JP2005289710A - シリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス製容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリカガラス製容器の内表面に凹凸が形成されず、またシリカガラス製容器の肉厚を容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス製容器の任意の肉厚制御を高精度に達成できるシリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス製容器の製造方法を提供する。
【解決手段】 シリカガラス製容器成型体の成型装置において、基台１と、前記基台１に設けられた軸１ａに回動可能に軸支された支持フレーム２と、前記支持フレームを起立状態と傾斜状態になす駆動手段３と、前記支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられ、前記金型内に供給された原料粉末を成型する平板状の成型板４と、前記基台に回転及び傾斜可能に取り付けられた金型６と、前記金型を回転及び傾斜駆動する駆動手段７を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス製容器の製造方法に関し、例えば、シリコン単結晶インゴットを成長させるためのシリカガラスルツボとして用いられる、側壁部、底面部及びこれらを結ぶ湾曲部を有するシリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス製容器の製造方法に関する。

半導体ディバイスの基板として用いられるシリコン単結晶は、主にチョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造されている。この方法は、ルツボ内に多結晶シリコン原料を装填し、ルツボを周囲から加熱することによって、多結晶シリコン原料を溶融し、吊り下げられた種結晶をシリコン融液に浸して除々に引き上げることによって、シリコン単結晶インゴットを成長させるものである。
従来、前記したＣＺ法を実施するルツボとしては、シリカガラス製のルツボが多く用いられてきた。この種のシリカガラスルツボの製造方法については、例えば特開平１−１６０８３６号公報等に開示されている。

この公報に開示されている製造方法は、所定の気孔率と通気率を有するカーボン質材料からなる中空の型を回転させて、その内部にシリカガラス原料粉末を装填し、遠心力により原料粉末を層状に形成させた後にアーク等の熱源によって原料粉末を溶融して、シリカガラスルツボを得るようにしている。
前記したＣＺ法により単結晶インゴットを生成するためのこの種のシリカガラスルツボは、単結晶インゴットの結晶欠陥等の発生を防止するために、より良好な内面状態や、特にルツボ全周におけるより高い肉厚寸法精度が求められている。しかしながら、前記した工程によってルツボを製造するに際しても、熟練工がほとんど手作業により原料としてのシリカガラス原料粉末を供給しつつ製造しているのが現状である。

一方、シリカガラスルツボは、シリコン融液への均熱伝達を行うため外周側に多数の閉気孔を均一に分散させた不透明シリカガラス層を形成し、またシリコン融液への浸食を極力低減し、さらに融液面の安定性を確保するなどのために、内周側に気泡を実質的に皆無にした透明シリカガラス層を形成したいわゆる二層ルツボが一般に使用されている。
そして、このような二層ルツボを製造するためには、前記した製造方法において、回転されたカーボン質中空型内にシリカガラス原料粉末を装填する際に、初めに粗粒の原料粉末を装填し、さらにその内表面にこれより微粒の原料粉末を装填する方法が通常行われており、この装填も熟練工が手作業によりなされるのが現状である。

このように、熟練工が為しても、ルツボの内面状態や肉厚の寸法精度にバラツキが発生することは免れないものであり、特に前記した二層ルツボを製造するにあたっては、製造工程が繁雑で充分な作業能率が得られていないという問題があった。
この問題を解決するものとして、本願出願人は先に特開２０００−１６９１６４号公報において、シリカガラスルツボの製造方法及び製造装置を提案している。

次に、特開２０００−１６９１６４号公報に示したシリカガラスルツボの製造方法及び製造装置について、図１０及び図１１に基づいて説明する。なお、図１０はシリカガラスルツボを製造する各工程を断面図によって順に示した図であり、図１０（ａ）〜（ｅ）における上半部は垂直方向の中央断面状態を示し、（ａ）〜（ｄ）における下半部は、それぞれの水平方向の中央断面状態を示している。また図１１は二層ルツボの断面図である。

このシリカガラスルツボの製造装置は、図１０（ａ）に示すように、内周面が円筒状に形成され、軸心１０１ａが垂直方向となるように回転可能に配置された有底状の外枠１０１と、外周面が円柱状に形成され、軸心１０２ａが垂直方向となるように前記外枠内１０１に上部より挿入された回転可能な内枠１０２とを備えている。

前記外枠１０１は、全体が例えばカーボン質材料により形成されており、その内底部は内周面の径に沿った半球状に成されている。また前記内枠２は、全体が例えばシリカガラス質材料により形成されており、その下端部は外周面の径に沿った半球状に成されている。
そして、前記外枠１０１及び内枠１０２はそれぞれの軸心を回転中心として、共に同一方向に回転駆動されるように構成されている。なお、図１０（ａ）に示す符号１０３は、シリカガラス原料粉末を供給する原料粉末供給装置としてのホッパーであり、シリカガラス原料粉末Ｇが外枠１０１と内枠１０２との間に供給される。

また、各軸心１０１ａ，１０２ａのずれ量は２〜３ｍｍ程度となされ、さらに狭い隙間部分における両者の間隔は１５ｍｍ程度とされる。したがって、外枠１０１と内枠１０２との間に供給された原料粉末Ｇは、偏心状態の内枠１０２の外周面、特に外枠１０２の内周面に接近した部分により、外枠１０１の内周面に押しつけられ、且つ遠心力により、前記した１５ｍｍ程度の均一な層状に形成される。

