[发明专利]用于改善无位错性能的表面处理过的坩埚

说明书

本发明涉及到用来制备切克劳斯基(Czochralski)工艺生长的硅单晶。确切地说，本发明涉及到一种带有一个或更多个用消玻(de-vitrification)促进剂处理过的表面的熔炼石英坩埚。

作为大多数半导体电子元件制造工艺的原材料的单晶硅，通常用所谓的切克劳斯基工艺来制备。在此工艺中，多晶硅被装载于坩埚中，使多晶硅熔化，将籽晶浸入熔融的硅中，借助于慢慢提拉就生长出单晶硅锭。

选取来用于切克劳斯基工艺的坩埚通常称为熔炼(fused)石英坩埚，或简单地称为石英坩埚，它由以透明石英而著称的非晶态石英所组成。但与透明石英的使用相关的一个缺点是坩埚内表面上的沾污物在多晶被熔化以及单晶锭生长时，会成核并促使方英石小岛在透明石英表面中形成(通常小岛集中在沾污物位置的附近)。此方英石小岛可能被掏挖并以颗粒形式释放进入硅熔体，导致在硅锭中形成位错。例如，借助于形成在透明石英和方英石之间界面处的低熔点共熔液体的作用，方英石小岛可以被掏挖，如Liu等人所述那样(“液硅与透明石英之间的反应”，J.Mater.Res.，7(2)，p.352(1992))。在本技术领域还已知方英石小岛被掏挖并释放进入熔体的其它机制。

当透明石英组成的坩埚经受多晶料熔化或硅锭生长过程中的特别高的温度时，也可能损失结构完整性。通常，这些坩埚随温度升高而软化，而且当坩埚壁的温度超过1817°K时，它们软得足以在外加应力下容易地流动。因此常常用石墨支座来支持坩埚。然而，尽管有这种加强，在多晶熔化和晶体生长的工艺过程中，或在出现拉晶炉机械故障导致高温下的停留时间变长时，石英坩埚仍可能弯曲。在不完整的晶体的重新熔化过程或粒状多晶硅(即在流化床中形成的粒状多晶硅)的熔化过程中，最常发生弯曲。

Pastor等人在美国专利4,429,009中公开了一种为了钝化表面并增强表面稳定性的使坩埚的透明石英表面转化成方英石的工艺。在这一工艺中，透明石英表面被暴露于1200℃-1400℃的含原子碘环境中24小时，以便使表面转化成β方英石，然后冷却至260℃以下的温度，使β方英石转变成α方英石。当坩埚尔后重新加热到升高了的温度以便在晶体生长工艺中应用时，此α方英石层转变成β方英石。但经验表明，α方英石到β方英石的相变使消玻化表面破裂并在表面上形成颗粒。这些颗粒从消玻化表面释放进入到硅熔体中，在硅锭中引起位错的形成。

还提出过另一种处理坩埚表面的方法。日本Kokai No.52/038873公布用氙灯照射坩埚内表面以便清除静电附着的金属沾污以减少硅单晶中氧化引入的堆垛层错。日本Kokai No.60/137892描述了一种对坩埚进行电解以便从坩埚上清除碱金属用以减轻晶格缺陷和坩埚变形影响的方法。美国专利4956208和4935046描述了带有不透明外壳和基本上无气泡的透明石英内层的坩埚，用来控制氧向硅熔体中的转移。此内层也描述成可抑制坩埚一熔体交界面处的方英石的生长，可防止方英石掉入熔体干扰晶体生长。在坩埚经受剧烈的温度变化时，这些处理多半并不加强坩埚壁的抗弯曲能力，也无法控制熔硅存在时的消玻过程。

美国专利4102666描述了在扩散管外表面上形成一个结晶石英薄层以改善其尺寸的热稳定性。扩散管的外表面用诸如硼、铝、磷、锑、锌、镁、钙、镓或周期表中的IV族元素的氧化物、碳化物或氮化物之类的结晶促进核来处理。这种核促进很慢的消玻，据说可延长扩散管的使用寿命。扩散管用于加工半导体片子，温度高达约1300℃，这一温度显著地低于透明石英的软化点。

对于具有更高的结构稳定性的石英坩埚有所需求，以便延长坩埚的使用寿命并防止熔化和晶体生长过程中坩埚变形和弯曲。释放较少的颗粒状沾污物进入硅熔体的坩埚会改善用切克劳斯基工艺生长的无位错单晶的成品率和产量。

因此，在本发明的目的中可能提到具有增强的结构稳定性的坩埚的构造，此坩埚构造向硅熔体释放较少的颗粒沾污，并提供切克劳斯基工艺生长的无位错单晶的经改善了的成品率和产量。