TWI385131B

TWI385131B - 具有無氣泡及減低氣泡生長之壁的矽玻璃坩堝

Info

Publication number: TWI385131B
Application number: TW095131567A
Authority: TW
Inventors: Katsuhiko Kemmochi; Robert Mosier; Yasuo Ohama
Original assignee: Heraeus Shin Etsu America Inc; Shinetsu Quartz Prod
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2013-02-11
Also published as: JP2013014518A; KR101186852B1; JP5563640B2; KR20070029077A; JP2007070221A; US20070051296A1; EP1762549A1; JP5139656B2; US7383696B2; EP1762549B1; TW200712018A

Description

具有無氣泡及減低氣泡生長之壁的矽玻璃坩堝

發明領域

本發明係有關矽石坩堝之領域且更特別有關一具有一多層壁之矽石坩堝，其中該多層壁係具有一當容納熔融矽時受到非常少氣泡生長的無氣泡內層以及一不透明且穩定的外層。

發明背景

半導體業中所使用的矽晶圓係由單晶矽錠製成。此等錠一般係利用柴式(CZ)程序製造。CZ程序中，金屬性矽係裝填在一結晶生長室中所接收的基座(suscepter)內所容納之一矽玻璃坩堝中。一圍繞於基座之加熱器係加熱裝填物因而使矽融化。以處於或接近於矽融化溫度自矽融化物拉取一單矽結晶。

在操作溫度，一矽石坩堝的最內層係藉由在CZ程序期間溶解至矽融化物內而與矽融化物起反應。內層中的任何氣泡皆傾向於在此溶解期間開放至融化物。這是融化物中的一粒子來源，其可能擾亂經拉取錠之單晶結構。一無氣泡層已經成為一適於CZ程序之坩堝的一關鍵要求。

近來，半導體業中的需求係在於大直徑晶圓，譬如200公厘或300公厘直徑。藉由各拉取之後重新裝填矽之多重錠拉取係已經變成傳統CZ程序之一普遍修改方式。結果，CZ程序操作週期係增加，時常成為超過一百小時。此CZ程序係代表無氣泡層的厚度亦必須增加。在一使用於150公厘直徑晶圓製造之案例中，一具有一公厘無氣泡內層厚度之坩堝已經足夠。然而，當拉取200公厘或300公厘直徑的錠時並不常溶解大於兩公厘的一矽石坩堝內層。

此外，較長的操作時間係代表CZ程序期間內層中必定具有極小的氣泡生長。一經熔合坩堝中的微小氣泡可能在操作期間長大尺寸。較大氣泡係易釋放較大粒子，對於錠造成潛在較大的傷害。當CZ程序長時間進行時，例行地觀察氣泡的放出。這些生長氣泡係導因於溶解在內層中之氣體且在坩堝形成之後可能基本上看不見。對於現代CZ程序應用中使用之坩堝而言，務必盡量減少氣泡放出及成長。

雖然務必盡量減少內層中的氣泡及氣泡生長，已熟知CZ程序所使用之一多層坩堝的外層係包括氣泡以使外層成為不透明。這生成一可擴散熱輻射之層。近來已經對於諸如550公厘直徑(標稱22吋)等大坩堝識別出坩堝側壁的完整性及機械勁度之重要性。吾人已經發現，不透明層中的氣泡生長係導致坩堝壁的一脹大。在CZ程序期間，坩堝位居一剛性石墨基座中。其仍經歷壁容積的一增加。此容積變化係造成經拉取錠之一嚴重品質問題，特別是當矽融化物位準運動相對較低或錠拉取速度緩慢時尤然。但其他條件若相同，緩慢的拉取將產生高品質的錠。此故，希望防止壁容積變化以准許具有緩慢的拉取速度。

發明概要

依據本發明之一實施例，係特地提出一種一種具有多重層之矽玻璃坩堝，包含：一內層，其具有大於2.0公厘的一厚度且在橫剖面區域中含有小於約1%氣泡，其中在一其中將該坩堝以近似0.1帕的一壓力加熱至近似1650℃歷時近似三小時的真空烘烤測試之後該內層中之氣泡的直徑係小於約0.3公厘；一外層，其在該真空烘烤測試之後具有等於或大於約2.05克/立方公分之一視密度；及一坩堝壁，其包含至少該內及外層，在該真空烘烤測試之後該壁係增加等於或小於約3%之厚度。