この様にして外枠１０１の内周面に原料粉末層Ｇを形成させた状態で図１０（ｃ）に示すように、前記外枠１０１の軸心１０１ａと内枠１０２の軸心１０２ａとを一致させると共に、図１０（ｄ）に示すように内枠１０２を上部に移動させることにより、外枠１０１から内枠１０２が引き出される。続いて、図１０（ｅ）に示すように回転状態の前記外枠１内に、加熱手段としての一対の電極１０５ａ，１０５ｂからなるアーク放電装置がその上部から挿入され、電極１０５ａ，１０５ｂに発生するアーク放電熱により、外枠１０１の内周面に形成された前記原料粉末層Ｇを溶融してシリカガラス層と成し、外枠１０１内にシリカガラスルツボを形成させる。このようにして外枠１０１内に形成されたシリカガラスルツボは、前記外枠１０１から取り外され、ルツボ完成品とされる。

図１１は、肉厚方向に異なった原料による複数の粉末層を形成させた、いわゆる二層ルツボを示している。このルツボは、共に同一方向に回転される外枠１０１と内枠１０２とで形成される隙間の上部より、外枠側と内枠側とにそれぞれ異なるシリカガラス原料粉末を供給することで形成できる。このため、原料供給ホッパー１０３に内部に仕切り板１０３ｂを設け、外枠１０１側と内枠１０２側との隙間にそれぞれ異なるシリカガラス原料粉末Ｇ１及びＧ２を供給する。

前記仕切り板１０３ｂはホッパー３の中央部に配置され、ホッパー１０３内を２つに区画すると共に、この仕切り板１０３ｂはホッパー１０３の原料供給口１０３ａに至る部分まで配置されている。したがって、２つに区画されたホッパー内部にそれぞれ異なる原料粉末Ｇ１及びＧ２を供給することで、同時にそれぞれ異なる原料粉末が吐出され、隙間の肉厚方向に異なった原料による複数の粉末層Ｇ１，Ｇ２を形成することができる。

特開平１−１６０８３６号公報 特開２００２−６８８６４号公報

ところで、前記した従来の製造装置にあっては、内枠がルツボ（シリカガラス容器）の径に応じて大型化し、重量が増大する。そのため、前記内枠の回転による回転軸のぶれが生じ、ルツボ（シリカガラス容器）の内面状態及び寸法精度等の品質にバラツキが発生し易いという技術的課題があった。
また、内枠の重量増大に伴い、装置全体が重量化し、据え付け性、取り扱い性が悪いという技術的課題があった。

また、前記した従来の製造装置にあっては、ホッパー内部を二つに区切り、同時にそれぞれ異なる原料粉末を吐出し、２層の原料粉末層を形成している。
しかしながら、前記ホッパーから外枠と内枠の間に吐出した際、異なる原料粉末が混合し、適切に分離した２層の粉末層を形成し難いという技術的課題、更に言えば、好適な２層のシリカガラスルツボ（シリカガラス容器）を得ることができないという技術的課題があった。

本発明は、前記したような技術的課題に着目してなされたものであり、シリカガラス容器の内表面に凹凸が形成されず、またシリカガラス容器の肉厚を容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス容器の任意の肉厚制御を高精度に達成できるシリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス容器の製造方法を提供することを目的とする。
また、シリカガラス容器の内面状態及び寸法精度等の品質にバラツキが発生し難く、加えて好適な二層のシリカガラス容器が得られるシリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス容器の製造方法を提供することを目的とする。
更に、装置自体を軽量化し、据え付け性、取り扱い性が良好なシリカガラス製容器成型体の成型装置を提供することを目的とするものである。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明にかかるシリカガラス製容器成型体の成型装置は、シリカガラス製容器成型体の成型装置において、基台と、前記基台に設けられた軸に回動可能に軸支された支持フレームと、前記支持フレームを起立状態と傾斜状態になす駆動手段と、前記支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられ、前記金型内に供給された原料粉末を成型する平板状の成型板と、前記基台に対して回転及び傾斜可能に取り付けられた金型と、前記金型を回転及び傾斜駆動する駆動手段とを備えることを特徴としている。

このように成型板を用いているため、装置自体を軽量化し、良好な据え付け性、取り扱い性を得ることができる。また、金型を斜動させることができるため、斜動状態で原料粉末の良好な積み上げ状態を作ることができる。さらに、該原料粉末を成型板で成型するため、シリカガラス容器の内表面に凹凸が形成され難く、またシリカガラス容器の肉厚を容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス容器の任意の肉厚制御を高精度に達成できる。

ここで、原料粉末を金型内に供給する原料供給ノズルが、支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられていることが望ましい。
このように、上下動及び前後動が可能である原料供給ノズルが備えられているため、より肉厚制御が高精度にできる。

また、前記金型の内壁と外壁との間には空間部が設けられると共に、前記内壁には複数の開口が形成され、前記空間部には真空ポンプに接続された排気管が接続されていることが望ましい。
このような構成により、金型の内壁に原料粉末を崩れることなく、積み上げることができ、内表面に凹凸が形成されず、また特に前記金型の底面部に原料粉末を積み上げる際に、遠心力によって外周側が厚くなるのを防止し、肉厚を全周にわたり、略均一にし、また任意の肉厚制御を高精度に達成できる。

