JP5415297B2 - 石英ガラスルツボ製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、石英ガラスルツボ製造装置に関し、特に、アーク放電によって石英粉を加熱溶融してガラス化するために用いられる炭素電極に関する。

単結晶シリコンの引き上げに用いる石英ガラスルツボは主にアーク溶融法によって製造されている。この方法の概略は、カーボン製モールドの内表面に石英粉を一定厚さに堆積して石英堆積層である石英粉成形体を形成し、この石英粉成形体の上方に炭素電極を設置し、そのアーク放電によって石英堆積層を加熱、ガラス化して石英ガラスルツボを製造する方法である。

特許第３６４７６８８号公報にはアーク溶融による石英ガラスルツボの製造に関する技術が記載され、特開２００２−６８８４１号公報および特開２００１−０９７７７５号公報にはアーク放電用の電極に関する技術が記載されている。また、特開２００３−３３５５３２号公報にはアーク放電用の電極間距離に関する技術が記載されている。

特許第３６４７６８８号公報 特開２００２−６８８４１号公報 特開２００１−０９７７７５号公報 特開２００３−３３５５３２号公報

近年、半導体デバイス製造工程の効率化等の要請から、製造するシリコンウェーハ口径が３００ｍｍを超える程度まで大きくなっており、これに伴って大口径の単結晶シリコンを引き上げ可能な石英ガラスルツボが要求されている。また、半導体デバイスの微細化等の要請から、単結晶シリコンの特性に直接影響を与える石英ガラスルツボ内面状態等のルツボ特性の向上も強く要求されている。

しかし、３０インチ〜４０インチといった大口径の石英ガラスルツボを製造する際には、石英粉を溶融するために必要な電力量が増大し、これに伴って、アーク放電開始時に発生する電極の振動が無視し得ないものになってきた。アーク放電開始時に電極振動が発生した場合、アーク中を流れる電流が変化し、この電流変化がさらに電極を振動させ、電極振動の振幅がさらに大きくなる。その結果、発生するアークが不安定になり、溶融する石英粉状態に与える影響も無視できなくなるという問題がある。さらに、電極振動が大きくなった場合、振動により電極から剥離した微小片が落下して石英ガラスルツボ特性が悪化するという問題があった。また、電極振動の振幅が増大した場合には電極が破損する可能性があるという問題があった。

電極の振動を防止するためには、電極を高強度の材料に変更する、電極径を拡大する等、電極強度を増すことが考えられる。しかし、石英ガラスルツボの製造に用いるアーク放電電極は、この電極自体が消耗してその組成が石英粉溶融雰囲気に放出され、ルツボ特性に影響を与えるため、炭素電極以外のものは使用できない。また、電極径を拡大した場合には電力密度が低下し、結果的にアーク出力が低下してしまうため、処理温度が低下して、処理状態が不安定になりルツボ特性に悪影響を与える可能性がある。また、この処理温度低下によって、発生するヒューム（シリカ蒸気）が電極の上部に付着し、この付着物が落下して石英ガラスルツボ特性が悪化する可能性があるため、このような手段は採用できない。なお、このような電極振動による影響はルツボ口径の増大に伴うアーク出力の増大によって初めて顕在化したものである。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
１．電極振動の発生を防止すること。
２．通電開始時におけるアーク発生の容易化とその後の安定化を図ること。
３．ルツボ特性の悪化を防止し、その向上を図ること。
４．大出力アーク溶融に対応可能な炭素電極を提供すること。

上記課題を解決するため、本発明の石英ガラスルツボ製造装置は、アーク放電によって原料粉を加熱溶融する複数の炭素電極を備え、前記炭素電極の先端部の直径Ｒ２と基端部の直径Ｒ１との比Ｒ２／Ｒ１の値が０．６〜０．８の範囲に設定されてなる。

本発明において、前記炭素電極の先端には軸線と略直交する平坦面が設けられていることがより好ましい。

本発明は、前記炭素電極の先端位置に設けられ基端部側の直径Ｒ３から前記先端部の直径Ｒ２まで縮径する縮径部の長さＬ１、前記先端部の直径Ｒ２、前記基端部の直径Ｒ１、前記炭素電極の軸線どうしがなす角度θ１、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、Ｌ１−（Ｘ／tan（θ１／２））の値が、５０〜１５０ｍｍの範囲となることが好ましい。

