JP2001097775A - 石英ガラス溶融用カーボン電極およびその製造方法 - Google Patents

石英ガラス溶融用カーボン電極およびその製造方法

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JP2001097775A JP27881399A JP27881399A JP2001097775A JP 2001097775 A JP2001097775 A JP 2001097775A JP 27881399 A JP27881399 A JP 27881399A JP 27881399 A JP27881399 A JP 27881399A JP 2001097775 A JP2001097775 A JP 2001097775A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】カーボン電極から石英ガラスへの粒子の脱落を
なくして、石英ガラス内に泡が発生するのを防止し、こ
のカーボン電極を用いて製造した石英ガラスルツボを用
いてシリコン単結晶の引上げを行う場合にも、透明層に
存在する泡によって、単結晶化歩留りが低下することが
なく、消耗が少なく耐用寿命が長いカーボン電極および
その製造方法を提供する。 【解決手段】アーク放電により石英ガラスを溶融するの
に用いられる石英ガラス溶融用カーボン電極1におい
て、この電極基材がかさ密度が1.80g/cm以上
で、かつ3点曲げ強さが35MPa以上のカーボンから
なることを特徴とする石英ガラス溶融用カーボン電極。
またその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、石英ガラス溶融用
カーボン電極およびその製造方法に係わり、特に溶融さ
れる石英ガラス内に泡が発生するのを抑制できる石英ガ
ラス溶融用カーボン電極およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】石英ガラス、例えばシリコン単結晶引上
げ用の石英ガラスルツボを製造するには、図3に示すよ
うな石英ガラスルツボ製造装置21を用いて行なわれて
いる。製造装置21のルツボ成形用型22は減圧可能な
多孔質カーボン製の内側部材23と保持体24とから構
成され、回転軸25により回転可能なように支持されて
いる。内側部材23に対向する上部にはアーク放電によ
る3本の石英ガラス溶融用カーボン電極27が設けられ
ている。
【0003】従って、上記製造装置21を用いて石英ガ
ラスルツボの製造を行うには、回転軸25を矢印の方向
に回転させることによってルツボ成形用型22を高速で
回転させる。ルツボ成形用型22内に供給管で、上部か
ら高純度のシリカ粉末を供給する。供給されたシリカ粉
末は、遠心力によってルツボ成形用型22の内側部材2
3に押圧されてルツボ形状の成形体26として形成され
る。
【0004】次に、内側部材23内を減圧し、さらに、
カーボン電極27に通電して成形体26の内側から加熱
し、成形体26の内表面に溶融層を形成する。
【0005】このアーク放電により石英ガラスを溶融し
て石英ガラスルツボを製造する工程において、カーボン
電極27から粒子が脱落し、溶融状態にある石英ガラス
ルツボ内に落下することがしばしばあった。カーボン電
極27から落下した粒子は、溶融中の石英ガラスルツボ
中で酸化消耗し、石英ガラス(透明層)内に泡を発生さ
せる場合が多く、特に石英ガラス内にこの泡を有する石
英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行う
と、石英ガラスルツボの内表面付近(特に透明層)に形
成された透明層に存在する泡が膨脹して大きな泡とな
り、泡が透明層の溶解と共にシリコン融液中に混入し、
シリコン単結晶の成長に悪影響を与え、シリコン単結晶
の単結晶化歩留りを低下させることが多かった。また、
アーク放電に伴うカーボン電極27の消耗によりカーボ
ン電極27の寿命を縮めていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで、カーボン電極
から石英ガラスへの粒子の脱落をなくして、石英ガラス
内に泡が発生するのを防止し、このカーボン電極を用い
て製造した石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の
引上げを行う場合にも、透明層に存在する泡によって、
単結晶化歩留りが低下することがなく、消耗が少なく耐
用寿命が長いカーボン電極およびその製造方法が要望さ
れていた。
【0007】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、カーボン電極から石英ガラスへの粒子の脱落を
なくして、石英ガラス内に泡が発生するのを防止し、こ
のカーボン電極を用いて製造した石英ガラスルツボを用
いてシリコン単結晶の引上げを行う場合にも、透明層に
存在する泡によって、単結晶化歩留りが低下することが
