CN101686584B - 电弧放电方法及装置、石英玻璃坩埚制造方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电弧放电方法及装置、石英玻璃坩埚制造方法及装置，提供在300kVA～12000kVA的输出范围通过多根碳素电极利用电弧放电对非导电性对象物进行加热熔融的方法，其中，作为电弧放电开始时使上述碳素电极彼此接触的接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率，设定成0.001～0.9的范围。

Description

电弧放电方法及装置、石英玻璃坩埚制造方法及装置
技术领域
本发明涉及电弧放电(arc discharge)方法、电弧放电装置、石英玻璃坩埚制造装置和石英玻璃坩埚制造方法，特别涉及在利用电弧放电将石英粉加热熔融进行玻璃化时用于防止电弧放电时的电极振动的优选的技术。
本申请对于在2008年9月22日提出申请的日本专利申请第2008-242874号申请主张优先权，并在此援引其内容。
背景技术
在单晶硅的拉晶中使用的石英玻璃坩埚主要通过电弧熔融法来制造。该方法大体上是，在碳制模的内表面堆积一定厚度的石英粉，在该石英堆积层的上方设置碳素电极，利用该电弧放电对石英堆积层加热，进行玻璃化，来制造石英玻璃坩埚。
在日本专利第03647688号公报中记载了关于利用电弧熔融制造石英玻璃坩埚中的电弧熔融的技术，在日本特开2002-68841号公报中记载了关于电弧放电中的电极的技术。
此外，根据近年来器件工序的效率化等的需求，制造的晶片口径变得大到超过300mm的程度，伴随于此，要求一种能够对大口径的单晶进行拉晶的石英玻璃坩埚。此外，根据器件的微细化等的需求，在对拉晶的单晶的特性给予直接影响的石英玻璃坩埚内表面状态等的坩埚特性的提高方面，也有强烈的要求。
但是，在制造所谓30英寸～40英寸的大口径的石英玻璃坩埚时，为了熔融石英粉所需的电能增大，伴随于此，就不能无视电弧放电开始时产生的电极的振动。
这样，在电弧放电开始时产生电极振动的情况下，伴随于此，在电弧中流过的电流会变化，根据该电流变化进而使电极振动，结果使产生的电极振动的振幅变大。其结果是，存在产生的电弧变得不稳定，不能无视熔融的石英粉状态的问题。进而，还有在电极振动变大的情况下，因振动从电极产生的微少片落下使石英玻璃坩埚特性恶化的问题。此外，还有在电极振动的振幅增大的情况下电极可能破损的问题。
为了防止电极的振动，通常考虑将电极变更为高强度的材料、扩大电极直径等增强电极强度。但是，石英玻璃坩埚制造中的电弧放电电极由于该电极自身消耗使其组成释放到石英粉熔融环境中，所以根据给予坩埚特性的影响，碳素电极以外的电极就无法使用。此外，在扩大电极直径的情况下，电力密度下降，电弧输出变得不稳定，可能会对坩埚特性给予不良影响。
另外，由这样的电极振动带来的影响是因伴随坩埚口径的增大的电弧熔融的输出增大才产生的。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，要达成以下目的。1.防止电极振动的产生。2.实现电弧的稳定化。3.防止坩埚特性的恶化并实现其提高。4.提供一种能应对大输出电弧熔融的方法和装置。
本发明的电弧放电方法是在300kVA～12000kVA的输出范围通过多根碳素电极利用电弧放电对非导电性对象物进行加热熔融的方法，其中，作为电弧放电开始时使上述碳素电极彼此接触的接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率，设定成0～0.9的范围，由此，解决了上述问题。
在本发明的电弧放电方法中，通过作为电弧放电开始时使上述碳素电极彼此接触的接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率，设定成0～0.9的范围，从而能够防止电弧放电时产生的电极振动的振幅变得大于电极直径的0.15倍，即使产生电极振动也能以不再扩大的方式进行收敛，电极振动收住，能使稳定的电弧产生。
在发明中，较优选是将上述碳素电极中的电力密度设定为40kVA/cm2～1700kVA/cm2。
