CN1486946A - 石英玻璃坩埚的重整方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于给石英玻璃坩埚提供重整方法，其中即使当所述坩埚具有较大尺寸时也能获得优异的重整坩埚。在该方法中，通过环绕转动轴线放置的电极在转动此坩埚的同时加热此坩埚内表面至熔融状态来重整此坩埚。该方法的特征是，采用这样的电极结构，使相邻电极依固定间隔放置成环形构型，于相邻电极间形成环形电弧而不于跨过该环形的中央部分相互面对的电极间产生连续电弧，使待熔融的坩埚内表面加热，同时除去该内表面上的杂质或该内表下的气泡。

Description

石英玻璃坩埚的重整方法

技术领域

本发明涉及由环状电弧放电拉制单晶硅所用石英玻璃坩埚的重整方法，此种方法特别适用来重整具有大开口直径的坩埚。

背景技术

当从熔融硅拉制单晶硅时，石英玻璃坩埚用作装盛上述熔融硅的容器。传统上，这种坩埚是通过电弧火焰熔融石英粉末生产的。但其中存在着熔融中蒸发的硅的氧化物等(SiO₂、SiO等)冷凝而再次落到坩埚的内表面形成异物的问题，或是作为杂质的金属粉末或不同于二氧化硅的物质附着和包含于此坩埚的内表面上而形成杂质。此外，包含在坩埚内表面附近的气泡常会膨胀破裂，从而在此内表面上形成凹凸结构。当石英玻璃坩埚内表面处存在上述杂质或凹凸不平或是在此内表面下存在气泡时，在该状况下要进行重新熔化该内表面以除去杂质或气泡的重整处理。传统的所述重整处理方法中是把坩埚生产中所用电弧放电用作加热坩埚内表面的方法。

这类形成电弧放电的传统的电极结构一般是具有相对于3相交流的3个电极的结构，此3相交流电流通到这三个电极上而在三个电极每一个之间形成电弧(放电)等离子体。但上述结构存在这样的缺点，即在为了扩展加热范围而增加电极间的距离时，电弧变得不稳定而会被截止。特别是对于大尺寸的坩埚，在坩埚内由其转动产生的气流的影响增大，使得这种电弧在此传统的电极结构中易被截止。

为此，已尝试过增多电极的个数来扩展加热范围，提出了具有6个电极相对于6相交变电流的结构。但是对于这种具有6个电极相对6相电流的结构，如图6所示，在相互面对的电极之间要比彼此相邻的电极之间更易形成电弧放电，因此存在这样的问题，即在由电极环围的中央部分处的放电的热量将显著地大于其周围部分的热量，这样就难以均匀加热坩埚内部。

此外，尽管可使电弧倾斜以便加热坩埚的壁部，但这时的电弧易于不稳定，同时该装置在这种传统电极结构中变得复杂。再者，虽然氢氧焰或等离子体火焰也适用于部分加热，但由于是部分加热，重整的表面就易变成不均匀的，而且处理时间也长。另外当进行部分加热时就必须实行退火，因为若不进行退火，坩埚在冷却时就会破裂。而且，至于用氢氧焰加热，加热部分的OH基浓度势必增高，而这是不希望有的。

发明内容

本发明拟解决石英玻璃坩埚生产装置中传统电极结构中存在的上述问题。此外，本发明还提供了根据形成环形电弧的电极结构对石英玻璃坩埚进行重整的方法，这种环形电弧是稳定的，具有大的加热范围，且适用于具有大开口直径的坩埚的生产。

具体地说，本发明涉及石英玻璃坩埚的下述重整方法。

[1]石英玻璃坩埚的重整方法，其中此石英玻璃坩埚是以下述方式重整：由围绕转动轴线放置的电极产生的电弧放电在转动此石英玻璃坩埚的同时来加热要被熔化的坩埚内表面，此重整方法包括下述步骤：

采用这样的电极结构，其中彼此相邻的电极按固定的间隔依环形构型放置；

形成在彼此相邻电极间产生的稳定的环形电弧，而不在跨过这一环形的中央部分上相互面对的电极间生成连续电弧；

加热拟熔融的坩埚内表面；

除去上述内表面上的杂质或此内表面下的气泡。

根据本发明的这种重整方法，尽管在两侧彼此相邻的电极之间产生了环形电弧放电，但在跨过此环形的中央部分相互面对的电极之间则基本上不形成稳定的电弧放电。因此，这一由电极包围的中央部分不会过份地被加热，从而能均匀地加热坩埚内部。此外，为了扩展加热范围，只需在能够电弧放电的范围内增大相邻电极间的距离，就可均匀加热具有大开口直径的坩埚，同时能获得整个内表面经均匀再熔的很好重整的坩埚。