なく、消耗が少なく耐用寿命が長いカーボン電極および
その製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本願請求項1の発明は、アーク放電により石
英ガラスを溶融するのに用いられる石英ガラス溶融用カ
ーボン電極において、この電極基材がかさ密度1.80
g/cm以上で、かつ3点曲げ強さ35MPa以上の
カーボンからなることを特徴とする石英ガラス溶融用カ
ーボン電極であることを要旨としている。
【0009】本願請求項2の発明では、上記電極基材が
カーボン質原料および結合材の炭化物により組成されて
おり、前記カーボン原料の最大粒径が150μm以下
で、かつ前記カーボン原料の90重量%以上が粒径75
μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の石英
ガラス溶融用カーボン電極であることを要旨としてい
る。
【0010】本願請求項3の発明では、上記電極基材が
カーボン質原料および結合材よりなる2次粒子が前記結
合材の炭化物により結合された等方性黒鉛材料であっ
て、前記2次粒子の最大粒径が500μm以下で、かつ
前記2次粒子の50重量%以上が粒径38〜500μm
であることを特徴とする請求項2に記載の石英ガラス溶
融用カーボン電極であることを要旨としている。
【0011】本願請求項4の発明では、上記電極基材の
固有抵抗の異方比が1.1以下であり、灰分が5ppm
以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれ
か1項に記載の石英ガラス溶融用カーボン電極であるこ
とを要旨としている。
【0012】本願請求項5の発明は、最大粒径が150
μm以下で、かつ前記カーボン質原料の90重量%以上
が粒径75μm以下であるカーボン質原料と残炭率が5
0%以上である結合材を加熱混練して得られる混練物を
粉砕した後に最大粒径が500μm以下であり50重量
%以上が粒径38〜500μmとなるように篩分した2
次粒子をCIP成形し、これを焼成後2900〜310
0℃で黒鉛化した等方性黒鉛材料を加工、さらに純化処
理することを特徴とする石英ガラス溶融用カーボン電極
の製造方法であることを要旨としている。
【0013】本願請求項6の発明は、最大粒径が150
μm以下で、かつ前記カーボン質原料の90重量%以上
が粒径75μm以下であるカーボン質原料と残炭率が5
0%以上である結合材を加熱混練して得られる混練物を
130〜200℃で押出し成形し、これを焼成後290
0〜3100℃で黒鉛化した黒鉛材料を加工、さらに純
化処理することを特徴とする石英ガラス溶融用カーボン
電極の製造方法であることを要旨としている。
【0014】本願請求項7の発明では、上記等方性黒鉛
材料もしくは黒鉛材料に、熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥
・焼成した後、表面に形成され前記熱硬化性樹脂分を少
なくとも排除する程度に外周研削した後に、上記加工を
施すことを特徴とする請求項5または6に記載の石英ガ
ラス溶融用カーボン電極製造方法であることを要旨とし
ている。
【0015】本願請求項8の発明では、上記混練物の揮
発分を12〜15%に調整することを特徴とする請求項
5ないし7のいずれか1項に記載の石英ガラス溶融用カ
ーボン電極の製造方法であることを要旨としている。
【0016】本願請求項9の発明では、上記カーボン質
原料が石炭系ピッチコークスであり、上記結合材が石炭
系コールタールピッチであることを特徴とする請求項5
ないし8のいずれか1項に記載の石英ガラス溶融用カー
ボン電極の製造方法であることを要旨としている。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる石英ガラス
溶融用カーボン電極の第1の実施形態を、特にシリコン
単結晶引上げ用石英ガラスルツボの溶融を例とし、添付
図面を参照して説明する。
【0018】図1は石英ガラス溶融用カーボン電極1を
示す側面図で、このカーボン電極1は、粒子がコークス
などの原料、例えば石炭系ピッチコークス、およびコー
ルタールピッチなどの結合材、例えば石炭系コールター
ルピッチとを炭化した混練物を用いて、後述する製造方
法により全体的に円柱形状であり、先端部が先細の形状
に形成されたものである。
【0019】なお、図ではカーボン電極1の先端部をカ
ーボン粒子の脱落をより抑制するために、半球状、つま
り、断面円弧形状としているが、これに限定するもので
はなく、断面矩形状であってもよい。
【0020】カーボン電極1は、かさ密度が1.80g
/cm以上で、かつ3点曲げ強さが35MPa以上の
カーボンからなる。
【0021】かさ密度は、単位体積当りのカーボン量を
示すもので、密度が高いほどカーボン電極の消耗、落下
が少なく、1.80g/cm以上であることが好まし
く、1.80g/cmより小さいとカーボン電極の消
耗、粒子の落下が起こり、石英ガラス内にこの泡を発生
させる場合が多く、例えば石英ガラス内に泡を有する石
