石英玻璃與熔矽的反應性及熔矽表面處的振動的評估工藝的製作方法
2023-12-03 17:07:06
專利名稱：石英玻璃與熔矽的反應性及熔矽表面處的振動的評估工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種簡單和可靠的評估工藝，通過此工藝可對石英玻璃與熔矽的反應性或容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動現象進行評估。此外，本發明還涉及一種應用所述評估工藝來改進的石英玻璃坩堝。當此改進的坩堝用於拉拔單晶矽時，可以顯著地抑制容納在坩堝內的熔矽表面處的振動。
背景技術：
用作半導體矽晶片的原材料的單晶矽主要由切赫拉爾斯基(CZ)法來生產。由於CZ法是通過使單晶籽晶與容納在石英玻璃坩堝內的熔矽相接觸從而生長單晶矽的方法，因此CZ法的單晶矽的結晶化受到容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動現象的顯著妨礙，並且單晶的產量明顯下降。在下文中，這種現象被稱為「熔矽的表面振動」。因此，非常需要一種不會引發熔矽的表面振動的石英坩堝。
熔矽的表面振動由石英玻璃與熔矽的反應所引起。然而在傳統上，對於石英玻璃坩堝來說，尚未知道任何可評估容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動級的方法，並且沒有方法可評估石英玻璃坩堝是否會引起振動，例外之處是可通過使用所述石英玻璃坩堝來真正地進行單晶矽的拉晶試驗。而且，對於會引起熔矽的表面振動的石英玻璃與熔矽的反應性來說，涉及到許多複雜的因素，例如石英玻璃在熔矽中的溶解速度、坩堝的氣泡含量、石英玻璃中的各種雜質的濃度，以及石英玻璃表面的粗糙度，尚未確切地證實各種因素在多大程度上影響此反應性。因此，為了得到不會引起熔矽表面振動的石英坩堝，必須進行許多拉晶試驗來評估此坩堝，即使重複進行所述拉晶試驗，也很難得到不會引起熔矽表面振動的石英坩堝。
在這種現有狀態下，近來已經公開了一種用於評估熔矽表面振動的方法，其中此方法包括在石英玻璃的樣件上熔融矽，並測量石英玻璃的減少量以間接地估計熔矽的表面振動(日本公開特許公報No.2002-154894)。然而，就這種方法而言其誤差太大，因而很難得到與實際拉晶結果一致的結果。如上所述，許多因素如石英玻璃的溶解速度、坩堝的氣泡含量、各種雜質的濃度以及表面的粗糙度均與熔矽的表面振動複雜地相關，因此，如上述現有技術所公開的那樣只測量石英玻璃的減少量很難評估熔矽的表面振動。
發明內容
本發明解決了這一傳統的問題。發明人致力於研究石英玻璃樣件上的熔矽的振動周期，並且發現在振動周期超過一定的穩態值時熔矽的表面振動會被顯著地抑制。基於這一知識，本發明提供了一種工藝，其中可容易並可靠地評估熔矽的表面振動，並提供了一種基於此評估工藝的改進的石英玻璃坩堝。
也就是說，根據本發明，提供了用於石英玻璃的反應性和熔矽的表面振動的評估工藝以及不會引起熔矽的表面振動的石英玻璃坩堝，如下所述。
用於石英玻璃與熔矽的反應性的評估工藝，此方法包括在真空爐中熔融石英玻璃試樣上的少量矽，和測量熔矽的振動周期。
用於容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動的評估工藝，此方法包括將從石英玻璃坩堝中切下的石英玻璃試樣放在真空爐中，試樣上放置了少量矽，熔融所述玻璃試樣上的所述少量矽，和測量熔矽的振動周期。
根據上述[1]或[2]所述的評估工藝，所述工藝包括將真空爐的內部調節到從5到100託的氬氣壓力和從1450到1600攝氏度的溫度，熔融石英玻璃試樣上的少量矽，和測量熔矽的振動周期。
