石英坩埚在单晶生长中的重要性

石英坩埚可说是最重要的hot zone元件之一，它不仅能影响长晶的良率，也会影响品质。最早期的石英坩埚是全部的透明的结构，这种透明的结构却容易引起导致不均匀的热传输条件，增加晶棒生长的困难度。现代的石英坩埚则存在二种结构，外侧是一层具有高气泡密度的区域，称为气泡复合层，内侧则是一层3~5mm的透明层，称之为气泡空乏层。气泡复合层的目的是在与均匀的辐射有加热器所提供的辐射热源。气泡空乏层的目的在于籍着降低与溶液接触区域的气泡密度，而改善单晶生长的成功率及晶棒品质。

石英坩埚本身是非晶质的介态能，在适当的条件下他会发生相变化而形成稳定的白矽石结晶态，这种过程一般称之为《无光泽化devitrification》,白矽石结晶态的形成包括成核与成长二个阶段，成核通常发生在石英坩埚壁上的结构缺陷或杂质（特别是一些碱性金属或重金属）。初期的白矽石结晶为球状，进一步的成长则是沿着坩埚壁成树枝状往侧向发展，这是因为石英坩埚与溶液的反应时的垂直方向的成长受到抑制之故。在白矽石结晶与非晶质石英坩埚壁之间通常夹杂着一层矽溶液，而在白矽石结晶的边缘，通常覆盖着棕色的sio气泡。这层渗透入石英坩埚壁的溶液，随着时间的增加，可能使得白矽石结晶整个剥落。这些剥落的白矽石颗粒，随着流动而飘动在溶液中。大部分的颗粒，在一定时间之后即可完全溶解于溶液内。然而仍有些几率，部分较大的颗粒在未完全溶解之前，即撞倒晶棒的表面，而导致位错的产生。在一个非常凹状的生长界面的边缘区域，对于这种有颗粒引起的位错现象，显得特别敏感。微小的颗粒如果碰到生长界面的中心区域，仍有可能不会产生位错。

生长中的晶棒受到白矽石颗粒碰撞，而产生位错的机率随着每单位时间由石英坩埚壁所释出的颗粒数目及大小之增加而增加。也就是说，产生位错的机率随着石英坩埚的使用时间及温度增加而增加。因此石英坩埚的使用总是有着时间的限制，超过一定的时间，过多的白矽石颗粒将从石英坩埚壁释放出来，使得零位错的生长而终止。这种石英坩埚使用寿命的限制，是生长更大尺寸晶棒及ccz（多次加料）晶棒生长的一大阻碍。

近来有人发现，只要在石英坩埚壁上涂一层可以促进devitrification的物质，既可大幅度的增加石英坩埚的使用寿命及成晶率。这种可以促进devitrification的物质，一般用含有钡离子的化合物。这是因为钡在矽中的平衡偏析系数非常小，使得他在矽晶棒中的浓度小于

2.5x109/cm3，因而不会影响到晶圆的品质。通常的做法是将石英坩埚壁涂上一层含有结晶水的氢氧化钡（Ba(OH)2.8H2O）,这层氢氧化钡会与空气中的二氧化碳反应形成碳酸钡。而当这种石英坩埚在单晶炉上被加热时，碳酸钡会分解形成氧化钡，随着氧化钡与石英坩埚反应形成矽酸钡（BaSiO3）。由于矽酸钡的存在，使得石英坩埚壁上形成一层致密微小的白矽石结晶。这种微小的白矽石结晶很难被溶液渗入而剥落，即使剥落也很快被溶液溶解掉，，因此可以大幅度的改善石英坩埚的使用寿命及长晶良率。另外在石英坩埚外壁形成一层白矽石结晶的好处，是它可以增加石英坩埚的强度，减少高温软化现象。