在本发明的电弧放电方法中，由于通过将上述碳素电极中的电力密度设定为40kVA/cm2～900kVA/cm2～1700kVA/cm2，从而能够将成为电极振动的增大原因的洛伦兹力收住到防止振动增大的容许范围内，所以能够起到可使产生的电极振动收敛的效果。
本发明的电弧放电装置是在300kVA～12000kVA的输出范围通过多根碳素电极利用电弧放电对非导电性对象物进行加热熔融的装置，其中，配置上述碳素电极，使得作为使上述碳素电极彼此接触的接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率，成为0.001～0.9的范围，由此，解决了上述问题。
本发明的电弧放电装置，通过配置上述碳素电极，使得作为使上述碳素电极彼此接触的接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率，成为0～0.9的范围，从而能够在制造24英寸以上的石英玻璃坩埚时作为热源使用的高输出的电弧放电装置中，防止电弧放电时产生的电极振动的振幅变得大于电极直径的0.15倍，即使产生电极振动也能以不再扩大的方式进行收敛，能防止对石英玻璃坩埚的品质给予影响的电极振动的扩大，使稳定的电弧产生，能提高制造的石英玻璃坩埚的品质。当输出范围小于上述范围时有可能电弧不继续，故不优选，当大于上述范围时成本花费过高，故不优选。此外，由于当接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率在上述范围以外时就不能防止电极振动，所以不优选。此外，当在以前端使电极彼此接触时根据电极形状电极轴线彼此的角度无法成为优选范围的情况下，能够使接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率为0.001～0.9的范围。另外，只要上述范围中的接触位置与电极前端的距离为50mm以下0mm以上、更优选20mm以下0mm以上，就能够进行良好的电弧产生。
在此，上述的电极振动对制造的石英玻璃坩埚所带来的影响，以往在至22英寸左右的小口径的坩埚制造中并没有认识到，但是本发明的发明人对它们进行详细研究的结果是，查明有时作为未成为现有问题的程度的坩埚特性，内表面状态的斑点产生起因于该电极振动。因此，通过防止该电极振动产生，从而能够谋求制造的石英玻璃坩埚内表面特性的提高。
此外，在发明中，优选上述碳素电极中的电力密度设定为40kVA/cm2～1700kVA/cm2。
在本发明中，由于通过上述碳素电极中的电力密度设定为40kVA/cm2～1700kVA/cm2，从而能够将成为电极振动的增大原因的洛伦兹力收住到防止振动增大的容许范围内，所以能够起到可使产生的电极振动收敛的效果。此时，当电力密度小于上述范围时电弧不继续，故不优选，当大于上述范围时电极振动的振幅变得大于电极直径的0.15倍，电极振动增强，电弧放电停止，故不优选。
此外，也能够采用下述方案：对于上述碳素电极，在前端设有包含上述接触位置的接触部分，该接触部分的形状被做成朝向前端直径缩小的圆锥、圆锥台、或者在沿该碳素电极的轴线的剖面轮廓中成为不存在曲率不连续点的曲线的形状。
在本发明中，对于上述碳素电极，在前端设有包含上述接触位置的接触部分，该接触部分的形状能够被做成朝向前端直径缩小的圆锥、圆锥台、或者在沿该碳素电极的轴线的剖面轮廓中成为不存在曲率不连续点的曲线的形状。具体是，碳素电极做成圆柱棒状体，在其前端具有朝向前端直径缩小的接触部分，该接触部分以在与其他电极接触的情况下以1处接触的方式做成为没有凹陷的部分的形状。也就是说，在该接触部分中，以电极彼此不在2处以上接触的方式，被做成具有与另一个电极的最接近距离的部分只是成为一点或一个线状部分或一个面状的一处的形状。此外，碳素电极也能成为从根部向前端遍及其全长地直径缩小的形状。
上述碳素电极设有多根，并设置成各自仅能在前端的接触部分接触。具体是，各个碳素电极的前端能够配置成以形成顶点的方式成为与电极的根数相应的多角锥的棱线的状态。此外，电极前端的接触部分为了使电弧放电变得容易而且防止电极振动，朝向前端直径缩小。由此，能够防止在容易产生电极振动的电极侧面的放电，能够仅从没有作为电极前端部分的凹陷的接触部分进行放电，能够同时实现稳定的电弧火焰的产生和电极振动的防止。
