一種用於生長單晶矽的坩堝及其製備方法與流程
2023-05-31 17:28:36 3
本發明涉及一種坩堝，具體是一種用於生長單晶矽的坩堝
背景技術：
單晶矽是製造半導體器件的基礎材料，目前尚見不到有可能代替它的材料。
單晶矽多用直拉法(CZ)製備，其工藝需用坩堝做盛裝矽熔體的容器。從開始大規模拉單晶矽算起，至今已有五、六十年的歷史。過去，全世界無一例外，均採用電弧法熔制的石英玻璃坩堝，做拉制單晶矽盛矽熔體的容器。中國生產的石英玻璃坩堝，最多的一年為一百柒拾萬隻，價值四、五十億，耗用優質石英砂約五、六萬噸。
石英玻璃坩堝的軟化點遠低於矽熔體的溫度，故用石英玻璃做拉制單晶矽的坩堝高溫時變形大，石英還易被熔矽浸蝕，故壽命不長。現多為一個坩堝僅拉一根單晶。
有人企圖用其它陶瓷材料代換石英玻璃。
因單晶矽的純度很高：要求達到99.9999％，甚至達到99.9999999％以上。因石英坡璃要熔於熔融矽，故要求石英坩堝的純度也很高。一般為99.99％，高的可達，99.9999％以上，故有人誤認為，坩堝若換用其它陶瓷製品的純度也應很高，誤認為陶瓷原料的純度應更高。而工業陶瓷材料的原料純度不易做到很高，燒結時一般還要添加大量的助劑，其製品旳純度很難達到99％，甚至達不到90％。
實際是，陶瓷坩堝中的大部分高熔點化合物是不與熔矽起反應的。其「不純物」中只有一些是一要汙染單晶矽的。實踐中，只要除去這些汙染單晶矽的「有害」不純物即可。
除對陶瓷坩堝的純度要求上有前述誤解外，陶瓷坩堝因無軟化點，系脆性材料，其在熱循環過種程中的破壞多為突然發生，即是配用現有的炭材防護坩堝，因尺寸不吻合，不易共同受力，也極難預防此突然產生的破裂。
現實的狀況是：石英玻璃坩堝的歷史悠久，製備技術十分成熟，產能龐大得過剩，單價已近觸底，坩堝費用在整個成本中佔的比例已不算大；單晶矽要進一步降低成本，只有走連續拉晶這一條路。多年來，人們多僅限在延長石英坩堝的壽命上努力；生產和使用拉單晶矽坩堝的人習慣性的只想到石英玻璃坩堝；但是採用石英玻璃坩堝無法實現連續拉制單晶矽。
技術實現要素：
本發明目的，是要解決採用現有石英玻璃坩堝時，因坩堝旳壽命短，導致無法連續拉制單晶矽；從而提供一種長壽命、用於生長單晶矽的坩堝及其製備方法。
本用於生長單晶矽的坩堝，由各種氮化物陶瓷堝坯和C/C增強層組成；所述的C/C增強層包覆在前述堝坯的外表面上；
所述各種氮化物陶瓷為氮化矽陶瓷、氧-氮化矽陶瓷、賽隆陶瓷、阿隆陶瓷、鎂阿隆陶瓷、氮化鋁陶瓷；以及定向摻氮化硼(或氮化鋁)的氮化矽/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷、氧-氮化矽/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷、賽隆/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷、阿隆/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷和鎂阿隆/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷。
所述各種氮化物陶瓷堝坯，首選化學氣相沉積(CVD)在C/C增強層上直接生成的氮化矽陶瓷，次選用反應燒結的氮化矽陶瓷
所述各種氮化物陶瓷堝坯，對低沸點雜質{氧化硼，五氧化二磷等}含量較高者，經過(真空)熱處理；
所述堝坯的厚度：用(CVD)法時為0.1mm～5.0mm；用燒結法時為1mm～30mm；優選厚度為5mm～15mm；
所述C/C增強層的厚度為1mm～15mm，優選厚度為5mm～15mm；
所述的氮化物復相陶瓷堝坯，其氮化硼(或氮化鋁)摻入摻入的比例為1～90％，優選的比例為10～50％。
坩堝的製備方法，包括原料製備、素坯成型與堝坯燒結等工序，素坯採用等靜壓成型、注塑成型、注凝成型，之後採用原位反應燒結、無壓燒結或加壓燒結，其特徵在於：1)、(CVD)沉積氮化矽陶瓷堝坯，製備素坯、堝坯的全過程均在外形與坩堝完全相同的碳纖維C/C坩堝託盤上進行；2)、堝坯 在燒結完成後，增沒一個真空熱處理的脫雜工藝過程。
本發明的優點：
