中國粉體網(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。

氣泡隨著高溫過程會長大、合并，有可能會導致內(nèi)層石英剝落。另外，非晶態(tài)的石英坩堝在高溫下會發(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沖刷中，剝落進入到熔體，再流動到晶體生長前沿，就容易導致硅單晶體失去單晶結(jié)構(gòu)，即俗稱的長晶斷線。

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，可以促進石英坩堝內(nèi)層的晶化。在《電子專用材料單晶硅生長用石英坩堝生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》（河北省地方標準）中，標明了主要的涂層原料有：氫氧化鋇、碳酸鋇；試劑純度≥99.99%。

有分析認為，BaCO₃的摻雜，可以促進坩堝內(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影響單晶硅少子壽命。

另外，利用坩堝涂層反應機理的研究，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，能保證坩堝使用過程中形成均勻的析晶層，提升坩堝的長晶性能。將氫氧化鋇粉體溶于水，坩堝放入涂鋇機內(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反應生BaCO₃，坩堝表面的涂層即為BaCO₃。涂鋇過程中無Ba離子產(chǎn)生，但 Ba(OH)₂溶液，BaCO₃沉淀都是對人體有危害的劇毒物質(zhì)，操作過程需作好防護。

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，發(fā)現(xiàn)當石英玻璃中Ba的濃度高于30 ppm時，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時間生長大直徑(350mm)單晶后，通過金相顯微鏡對兩種石英坩堝表面形態(tài)進行了觀察，并使用粗糙度測試儀對其粗糙度進行了測試，同時使用ICP-MS測試了生長出的晶體的金屬濃度。結(jié)果表明，使用NQC有較多雜質(zhì)顆粒進入到硅熔體中對單晶的無位錯生長和單晶質(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，可以改進坩堝質(zhì)量，有利于單晶生長。

Tomzig等論述生長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,而合成坩堝被國外廠家普遍使用于大尺寸單晶生長。由于國內(nèi)大尺寸單晶生長技術(shù)發(fā)展緩慢，大尺寸合成石英坩堝制備困難，對合成石英坩堝的深入研究也較少。

資料來源：

[1]晶格半導體

[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

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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