一種用於拉拔單晶矽的石英玻璃坩堝，其中，坩堝側壁的內表面包括在根據上述[3]所述的評估工藝中不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃。
一種用於拉拔單晶矽的石英玻璃坩堝，其中，側壁的內表面包括在根據上述[3]所述的評估工藝中不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃，底部的內表面包括在根據上述[3]所述的評估工藝中在小於1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃。
根據本發明的評估工藝，可以容易且可靠地評估石英玻璃與熔矽的反應性。因此，可以使用此評估工藝來估計容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動級。也就是說，如果通過此評估工藝來測量石英玻璃試樣上的熔矽的振動周期，那麼可根據試樣的所述測量振動周期來預先地估計包括有與所述石英玻璃試樣相同種類的石英玻璃的坩堝內的熔矽的表面振動級。
此外，不會產生熔矽的表面振動的石英玻璃坩堝可通過應用由試樣測得的振動周期值來製造。也就是說，通過將製造條件設定成與生產具有所需振動周期值的石英玻璃坩堝的相同，就可以容易地製造不會產生所述表面振動的坩堝。具體地說，例如容納在石英玻璃坩堝內的熔矽的表面振動周期也受到正位於石英玻璃表面下方的氣泡含量的影響，並且通常在氣泡含量增大時變短。因此，如果將石英玻璃試樣的測量振動周期應用到坩堝生產工藝中，那麼通過控制正位於與所述石英玻璃試樣相同種類的石英玻璃表面下方的氣泡含量，就可以得到具有較長振動周期即熔矽表面處的振動較小的石英玻璃坩堝。
非常重要的是，本發明最新地揭示出，為了降低熔矽的表面振動，正位於石英玻璃坩堝的表面下方的氣泡含量具有一個最佳範圍。
通過參考附圖可以更好地理解本發明的優點，在附圖中圖1是顯示了本發明的評估工藝的一個實施例的示意圖。
圖2是顯示了圖1所示玻璃試樣上的熔矽的測量狀態的放大視圖。
主要標號的描述如下10 真空爐；11 石英玻璃試樣；12 熔矽；13 光學測量裝置。
具體實施例方式
下面將具體地參考優選實施例來說明本發明。
本發明的評估工藝是石英玻璃與熔矽的反應性的評估工藝，所述工藝包括在真空爐中熔融石英玻璃試樣上的少量矽，並且測量熔矽的振動周期。另外，對於石英玻璃坩堝來說，本發明是熔矽的表面振動的評估工藝，此方法包括將從石英玻璃坩堝中切下的石英玻璃試樣放在真空爐中，熔融所述石英玻璃試樣上的少量矽，並且測量熔矽的振動周期。
對於所述評估工藝的條件來說，優選使用2到20克高純度的矽，真空爐的內部被調節到從5到100託的氬氣壓力和從1450到1600攝氏度的溫度。更具體地說，石英玻璃試樣上的熔矽的振動最好在10克的矽量、20託的氬氣壓力和1560攝氏度的溫度下進行測量。
在圖1和圖2中顯示了所述評估工藝的測量設備的示例。如圖所示，石英玻璃11的試樣放置在真空爐10中，爐內的大氣和溫度調節到上述狀態。將置於所述石英玻璃試樣上的矽塊熔融，通過延伸到熔矽12一側的光學測量裝置13來進行目測，從而測量熔矽的振動周期。
試樣上的熔矽的振動周期隨石英玻璃與熔矽的反應性等級而變化。因此，石英玻璃與熔矽的反應性可由振動周期來評估。
此外，通過測量石英玻璃試樣上的熔矽的振動周期，還可以評估容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動級。石英玻璃質量對熔矽表面振動的影響在石英玻璃坩堝內的各部分處是不均勻的，坩堝側壁的影響較大。因此，對於坩堝側壁的石英玻璃來說，優選在石英玻璃試樣上的熔矽振動儘可能不發生的石英玻璃。