在本发明中，优选上述碳素电极设定成其直径尺寸与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸之比为0.02～0.6的范围。
在本发明中，通过上述碳素电极设定成其直径尺寸与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸之比(每单位分的消耗尺寸/电极直径)为0.02～0.6的范围，从而可实现能够产生可将电弧熔融所需热量供给给非导电性对象物(石英粉)的电弧火焰，并且同时能够防止电极振动的效果。
本发明的石英玻璃坩埚制造装置是使原料粉末在坩埚成形用的模内成形，利用电弧放电使其成形体加热熔融以制造石英玻璃坩埚的装置，其中，能够是下述特征，即，具有充填原料粉而成形的模和上述任一记载的电弧放电装置。
本发明是一种石英玻璃坩埚的制造方法，其中，具有：成形工序，使石英粉成形为坩埚的形状以形成石英粉成形体；以及放电工序，在300kVA～12000kVA的输出范围，使电弧放电在多个碳素电极间产生，对上述石英粉成形体进行加热熔融，制造石英玻璃坩埚，上述放电工序具备：放电开始工序，在开始上述电弧放电时使上述碳素电极彼此接触，将它们的接触位置与各碳素电极的前端的距离和上述碳素电极的直径的比率，设定成0.001～0.9的范围；以及放电维持工序，在上述放电开始工序之后，扩大上述碳素电极间的距离，维持上述电弧放电，由此，解决了上述问题。
本发明的发明人按如下方式来考察了使电弧熔融的状态恶化产生的程度的电极振动产生的机理。
在电弧放电中在碳素电极产生微小振动的情况下，由于因该振动引起的电极位置变动，供给中的电流也会发生变动。进而，由于产生的电流的微小振动，对电极作用洛伦兹力，使电极振动的振幅增大。当电极振动的振幅增大时，电流的振动也会进一步增大。通过这样的助长效果，电极振动继续增大，结果是有可能电极振动会变大到以至电极破损的程度。
但是，本发明的发明人发现，当在电弧放电中在碳素电极产生的振动的振幅收住到电极直径的0.15倍以下的情况下，能够防止在该电极振动与因电极振动产生的电流变动的相互作用下电极振动增大的现象，能够使振动收敛。认为只要是这样的振幅范围，即使在产生了电极振动的情况下，也能防止起因于电流变化和电极振动的洛伦兹力变大，能够防止电极振动变大。
与此相对，当在电弧放电中在碳素电极产生的振动的振幅大于电极直径的0.15倍的情况下，电极振动继续增大，结果是有可能以至电极破损。因此，为了以将电极振动振幅收住到上述范围的方式控制振动产生时的洛伦兹力的容许界限，按如下进行设定。
此外，在像石英玻璃坩埚制造那样对非导电性对象物进行电弧熔融的情况下，与将铁等的导电性物质电弧熔融的情况不同，由于必须在电极间进行放电开始，所以需要预先使电极前端收敛，使放电方向成为与电极的轴线相交的方向，因此容易产生电极振动。进而，由于与像石英玻璃坩埚制造那样地只要简单地将对象物熔融即可的状况不同，需要精密地进行作为被熔融物的石英粉末成形体表面附近的温度状态管理，所以要求更进一步地正确控制电极的位置状态等。
在本发明中，所谓电力密度是指，在电极中，与电极中心轴正交的电极剖面中每单位剖面面积所供给的电能。具体是，能够用供给给一根电极的电力相对于在从电极前端起轴向长度15～25mm左右、优选20mm的位置处与电极中心轴正交的电极剖面面积之比供给电能(kVA)/电极剖面面积(cm2)来表示，具体是，作为20mm的位置处的电极直径尺寸，为
Figure G2009101732754D00061
优选
Figure G2009101732754D00062
更优选来设定上述范围。
此外，电极振动在电弧放电开始时产生的可能性最高，抑制了使电弧熔融开始的时刻、即对非导电性对象物(石英粉)的影响高的温度上升开始时的影响，能够进行良好的电弧熔融。
在此，所谓上述碳素电极中每电弧放电单位分消耗的长度尺寸，还依赖于制造的对象物的大小，在32英寸的石英玻璃坩埚的制造中，60分钟为120mm左右，即，每1分钟2mm左右。
