JP5500687B2 - シリカガラスルツボの製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
単結晶シリコンの引き上げに用いるシリカガラスルツボは主にアーク熔融法によって製造されている。この方法はカーボン製の回転モールドの内表面にシリカ粉を所定厚さに堆積してシリカ粉層を形成し、モールドの内側上方に設置した電極アーク放電によってシリカ粉層を加熱熔融してガラス化し、シリカガラスルツボを製造する方法(回転モールド法)である。
シリカガラスルツボの内表面に、気泡や不純物が存在すると、この不純物が、シリカルツボの結晶引き上げの過程でシリカガラスルツボ内表面におけるクリストバライトの形成を促進してしまい、斑点状のクリストバライトを形成することになる。このように形成されたクリストバライトは、ルツボから離脱してシリコン融液内に落ち込み、引き上げられる単結晶の成長において単結晶化率を低下してしまう等の悪影響を与えるという問題がある。しかも、このクリストバライト形成及び剥離が、制御できない状態でなされてしまうという問題がある。
回転するモールド内に原料シリカ粉を供給してシリカ粉層を形成するシリカ粉供給工程と、
複数本の炭素電極によるアーク放電で前記シリカ粉層を熔融するアーク熔融工程と、
各炭素電極先端と前記シリカ粉層の被熔融表面との距離をそれぞれ等距離に設定して被熔融表面に吹きつけたアーク火炎により表面除去するファイヤーポリッシュ工程と、を有する。これにより、シリカガラスルツボ内表面のシール層に残留した気泡や不純物を除去し、ルツボ特性を向上させることができる。
なお、前記ファイヤーポリッシュ工程を前記アーク熔融工程の後または前記アーク熔融工程と同時に行うとは、熔融厚さの増大する工程であるアーク熔融工程に対して、熔融厚さの減少する工程であるファイヤーポリッシュ工程を別々に、あるいは、同時に行うとの意味であり、熔融厚さが厚くなった場合に、前記ファイヤーポリッシュ工程を前記アーク熔融工程と同時に行うことが可能となる。
また、移動する場合の移動速度を設定することで、モールド回転軸線に対して対称な帯状部分(ゾーン)ごとにその熔融状態または表面除去状態を制御することが可能となり、例えば、底部や側壁部に比べて湾曲部のみのファイヤーポリッシュ時間を増減するなどの手段を採用することも可能である。また、このファイヤーポリッシュ工程の時間をゾーンごとに増減することにより、引き上げ工程における平均OH基濃度を一定範囲に制限することでクリストバライト発生状態をゾーンごとに制御することが可能となる。
たとえば、具体的な製造時の移動速度の制御としては、アーク火炎の中心位置が側壁部である際の移動速度に対して、同様にコーナー部における移動速度を0.89〜0.93倍とし、同様に底部における移動速度を0.93〜0.95倍に設定することが可能である。
シリカガラスルツボの外形を規定する回転モールドと、
複数本の炭素電極および電力供給手段を具備するアーク放電手段と、
隣接する炭素電極先端間が等距離となるように制御すると共に、炭素電極先端とモールドとの相対位置を制御可能な電極位置設定手段とを具備する。これにより、シリカルツボ内表面の気泡および不純物を除去し、ルツボ特性を向上させることができる。
図1は、本実施形態におけるシリカガラスルツボ製造装置を示す正断面図であり、図において、符号1はシリカガラスルツボ製造装置を示している。
ここで、合成シリカ粉とは合成シリカからなるものを意味しており、合成シリカは、化学的に合成・製造した原料であり、合成シリカ粉は非晶質である。合成シリカの原料は気体又は液体であるため、容易に精製することが可能であり、合成シリカ粉は天然シリカ粉よりも高純度とすることができる。合成シリカの原料としては四塩化炭素などの気体の原料由来とケイ素アルコキシドのような液体の原料由来がある。合成シリカガラスでは、すべての不純物を0.1ppm以下とすることが可能である。
天然シリカ粉から得られた天然シリカガラスでは、光透過率を測定すると、主に不純物として約1ppm含まれるTiのために波長250nm以下になると急激に透過率が低下し、波長200nmではほとんど透過しない。また245nm付近に酸素欠乏欠陥に起因する吸収ピークが見られる。
含有する不純物濃度を測定するか、シラノール量の違い、あるいは、光透過率を測定するか、波長245nmの紫外線で励起して得られる蛍光スペクトルを測定することにより、ガラス材料が天然シリカであったか合成シリカであったかを判別することができる。