本發明係為一種用以製造一具有多層結構之經熔合矽石坩堝之方法，該方法包含：旋轉一模子，其具有一用以界定一模子腔穴之內模子表面且進一步具有形成於該模子中且與該內表面導通之複數個空氣通路；形成矽石顆粒於該旋轉的坩堝模子中；藉由將電功率施加至位於該模子腔穴中之電極來加熱該經形成的矽石顆粒；藉由一構形為可自該模子腔穴將氣體抽至該等空氣通路內之排空系統以一第一流率自該模子腔穴排空氣體；繼續加熱直到形成一近似2.0公厘厚的內坩堝層為止；將氣體排空的流率改變至一第二流率；及繼續加熱直到形成一第二坩堝層為止。

本發明亦為一種坩堝，其由根據申請專利範圍第3項之方法製造。

本發明又為一種用以製造一經熔合矽石坩堝之方法，包含：沿著一旋轉模子的一內表面進給矽石顆粒以將該顆粒配置於一坩堝形狀中而其具有一對於該模子的一內部空間開啟之徑向內表面及一與該模子的一內壁相鄰之徑向外表面；自該模子的內部空間加熱該顆粒；抽取空氣經過該顆粒且進入分佈於該模子的內壁中之埠；自該經加熱顆粒放出氣體；建立一自該徑向內表面開始且朝向該徑向外表面前進之熔合前峰；維持一壓力差於該熔合前峰及該模子的內壁之間藉此以一快於其被導入的速率之速率自該熔合前峰抽離氣體直到該矽石顆粒形成一大於近似2公厘的透明玻璃層為止；及其後將該熔合前峰及該模子的內壁之間的壓力差降低至一使氣體以一慢於其被導入的速率之速率自該熔合前峰抽離之速率。

本發明又為一種坩堝，其由根據申請專利範圍第15項之方法製造。

本發明又為一種具有約620公厘或更大的一外直徑之石英坩堝，包含：一不透明矽玻璃外層；及一透明矽玻璃內層，其具有小於1%總氣泡面積及大於2公厘厚度。

圖式簡單說明

第1圖為如此處所揭露之一坩堝模子的略為示意圖之橫剖側視圖；第1A圖為第1圖的坩堝模子之一空氣通路的放大橫剖側視圖；第2A圖為描繪根據先前技藝之一用以熔合一坩堝內層之程序的一模型之熔合速率及各種氣體位準之圖形；第2B圖為描繪第2A圖的熔合程序期間產生及排空氣體的速率以及CZ程序期間模擬坩堝狀態之一真空烘烤測試期間釋放經溶解氣體的速率之間關係的圖形；第3A及3B圖為描繪另一用以熔合一坩堝之程序之類似於第2A及2B圖的圖形；第4A及4B圖為描繪另一用以熔合一坩堝之程序之類似於第2A及2B圖的圖形；第5圖為概括根據第4A及4B圖的程序所構造之一坩堝的壁之一剖面的顯微照片；第6圖為概括根據第4A及4B圖的程序所構造之一坩堝的壁之一剖面在該坩堝受到一真空烘烤測試之後的顯微照片；第7A及7B圖為描繪另一用以熔合一坩堝之程序之類似於第2A及2B圖的圖形；第8A圖為概括根據一先前技藝程序所構造之一坩堝的一壁之一剖面的顯微照片；第8B圖為概括根據第8A圖的程序所構造之一坩堝的壁之一剖面在該坩堝受到一真空烘烤測試之後的顯微照片；第9A圖為概括根據第7A7及B圖的程序所構造之一坩堝的一壁之一剖面的顯微照片；第9B圖為概括根據第7A及7B圖的程序所構造之一坩堝的壁之一剖面在該坩堝受到一真空烘烤測試之後的顯微照片；第10A圖為概括根據第7A及7B圖之一經修改版本的程序所構造之一坩堝的一壁之一剖面的顯微照片；第10B圖為概括根據第7A及7B圖經修改版本的程序所構造之一坩堝的壁之一剖面在該坩堝受到一真空烘烤測試之後的顯微照片；第11A及11B圖為描繪另一用以熔合一坩堝之程序之類似於第2A及2B圖的圖形；第12圖描繪來自第2A、3A、4A、7A及11A圖之疊置於彼此上的總氣體曲線；第13圖描繪來自第2B、3B、4B、7B及11B圖之疊置於彼此上的真空烘烤測試模擬之平衡輪廓曲線(平衡(2)曲線)；第14A圖描繪一用以熔合一坩堝之程序的平衡輪廓曲線及總氣體曲線，其中一通口係在該程序中途開啟以生成外層中的氣泡；第14B圖為第14A圖的平衡輪廓曲線之一部分的放大尺度圖。

