JP5562518B2 - 石英ガラスルツボ製造装置の電極構造 - Google Patents

Description

本発明は、石英ガラスルツボの製造装置に用いられる電極構造であって、電極を横方向および縦方向に移動することができる電極構造に関する。より詳しくは、回転モールドの内表面に堆積した石英粉層をアーク溶融してガラス化し、石英ガラスルツボを製造する装置において、石英粉層に対して電極を移動して局部加熱を防止し、ルツボ内表面の透明層を均一に形成することができる電極構造に関する。

シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラスルツボの製造方法として、回転モールド法が知られている。この方法は、回転する中空モールドの内表面に石英粉を所定の層厚に堆積し、モールド上方に設置した電極のアーク放電によって上記石英粉を溶融し、アーク溶融中に石英粉堆積層内を吸引減圧（真空引き）して内部の空気を脱気しながら上記石英粉をガラス化してモールド内表面に沿ったルツボ形状に成形する製造方法である（特許文献１）。

従来の上記製造方法では、電極は回転モールドの中心線に対して対称（点対称または線対称）に設置されており、モールド中心線上のセンターアークによってルツボ内表面の石英粉を溶融するのが一般的である。図３に示すように、この電極配置においては、電極先端で発生した高温ガスは左右均等に流れ、一部はモールド内表面に沿って外部に流出する外循環流になり、その他の高温ガスは電極の両側でモールド内空間を循環する内循環の気流になる。
特許第１２５７５１３号公報（特公昭５９−３４６５９号公報）

図３に示すセンターアークにおいて生じる内循環の気流は、高温ガスが電極に沿って流れるときに再加熱されるので熱効率は非常に良いが、モールド内空間において内循環流部分と外循環流部分との間に大きな温度差が生じ、内循環流によって過剰に加熱される部分が粘度低下によって崩れる場合がある。

一方、図２に示すように、電極をモールド中心線に対して偏った位置に設けてアーク溶融（偏心アーク）すれば、電極がモールド内表面から離れた側の空間が広がり、この空間を通じて高温ガスが外部に流出しやすくなる。このため高温ガスの内循環流が大幅に減少し、内循環流による過剰加熱を防止することができる。

本発明は、上記偏心アークを行うことができる電極構造を提供する。偏心アークによれば、従来のセンターアークの内循環流によって生じる過剰加熱の問題を解決することができ、ルツボ内表面を均一に加熱することができるので、ルツボ内表面の透明層を均一に形成することができる。

