專利名稱：石墨坩堝及制造硅單晶的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于根據Czochralski法制造硅單晶的石墨坩堝，還涉及包括所述石 墨坩堝的根據Czochral ski法制造硅單晶的裝置。
背景技術：
作為一個用于生長硅單晶的方法，通常使用以Czochralski法(CZ法)為代表的 拉伸法。在此使用的裝置通常具有用于保持原料硅熔體的石英坩堝，其中該坩堝被石墨坩 堝包圍，該石墨坩堝的內部形狀用于支撐該石英坩堝并實現均勻加熱，而用于加熱的加熱 器設置在其外部。石英坩堝和石墨坩堝的形狀通常都包括近似圓柱體形狀的側壁和適當地 徑向斜切的底部。在CZ法中，位于石英坩堝中的硅原料被加熱和熔化。由于硅的熔點約為1420°C， 首先必須進行加熱以達到熔點。在此情況下，必須提高所述加熱器的溫度至約1700°C。由 于該加熱過程，石墨坩堝和石英坩堝均被加熱至硅的熔點或更高。當石英超過約1200°C時 開始軟化和變形，并且由于在石英坩堝中熔融硅的荷重，石英坩堝與石墨坩堝的內部形狀 幾乎完全地密切接觸，該石墨坩堝支撐石英坩堝的外部。隨著最近硅晶片直徑的增加，在CZ 法中也需要增加石英坩堝的直徑和容量，并且上述加熱過程的溫度范圍和加熱均勻性的控 制變得越來越重要。如以下方程式所示，CZ法的一個已知的問題是，在硅的熔化溫度下，在石英坩堝的 內表面上發生石英坩堝的成分SiO2與熔融硅Si之間的反應。由此產生SiO氣體。此外，在 石英坩堝外部，該SiO氣體與石墨部件的外表面反應，由此生成SiC固體。此外，在石英坩 堝的外表面上，通過石英坩堝的外表面與石墨坩堝的內表面之間的反應產生SiO氣體和CO 氣體，此外通過與石墨坩堝的內表面的其他反應生成SiC固體。所生成的SiC的熱膨脹系 數明顯不同于石墨。因此，在石墨坩堝的冷卻/加熱循環過程中，SiC成為破裂等的原因，因 此在安全性等方面限制了其使用壽命。此外，所產生的CO氣體由此對石英坩堝施加壓力， 導致其變形。Si02+Si = SiOSi02+C = Si0+C0Si0+2C = SiC+CO 關于改進石墨坩堝以解決上述問題的一些技術是已知的。其中之一是在第 61-44791號日本專利申請公開中所公開的方法，其中在石英坩堝與石墨坩堝之間使諸如氬 氣的惰性氣體在下游方向上流動并且由在石墨坩堝的下部側壁中向下設置的孔排放所述 氣體，在石英坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體由此被排出。此外，在第10-297992號 日本專利申請公開中公開了一種技術，其中在石墨坩堝中在熔融硅的液位上方的位置上設 置水平的孔以避免石英坩堝由于所產生的氣體而變形。此外，在2008-201619號日本專利 申請公開中公開了一種方法，其中使諸如氬氣的惰性氣體沿著垂直地設置在石墨坩堝內表 面上的導氣溝槽在下游方向上朝著坩堝底部流動并且從底部排放所述氣體，在石英坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體由此被排出。
發明內容