較佳實施例之詳細說明

本發明的一態樣係提供一包含一內層之矽玻璃坩堝，其中該內層夠厚以供延長操作且無氣泡及氣泡生長。坩堝進一步包含一在多重錠拉取期間顯示甚少脹大之穩定外層。

坩堝具有一2公厘或更厚之無氣泡(BF)及無氣泡生長(NBG)無色內層，及一穩定的不透明外層。利用一真空烘烤測試(VBT)來決定外層之穩定度，其中在以近似0.1帕(Pa)壓力於近似1650℃烘烤坩堝近似三小時之後測量對應於視密度之壁厚度變化。更確切言之，本坩堝在VBT後之一經觀察的厚度增加係小於1%，而VBT後之視密度大於2.05克/立方公分。

藉由將基本上包含石英顆粒之體塊矽石顆粒導入至一旋轉坩堝模子內來製造根據本發明此態樣之一矽玻璃坩堝。如此形成一笨重的壁。經形成的顆粒隨後被加熱以熔合一坩堝，同時一與模子導通之泵係抽取空氣通過經形成顆粒，自經鍛燒顆粒釋放之氣體，及其熔合時自顆粒釋放之氣體。總氣體係與一用以連接內模子表面及泵之流道路的傳導率(conductance)以及泵的排空功率呈動態地平衡。控制此動態平衡以在經形成顆粒中保持熔合前峰處之比起製造一BF或NBG矽玻璃層所需要的低限值更小之氣相的一質量平衡。

製造坩堝之裝備係具有一用以連接內模子表面與泵之流道路，其中具有夠低的流阻力，且具有足以達成所需要動態平衡之夠高的泵送功率。流道路可包括諸如管件、閥、錶計、及氣體可滲透性模子本身等結構。可利用石墨模子中的通路及模子內側上之一諸如石墨等多孔材料面材來控制氣體可滲透性模子之流阻力。

熔合經形成顆粒之熱量必須夠強烈以烹製經熔合矽石藉以未在CZ程序期間釋放氣體。此氣體釋放係造成坩堝壁中氣泡及氣泡生成之形成。此氣體釋放導致坩堝壁的脹大，其轉而造成融化物位準之擾動。

更詳言之，本發明之一態樣係提供一適合使用於一CZ程序中之矽玻璃坩堝。該坩堝具有一2公厘或更大厚度之無氣泡內層及一不透明外層。在一身為CZ程序的加速模擬之VBT過後係具有等於或小於3%、較佳小於1%的壁厚度變化。易言之，VBT過後之坩堝壁的視密度係等於或大於2.05克/立方公分。此小的厚度變化係為不透明層中極小氣泡生長及內層中極小氣泡放出與生長之組合的結果。

VBT之後，內無氣泡層在橫剖面區域中含有小於1%容積的氣泡且個別氣泡將不會生長大於0.3公厘直徑。以氣泡影像面積的總和除以透射光學顯微鏡的一橫剖面圖形的總面積之一比值來測量氣泡含量。亦利用一透射光學顯微鏡來測量氣泡尺寸。

藉由一測微計來測量整體壁之壁厚度變化。不透明層較佳最小係為壁的50%至70%以滿足良好的熱擴散特徵。不透明層在VBT之後的視密度較佳係大於2.05克/立方公分。

現在請注意第1及1A圖，根據本發明之一用以熔合一矽石坩堝之系統係概括標為10。該系統包括一具有一內模子表面14之模子12。模子表面14係包括一大致圓柱形垂直壁16。第1圖的模子中，壁16係界定一約有620公厘直徑之圓柱形腔穴，但本發明可同樣地以具有較小及較大直徑之模子來實施。

