JP7023130B2 - カーボン電極及び石英ガラスるつぼの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボン電極に関し、該カーボン電極を用いて石英ガラスるつぼを製造する方法に関する。

従来、単結晶半導体材料の基板として用いられるシリコン単結晶は、シリコン多結晶を石英ガラスるつぼ中に溶融し、それを種結晶に結晶成長させて製造するといういわゆるチョクラルスキー法によって製造されてきた。前記製造方法に用いられる石英ガラスるつぼは製造方法によって幾通りかの種類があるが、実用的には回転可能な中空の型の内周面に沿って二酸化ケイ素粉末（原料石英粉）を充填し、該型を回転させながら二酸化ケイ素粉末をカーボン電極を用いたアーク放電により加熱溶融する石英ガラスるつぼの製造方法で得られた半透明石英ガラスるつぼが用いられてきた。前記半透明石英ガラスるつぼは多数の気泡が分散し熱の分布を均一にするとともに他のるつぼに比べて強度が高く任意の大きさのるつぼを製造できる利点を有している。

従来、上記半透明石英ガラスるつぼを用いてシリコン単結晶を成長させても、その過程において結晶化が不安定となり結晶化率（多結晶が単結晶となる割合）が低下するという問題点があった。その原因の１つとして原料である二酸化ケイ素の昇華成分が凝縮、落下して形成した微小泡集合体が熱膨張を起し内周面を部分的に剥離し、剥離した石英小片が溶融シリコンに混入すること等が挙げられる。このような問題点を解決するためるつぼの内表面を加熱溶融し透明層を形成したり、あるいは溶融した二酸化ケイ素粉末を飛散させて形成した厚い透明層を有する石英ガラスるつぼの製造方法が提案された。しかしながら、前記製造方法の何れも微小泡集合体を充分除去することができず、シリコン単結晶を結晶化率良く引き上げることのできる石英ガラスるつぼではなかった。また、上記の加熱溶融工程では、二酸化ケイ素およびそれに含まれる微量不純物の選択的蒸発・凝縮や、カーボン電極の消耗に伴う含有灰分の飛散等によって、得られるるつぼの内表面に汚染が起こり、高純度原料を使用してもそれに見合った内表面を作製することができなかった。このために、高純度原料を使用しても、結晶欠陥抑制に充分な効果が得られなかった。

これらの問題を解決するため、特許文献１に記載の石英ガラスるつぼの製造方法が提案された。この方法は、回転可能な上部開口型に二酸化ケイ素粉末を供給し、型の内周面に沿って二酸化ケイ素粉末充填層を形成したのち、内部から加熱溶融する石英ガラスルツボの製造方法において、型の開口部を２個以上の穴を有する蓋体で覆うとともに型内の高温ガス雰囲気を穴を介して換気しながら加熱溶融する方法である。

特開平０８－０２６７５９号公報

石英ガラスるつぼを製造する際、シリカ原料が溶融されることで発生するシリカヒュームがカーボン電極に付着し、凝集することで石英ガラスるつぼ内面に落下する。この落下物がそのまま溶融・固化された部分がるつぼの内表面積に占める割合が多いと、シリコン単結晶引き上げ成績（単結晶化率等）が悪化する。

近年、製造する石英ガラスるつぼの口径が２４インチ、２８インチ、３２インチ（１インチは２．５４ｃｍ）と大型化するにつれ、溶融電力がハイパワー化し、溶融中に発生するシリカヒュームが増えた為、特許文献１の方法のみでは、凝集したシリカヒュームによる落下物を十分に防ぐことができなくなっていた。

本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、石英ガラスるつぼの製造中に、カーボン電極にシリカヒュームが凝集することを抑制することができるカーボン電極を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、石英ガラスるつぼを製造するためのアーク放電に用いられるカーボン電極であって、前記アーク放電がなされる先端部から、前記カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、前記カーボン電極の表面に凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかが形成されているものであることを特徴とするカーボン電極を提供する。