また、屈曲した砂切り板と、前記砂切り板の屈曲した部分に形成された吸引口と、前記吸引口に接続された吸引管とから構成された砂切り吸引部材が、金型に対して上下動及び前後動可能に、更に設けられていることが望ましい。
このような砂切り部材を設けることにより、底面部に原料粉末を良好に積み上げることができ、良好な底面部を有するシリカガラス容器を得ることができる。

更に、前記成型板は、金属板と、前記金属板に取り付けられた外層成型用板と、前記外層成型用板が取り付けられた金属板の側端部と反対側の側端部には取り付けられた内層成型用板と、前記金属板の下部に設けられた底部成型用板とを備え、前記外層成型用板、内層成型用板、底部成型用板が合成樹脂で形成されていることが望ましい。
このように、金属板に対して外層成型用板、内層成型用板、底部成型用板が一体化しているため、取り扱い性が良く、また合成樹脂で形成されているため、装置自体を軽量化でき、良好な据え付け性、取り扱い性が得られる。

また、前記成型板の外層成型用板の外縁部を外層原料粉末に押し付けることによって、外層原料粉末の内周側面部を規定し、内層用成型板の外縁部を内層原料粉末に押し付けることによって、内層の原料粉末の内周側面部を規定し、底部成型用板の外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付けることによって、外層及び内層原料粉末の底面部を規定することが望ましい。
このように構成されているため、シリカガラス容器の内表面に凹凸が形成されず、またシリカガラス容器の肉厚をシリカガラス容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス容器の任意の肉厚制御を高精度に達成できる。また、シリカガラス容器の内面状態及び寸法精度等の品質のバラツキを抑制できる。
なお、前記底部成型用板は前記金属板に対して上下動可能に形成され、内層用成型板と外層成型用板間に収容された状態と、突出した状態とをとり、底部成型用板が突出した状態で、底部成型用板の外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付け、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定することが望ましい。

また、前記内層用成型板の外縁部には、断面コ字状の内層原料粉末誘導路が内層用成型板の上下方向に形成されていることが望ましい。
このように、内層原料粉末誘導路が設けられているため、側面に余分付着した内層原料粉末を掻き落とし、シリカガラス容器の底部に誘導することができ、またシリカガラス容器の底面部を形成するための内層原料粉末を該底面部に、効率よく誘導することができる。

また、前記外層原料粉末が天然水晶であり、前記内層原料粉末が合成シリカであり、シリカガラス製容器成型体がシリコン単結晶引上げ用ルツボであることが望ましい。この原料粉末を用いることにより、内層がほぼ無気泡で、表面が平滑な透明シリカガラス層を形成させた二層構造のシリカガラスルツボを得ることができる。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明にかかるシリカガラス製容器成型体の成型方法は、シリカガラス製容器成型体の成型方法において、原料供給ノズルから原料粉末を、容器状の金型の内壁側面部に供給し、前記金型内に原料粉末を積み上げ、これに成型板を押し当て、シリカガラス製容器成型体側面部を形成する側面部成型工程と、前記原料供給ノズルから原料粉末を、前記金型の底面部に供給し、前記金型内に原料粉末を積み上げ、成型板を原料粉末に押し当て、シリカガラス製容器成型体の底面部を形成する底面部成型工程とを含むことを特徴としている。
このように、側面部を成型し、その後底面部を形成することにより、シリカガラス容器の肉厚をシリカガラス容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス容器の任意の肉厚制御を高精度に達成できる。また、シリカガラス容器の内面状態及び寸法精度等の品質にバラツキを抑制できる。

ここで、前記側面部成型工程が、異なる特性の原料粉末を用いて複数回行われることが望ましく、また、前記側面部成型工程の最終回に、過剰の原料粉末を積み上げておき、これに成型板を押し当てることで、過剰分の原料粉末を前記底面部に移動せしめることが望ましい。

また、本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明にかかるシリカガラス製容器成型体の成型方法は、前記シリカガラス製容器成型体の成型装置を用いたシリカガラス製容器の成型方法であって、原料供給ノズルから原料粉末を、傾動した容器状金型の内壁側面部に供給し、前記金型を回転しながら原料粉末を積み上げる工程と、成型板を前記金型内に下降させると共に、前記成型板の外縁部を積み上げられた原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器側面部を形成する工程と、原料供給ノズルから原料粉末を、略起立状態の前記金型の底面部に供給し、前記金型を回転しながら原料粉末を底面部に積み上げる工程と、成型板を前記金型内に下降させると共に、前記成型板の外縁部を底面部に積み上げられた原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器底面部を形成する工程と、を含むことを特徴としている。このように、前記シリカガラス製容器成型体の成型装置を用いた前記成型方法によって、良好なシリカガラス成型体を得ることができる。