如空氣通路18、20(可就第1圖且可就第1A圖觀看)等複數個空氣通路係與內模子表面14導通。各空氣通路係包含一圓柱形孔徑，其在模子表面14上生成一圓形開口，如開口22、24。如第1A圖的通路20等之各空氣通路係包括一多孔石墨插塞如插塞26等，其防止矽石自模子腔穴被抽至空氣通路內。空氣通路係與歧管如歧管28、30、32等導通，其轉而與一孔徑34導通。一泵(圖中不可見)係連接至孔徑34。泵係構形為可經由空氣通路自模子腔穴抽取空氣且最終通過孔徑34而離開系統10。泵通常具有每小時約80至350立方公尺的一產能，但可看出，可依據通路、孔徑、歧管、閥及配置於模子表面14與泵之間的其他結構之傳導而定利用位於此範圍外之泵來實施本發明。配置於模子表面14及泵之間的所有結構係在此處稱為一流道路。

模子12可由一馬達(未圖示)沿一垂直軸線36旋轉。一組習知電極38、40係可垂直移入及移出模子內部。電極連接至一習知DC功率供應器42，其可將位於約300 KVA至1200 KVA之間的一可選擇範圍中之功率施加至電極。當足夠功率施加至電極12、14時，一極熱電漿氣體球38形成於電極周圍。

模子12含有一層46的經部分熔合矽石，其部分地切開顯示以曝露出模子表面14。層46係包括一內層46a及一外層46b。層46a、46b一起包含一形成於模子中之坩堝的壁。因為內模子表面之溫度無法抵達經形成顆粒的融點，留下一薄層的未熔合顆粒46a。

概括地描述系統10之操作，天然石英顆粒係在沿軸線36旋轉時放置在模子12中。坩堝的外層亦即模子中所接收之第一顆粒較佳係以讓渡予本申請案受讓人且基於所有用途以引用方式併入本文中之2001年7月16日提交的美國專利申請案09/906,879號所描述之方式摻雜有鋁。一旦所有顆粒被接收於模子中，將功率施加至電極38、40且將泵(未圖示)接通。一旦電極將顆粒加熱至使壁46a最內部表面上之顆粒被熔合之程度，一熔合前峰係形成且隨時間經過從坩堝的最內部表面前進至接近於模子表面14，而其中熔合前峰呈飽和。如下文描述，當自經加熱且熔合中的顆粒放出之氣體且加上經過未熔合顆粒、經過層46a內表面及壁46上表面所抽取之氣體具有對於泵功率與流道路的傳導性之一預定關係時，可精密地控制所形成坩堝之品質。

對於關鍵參數具有數項平衡之要求。首先，假設身為時間的一函數之經熔合矽石量係為G(t)。

起初，經熔合矽石的速率係由於將矽石預熱至所需要融化溫度所花費之時間而緩慢地增加。一經熔合矽石顆粒介面隨後係立即前進直到其趨近模子內表面為止。在一特定點，熔合前峰係飽和，而留下未熔合顆粒於模子及經熔合坩堝之間。已經發現，G(t)可由一誤差函數近似地予以表示。

當熔合前進時，與熔合速率成正比地放出一顯著氣體量。氣體放出速率V1係定義為每單元時間中由每單元重量的經熔合顆粒熔合所釋放之氣體容積：此處A為一比例常數。經形成的顆粒係不夠密集而不足以使熔合前峰保持與環境隔離。即便坩堝的內表面被一密集玻璃相所覆蓋，空氣仍會穿過坩堝頂部處之經熔合壁與模子之間的未熔合顆粒。排空系統因此除了經放出氣體外亦應處置此洩漏氣體。已發現洩漏氣體與未熔合氣體量成正比。更確切言之，已發現其與(1－erf(t))的三次方成正比，其中erf(t)係為誤差函數而B為比例常數。

V 2＝B ．(1－erf (t ))³ ………(2)

這兩個參數V1及V2係為被排空部件所移除之氣體的主要來源。排空氣體量係以等式(3)表示，其中P為泵送功率而C為流道路之經標準化的傳導率，亦即，0≦C≦1。

V 3＝P．C ………(3)

在顆粒熔合的矽石介面之熔合前峰處，氣體流係平衡於V3及(V1＋V2)之間。如果總平衡V1＋V2－V3變成正值，經熔合玻璃將含有較多經溶解氣體；如果其超過一特定低限值，Q1，氣泡被導入經熔合矽石中。如果平衡為負值，經熔合矽石含有較少經溶解氣體。可利用一第二低限值Q2來製造無氣泡玻璃，及另一低限值Q3針對無氣泡生長特徵。此處Q1未必等於Q2。