炭素電極13は、例えば、交流3相(R相、S相、T相)のアーク放電を行うよう同形状の電極棒とされ、図2、図3に示すように、下方に頂点を有するような逆三角錐状となるように、それぞれの軸線13Lが角度θ1をなすようにそれぞれが設けられている。また、各電極13への通電は図示しない制御手段によって制御可能となっている。図2、図3において、電極13の位置設定状態として、アーク噴出方向が電極位置中心軸線LLと一致する状態として図示してある。電極の本数、配置状態、供給電力方式は上記の構成に限ることはなく、他の構成も採用することが可能である。
なお、図1、図4および図5においては、左端の炭素電極13のみに支持部21等を示しているが、他の炭素電極も同様の構成によって支持されており、これらの設定手段を組み合わせることで、個々の炭素電極13の高さ(矢印T)、水平方向位置(矢印T2)、角度(矢印T3)および長さ寸法(矢印T4)も個別に制御可能とすることができる。
図10は、本実施形態におけるシリカガラスルツボ製造方法を示すフローチャートである。
本実施形態のシリカガラスルツボの製造方法は、図1に示すシリカガラスルツボ製造装置1を用いた回転モールド法による製造とされ、図10に示すように、シリカ粉供給工程S1、電極初期位置設定工程S2、電力供給開始工程S3、アーク熔融工程S4、ファイヤーポリッシュ工程S5、電力供給終了工程S6とを具備するものとされる。以下、各工程について説明する。
図10に示すモールド位置設定工程S41においては、図6に示すように、モールド位置設定手段30により、モールドの上下方向の高さ位置(T6)、水平方向位置(T5)およびモールド回転軸線Lの鉛直方向に対する傾き(ψ2)を設定する。
続いて、図10に示す電極位置調整工程S42においては、電極位置設定手段20により、炭素電極13が下方に頂点を有するような逆三角錐状を維持するかその角度を変更して電極先端間距離Dを拡大する。これに伴って、炭素電極13間で放電が発生し始める。この際、各炭素電極13における電力密度が40kVA/cm2〜1700kVA/cm2となるように電力供給手段により電力供給を制御する。さらに電極位置設定手段20により、角度θ1を維持した状態で、シリカ粉層11の熔融に必要な熱源としての条件を満たすように、電極高さ位置などモールド−電極相対位置状態を設定する。モールド−電極相対位置状態としては、例えば、図4に示すように、炭素電極13がモールド回転軸線Lに対して偏芯した状態、図5に示すように、電極中心軸線LLが鉛直方向に対して角度ψ1だけ傾いた状態、図6に示すように炭素電極位置設定とモールド位置設定を組み合わせた状態などが可能であり、シリカ粉層11の熔融に必要な熱源としての条件を満たすように適宜設定することができる。
なお、図10では、アーク熔融工程S4において、モールド位置設定工程S41に続いて電極位置設定工程S42を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、電極位置設定工程S42を先に行っても良いし、モールド位置設定工程S41と電極位置設定工程S42を同時に行ってもよく、また、モールド位置設定工程S41または電極位置設定工程S42のいずれか一方のみにより、モールド−電極相対位置状態を設定しても良い。
図10に示すファイヤーポリッシュ工程S5においては、前述したアーク熔融工程S4と同様にして電極位置設定手段20とモールド位置設定手段30により、例えば、図123に示すようにモールド−電極相対位置状態を制御する。なお、図10では、ファイヤーポリッシュ工程S5において、モールド位置設定工程S51に続いて電極位置設定工程S52を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、電極位置設定工程S52を先に行っても良いし、モールド位置設定工程S41と電極位置設定工程S42を同時に行ってもよい。この際、各炭素電極13における電力密度が40kVA/cm2〜1700kVA/cm2となるように電力供給手段により電力供給を制御する。