本发明上述的生产方法包括下述生产方法。

[2]石英玻璃坩埚的重整方法，此方法包括：

应用这样的电极结构，其中相邻的电极按固定间隔放置成环形构型，使得交变电流的相位差θ的绝对值在90°≤θ≤180°范围内；以及形成环形电弧。

[3]石英玻璃坩埚的重整方法，此方法包括：

应用这样的电极结构，其中相邻的电极按固定间隔放置成环形构型；以及

形成环形电弧，

其中环绕坩埚转动轴线的环形圆周的半径r在电弧加热之际的至少某个固定时刻是此坩埚开口半径R的1至1/4。

此外，本发明的上述生产方法还包括下述生产方法。

[4]石英玻璃坩埚的重整方法，此方法包括：

通过研磨用机械方法除去坩埚内表面上的杂质或除去正在所述内表面下的气泡；

形成上述环形电弧放电；以及

将待光滑的坩埚内表面熔化。

[5]石英玻璃坩埚的重整方法，此方法包括：

对坩埚直径为28-40英寸的石英玻璃坩埚进行重整。

[6]石英玻璃坩埚的重整方法，此方法包括：

对用于拉制单晶硅的石英玻璃坩埚进行重整。

依据本发明的重整方法，可以与坩埚的内表面一道形成环形电弧来加热此内表面而不必形成基本上跨过此环形中央部分的电弧，从而不会过份地加热此中央部分而能均匀地加热。此外，当以多个电极形成的环形的尺寸处于上述范围内时，就能保持到此石英玻璃坩埚的开口横断面的适当的加热距离，而此坩埚的侧壁、角部与底部都能均匀地加热。于是，对于开口直径从28到40英寸的大尺寸石英玻璃坩埚，能够获得具有均匀重熔表面的优异的重整形坩埚。再者，上述重整方法不仅包括可通过加热至熔融态直接从坩埚内表面除去杂质或气泡的方法，还包括借助研磨用机械方法除去所述内表面处的杂质或气泡后，通过形成上述环形电弧放电来熔融此内表面而让坩埚的内表面光滑。

附图说明

图1概示用于本发明的具有3相交流的6电极的电极结构。

图2概示用于本发明的具有3相交流的9电极的电极结构。

图3概示用于本发明的具有2相交流的4电极的电极结构。

图4概示用于本发明的具有4相交流的8电极的电极结构。

图5示明放置电极的圆周直径与坩埚开口直径的关系。

图6概示传统的电极结构。

图中各标号的意义如下：

E1-E9是电极，

r是放置电极的圆周半径，

R是坩埚开口横断面的半径，

S是环形的圆周。

具体实施形式

以下由优选的实施形式具体说明本发明。此外，在以下的描述中，“杂质”一词也可包括坩埚内表面的凹凸不平。

本发明涉及石英玻璃坩埚的重整方法，其中以下述方式重整石英玻璃坩埚：由环绕转动轴线放置的电极产生的电弧放电，在石英玻璃坩埚转动的同时来加热坩埚的内表面至熔融状态。此方法的特征是，采用一种电极结构，其中彼此相邻的电极依固定间隔放置成环形构型，在相邻的电极间形成稳定的环形电弧而不在跨过此环形的中央部分相互面对的电极间产生连续的电弧，由此来加热拟熔化的坩埚的内表面，同时除去此内表面上的杂质或此内表面下的气泡。

本发明的重整方法包括这样的电极结构，其中相邻的电极环绕坩埚的转动轴线按固定间隔形成环形构型，用以均匀地加热拟熔融的石英坩埚内表面而不使此坩埚底部过度地加热。在此电极结构中，于相邻的电极间产生稳定的环形电弧而不于跨过此环形的中央部分相互面对的电极间形成连续电弧，同时，例如相邻电极间交变电流的相位差θ(绝对值)是在90°≤θ≤180°的范围。此外，在以下说明中，相邻电极间相位差θ取绝对值。作为这种电极结构，可以采用具有4电极相对2相交流、6电极相对3相交流、9电极相对3相交流或8电极相对4相交流的电极结构。当各个电极与直流电连接时，最好是有偶数个电极按环形构型放置，以使相邻的电极分别具有不同的相位。