Q3及Q2如預期為負值。已經決定Q3比Q2更具負性；亦即Q3<Q2。身為一CZ程序的加速模擬之VBT過後，在傳統坩堝中觀察氣泡的放出或生長－即便坩堝製成無氣泡亦然。這些氣泡的放出及生長係導因於內層中之經溶解氣體的釋放。經溶解氣體係與平衡(V1＋V2－V3)的負性程度相關。

亦發現氣泡生成特徵係受到熔合溫度強烈地影響。因為熔合速率隨著熔合溫度而增加，高熔合速率係導致所釋放氣體的增加。務必增加熔合溫度以符合NBG要求。但如果未在形成時排空大致全部的經增加氣體，將形成氣泡，其對於內層中是不利的。

坩堝製造中之目標係在於設計使(V1＋V2－V3)保持適當負性以滿足對於內層的BF＋NBG要求及對於外層的NBG要求、且同時符合層厚度要求之裝備。更確切言之，可控制(Vl＋V2－V3)以生成一BF＋NBG內層及一NBG外層同時利用大於300KVA DC電弧供應器(較佳大於950KVA)、且利用一具有每小時大於200立方公尺、且較佳大於350立方公尺/小時的產能(自由空氣驅排)之排空泵來製造較大坩堝(亦即，大於24吋的標稱尺寸)。

生成此等坩堝之最明顯拘束點係在於流道路，諸如管件、接頭及閥等。其必須具有一大於10平方公分的最小橫剖面積及較佳等於或大於約50公厘的圓形直徑(亦即，約19.6平方公分的面積)。此維度係與先前技藝的結構形成尖銳對比，其中此等管件通常具有約12公厘的直徑(亦即，約1.13平方公分的面積)。

最窄橫剖面係位居與經形成顆粒之介面處；這些通路務必保持夠小以防止顆粒被降低壓力抽至排空系統內。

顆粒介面處之流道路的個別開口各較佳為至少0.2平方公分(公分² )、且更佳為至少0.6平方公分。該介面配備有一多孔材料，諸如多孔石墨插塞26，其具有如上述的一橫剖面積，及約25公厘的一最大長度。基於機械性理由，已發現12公厘為最適長度。

下文係為一利用上述裝備來製造本坩堝之方法。已經發現主要係在從矽玻璃轉變至經熔合矽石的期間決定BF及NBG特徵。發現預熱處理(諸如顆粒的鍛燒)及後熱處理(譬如坩堝熔合後之強烈烹製)皆未顯著地更改BF或NBG特徵。

本發明的另一態樣係為單獨就真空位準而言未能完全地產生BF或NBG控制；正是已經證實的經導入及經移除氣體之一動態平衡具有重要意義。對於NBG特徵，一CZ程序中坩堝使用期間之經釋放氣體亦很重要。已經決定，經釋放氣體係與熔合溫度緊密地相關。易言之，強烈烹製係為NBG之關鍵。

第2A圖顯示一先前技藝程序中身為熔合時間的函數之關鍵參數。根據以上述等式為基礎之一模型衍生出這些圖形。對於該模型選擇氣體放出的速率、流道路的傳導率、熔合功率(其與經溶解氣體成反比)之變數。可看出，當坩堝根據模型參數被熔合時，NBG及BF特徵係緊密地追蹤該模型中所展現者。在時間零，開始加熱。經熔合矽石量(第2A圖中標為“熔合 ”)係隨時間而增加並在其趨近模子表面時飽和。空氣(第2A圖中標為“氣體Tr ”，代表經傳輸氣體)係被泵拉取通過經形成顆粒床，且藉由泵排空顆粒轉變至大量矽玻璃所釋放之氣體(第2A圖中標為“氣體Ev ”，代表經放出氣體)。將看出氣體Tr 及氣體Ev 曲線之總和係等於氣體Total 曲線。泵正是將此氣體Total 量拉取經過流道路以將其自系統10移除。氣體Total 係隨時間經過而趨近零。

