中國(guó)粉體網(wǎng)訊  目前在用的石英坩堝通常有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)是氣泡較少的透明層，外側(cè)是氣泡較多的非透明層。外側(cè)氣泡層的主要作用在于讓熱傳輸更加均勻。

氣泡隨著高溫過(guò)程會(huì)長(zhǎng)大、合并，有可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層石英剝落。另外，非晶態(tài)的石英坩堝在高溫下會(huì)發(fā)生晶化，形成穩(wěn)定的結(jié)晶態(tài)方石英。

晶體的方石英在熔硅的流動(dòng)沖刷中，剝落進(jìn)入到熔體，再流動(dòng)到晶體生長(zhǎng)前沿，就容易導(dǎo)致硅單晶體失去單晶結(jié)構(gòu)，即俗稱的長(zhǎng)晶斷線。

有研究發(fā)現(xiàn)，在石英坩堝內(nèi)壁上涂上一層鋇離子的化合物，可以促進(jìn)石英坩堝內(nèi)層的晶化。在《電子專用材料單晶硅生長(zhǎng)用石英坩堝生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》（河北省地方標(biāo)準(zhǔn)）中，標(biāo)明了主要的涂層原料有：氫氧化鋇、碳酸鋇；試劑純度≥99.99%。

有分析認(rèn)為，BaCO₃的摻雜，可以促進(jìn)坩堝內(nèi)壁形成微小致密的方石英結(jié)晶，這種致密的內(nèi)壁結(jié)晶層不容易被硅熔體沖刷剝落，微小的顆粒即使有剝落，也更容易在高溫熔體中熔化。由于鋇在硅中的分凝系數(shù)極小，約2.25*10^-8，因此微量的摻鋇并不會(huì)影響單晶硅少子壽命。

另外，利用坩堝涂層反應(yīng)機(jī)理的研究，將坩堝表面的氫氧化鋇涂層做得更牢固以減少硅液對(duì)坩堝表面的侵蝕，提高石英坩堝的使用壽命。

涂鋇工藝

制作鋇涂層，是涂層坩堝制作的核心工序，能保證坩堝使用過(guò)程中形成均勻的析晶層，提升坩堝的長(zhǎng)晶性能。將氫氧化鋇粉體溶于水，坩堝放入涂鋇機(jī)內(nèi)，氫氧化鋇均勻噴涂于坩堝內(nèi)表面。氫氧化鋇極易與空氣中的 CO₂反應(yīng)生BaCO₃，坩堝表面的涂層即為BaCO₃。涂鋇過(guò)程中無(wú)Ba離子產(chǎn)生，但 Ba(OH)₂溶液，BaCO₃沉淀都是對(duì)人體有危害的劇毒物質(zhì)，操作過(guò)程需作好防護(hù)。

電弧法石英坩堝的工藝流程

石英坩堝涂層的研究現(xiàn)狀

Xinming Huang等為了闡明直拉硅晶體生長(zhǎng)用石英坩堝中Ba摻雜的影響，采用原位觀察和差示掃描量熱法研究了Si熔體與Ba摻雜石英玻璃界面的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石英玻璃中Ba的濃度高于30 ppm時(shí)，Ba摻雜完全抑制了棕環(huán)的產(chǎn)生。

莫宇等研究了兩種不同內(nèi)涂層的石英坩堝，一種是內(nèi)層為高純合成石英砂的坩堝(SQC)，另一種是內(nèi)層涂抹了堿土金屬鋇的離子溶液的天然石英砂的坩堝(NQC)。使用兩種石英坩堝長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)大直徑(350mm)單晶后，通過(guò)金相顯微鏡對(duì)兩種石英坩堝表面形態(tài)進(jìn)行了觀察，并使用粗糙度測(cè)試儀對(duì)其粗糙度進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)使用ICP-MS測(cè)試了生長(zhǎng)出的晶體的金屬濃度。結(jié)果表明，使用NQC有較多雜質(zhì)顆粒進(jìn)入到硅熔體中對(duì)單晶的無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng)和單晶質(zhì)量造成了影響，而使用SQC可減少此現(xiàn)象。

Hansen等提出了坩堝內(nèi)涂堿土金屬(如Ba)的離子溶液，可以改進(jìn)坩堝質(zhì)量，有利于單晶生長(zhǎng)。

Tomzig等論述生長(zhǎng)300mm高質(zhì)量單晶的困難，其中提到了使用內(nèi)合成石英坩堝可能提供更高的壽命。內(nèi)涂鋇石英坩堝目前廣泛用于較小尺寸直徑單晶的生長(zhǎng),而合成坩堝被國(guó)外廠家普遍使用于大尺寸單晶生長(zhǎng)。由于國(guó)內(nèi)大尺寸單晶生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展緩慢，大尺寸合成石英坩堝制備困難，對(duì)合成石英坩堝的深入研究也較少。

資料來(lái)源：

[1]晶格半導(dǎo)體

[2]石星宇：連續(xù)拉晶下石英坩堝內(nèi)氣泡變化規(guī)律及晶棒的性能研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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