JP5080764B2 - 石英ガラス坩堝の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶の析出に至る石英ガラス坩堝の製造のための方法に関し、これにより、上へ開いた溶融型中で、ＳｉＯ_２外層が形成され、これが少なくとも一部、ＳｉＯ_２内層と共に設けられ、ここでは、該溶融型のプラズマ帯（プラズマ領域）中においてプラズマが点火され、該プラズマ帯は撒散管経由でＳｉＯ_２造粒を供給され、これは、該プラズマの作用下に軟化され、該外層へと向かう弾道で吹き付けられ、該内層に融合される。

石英ガラス坩堝は、受容器への金属溶融体の単結晶の析出により、所謂Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法に従い、チャージされる。この析出プロセスにより、該石英ガラス坩堝は、より長時間に亘り、高度に機械的、化学的、および熱的負荷の下に置かれる。該金属溶融体の侵襲的な攻撃を軽減させ、これに伴う該坩堝壁からの汚染の遊離を最小化させるために、該金属溶融体と接触したままの該坩堝の内層は、均一で気泡の少ないことが最も好ましい。

内層は通常、アーク撒散法により生成され、これは例えば、特許文献１から分かるとおりである。これによれば、金属製溶融型中でまず、坩堝の石英ガラス外型が製造され、この内壁上に、該坩堝の内層が生成される。ここで、該溶融型中で、アーク（プラズマ）が点火され、該アークの上部により撒散管が接続し、造粒が合成石英ガラス粉末の形で、回転している該外型中に撒き散らされる。該造粒は、該プラズマ中で溶融され、該プラズマから発生される圧の作用下に、該外型の内壁上に吹き付けられ、そこに沈着される。

該外壁上で撒き散らされる造粒の分配はここで、重力と該アークの圧の作用との協調により決まる。該アークの位置もしくは強さの変動により、該造粒沈着の場所が影響を受け得る。

該造粒の分配は、このようにしても尚、精確には再現されず、このため、該内層の壁の少しばらついた強さ、および、充分に溶融し切らない範囲が結果的に、造粒の意図されない堆積のために得られ、このことは、該内層中での望まれない気泡形成に至る。

その上問題なのは、該アークの圧の作用による該造粒の大きな空間での分配に反作用させるために、該撒散管が、該アークに相対的に密接に接続しなくてはならないことである。これにより、該アークの熱が尚、該撒散管の損傷もしくは変形に至り得、このことは、生産コストを上昇させる。

撒き散らされた造粒の一部が、該アークの範囲中の高温により蒸発し、溶融開始まで冷たいままの電極において濃縮してしまうことも、起こり得る。この濃縮したものは、該溶融過程の間に該電極から落下し得、蒸発もしくは気泡生成、およびこれゆえ坩堝の損傷に至り得る。

独国特許第１９７１０６７２号明細書

本発明はこの課題に対処し、この欠点を避け、特に、撒き散らされる造粒の定まった再現性ある分配に関する既知の方法を改良し、こうして、一様で障害の少ない内層を有する石英ガラス坩堝が、コスト面で有利に保たれ、または、該内層の範囲が適切に強化されるかもしくは付与され得るようにする。

この課題は、最初に知られた方法に基づく本発明により解決され、ＳｉＯ_２造粒の弾道が、ガス流の影響下に調整される。

本発明による方法は、上へ開いた溶融型中で、ＳｉＯ₂外層を形成し、これが少なくとも一部、ＳｉＯ₂内層と共に設けられ、ここで、該溶融型のプラズマ帯中でプラズマが点火され、該プラズマ帯に撒散管経由で、ＳｉＯ₂造粒を供給し、これが該プラズマの作用の下に軟化し、該外層に向かう弾道で吹き付けられ、該内層に溶融される、単結晶の析出のための石英ガラス坩堝の製造のための方法であって、該ＳｉＯ₂造粒の弾道が、圧縮空気から生産されるガス流の作用の下に調整されることを特徴とする。