另外，在将本发明的电弧放电方法和电弧放电装置应用于石英玻璃坩埚的制造中的情况下，还能利用所谓称为熔射法的在电弧放电中追加石英粉的制造方法、以及称为旋转模塑法的不在电弧放电中追加石英粉的制造方法的任一种方法来加以适应。
此外，本发明在交流2相、3相、直流等电弧产生电力供给的方式或电极根数方面，只要是可能，还能够适应于任一种装置。
在本申请发明中，能够防止因产生电极振动而引起的电弧的不稳定化，能够使作为非导电性对象物(石英粉)的熔融热源的电弧火焰产生稳定化，因此能够提供一种不会使拉晶后的半导体单晶的特性恶化，能够制造特性良好的石英玻璃坩埚的电弧放电方法和电弧放电装置。
在此，所谓能够提高的坩埚特性是指，坩埚内表面的玻璃化状态、以及、厚度方向的气泡分布和气泡的大小、OH基的含量、杂质分布、表面的凹凸、以及、它们在坩埚高度方向上不均匀等的分布状态等对在石英玻璃坩埚中拉晶的半导体单晶的特性给予影响的主要因素。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中的电弧放电装置的正面示意图。
图2是表示本发明的实施方式中的电弧放电装置的碳素电极位置的示意图。
图3是表示本发明的实施方式中的电弧放电装置的碳素电极前端部分的放大示意图。
图4是表示本发明的实施方式中的电弧放电方法的相对于时间的(a)电极间距离变化(b)电流振幅的一例(c)以往的电流振幅的时间图。
图5是表示本发明的实施方式中的电弧放电方法的流程图。
图6是表示本发明的其他实施方式中的电弧放电装置的碳素电极前端部分的示意图。
具体实施方式
下面，基于附图说明本发明的电弧放电方法和电弧放电装置的一个实施方式。
图1是表示本实施方式中的电弧放电装置的侧面示意图，图中附图标记1是电弧放电装置。
虽然本实施方式的电弧放电装置1作为用作24英寸以上的石英玻璃坩埚的制造中的热源的装置进行说明，但是只要是用于将非导电体电弧熔融的装置，就不限定坩埚口径、装置输出以及作为热源的用途，不限于该结构。
本实施方式的电弧放电装置1如图1所示，具有通过未图示的旋转单元成为能够旋转并规定石英玻璃坩埚的外形的模10，在模10的内部原料粉(石英粉)充填到规定厚度，做成石英粉成形体11。在该模10内部，设有多个贯通其内表面并且连接到未图示的减压单元的通气口12，能够使石英粉成形体11内部减压。在模上侧位置设有连接到未图示的电力供给单元的电弧加热用的碳素电极13、13、13，使得能够对石英粉成形体11进行加热。碳素电极13、13、13通过电极位置设定单元20成为能如图中箭头T和箭头D所示上下动和能设定电极间距离D。
电弧放电装置1是在300kVA～12000kVA的输出范围通过多根碳素电极13、13、13利用电弧放电对非导电性对象物(石英粉)进行加热熔融的高输出的装置。
图2是表示本实施方式中的电弧放电装置的碳素电极位置的侧面示意图。
碳素电极13、13、13例如做成相同形状的电极棒以便进行交流3相(R相、S相、T相)的电弧放电，如图1、图2所示，分别进行设置，使得成为在下方具有顶点这样的倒三角锥状，各自的轴线13L呈角度θ1。
图3是表示本实施方式中的电弧放电装置的碳素电极前端部分的放大示意图。
碳素电极13做成大致圆柱棒状体，如图2、图3所示，在前端13a设有包含使这些碳素电极13彼此接触的接触位置13b的接触部分13c，该接触部分13c的形状具有朝向前端13a直径缩小的圆锥台部分并具有前端13a的前端面13d和作为缩径部的侧周面13e。
该侧周面13e与碳素电极13的轴线13L所成的角度θ2，在碳素电极13彼此接触的情况下该接触位置13b设定为位于接触部分13c的范围内，优选为θ1＞2×θ2，但例如，即使在该角度设为θ1＝2×θ2，接触位置13b位于至圆锥台部分与均匀直径部分的边界附近的情况下，只要是能够使得接触位置13b位于接触部分13c的范围内的范围，就不限于此。
接触部分13c的长度L1对于从前端13a到接触位置13b的距离L2，设定为L2＜L1，并且，相对于碳素电极13的直径尺寸R，比L2/R设定为0～0.001～0.9的范围。
当然，由于它们依赖于碳素电极13的轴线13L彼此的角度θ1和侧周面13e与碳素电极13的轴线13L所成的角度θ2，所以以满足上述条件的方式设定它们的范围。
