石英玻璃与熔硅的反应性及熔硅表面处的振动的评估工艺

摘要

提供了一种用于容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动级的评估工艺，所述工艺包括将从石英玻璃坩埚中切下的石英玻璃试样放在真空炉中，熔融所述玻璃试样上的少量硅，并测量熔硅的振动周期。而且，还提供了一种不会在容纳于石英玻璃坩埚内的熔硅表面处引起振动的石英玻璃坩埚，其中坩埚内壁的石英玻璃的振动周期控制在超过1/6秒。

说明书

技术领域

本发明涉及一种简单和可靠的评估工艺，通过此工艺可对石英玻璃与熔硅的反应性或容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动现象进行评估。此外，本发明还涉及一种应用所述评估工艺来改进的石英玻璃坩埚。当此改进的坩埚用于拉拔单晶硅时，可以显著地抑制容纳在坩埚内的熔硅表面处的振动。

背景技术

用作半导体硅晶片的原材料的单晶硅主要由切赫拉尔斯基(CZ)法来生产。由于CZ法是通过使单晶籽晶与容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅相接触从而生长单晶硅的方法，因此CZ法的单晶硅的结晶化受到容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动现象的显著妨碍，并且单晶的产量明显下降。在下文中，这种现象被称为“熔硅的表面振动”。因此，非常需要一种不会引发熔硅的表面振动的石英坩埚。

熔硅的表面振动由石英玻璃与熔硅的反应所引起。然而在传统上，对于石英玻璃坩埚来说，尚未知道任何可评估容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动级的方法，并且没有方法可评估石英玻璃坩埚是否会引起振动，例外之处是可通过使用所述石英玻璃坩埚来真正地进行单晶硅的拉晶试验。而且，对于会引起熔硅的表面振动的石英玻璃与熔硅的反应性来说，涉及到许多复杂的因素，例如石英玻璃在熔硅中的溶解速度、坩埚的气泡含量、石英玻璃中的各种杂质的浓度，以及石英玻璃表面的粗糙度，尚未确切地证实各种因素在多大程度上影响此反应性。因此，为了得到不会引起熔硅表面振动的石英坩埚，必须进行许多拉晶试验来评估此坩埚，即使重复进行所述拉晶试验，也很难得到不会引起熔硅表面振动的石英坩埚。

在这种现有状态下，近来已经公开了一种用于评估熔硅表面振动的方法，其中此方法包括在石英玻璃的样件上熔融硅，并测量石英玻璃的减少量以间接地估计熔硅的表面振动(日本公开特许公报No.2002-154894)。然而，就这种方法而言其误差太大，因而很难得到与实际拉晶结果一致的结果。如上所述，许多因素如石英玻璃的溶解速度、坩埚的气泡含量、各种杂质的浓度以及表面的粗糙度均与熔硅的表面振动复杂地相关，因此，如上述现有技术所公开的那样只测量石英玻璃的减少量很难评估熔硅的表面振动。

发明内容

本发明解决了这一传统的问题。发明人致力于研究石英玻璃样件上的熔硅的振动周期，并且发现在振动周期超过一定的稳态值时熔硅的表面振动会被显著地抑制。基于这一知识，本发明提供了一种工艺，其中可容易并可靠地评估熔硅的表面振动，并提供了一种基于此评估工艺的改进的石英玻璃坩埚。

也就是说，根据本发明，提供了用于石英玻璃的反应性和熔硅的表面振动的评估工艺以及不会引起熔硅的表面振动的石英玻璃坩埚，如下所述。

[1]用于石英玻璃与熔硅的反应性的评估工艺，此方法包括：

在真空炉中熔融石英玻璃试样上的少量硅，和

测量熔硅的振动周期。

[2]用于容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动的评估工艺，此方法包括：

将从石英玻璃坩埚中切下的石英玻璃试样放在真空炉中，试样上放置了少量硅，

熔融所述玻璃试样上的所述少量硅，和

测量熔硅的振动周期。

[3]根据上述[1]或[2]所述的评估工艺，所述工艺包括：

将真空炉的内部调节到从5到100托的氩气压力和从1450到1600摄氏度的温度，

熔融石英玻璃试样上的少量硅，和

测量熔硅的振动周期。

[4]一种用于拉拔单晶硅的石英玻璃坩埚，其中，坩埚侧壁的内表面包括在根据上述[3]所述的评估工艺中不会振动或在超过1/6秒的振动周期内振动的石英玻璃。

[5]一种用于拉拔单晶硅的石英玻璃坩埚，其中，侧壁的内表面包括在根据上述[3]所述的评估工艺中不会振动或在超过1/6秒的振动周期内振动的石英玻璃，底部的内表面包括在根据上述[3]所述的评估工艺中在小于1/6秒的振动周期内振动的石英玻璃。