本发明中所用电极结构的例子示明于图1。在图1所示例子中，将6个电极(E1-E6)用于3相交变电流，在这种电极结构中，相邻的电极围绕坩埚的转动轴线按固定间隔放置，形成连接各电极的六角环形。对于此3相交流电，相邻电极间的相位差为120°，而跨过此环形中央部分相互面对的电极则具有彼此相同的相位。更具体地说，各个电极连接如下：跨过此环形的中央部分与电极E1面对的电极E4，当电极E1具有对于3相交变电流的R相位时，具有相同的R相位，与此同时，在电极E1两侧的电极E2与E6分别具有T相位与S相位，在电极E2与E6外侧的电极E3与E5分别具有S相位和T相位。这样，电极E1与E4、电极E2与E5、电极E3与E6分别具有相同的相位，而这三组电极彼此之间则具有不同的相位。

在图1所示的电极结构中，由于电极E2与E6是在电极E1的两侧而具有不同于电极E1的相位，便可在电极E1与其两侧电极间形成稳定的电弧，于是在彼此相邻电极之间同坩埚的内表面一起产生出类似钻架形状的电弧。另一方面，由于跨过此环形中央部分彼此面对的电极E1与E4是有相同的相位，故不会形成跨过此环形的中央部分的电弧，从而此坩埚的中央部分不会被过度加热。另外，在上述电极结构中，当彼此相邻电极的间距增大以扩展加热范围时，在这种电极与其最邻近的电极间会生成电弧，从而不易截止电弧而能保持稳定的电弧。此外，在本发明中，这种环形电弧与坩埚的内表面一起，不仅包括由伸出到坩埚内部的电极形成的电弧，还包括由位于坩埚开口上部的电极相对于坩埚的内周面按同心圆形式形成的电弧。

应用相对于3相交变电流的9个电极(E1-E9)的例子示明于图2。在这种电极结构中，彼此相邻的电极环绕转动轴线放置，彼此具有固定的间隔，形成连接各电极的九边形环。相邻电极间的相位差对于3相交变电流为120°。更具体地说，如图2所示，当电极E1具有R相位，在电极E1两侧的电极E2与E9分别具有T相位与S相位，在电极E4两侧的电极E3与E5分别具有S相位与T相位，而在电极E7两侧的电极E6与E8分别具有S相位与T相位。此时，由于与电极E1紧邻的电极E2和E9相对于电极E1具有相位差，故在电极E1与E2以及E1与E9之间能形成稳定的电弧。但由于跨过此环形电弧的中央部份与电极E1面对的电极E4和E7具有与电极E1相同的相位，故在这些电极间不能形成电弧。还有，与电极E1隔开1个电极相邻的电极E3和E8以及跨过环形电弧的中央部分与电极E1面对的电极E5和E6，它们都相对于电极E1具有相位差。但由于电极E1与这些电极E3、E8、E5与E6间的距离大于E1距E2与E9的距离，如果在这些电极与电极E1之间一时产生了电弧，则这种电弧不能被保持且不能形成稳定的电弧。于是基本上不会形成跨过为电极围成的中央部分的电弧，而可以在彼此相邻的电极间产生环形电弧。一般，在具有相对于3相交变电流的3n(n≥4)个电极的电极结构中，在相邻电极间会类似以上所述产生环形电弧，同时基本上不会形成跨过此环形的中央部分的稳定电弧。

图3例示应用相对于2相交变电流的4电极(E1-E4)结构。在这种电极结构中，相邻的电极依固定间隔绕坩埚的转动轴线放置形成连接各电极的正方形环。由于相邻电极相对于2相交变电流的相位差是180°，在相邻电极间产生了电弧。但是，由于跨过此环形的中央部分彼此面对的电极具有彼此相同相位，在这些电极间不生成电弧而不能形成跨过此弧形中央部分的电弧。一般，在具有相对于2相交变电流的2n(n≥3)个电极的电极结构中，与以上所述相同，在相邻电极间产生弧形电弧而基本上不形成跨过此环形的中央部分的稳定电弧。