另外，虽然在本实施方式中，接触位置13b设定成成为前端面13d与侧周面13e的边界，并且，从前端13a到接触位置13b的距离L2设定成变为0，但在图2、图3中，特意明示出其长度。
碳素电极13的接触部分13c如图2、图3所示以在与其他碳素电极13接触的情况下仅以1处接触的方式做成没有凹陷部分的形状。换言之，设定接触部分13c的形状，使得在该接触部分13c和其以外的部分，以碳素电极13不在2处以上同时接触的方式，具有与另一电极的最接近距离的部分仅是成为一点、或者、一个线状部分、或者一个面状的一处。在本实施方式中，在设定为θ1＝2×θ2的情况下，碳素电极13、13彼此遍及缩径部的全长地以一个直线状进行接触。
碳素电极13被设定成均匀直径部分的直径尺寸R与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸之比为0.02～0.6的范围。
这是根据电弧放电的输出、由石英玻璃坩埚的口径(大小)规定的应熔融的原料粉的量、熔融处理的温度等的条件、需要的电弧放电持续时间、需要的电极强度来决定碳素电极13的直径尺寸R，但除此之外，还根据防止电极振动产生的观点，进行对碳素电极13的直径尺寸R的规定。
具体是，在32英寸的石英玻璃坩埚的制造中，在60分钟为120mm左右，即，每1分钟为2mm左右，此时的碳素电极13的直径尺寸R为20～30～100～120mm。
碳素电极13在通过粒子直径0.3mm以下、优选0.1mm以下、更有选粒子直径0.05mm以下的高纯度碳素粒子形成，其密度为1.30g/cm3～1.80g/cm3、或1.30g/cm3～1.70g/cm3时，在电极各相配置的碳素电极相互的密度差能够为0.2g/cm3以下，这样，通过具有高均质性，从而产生的电弧稳定，能够防止碳素电极13的局部性缺失。
本实施方式的电弧放电装置1设定成在进行石英玻璃坩埚制造时的电弧放电时，各碳素电极13中的电力密度为40～900～1700kVA/cm2。具体是，对于设定为上述直径尺寸R的碳素电极13，供给300kVA～500～2000～6000～10000～12000kVA的电力。
电极位置设定单元20如图1所示，具有将碳素电极13、13、13以能够设定其电极间距离D的方式进行支承的支承部21、使该支承部21能够在水平方向上移动的水平移动单元、以及将多个支承部21和其水平移动单元作为一体使其能够在上下方向移动的上下移动单元，在支承部21中，具有将碳素电极13支承成能够绕角度设定轴22进行转动并控制角度设定轴22的旋转角度的旋转单元。为了调节碳素电极13、13的电极间距离D，如图1中箭头所示通过旋转单元控制碳素电极13的角度，并且通过水平移动单元控制支承部21的水平位置。此外，能够通过上下移动单元控制支承部21的高度位置并控制电极前端部13a相对于石英粉成形体11底部位置的高度位置。
另外，虽然图中仅在左端的碳素电极13示出支承部21等，但是其他电极也通过同样的结构支承，各个碳素电极13的高度也能够进行个别控制。
下面，对本实施方式中的电弧产生方法进行说明。
图4是表示本实施方式中的电弧放电方法的相对于时间的(a)电极间距离变化(b)电流振幅的一例(c)以往的电流振幅的时间图，图5是表示本实施方式中的电弧放电方法的流程图。
在本实施方式的电弧放电方法中，如图5所示，具有电极初始位置设定工序S1、电力供给开始工序S2、电极距离扩大工序S3、电极距离调整工序S4、电极高度设定工序S5、电力供给结束工序S6。
在图5所示的电极初始位置设定工序S1中，在模10中充填石英粉(原料粉)，将石英粉成形体11成形为所希望的状态，然后，如图1、图2所示，维持碳素电极13、13、13在下方具有顶点这样的倒三角锥状，而且，各自的轴线13L维持角度θ1，同时，如图3所示，以在前端13a相互接触的方式设定电极初始位置。
接着，在图5所示的电力供给开始工序S2中从图4所示的时刻t0起，从未图示的电力供给单元作为按如上设定的电能对碳素电极13、13、13开始电力供给。在该状态中，不产生电弧放电。
在图5所示的电极距离扩大工序S3中，从图4所示的时刻t1起，通过电极位置设定单元20，如图2所示维持碳素电极13、13、13在下方具有顶点这样的倒三角锥状，扩大电极间距离D。伴随于此，在碳素电极13、13间开始产生放电。此时，以各碳素电极13中的电力密度为40kVA/cm2～1700kVA/cm2的方式，通过电力供给单元控制电力供给。
