最後更新:2026年10月8日晶圓製造・基板加工矽晶圓製造(長晶・切片・研磨)中國大陸:坩埚

坩堝是什麼

Crucible

坩堝是用來在高溫下熔化物質的耐熱容器,在半導體領域指以 CZ 法將矽在約1,414℃下熔化盛裝的石英玻璃製容器。其內壁會微量溶入熔湯,也是 CZ 矽含有10~18ppma 左右氧的原因。內壁的氣泡或剝落碎片會導致晶體產生差排,因此採用具合成石英透明內層的2層結構,原則上每1次長晶即更換,屬於耗材。

目錄5 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關企業
  4. 相關用語
  5. 比較文章

定義與原理

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。

坩堝的常見問題

坩堝是用什麼材料製成的?
材質依用途而異。矽單晶的 CZ 法使用高純度石英玻璃,GaAs 等化合物半導體的長晶使用 pBN(熱解氮化硼),SiC 的昇華法則使用石墨。無論哪一種,都選用不易與所熔化材料反應、不易帶入雜質的材質。
為什麼 CZ 法的矽晶圓含有氧?
因為石英坩堝的內壁會與矽熔湯微量反應而溶出。溶入的氧大部分以 SiO 的形式從熔湯表面蒸發,但部分會被晶體吸收。這些氧有助於吸雜(gettering)與晶圓的機械強度,但對某些元件也有不良影響,因此會以坩堝轉速或施加磁場(MCZ 法)來控制濃度。
坩堝可以重複使用嗎?
CZ 法的石英坩堝原則上每1次結晶成長即更換。因為冷卻時殘留的矽凝固膨脹,以及與高溫下結晶化的石英之間的熱膨脹差,會使坩堝破裂。為了降低成本,會採用拉晶後追加原料、以同一坩堝長出多根晶棒的再填料技術。
與「民族大熔爐」比喻中的容器是同一種東西嗎?
是同一種東西。「民族大熔爐」(melting pot)是將各種金屬在坩堝中熔合成1個整體的樣子,比喻為多元族群融合的社會的說法。半導體領域所說的坩堝,就是這個比喻來源的實物耐熱容器。

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