[发明专利]石英坩埚内表面处理工艺

说明书

技术领域

本发明是石英坩埚内表面处理工艺，涉及石英玻璃制品领域。

背景技术

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部 分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太 阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优 势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开 拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量达 25.8％的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。近年来， 各种晶体材料，特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关 高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成 为全球经济发展中增长最快的先导产业。单晶硅作为一种极具潜能， 亟待开发利用的高科技资源，正引起越来越多的关注和重视。

作为大多数半导体电子元件制造的原料的单晶硅，通常由所谓的切克 拉斯基法(Cz)制备。当使用Cz方法时，晶体的生长通常在晶体提拉炉中 进行，其中将多品质硅(“多晶硅”)装填到坩埚中，然后通过环绕在坩 埚壁外表面的加热器熔化。使晶种与熔融的硅接触，通过抽拉来生长单 晶锭。在这种提拉过程中，石英玻璃坩埚要经受长达数小时的其必须承 受的高机械、化学以及热应力，而不出现明显的塑性变形。坩埚越大， 容纳的熔体容量也越大，通常熔化的时间也就越长。

美国专利No.5976247公开了一种增强石英玻璃坩埚热稳定性的方 法，其中所述坩埚配置方英石表面层。方英石约1720℃的熔点要比常 规半导体材料的熔化温度(例如对于硅熔体为1420℃)高很多。为了产生 方英石表面层，用一种化学溶液处理石英坩埚的玻璃质外壁，所述溶液 含有有助于石英玻璃晶析成为方英石的物质(“结晶促进剂”)，例如碱 金属、碱土金属、重过渡金属以及氢氧化钡或碳酸钡。当将石英玻璃坩 埚加热到超过1420℃的温度时，预处理过的坩埚壁表面在转化为方英石 时结晶，从而导致石英玻璃坩埚具有更高的机械和热强度。这种晶析作 用是持久的，且能改善对坩埚表面溶解控制的程度。

美国专利公开NO.2005/0178319公开了一种提供有结晶促进剂的 石英玻璃坩埚，所述促进剂含有在石英玻璃中用作网络形成剂和/或网 络改性剂的第一成分，以及在石英玻璃中用作断点形成剂、不含碱金属 的第二成分，例如为三元氧化物如钛酸钡、锆酸钡，或其混合物。美国 专利公开No.2003/0211335公开了一种熔凝石英制品如坩埚，其通过 受控的晶析作用，特别是通过用胶态二氧化硅浆料涂覆所述坩埚来增强 其抗蠕变力，所述浆料掺杂有金属阳离子如钡、锶和钙以促进方英石晶 体的成核和生长，从而延长所述石英制品的寿命。

就硅熔体溶解坩埚而言，其首先必须将二氧化硅(siO2)的表面还原 为一氧化硅(siO)，然后阻断相连接siO的网络，最后使单个SiO颗粒溶 剂化。通常来讲在持续使用后石英坩埚在与硅熔体接触的表面上形成环 状晶斑，在结晶部分被侵蚀时，因为它仅仅通过与不同相的结合受到牵 制(holddownl，所以可能解散为碎片。由于该结合比其内部结合松散， 有助于颗粒碎片变为熔融硅。当玻璃表面被侵蚀或溶解时，其溶解得不 均匀并可能使松散的颗粒进入到熔体中，这容易在硅晶体生长中引起位 错而减少产量。在尽最大努力获得尽可能完美晶体结构的条件下生长当 前的完美硅晶体。其目的在于最小化间隙数量和硅空位的数量。但是， 即使尽最大努力来获取热动力/缓慢生长的条件，仍然会引入空位。由 于不可能完全消除空位，这就需要通过改进的石英玻璃坩埚来降低品格 上的应变。

石英坩埚在使用时起作用的为其内表面，外表面和底部的性能对坩埚 的使用寿命和单晶硅的制造不起什么作用。

石英坩埚内壁在工作过程中会产生较大的应力，现有技术中的表面处 理工艺由于无法减小这种应力，使得坩埚在使用一段时间后，表面晶体 结构变化造成应力加大，容易使得松散的颗粒进入到熔体中或坩埚碎裂。

另外，现有技术的石英坩埚内表面处理工艺大多无法解决在生产过程 中坩埚内表面与硅熔液接触面浮起的气泡会附着在单晶硅和硅熔液的表 面，在拉制过程中形成气孔，从而影响产品品质。

发明内容

本发明的为解决现有技术中石英坩埚抗蠕变力差、坩埚容易碎裂、 表面容易脱离影响产品品质、容易出现气泡影响产品品质等问题，提供 一种用于生产单晶硅的石英坩埚内表面处理工艺。