在图5所示的电极距离调整工序S4中，从图4所示的时刻t2起，通过电极位置设定单元20，在维持角度θ1的状态下，以满足作为石英粉成形体11熔融所需的热源的条件的方式调节电极间距离D。此时，以各碳素电极13中的电力密度为40kVA/cm2～1700kVA/cm2的方式，维持由电力供给单元进行的供给电力控制。由此，能够使电弧放电的状态稳定，能够持续产生稳定的电弧火焰。
此外，还能够从图4所示的时刻t3起，通过电极位置设定单元20进行进一步扩大电极间距离D的控制。
与电极距离调整工序S4同时，作为图5所示的电极高度设定工序S5，通过电极位置设定单元20，在维持角度θ1的状态下，以满足作为石英粉成形体11熔融所需的热源的条件的方式调节电极高度位置T。此时，以各碳素电极13中的电力密度为40kVA/cm2～1700kVA/cm2的方式，维持由电力供给单元实现的供给电力控制。
在图5所示的电力供给结束工序S6中，在图4所示的时刻t4，在石英粉成形体11熔融成为规定的状态后，停止由电力供给单元进行的电力供给。通过该电弧熔融，使石英粉熔融以制造石英玻璃坩埚。
另外，在上述各工序中，还能够通过连接于通气口12的减压单元控制石英粉成形体11附近的压力。
在本实施方式中，作为电极初始位置设定工序S1，通过使碳素电极13、13、13彼此接触，并且将接触位置13b与前端13a的距离L2的范围按如上设定为相对于碳素电极13的直径尺寸R的比率，从而能在作为电力供给开始工序S2开始通电，作为电极距离扩大工序S3和电极距离调整工序S4设定碳素电极13距离的情况下，防止产生的电极振动的振幅大于碳素电极13直径尺寸R的0.15倍，如图4(b)所示，能够不引起因电极振动导致的电流变动。进而，能够防止电极振动的振幅大于碳素电极13直径尺寸R的0.10倍、0.05倍。由此，即使产生电极振动，也能够以不再扩大的方式进行收敛，电极振动收住，能够产生稳定的电弧。
另外，在电极振动的振幅控制成不大于碳素电极13直径尺寸R的0.15倍的情况下，能够从图4所示的时刻t1起在12sec以内使电极振动收敛。
此外，在电极振动的振幅控制成不大于碳素电极13直径尺寸R的0.10倍的情况下，能够从图4所示的时刻t1起在8sec以内使电极振动收敛。
此外，在电极振动的振幅控制成不大于碳素电极13直径尺寸R的0.05倍的情况下，能够从图4所示的时刻t1起在4sec以内使电极振动收敛。
在本实施方式中，在电极距离扩大工序S3、电极距离调整工序S4、电极高度设定工序S5中，通过以各碳素电极13中的电力密度为40kVA/cm2～1700kVA/cm2的方式维持由电力供给单元进行的供给电力控制，从而能够将成为电极振动的增大原因的洛伦兹力收住到防止振动增大的容许范围内，因此，能够使在碳素电极13产生的电极振动收敛。
在本实施方式中，碳素电极13的接触部分13c通过设定其形状使得仅在1处与其他碳素电极13接触，具有与另一个电极的最接近距离的部分成为仅1处，从而能够防止在容易引起电极振动的碳素电极13侧面的放电产生，能够仅从接触部分13b的前端进行放电，能够同时实现稳定的电弧火焰的产生和电极振动的防止。
在本实施方式中，通过碳素电极13被设定成均匀直径部分的直径尺寸R与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸之比为0.02～0.6的范围，从而可实现如下效果，即，能同时满足电弧放电的输出、由石英玻璃坩埚的口径(大小)规定的应熔融的原料粉的量、熔融处理的温度等的条件、需要的电弧放电持续时间、需要的电极强度和电极振动产生防止的条件，能够产生可将电弧熔融所需的热量供给给石英粉成形体11熔融的电弧火焰，并且同时，能够防止电极振动。
[实施例]
另外，虽然在本实施方式中，接触部分13c示出了圆锥台形状，但是也能够是如下这样的结构。
图6是表示本发明的其他实施方式中的电弧放电装置的碳素电极前端部分的示意图。