また、本発明において、前記縮径部の基端部側の直径Ｒ３と前記炭素電極の基端部の直径Ｒ１との比Ｒ３／Ｒ１の値が０．８〜１の範囲に設定されてなることが好ましい。

また、本発明において、前記縮径部の側周面が前記平坦面となす角度α、前記縮径部における長さＬ１、前記先端部の直径Ｒ２、前記基端部の直径Ｒ１、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、
tan（９０−α）＝Ｘ／（Ｌ１−５０）〜Ｘ／（Ｌ１―１５０）
の関係を満たすことが好ましい。

本発明においては、前記炭素電極の軸線どうしがなす角度であるθ１の２分の１が５°〜２０°の範囲とされ、かつ、前記縮径部の側周面が前記平坦面となす角度αに対して、θ１＞２×（９０−α）の関係を満たすことが望ましい。

本発明の石英ガラスルツボ製造装置は、アーク放電によって原料粉を加熱溶融する複数の炭素電極を備えた石英ガラスルツボ製造装置において、前記炭素電極の先端部の直径Ｒ２と基端部の直径Ｒ１との比Ｒ２／Ｒ１の値が０．６〜０．８の範囲に設定されており、アーク放電という極めて激烈な環境で電極強度を維持するために必要な電極直径Ｒ１と、安定したアーク放電を得るために好適な電力密度を得るために必要な先端部の直径Ｒ２を有している。そのため、通電開始時における電極振動を防止するとともに放電中に安定したアーク発生を維持して石英ガラスルツボ製造に必要な熱源を提供することができる。

ここで、炭素電極の形状としては、ほぼ円柱状とされ、先端部のみが直径Ｒ１からＲ２に縮径しているもの、先端部のみが直径Ｒ１よりも小さい均一直径とされるか、先端部のみが直径Ｒ１よりも小さくＲ２よりも大きな直径から縮径するように先端部のみが細くなるように段が形成されたもの、その全長にわたって直径がＲ１からＲ２へ縮径するもの等を好ましく用いることができる。

本発明において、前記炭素電極の先端には軸線と略直交する平坦面が設けられているので、平坦面の外周部からのアーク発生を容易にするとともにアーク放電を安定して発生させることが可能となる。これにより、製造する石英ガラスルツボの特性（品質）を向上することが可能となり、半導体単結晶引き上げに用いて好適な石英ガラスルツボを提供することが可能となる。

本発明において、ルツボ特性とは、ルツボ内表面におけるガラス化状態、および、厚さ方向における気泡分布及び気泡の大きさ、ＯＨ基の含有量、アルカリ金属類、アルカリ土類金属類、重金属類などの不純物含有量、および、これらのルツボ高さ方向における不均一などの分布状態など、石英ガラスルツボで引き上げた単結晶シリコンの特性に影響を与える要因を意味するものである。

本発明は、前記炭素電極の先端位置に設けられ基端部側の直径Ｒ３から前記先端部の直径Ｒ２まで縮径する縮径部における長さＬ１、前記先端部の直径Ｒ２、前記基端部の直径Ｒ１、前記炭素電極の軸線どうしがなす角度θ１、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、Ｌ１−（Ｘ／tan（θ１／２））の値が、５０〜１５０ｍｍの範囲となるように設定されている。そのため、いずれか一の炭素電極を他の炭素電極に接触させた場合に１カ所のみで接触する形状とすることができる。いいかえると、電力供給開始からアーク放電中において、１つの炭素電極と他の１つの炭素電極との最近接距離を有する部分が、一点、または、１つの線状部分、あるいは１つの面状となる１カ所のみとなるように径寸法Ｒ３，Ｒ２の値が設定されることで、この最近接距離となる部分においてアーク放電を発生させることができ、アーク発生を容易にするとともにアーク放電を安定して発生させることが可能となる。

また、本発明において、前記縮径部の基端部側の直径Ｒ３と前記炭素電極の基端部の直径Ｒ１との比Ｒ３／Ｒ１の値が０．８〜１の範囲に設定されてなることにより、最近接距離を有する部分が１カ所となり、不平等電界により電極の先端部以外から放電することを防止してより安定したアーク発生を得ることができる。

また、前記縮径部の側周面が前記平坦面となす角度αと、前記縮径部における長さＬ１と、前記先端部の直径Ｒ２と前記基端部の直径Ｒ１とが、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、
tan（９０−α）＝Ｘ／（Ｌ１−５０）〜Ｘ／（Ｌ１―１５０）
の関係を満たすように設定されてなることにより、不平等電界により電極の先端部以外から放電することを防止してより安定したアークを発生することができる。