本発明のカーボン電極では、このように長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、凹部パターン又は凸部パターンが形成されていることにより、アーク溶融中にカーボン電極に付着するシリカヒュームの凝集を阻害することができる。成長が阻害されたシリカヒュームは重量が軽いため、るつぼ内から吹き上がるアーク気流によって石英ガラスるつぼ内へ落ちることなく系外へ排出される。これにより、石英ガラスるつぼの製造中にシリカヒュームの凝集を抑制することができる。

このとき、前記凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、複数の凹部及び複数の凸部の少なくともいずれかが形成されており、前記凹部の深さ又は前記凸部の高さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であり、前記カーボン電極の前記凹部及び前記凸部が形成されていない表面を基準面として、前記カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内の任意の前記カーボン電極の長手方向２０ｍｍ×円周方向２０ｍｍの範囲において、前記凹部及び凸部の少なくともいずれかが１０％以上９０％以下の面積割合で存在していることが好ましい。

このような凹部又は凸部とすることにより、より効果的にカーボン電極に付着するシリカヒュームの凝集を阻害することができる。

また、前記凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、溝及び突起の少なくともいずれかを形成することができる。

このように、凹部パターン又は凸部パターンは、具体的な形状として溝又は突起とすることができる。

また、本発明のカーボン電極においては、前記凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、ねじ切り溝が形成されており、該ねじ切り溝の深さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であり、ピッチが１．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるものとすることができる。

このようなねじ切り溝を形成することによっても、カーボン電極に付着するシリカヒュームの凝集を阻害することができる。

また、本発明は、石英ガラスるつぼを製造する方法であって、前記石英ガラスるつぼの原料となる原料石英粉を準備してるつぼ形状に成形する工程と、上記のいずれかのカーボン電極を用いてアーク放電を行い、前記るつぼ形状に成形した原料石英粉を溶融する工程とを有することを特徴とする石英ガラスるつぼの製造方法を提供する。

本発明のカーボン電極では、上記のように、アーク溶融中にカーボン電極に付着するシリカヒュームの凝集を阻害することができる。成長が阻害されたシリカヒュームは重量が軽いため、るつぼ内から吹き上がるアーク気流によって石英ガラスるつぼ内へ落ちることなく系外へ排出される。そのため、本発明の石英ガラスるつぼの製造方法では、石英ガラスるつぼの製造中にシリカヒュームの凝集を抑制することができる。

本発明のカーボン電極では、先端部から長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、凹部パターン又は凸部パターンが形成されていることにより、カーボン電極に付着するシリカヒュームの凝集を阻害することができる。成長が阻害されたシリカヒュームは重量が軽いため、るつぼ内から吹き上がるアーク気流によって石英ガラスるつぼ内へ落ちることなく系外へ排出される。これにより、石英ガラスるつぼの製造中にシリカヒュームの凝集を抑制することができる。これにより、石英ガラスるつぼ内面の特性が均一である石英ガラスるつぼを提供することができる。よって、このような石英ガラスるつぼを用いて単結晶を歩留まり、生産性よく製造することができる。

本発明に係るカーボン電極における凹部パターン及び凸部パターンの例を示した概略図である。 本発明に係るカーボン電極における凹部パターン及び凸部パターンの存在領域における面積割合を説明するための概略図である。

以下、図面を参照し、本発明をより具体的に説明する。

本発明のカーボン電極は、石英ガラスるつぼを製造するためのアーク放電に用いられるカーボン電極である。本発明のカーボン電極を用いて製造する石英ガラスるつぼは、特に単結晶シリコン引上げ用石英ガラスるつぼとして用いられるものが好適であるが、これに限定されず、他の用途の石英ガラスるつぼを製造するために本発明のカーボン電極を用いることもできる。本発明のカーボン電極では、アーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、カーボン電極の表面に凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかが形成されているものである。

上記の凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとしては、複数の凹部及び複数の凸部の少なくともいずれかが形成されていることが好ましい。もちろん、凹部及び凸部の両方が形成されていてもよい。また、上記凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、溝及び突起の少なくともいずれかが形成されていることが好ましい。