英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行う
と、石英ガラスルツボの内表面付近(透明層)に形成さ
れた泡が膨脹して大きな泡となり、泡が透明層の溶解と
共にシリコン融液中に混入し、シリコン単結晶の成長に
悪影響を与え、シリコン単結晶の単結晶化歩留りを低下
させる。
【0022】3点曲げ強さは、粒子同士の結合の強さに
関係し、3点曲げ強さが高いほど消耗されにくく、粒子
の脱落もない。かさ密度と3点曲げ強さの2つの要素か
ら石英ガラス溶融時の消耗の生じ易さ、粒子の脱落のし
易さが決定され、さらに、かさ密度が1.80g/cm
以上、3点曲げ強さが35MPa以上の条件が揃うこ
とにより、上記効果が増大する。
【0023】上記カーボン電極1は、カーボン質原料お
よび結合材の炭化物より組成されており、カーボン原料
の最大粒径が150μm以下で、かつカーボン原料の9
0%以上が粒径75μm以下であることが好ましい。
【0024】カーボン原料の最大粒径は、使用中粒子が
脱落した時、脱落した粒子が溶融中の石英ガラスに落
下、到達するまでに酸化消耗するかによって、決定され
る。カーボン原料の最大粒径が150μm以下で、かつ
この90重量%が粒径75μm以下である場合には、脱
落粒子が石英ガラスまで到達しにくく、途中で完全に酸
化消耗されるか、もしくは溶融中の石英ガラスに落下し
ても、その時点で脱落粒子の径が非常に小さくなり、石
英ガラスに泡を発生させにくくなる。
【0025】カーボン原料の最大粒径が150μmより
大きいもしくは、粒径75μmを超えるものが、10重
量%を超えて存在すると、脱落粒子は酸化消耗されずに
溶融中の石英ガラスに落下して、石英ガラス中に取り込
まれ、石英ガラスに泡を発生させる可能性が高くなる。
【0026】なお、このカーボン原料の粒径は、カーボ
ン電極の組成を偏光顕微鏡にて観察することによって、
確認することができる。
【0027】上記カーボン電極1は、カーボン質原料お
よび結合材の炭化物よりなる2次粒子が上記結合材の炭
化物により結合された等方性黒鉛材料であって、上記2
次粒子の最大粒径が500μm以下で、かつ上記2次粒
子の50%以上が粒径38〜500μmであることがよ
り好ましい。
【0028】カーボン電極1を上記のような等方性黒鉛
材料とすることによって、より均一な組織となり、粒子
脱落を低減せしめることができる。また、この等方性黒
鉛材料の2次粒子の最大粒径を500μm以下にするの
は、使用中粒子が脱落した時、脱落した粒子が溶融中の
石英ガラスに落下、到達するまでに酸化消耗するように
するためである。500μmより大きいと、脱落粒子は
酸化消耗されずに溶融中の石英grsに落下して、石英
ガラス中に取込まれ、石英ガラスに泡を発生させる原因
となり易い。
【0029】なお、2次粒子の最大粒径がこの原料であ
る1次粒子の最大粒径より大きな値で許容される理由
は、上記2次粒子は1次粒子である原料と結合材を混練
し、乾燥、粉砕したものであり、つまり、1次粒子が結
合材のカーボン分(乾燥成分)により、結合されたもの
であり、このカーボン分は1次粒子よりはるかに酸化消
耗し易い材料だからである。
【0030】また、2次粒子の50重量%以上を粒径3
8〜500μmにするのは、粒径38μm未満のものを
50重量%を超えて含むと、確かに粒子脱落の程度は低
くなるが、石英ガラス溶融時のカーボン電極の消耗が早
くなり、耐用寿命が短くなる傾向があるからである。
【0031】なお、上記カーボン電極1は、固有抵抗の
異方比が1.1以下であり、かつこれに含まれる灰分を
5ppm以下にすることが好ましい。
【0032】固有抵抗の異方比はカーボン電極1の組織
均一性を示す要因と考えられており、1.1以下にする
のは、組織均一性を保って粒子の脱落を防止するもので
あり、1.1を超えると、粒子脱落を生じ易くなり、単
結晶引上げ時、石英ガラスルツボの内表面への異物落
下、混入に伴う泡の発生につながる。この時の固有抵抗
は1000〜1250μΩ−cmである。なお、CIP
成形によらず、押出し成形による押出し品の異方比は
1.6〜2.0である。
【0033】また、灰分を5ppm以下にするのは、カ
ーボン電極1の消耗を低減できるからである。カーボン
電極1中に不純物が多くなると、カーボン電極1の局部
的消耗が早くなり、また、灰分が5ppmを超えると消
耗の均一性が失われ、選択的に消耗されるため、複数個
の粒子が結合した大きい粒子塊が脱落し、石英ガラスル
ツボに泡を発生させる原因となる。
【0034】次に本発明に係わる石英ガラス溶融用カー
ボン電極の製造方法の実施形態について説明する。
【0035】最大粒径が150μm以下で、かつカーボ
ン質原料の90重量%以上が粒径75μm以下であるカ
ーボン質原料と、残炭率が50%以上である結合材とを
加熱混練し、得られる混練物を粉砕し、これを最大粒径
が500μm以下であり50重量%以上が粒径38〜5
00μmとなるように篩分し、得られた2次粒子をCI
P成形し、これを焼成後、2900〜3100℃で黒鉛