本発明の電極構造は、回転モールド法によって口径が２８インチのモールド内表面に石英粉層を堆積して通電開始から前記石英粉堆積層の真空引きを行う石英ガラスルツボの製造装置の電極構造であって、
縦向きに設置された棒状とされる複数本の電極と、個々の電極を横方向および縦方向に移動自在とする各々の電極に設けられる横移動手段および縦移動手段と、これらが載置される基台とを備え、
横移動手段と縦移動手段としては、横方向に摺動自在な支持台が基台上に設置されており、該支持台に装着部が昇降自在に取り付けられており、該装着部に電極が把持されており、装着部および支持台の移動によって装着部に把持された電極が縦横移動自在で、装着部が傾斜自在に支持台に軸着されており、装着部の傾斜によって電極の傾斜角を調整する傾斜手段が設けられて、
石英ガラスルツボを製造するモールドの搬入空間が基台の下方に形成されており、該基台から棒状の電極が搬入空間のモールドに向かって縦向きに設置されており、上記基台の上側に電極の横移動手段および縦移動手段が設けられ、
横移動手段、縦移動手段および傾斜手段によって、電極をモールドの回転中心線の側方に移動して、電極がモールド内表面から離れた側の空間が広がり、アークによって発生した高温ガスの気流がルツボの内表面に沿ってこの側方の空間に向かって流れる一方向の気流になるとともに、高温ガスの気流がこの側方の空間を通じて外部に流出しやすくなる偏心アーク溶融を可能とし、
３本または４本の電極を用い、少なくとも一部の電極をルツボ半径の２５％に相当する距離を側方に移動して偏心アーク溶融を行い内循環流による局部的な過剰過熱を抑制することを特徴とする。
本発明は、前記モールド内表面に平均層厚が２８mmとして石英粉層を堆積して通電時間を６０minとし通電開始から２０分間石英粉堆積層の真空引きを行うことができる。
〔１〕 回転モールド法による石英ガラスルツボの製造装置の電極構造であって、電極と、電極の横移動手段と、電極の縦移動手段と、これらが載置される基台とを備え、縦向きに設置された棒状の電極が横方向および縦方向に移動自在であることを特徴とする電極構造。
〔２〕複数本の電極が設けられており、各々の電極に横移動手段および縦移動手段が設けられており、個々の電極が横方向および縦方向に移動自在である上記[１]に記載の電極構造。
〔３〕横方向に摺動自在な支持台が基台上に設置されており、該支持台に装着部が昇降自在に取り付けられており、該装着部に電極が把持されており、装着部および支持台の移動によって装着部に把持された電極が縦横移動自在である上記[１]または上記[２]に記載する電極構造。
〔４〕装着部が傾斜自在に支持台に軸着されており、装着部の傾斜によって電極の傾斜角を調整する傾斜手段が設けられている上記[１]〜上記[３]の何れかに記載する電極構造。
〔５〕石英ガラスルツボを製造するモールドの搬入空間が基台の下方に形成されており、該基台から棒状の電極が搬入空間のモールドに向かって縦向きに設置されており、上記基台の上側に電極の横移動手段および縦移動手段が設けられている上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する電極構造。

本発明の電極構造は、石英ガラスルツボの製造において、基台に電極の横移動手段および縦移動手段が設けられているので、モールドに対して縦向きに設置された棒状の電極をモールド中心線に対して側方に移動し、また電極を上下動して電極先端の高さを調整し、偏心アークを行うことができる。

具体的には、例えば、横移動手段および縦移動手段の駆動手段としてサーボモータ等を用い、前後左右の横方向（Ｘ−Ｙ軸方法）、および縦方向（Ｚ軸方向）の座標に基づき、電極の基本位置を把握しておくことができ、電極を個別に目的位置に容易に移動することができる。

本発明の電極構造は、複数本の電極を一体化した複合電極において、横移動手段および縦移動手段を個々の電極に設けることができ、任意の電極を移動して他の電極に接近させ又は引き離して電極間距離を調整し、アーク範囲を制御することができる。

また、本発明の電極構造では、複数の電極について、一部の電極を移動して対称性のない状態でアーク加熱を行うことができる。また、一部の電極を移動して特定方向の放電が維持できないようにすると、アークしている電極の本数が変わるので、対称性のない状態で偏心アーク溶融を行うことができる。

本発明の電極構造において、例えば、横移動手段は基台上に設置した摺動自在な支持台によって形成することができ、縦移動手段は該支持台に昇降自在に取り付けた装着部によって形成することができる。棒状の電極は縦向きに上記装着部に固定される。この構造によれば、支持台および装着部の移動によって電極を縦横に移動することができる。

また、本発明の電極構造は、装着部を傾斜自在に支持台に軸着することによって、電極の角度を調整する傾斜手段を形成することができる。この傾斜手段によって、電極先端間の距離を調整することができ、また、電極をルツボの直胴部に傾けて偏心アークを行うことができる。

本発明の電極構造は、石英ガラスルツボの製造装置において、モールドの上方に設けた基台に設置すればよい。具体的には、基台の下方にモールドの搬入空間を形成し、該基台を貫いて棒状の電極が搬入空間のモールドに向かって縦向きに設置すればよく、従来の装置構成を部分的に改良して形成することができる。