各炭素電極13の先端と被熔融表面11aの距離RFPは5〜200mmの範囲に設定することが好ましく、20〜50mmの範囲に設定することがさらに好ましい。各炭素電極13の先端と被熔融表面11aとの距離RFPが5mm未満の場合は、被熔融表面11aに吹き付けられるアーク火炎の勢いが強くなりすぎてしまい、被熔融表面11aの変形が起こり、製造されるシリカガラスルツボの内表面に凹凸ができるため好ましくない。一方、各炭素電極13の先端と被熔融表面11aの距離RFPが200mm以上の場合は、アーク火炎が噴出する炭素電極13先端と被熔融表面11aの距離が離れすぎているため、アーク火炎の吹き付けによる被熔融表面11aの除去ができず好ましくない。また炭素電極13の電極先端間距離を等間隔に保つことにより、アーク火炎がリング状に安定して発生するため好ましい。
ファイヤーポリッシュ工程S5における、隣接する炭素電極13間の開脚角度θ1は、使用する炭素電極13の長さ、炭素電極位置(高さ、水平位置等)や製造するシリカルツボの口径φなどにより異なるが、上述のように各炭素電極13の先端と被熔融表面11aの距離RFPを設定し、かつ、各炭素電極先端間の距離Dを設定することにより、隣接する炭素電極13間の開脚角度θ1の値を設定することができる。
ファイヤーポリッシュ工程S5で除去される内表面の厚さは約1mm程度(0.5mm〜1mm)である。2mmを超えた厚みの内表面をアーク火炎により除去することは、作業時間の延長につながり、生産性が低下するため好ましくない。また、アーク熔融工程のシリカガラス表面の温度と、ファイヤーポリッシュ工程の温度とは、それぞれ、2100℃程度、と2400℃程度とされており、アーク熔融工程に比べて、ファイヤーポリッシュ工程におけるシリカガラス表面の温度が高く設定されている。
本発明において、ファイヤーポリッシュ工程S5は、アーク総時間の10〜90%の範囲の時間内で行われることが好ましく、40〜80%の範囲の時間内で行われることがより好ましい。ファイヤーポリッシュ工程S5を上記の範囲の時間内で行うことにより、内表面に気泡や不純物の少ないシリカガラスルツボを製造することができる。
以上のように、回転モールド法によるアーク熔融によって、シリカ粉を熔融してシリカガラスルツボを製造する。本発明の方法によって製造されたシリカガラスルツボCは、図11に示すように、ルツボの直胴部C1、湾曲部C2、および底部C3の透明層C0の膜厚が一定範囲内であり、均一な特性を有する透明層を有している。本発明においては、シリカガラスルツボの製造方法が、アーク火炎の吹き付けによりシリカガラスルツボの表面除去を行うファイヤーポリッシュ工程を有するとこにより、内表面に気泡や不純物の少ないシリカガラスルツボを提供することが出来る。したがって、本発明により製造されたシリカガラスルツボをシリコン単結晶の引き上げに使用することにより、シリカガラスルツボ表面におけるクリストバライトの発生を低減し、シリコン単結晶の結晶化率を高めることが可能となる。
この例では3相交流電流に対して6本の電極(E1〜E6)を用いたものとされ、この電極構造では隣り合う電極が互いに等間隔になるようにモールドの回転軸周りに配設され、各電極を結ぶ6角形のリングが形成される。3相交流電流に対して隣り合う電極は120°の位相差を有し、リングの中央部を隔てて向かい合う電極は互いに同相になる。具体的には、3相交流電流に対して電極E1がR相であるとき、リングの中央部を隔てて相対向する電極E4は同じR相になり、電極E1の両側の電極E2がT相、電極E6がS相になり、さらにその外側の電極E3がS相、電極E5がT相になるように各電極が結線されている。従って、電極E1と電極E4、電極E2と電極E5、電極E3と電極E6がそれぞれ同相になり、互いに他の電極に対しては異相になる。
この電極構造では、モールドの回転軸を囲んで隣り合う電極が互いに等間隔に配置され、各電極を結ぶ四角いリングが形成される。2相交流電流に対して隣り合う電極同士は180°の位相差を有するので、この隣り合う電極間にアークが発生するが、リング中央部を隔てて向かい合う電極同士は互いに同相になるので、これらの電極間にはアークが発生せず、リング中央部を交差するアークは形成されない。一般に2相交流2n本電極(n≧3)の電極構造では上記と同様に隣り合う電極同士を結ぶリング状のアークが形成され、リングの中央部を交差する安定なアークは実質的に形成されない。