図１（ａ）～（ｅ）に、本発明のカーボン電極における凹部パターン及び凸部パターンの例を示した。

図１（ａ）は「線凹」と記載しているが、これはカーボン電極表面に複数の凹部を有する態様であり、複数の環状の溝として形成されているものである。また、図１（ｂ）は「線凸」と記載しているが、これはカーボン電極表面に複数の凸部を有する態様であり、複数の環状の突起として形成されているものである。

凹部の深さ又は凸部の高さは、２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。すなわち、図１（ａ）の例では、溝の深さ（凹部の深さ）が２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。図１（ｂ）の例では、突起の高さ（凸部の高さ）が２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。このような凹部又は凸部とすることにより、より効果的にカーボン電極に付着するシリカヒュームの凝集を阻害することができる。

また、カーボン電極の凹部及び凸部が形成されていない表面を基準面として、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内の任意のカーボン電極の長手方向２０ｍｍ×円周方向２０ｍｍの範囲において、凹部及び凸部の少なくともいずれかが１０％以上９０％以下の面積割合で存在していることが好ましい。すなわち、図２に模式的に示したカーボン電極の長手方向２０ｍｍ×円周方向２０ｍｍの範囲内に、凹部及び凸部の少なくともいずれかが１０％以上９０％以下の面積割合で存在することが好ましい。このような面積割合を満たすように、図１（ａ）に示した溝の幅及び溝と溝の間隔を設定すればよい。また、図１（ｂ）に示した凸部の幅及び凸部間の間隔を設定すればよい。

図１（ｃ）、図１（ｄ）は本発明の他の態様である。図１（ｃ）は「凹丸」と記載しているが、これはカーボン電極表面に複数の凹部を有する態様であり、凹部が半球状の窪みとして形成されているものである。また、図１（ｄ）は「凸丸」と記載しているが、これはカーボン電極表面に複数の凸部を有する態様であり、凸部が半球状の突起として形成されているものである。図１（ａ）、（ｂ）と同様に、図１（ｃ）の例では、凹部の深さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましく、図１（ｄ）の例では、凸部の高さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、図１（ｃ）、（ｄ）の態様においても、図２に模式的に示したカーボン電極の長手方向２０ｍｍ×円周方向２０ｍｍの範囲内に、凹部及び凸部の少なくともいずれかが１０％以上９０％以下の面積割合で存在することが好ましい。図１（ｃ）に示した凹部径及び凹部間の最短距離を適切に設定することにより、この面積割合を満たすことができる。また、図１（ｄ）に示した凸部径及び凸部間の最短距離を適切に設定することにより、この面積割合を満たすことができる。

図１（ａ）、（ｂ）では環状の形状の凹部又は凸部、図１（ｃ）、（ｄ）では半球状の形状の凹部又は凸部の例を示したが、凹部又は凸部の形状はこれらに限定されない。また、各形状を組み合わせてもよい。

図１（ｅ）にはさらに別の本発明の態様を示した。この態様は、凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、ねじ切り溝が形成されたものである。この場合、ねじ切り溝の深さ（すなわち、ネジ山の高さ）が２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であり、ピッチが１．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。なお、このねじ切り溝が形成された態様の場合、ネジ山の形状等、ねじ切り部の形状については特に限定されない。例えば、図１（ｅ）に示したように、ネジ山の断面形状が三角形のもの（すなわち、ネジ山の頂部が線状で構成されるもの）であってもよい。また、ネジ山の断面形状が台形（すなわち、ネジ山の頂部が平ら）でもよい。同様に、ネジ山の底部の形状も特に限定されない。

