到所述上分流部43延伸的方向。
52.在所述坩埚主体的径向方向上，所述上分流部43的截面的面积沿第二方向逐渐减小，即沿着远离所述连接部42的方向，所述上分流部43呈收缩状，采用这样的结构形式，减少散热，利于保温，利于晶棒1的生长。
53.示例性的实施方式中，所述连接部42的直径为195mm，所述上分流部43远离所述连接部42的一端的端面的直径为140mm，但并不以此为限。
54.示例性的实施方式中，所述上分流部43的外周面上均匀分布置有多个第二通孔402(即所述通孔包括多个所述第二通孔402)。
55.所述硅熔体与所述坩埚主体发生反应产生sio气体，在所述上分流部43的外周面上分布所述第二通孔402，利于所述sio气体的挥发散出。
56.示例性的，所述第二通孔402的尺寸、以及分布方式可根据实际需要设定，例如所述第二通孔402的直径为15-20mm。
57.示例性的，沿所述分流筒4的轴向方向，间隔设置多圈所述第二通孔402，可以设置2-3圈，但并不以此为限。
58.每一圈间隔设置多个所述第二通孔402，每一圈可以包括15-21个所述第二通孔402，但并不以此为限。
59.一圈中的一个所述第二通孔402在所述分流筒4的轴向方向上的正投影位于另一圈中相邻的两个所述第二通孔402之间，或者一圈中的一个所述第二通孔402在所述分流筒4的轴向方向上的正投影与另一圈中一个所述第二通孔402重合，但并不以此为限。
60.示例性的实施方式中，所述第二通孔402外露于所述坩埚主体内的硅熔液的液面，保证所述一氧化硅气体的散出。
61.需要说明的是，在实际使用中(即在拉晶工艺过程中)，所述第二通孔402外露于所述坩埚主体内的硅熔液的液面，更具体地，所述第二通孔402在晶体生长阶段外露于所述坩埚主体内的硅熔液的液面，保证所述氧化硅气体的散出。
62.示例性的，所述上分流部43与所述连接部42的连接位置与所述坩埚主体的外侧壁的上端面齐平，即所述上分流部43整体外露于所述坩埚主体，以保证所述上分流部上分布的所述第二通孔402全部外露于所述坩埚主体。
63.所述下分流部41的厚度、所述连接部42的厚度和所述上分流部43的厚度可以相同，也可以不同，示例性的实施方式中，所述下分流部41的厚度为25-30mm，所述连接部42的厚度为25-20mm，所述上分流部43的厚度为20mm，但并不以此为限。
64.示例性的实施方式中，所述坩埚主体和所述分流筒采用相同的基体材质成型，即采用石英材质。
65.示例性的实施方式中，所述坩埚主体和所述分流筒为一体结构。
66.示例性的实施方式中，所述坩埚主体和所述分流筒为分体结构，在制作时，可单独制作所述坩埚主体和所述分流筒后，在将所述坩埚主体和所述分流筒固定连接在一起。
67.示例性的，在制作低氧晶棒时，所述分流筒的外部涂覆氢涂层，阻止所述分流筒的氧的析出，利于低氧产品的形成。
68.所述分流筒的外部涂覆氢涂层(即所述分流筒的外部包裹一层氢涂层)不但可以阻止所述分流筒的氧的析出，且氢涂层可以增加氧的扩散系数，从而使得氧均匀分布于硅熔液内，有利于氧均匀的浸入到晶棒中，提高晶棒中氧径向的均一性。
69.参考图2，本发明实施例还提供一种坩埚组件，包括上述的石英坩埚3，以及套设于所述石英坩埚3外部的石墨坩埚2。
70.所述石英坩埚3包括坩埚主体以及位于所述坩埚主体内的所述分流筒4，所述分流筒4将所述坩埚主体的腔体划分为位于所述分流筒4内部的内腔和位于所述分流筒4外部的外腔；
71.所述坩埚主体包括直筒部31和底部32，以及连接于所述直筒部31和所述底部32之间的弧形连接部33，在一实施方式中，所述底部32为弧面，所述底部32的直径小于所述弧形连接部33的直径，且所述弧形连接部33与所述底部32相切，以使得所述弧形连接部33和所述底部32的连接处圆滑过渡。
72.本发明实施例还提供一种单晶炉，包括上述的坩埚组件。
73.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。