根据本发明的评估工艺，可以容易且可靠地评估石英玻璃与熔硅的反应性。因此，可以使用此评估工艺来估计容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动级。也就是说，如果通过此评估工艺来测量石英玻璃试样上的熔硅的振动周期，那么可根据试样的所述测量振动周期来预先地估计包括有与所述石英玻璃试样相同种类的石英玻璃的坩埚内的熔硅的表面振动级。

此外，不会产生熔硅的表面振动的石英玻璃坩埚可通过应用由试样测得的振动周期值来制造。也就是说，通过将制造条件设定成与生产具有所需振动周期值的石英玻璃坩埚的相同，就可以容易地制造不会产生所述表面振动的坩埚。具体地说，例如容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅的表面振动周期也受到正位于石英玻璃表面下方的气泡含量的影响，并且通常在气泡含量增大时变短。因此，如果将石英玻璃试样的测量振动周期应用到坩埚生产工艺中，那么通过控制正位于与所述石英玻璃试样相同种类的石英玻璃表面下方的气泡含量，就可以得到具有较长振动周期即熔硅表面处的振动较小的石英玻璃坩埚。

非常重要的是，本发明最新地揭示出，为了降低熔硅的表面振动，正位于石英玻璃坩埚的表面下方的气泡含量具有一个最佳范围。

附图说明

通过参考附图可以更好地理解本发明的优点，在附图中：

图1是显示了本发明的评估工艺的一个实施例的示意图。

图2是显示了图1所示玻璃试样上的熔硅的测量状态的放大视图。

主要标号的描述如下：10  真空炉；11  石英玻璃试样；12  熔硅；13  光学测量装置。

具体实施方式

下面将具体地参考优选实施例来说明本发明。

本发明的评估工艺是石英玻璃与熔硅的反应性的评估工艺，所述工艺包括：在真空炉中熔融石英玻璃试样上的少量硅，并且测量熔硅的振动周期。另外，对于石英玻璃坩埚来说，本发明是熔硅的表面振动的评估工艺，此方法包括：将从石英玻璃坩埚中切下的石英玻璃试样放在真空炉中，熔融所述石英玻璃试样上的少量硅，并且测量熔硅的振动周期。

对于所述评估工艺的条件来说，优选使用2到20克高纯度的硅，真空炉的内部被调节到从5到100托的氩气压力和从1450到1600摄氏度的温度。更具体地说，石英玻璃试样上的熔硅的振动最好在10克的硅量、20托的氩气压力和1560摄氏度的温度下进行测量。

在图1和图2中显示了所述评估工艺的测量设备的示例。如图所示，石英玻璃11的试样放置在真空炉10中，炉内的大气和温度调节到上述状态。将置于所述石英玻璃试样上的硅块熔融，通过延伸到熔硅12一侧的光学测量装置13来进行目测，从而测量熔硅的振动周期。

试样上的熔硅的振动周期随石英玻璃与熔硅的反应性等级而变化。因此，石英玻璃与熔硅的反应性可由振动周期来评估。

此外，通过测量石英玻璃试样上的熔硅的振动周期，还可以评估容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动级。石英玻璃质量对熔硅表面振动的影响在石英玻璃坩埚内的各部分处是不均匀的，坩埚侧壁的影响较大。因此，对于坩埚侧壁的石英玻璃来说，优选在石英玻璃试样上的熔硅振动尽可能不发生的石英玻璃。

更具体地说，对于用于拉拔单晶硅的石英玻璃坩埚而言，优选坩埚侧壁由下述石英玻璃形成的石英玻璃坩埚。对于所述石英玻璃而言，在将从石英玻璃坩埚中切下的石英玻璃试样置于真空炉中、并且通过在从5到100托的氩气压力和从1450到1600摄氏度的温度下加热而使石英玻璃试样上的少量硅即2到20克硅熔融时，石英玻璃试样上的熔硅不会振动或在超过1/6秒的振动周期内振动，其中上述加热条件最好为硅量为10克，炉内的氩气压力为20托，而炉内温度为1560摄氏度。当采用具有由石英玻璃试样上的熔硅在短于1/6秒的振动周期内振动的此石英玻璃制成的侧壁的石英玻璃坩埚来拉拔单晶硅时，在熔硅的表面处会产生较多的振动，因此在单晶中会产生位错。另一方面，当采用具有由石英玻璃试样上的熔硅不会振动或在长于1/6秒的周期内振动的此石英玻璃制成的侧壁的石英玻璃坩埚来进行所述拉拔工艺时，在拉拔时不会产生熔硅的表面振动，或者即使所述振动发生它也是很微弱的，因此所述振动不会影响所得单晶硅的质量。