〔電極構造の実施例〕
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の電極構造は、回転モールド法による石英ガラスルツボの製造装置に用いられる電極構造であって、図示するように、電極１０と、電極１０の横移動手段２０と、電極の縦移動手段３０と、これらが載置される基台４０とを備え、縦向きに設置された棒状の電極１０が横方向および縦方向に移動自在であることを特徴とする電極構造である。

図１において、基台４０の下方はモールドの搬入空間であり、基台４０を貫いて棒状の電極１０が搬入空間のモールドに向かって縦向きに設置されている。図１には二本の電極１０が示されているが、電極の本数は二本に限らない。

基台４０の上側には支持台２１およびモータ(駆動手段)２２が設置されている。支持台２１は、伝達部材２３を介してサーボモータ２２に連結されており、該モータ２２によって基台４０の上側を横方向に移動する。該伝達部材２３は例えばラックとピニオンの構造などを利用することができる。該モータ２２を複数設け、または伝達部材を組合わせることによって、支持台２１を基台上で前後左右の方向（ＸＹ軸方向）に移動させることができる。このように、図示する例では、上記支持台２１、サーボモータ２２、伝達部材２３によって横移動手段が形成されている。

上記支持台２１には装着部３１およびサーボモータ（駆動手段）３２が取り付けられている。該装着部３１はサーボモータ３２に連結されており、該モータ３２によって縦方向（Ｚ軸方向）に昇降自在に設けられている。図示する例では、装着部３１は支持台２１の側面に取り付けられている。装着部３１は、昇降動の際に脱落しないように、例えば、支持台２１の側面にレール部材（図示省略）を設け、一方、装着部３１の側面にはアリ溝状のガイド溝（図示省略）を設け、支持台２１の上記レール部材に嵌合させて取り付ければよい。なお、装着手段はこのような構造に限らない。

装着部３１は棒状の電極１０を把持するチャック手段を有している。該チャック手段は開閉自在な把持片３３によって形成されており、把持片３３の間に棒状電極１０を軸回りに挟み込んで固定する。把持片３３は棒状電極１０を縦向きに固定するように、電極１０の軸方向に沿って縦長に形成されている。このように、図示する例では、装着部３１、モータ３２によって縦移動手段が形成されており、該装着部３１に電極固定手段（チャック手段）が形成されている。

また、図示する例において、チャック手段（把持片３３）の中央部が装着部３１に軸留めされているが、この軸着構造を利用し、把持片３３が軸回りに傾斜できるように取り付ければ、電極の傾斜角を調整する傾斜手段を形成することができる。

上記電極構造によれば、図２に示すように、電極１０をモールド６０の回転中心線Ｌの側方に移動して、アーク溶融を行うことができる。偏心アーク溶融することによって、電極がモールド内表面から離れた側の空間が広がり、アークによって発生した高温ガスの気流がこの側方の空間を通じて外部に流出しやすくなる。このため、上記高温ガスの大部分がルツボ５０の内表面に沿ってこの空間に向かって流れる一方向の気流になり、高温ガスの内循環流が大幅に減少し、内循環流による過剰加熱を防止することができる。なお、電極をモールド中心線に対して偏った位置に設けてアーク溶融する場合、モールドが回転しているので、ルツボ内表面は周期的に繰り返し電極に接近することになり、最終的にルツボ全体が均一に加熱される。従って、側壁部１３、湾曲部１４、底部１５の透明層が均一な石英ガラスルツボ５０を得ることができる。

本発明の電極構造によれば、内循環流による局部的な過剰過熱が抑制されるので、ルツボ全体について透明層の層厚を均一に形成することができる。この結果、ルツボを加熱したときに、透明層の熱伝達が均一になり、ルツボ内表面温度が均一になる。このため、ルツボ内表面において、局所的な溶解ムラによるブラウンリングの剥離が抑制され、シリコン単結晶引上げの歩留まりを向上させることができる。

さらに、本発明の電極構造によれば、ルツボ内表面の透明層が均一であるため、シリコン単結晶の引上げ時に、透明層の溶解速度が均一であり、引き上げたシリコン単結晶の酸素濃度のバラツキ（縦軸方向）が少なくなる。