前記ガス流は、前記撒散管を通して送られてもよい。
また、前記ガス流は、圧縮空気から生産されてもよい。
前記撒散管は、１つの陰極および少なくとも１つの陽極の電極としての鋭さにより張られるプラズマ平面より上５ｃｍ〜１５ｃｍの範囲中で終わっていてもよい。
前記ガス流の流速は、少なくとも２．０ｍ／ｓとなってもよい。
前記ガス流の流速は、最大６．５ｍ／ｓとなってもよい。
２０〜２４インチの大きさを有する石英ガラス坩堝の製造のためには、前記ガス流の流速が、３．０〜５．０ｍ／ｓの範囲中の値とされるのが好ましい。
２６〜３２インチの大きさを有する石英ガラス坩堝の製造のためには、前記ガス流の流速が、２．０〜３ｍ／ｓの範囲中の値とされるのが好ましい。
前記ガス流が、水蒸気を含有するのが好ましい。

既知の方法によれば、ＳｉＯ_２造粒の弾道は、重力により、および、該プラズマの圧の作用により定まる。重力およびプラズマの、該造粒の弾道へのこの影響は、本発明による方法により低減され、ここでは、該造粒が更なる運動衝撃を被り、これは、ガス流の圧により発生される。該ガス流は、与えられる方向に運動衝撃を保つように、該ＳｉＯ_２造粒へ作用し、これは、該造粒の弾道に、顕著に作用する。既知の方法に比較すると、この運動衝撃の強さおよび方向はこうして、該弾道の影響に対する更なるパラメータとなり、このことは、該造粒の与えられる沈着場所のより精確な維持、およびこれにより、撒き散らされるＳｉＯ_２造粒の再現性ある分配をも、可能にする。

該ＳｉＯ_２造粒上で作用するガス流、および、発生された運動衝撃の方向は通常、該プラズマの圧の作用とは反対の方向に向けられ、こうして、既知の方法に比較すると、該造粒の相対的な加速が結果的に、該プラズマ帯の方向となり、これは再び、該プラズマ帯から、該撒散管の開口部を、通常よりも遙か遠くに保つことを可能にする。これにより、該撒散管は、該プラズマの熱による損傷がより少なく、変形および損傷が避けられる。このことは、該撒散管の耐用時間およびこれゆえ生産コストに、有利に働く。

更に、ＳｉＯ_２造粒は、重力単独の作用に比較すると、更なる運動衝撃により加速されて、該プラズマ帯を通過され、こうして、該造粒の蒸発および濃縮の危険性ならびにこれに伴う蒸発もしくは気泡の発生が、避けられる。

該ガス流がＳｉＯ_２造粒の弾道への望ましい影響を持つには、大きなガス体積が必要であり、これは各々の場合、該造粒の体積を、遙かに凌駕する。２ｍ／ｓ程度の速いガス流流速も、適切である。

他方、該ガス流は、撒き散らされた造粒上および該プラズマ上で、冷えていく。該ガス流の冷えていく作用は特に、その製造の際、より自由度が大きくこれゆえ急激に冷え切っていく表面を有する大きな体積の石英ガラス坩堝に注意し、ここで、更なるガス冷却なしに、充分高い溶融温度の準備が、既に問題となり得る。該ガス流のうちの最適なものはここで、多くのパラメータに依存し、特に製造されるべき石英ガラス坩堝の大きさにも依存するが、各々の具体的な状態に関して、簡単な一連の実験により確認され得、最後部分の本実施例により、尚より詳細に説明されるとおりである。

該ＳｉＯ_２造粒はドープされないか、もしくは、ドープされる。ドープされる造粒のチャージにより、本発明による方法は、ドーパント物質の適切な分配もしくは堆積も可能にする。

方向付けられたガス流は、該撒散管からのＳｉＯ_２造粒の排出の際、これらに直接効果を及ぼし得る。該ガス流はここで、別個の管理により、供給され得る。建設的でより簡単な、方法論的により有利な方法が尚ここにあり、該ガス流を、該撒散管を通して管理する。

該ガス流はここで、該撒散管内でその全長上もしくは少なくともその一部分上に供給され、こうしてこれは該ＳｉＯ_２造粒と共に、その開口部から出る。これにより、該ＳｉＯ_２造粒の凝集を避け、この上該撒散管の冷却を効果的にし、こうしてこれが該プラズマにより熱せられても、この加熱はより弱い。該撒散管の移動により起こり得るガス供給管の新たな調整は必要でない。