然而，人們已經開始認識到，這些常規方法不再適合于特別是最近用于CZ法的大 直徑/大容量(大重量)的石英坩堝。更具體而言，在石墨坩堝的內表面上設置復雜結構 如導氣溝槽以排出所產生的氣體，這在保持大容量(大重量)的石英坩堝的安全性方面并 不是優選的。此外，在使用具有大直徑/大容量(大重量)的石英坩堝時，由于高的加熱溫 度而軟化的石英坩堝發生變形，從而與對其支撐的石墨坩堝幾乎完全地密切接觸。因此變 得難以在所述坩堝之間供應充足的氣流。 因此，期望新型的石墨坩堝技術，其通過平穩地排出所產生的CO氣體而避免壓力 在石英坩堝上累積，還避免在石墨坩堝內部形成/累積SiC，既無需(i)在石墨坩堝的內表 面上設置復雜的結構，也無需(ii)在石墨坩堝與石英坩堝之間供應充足的惰性氣體流。本發明的發明人進行了堅持不懈的研究，以開發出滿足所述期望的石墨坩堝。發 明人由此成功地找到新型石墨坩堝，其中在石墨坩堝的至少一個特殊位置上設置至少一個 近似水平的排氣孔，由于所產生的CO氣體被平穩地排出而不會在石英坩堝的表面上累積 壓力，并且避免了在石墨坩堝的內部形成/累積SiC。由此實現本發明。具體而言，本發明涉及用于根據Czochralski法制造硅單晶的石墨坩堝，其特征 在于，在石墨坩堝的角落部分設置至少一個排氣孔。本發明還涉及所述石墨坩堝，其特征在于，所述至少一個排氣孔的方向是近似水 平的。此外，本發明還涉及根據Czochralski法制造硅單晶的裝置，其特征在于包括本 發明的石墨坩堝。在此，本發明的石墨坩堝不僅包括分體型，還包括一體型。此外，本發明還包括由 CFC復合物(碳纖維增強的碳)制成的坩堝。在根據本發明的石墨坩堝中，在坩堝的角落部分設置至少一個排氣孔。因此，所述 石墨坩堝能夠平穩地釋放由石英坩堝與石墨坩堝之間的反應所產生的氣體，由此避免了在 石墨坩堝的表面上形成SiC以及由氣體壓力導致的石英坩堝的變形。因為本發明的根據 Czochralski法制造硅單晶的裝置包括根據本發明的石墨坩堝，所以在制造硅單晶期間，可 以平穩地釋放由石英坩堝與石墨坩堝之間的反應所產生的氣體。因此，可以避免在石墨坩 堝的表面上形成SiC以及由氣體壓力導致的石英坩堝的變形，確保在制造過程中的安全性 和延長石墨坩堝的使用壽命。
圖1所示為本發明的石墨坩堝。圖2所示為用于解釋本發明的排氣孔的作用效果的示意圖。
具體實施例方式如圖1所示的本發明的石墨坩堝1的實例所圖示，在本發明的石墨坩堝中，(內) 側面部分2通常具有近似垂直的圓柱體形狀，而底部3具有適當地徑向斜切的形狀。所述石墨坩堝的特征在于，在其角落部分4設置有排氣孔5。在此，石墨坩堝1可以與傳統公知的 用于根據Czochralski法制造硅單晶的石墨坩堝基本相同，而對于所述石墨坩堝是分體型 還是一體型并沒有特別的限制，對其尺寸、形狀或材料也沒有特別的限制。即使在傳統公知 的分體型的情況下，其中坩堝被分為二個或三個部分，在使用時該坩堝作為一個整體具有 上述形狀。在此，本發明的石墨坩堝的角落部分是指連接側面部分與底部的部分(范圍)。 本發明的石墨坩堝具有在使用時由其角落部分支撐石英坩堝和熔融硅的主要荷重的功能。 因為在使用時石英坩堝被加熱至接近具軟化點，所以導致石英坩堝處于在底部和角落部分 與石墨坩堝幾乎完全地密切接觸的狀態，并且達到所期望的加熱效果。作為在所述角落部 分中從 石墨坩堝的內部向外部的近似水平的孔設置排氣孔5。如圖2所圖示，在使用時，惰性氣體21 (通常是氬氣)通常在減壓下流過石墨坩堝 的外部并排出。因此，排氣孔25和空隙28的內部26的壓力處于略低于石墨坩堝的外部壓 力27的狀態。因此，如上所述，在使用時，直至所述SiO氣體到達排氣孔的短時間內由于 SiO氣體與石墨坩堝的表面的C之間的反應而形成CO氣體。然而，該氣體被迅速地從排氣 孔排出，并且可以避免施加在石英坩堝上的壓力累積。