图4例示了应用相对于4相交变电流的8个电极(E1-E8)的电极结构。在此电极结构中，相邻的电极依固定间隔围绕坩埚的转动轴线放置，形成连接各个电极的八边形环。相对于此4相交变电流，相邻电极间的相位差为90°，而彼此隔一个电极相邻的电极间的相位差是180°。由于电弧主要产生于具有大相位差的电极之间，在这种结构中，电弧产生在彼此隔一个电极相邻的电极之间。因此在彼此隔一个电极相邻电极间可以形成环形电弧。在本发明中，产生于相邻电极间的环形电弧包括彼此隔一个电极相邻的电极间产生的环形电弧。另一方面，由于跨过此环形的中央部分彼此面对的电极具有彼此相同的相位，在这些电极之间就不会形成电弧。此外，若是在跨过此环形的中央部分相互面对而具有相位差的电极间一时产生了电弧，这种电极间的距离大，因而不保持住电弧。从而基本上不能形成稳定的电弧。

这样，在具有相对于6相交变电流的6个电极的传统电极结构中，如图6所示，来自电极E2-E6的电流的相位也已依60°为单位变换到电极E1，而电极E1与位于E1相对侧的电极E4之间的相位差成为最大值180°。在具有最大电流相位差的电极之间容易产生电弧。因此，在上述传统的电极结构中，电弧产生在电极E1与E4、E2与E5以及E3与E6之间，这一对对电极的每一对都是相互面对放置(按对角线位置)，并跨过由电极E1-E6环围的中央部份。此外，在这种传统的电极结构中，当相邻电极间的距离增加，相互面对的电极间的距离会急剧地增大，从而电弧变得不稳定而易于截止。另一方面，在本发明的电极结构中，由于可以在相邻的电极间形成环形电弧，因而在电极间的距离增加时也难以截止电弧而能保持稳定的电弧。

如图5所示，对于通过连接电极(E1-E6)所形成的环形的尺寸，最好能使环绕转动轴线之环形的圆周S的半径r至少是在电弧加热之际的一定时刻相当于坩埚开口的半径R的1至1/4。在此范围内，可以从坩埚的壁部至角部与底部均匀地加热。另一方面，若放置电极的圆周S的半径r大于坩埚开口的半径R，则电极就不能插入坩埚内，因而坩埚底部就不能充分地加热。而要是上述圆周的半径r小于坩埚开口的半径R的1/4，坩埚的壁部就不能充分地加热。

在本发明的重整方法中，采用了具有对于3相交变电流6个电极的电极结构，当从坩埚的上侧进行电弧加热时，上述的效果特别明显。在电弧熔化之际，由于坩埚炉排出的废气或坩埚内的对流，在坩埚周围引起大的空气流。当从坩埚上方施行电弧加热时，会对所述气流有很大影响。因此，当电极间的距离增大时，此电弧就会由3个电极立即截止。相反，对于3相交变电流具有6个电极的电极结构，当从坩埚上方施行电弧加热时就可获得稳定的电弧。这样，对于坩埚直径为28-40英寸的大尺寸石英玻璃坩埚，就能获得具有均匀重熔表面的优异的重整坩埚。

在本发明的重整方法中，由电弧放电的加热温度是在可以重熔坩埚的内表面而又不使坩埚变形的范围内。此外，当有需要时，可在进行电弧加热当中让空气通过坩埚的外面以进行空气冷却。通过这种空气冷却能极其可靠地防止坩埚变形。

另外，本发明的上述重整方法不仅包括可以通过熔化直接除去坩埚内表面杂质或气泡的方法，还包括可以通过研磨用机械方法除去此内表面中的杂质或气泡，然后可通过形成上述环形电弧放电熔融此坩埚内表面至光滑状态。例如当硅粉或金属粉杂质之类的异物粘附到坩埚的内表面上时，如果这类杂质存在的深度距坩埚表面层＜0.2毫米，就能用上述电弧熔除而不必进行机械研磨。要是这类杂质存在的深度距埚表面层＞0.2毫米，则最好是在经过机械研磨后再由上述电弧熔融使坩埚内表面光滑化。

                         例子

下面举例来说明本发明。

例1

对于具有坩埚直径32英寸的石英玻璃坩埚进行了除去恰在其内表面之下的气泡的处理，应用了对于3相交变电流具有6个电极的加热装置，其中由这些电极形成的环形的半径r可以扩展到大于坩埚的开口半径R的1/4，还应用了传统的对于3相交变电流有3个电极的电极结构以及对于3相交变电流有6个电极的电极结构，其中进行了10分钟通电。此外进行了单晶硅拉制试验。有关结果示明于表1。