如分開所提及，坩堝壁係需在其外側上具有一半透明層。其一種達成方式係藉由降低熔合程序半途之排空功率。然而，第2A圖中的曲線係根據上述模型且未顯示排空功率被降低之實際程序。當譬如約在第2A圖的時間5使用該程序來形成坩堝時，排空功率被降低，且該程序未遵循虛線曲線。部分其他曲線亦基於相同理由使用虛線。第14A、14B圖顯示一採用排空功率降低之模型。

第2B圖顯示動態平衡(第2A圖的程序中標為平衡(1) ，亦即V1＋V2－V3)。如果平衡(1) 為負值，亦即低於水平零線，則經熔合玻璃並無氣泡。隨著熔合自內表面往外前進，可瞭解時間軸線反映了從坩堝內表面至最外表面之距離。因為平衡(1) 對於整體程序(亦即對於熔合前峰從坩堝壁內表面移動至坩堝壁最外部之整體時間)為負值，整體壁並無氣泡。

由於其與熔合期間放出的總氣體成反比，可逼近求出使經形成坩堝接受一模擬CZ程序之VBT期間所釋放之氣體。易言之，熔合期間自經熔合矽石放出愈多氣體，則愈少溶解於矽石中。並且，當坩堝在CZ或VBT程序期間再度加熱時正是此經溶解氣體被放出至氣泡中。熔合溫度愈高，則在坩堝熔合期間放出愈多氣體。結果，一高熔合溫度對於生成NBG坩堝而言很重要。

第2B圖中的平衡(2) 之圖形係代表將在VBT或CZ程序期間被釋放之動態平衡。其包括考慮到熔合程序期間被溶解而非被排空的氣體之一組份。因為平衡(2) 對於第2A圖的程序總是大於零，對於第2A圖的程序中所製造之坩堝而言大致整體的坩堝壁可能在VBT或CZ程序期間顯示出氣泡生長或氣體放出。

使用第2A圖的參數之第一範例中，利用一具有620公厘直徑的模子來形成一坩堝。該系統包括15公厘之流道路中的管件最小直徑；200立方公尺/小時的泵產能；350KVA的熔合能；10公厘之介面開口直徑，如第1圖的開口22、24；及具有12公厘長度之空氣通路，如通路18。

所有這些坩堝係需要具有一不透明外層，其藉由在外層中形成氣泡而生成。此範例中，大約在該程序的中途降低熔合功率以形成氣泡於外層中，但這未反映於第2A及2B圖中。此程序產生一BF薄層，但VBT之後具有顯著氣泡生長及氣泡放出。藉由如第2B圖所示之模型預測出此作用，亦即平衡(2) 在全體程序中係為正值。

第3A圖展示出除了熔合功率較高以外皆與第2A圖相同之條件。由於熔合更迅速地前進，對於時間軸線之單位不與第2A及2B圖相同。所放出的氣體(熔合期間)係遠高於第1圖者。結果，VBT期間釋放較少氣體。第3B圖中之平衡(2) 曲線在全體程序中係小於零。第3圖所產生之坩堝因為平衡(1) 及平衡(2) 皆小於零而橫越整體坩堝壁具有一BF＋NBG特徵。

概括對應於第3A圖之第二範例中，除了熔合功率暴升至500KVA外係使用與第一範例中相同的參數。這導致一在VBT之後幾乎完全為BF且表現非常小氣泡放出或生長之坩堝。這些品質係反映在第3B圖中。如比較2A及2B圖所看出，此坩堝比第一範例更快製成。

第4A圖顯示當熔合功率更為增加時之案例。功率位準及較高的熔合速率除外之條件係與第2及3圖中相同。第4B圖顯示，因為壁中間被熔合時平衡(1) 對於經過該程序中途之一時間係大於零，坩堝具有一無氣泡最內層、一位於中壁之輕微氣泡層。此外，因為平衡(2) 在熔合程序中間的期間亦高於零，在中間氣泡層附近在VBT期間具有氣泡生長。

概括對應於第4A圖之第三範例中，使用與第二範例中相同之參數，差異在於功率再度升高至700KVA。這再度產生一BF及NBG坩堝且再度減少形成坩堝之時間。

第5及6圖分別為根據第4A圖所示的模型所使用參數所製造之一坩堝在形成後及VBT後之一坩堝壁的照片。各照片的上部係為坩堝內表面，而從照片頂部至底部之距離約為8公厘。如第5圖所示，坩堝壁的下半部包括刻意生成以在CZ程序期間擴散熱量之氣泡。此氣泡層係藉由將平衡破壞至正側所生成。藉由在熔合內層的所需要量之後控制一附接至排空系統的通口之開啟來達成此作用(請見第14A、14B圖)。

