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        石英坩堝在單晶生長中的重要性
        上傳時間:2021年04月29日 15:56:30
          石英坩堝發展歷程。
          最早期的石英坩堝是全部的透明的結構,佑鑫石英這種透明的結構卻容易引起導致不均勻的熱傳輸條件,增加晶棒生長的困難度?,F代的石英坩堝則存在二種結構,外側是一層具有高氣泡密度的區域,稱為氣泡復合層,內側則是一層3~5mm的透明層,稱之為氣泡空乏層。氣泡復合層的目的是在與均勻的輻射有加熱器所提供的輻射熱源。氣泡空乏層的目的在于籍著降低與溶液接觸區域的氣泡密度,而改善單晶生長的成功率及晶棒品質。因為石英坩堝本身是非晶質的介態能,在適當的條件下它會發生相變化而形成穩定的白矽石結晶態,單晶產生位錯的機率隨著石英坩堝的使用時間及溫度增加而增加。因此石英坩堝的使用總是有著時間的限制,超過一定的時間,過多的白矽石顆粒將從石英坩堝壁釋放出來,使得零位錯的生長而終止。這種石英坩堝使用壽命的限制,是生長更大尺寸晶棒及(多次加料)晶棒生長的一大阻礙。
          為了解決這一問題,鋇涂層坩堝應運而生了。這是因為鋇在矽中的平衡偏析系數非常小,使得他在矽晶棒中的濃度小于2.5x109/cm3,因而不會影響到晶圓的品質。通常的做法是將石英坩堝壁涂上一層含有結晶水的氫氧化鋇(Ba(OH)2.8H2O),這層氫氧化鋇會與空氣中的二氧化碳反應形成碳酸鋇。而當這種石英坩堝在單晶爐上被加熱時,碳酸鋇會分解形成氧化鋇,隨著氧化鋇與石英坩堝反應形成矽酸鋇(BaSiO3)。由于矽酸鋇的存在,使得石英坩堝壁上形成一層致密微小的白矽石結晶。這種微小的白矽石結晶很難被溶液滲入而剝落,即使剝落也很快被溶液溶解掉,因此目前市場普遍使用的鋇涂層坩堝可以大幅度的改善石英坩堝的使用壽命及長晶良率。另外在石英坩堝外壁形成一層白矽石結晶的又可以增加石英坩堝的強度,減少高溫軟化現象。
          石英砂的取材對單晶生產的影響。
          石英坩堝的幾何尺寸和外觀是生產工藝確定的,而純度是由原料確定的。石英坩堝用的原料要求純度高、一致性好、粒度分布均勻,有害成分高時會影響坩堝的熔融制,影響其耐溫性,還會出現氣泡、色斑、脫皮等現象,嚴重影響石英坩堝的質量。近年來,隨著拉晶成本的不斷壓縮,一些單晶廠家選擇了市場上一些用國產石英砂制作的石英坩堝。雖然國產石英砂坩堝在市場爭得了一席之地。但是應該看到,國產砂石英坩堝與進口石英砂高品質的石英坩堝在工藝技術和產品性能方面還有一定的距離。
          國產石英坩堝軟化點低、壽命短、易下陷,單晶一旦卡棱,幾次回熔后很難再長出單晶。佑鑫石英此外,石英坩堝下陷后,石墨坩堝裸露,引起碳含量超標。并且坩堝內表面氣泡多,雜質點、斑點多,拉晶過程中脫落下的石英砂容易使單晶卡棱。因此,石英坩堝的選材對拉晶的成品率與品質來說是至關重要的。
          石英坩堝中堿金屬含量對單晶生長的影響
          石英坩堝是由高純石英砂燒制而成,由于石英砂中存在高達13中有害金屬元素,因此石英砂的純度對石英坩堝的質量起到了決定性作用。硅的熔點為1420℃,坩堝的熔點比它稍高一點,在硅液溶化后會不斷的對坩堝內表面進行侵蝕,這樣一來,坩堝中的金屬會不同程度的釋放到晶棒中從而影響單晶的品質,尤其在當下整個市場都在降低拉晶成本的大環境下,一些廠家為了降低生產成本從而選擇一些國產石英砂所制成的坩堝,更加的影響了單晶拉制的品質。因此,堿金屬對石英坩堝的品質性能影響很大,另外坩堝中的NA K 元素含量越低,坩堝的抗變形能力越強,對單晶的成品率提升越有利,因此,石英坩堝中NA K 的降低有利于提高坩堝的軟化點,提高單晶品質。
          石英坩堝對晶體中的氧含量的影響。
          1.單晶中氧的主要來源
          因為直拉單晶硅的生長需要利用高純石英坩堝,雖然坩堝的熔點要高于硅料的熔點,但是在高溫過程中,熔融的液態硅會侵蝕坩堝,佑鑫石英從而導致少量的氧進入晶體內部。在硅的熔點(1420℃)附近,溶硅與坩堝作用,生成SIO進入硅溶體。然后經過機械對流、熱對流等方式使SIO傳輸到熔體表面,因此到達硅熔體表面的SIO以氣體形式揮發,而剩下的一小部分SIO溶解在硅液中以氧原子形態存在于液體硅中,最終進入晶體內,從而影響單晶的氧含量。
          2.坩堝阻止氧含量釋放的措施。
          氧主要來源于石英坩堝,因此如何最大限度降低坩堝中氧的釋放則是單晶降低氧含量的重要手段,而石英坩堝品質的好壞直接關系到放含量的釋放程度。坩堝中氧的釋放過程實際上就是坩堝氣泡層穿透透明層向硅液中釋放氧的過程,而在坩堝內層燒結一層 3-5mm左右的透明層,從而既保證了坩堝內表面的純度,又不致于使坩堝軟化點過低。因此,坩堝透明層的質量好壞決定了坩堝氣泡的釋放程度。另一方面,現在的坩堝都是在坩堝內表面用氫氧化鋇進行涂層,其目的就是減少硅液對坩堝的侵蝕程度,因此,氫氧化鋇的純度很大程度上影響著坩堝內表面所生成的鋇離子結晶層的好壞。從而影響著坩堝內氧含量的釋放。
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