また本発明において、電極先端位置の設定として、アーク開始時に図2、図3に示す電極先端位置13aがほぼ水平方向に同一平面に位置している状態から、図13等に示す距離RFPが等しくなるような状態にするためには、炭素電極13をその軸線方向T4に沿って移動する以外に、図13に示すように傾けた回転モールド10内面に沿った位置とするために、より被熔融表面に近い位置の電極においてその先端部分の消耗が激しくなるようにアーク放電条件を設定して、電極先端位置を設定することも可能である。この場合、電極先端と被熔融表面との位置が全ての電極で等しくはないが、図1などの状態に比べて、これら距離のバラツキが小さくなっていればよく、電極先端と被熔融表面との距離のバラツキが、全電極に対する距離平均値の5割以内、より好ましくは2割以内になるように設定することが好ましい。
アーク熔融工程の通電時間は90分、出力2500kVA、通電開始から10分間はシリカ粉層の真空引きを行った。
上記の方法によりアーク熔融工程を行った後、図13に示すように、モールド位置調整手段30と電極位置設定手段20により、各電極先端と被熔融表面の距離が等距離になるようにモールド−電極相対位置状態を制御して、表1に示す条件にて、ファイヤーポリッシュ工程を行い、シリカガラスルツボを製造した。このとき、出力は2500kVAとし、隣接する炭素電極先端間の距離は等距離となるように設定した。
比較例1は、実施例2と類似しているが、比較例1では、3本の電極先端と被熔融表面の距離がそれぞれ80mm,100mm,120mm(平均距離100mm)になるようにモールド−電極相対位置状態を制御した。
〔比較例2〕
上記の方法によりアーク熔融工程を行った後、ファイヤーポリッシュ工程を行わずに、電力供給を終了し、シリカガラスルツボを製造した。
この結果より、本発明によれば、シリカガラスルツボ内表面の気泡や不純物が少なく、高いシリコン単結晶化率でシリコン単結晶の引き上げが可能なシリカガラスルツボを提供することができることが明らかである。
Claims (9)
- 回転するモールド内に原料シリカ粉を供給してシリカ粉層を形成するシリカ粉供給工程と、
複数本の炭素電極によるアーク放電で前記シリカ粉層を熔融するアーク熔融工程と、
各炭素電極先端と前記シリカ粉層の被熔融表面との距離をそれぞれ等距離に設定して被熔融表面に吹きつけたアーク火炎により表面除去するファイヤーポリッシュ工程と、を有することを特徴とするシリカガラスルツボの製造方法。 - 前記ファイヤーポリッシュ工程において、アーク火炎の噴出方向となる複数のアーク電極で形成される電極中心軸線と、モールド回転軸線との相対角度が0.5〜60°の範囲に設定されてなることを特徴とする請求項1に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
- 前記ファイヤーポリッシュ工程において、前記各炭素電極先端と前記被熔融表面との距離を5〜200mmの範囲とすることを特徴とする請求項1または2に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
- 前記複数の炭素電極の隣接する炭素電極先端間が等距離となるように炭素電極位置を設定することを特徴とする請求項3に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
- 前記ファイヤーポリッシュ工程が、アーク総時間の10〜90%の範囲の時間内に行われることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
- 前記ファイヤーポリッシュ工程は、前記アーク熔融工程の後または前記アーク熔融工程と同時に行うことを特徴とする請求項5に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
- 前記ファイヤーポリッシュ工程において、アーク火炎の噴出される位置を、シリカガラスルツボの底部中心位置側から上端部位置側へと順次移動することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
- 前記ファイヤーポリッシュ工程において、アーク火炎の噴出される位置を、シリカガラスルツボの上端部位置側から底部中心位置側へと順次移動することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
- 前記ファイヤーポリッシュ工程において、アーク火炎の噴出される位置を被熔融表面に対して移動する場合の移動速度が、0.1〜50cm/minに設定されることを特徴とする請求項7または8に記載のシリカガラスルツボの製造方法。
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