化して等方性黒鉛材料を得、これを加工、純化処理する
ものである。
【0036】結合材の残炭率が50%未満であると、カ
ーボン質原料の結合性が弱く、特に35MPa以上の3
点曲げ強度が得られにくくなる。
【0037】また、CIP成形を用いるのは、CIP成
形は原料および結合材を混練後、混練物の粉砕が可能で
あり、2次粒子の調整が容易であり、等方性黒鉛材料の
製造に適しているからである。
【0038】焼成後の成形体を2900〜3100℃で
黒鉛化するのは、2900℃未満では黒鉛化が不十分で
あり、カーボン電極の均一性が十分でない。3100℃
を超える温度での黒鉛化は工業上実用化に乏しい。
【0039】焼成体を純化処理することにより、灰分を
5%以下にすることができる。
【0040】さらに、本発明に係わる石英ガラス溶融用
カーボン電極の製造方法の第2の実施形態について説明
する。
【0041】最大粒径が150μm以下で、かつカーボ
ン質原料の90重量%以上が粒径75μm以下であるカ
ーボン質原料と、残炭率が50%以上である結合材とを
加熱混練し、加熱混練して得られる混練物を130〜2
00℃で押出し成形し、これを焼成後2900〜310
0℃で黒鉛化した黒鉛材料を得、これを加工、純化処理
するものである。
【0042】130〜200℃で押出し成形するのは、
130℃未満では、押出し成形に必要な混練物の流動性
が得られにくいことから好ましくない。また、200℃
を超えると焼成前の成形体の揮発分を適切に調整するこ
とが困難となり、高いかさ密度や3点曲げ強度が得られ
にくくなる。
【0043】上述した第1の実施形態の製造方法で得ら
れた等方性黒鉛材料または第2の実施形態の製造方法で
得られた黒鉛材料は、いずれも気孔率が10%である
が、この気孔に熱硬化性樹脂、例えばフェノール系また
はフラン系のものを含浸させた後、上述の焼成と同様に
重油バーナを熱源とする炉で焼成し、加工して成形し、
高純度処理を行い、灰分を5ppm以下にして、カーボ
ン電極1を製造する。
【0044】熱硬化性樹脂を成形体に含浸することによ
り、粒子同士のネック部が強化され、使用時の消耗度合
が小さく、粒子の落下も低減される。また、熱硬化性樹
脂としてフェノール系またはフラン系のものを用いるの
は、酸化されにくく、消耗落下を抑制でき、石英ガラス
に泡を発生させにくく、シリコン単結晶の単結晶化歩留
を向上させることができる。
【0045】また、混練物の揮発分を12〜15%に調
整することによって、1.80g/cm以上のかさ密
度、35MPa以上の3点曲げ強さが得られ易くなり、
かつより均一性の高い黒鉛材料とすることができる。
【0046】カーボン質原料を石炭系ピッチコークス、
結合材を石炭系コールタールピッチとする組合わせによ
って、石英ガラス溶融時のカーボン電極1の消耗をより
低減せしめることができる。
【0047】さらに、本発明に係わる石英ガラス溶融用
カーボン電極を用いた石英ガラスルツボの製造方法につ
いて説明する。
【0048】図2に示すような石英ガラスルツボ製造装
置2のルツボ成形用型3は、高純化処理した多孔質カー
ボン型で構成されている内側部材4と、その外周に通気
部5を設けて、前記内側部材4を保持する保持体6とか
ら構成されている。保持体6の下部には、図示しない回
転手段と連結されている回転軸7が固着されていて、ル
ツボ成形用型3を回転可能なようにして支持している。
通気部5は、保持体6の下部に設けられた開口部8を介
して、回転軸7の中央に設けられた排気口9と連結され
ている。この排気口9は、減圧機構10と連結されてい
る。
【0049】内側部材8に対向する上部にはアーク放電
による石英ガラス溶融用の3本のカーボン電極1が設け
られている。
【0050】従って、上記製造装置2を用いて石英ガラ
スルツボの製造を行うには、図示しない回転駆動源を稼
働させて回転軸7を矢印の方向に回転させることによっ
てルツボ成形用型3を高速で回転させる。ルツボ成形用
型3内に供給管(図示せず)で、上部から高純度のシリ
カ粉末を供給する。供給されたシリカ粉末は、遠心力に
よってルツボ成形用型3の内側部材4に押圧されルツボ
形状のルツボ成形体11として形成される。
【0051】さらに、減圧機構10の作動により内側部
材4内を減圧し、カーボン電極1に通電してルツボ成形
体11の内側からアーク放電により加熱し、成形体11
の内表面に溶融層を形成する。
【0052】このアーク放電により石英ガラスを溶融し
て石英ガラスルツボを製造する工程において、カーボン
電極1のかさ密度が1.80g/cm以上であり、か
つ3点曲げ強さが35MPa以上であるので、カーボン
電極の消耗、落下が少なく、石英ガラスルツボ内表面の
透明層中の泡の存在も極めて少ない。従って、この石英
ガラスルツボを用いて単結晶引上げを行なうと、透明層
に存在する泡が膨脹して大きな泡となり、泡が透明層の
溶解と共にシリコン融液中に混入し、シリコン単結晶の
成長に悪影響を与えることもなく、シリコン単結晶の単
結晶化歩留りが向上する。