更具體地說，對於用於拉拔單晶矽的石英玻璃坩堝而言，優選坩堝側壁由下述石英玻璃形成的石英玻璃坩堝。對於所述石英玻璃而言，在將從石英玻璃坩堝中切下的石英玻璃試樣置於真空爐中、並且通過在從5到100託的氬氣壓力和從1450到1600攝氏度的溫度下加熱而使石英玻璃試樣上的少量矽即2到20克矽熔融時，石英玻璃試樣上的熔矽不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動，其中上述加熱條件最好為矽量為10克，爐內的氬氣壓力為20託，而爐內溫度為1560攝氏度。當採用具有由石英玻璃試樣上的熔矽在短於1/6秒的振動周期內振動的此石英玻璃製成的側壁的石英玻璃坩堝來拉拔單晶矽時，在熔矽的表面處會產生較多的振動，因此在單晶中會產生位錯。另一方面，當採用具有由石英玻璃試樣上的熔矽不會振動或在長於1/6秒的周期內振動的此石英玻璃製成的側壁的石英玻璃坩堝來進行所述拉拔工藝時，在拉拔時不會產生熔矽的表面振動，或者即使所述振動發生它也是很微弱的，因此所述振動不會影響所得單晶矽的質量。
另一方面，坩堝底部處的石英玻璃質量對熔矽的表面振動的影響很小，這是因為坩堝底部離容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面較遠，底部處的振動本身被熔矽的較大重量抑制住，因此坩堝底部處的石英玻璃的質量不會影響熔矽的表面振動。然而，此質量會影響拉拔時的單晶矽的無位錯比。也就是說，當坩堝底部由石英玻璃試樣上的熔矽振動周期短於1/6秒的此石英玻璃形成時，拉拔時單晶矽的無位錯比是足夠的。
示例下面將通過具體的例子來進一步介紹本發明。
示例1根據本發明的評估工藝，對容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動級進行評估。在此測量中使用了具有不同質量的若干種石英玻璃坩堝，其中這些坩堝的標準尺寸是開口直徑為28英寸，側壁厚度為11到13毫米。首先，從坩堝側壁上切下玻璃試樣(30毫米×30毫米)，並如圖1所示地將其置於真空爐中。接著將10克高純度的矽置於所述石英玻璃試樣上，將爐內調節到20託的氬氣壓力和1560攝氏度的溫度，熔融玻璃試樣上的矽。然後通過目測來測量熔矽的振動周期。測得值顯示於表1中。此外，通過使用具有與所測量的石英玻璃試樣相同質量的每兩個石英玻璃坩堝來真正地拉拔單晶矽，結果也顯示於表1中。
結果(No.1到No.4)清楚地表明，當從坩堝側壁上切下的石英玻璃試樣上的熔矽不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動時，在拉拔時不會產生熔矽的表面振動，或者即使所述振動發生它也是很微弱的。因此這就不存在問題，另外，在拉拔的單晶矽中不會產生位錯。
另一方面，結果(No.5到No.8)清楚地表明，當從坩堝側壁上切下的石英玻璃試樣上的熔矽在短於1/6秒的振動周期內振動時，在拉拔時容納在各石英玻璃坩堝內的熔矽的表面處的振動周期較大，因此在拉拔的單晶矽中產生了位錯，另外，單晶矽的無位錯比較低。
示例2根據本發明的評估工藝，對容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動級進行評估。在此測量中使用了具有不同質量的若干種石英玻璃坩堝，其中這些坩堝的標準尺寸是開口直徑為28英寸，底部厚度為12到15毫米。首先，從坩堝底部上切下玻璃試樣(30毫米×30毫米)，並如圖1所示地將其置於真空爐中。然後在與示例1相同的條件下測量熔矽的振動周期。測得結果顯示於表2中。此外，通過使用具有與測量石英玻璃試樣相同質量的每兩個石英玻璃坩堝來真正地拉拔單晶矽，結果也顯示於表2中。
結果(No.9到No.16)清楚地表明，即使在從坩堝底部切下的石英玻璃試樣上的熔矽在短於1/6秒的振動周期內振動時，在拉拔時也不會產生熔矽的表面振動，或者即使所述振動發生它也是很微弱的。因此這就不存在問題，另外，在拉拔的單晶矽中不會產生位錯。
