[发明专利]用于硅结晶的坩埚及其制造方法

说明书

本发明涉及用于硅结晶的坩埚，并涉及熔融材料处理中使用的坩埚的保护涂层的制备和应用，所述熔融材料在坩埚中凝固并然后以晶锭形式被移出，且更尤其涉及多晶硅凝固中使用的坩埚的保护涂层。

坩埚(例如由熔融石英、碳化硅、石英、氮化硅、反应结合氮化硅或石墨制成)典型地用于多晶硅的凝固。选择氧化硅的主要原因是它具有高的纯度和可获得性。然而在通过该方法使用氧化硅作为用于制备硅的坩埚中存在问题。

熔融状态的硅可同与其接触的氧化硅坩埚反应。熔融硅与氧化硅反应形成一氧化硅和氧。氧可污染硅。一氧化硅具有挥发性，并且可与炉内的石墨部件反应。一氧化硅与石墨反应形成碳化硅和一氧化碳。一氧化碳然后可与熔融硅反应形成另外的挥发性一氧化硅、碳化硅、金属痕量物质或添加剂的碳化物及氧化物、和碳。碳可污染硅。硅还可与包含在坩埚内和/或包含在氮化物涂层内的多种杂质(铁、硼、铝等等)反应。

氧化硅与硅之间的反应促进硅对坩埚的附着。这种附着与所述两种材料之间的热膨胀系数的差异相结合在硅锭中产生应力，导致其在冷却时开裂。在本领域中已知的是，施用在坩埚内侧与晶锭接触区域上的保护涂层可防止引起晶锭污染和开裂的硅与氧化硅之间的反应。为有效起见，该涂层必须足够厚以防止硅与氧化硅坩埚反应，并且必须不可通过其自身或其内的污染物有害地污染硅。

文献中描述了多种试图解决坩埚与熔融材料接触的反应和附着问题的材料和技术。

已知氮化硅涂层可防止熔融硅与来自坩埚的氧化硅之间的化学反应。美国专利No.4,741,925描述了一种通过化学气相沉积在1250℃下施涂的坩埚用氮化硅涂层，而WO-A1-2004/053207公开了通过等离子喷涂施涂的氮化硅涂层。美国专利No.4,218,418描述了通过快速加热在氧化硅坩埚内侧形成玻璃层以防止硅在熔化处理期间开裂的技术。

现有技术包括在硅的定向凝固中用于对坩埚进行施涂的粉状脱模剂的具体文献。另外，提及了使用化学气相沉积、溶剂蒸发、高温火焰处理和其它昂贵且复杂的手段来施涂坩埚涂层。提及了具体的粘结剂和溶剂。提及了粉末状涂层浆料的混合、喷涂或刷涂。

已知氮化硅涂层可防止熔融硅与来自坩埚的氧化硅之间的化学反应。

然而，氮化硅涂层自身可导致问题。防止硅与氧化硅坩埚反应所需的氮化硅涂层的厚度相当重要(约300μm)，因此使涂层操作昂贵且耗时。此外，这种氮化硅涂层机械上不牢固，并且可在使用期间或者甚至在使用之前脱落或剥落。因此推荐在使用之前的最后时刻施涂该涂层，即在最终用户设备处，从而将施涂这种厚涂层的负担留给最终用户。

将稳定的氮化物涂层提供到陶瓷坩埚上的已知技术包括(1)氮化物涂层在700℃-1450℃的高温下于受控煅烧周期下氧化和(2)向氮化物组合物中添加烧结/粘结(或粘着)辅助剂。添加剂可为金属或氧化物添加剂例如Al₂O₃、SiO₂、AlN、Al、Si、微硅粉或细硅粉及其它。在共同未决申请EP04447105中描述了包含微硅粉的氮化硅涂层。氮化硅氧化成氧化硅提高了涂层中氧的量并且导致上述问题。另外，氧化程度和产生的氧的量不易于控制。

硅生产商的描述光电和半导体应用时化学和物理相互作用的大部分文献，突出了维持坩埚涂层中低氧含量的需要。对于高质量晶片生产推荐使用低氧的氮化硅涂层。美国专利No.6,165,425中特别描述了具有低氧含量的高纯度氮化硅粉末的应用。该文献描述了具有0.3重量％到至多5重量％的极低氧含量的氮化硅涂层。该涂层可包含增粘剂例如聚乙烯醇，并且在优选500℃-700℃的温度下于空气中干燥。在这些低干燥温度下，氮化硅不发生氧化，未在晶界上形成SiO₂，并且保持氮化硅的充分有效性。然而，一些问题仍然存在。因为不存在涂层的氧化，该涂层保持粉状且在将液态硅装入坩埚时易于受损。

因此，希望提供不存在上述问题的坩埚，该坩埚包含较强的涂层(避免脱落和剥落)，该涂层具有改善的抗机械磨损性，可快速且廉价地制备，同时防止熔融硅与坩埚之间的化学反应并维持关于氧含量的附加要求。