一、矽材料是否能拉出單晶矽，主要取決於單晶爐內，熔融矽的熱場分佈狀態和雜質的多少。建立熱場必須用坩堝，但它僅是一個耐高溫且不與熔矽反應的容器，只要耐高溫、不與熔矽反應均可，不用限定是何種物質。本發明用於生長單晶矽的坩堝，所選用的氮化物材料，其高溫時強度大且無軟化點，故坩堝變形小，加之熔矽對一般氮化物的侵蝕甚微，故坩堝壽命長；從材料被矽熔蝕速度推算，通過調整坩堝壁的厚度，本坩堝壽命可容八易的設計為拉數十根單晶矽；此長壽命坩堝，除每次拉晶的坩堝分攤費用不高外，本發明用於生長單晶矽的氮化物坩堝可實現連續拉制單晶矽；
二、本發明製備方法，在氣氛燒結結束後，再進行真空熱處理，讓主要影響單晶矽純度的低沸點雜質較徹底揮犮；增設此真空熱處理過程後，可適當降低對原料純度的要求，也可滿足拉晶工藝對坩堝純度的要求。
三、本發明用於生長單晶矽的坩堝的堝坯中特意人工額外摻入氮化硼。摻入氮化硼後使坩堝對熔矽由能微浸潤變為不浸潤，其隔離性能增強；除滅少對矽的汙染外，每次拉晶後畄在坩堝內的富集雜質的餘料也少，利於連續拉晶時對雜質的控制；且摻入的氮化硼與堝坯中原有的氮化物燒結後，成為復相陶瓷，其結合強度高，在隔離熔矽與防矽蝕時不易脫落。
四、本發明用於生長單晶矽的坩堝為氮化矽/氮化硼復相陶瓷製品時，該材料的導熱係數高幹氮化矽，膨脹係數與彈性模量則低於氮化矽，此特性利於抗熱震；也利於減少與C/C增強層之間的溫度應力。
五、本發明用於生長單晶矽的坩堝外表面含有C/C增強層後，可取消原石英坩堝外另設的炭材保護坩堝，這可提高熱效率；可完全消除對脆性陶瓷坩堝因多次使用後突然破裂漏矽的危險和擔心，放心地延長坩堝的使用壽命；當C/C託盤兼作增強層時，在拉晶的過程中，堝坯與C/C層之間的熱應力小，這對減少炭纖維的應力，延長其其壽命有利。當採用後製備C/C增強層時，拉晶時可在堝坯中建立較大的壓應力，這對防止堝坯開裂有利；C/C增強層的膨脹係數與堝坯相近，對延長C/C增強層的壽命有利。因無石英玻璃，也就無揮發出的一氧化矽，也就無一氧化矽對炭纖維的浸蝕，這對延長炭纖維的 壽命有利。
六、本發明坩堝的製備過程可全在託盤上進行，破損率低，坩堝壁也可較薄；託盤與增強層可合二為一；適於工業化大批量生產。
七、氮化矽陶瓷在近五、六十年中高速發展，技術已非常成熟。其配方的變化無窮盡。只要你提出大方案，甚至只提出目標，做氮化矽陶瓷的技術人員可即可去實施。完全不用在專利中做過多的敘述。
本發明用於生長單晶矽的坩堝可以代替目前的石英坩堝，用於連續生長單晶矽。
具體實施方式
具體實施方式一：本用於生長單晶矽的坩堝，由各種氮化物陶瓷堝坯和C/C增強層組成；所述的C/C增強層包覆在前述堝坯的外表面上；
所述各種氮化物陶瓷為氮化矽陶瓷、氧-氮化矽陶瓷、賽隆陶瓷、阿隆陶瓷、鎂阿隆陶瓷、氮化鋁陶瓷；以及另人工定向摻氮化硼(或氮化鋁)的氮化矽/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷、氧-氮化矽/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷、賽隆/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷、阿隆/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷和鎂阿隆/氮化硼(或氮化鋁)復相陶瓷。
所述各種氮化物陶瓷堝坯，首選化學氣相沉積(CVD)在C/C增強層上直接生成的氮化矽陶瓷，次選用反應燒結的氮化矽陶瓷
所述各種氮化物陶瓷堝坯，對低沸點雜質{氧化硼，五氧化二磷等}含量較高者，經過(真空)熱處理；
所述堝坯的厚度：用(CVD)法時為0.1mm～5.0mm；用燒結法時為1mm～30mm；優選厚度為5mm～15mm；
所述C/C增強層的厚度為1mm～15mmm。
所述的復相陶瓷堝坯，其氮化硼摻入摻入的比例為1～90％，優選的比例為10～50％。
坩堝的製備方法，包括原料製備、素坯成型與堝坯燒結等工序，採用等靜壓成型、注塑成型、注凝成型，之後採用原位反應燒結、無壓燒結或加壓燒結，其特徵在於：1)、(CVD)沉積氮化矽陶瓷堝坯，製備素坯、堝坯的全過程均在外形與坩堝完全相同的碳纖維C/C坩堝託盤上進行；2)、堝坯在燒 結完成後，可以增沒一個真空熱處理的脫雜工藝過程。