因此，SiO與石墨坩堝表面的反應主 要發生在排氣孔中或者僅在其外部周圍。在本發明中，只要充分實現上述功效，在角落部分所設置的排氣孔的位置、形狀、 數量和方向并沒有特別的限制。另一方面，因為石墨坩堝必須安全地支撐石英坩堝和熔融 硅的荷重，綜合考慮上述內容，可以在優選的范圍內選擇排氣孔的位置、形狀、數量和方向。 具體而言，關于排氣孔的方向，在爐內部充滿諸如氬氣的惰性氣體的情況下，優選以水平方 向設置排氣孔，從而更加平穩地排放所產生的CO氣體。具體而言，若設置多個排氣孔，則它們的位置優選為等分圓柱形的角落部分的位 置。在等分位置的情況下，可以使由孔導致的坩堝強度下降情況最小化。排氣孔的形狀沒 有特別的限制，可以采用圓形和多邊形。其截面積也沒有特別的限制。然而，可以在充分考 慮如何避免被加熱至接近其軟化點的石英坩堝的石英壁在排氣孔方向上的變形的情況下， 選擇該截面積。因此，在綜合考慮所述問題的情況下，每個排氣孔的截面積優選為225mm2或 更小。這意味著，若截面為圓形，則其半徑優選在5mm至8mm的范圍內。若采用具有該截面 積的排氣孔，則排氣孔的數量優選為2至3個/分割的坩堝及6至8個/不分割的坩堝。排氣孔的方向并沒有特別的限制。然而，排氣孔的設置方向優選能夠由此使上述 方法實施，換而言之，能夠使在石英坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體平穩地排出。具 體而言，優選以近似水平或稍微向上的方式設置所述排氣孔，這是因為其實現了平穩的氣 流。本發明的根據Czochralski法制造硅單晶的裝置的特征在于包括本發明的上述 石墨坩堝以代替用于傳統公知裝置中的石墨坩堝。因此，在傳統公知的制造條件下，在石英 坩堝與石墨坩堝之間所產生的CO氣體迅速地由石墨坩堝的排氣孔排放至外部。由此可以 抑制在石墨坩堝內部形成和累積SiC，并且可以抑制由于CO氣體累積的壓力導致石英坩堝 的變形。實施例通過使用具有在角落部分中均等的6個位置上水平地設置的內徑為5mm的孔的、 外徑為500mm且內徑為460mm的石墨坩堝，拉伸50個硅錠。完全無法檢測到在坩堝內部SiC的沉積。然而，在坩堝外部的孔的周圍，檢測到約為3mm的SiC的沉積。此外，完全沒有 觀察到由于CO氣體而導致的石英坩堝的變形。
根據本發明的石墨坩堝可用于根據Czochralski法制造硅單晶的裝置中。
權利要求
1.用于根據Czochralski法制造硅單晶的石墨坩堝，其特征在于，在所述石墨坩堝的 角落部分設置至少一個排氣孔。
2.根據權利要求1的石墨坩堝，其特征在于，所述至少一個排氣孔的方向是近似水平的。
3.根據Czochralski法制造硅單晶的裝置，其包括根據權利要求1或2的石墨坩堝。
全文摘要
本發明提供用于根據Czochralski法制造硅單晶的石墨坩堝，其中該石墨坩堝具有長的使用壽命。其特征在于，在所述坩堝的角落部分設置至少一個排氣孔。由石墨坩堝與石英坩堝之間的反應所產生的氣體通過所述至少一個排氣孔釋放到外部。由此避免了在石墨坩堝的表面上形成SiC，以及避免了由氣體的壓力導致的石英坩堝的變形。
文檔編號C30B15/10GK102094235SQ20101058355
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月8日 優先權日2009年12月11日
發明者加藤英生, 末廣干雄, 村上英明 申請人:硅電子股份公司