【0053】さらに、カーボン電極1の粒子中の原料の
最大粒径が150μm以下で、かつ90重量%が粒径7
5μm以下であるので、脱落粒子が石英ガラスまで到達
しにくく、途中で完全に酸化消耗されるか、もしくは溶
融中の石英ガラスに落下しても、その時点で脱落粒子の
径が非常に小さくなり、石英ガラスに泡を発生させにく
く、シリコン単結晶の単結晶化歩留りが向上する。
【0054】また、2次粒子の最大粒径が500μm以
下で、2次粒子の50%以上が粒径38〜500μmで
あるので、カーボン電極1の消耗率が遅く、耐用寿命が
長くなり、さらに、溶融中に脱落した粒子は石英ガラス
に到達するまでに酸化消耗するので、石英ガラス中に取
込まれることがなく、石英ガラスに泡を発生させること
がない。
【0055】電極基材の固有抵抗の異方比は1.1以下
であり、組織均一性が保たれており、溶融中の粒子の脱
落が抑制され、石英ガラスに泡を発生させることがな
い。
【0056】また、電極基材の灰分が5ppm以下であ
るので、消耗の均一性が保たれ、複数個の粒子が結合し
た大きい粒子塊の脱落がなく、石英ガラスに泡を発生さ
せることがない。
【0057】さらに、電極基材の固有抵抗の異方比が
1.1以下であるので、組織均一性が保たれ、石英ガラ
スルツボ製造中にカーボン電極からの粒子の脱落を防止
し、石英ガラスに泡を発生させにくく、シリコン単結晶
の単結晶化歩留りが向上する。
【0058】電極基材は成形体に時点で熱硬化性樹脂が
含浸されており、粒子同士のネック部が強化され、使用
時の消耗度合が小さく、粒子の落下も低減され、石英ガ
ラスに泡を発生させにくく、シリコン単結晶の単結晶化
歩留を向上させることができる。
【0059】
【実施例】実施例1、2、3および比較例1、2、3 表1に示すような粒度を持つカーボン質原料(1次粒
子)である石炭系ピッチコークスと残炭率が55%であ
る石炭系コールタールピッチ(結合材)を加熱乾燥した
混練物を粉砕し表1の通り篩分した2次粒子を、CIP
成形し、この成形体を重油バーナを熱源とする炉で焼成
した後、3000℃で黒鉛化を行い、これを用い。図1
に示すように加工し、さらに、2000℃以上でハロゲ
ンガスを流した炉内で純化処理を行い、灰分1ppmの
カーボン電極を製造した。
【0060】この際、CIP成形時の圧力および上記焼
成時の温度、時間を変えることによって、表1の通り、
かさ密度、3点曲げ強さが異なるカーボン電極を得た
(実施例1、2、3および比較例1、2、3)。
【0061】各実施例、各比較例をそれぞれアーク回転
溶融法による石英ガラスルツボ製造装置にカーボン電極
として組込み、CZ法によるシリコン単結晶引上げ装置
に使用される石英ガラスルツボを製造し、カーボン電極
および石英ガラスルツボを評価した結果を表1に示す。
【0062】各実施例、各比較例毎に3本のカーボン電
極を1セットとし、1セットの電極において口径が22
インチの石英ガラスルツボを4個製造し、各5セットの
各実施例、各比較例のカーボン電極毎に20個製造し
た。
【0063】この結果、アーク放電による石英ガラスを
溶融するカーボン電極において、この電極基材のかさ密
度を1.8g/cm以上で、3点曲げ強度を35MP
a以上にいずれも調整することによって、カーボン電極
の消耗が少なく、また、カーボン電極からのカーボン粒
子の落下に伴う石英ガラスルツボ内表面中の気泡で直径
1.0mm未満の微小なものおよび直径1.0mm以上
の大きなもの、いずれもが、大幅に低減されていること
がわかった。
【0064】さらに、上記実施例2および比較例1の石
英ガラスルツボを各々用いて8インチシリコンウェーハ
用のシリコン単結晶インゴットの製造を行ったところ、
単結晶化歩留(DF率)は、実施例2で97%、比較例
1では92%であり、明らかに有位差が確認された。
【0065】実施例4 カーボン質原料(1次粒子)の最大粒径を190μm、
また粒度分布について、〔75μm以下〕:〔75μm
超150μm以下〕=85:15にした以外は、上記実
施例3と同様にして、カーボン電極を製造し、同様の評
価を行った。
【0066】その結果を表1に示す。カーボン電極の消
耗は、実施例3とほぼ同等であるが、石英ガラスルツボ
内表面中の気泡で直径1.0mm未満の微小なものの個
数が実施例3の約3倍に増加し、また、直径1.0mm
以上の気泡が20個の石英ガラスルツボのほとんどに1
もしくは2個確認された。ただし、上記比較例1〜3に
比べれば、消耗および気泡数共いずれも低い値であっ
た。
【0067】これはカーボン質原料(1次粒子)が所定
の値より大きくなるとカーボン電極から脱落したカーボ
ン粒子が燃焼しきれずに石英ガラスルツボ内表面に落下
し、これが気泡になるものと考えられる。
【0068】実施例5 カーボン質原料(1次粒子)の最大粒径を235μm、
この粒度分布を〔75μm以下〕:〔75μm超150
μm以下〕=85:15とし、また、これを混練して作
製した2次粒子の最大粒径を600μmにした以外は上
記実施例3と同様にしてカーボン電極を製造し、同様の