另一方面，坩埚底部处的石英玻璃质量对熔硅的表面振动的影响很小，这是因为坩埚底部离容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面较远，底部处的振动本身被熔硅的较大重量抑制住，因此坩埚底部处的石英玻璃的质量不会影响熔硅的表面振动。然而，此质量会影响拉拔时的单晶硅的无位错比。也就是说，当坩埚底部由石英玻璃试样上的熔硅振动周期短于1/6秒的此石英玻璃形成时，拉拔时单晶硅的无位错比是足够的。

示例

下面将通过具体的例子来进一步介绍本发明。

示例1

根据本发明的评估工艺，对容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动级进行评估。在此测量中使用了具有不同质量的若干种石英玻璃坩埚，其中这些坩埚的标准尺寸是开口直径为28英寸，侧壁厚度为11到13毫米。首先，从坩埚侧壁上切下玻璃试样(30毫米×30毫米)，并如图1所示地将其置于真空炉中。接着将10克高纯度的硅置于所述石英玻璃试样上，将炉内调节到20托的氩气压力和1560摄氏度的温度，熔融玻璃试样上的硅。然后通过目测来测量熔硅的振动周期。测得值显示于表1中。此外，通过使用具有与所测量的石英玻璃试样相同质量的每两个石英玻璃坩埚来真正地拉拔单晶硅，结果也显示于表1中。

结果(No.1到No.4)清楚地表明，当从坩埚侧壁上切下的石英玻璃试样上的熔硅不会振动或在超过1/6秒的振动周期内振动时，在拉拔时不会产生熔硅的表面振动，或者即使所述振动发生它也是很微弱的。因此这就不存在问题，另外，在拉拔的单晶硅中不会产生位错。

另一方面，结果(No.5到No.8)清楚地表明，当从坩埚侧壁上切下的石英玻璃试样上的熔硅在短于1/6秒的振动周期内振动时，在拉拔时容纳在各石英玻璃坩埚内的熔硅的表面处的振动周期较大，因此在拉拔的单晶硅中产生了位错，另外，单晶硅的无位错比较低。

示例2

根据本发明的评估工艺，对容纳在石英玻璃坩埚内的熔硅表面处的振动级进行评估。在此测量中使用了具有不同质量的若干种石英玻璃坩埚，其中这些坩埚的标准尺寸是开口直径为28英寸，底部厚度为12到15毫米。首先，从坩埚底部上切下玻璃试样(30毫米×30毫米)，并如图1所示地将其置于真空炉中。然后在与示例1相同的条件下测量熔硅的振动周期。测得结果显示于表2中。此外，通过使用具有与测量石英玻璃试样相同质量的每两个石英玻璃坩埚来真正地拉拔单晶硅，结果也显示于表2中。

结果(No.9到No.16)清楚地表明，即使在从坩埚底部切下的石英玻璃试样上的熔硅在短于1/6秒的振动周期内振动时，在拉拔时也不会产生熔硅的表面振动，或者即使所述振动发生它也是很微弱的。因此这就不存在问题，另外，在拉拔的单晶硅中不会产生位错。

然而，对于单晶硅的无位错比来说，可以证实其与试样上的熔硅的振动周期有关，振动周期小于1/6秒的石英玻璃坩埚(No.12到No.16)在单晶硅的无位错比方面比其它石英玻璃坩埚更高。

根据本发明的评估工艺，通过测量石英玻璃试样上的熔硅的振动周期，就可以容易且可靠地评估熔硅的表面振动的等级。因此，通过此工艺，不必进行单晶的实际拉晶试验就可以评估熔硅的表面振动的等级。

非常重要的是，本发明最新地揭示出，为了降低熔硅的表面振动，正位于石英玻璃坩埚的表面下方各部分、例如其内表面的壁或底部处的气泡含量具有一个最佳范围。

表1

  No.  坩埚侧壁的玻璃试样  上的熔硅的振动周期  拉拔时熔硅表面    处的振动 单晶硅中的  位错发生  无位  错比    1    超过10秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    84    未发生    83    2    1秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    81    未发生    80    3    1/3秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    77    未发生    77    4    1/6秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    71  未发生    72  5    1/7秒  较少的大振动    (有影响)    发生    49    发生    51  6    1/8秒  较少的大振动    (有影响)    发生    44    发生    40  7    1/10秒  较少的大振动    (有影响)    发生    28    发生    34  8    1/20秒  较大的振动  (影响显著)    发生    14    发生    10

表2

   No.  坩埚底壁的玻璃试样  上的熔硅的振动周期  拉拔时熔硅表面    处的振动  单晶硅中的   位错发生  无位  错比    9    超过10秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    42    未发生    44    10    1秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    46    未发生    48    11    1/3秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    51    未发生    51    12    1/6秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    65    未发生    63    13    1/7秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    69    未发生    72    14    1/8秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    75    未发生    76    15    1/10秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    83    未发生    81    16    1/20秒非常微弱的振动    (无影响)    未发生    85    未发生    85