內層係包括VBT後之一帶狀的經放出氣泡48，其係由高於零之第4B圖中平衡(2) 部分所預測。

第7A及7B圖顯示一其中條件與第4圖相同但具有增加的流道路傳導率、增加的熔合功率、及增加的泵送產能之範例。平衡(2) 曲線係被往下推至低於零。結果，消除了氣泡生長。第7圖中，熔合功率係為強烈，具有強力真空泵，且具有高的管件傳導率。在此範例中於熔合期間觀察到相當高的氣體放出。可由第7B圖中之負位準看出，因為大致完全烹製之故，平衡(2) 曲線在VBT期間放出少的氣體。

平衡(2) 曲線在全體熔合程序中係穩穩地低於零線，代表坩堝將很穩定且使用在一CZ程序中時將展現出極小氣泡形成及氣泡生長。

概括對應於第7A圖之第四範例中，參數係與第三範例中相同，差異在於流道路中之最小孔徑直徑為50公厘，泵送產能為350立方公尺/小時，而熔合能為1200KVA。當熔合此坩堝時，開始施加功率之後不超過45秒供應電功率即達到500KVA。第7A及7B圖代表一其中在程序開始時立即施加最大功率之理想案例，但實際上無法達成。如果功率在開始時緩慢地增加，而非第四範例快速地增加，亦即45秒內500KVA，則坩堝內表面可能就像第2A圖坩堝及相關範例般地熔合。因此較佳將功率盡可能迅速地增加至所需要的熔合能。

此範例中，泵流率在程序半途降低約50%，但這未反映於第7A及7B圖中。這在壁的外部50%中生成氣泡。由於熔合，內層並無氣泡且兩層皆展現非常小的氣泡放出或生長。此坩堝的照片顯示於第9A及9B圖中且第10A及10B圖的一變異例描述於下文。

現在參照第8、9及10圖的顯微照片，第8A圖中，顯示一坩堝壁的一先前技藝剖面，而內層位於左方且外層位於右方。此坩堝概括根據美國專利案4,935,046號所描述程序製成。如第8B圖所示，圖中描繪VBT後之相同剖面，最內層仍大致無氣泡，但外層展現出顯著的氣泡生長。VBT後之壁厚度增加13.5%，而外層的視密度減低至1.70克/立方公分。

第9A及9B圖顯示概括根據第7A圖所示的模型中所使用參數製成之一坩堝，差異在於外層未受到對於NBG之控制。藉由在排空系統中開啟一通口在熔合程序大約半途處降低排空功率來達成此作用。如前述，至今所述的模型並未顯示出坩堝形成中途之參數變化以生成外層中所需要的氣泡。可藉由減低流道路傳導率、降低泵送功率、或減低熔合功率來達成此作用。但當熔合功率減小時，較多氣體受到溶解，導致VBT或CZ程序期間之氣泡放出及生長。一此處所揭露模型係針對將氣泡注射至外壁內所需要的參數變化，其將在不久後參照第4圖描述。因為第9圖坩堝中之外層未受到對於NBG之控制，在VBT之後具有顯著的氣泡放出而有4.7%的壁厚度增加且外層的視密度減小至1.89克/立方公分。

最後，一較佳實施例中，根據第7A圖參數，第10A圖中，熔合之後，及第10A圖在VBT之後，壁電荷在VBT之後只增加0.9%，而外層視密度為2.12克/立方公分。就像第9圖的坩堝，第10圖外壁係藉由經過熔合程序降低排空功率予以形成，但其不像第9圖途徑降低一樣多。更確切言之，第9A、9B圖所示的坩堝藉由熔合內層之後完全地開啟通口而被熔合，其係為此產業的慣用方式。另一方面，第10A、10B圖所示的坩堝係在藉由控制通洩程度及泵率小心地控制平衡之時被熔合。第10圖坩堝係極優異地適於使用CZ程序以拉取多重大錠。

第11A及11B圖顯示另一用以形成一坩堝之程序，其熔合功率及泵功率相較於先前範例係降低，而平衡(1) 及平衡(2) 則在全體程序中維持負值。當熔合具有高鋁濃度的天然石英顆粒時，降低功率且同時維持BF及NBG層特徵係特別重要。