評価を行った。その結果を表1に示す。
【0069】カーボン電極の消耗は、実施例3および4
とほぼ同等であるが、石英ガラスルツボ内表面中の気泡
で直径1.0mm未満の微小なものの個数が実施例3の
約6倍、実施例4の約2倍に増加し、また、直径1.0
mm以上の気泡が実施例4の約2倍確認された。ただ
し、上記比較例1〜3に比べれば、消耗は約30%少な
く気泡数も約1/5である。
【0070】実施例3および4に比べて気泡の個数が増
加したのは、1次粒子最大粒径および2次粒子粒径が増
大したためと考えられ、カーボン粒子が石英ガラス内表
面に落下し、これが気泡になるものと考えられる。
【0071】実施例6 カーボン質原料(1次粒子)の最大粒径を100μm、
この粒度分布を〔75μm以下〕:〔75μm超150
μm以下〕=95:5とし、また、2次粒子の粒度分布
〔38μm以下〕:〔38μm超〕=60:40とし、
粒度分布を変え、実施例3と同様にしてカーボン電極を
製造し、同様の評価を行った。その結果を表1に示す。
【0072】カーボン電極の消耗は、実施例3より約2
0%増加したが、石英ガラスルツボ内表面中の気泡で直
径1.0mm未満の微小なものの個数、直径1.0mm
以上のものの個数とも同等であり、少ないことが確認さ
れた。
【0073】これは、2次粒子の38μm以下の粒径の
ものが50重量%を超えて存在し、全体的に細かくなる
と粒子脱落は実施例3とほぼ同程度であるものの、アー
ク放電時の電極表面での燃焼量が大きくなり、カーボン
電極の消耗が比較的大きくなったものと考えられる。
【0074】実施例7 カーボン質原料(1次粒子)を石油系コークスにした以
外は、実施例1と同様にして、カーボン電極を製造し、
同様の評価を行った。
【0075】その結果を表1に示す。
【0076】カーボン電極の消耗長さおよび石英ガラス
ルツボ内表面中の気泡個数はいずれも比較例1〜3に比
べ良好な結果であったが、実施例1に比べると、多少劣
る結果であった。
【0077】このことから、カーボン質原料としては、
石油系コークスよりも石炭系ピッチコークスの方がより
好ましいことがわかった。
【0078】実施例8、9および比較例4〜6 表1の粒度を持つカーボン質原料(1次粒子)として石
炭系ピッチコークス(実施例8)あるいは石油系コーク
ス(実施例9、比較例4〜6)と残炭率が55%である
石炭系コールタールピッチ(結合材)とを加熱混練した
混練物を、160℃で押出し成形し、この成形体を重油
バーナを熱源とする炉で焼成した後、3000℃で黒鉛
化を行い、これを図1に示すように加工し、さらに20
00℃以上でハロゲンを流した炉内で純化処理を行い灰
分1ppmのカーボン電極を製造した。
【0079】この際、押出し成形時の圧力および上記焼
成時の温度、時間を考えることによって、表1の通り、
かさ密度および3点曲げ強度が異なるカーボン電極を得
た。
【0080】これについて、実施例1と同様の評価を行
った。その結果を表1に示す。
【0081】この結果、アーク放電により石英ガラスを
溶融するカーボン電極において、この電極基材のかさ密
度を1.80g/cm以上で3点曲げ強度を35MP
a以上にいずれも調整することによって、カーボン電極
の消耗が少なく、また、カーボン電極からのカーボン粒
子の落下に伴う、石英ガラスルツボ内表層中の気泡で直
径1.0mm未満の微小なものおよび直径1.0mm以
上の大きなものいずれも、大幅に低減されることがわか
った。
【0082】なお、押出し成形を行った場合には、2次
粒子の粒度を調整することが困難であるため、比較的大
きなカーボン粒子の脱落が起こることで、CIP成形の
場合に比べ若干劣る結果になったものと考えられる。
【0083】実施例10 実施例1と同様に製造された黒鉛化体を母材とし、この
母材をフルフリアルコールにP−トルエンスルホン酸を
触媒として加え、粘度4000cpまで重合させた液に
浸漬し、含浸した。その後、1000℃で焼成し、図1
に示す電極形状に加工し、電極外周部の余剰含浸物を除
去することで、カーボン電極を製造した。しかる後、2
000℃以上でハロゲン系ガスを流し、高純度処理し、
電極の灰分を3ppm以下に調整し、試料を得た。
【0084】これについて実施例1と同様の評価を行っ
た。その結果を表1に示す。
【0085】実施例10は、実施例1に比べて、さらに
消耗が小さく、石英ガラスルツボ内の泡の発生も低減し
ている。これは熱硬化樹脂を含浸することにより、粒子
同士のネック部が強化されたためと考えられる。
【0086】下記表1は、実施例に用いられる試料の特
性と試験結果を示す。
【0087】
【表1】
【0088】上記表中、表右上に記した(*1),(*
2),(*3)は、それぞれ下記の通りである。
【0089】(*1)消耗長さ:1セットで4個の石英
ガラスルツボを製造後、消耗した長さを測定し、5セッ
トの平均値を記載した。
【0090】消耗長さ=元の長さ−4個製造後の電極長
さ (*2)0.5mm泡:石英ガラスルツボ20個当たり
の製品内で直径0.5mmを超える大きさの泡の数。4