上で既に言及されたように、該造粒の量および該プラズマ帯までの距離に依存して、大きなガス量が必要であり、これにより、該ガス流はその望ましい影響を該造粒の弾道に持つ。該ガス消費コストを考慮すると、該ガス流は好ましくは圧縮空気から生産される。

好ましくは、該撒散管は、陰極および少なくとも１つの陽極の電極としての鋭さにより張られる（画定される）プラズマ平面より上５ｃｍ〜１５ｃｍの範囲中で終わっている。

該陰極と少なくとも１つの該陽極との間において、該アークが点火される。これら電極の鋭さが上記プラズマ平面を張り、この下では該アークが通常どおりに広がり、こうして高温の範囲を画定する。この熱い範囲からの５ｃｍより小さな該撒散管の距離は、該撒散管の変形および損傷に至り得る。１５ｃｍの上限の上の距離では、特に大きなガス量が、該プラズマの圧の作用に対して充分有効なガス流の発生にとって必要であり、このことは、その生産コストに不利な影響を及ぼす。

本発明による方法の特に有利な実施の形態により、該ガス流の流速は少なくとも２ｍ／ｓとなる。

２ｍ／ｓ以下の流速では、該撒散管内のＳｉＯ_２造粒の凝集は尚有効に避けられ得るが、該ガス流は充分な衝撃なく、該ＳｉＯ_２造粒の弾道にも僅かな作用しか持たない。

更に、該ガス流の流速が最大６．５ｍ／ｓとなる場合がある。

より速い流速を有するガス流により、供給されるＳｉＯ_２造粒が、該プラズマ帯を非常に速く通過し、充分な溶融がもう望めないという危険性が存在している。この上、特に該撒散管からの排出の際に渦になり得、これは、該造粒の与えられた弾道および定められた衝突点の調節および保持を難しくさせる。

好ましくは、２０〜２４インチの大きさを有する石英ガラス坩堝の製造には、該ガス流の流速が、３．０〜５．０ｍ／ｓの範囲中の値とされる。

このスピード範囲が石英ガラス坩堝の製造には中程度の大きさの際には、特に、一方での該造粒弾道への明らかな影響を有する充分速いガス流と、他方でのその冷却および乱れの発展へのより小さな傾向を有する充分遅いガス流との間で適した妥協であることが分かる。

これに対して、２６〜３２インチの大きさを有する石英ガラス坩堝の製造には、該ガス流のややより遅い流速が、２．０〜３．０ｍ／ｓの範囲中の値を採るよう保つことが分かった。

このスピード範囲は、上に説明した理由から、特に大きな体積の石英ガラス坩堝の製造には、最適であることが分かる。これから、３２インチ程度の大きさの開口部の幅を有する石英ガラス坩堝の製造には、該ガス流スピードの最適値がややより低いことが結論づけられる。

該ガス流が水蒸気を含有すれば、本方法の更なる改良が結果的に得られる。

水蒸気が、該坩堝壁の石英ガラスの溶融特性を向上させ得ることが、示された。

本発明は以降、実施例および図面により、より詳細に説明される。

図１による溶融設備は、金型１を含み、これは外縁で支持体３上に載っている。支持体３は、中央軸４の周りを回転するものである。金型１中、陰極５および陽極６が突出し、矢印７により指し示されるように、金型１内側の全空間方向へ、本方法では向かっている。

更に、全空間方向へ向かって等しく（矢印７）、本方法の撒散管８が金型１中で突出し、これはＳｉＯ_２造粒２用リザーバー９と繋がれている。撒散管８の内径は１５ｍｍあり、これはプラズマ平面＜＜Ｐ＞＞より上約１０ｃｍで終わり、これは、電極５および６の鋭さにより画定される。

撒散管８は、圧縮空気の供給用のブランチ１０−矢印１１により表される−を備える。

次いで、本発明による石英ガラス坩堝の製造が一般的な形で、次いで、本発明の具体的な実施例により、より詳細に記載される。

第１の方法において、９０μｍ〜３１５μｍの範囲中の好ましい粒の大きさ（粒径）を有する天然の、熱塩素化によりきれいにされた石英からの結晶性造粒が、その中央軸４の周りを回転している金型１中へと注がれる。遠心力の作用下に原型により、金型１の内壁で、回転対称な坩堝を形成する石英造粒層１２が形成される。

