石英坩堝知識(shí)整理總結(jié)

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1、石英坩堝知識(shí)整理總結(jié)[圖片]日志地址:請(qǐng)用Ctrl+C復(fù)制后貼給好友。一：石英坩堝的歷史和現(xiàn)狀1.早期石英坩堝早期的石英坩堝是全部透明的，最早期的石英坩堝是全部的透明的結(jié)構(gòu)，這種透明的結(jié)構(gòu)卻容易引起導(dǎo)致不均勻的熱傳輸條件，增加晶棒生長(zhǎng)的困難度。所以這種坩堝基本被淘汰使用。2.現(xiàn)代的石英坩堝現(xiàn)代拉單晶的石英坩堝一般是采用電弧法生產(chǎn)，半透明狀，是拉制大直徑單晶硅，發(fā)展大規(guī)模集成電路必不可少的基礎(chǔ)材料現(xiàn)代的石英坩堝則存在二種結(jié)構(gòu)，外側(cè)是一層具有高氣泡密度的區(qū)域，稱為氣泡復(fù)合層，內(nèi)側(cè)則是一層3~5mm的透明層，稱之為氣泡空乏層。氣泡復(fù)合層的目的是在與均勻的輻射有加熱器所提供的輻射

2、熱源。氣泡空乏層的目的在于降低與溶液接觸區(qū)域的氣泡密度，而改善單晶生長(zhǎng)的成功率及晶棒品質(zhì)。二：國(guó)內(nèi)石英坩堝的情況分析國(guó)內(nèi)石英坩堝廠家有：錦州圣戈班、荊州菲利華、揚(yáng)州華爾、寧波寶斯達(dá)、余姚通達(dá)、杭州大和等。錦州圣戈班、荊州菲利華、揚(yáng)州華爾,他們的工藝采用真空熔融法，外幾家采用的是涂層法，即在坩堝內(nèi)壁用精細(xì)石英砂噴涂到坩堝表面大約1~2mm左右。涂的不均勻，這就會(huì)造成在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中內(nèi)壁脫落導(dǎo)致單晶生長(zhǎng)失敗。寧波寶斯達(dá)有一種涂鋇鍋，可應(yīng)用到太陽(yáng)能單晶用坩堝上。涂鋇工藝也可用人工進(jìn)行，但是人工涂鋇的缺點(diǎn)在于在涂鋇的同時(shí)引進(jìn)多余的雜質(zhì)且人工噴涂不均勻，使得在開(kāi)始拉晶的時(shí)候由于雜質(zhì)

3、過(guò)多或者單晶生長(zhǎng)過(guò)程中內(nèi)壁脫落，造成放肩時(shí)斷線，需提雜后才能進(jìn)行繼續(xù)拉晶。注：涂鋇工藝的原理：這是因?yàn)殇^在硅中的平衡偏析系數(shù)非常小，使得他在硅晶棒中的濃度小于2.5x10（-9）/cm3，因而不會(huì)影響到晶棒的品質(zhì)。通常的做法是將石英坩堝壁涂上一層含有結(jié)晶水的氫氧化鋇（Ba(OH)2.8H2O）（飽和的氫氧化鋇水溶液）。這層氫氧化鋇會(huì)與空氣中的二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鋇。而當(dāng)這種石英坩堝在單晶爐上被加熱時(shí)，碳酸鋇會(huì)分解形成氧化鋇，隨著氧化鋇與石英坩堝反應(yīng)形成硅酸鋇（BaSiO3）。由于硅酸鋇的存在，使得石英坩堝壁上形成一層致密微小的方石英結(jié)晶。這種微小的方石英結(jié)晶很難被溶液滲入