概括對應於第11A圖參數之另一範例中，參數係與第四範例中相同，差異在於泵產能降低至200立方公尺/小時且熔合能降低至700 KVA。這增加了如第12及13圖所示之熔合坩堝所需要的時間。這亦產生優良的NBG及BG特徵。

矽石(silica)係為一種快速昇華的元素，在熔合期間，矽石自內表面昇華。諸如鋁等較慢昇華的元素留在最內層中。對於天然矽石顆粒中之諸如Na、K、Ca、Fe等其他金屬性雜質係發生此鋁累積現象，其可用來作為裝填補償物(charge compensators)。通常小於20微米的雜質最內層係可具有對於CZ程序之負面結果。利用此途徑可滿足最內層的純度同時達成整體壁的BF及NBG特徵之目標。此範例係為此妥協之一有利解決方案。

熔合功率或烹製強烈度對於降低經溶解氣體而言很重要，其係在VBT或CZ程序期間演化成氣泡及氣泡生長。已經發現，不同於先前技藝的觀點，較快的熔合並非總是產生較好的坩堝。此發現係牴觸熔合愈快則坩堝愈好之習知觀點。

隨時間經過之熔合期間的釋放氣體係顯示於第12圖中，具有與第2A、3A、4A、7A及11A圖中相同之時間尺度。由於第4A及7A圖模型使用相同位準的熔合功率，曲線係重疊。自然地，氣體在較高加熱時係更迅速地釋放。熔合前峰處之氣體量平衡亦即平衡(2) 係以相同時間尺度顯示於第13圖中。諸如案例3A等較慢的熔合案例係優於諸如案例4A等較快的熔合。藉由根據模型等式之平衡氣體的排空來控制坩堝之BF及NBG品質。

最後，第14A圖係為顯示形成坩堝之程序半途之泵產能降低之一模型的繪圖。可藉由將流道路通洩至大氣壓、藉由降低道路的傳導率、或藉由降低泵速來達成此降低。第14B圖以放大平衡尺度顯示泵產能降低後之平衡輪廓曲線。因為兩曲線皆接近零，獲得良好的NBG特徵同時准許氣泡形成於外層中。

另一觀看達成所需要坩堝特徵所需要的平衡之方式係考慮熔合期間經由顆粒所抽取氣體及所放出氣體之質量，亦即模型上的氣體Total 。如果具有高的熔合功率但流道路的傳導率或泵產能、或兩者為低值，氣體原子無法以一可防止氣體溶解至矽石中之速率自熔合前峰被泵除。可注意到，這造成VBT或CZ程序期間坩堝壁中既有氣泡之生長及氣泡放出。

但如果熔合功率、傳導率、及泵產能夠高，可在一相對較短時間中製造出具有優良BF及NBG特徵之坩堝。此外，可藉由降低傳導或泵速度至造成氣泡形成之程度、但未到達將經放出氣泡溶解至矽石中之程度來形成外壁中的氣泡。結果，可在將坩堝熔合之時達成外層中需要且理想之氣泡的形成以防止(a)氣泡形成於內層中及(b)氣體生長或放出於全體坩堝壁。

熟習該技術者能夠整體考量而鑒於出現在此文件中的描述來實施本發明。已經提出許多細節以提供本發明的更徹底瞭解。其他案例中，並未詳述熟知的特性以免不必要地模糊本發明。

雖然已經就其較佳形式來揭露本發明，此處所揭露及顯示之特定實施例未被視為具有限制性意義。的確，熟習該技術者應鑒於本描述將瞭解可以許多方式來修改本發明。發明人將本發明的主體物視為包括所述所揭露的各種元件、特性、功能及/或性質之所有組合及次組合。

10．．．用以熔合一矽石坩堝之系統

12．．．模子

14．．．內模子表面

16．．．大致圓柱形垂直壁

18，20．．．空氣通路

22，24．．．開口

26．．．插塞

28，30，32．．．歧管

34．．．孔徑

36．．．垂直軸線

38．．．電極，極熱電漿氣體球

40．．．電極

42．．．DC功率供應器

46．．．層

46a．．．內層

46b．．．外層

48．．．經放出氣泡

氣體Ev．．．經放出氣體

氣體Tr．．．經傳輸氣體