また、本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明にかかるシリカガラス製容器成型体の成型方法は、前記シリカガラス製容器成型体の成型装置を用いたシリカガラス製容器の成型方法であって、原料供給ノズルから第一の原料粉末を、傾動した容器状の金型の内壁側面部に供給し、前記金型を回転しながら第一の原料粉末を積み上げる工程と、成型板の外層成型用板を前記金型内に下降させ、前記外層成型用板の外縁部を積み上げられた第一原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器の外層側面部を形成する工程と、原料供給ノズルから第二の原料粉末を、傾動した金型の内壁側面部に形成されたシリカガラス製容器外層側面部の上に供給し、前記金型を回転しながら第二の原料粉末を積み上げる工程と、原料供給ノズルから第一の原料粉末を、略起立状態の前記金型の底面部に供給し、金型を回転しながら第一の原料粉末を底面部に積み上げる工程と、成型板の底部成型用板を前記金型内に下降させ、前記成型板の外縁部を底面部に積み上げられた第一の原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器外層底面部を形成する工程と、成型板の内層成型用板を前記金型内に下降させ、前記成型板の内層成型用板の外縁部を積み上げられた第二の原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器内層側面部を形成すると共に、前記厚みの調整で過剰分の第二の原料粉末を前記シリカガラス製容器外層底面部の上に移動させ、成型板の底部成型用板の外縁部を前記移動した第二の原料粉末に押し当て、シリカガラス製容器内層底面部を形成する工程とを順次行うことを特徴としている。このように、前記シリカガラス製容器成型体の成型装置を用いた前記成型方法によって、良好なシリカガラス容器を得ることができる。

更に、前記原料供給ノズルから第一の原料粉末を略起立状態の前記金型の底面部に供給する前に、前記金型の底面部に落下した第一及び第二の原料粉末を除去し、前記金型の底面部の原料粉末が存在しない領域を円形状にする工程を行うことが望ましい。
このような、金型の底面部に落下した第一および第二の原料粉末を除去する工程を設けることにより、底面部に原料粉末を良好に積み上げることができ、良好な底面部を有するシリカガラス容器を得ることができる。

また、前記第一の原料粉末が天然水晶であり、前記第二の原料粉末が合成シリカであり、シリカガラス製容器がシリコン単結晶引上げ用ルツボであることが望ましい。
この原料粉末を用いることにより、内層がほぼ無気泡で、表面が平滑な透明石英ガラス層を形成させた二層構造のシリカガラスルツボを得ることができる。
更に、前記したシリカガラス製容器成型体の成型方法の後に、前記原料粉末（前記第一の原料粉末及び前記第二の原料粉末）を加熱溶融することが望ましい。
尚、上述のシリカガラス製容器成型体は、実質的には側面部、底面部及びこれらを結ぶ湾曲部を有するものであるが、本発明では、この実質的な湾曲部は、前記側面部あるいは前記底面部のいずれかに含めることができ、特には、前記側面部に含めることがより好ましい。このことは、前記容器状の金型についても同様である。

本発明にかかるシリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス容器の製造方法によれば、シリカガラス製容器の内表面に凹凸が形成されず、またシリカガラス製容器の肉厚を容器全周にわたり、略均一にし、またシリカガラス製容器の任意の肉厚制御を高精度に達成することができる。
また、シリカガラス製容器の内面状態及び寸法精度等の品質のバラツキを極力少なくすることができ、しかも好適な一層のシリカガラス製容器のみならず二層のシリカガラス製容器を得ることができる。
更に、本発明にかかるシリカガラス製容器成型体の成型装置によれば、装置自体を軽量化でき、また据え付けを容易に行うことができ、更には取り扱いが容易である。

本発明の一実施形態を図１乃至図９に基づいて説明する。この実施形態の説明にあっては、シリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボを例にとって説明する。尚、図１は、一実施形態にかかるシリカガラス製容器（シリカガラスルツボ）成型体の成型装置の側面図、図２は、図１に示した金型の側面図、図３は、図１に示した成型板の側面図、図４は成型板の平面図、図５は原料粉末誘導体を示した斜視図、図６及び図７は本発明の実施形態にかかる製造工程を示した概略断面図、図８は底部砂切り吸引部材、図９はシリカガラスルツボ底部の砂切り状態を示した平面図である。

本発明にかかるシリカガラス製容器（シリカガラスルツボ）成型体の成型装置Ａは、基台１と、前記基台１に設けられた軸１ａに、回動可能に軸支された支持フレーム２と、前記支持フレーム２に一端が取り付けられ、伸縮することによって前記支持フレーム２を起立状態と傾斜状態（傾動状態）になす駆動手段３とを備えている。この駆動手段３としては、例えばピストン・シリンダであって、一端が回動可能に固定され、他端が揺動可能に形成されたシリンダ部３ｂに対して、ピストン部３ａが油圧等により伸縮可能に構成されているものを用いることができる。

また、前記シリカガラス容器成型体（シリカガラスルツボ）の成型装置Ａは、前記支持フレーム２に対して上下動及び前後動可能に取り付けられた成型板４と、前記支持フレーム２に取り付けられ、支持フレーム２と共に傾動する金型６と、前記金型６自体を回転駆動するモータ等の駆動手段７とを備えている。なお、金型６を回転させるための駆動手段としてのモータ７は支持フレーム２上に設けられている。
尚、金型６は、基台１に対して傾動可能に設けられていれば良く、支持フレーム２に取り付けられていても、あるいは支持フレーム２とは別に基台１に取り付けられていても良い。

この支持フレーム２には、支持フレーム２に対して上下動可能なアーム５が取り付けられ、このアーム５の下面には、前後方向（図１の矢視Ｘ方向）に摺動可能なスライド機構８が設けられている。そして、前記成型板４は、前記スライド機構８を介して、前記アーム５の下面に取り付けられている。

このスライド機構８は、成型板４を案内するガイドレール（図示せず）と前記成型板４を移動させるピストン・シリンダ（図示せず）とから構成されている。
したがって、前記ピストンを伸縮させることにより、成型板４を前後（（図１の矢視Ｘ方向）に移動させることができる。