作为本发明的碳素电极，能够是如图6(a)所示，从碳素电极13A的基部向前端13a连续地直径缩小，与基部的直径尺寸R1相比，前端13a的直径尺寸R2设定得较小，遍及其全长的侧面13f成为圆锥台的电极；如图6(b)所示，碳素电极13B的前端13a中的接触部分13c是在沿着碳素电极13B的轴线13L的剖面轮廓中做成不存在曲率不连续点的曲线，例如做成椭圆弧的形状；如图6(c)所示，碳素电极13C的前端13a中的接触部分13c做成其基部连续到均匀直径部的圆锥台的侧周面13h，并且，比该圆锥台靠前端13a一侧，与该圆锥台圆滑地连续，而且，是在沿碳素电极13C的轴线13L的剖面轮廓中做成不存在曲率不连续点的曲线，例如椭圆弧或圆弧的形状；或如图6(d)所示，成为从碳素电极13D的基部到前端13a连续地直径缩小的圆锥状的电极。
在此，在如图6(a)、图6(d)所示接触部分13c中的基部侧的直径尺寸与电极本身的基部的直径尺寸R1不同的电极中，在设定上述的比L2/R的范围等的情况下，电极直径尺寸R如图所示设定为在电极轴线13L方向接触部分13c的基部侧位置即从电极前端13a起长度L1处的直径尺寸。
下面，对本发明的实施例进行说明。
作为上述的碳素电极13准备如下尺寸的电极，按如下这样的条件进行电弧放电，制造石英玻璃坩埚。此时，与碳素电极13中的电力密度为40kVA/cm2～1700kVA/cm2的电极，设定这以外的下述条件，对它们的结果进行比较。坩埚口径：32英寸输出：3000kVA处理时间：30分钟电极形状：前端圆锥台θ1：16°θ2：7°碳素电极直径尺寸R：70mm接触部分长度L1：50mm接触位置L2：从电极前端起10mm碳素电极中的电力密度：30、50、800、1200、1800、2000kVA/cm2
其结果是，在碳素电极中的电力密度：30kVA/cm2的情况下，恒定地不产生电弧，但是在电力密度：50kVA/cm2的情况下，恒定地产生电弧。
此外，在碳素电极中的电力密度：800、1200kVA/cm2的情况下，电极振动变为碳素电极直径尺寸R的0.15倍以内，如图4(b)示意性地所示，产生的振动收敛了，但是在电力密度：1800、2000kVA/cm2的情况下，电极振动变得大于碳素电极直径尺寸R的0.15倍，如图4(c)示意性地所示，产生的振动开始增大，因此，停止了坩埚制造。
根据上述结果可知，通过使碳素电极13中的电力密度为40kVA/cm2～1700kVA/cm2，从而会使产生的电极振动收敛。
接着，针对使电极前端接触位置L2变化的实验例进行说明。
使从电极前端到电极接触点的距离(L2)变化，按如下这样的条件进行电弧放电，制造石英玻璃坩埚，验证电极振动的振幅与电极破损的有无。坩埚口径：32英寸输出：3000kVA处理时间：30分钟电极形状：前端圆锥台θ1：16°θ2：7°碳素电极直径尺寸R：70mm接触部分长度L1：50mm碳素电极中的电力密度：800kVA/cm2将其结果示于表1。
Figure G2009101732754D00141
根据该结果可知，如实验例1～3所示，只要接触位置与前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率的值为0～0.9的范围，则还优选在不产生电极破损的同时制造的石英玻璃坩埚的状态。
另外，在表1、表2中，所谓不合格是指，作为起因于电弧放电状态的不良情况，坩埚的壁厚尺寸、外径尺寸不能使熔融处理进行至所希望的状态，或者，即使形状成为规定尺寸，电弧熔融也不充分，在成为坩埚内表面附近的无气泡层的部分中，气泡率不会降低至充分的比例等，成为在单晶拉晶中无法使用的坩埚特性；所谓合格是指，以将所希望的基准与形状、内表面状态等的坩埚特性一同满足的方式制造坩埚。
接着，针对使电极前端形状变化的实验例进行说明。
将电极前端形状做成图6(a)～(d)所示形状，作为与使L2变化的实验例同样的条件，使L2成为从电极前端起10mm来进行电弧放电，求出此时的电极振幅与电极直径之比。将其结果与放电状态一起进行记载。
放电方向：从电极前端面13a起向下侧方向(电极轴线方向)的放电
电极的振幅/电极直径：小于0.15
电弧断开/电极落下：无
此外，作为前端形状变化的比较例，使用朝向电极前端直径扩大的电极、圆柱电极、圆柱部有凹凸的电极，同样地进行电弧放电，求出此时的电极振幅与电极直径之比。同样地对其结果进行记载。
