[发明专利]一种提高单晶硅首棒成晶率的长寿命石英坩埚

说明书

本发明涉及一种提高单晶硅首棒成晶率的长寿命石英坩埚，具有以下任一种特征：a、在石英坩埚透明层底壁内侧设置钡/锶涂层；b、用钡/锶掺杂石英砂原料制备石英坩埚透明层底壁；c、用金属杂质含量20‑50ppm的石英砂原料制备石英坩埚透明层底壁；d、用合成石英砂原料制备石英坩埚透明层底壁。本发明通过在石英坩埚透明层底壁设置钡/锶涂层或使用掺杂质的原料制备石英坩埚透明层底壁，使该位置受热后首先形成起保护作用的析晶层，析晶层形成时间早于多晶硅熔化流向坩埚底壁的时间，避免高温熔体对底壁的侵蚀，提高CZ法首根棒成晶率；本发明仅在底壁内侧中心区域设置钡涂层或用掺杂质的原料制备底壁，减少析晶产生速度，增加拉晶产出。

技术领域

本发明属于坩埚制造技术领域，具体涉及一种提高单晶硅首棒成晶率的长寿命石英坩埚。

背景技术

石英坩埚是CZ法拉至单晶硅棒的重要设备。如图1所示，石英坩埚为内外双层结构，外层1是高气泡密度的区域，称为气泡复合层。气泡复合层受热较均匀，保温效果较好；内层2是一层3-5mm的透明层，称为气泡空乏层。气泡空乏层的存在使坩埚与溶液接触区的气泡密度降低，从而改善单晶生长的成功率及晶棒品质。石英坩埚整体包括直壁A、弧形连接段B和底壁C三部分组成。如图2所示，在制备单晶硅的过程中，需要一次性将制作多根单晶硅棒的多晶硅原料熔化在石英坩埚中，在多晶硅熔化并且温度达到平衡之后，将籽晶浸入熔体中，熔体中的硅不断以籽晶形核不断长大得到单晶硅棒3，该过程中石英坩埚安装在石墨坩埚4内部且和石墨坩埚4一起被驱动旋转，硅熔体呈离心流动。由于提拉期间坩埚内熔体温度极高(1420℃以上)，石英坩埚内壁的二氧化硅会慢慢溶解被侵蚀，坩埚内表面的污染物能够在多晶硅熔化和单晶硅棒生长期间形核并促使在内层玻璃态二氧化硅表面析出方石英岛状物(以污染物形核)。方石英和和石英坩埚膨胀系数不一致，并且石英岛状物在熔化期间被多晶硅熔体冲刷掉而作为污染粒子进入硅熔体中，从而导致位错在单晶硅棒中形成。

为了避免CZ法拉晶过程中高温多晶硅熔体对石英坩埚内壁的二氧化硅的溶解侵蚀，现有技术如美国专利US5976247提出在多晶硅熔化成硅熔体后，用钡或锶对熔体进行掺杂，借此在与熔体接触的坩埚内表面上以钡或锶形核形成失透二氧化硅层，利用该失透二氧化硅层保护石英坩埚内壁免收高温熔体侵蚀。然而随着石英坩埚的旋转离心作用和多晶硅熔体的流动，最终起到保护作用的失透二氧化硅层主要集中在石英坩埚的直壁内表面。该方案的坩埚长时间拉时虽然内壁可以形成一层均匀且较薄的析晶层(失透二氧化硅层)，但坩埚底壁的析晶层形成时间比较晚且比较薄，在拉制第一根单晶硅棒时底壁的析晶层尚未形成或刚刚开始形成，导致拉制第一根单晶硅棒时易受污染而成晶率偏低，据业内统计一般单晶硅首棒的成晶率只有10％-40％左右。此外，CN110670121A还提出在石英坩埚本体底部外侧涂覆有诱发析晶相物质，在高温拉晶过程中这些诱发析晶相物质引发石英坩埚本体底部的石英由玻璃态转变成更加致密且活性更低的晶体态，提高坩埚本体底部的强度，抵抗高温导致底部变形或开裂，提高拉晶产出。此外，CN208218691U公开在石英坩埚外侧直壁设置涂层防止石英坩埚在搞完下软化和套置在外部的石墨坩埚紧贴不能排出气体，增强石英坩埚的强度，避免坩埚鼓包变形。前述方案在石英坩埚外壁局部设置涂层均为了提高石英坩埚的强度，防止开裂、变形、鼓包等问题，都无法解决单晶硅首棒成晶率偏低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

经过长期研究发现，坩埚底壁内表面与高温多晶硅熔体反应速度过快、侵蚀快速、导致大量杂质、颗粒等混入多晶硅熔体中是导致CZ法首根棒成晶率偏低的主要原因。鉴于此发现，本发明提供一种提高单晶硅首棒成晶率的长寿命石英坩埚，通过在石英坩埚透明层底壁设置钡/锶涂层或使用钡/锶掺杂的原料/金属杂质较高(20-50ppm)的石英砂原料制备石英坩埚透明层底壁，使该位置在受热后首先形成起保护作用的析晶保护层，析晶保护层的形成早于多晶硅熔化后流向坩埚底壁的时间，避免高温熔体对底壁的侵蚀，提高CZ法首根棒的成晶率。

(二)技术方案

第一方面，本发明提供一种提高单晶硅首棒成晶率的长寿命石英坩埚，其具有以下任一种特征：