カーボン電極に凹部又は凸部がない場合、石英ガラスるつぼの製造の際にシリカ粉末が溶融時に一部気化し、カーボン電極にて冷却されたシリカヒュームがカーボン電極に堆積する。本発明では、上記のように、シリカヒュームが堆積しやすいカーボン電極の先端から５０ｍｍ～１３０ｍｍの範囲に凹凸を付加することで、カーボン電極に付着するシリカヒュームの凝集を阻害することができる。成長が阻害されたシリカヒュームは重量が軽いため、るつぼ内から吹き上がるアーク気流によって石英ガラスるつぼ内へ落ちることなく系外へ排出される。アーク溶融中はアーク放電が成されるカーボン電極先端は高温であるため、シリカヒュームの堆積が自然と抑制される。そのため、電極先端～５０ｍｍまでの範囲は凹凸の必要性が無い。ただし、電極先端～５０ｍｍまでの範囲にも凹凸があってもよい。また、電極先端１３０ｍｍよりも上方については、電極先端５０ｍｍ～１３０ｍｍに比べて付着するシリカヒュームの堆積が少なく、また、アーク放電の際に排気口等に近いため、系外に排出され易い。そのため、凹凸の形成の必要性が無い。ただし、この範囲にも凹凸があってもよい。

また、カーボン電極は直径がほぼ一定の丸棒形状だけではなく、一部の直径が他の領域より大きいもの等にも本発明は適用することができる。

本発明は、上記のカーボン電極を用いた石英ガラスるつぼを製造する方法も提供する。この石英ガラスるつぼの製造方法は、石英ガラスるつぼの原料となる原料石英粉を準備してるつぼ形状に成形する工程と、上記本発明のカーボン電極を用いてアーク放電を行い、るつぼ形状に成形した原料石英粉を溶融する工程とを有する。こうして得られた石英ガラスるつぼの表面には欠陥が少ないことから、単結晶製造用として最適なものとなる。

以下に、本発明の実施例及び比較例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない限り様々の変形が可能であることは勿論である。

（実施例、比較例の共通条件）
直径５７．３ｍｍの丸棒形状のカーボン電極を用いたアーク放電法により、口径３２インチ（約８１ｃｍ）石英ガラスるつぼを製造し、石英ガラスるつぼを評価した。製造したるつぼ内に落下した複数個のシリカヒュームの合計表面積が５０ｍｍ^２以上であれば付着物不良と定義し、付着物不良発生率を調査した。付着物不良発生率が４％以下であれば合格とした。このうち、付着物不良発生率が２％以下である場合を合格（優良）とした。付着物不良発生率が４％超であれば不合格とした。また、アークの形成が不十分、不安定である場合はアークがやや不良であると評価した。

（実施例１－１～１－９）
図１（ａ）に示した態様のカーボン電極を作製した。丸棒電極状に環状の溝を形成した。環状の溝（凹部）の本数、溝の位置（電極先端からの距離）、溝と溝の間隔、溝の幅、溝の深さは表１に示した通りとした。図２に示した２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲内で凹部の占める割合（％）は表１中に示したようになる。実施例１－１～１－９は、いずれも、カーボン電極のアーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、溝が形成された例である。このカーボン電極を用いて石英ガラスるつぼを製造した。

（比較例１－１～１－３）
比較例１－１では、溝を形成せず、その他の凹凸を形成しない丸棒カーボン電極とした。比較例１－２、１－３では、溝を形成したが、カーボン電極のアーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内ではない箇所に形成した。形成した溝は表１中に記載した通りである。

表１に示したように、アーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において溝が形成されている実施例１－１～１－９では、付着物合格率がいずれも合格となった。

その中でも特に、実施例１－１～１－４は、溝の深さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下、カーボン電極の長手方向２０ｍｍ×円周方向２０ｍｍの範囲において溝が占める面積割合が１０％以上９０％以下であり、付着物合格率が特に優良となった。実施例１－７では、アーク形成がやや不安定となったが、付着物低減効果が得られた。

（実施例２－１）
図１（ｂ）に示した態様のカーボン電極を作製した。丸棒電極状に環状の凸部を形成した。環状の凸部の本数、凸部の位置（電極先端からの距離）、凸部間の間隔、凸部の幅、凸部の高さは表２に示した通りとした。図２に示した２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲内で凸部の占める割合（％）は表２中に示したようになる。実施例２－１は、カーボン電極のアーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、凸部が形成された例である。このカーボン電極を用いて石英ガラスるつぼを製造した。

