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石英坩埚在单晶生长中的重要性
上传时间:2021年04月29日 15:56:30
  石英坩埚发展历程。
  最早期的石英坩埚是全部的透明的结构,佑鑫石英这种透明的结构却容易引起导致不均匀的热传输条件,增加晶棒生长的困难度。现代的石英坩埚则存在二种结构,外侧是一层具有高气泡密度的区域,称为气泡复合层,内侧则是一层3~5mm的透明层,称之为气泡空乏层。气泡复合层的目的是在与均匀的辐射有加热器所提供的辐射热源。气泡空乏层的目的在于籍着降低与溶液接触区域的气泡密度,而改善单晶生长的成功率及晶棒品质。因为石英坩埚本身是非晶质的介态能,在适当的条件下它会发生相变化而形成稳定的白矽石结晶态,单晶产生位错的机率随着石英坩埚的使用时间及温度增加而增加。因此石英坩埚的使用总是有着时间的限制,超过一定的时间,过多的白矽石颗粒将从石英坩埚壁释放出来,使得零位错的生长而终止。这种石英坩埚使用寿命的限制,是生长更大尺寸晶棒及(多次加料)晶棒生长的一大阻碍。
  为了解决这一问题,钡涂层坩埚应运而生了。这是因为钡在矽中的平衡偏析系数非常小,使得他在矽晶棒中的浓度小于2.5x109/cm3,因而不会影响到晶圆的品质。通常的做法是将石英坩埚壁涂上一层含有结晶水的氢氧化钡(Ba(OH)2.8H2O),这层氢氧化钡会与空气中的二氧化碳反应形成碳酸钡。而当这种石英坩埚在单晶炉上被加热时,碳酸钡会分解形成氧化钡,随着氧化钡与石英坩埚反应形成矽酸钡(BaSiO3)。由于矽酸钡的存在,使得石英坩埚壁上形成一层致密微小的白矽石结晶。这种微小的白矽石结晶很难被溶液渗入而剥落,即使剥落也很快被溶液溶解掉,因此目前市场普遍使用的钡涂层坩埚可以大幅度的改善石英坩埚的使用寿命及长晶良率。另外在石英坩埚外壁形成一层白矽石结晶的又可以增加石英坩埚的强度,减少高温软化现象。
  石英砂的取材对单晶生产的影响。
  石英坩埚的几何尺寸和外观是生产工艺确定的,而纯度是由原料确定的。石英坩埚用的原料要求纯度高、一致性好、粒度分布均匀,有害成分高时会影响坩埚的熔融制,影响其耐温性,还会出现气泡、色斑、脱皮等现象,严重影响石英坩埚的质量。近年来,随着拉晶成本的不断压缩,一些单晶厂家选择了市场上一些用国产石英砂制作的石英坩埚。虽然国产石英砂坩埚在市场争得了一席之地。但是应该看到,国产砂石英坩埚与进口石英砂高品质的石英坩埚在工艺技术和产品性能方面还有一定的距离。
  国产石英坩埚软化点低、寿命短、易下陷,单晶一旦卡棱,几次回熔后很难再长出单晶。佑鑫石英此外,石英坩埚下陷后,石墨坩埚裸露,引起碳含量超标。并且坩埚内表面气泡多,杂质点、斑点多,拉晶过程中脱落下的石英砂容易使单晶卡棱。因此,石英坩埚的选材对拉晶的成品率与品质来说是至关重要的。
  石英坩埚中碱金属含量对单晶生长的影响
  石英坩埚是由高纯石英砂烧制而成,由于石英砂中存在高达13中有害金属元素,因此石英砂的纯度对石英坩埚的质量起到了决定性作用。硅的熔点为1420℃,坩埚的熔点比它稍高一点,在硅液溶化后会不断的对坩埚内表面进行侵蚀,这样一来,坩埚中的金属会不同程度的释放到晶棒中从而影响单晶的品质,尤其在当下整个市场都在降低拉晶成本的大环境下,一些厂家为了降低生产成本从而选择一些国产石英砂所制成的坩埚,更加的影响了单晶拉制的品质。因此,碱金属对石英坩埚的品质性能影响很大,另外坩埚中的NA K 元素含量越低,坩埚的抗变形能力越强,对单晶的成品率提升越有利,因此,石英坩埚中NA K 的降低有利于提高坩埚的软化点,提高单晶品质。
  石英坩埚对晶体中的氧含量的影响。
  1.单晶中氧的主要来源
  因为直拉单晶硅的生长需要利用高纯石英坩埚,虽然坩埚的熔点要高于硅料的熔点,但是在高温过程中,熔融的液态硅会侵蚀坩埚,佑鑫石英从而导致少量的氧进入晶体内部。在硅的熔点(1420℃)附近,溶硅与坩埚作用,生成SIO进入硅溶体。然后经过机械对流、热对流等方式使SIO传输到熔体表面,因此到达硅熔体表面的SIO以气体形式挥发,而剩下的一小部分SIO溶解在硅液中以氧原子形态存在于液体硅中,最终进入晶体内,从而影响单晶的氧含量。
  2.坩埚阻止氧含量释放的措施。
  氧主要来源于石英坩埚,因此如何最大限度降低坩埚中氧的释放则是单晶降低氧含量的重要手段,而石英坩埚品质的好坏直接关系到放含量的释放程度。坩埚中氧的释放过程实际上就是坩埚气泡层穿透透明层向硅液中释放氧的过程,而在坩埚内层烧结一层 3-5mm左右的透明层,从而既保证了坩埚内表面的纯度,又不致于使坩埚软化点过低。因此,坩埚透明层的质量好坏决定了坩埚气泡的释放程度。另一方面,现在的坩埚都是在坩埚内表面用氢氧化钡进行涂层,其目的就是减少硅液对坩埚的侵蚀程度,因此,氢氧化钡的纯度很大程度上影响着坩埚内表面所生成的钡离子结晶层的好坏。从而影响着坩埚内氧含量的释放。
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