第２の方法において、石英造粒層１２の内壁上で、＜＜アーク撒散法＞＞により、透明で気泡の少ない内層１４が調製される。ここで、撒散管８経由で、金型１の持続する回転下、天然原料からの高純度のＳｉＯ_２造粒２が、金型１中上から、撒き散らされる。同時に、陰極５と陽極６との間においてアークが点火され、これは図１において、プラズマ帯１３により、灰色を背景とした範囲として特徴付けられる。この撒き散らされたＳｉＯ_２造粒２は、プラズマ帯１３中に到達し、そこで軟化され、該アークから発生される圧により、石英造粒層１２の内壁に対して吹き付けられ、この上で、内層１４を形成しつつ、溶融し切る。これにより、該内壁の範囲中では、２１００℃を超える最高温度が達成され、こうして、溶融前線が外へ向かって、金型１の方向へと前進し、その結果として、内層１４が透明石英ガラスに融合し、その石英造粒層が不透明石英ガラスからできた外層に焼結される。該溶融現象は、該溶融前線が金型１に到達する前に、終了される。

こうして製造された石英ガラス坩堝の内側表面はこうして、ＳｉＯ_２からできた滑らかなガラス製の気泡の少ない内層から形成され、これは、不透明石英ガラスからできた外層と、硬く結合されている。

この方法の本発明に従った修飾は本質的に、撒散管８経由の圧縮空気１１の供給により、石英造粒層１２の内壁上のＳｉＯ_２造粒２の衝突範囲に影響を及ぼし、これにより、内層１４の均一性および再現性を向上させることを狙いとする。これは次に、２２インチ（２２”）坩堝および２８インチ（２８”）坩堝の製造により、例示的に説明される。

１．実施例／２２”坩堝の製造
ＳｉＯ_２造粒２の撒き散らしの際の最適な圧縮空気量の確認のために、ブランチ１０および撒散管８経由で供給された圧縮空気１１の量が、１０００Ｌ／時間〜４０００Ｌ／時間の間において変動される。このガス量により、結果的に、１５ｍｍの撒散管８の内径の考慮下に、理論ガス流速２．４ｍ／ｓ〜６．５ｍ／ｓが得られる（該撒散管中に供給された造粒は考慮せず）。

このように保たれた石英ガラス坩堝で各々、内層１４中の気泡体積が量られた（図２）。その測定は、２５００Ｌ／時間の圧縮空気量が、標準的な方法に比較するとより少ない気泡体積を有する同様な厚さ（約２．５ｍｍ）の内層に関して、最適な結果に至ることを示した。この少ない気泡体積の原因は、該圧縮空気によるＳｉＯ_２造粒２の噴射を通して、より大きな表面積が生成されることが考えられ、そのエネルギーはより少なくて済み、これにより、よりきれいにより速く溶融し切る。

更なるプラスの効果として、撒散管８のより少ない摩耗が結果的に生じ、これは、プラズマ帯１３までの、通常の５ｃｍの代わりに１０ｃｍの、比較的より大きな間隔を隔て、更なる圧縮空気冷却により、達成された。

その気泡体積測定の結果が、図２のダイヤグラムにより示される。そのｘ軸上に、内層１４の深さが＜＜μｍ＞＞（単位）表記され、そのｙ軸上に、その相対気泡体積＜＜ｒｅｌＶ_Ｂｌ＞＞が％（単位）表記される。

該ダイヤグラムは、全ての実験により、該気泡体積が、まず外側（０μｍ）から内側に向かってまずゆっくり増加することを示し、該実験各々に関するものから、内層の特定の厚さで飛躍的に増加することを示す。圧縮空気のチャージ下の全ての実験により、この増加は、参照用試作品（圧縮空気：＝０Ｌ／時間）によるよりも深い深さの内層にある。最良の結果は、２５００Ｌ／時間の圧縮空気量を用いて製造された坩堝を示す。これに対して、４０００Ｌ／時間の圧縮空気量は更なる向上を全くもたらさず、むしろ軽度の悪化を再びもたらす。

２．実施例／２８”坩堝の製造
当石英ガラス坩堝が、圧縮空気によるＳｉＯ_２造粒２の単独気泡と、水蒸気の供給との組み合わせのチャージの下、製造された。該水蒸気は、圧縮空気１１に加えて、約１．４ｋｇ／時間の量で供給され、沸点における水蒸気圧に対応している。該水蒸気はこれにより、それ自体の蒸気圧に基づいてのみ、内層１４の範囲中に到達し、該造粒のジェットスピードの加速のための担体ガスとしては利用されない。