在本发明的重整处理中，采用的加热装置具有相对于3相交流电的6个电极，由于类似于以上所述可以增加电极间的距离，就能减少坩埚底部与壁部中的气泡。另一方面，在比较例中，采用了3相交变电流下具有3个电极的电极结构和6相交变电流下具有6个电极的电极结构，此时可以清除坩埚底部的气泡。但当半径r扩展到大于坩埚的开口半径R时，电弧就会被截止或成为不稳定的，因而不能除去在坩埚侧壁部分中的气泡。

                                  表1

	圆周直径	重整处理前的气泡含量		重整处理后的气泡含量		单晶的无位错比	评价
								壁部	底部	壁部	底部
		例1相对3相交变电流具有6电极	变化范围100-500mm	0.50％	0.30％							0.03％	0.01％	80％	◎
比较例1相对3相交变电流3具有电极	50mm					0.50％	0.30％	0.50％	0.01％	20％	×
		比较例2未重整的产品	150mm	0.50％	0.30％							0.40％	0.01％	30％	×

例2

对于坩埚直径为32英寸的石英玻璃坩埚进行了清除杂质的处理，应用图1所示的相对3相交变电流具有6个电极的加热装置以及传统的3相交变电流3电极的加热装置，其中通电10分钟。此外进行了拉制单晶硅的试验。有关结果示明于表2。还示明了未重整的产品作为比较例2。

例如在进行本发明的重整处理中，坩埚壁部与底部的杂质已完全清除，在应用这种已重整坩埚时单晶硅的无位错比为80％，这是很高的无位错比。相反，在比较例1中是以3相交变电流流过传统的3电极结构，壁部的污染部分很难除去而单晶的无位错比为45％，这是很低的。此外，在比较例1的重整处理中，当为了提高处理效果而将电流加倍时，坩埚变形而不能用于拉制单晶，结果就不能除去壁部的杂质或气泡。

                                  表2

	重整处理前的杂质数		重整处理后的杂质数		单晶硅的无位错比	评价
							壁部	底部	壁部	底部
	例2相对3相交变电流具有6电极	24	17	0							0	80％	◎
比较例2-1相对3相交变电流具有3电极					24	17	22	0	45％	×
	比较例2-2未重整产品	24	17	-							-	30％	×

注：对于比较例1，当电流量加倍时，坩埚变形。

评价中的符号，◎表示符合要求，×表示不符合要求。

本发明的效果

根据本发明的重整方法，电弧稳定且加热范围大，此外能够对坩埚的侧壁至底部均匀地加热但不使底部过大地加热。因此能够重熔坩埚的内表面来除去此内表面中的杂质或气泡，同时还能对大尺寸坩埚在整个内表面形成均匀重熔，从而能获得优异的重整坩埚。

Claims (6)

1.石英玻璃坩埚的重整方法，其中所述石英玻璃坩埚是以下述方式重整：由围绕转动轴线放置的电极产生的电弧放电在转动所述石英玻璃坩埚的同时来加热待熔化的坩埚内表面，该重整方法包括：

采用一种电极结构，其中彼此相邻的电极按固定的间隔依环形构型放置；

形成在彼此相邻电极间产生的稳定的环形电弧，而不在跨过该环形的中央部分相互面对的电极间生成连续电弧；

加热拟熔融的坩埚内表面；

除去所述内表面上的杂质或该内表面下的气泡。

2.依据权利要求1所述的石英玻璃坩埚的重整方法，该方法包括：

应用这样的电极结构，其中彼此相邻的电极按固定间隔放置成环形构型，使得交变电流的相位差θ的绝对值在90°≤θ≤180°范围内；以及

形成环形电弧。

3.依据权利要求1或2所述的石英玻璃坩埚的重整方法，该方法包括：

应用这样的电极结构，其中彼此相邻的电极按固定间隔放置成环形构型；以及

形成环形电弧，

其中环绕坩埚转动轴线的环形的圆周的半径r在电弧加热之际的至少某个固定时刻是该坩埚开口半径R的1至1/4。

4.石英玻璃坩埚的重整方法，该方法包括：

通过研磨用机械方法除去坩埚内表面上的杂质或恰在该内表面下的气泡；

形成上述环形电弧放电；以及

将待光滑的坩埚内表面熔化。

5.依据权利要求1-4中任一项所述的石英玻璃坩埚的重整方法，该方法包括：

对坩埚直径为28-40英寸的石英玻璃坩埚进行重整。

6.依据权利要求1-4中任一项所述的石英玻璃坩埚的重整方法，该方法包括：

对用于拉制单晶硅的石英玻璃坩埚进行重整。

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