また、前記アーム５にはナット部９ｂが設けられ、このナット部９ｂは、支持フレーム２に沿って設けられたねじ軸９ａに螺合している。したがって、支持フレーム２の上部に設けられたモータ１０でねじ軸９ａを回転させることにより、アーム５（ナット部９ｂ）は支持アームに沿って上下動する。

次に、この金型６の構成について、図２に基づいて詳述する。
この金型６の内壁６ｂは円筒状に形成され、外壁６ｄは円柱状に形成されている。また、この内壁６ｂは全体が例えば多数の貫通孔が形成されたステンレス鋼（ＳＵＳ）により形成されており、その内底部は内周面の径に沿った半球状に成されている。一方、外壁６ｄの材質は、特に限定されないが、強度を有する点から鉄、ステンレス等が用いられる。

更に、この金型６の内壁６ｂと外壁６ｄとの間に空間部６ｅが設けられている。また、前記内壁６ｂには多数の開口６ｃが形成され、内壁部６ｂの内側と前記空間部６ｅとが連通している。また、前記空間部６ｅには排気管６ｆが接続され、排気管６ｆを介して真空ポンプ（図示せず）に接続されている。
したがって、真空ポンプを動作させることにより、図に矢視するように、開口６ｂから吸引し、空間部６を介して排気管６ｆより排気し、開口６ｂに負圧を作用させることができる。

次に、成型板４の構成について、図３乃至図５に基づいて詳述する。
この成型板４は、前記スライド機構８に取り付けられる金属板４ａと、前記金属板４ａに取り付けられた外層成型用板４ｂが設けられている。また、この外層成型用板４ｂが取り付けられた金属板４ａの側端部と反対側の側端部には、内層成型用板４ｃが取り付けられている。更に、前記金属板４ａの下部には、底部成型用板４ｄが設けられている。
これら外層成型用板４ｂ、内層用成型板４ｃ、底部成型用板４ｄは、平板状に合成樹脂で形成され、軽量化が図られている。

また、外層成型用板４ｂの外縁部、内層用成型板４ｃの外縁部、底部成型用板４ｄの外縁部は、所定の形状に設定されている。
即ち、外層成型用板４ｂの外縁部を外層原料粉末に押し付けることによって、外層の原料粉末の内周側面部を規定でき、また、内層用成型板４ｃの外縁部を内層原料粉末に押し付けることによって、内層の原料粉末の内周側面部を規定でき、更に、底部成型用板４ｄの外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付けることによって、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定できるように構成されている。
なお、外層成型用板４ｂの側面から底面に移行する外縁部４ｂ１の曲率半径は、内層成型用板４ｃの側面から底面に移行する外縁部４ｃ１の曲率半径よりも大きく形成されている。

また、前記金属板４ａにはシリンダ４ｅが固定され、前記シリンダ４ｅによって伸縮するピストン４ｆの先端部に、前記底部成型用板４ｄが取り付けられている。したがって、図３の仮想線に示すように、底部成型用板４ｄは突出した状態と、内層用成型板４ｃと前記外層成型用板４ｂ間に収容された状態とをとることができる。
なお、後述するように、底部成型用板４ｄは突出した状態で、底部成型用板４ｄの外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付け、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定する。

また、前記金属板４ａの下部には、ルツボの底面部の肉厚を測定するための底部測定用レーザセンサ４ｇと、内層用成型板４ａにはルツボの側面部の肉厚を測定するための側部測定用レーザセンサ４ｈとが設けられている。

更に、前記内層用成型板４ｃの外縁部には、断面コ字状の内層原料粉末誘導路４ｉが内層用成型板４ｃの上下方向に形成されている。この内層原料粉末誘導路４ｉは、側面部に余分付着した内層原料粉末を掻き落とし、ルツボの底部に誘導するものである。また、ルツボの底面部に内層原料粉末をルツボの底面部に誘導するためのものである。
そのため、図５に示すように、内層原料粉末誘導路４ｉにおける内層成型用板４ｃから離れた側面４ｉ１の長さは、内層成型用板４ｃに接する側面４ｉ２の長さより、短く形成されている。その結果、側面に余分付着した内層原料粉末は、隙間ｌから内層原料粉末誘導路４ｉに進入し、内層用成型板４ｃで掻き落され、内層原料粉末誘導路４ｉ中を落下し、底面部に導出される。尚、図４及び図５に示された矢視は、金型６の回転方向を示している。
また、原料粉末供給ノズルから、ルツボの底面部を形成するために供給される内層原料粉末を、内層原料粉末誘導路４ｉに直接供給することにより、側面部に付着させることなく、底面部に対して効率的に導入することができる。

次に、前記シリカガラス製容器成型体の成型装置を用いたシリカガラス製容器（シリカガラスルツボ）の成型体の成型工程について、図６及び図７に基づいて説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、駆動手段３によって支持フレーム２を４５度傾動させ、原料供給ノズルＵから外層原料粉末Ｇ１を金型６の内壁６ｂの表面に供給し、金型６を回転しながら外層原料粉末Ｇ１を積み上げる。
このとき、前記真空ポンプを動作させ、内壁６ｂに形成された開口６から吸引する。したがって、金型６の内壁６ｂには負圧が作用し、前記外層原料粉末Ｇ１は崩れることなく、積み上げることができる。なお、このとき金型６の底面部には、外層原料粉末は積み上げられない。