〔電極構造の使用例〕
本発明の電極構造を備えた製造装置を用い、回転モール法に基づいて石英ガラスルツボを製造した。モールドの口径は２８インチ、モールド内表面に堆積した石英粉層の平均層厚は２８mmである。通電時間は６０min、通電開始から２０分間は石英粉堆積層の真空引きを行った。

〔実施例１，２〕
表１に示す本数の電極を用い、一部の電極をルツボ半径の２５％に相当する距離を側方に移動して偏心アーク溶融を行った。製造した石英ガラスルツボについて、ルツボ内表面の透明層の層厚を比較し、この結果を表１に示した。透明層の層厚は、湾曲部中央の層厚をＴ２とし、湾曲部と底部との境界部分の層厚をＴ１とし、直胴部と湾曲部の境界部分の層厚をＴ３とし、Ｔ２を１００としたときのＴ２に対する比で示した。

〔比較例１，２〕
電極を移動せず、モールド回転中心線上に設置してセンターアーク溶融を行った。この結果を表１に示した。

表１に示すように、本発明の電極構造を用いて偏心アーク溶融を行ったルツボは、透明層の層厚が均一であり、シリコン単結晶の歩留まりが高い。一方、センターアーク溶融を行った比較例のルツボは、湾曲部の透明層に対して直胴部と底部の透明層の層厚が薄く、このため単結晶の歩留まりが大幅に低い。

本発明に係る電極構造の模式断面説明図。 本発明に係る偏芯アークの高温ガス流を示す模式断面説明図 従来のセンターアークを示す模式断面説明図

符号の説明

１０−電極、１３−直胴部、１４−湾曲部、１５−底部、２０−横移動手段、２１−支持台、２２−サーボモータ、２３−伝達部材、３０−縦移動手段、３１−装着部、３２−サーボモータ、３３−把持片、４０−基台、５０−石英ルツボ、６０−回転モールド、Ｌ−回転中心線。

Claims (2)

1. 回転モールド法によって口径が２８インチのモールド内表面に石英粉層を堆積して通電開始から前記石英粉堆積層の真空引きを行う石英ガラスルツボの製造装置の電極構造であって、
   縦向きに設置された棒状とされる複数本の電極と、個々の電極を横方向および縦方向に移動自在とする各々の電極に設けられる横移動手段および縦移動手段と、これらが載置される基台とを備え、
   横移動手段と縦移動手段としては、横方向に摺動自在な支持台が基台上に設置されており、該支持台に装着部が昇降自在に取り付けられており、該装着部に電極が把持されており、装着部および支持台の移動によって装着部に把持された電極が縦横移動自在で、装着部が傾斜自在に支持台に軸着されており、装着部の傾斜によって電極の傾斜角を調整する傾斜手段が設けられて、
   石英ガラスルツボを製造するモールドの搬入空間が基台の下方に形成されており、該基台から棒状の電極が搬入空間のモールドに向かって縦向きに設置されており、上記基台の上側に電極の横移動手段および縦移動手段が設けられ、
   横移動手段、縦移動手段および傾斜手段によって、電極をモールドの回転中心線の側方に移動して、電極がモールド内表面から離れた側の空間が広がり、アークによって発生した高温ガスの気流がルツボの内表面に沿ってこの側方の空間に向かって流れる一方向の気流になるとともに、高温ガスの気流がこの側方の空間を通じて外部に流出しやすくなる偏心アーク溶融を可能とし、
   ３本または４本の電極を用い、少なくとも一部の電極をルツボ半径の２５％に相当する距離を側方に移動して偏心アーク溶融を行い内循環流による局部的な過剰過熱を抑制することを特徴とする電極構造。
2. 前記モールド内表面に平均層厚が２８mmとして石英粉層を堆積して通電時間を６０minとし通電開始から２０分間石英粉堆積層の真空引きを行うことを特徴とする請求項１記載の電極構造。

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