坩堝是用來在高溫下熔化或加熱物質的耐熱容器。一般指用於金屬熔煉或化學分析的器具,但在半導體領域,主要指在拉製矽單晶的柴可拉斯基法(CZ 法)中,用來盛裝熔化多晶矽的石英玻璃坩堝。
CZ 法將高純度多晶矽填入石英坩堝,以周圍的加熱器加熱至超過熔點(約1,414℃)而成為熔湯。接著將晶種浸入,一邊使坩堝與晶體彼此反向旋轉一邊緩慢拉起,使單晶晶棒成長。高溫下的石英黏度降低、容易變形,因此坩堝從外側以石墨製承載座(susceptor)支撐。300mm 晶圓用的晶體,是在口徑32吋(約800mm)等級的大型坩堝中熔化數百 kg 的矽。
選用石英作為坩堝材料,是因為它能高純度化,且對矽熔湯相對穩定。但它並非完全惰性,與熔湯接觸的內壁會以 Si + SiO₂ → 2SiO 的反應緩慢溶出。產生的 SiO 大部分從熔湯表面蒸發,但部分氧會被晶體吸收,以晶格間氧的形式殘留。CZ 矽含有10~18ppma 左右的氧,原因就在此;不使用坩堝的 FZ 法晶體則幾乎不含氧。
坩堝的品質直接影響晶體的良率。若內壁的氣泡破裂,或表面失透(白矽石化)的部分剝落,這些微粒抵達成長界面後會使晶體產生差排,無法作為單晶使用(差排化)。因此採用外側為含氣泡的不透明層、接觸熔湯的內側為無氣泡透明層的2層結構,並在內層使用高純度合成石英的坩堝。
坩堝基本上是耗材。拉晶後冷卻時,殘留的矽在凝固時膨脹,加上石英結晶化,會使坩堝破裂,因此原則上每1次長晶即更換。為了從1個坩堝得到更多晶體,也會採用拉晶後追加原料的再填料(recharge)技術。矽以外的材料,GaAs 等化合物半導體的長晶使用 pBN(熱解氮化硼)製坩堝,SiC 的昇華法(PVT 法)使用石墨製坩堝,依材料選用不易與熔湯或蒸氣反應的材質。