4、而剝落，即使剝落也很快被溶液溶解掉，，因此可以大幅度的改善石英坩堝的使用壽命及長(zhǎng)晶良率。另外在石英坩堝外壁形成一層方石英結(jié)晶的好處，是它可以增加石英坩堝的強(qiáng)度，減少高溫軟化現(xiàn)象。三：石英坩堝在拉單晶中出現(xiàn)的現(xiàn)象及其分析1．石英坩堝使用后壁上出現(xiàn)棕色小圈現(xiàn)象：在鍋壁上出現(xiàn)棕色小圈。解釋：石英坩堝本身是非晶質(zhì)，石英坩堝本身是非晶質(zhì)的介態(tài)能，在適當(dāng)?shù)臈l件下他會(huì)發(fā)生相變化而形成穩(wěn)定的方石英結(jié)晶態(tài)。方石英結(jié)晶態(tài)的形成包括成核與成長(zhǎng)二個(gè)階段，成核通常發(fā)生在石英坩堝壁上的結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)（特別是一些堿性金屬或重金屬）。初期的方石英結(jié)晶為球狀，進(jìn)一步的成長(zhǎng)則是沿著坩堝壁成樹(shù)枝狀往側(cè)向發(fā)展，

5、這是因?yàn)槭③釄迮c溶液的反應(yīng)時(shí)的垂直方向的成長(zhǎng)受到抑制之故。在方石英結(jié)晶與非晶質(zhì)石英坩堝壁之間通常夾雜著一層硅溶液，而在方石英結(jié)晶的邊緣，通常覆蓋著棕色的sio氣泡。Sio氣體為棕色，棕色的小圈是sio的結(jié)晶。根本原因在于坩堝壁上的雜質(zhì)或者硅料清洗不干凈所帶來(lái)的酸堿或重金屬殘留，使坩堝在高溫下不穩(wěn)定，造成上訴現(xiàn)象。注：一氧化硅（sio）的物理化學(xué)性質(zhì)Sio：黑棕色至黃土色無(wú)定形粉末。熔點(diǎn)>1702℃。沸點(diǎn)1880℃，由純度99.5％的二氧化硅粉末與煤瀝青粉末(或硅粉)以C/SiO2=1.3或Si/SiO2=1.2配比混合，放入電加熱的真空爐，注入非氧化性氣體(如氬、氫等氣

6、體)，高溫反應(yīng)，制得超細(xì)(0.1/μm以下)無(wú)定形氧化硅。一般它可由二氧化硅在高溫下與純硅作用后迅速冷卻制得：SiO2+Si→2SiOSio是si與sio2在真空條件下加熱生成的產(chǎn)物，在引晶的時(shí)候硅液表面有一層棕色的煙環(huán)繞，此為sio。解決途徑：1.硅料的清洗需要保證無(wú)酸堿殘留或重金屬2.坩堝本身的質(zhì)量過(guò)關(guān)3.改進(jìn)工藝，使用涂層或噴涂坩堝。2.石英坩堝的析晶現(xiàn)象：石英坩堝在高溫下具有趨向變成二氧化硅的晶體（方石英）。這個(gè)過(guò)程稱為再結(jié)晶，也稱為“失透”，通常也稱為“析晶”。解釋：析晶通常發(fā)生在石英坩堝的表層，按照中國(guó)石英玻璃行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，半導(dǎo)體工業(yè)用石英玻璃在1400℃±5

7、℃下保溫6小時(shí)，其析晶層的平均厚度應(yīng)為﹤100μm，在100μm之內(nèi)的析晶是屬于正常的。嚴(yán)重的析晶對(duì)拉單晶的影響很大，石英坩堝內(nèi)壁發(fā)生析晶時(shí)有可能破換坩堝內(nèi)壁原有的涂層，這將導(dǎo)致涂層下面的氣泡層和熔硅發(fā)生反應(yīng)，造成部分顆粒狀氧化硅進(jìn)入熔硅內(nèi)，使得正在生長(zhǎng)中的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變異而無(wú)法正常長(zhǎng)晶。析晶將減薄石英坩堝原有的厚度，降低了坩堝的強(qiáng)度容易引起石英坩堝的變形。可能的原因：1石英坩堝受到沾污，在所有隊(duì)石英坩堝的沾污中，堿金屬離子鉀（K）鈉（Na）鋰（Li）和堿土金屬離子鈣（Ca）鎂（Mg）這些離子的存在是石英坩堝產(chǎn)生析晶的主要因素