次に、図６（ｂ）に示すように、成型板４を金型６内に下降させると共に、前記成型板４を支持フレーム２側に移動し、外層成型用板４ｂの外縁部を積み上げられた外層原料粉末Ｇ１に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを微調整する。
このとき、削り取られた外層原料粉末Ｇ１は小Ｒ部ａに堆積するが、更に外層成型用板４ｂの外縁部４ｂ１を小Ｒ部ａに押し当て、その表面を馴らす。また、このようにして形成された成型体Ｓの厚みをレーザセンサ４ｈにて測定し、凹部が存在する場合は外層原料粉末Ｇ１を補充し、外層成型用板４ｂを用いて成型を再度行う。これにより、外層原料粉末Ｇ１の厚み精度が向上する。

続いて、図６（ｃ）に示すように、原料供給ノズルＵから内層原料粉末Ｇ２を金型６の外層原料粉末Ｇ１の表面に供給し、金型６を回転しながら内層原料粉末Ｇ２を余分（過剰）に積み上げる。なお、このとき金型６の底面部には、内層原料粉末Ｇ２は積み上げられない。
そして、図６（ｄ）に示すように、駆動手段３によって支持フレーム２を略起立状態（５度傾動した状態）まで戻す。その後、原料供給ノズルＵから外層原料粉末Ｇ１を金型６の内壁６ｂの底面部に供給し、底面部に外層原料粉末Ｇ１を積み上げる。

その後、図７（ａ）に示すように、シリンダ４ｅに空気を供給し、ピストン４ｆを伸長させ、底部成型用成型板４ｄを下降させる。そして、底面部に積み上げられた外層原料粉末Ｇ１を押し当て、表面を馴らすと共にレーザセンサ４ｇにてその厚さを測定する。その結果、底面部に凹部が存在する場合は外層原料粉末Ｇ１を補充し、底部成型用成型板４ｄを用いて成型を再度行う。これにより、底面部における外層原料粉末Ｇ１の厚み精度が向上する。
なお、このとき、既に成型された成型体Sの側面部および小Ｒ部ａに、前記成型板４は触れないように、底部成型用成型板４ｄは底面部の外層原料粉末Ｇ１に押し当てられる。

そして、底部成型用成型板４ｄを上昇させ、図７（ｂ）に示すように、成型板４の内層用成型板４ｃを用いて、内層原料粉末Ｇ２の表面を馴らし、厚み調整を行なう。このとき、底部成型用成型板４ｄと底面部の外層表面の間隙が底面部内層の厚みになるように、成型板４は配置される。

この内層用成型板４ｃによって削り取られた、余分な（過剰な）内層原料粉末Ｇ２は、内層原料粉末誘導路４ｉを介して、成型体Ｓの底面部に導かれ、小Ｒ部ａ、底面部に堆積する。そして、前記したように内層用成型板４ｃを内層側面部に押し当てその表面を馴らすと共に、底部成型用成型板４を移動した内層原料粉末Ｇ２に押し当て、表面を馴らす。なお、内層成型用板４ｃの外縁部４ｃ１は小Ｒ部ｂに押し当てられ、その表面を馴らす。

このようにして形成された成型体Ｓの厚みをレーザセンサ４ｈ、４ｇにて測定し、凹部が存在する場合は内層原料粉末Ｇ２を補充し、内層成型用板４ｃ、底部成型用板４ｄを用いて成型を再度行う。これにより、内層原料粉末Ｇ２の厚み精度が向上する。

なお、前記したような内層側面部の形成と内層底面部の形成を必ずしも同時に行なう必要はなく、内層側面部を形成した後、内層底面部を形成してもよい。また、前記したように、内層側面部に過剰の内層原料粉末Ｇ２を積み上げ、過剰な内層原料粉末Ｇ２を用いて、内層底面部を形成したが、必ずしもこの方法に限定されるものではなく、内層底面部の形成の際、前記底面部に原料供給ノズルによって内層原料粉末Ｇ２を供給しても良い。

このようにして形成された成型体Ｓ内に、従来技術で説明したように、加熱手段としての一対の電極からなるアーク放電装置がその上部から挿入され、電極に発生するアーク放電熱により、成型体Ｓの前記外層、内層原料粉末層Ｇ１、Ｇ２を溶融してシリカガラス層と成し、金型６内にシリカガラスルツボを製造する。このようにして、金型６内に形成されたシリカガラスルツボは、前記金型６から取り外され、二層構造のルツボとして完成品する。

なお、前記図６（ｂ）において、前記成型板４を支持フレーム２側に移動し、外層成型用板４ｂを外層原料粉末Ｇ１が積み上げられた側面部に押し当て表面を馴らすとと、外層原料粉末Ｇ１が底面部に落ち、また図６（ｃ）に示すように、側面部に内層原料粉末Ｇ２が積み上げられる際、内層原料粉末Ｇ２が底面部に落ち、その底面部に、図９（ａ）に示すような波状部が形成される場合がある。
この状態で外層原料粉末Ｇ１を底面部に供給すると、この波状部を完全に埋めるように外層原料粉末Ｇ１を供給できない場合がある。また、底面部において、外層原料粉末Ｇ１、内層原料粉末Ｇ２が混合してしまう。そのため、前記波状部を削除し、図９（ｂ）に示す原料粉末Ｇ１、Ｇ２が存在しない領域を円形状になす必要がある。この波状部を除去するため、図８に示すように、前記支持フレーム２に砂切り吸引部材２０を設けるのが好ましい。