個/1セット×5セットで合計20個中の合計発生数。
【0091】(*3)石英ガラスルツボ20個当たりの
ルツボ内での直径0.5mm大きさの泡のうち、0mm
を超える大きさの泡の数。4個/1セット×5セットで
合計20個中の合計発生数。
【0092】
【発明の効果】本発明に係わる石英ガラス溶融用カーボ
ン電極およびその製造方法によれば、カーボン電極から
石英ガラスへの粒子の脱落をなくして、石英ガラス内に
泡が発生するのを防止し、このカーボン電極を用いて製
造した石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上
げを行う場合にも、透明層に存在する泡によって、単結
晶化歩留りが低下することがなく、消耗が少なく耐用寿
命が長いカーボン電極およびその製造方法を提供するこ
とができる。
【0093】即ち、石英ガラス溶融用カーボン電極の電
極基材がかさ密度1.80g/cm 以上で、かつ3点
曲げ強さ35MPa以上のカーボンからなるので、カー
ボン電極の消耗および炭素粒子の落下が効果的に抑制さ
れる。
【0094】また、電極基材がカーボン質原料および結
合材の炭化物により組成されており、カーボン原料の最
大粒径が150μm以下で、かつカーボン原料の90重
量%以上が粒径75μm以下であるので、脱落粒子が石
英ガラスまで到達しにくく、途中で完全に酸化消耗され
るか、もしくは溶融中の石英ガラスに落下しても、その
時点で脱落粒子の径が非常に小さくなり、石英ガラスに
泡を発生させにくく、シリコン単結晶の単結晶化歩留り
が向上する。
【0095】また、電極基材がカーボン質原料および結
合材よりなる2次粒子が結合材の炭化物により結合され
た等方性黒鉛材料であって、2次粒子の最大粒径が50
0μm以下で、かつ2次粒子の50重量%以上が粒径3
8〜500μmであるので、カーボン電極の消耗率が遅
く、耐用寿命が長くなり、さらに、溶融中に脱落した粒
子は石英ガラスに到達するまでに酸化消耗するので、石
英ガラス中に取込まれることがなく、石英ガラスに泡を
発生させることがない。
【0096】また、電極基材の固有抵抗の異方比が1.
1以下であり、灰分が5ppm以下であるので、組織均
一性が保たれており、溶融中の粒子の脱落が抑制され、
石英ガラスに泡を発生させることがない。
【0097】また、石英ガラス溶融用カーボン電極は、
最大粒径が150μm以下で、かつカーボン質原料の9
0重量%以上が粒径75μm以下であるカーボン質原料
と残炭率が50%以上である結合材を加熱混練して得ら
れる混練物を粉砕した後に最大粒径が500μm以下で
あり50重量%以上が粒径38〜500μmとなるよう
に篩分した2次粒子をCIP成形し、これを焼成後29
00〜3100℃で黒鉛化した等方性黒鉛材料を加工、
さらに純化処理して製造されるので、カーボン電極から
石英ガラスへの粒子の脱落をなくして、石英ガラス内に
泡が発生するのを防止し、このカーボン電極を用いて製
造した石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上
げを行う場合にも、透明層に存在する泡によって、単結
晶化歩留りが低下することがなく、消耗が少なく耐用寿
命が長いカーボン電極を製造することができる。
【0098】また、石英ガラス溶融用カーボン電極は、
最大粒径が150μm以下で、かつカーボン質原料の9
0重量%以上が粒径75μm以下であるカーボン質原料
と残炭率が50%以上である結合材を加熱混練して得ら
れる混練物を130〜200℃で押出し成形し、これを
焼成後2900〜3100℃で黒鉛化した黒鉛材料を加
工、さらに純化処理して製造されるので、電極基材のか
さ密度を1.80g/cm以上で3点曲げ強度を35
MPa以上にいずれも調整することが可能になり、カー
ボン電極の消耗が少なく、また、カーボン電極からのカ
ーボン粒子の落下に伴う、気泡が大幅に低減されるカー
ボン電極を製造することができる。
【0099】また、石英ガラス溶融用カーボン電極は、
等方性黒鉛材料もしくは黒鉛材料に、熱硬化性樹脂を含
浸し、乾燥・焼成した後、表面に形成され熱硬化性樹脂
分を少なくとも排除する程度に外周研削した後に、加工
を施して製造されるので、粒子同士のネック部が強化さ
れ、酸化されにくく、使用時の消耗度合が小さく、粒子
の落下も低減され、石英ガラスに泡を発生させにくく、
シリコン単結晶の単結晶化歩留を向上させることができ
る。
【0100】また、混練物の揮発分を12〜15%に調
整するので、1.80g/cm以上のかさ密度、35
MPa以上の3点曲げ強さが得られ易くなり、かつより
均一性の高い黒鉛材料が得られる。
【0101】また、カーボン質原料が石炭系ピッチコー
クスであり、結合材が石炭系コークスタールピッチであ
るので、石英ガラス溶融時のカーボン電極の消耗をより
低減せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるカーボン電極の側面図。
【図2】本発明に係わるカーボン電極を組込んだ石英ガ