放电方向：由不均匀电场引起的侧面放电(在侧周面13e的放电)
电极的振幅/电极直径：大于0.15
电弧断开/电极落下：有
根据这些结果可知，在图6所示的形状中，能够良好地产生稳定的电弧。
接着，针对使电极直径尺寸与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸之比变化的实验例，进行说明。
使电极直径尺寸与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸之比从1.8到87.5进行变化，作为与使L2变化的实验例同样的条件，使L2成为从电极前端起10mm来进行电弧放电，求出此时的电极振幅与电极直径之比。将其结果与放电状态一起进行记载。
Figure G2009101732754D00161
根据该结果可知，如实验例8～10所示，优选电极直径尺寸R与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸LL之比LL/R的值为0.02～0.6的范围。

Claims (7)

1.一种电弧放电方法，其中，包括：在300kVA～12000kVA的输出范围，通过多根碳素电极利用电弧放电对非导电性对象物进行加热熔融的工序；以及作为电弧放电开始时使上述碳素电极彼此接触的接触位置与碳素电极前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率，设定成0.001～0.9的范围的工序，其中，对于上述碳素电极，在前端设有包含上述接触位置的接触部分，该接触部分的形状被做成朝向前端直径缩小的圆锥、圆锥台、或者在沿该碳素电极的轴线的剖面轮廓中成为不存在曲率不连续点的曲线的形状。
2.根据权利要求1所述的电弧放电方法，其中，将上述碳素电极中的电力密度设定为40kVA/cm2～1700kVA/cm2。
3.一种电弧放电装置，在300kVA～12000kVA的输出范围，通过多根碳素电极利用电弧放电对非导电性对象物进行加热熔融，其中，包括碳素电极，其配置成使得作为使上述碳素电极彼此接触的接触位置与上述碳素电极前端的距离相对于上述碳素电极直径的比率，成为0.001～0.9的范围，其中，对于上述碳素电极，在前端设有包含上述接触位置的接触部分，该接触部分的形状被做成朝向前端直径缩小的圆锥、圆锥台、或者在沿该碳素电极的轴线的剖面轮廓中成为不存在曲率不连续点的曲线的形状。
4.根据权利要求3所述的电弧放电装置，其中，上述碳素电极中的电力密度设定为40kVA/cm2～1700kVA/cm2。
5.根据权利要求3所述的电弧放电装置，其中，上述碳素电极设定成其直径尺寸与按每电弧放电单位分消耗的长度尺寸之比为0.02～0.6的范围。
6.一种石英玻璃坩埚制造装置，其是使原料粉末在坩埚成形用的模内成形，利用电弧放电使其成形体加热熔融以制造石英玻璃坩埚的装置，其特征在于，具有充填原料粉而成形的模和权利要求3所述的电弧放电装置，其中，对于上述碳素电极，在前端设有包含上述接触位置的接触部分，该接触部分的形状被做成朝向前端直径缩小的圆锥、圆锥台、或者在沿该碳素电极的轴线的剖面轮廓中成为不存在曲率不连续点的曲线的形状。
7.一种石英玻璃坩埚的制造方法，其中，
具有：成形工序，使石英粉成形为坩埚的形状，形成石英粉成形体；以及放电工序，在300kVA～12000kVA的输出范围，使电弧放电在多个碳素电极间产生，对上述石英粉成形体进行加热熔融，制造石英玻璃坩埚，
上述放电工序具备：放电开始工序，在开始上述电弧放电时使上述碳素电极彼此接触，将它们的接触位置与各碳素电极的前端的距离和上述碳素电极的直径的比率，设定成0.001～0.9的范围；以及放电维持工序，在上述放电开始工序之后，扩大上述碳素电极间的距离，维持上述电弧放电，其中，对于上述碳素电极，在前端设有包含上述接触位置的接触部分，该接触部分的形状被做成朝向前端直径缩小的圆锥、圆锥台、或者在沿该碳素电极的轴线的剖面轮廓中成为不存在曲率不连续点的曲线的形状。
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