この砂切り部材２０は、前記成型板４の場合と同様に、前記支持フレーム２に対して上下動及び前後動可能に形成されている。また、この砂切り吸引部材２０は、屈曲した砂切り板２１と、前記砂切り板２１の屈曲した部分に形成された吸引口２２ａと、前記吸引口２２ａに接続された吸引管２２と、吸引管２２に接続された、例えばポンプのような負圧発生手段とから構成されている。
そして、前記したように、砂切り板２１を波状部に当て、前記波状部を削除し、削除された外層原料粉末Ｇ１、Ｇ２を吸引管２２で吸い上げ、底面部を円形状になすのが望ましい。

なお、上記実施形態において用いた前記外層原料粉末Ｇ１、内層原料粉末Ｇ２とは、例えば平均粒径を互いに相違させたもの（Ｇ１：粗粒、Ｇ２：微粒）、あるいはまた種類を相違させたもの（Ｇ１：天然水晶、Ｇ２：合成シリカ）を意味する。
一例を挙げると、外側に供給する外層原料粉末Ｇ１として、例えば平均１００μｍの粗い粒子からなるシリカガラス原料粉末を用い、また内側に供給する内層原料粉末Ｇ２として、例えば平均５０μｍの細かい粒子からなるシリカガラス原料粉末を用いることで、外層に微小気泡を含むことで均一な熱分布を得られると共に、内層がほぼ無気泡で、表面が平滑な透明シリカガラス層を形成させた二層構造のシリカガラスルツボを得ることができる。

また、上記実施形態では、二層構造のシリカガラスルツボの製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、一層、あるいは２層以上のシリカガラスルツボの製造方法に適用することができるものである。
また、上記実施形態にあっては、シリカガラス製容器の側面部（外層、内層）を形成した後、底面部（外層、内層）を形成した場合を説明したが、外層の側面部、底面部を形成した後、内層の側面部、底面部を形成しても良い。
更に、原料供給ノズル、加熱手段としてのアーク放電装置を、本発明にかかるシリカガラスルツボの成型装置に組み込んでも良く、また別装置としても良い。

本発明はシリカガラス製容器成型体の成型装置及び成型方法並びにシリカガラス容器の製造方法として、好適に用いることができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかるシリカガラス製容器成型体の成型装置の側面図である。 図２は、図１に示した金型の側面図である。 図３は、図１に示した成型板の側面図である。 図４は、図１に示した成型板の平面図である。 図５は、内層粉末誘導路を示した斜視図である。 図６は、本発明の一実施形態にかかる製造工程を示した概略断面図である。 図７は、図６に続く製造工程を示した概略断面図である。 図８は、底部砂切り吸引部材を示す斜視図である。 図９は、シリカガラスルツボ底部の砂切り状態を示す平面図であって、（ａ）は砂切り前の状態を示す図、（ｂ）は砂切り後の状態を示す図である。 図１０は、従来のシリカガラスルツボを製造する各工程を断面図によって順に示した図であり、図１０（ａ）〜（ｅ）における上半部は垂直方向の中央断面状態を示し、（ａ）〜（ｄ）における下半部は、それぞれの水平方向の中央断面状態を示した図である。 図１１は、二層ルツボを示した断面図である。

符号の説明

１ 基台
１ａ 軸
２ 支持フレーム
３ 駆動手段
３ａ ピストン
３ｂ シリンダ
４ 成型板
４ａ 金属板
４ｂ 外層成型用板
４ｃ 内層成型用板
４ｄ 底部成型用板
４ｅ シリンダ
４ｆ ピストン
４ｇ 底部測定用レーザセンサ
４ｈ 側部測定用レーザセンサ
４ｉ 内層粉末誘導路
５ アーム
６ 金型
６ａ 回転軸
６ｂ 内壁
６ｃ 開口
６ｄ 外壁
６ｅ 空間部
６ｆ 排気管
７ 駆動手段（モータ）
２０ 砂切り吸引部材
２１ 砂切り板
２２ 吸引管
２２ａ 吸引口
Ａ シリカガラス製容器成型体の成型装置
Ｕ 原料供給ノズル
Ｇ１ 外層原料粉末
Ｇ２ 内層原料粉末

Claims (17)