表２に示したように、実施例２－１では、付着物合格率が合格（優良）となった。

（実施例３－１、３－２）
図１（ｃ）に示した態様のカーボン電極を作製した。丸棒電極状に半球状の窪みとなる凹部を形成した。凹部径、凹部の位置（電極先端からの距離）、凹部間の最短距離、凹部の深さは表３に示した通りとした。図２に示した２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲内で凹部の占める割合（％）は表３中に示したようになる。実施例３－１、３－２は、カーボン電極のアーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、凹部が形成された例である。このカーボン電極を用いて石英ガラスるつぼを製造した。

表３に示したように、実施例３－１、３－２では、いずれも、付着物合格率が合格となった。特に、実施例３－１では、２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲内で凹部が占める割合が１０％以上９０％以下の面積割合の範囲内であり、付着物不良発生率が特に優良であった。

（実施例４－１、４－２）
図１（ｄ）に示した態様のカーボン電極を作製した。丸棒電極状に半球状の突起となる凸部を形成した。凸部径、凸部の位置（電極先端からの距離）、凸部間の最短距離、凸部の高さは表４に示した通りとした。図２に示した２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲内で凹部の占める割合（％）は表４中に示したようになる。実施例４－１、４－２は、カーボン電極のアーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、凸部が形成された例である。このカーボン電極を用いて石英ガラスるつぼを製造した。

表４に示したように、実施例４－１、４－２では、いずれも、付着物合格率が合格となった。特に、実施例４－１では、２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲内で凸部が占める割合が１０％以上９０％以下の面積割合の範囲内であり、付着物不良発生率が特に優良であった。

（実施例５－１～５－８）
図１（ｅ）に示した態様のカーボン電極を作製した。カーボン電極のアーク放電がなされる先端部から、カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、ねじ切り溝を形成した。ネジ山の高さ（ねじ切り溝の深さ）、ねじ切り加工の位置（電極先端からの距離）、ネジ山のピッチは表５に示した通りとした。このカーボン電極を用いて石英ガラスるつぼを製造した。

表５に示したように、実施例５－１～５－８では、付着物合格率がいずれも合格となった。その中でも特に、実施例５－１～５－３は、ねじ切り溝の深さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であり、ピッチが１．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下である例であり、付着物合格率が特に優良となった。実施例５－５では、アーク形成がやや不安定となったが、付着物低減効果が得られた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (5)

1. 石英ガラスるつぼを製造するためのアーク放電に用いられるカーボン電極であって、
   前記アーク放電がなされる先端部から、前記カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内において、前記カーボン電極の表面に凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかが形成されているものであることを特徴とするカーボン電極。
2. 前記凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、複数の凹部及び複数の凸部の少なくともいずれかが形成されており、
   前記凹部の深さ又は前記凸部の高さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であり、前記カーボン電極の前記凹部及び前記凸部が形成されていない表面を基準面として、前記カーボン電極の長手方向の少なくとも５０ｍｍから１３０ｍｍまでの範囲内の任意の前記カーボン電極の長手方向２０ｍｍ×円周方向２０ｍｍの範囲において、前記凹部及び凸部の少なくともいずれかが１０％以上９０％以下の面積割合で存在していることを特徴とする請求項１に記載のカーボン電極。
3. 前記凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、溝及び突起の少なくともいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のカーボン電極。
4. 前記凹部パターン及び凸部パターンの少なくともいずれかとして、ねじ切り溝が形成されており、
   該ねじ切り溝の深さが２．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であり、ピッチが１．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のカーボン電極。
5. 石英ガラスるつぼを製造する方法であって、
   前記石英ガラスるつぼの原料となる原料石英粉を準備してるつぼ形状に成形する工程と、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のカーボン電極を用いてアーク放電を行い、前記るつぼ形状に成形した原料石英粉を溶融する工程とを有することを特徴とする石英ガラスるつぼの製造方法。

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