ラスルツボ製造装置の説明図。
【図3】従来のカーボン電極を組込んだ石英ガラスルツ
ボ製造装置の説明図。
【符号の説明】
1 カーボン電極 2 石英ガラスルツボ製造装置 3 ルツボ成形用型 4 内側部材 5 通気部 6 保持体 7 回転軸 8 開口部 9 排気口 10 減圧機構 11 ルツボ成形体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮尾 敦朗 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番地 東芝セラミックス株式会社小国製造所内 (72)発明者 三須 清明 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番地 東芝セラミックス株式会社小国製造所内 (72)発明者 我妻 新哉 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番地 東芝セラミックス株式会社小国製造所内 (72)発明者 鈴木 俊一 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番地 東芝セラミックス株式会社小国製造所内 Fターム(参考) 3K084 AA12 CA09 CA10 4G014 AH01 4G032 AA04 AA09 AA13 BA05 GA09 GA11

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アーク放電により石英ガラスを溶融する
    のに用いられる石英ガラス溶融用カーボン電極におい
    て、この電極基材がかさ密度1.80g/cm 以上
    で、かつ3点曲げ強さ35MPa以上のカーボンからな
    ることを特徴とする石英ガラス溶融用カーボン電極。
  2. 【請求項2】 上記電極基材がカーボン質原料および結
    合材の炭化物により組成されており、前記カーボン原料
    の最大粒径が150μm以下で、かつ前記カーボン原料
    の90重量%以上が粒径75μm以下であることを特徴
    とする請求項1に記載の石英ガラス溶融用カーボン電
    極。
  3. 【請求項3】 上記電極基材がカーボン質原料および結
    合材よりなる2次粒子が前記結合材の炭化物により結合
    された等方性黒鉛材料であって、前記2次粒子の最大粒
    径が500μm以下で、かつ前記2次粒子の50重量%
    以上が粒径38〜500μmであることを特徴とする請
    求項2に記載の石英ガラス溶融用カーボン電極。
  4. 【請求項4】 上記電極基材の固有抵抗の異方比が1.
    1以下であり、灰分が5ppm以下であることを特徴と
    する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の石英ガラ
    ス溶融用カーボン電極。
  5. 【請求項5】 最大粒径が150μm以下で、かつカー
    ボン質原料の90重量%以上が粒径75μm以下である
    カーボン質原料と残炭率が50%以上である結合材を加
    熱混練して得られる混練物を粉砕した後に最大粒径が5
    00μm以下であり50重量%以上が粒径38〜500
    μmとなるように篩分した2次粒子をCIP成形し、こ
    れを焼成後2900〜3100℃で黒鉛化した等方性黒
    鉛材料を加工、さらに純化処理することを特徴とする石
    英ガラス溶融用カーボン電極の製造方法。
  6. 【請求項6】 最大粒径が150μm以下で、かつカー
    ボン質原料の90重量%以上が粒径75μm以下である
    カーボン質原料と残炭率が50%以上である結合材を加
    熱混練して得られる混練物を130〜200℃で押出し
    成形し、これを焼成後2900〜3100℃で黒鉛化し
    た黒鉛材料を加工、さらに純化処理することを特徴とす
    る石英ガラス溶融用カーボン電極の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記等方性黒鉛材料もしくは黒鉛材料
    に、熱硬化性樹脂を含浸し、乾燥・焼成した後、表面に
    形成され前記熱硬化性樹脂分を少なくとも排除する程度
    に外周研削した後に、上記加工を施すことを特徴とする
    請求項5または6に記載の石英ガラス溶融用カーボン電
    極製造方法。
  8. 【請求項8】 上記混練物の揮発分を12〜15%に調
    整することを特徴とする請求項5ないし7のいずれか1
    項に記載の石英ガラス溶融用カーボン電極の製造方法。
  9. 【請求項9】 上記カーボン質原料が石炭系ピッチコー
    クスであり、上記結合材が石炭系コールタールピッチで
    あることを特徴とする請求項5ないし8のいずれか1項
    に記載の石英ガラス溶融用カーボン電極の製造方法。
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