1. シリカガラス製容器成型体の成型装置であって、
   基台と、前記基台に設けられた軸に回動可能に軸支された支持フレームと、前記支持フレームを起立状態と傾斜状態になす駆動手段と、前記支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられ、前記金型内に供給された原料粉末を成型する平板状の成型板と、前記基台に対して回転および傾斜可能に取り付けられた金型と、前記金型を回転及び傾斜駆動する駆動手段とを備えることを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型装置。
2. 原料粉末を金型内に供給する原料供給ノズルが、支持フレームに対して上下動及び前後動可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
3. 前記金型の内壁と外壁との間には空間部が設けられると共に、前記内壁には複数の開口が形成され、前記空間部には真空ポンプに接続された排気管が接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
4. 屈曲した砂切り板と、前記砂切り板の屈曲した部分に形成された吸引口と、前記吸引口に接続された吸引管とから構成された砂切り吸引部材が、金型に対して上下動及び前後動可能に、更に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
5. 前記成型板は、金属板と、前記金属板に取り付けられた外層成型用板と、前記外層成型用板が取り付けられた金属板の側端部と反対側の側端部には取り付けられた内層成型用板と、前記金属板の下部に設けられた底部成型用板とを備え、前記外層成型用板、内層成型用板、底部成型用板が合成樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
6. 前記成型板の外層成型用板の外縁部を外層原料粉末に押し付けることによって、外層原料粉末の内周側面部を規定し、内層用成型板の外縁部を内層原料粉末に押し付けることによって、内層の原料粉末の内周側面部を規定し、底部成型用板の外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付けることによって、外層及び内層原料粉末の底面部を規定することを特徴とする請求項５に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
7. 前記底部成型用板は前記金属板に対して上下動可能に形成され、内層用成型板と外層成型用板間に収容された状態と、突出した状態とをとり、
   底部成型用板が突出した状態で、底部成型用板の外縁部を外層原料粉末、内層原料粉末に押し付け、外層及び内層の原料粉末の底面部を規定することを特徴とする請求項５または請求項６に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
8. 前記内層用成型板の外縁部には、断面コ字状の内層原料粉末誘導路が内層用成型板の上下方向に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
9. 前記外層原料粉末が天然水晶であり、前記内層原料粉末が合成シリカであり、シリカガラス製容器がシリコン単結晶引上げ用ルツボであることを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型装置。
10. シリカガラス製容器成型体の成型方法であって、
    原料供給ノズルから原料粉末を、容器状の金型の内壁側面部に供給し、前記金型内に原料粉末を積み上げ、これに成型板を押し当て、シリカガラス製容器側面部を形成する側面部成型工程と、
    前記原料供給ノズルから原料粉末を、前記金型の底面部に供給し、前記金型内に原料粉末を積み上げ、成型板を原料粉末に押し当て、シリカガラス製容器の底面部を形成する底面部成型工程と、
    を含むことを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型方法。
11. 前記側面部成型工程が、異なる特性の原料粉末を用いて複数回行われることを特徴とする請求項１０に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型方法。
12. 前記側面部成型工程の最終回に、過剰の原料粉末を積み上げておき、これに成型板を押し当てることで、過剰分の原料粉末を前記底面部に移動せしめることを特徴とする請求項１１に記載されたシリカガラス製容器成型体の成型方法。
13. 前記請求項１乃至請求項９のいずれかのシリカガラス製容器成型体の成型装置を用いたシリカガラス製容器の成型方法であって、
    原料供給ノズルから原料粉末を、傾動した容器状金型の内壁側面部に供給し、前記金型を回転しながら原料粉末を積み上げる工程と、
    成型板を前記金型内に下降させると共に、前記成型板の外縁部を積み上げられた原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器側面部を形成する工程と、
    原料供給ノズルから原料粉末を、略起立状態の前記金型の底面部に供給し、前記金型を回転しながら原料粉末を底面部に積み上げる工程と、
    成型板を前記金型内に下降させると共に、前記成型板の外縁部を底面部に積み上げられた原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器底面部を形成する工程と、
    を含むことを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型方法。
14. 前記請求項５乃至請求項９の何れかのシリカガラス製容器成型体の成型装置を用いたシリカガラス製容器の成型方法であって、
    原料供給ノズルから第一の原料粉末を、傾動した容器状の金型の内壁側面部に供給し、前記金型を回転しながら第一の原料粉末を積み上げる工程と、
    成型板の外層成型用板を前記金型内に下降させ、前記外層成型用板の外縁部を積み上げられた第一原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器の外層側面部を形成する工程と
    原料供給ノズルから第二の原料粉末を、傾動した金型の内壁側面部に形成されたシリカガラス製容器外層側面部の上に供給し、前記金型を回転しながら第二の原料粉末を積み上げる工程と、
    原料供給ノズルから第一の原料粉末を、略起立状態の前記金型の底面部に供給し、金型を回転しながら第一の原料粉末を底面部に積み上げる工程と、
    成型板の底部成型用板を前記金型内に下降させ、前記成型板の外縁部を底面部に積み上げられた第一の原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器外層底面部を形成する工程と、
    成型板の内層成型用板を前記金型内に下降させ、前記成型板の内層成型用板の外縁部を積み上げられた第二の原料粉末に押し当て、表面を馴らすと共に厚みを調整し、シリカガラス製容器内層側面部を形成すると共に、前記厚みの調整で過剰分の第二の原料粉末を前記シリカガラス製容器外層底面部の上に移動させ、成型板の底部成型用板の外縁部を前記移動した第二の原料粉末に押し当て、シリカガラス製容器内層底面部を形成する工程とを順次行うことを特徴とするシリカガラス製容器成型体の成型方法。
15. 前記原料供給ノズルから第一の原料粉末を略起立状態の前記金型の底面部に供給する前に、前記金型の底面部に落下した第一及び第二の原料粉末を除去し、前記金型の底面部の原料粉末が存在しない領域を円形状にする工程を行うことを特徴とする請求項１４記載のシリカガラス製容器成型体の成型方法。
16. 前記第一の原料粉末が天然水晶であり、前記第二の原料粉末が合成シリカであり、シリカガラス製容器がシリコン単結晶引上げ用ルツボであることを特徴とする請求項１１乃至請求項１５のいずれかに記載されたシリカガラス製容器成型体の成型方法。
17. 前記請求項１０乃至請求項１６のいずれかのシリカガラス製容器成型体の成型方法の後に、前記原料粉末（前記第一の原料粉末及び前記第二の原料粉末）を加熱溶融することを特徴とするシリカガラス製容器の製造方法。

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