然而，對於單晶矽的無位錯比來說，可以證實其與試樣上的熔矽的振動周期有關，振動周期小於1/6秒的石英玻璃坩堝(No.12到No.16)在單晶矽的無位錯比方面比其它石英玻璃坩堝更高。
根據本發明的評估工藝，通過測量石英玻璃試樣上的熔矽的振動周期，就可以容易且可靠地評估熔矽的表面振動的等級。因此，通過此工藝，不必進行單晶的實際拉晶試驗就可以評估熔矽的表面振動的等級。
非常重要的是，本發明最新地揭示出，為了降低熔矽的表面振動，正位於石英玻璃坩堝的表面下方各部分、例如其內表面的壁或底部處的氣泡含量具有一個最佳範圍。
表1
表2
權利要求
1.一種用於石英玻璃與熔矽的反應性的評估工藝，所述工藝包括在真空爐中熔融所述石英玻璃的試樣上的少量矽，和測量所述熔矽的振動周期。
2.根據權利要求1所述的評估工藝，其特徵在於，所述工藝包括將所述真空爐的內部調節到從5到100託的氬氣壓力和從1450到1600攝氏度的溫度，熔融所述石英玻璃試樣上的少量矽，和測量所述熔矽的所述振動周期。
3.一種用於容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動的評估工藝，所述工藝包括將從石英玻璃坩堝中切下的石英玻璃試樣放在真空爐中，在所述試樣上放置了少量矽，熔融所述石英玻璃試樣上的所述少量矽，和測量所述熔矽的振動周期。
4.根據權利要求3所述的評估工藝，其特徵在於，所述工藝包括將所述真空爐的內部調節到從5到100託的氬氣壓力和從1450到1600攝氏度的溫度，熔融所述石英玻璃試樣上的少量矽，和測量所述熔矽的所述振動周期。
5.一種用於拉拔單晶矽的石英玻璃坩堝，其中，側壁的內表面包括在根據權利要求4所述的評估工藝中不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃。
6.一種用於拉拔單晶矽的石英玻璃坩堝，其中，側壁的內表面包括在根據權利要求4所述的評估工藝中不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃，而底部的內表面包括在根據權利要求4所述的評估工藝中在小於1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃。
7.一種用於通過切赫拉爾斯基法來製備單晶矽的工藝，所述工藝包括將多晶矽裝入到石英玻璃坩堝中，其中側壁的內表面包括在根據權利要求4所述的評估工藝中不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃，在所述石英玻璃坩堝中熔融所述多晶矽，和通過使用單晶籽晶來從所得到的熔矽中拉拔單晶矽。
8.一種用於通過切赫拉爾斯基法來製備單晶矽的工藝，所述工藝包括將多晶矽裝入到石英玻璃坩堝中，其中側壁的內表面包括在根據權利要求4所述的評估工藝中不會振動或在超過1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃，並且底部的內表面包括在根據權利要求4所述的評估工藝中在小於1/6秒的振動周期內振動的石英玻璃，在所述石英玻璃坩堝中熔融所述多晶矽，和通過使用單晶籽晶來從所得到的熔矽中拉拔單晶矽。
全文摘要
提供了一種用於容納在石英玻璃坩堝內的熔矽表面處的振動級的評估工藝，所述工藝包括將從石英玻璃坩堝中切下的石英玻璃試樣放在真空爐中，熔融所述玻璃試樣上的少量矽，並測量熔矽的振動周期。而且，還提供了一種不會在容納於石英玻璃坩堝內的熔矽表面處引起振動的石英玻璃坩堝，其中坩堝內壁的石英玻璃的振動周期控制在超過1/6秒。
文檔編號C30B15/20GK1497071SQ20031010290
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月22日 優先權日2002年10月22日
發明者岸弘史, 德, 神田稔, 福井正德 申請人:日本超精石英株式會社