ＳｉＯ_２造粒２の撒き散らしの際の最適圧縮空気量の確認のために、ブランチ１０および撒散管８経由で、２０００Ｌ／時間〜２５００Ｌ／時間の圧縮空気１１が供給され、このように保たれた石英ガラス坩堝で、内層１４中の気泡体積が各々測定され、圧縮空気チャージのないある１つの参照試作品と比較され、これは、上の実施例１により記載されるとおりである。

その結果が、図３のダイヤグラム中に示される。その測定結果は、ここで、２５００Ｌ／時間の圧縮空気量が、２０００Ｌ／時間の圧縮空気量よりも、明らかにより大きな気泡体積に至ったことを示す。このことは、ＳｉＯ_２造粒の不充分な溶融に引き戻され得、２８”石英ガラス坩堝においては、そのより大きな表面が、より強烈な過冷却に至り、これは、そのより多い圧縮空気量により、尚更に強化される。この坩堝の大きさにより、こうして、２０００Ｌ／時間の圧縮空気量を用いて製造された坩堝の気泡体積に関して、最良の結果を示した。

更なるプラスの効果としてここに、撒散管８のより少ない摩耗も結果的に得られ、これは、プラズマ帯１３まで、通常の５ｃｍの代わりに１０ｃｍの、比較的より大きな間隔を隔て、更なる圧縮空気冷却により、達成された。

このようにして調製された内層の気泡成長は、所謂＜＜真空ベークテスト＞＞（ＶＢＴテスト）により、確認評価された。この際、結晶析出プロセスにおける圧および温度条件が、類似される。該試作品がここで、４時間の長さ、１６００℃の温度に、１０ｍｂａｒの圧の下に保たれた。その結果が、その内層が圧縮空気のチャージなく溶融された参照用試作品と比較された。

これにより、水蒸気の添加なく製造された坩堝における気泡成長が、ややより強いことが分かった。同様に、圧縮空気も水蒸気もなく製造された参照用坩堝も、ややより強い気泡成長を示した。

１つずつ示す。
本発明による方法の実施に適した溶融設備である。 ２２”坩堝の内層中の気泡の分配に関するダイヤグラムである。 ２８”坩堝の内層中の気泡の分配に関するダイヤグラムである。

符号の説明

１ 金型
３ 支持体
４ 中央軸
５ 陰極
６ 陽極
７ 矢印
８ 撒散管
９ リザーバー
１０ ブランチ
１１ 圧縮空気
１２ 石英粒層
１３ プラズマ帯（プラズマ領域）
１４ 内層
Ｐ プラズマ平面

Claims (8)

1. 上へ開いた溶融型中で、ＳｉＯ₂外層を形成し、これが少なくとも一部、ＳｉＯ₂内層と共に設けられ、ここで、該溶融型のプラズマ帯中でプラズマが点火され、該プラズマ帯に撒散管経由で、ＳｉＯ₂造粒を供給し、これが該プラズマの作用の下に軟化し、該外層に向かう弾道で吹き付けられ、該内層に溶融される、単結晶の析出のための石英ガラス坩堝の製造のための方法であって、該ＳｉＯ₂造粒の弾道が、圧縮空気から生産されるガス流の作用の下に調整されることを特徴とする、方法。
2. 前記ガス流が、前記撒散管を通して送られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記撒散管が、１つの陰極および少なくとも１つの陽極の電極としての鋭さにより張られるプラズマ平面より上５ｃｍ〜１５ｃｍの範囲中で終わっていることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ガス流の流速が、少なくとも２．０ｍ／ｓとなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ガス流の流速が、最大６．５ｍ／ｓとなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. ２０〜２４インチの大きさを有する石英ガラス坩堝の製造のために、前記ガス流の流速が、３．０〜５．０ｍ／ｓの範囲中の値とされることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
7. ２６〜３２インチの大きさを有する石英ガラス坩堝の製造のために、前記ガス流の流速が、２．０〜３ｍ／ｓの範囲中の値とされることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
8. 前記ガス流が、水蒸気を含有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。

Images