本発明においては、前記炭素電極の軸線どうしがなす角度であるθ１の２分の１が５°〜２０°の範囲とされ、かつ、前記縮径部の側周面が前記平坦面となす角度αに対して、θ１＞２×（９０−α）の関係を満たすように設定されてなることにより、他の炭素電極に接触させた場合に１カ所のみで接触する形状、または、電力供給開始からアーク放電中においては他の１つの炭素電極との最接近距離を有する部分が、一点、または、１つの線状部分、あるいは１つの面状となる１カ所のみとなるようにして、この最近接距離となる部分においてアーク放電をおこない、電極振動を防止するとともに、アーク発生を容易にするとともにアーク放電を安定して発生させることが可能となる。

なお、本発明の石英ガラスルツボ製造装置においては、いわゆる溶射法と称されるアーク放電中に石英粉を追加する製造方法、および、回転モールド法と称されアーク放電中に石英粉を追加しない製造方法のいずれの方法でも適応することが可能である。

本発明によれば、電極振動を防止するとともに、アーク発生を容易にするとともにアーク放電を安定して発生させることが可能となるため、口径サイズが増大した大口径ルツボであっても、発生させたアーク火炎により溶融した石英ガラスルツボ内表面における特性の面内バラツキ、あるいは、ルツボ表面特性の悪化を防止することができるという効果を奏することが可能となる。

本発明に係る石英ガラスルツボ製造装置の一実施形態を示す模式正面図である。 本発明に係る石英ガラスルツボ製造装置の一実施形態における炭素電極を示す模式図である。 図２における炭素電極の先端部分の拡大図である。 本発明に係る石英ガラスルツボ製造装置の一実施形態における炭素電極の位置を示す模式図である。 本発明に係る石英ガラスルツボ製造装置の一実施形態における接触状態の炭素電極の先端部分を示す拡大模式図である。 本発明の他の実施形態における石英ガラスルツボ製造装置の炭素電極の先端部分を示す模式図である。 本発明の他の実施形態における石英ガラスルツボ製造装置の炭素電極を示す模式図である。

以下、本発明に係る石英ガラスルツボ製造装置の一実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態における石英ガラスルツボ製造装置の一部を示す模式正面図であり、図１において、符号１は、アーク放電装置を含む石英ガラスルツボ製造装置である。

本実施形態の石英ガラスルツボ製造装置１は、２４インチ以上、特に３２〜５０インチ程度の口径を有する石英ガラスルツボの製造に利用されるが、非導電体をアーク溶融するための装置であれば、被溶融物種類、ルツボ口径、装置出力、および、熱源としての用途は限定されるものではなく、この構成に限られるものではない。

図１に示すように、本実施形態の石英ガラスルツボ製造装置１は、石英ガラスルツボの外形を規定するモールド１０を有し、モールド１０は図示しない回転手段によって回転可能とされ、回転するモールド１０の内部に原料粉（石英粉）が所定厚さに充填されて石英粉成形体１１とされる。このモールド１０の内部には、その内表面まで貫通するとともに他端が図示しない減圧手段に接続された通気孔１２が複数設けられ、石英粉成形体１１内部を減圧可能となっている。モールド１０の上側には図示しない電力供給手段に接続されたアーク加熱用の炭素電極１３，１３，１３が設けられ、石英粉成形体１１を加熱可能とされている。３本の炭素電極１３，１３，１３は、電極位置設定機構２０により、図中矢印Ｔで示す上下方向の位置および矢印Ｔ２で示す電極間距離Ｄを設定可能とされている。

ここで、石英粉とは、石英に限らず、二酸化ケイ素（シリカ）を含む、水晶、珪砂等、石英ガラスルツボの原材料として周知の材料の粉体をも含むものとし結晶状態、アモルファス、ガラス状態であるものを全て含み、その内部構造は石英のみに限定されないものとする。

石英ガラスルツボ製造装置１は、３００ｋＶＡ〜１２，０００ｋＶＡの出力範囲で、複数の炭素電極１３，１３，１３によりアーク放電によって非導電性対象物（石英粉）を加熱溶融する高出力の装置である。

電極位置設定機構２０は、図１に示すように、炭素電極１３，１３，１３を、その電極間距離Ｄを設定可能として支持する支持部２１と、この支持部２１を水平方向に移動可能とする水平移動手段と、複数の支持部２１およびその水平移動手段を一体として上下方向に移動可能とする上下移動手段とを有するものとされ、支持部２１においては、炭素電極１３が角度設定軸２２周りに回動可能に支持され、角度設定軸２２の回転角度を制御する回転手段を有している。炭素電極１３，１３の電極間距離Ｄを調節するには、図１の矢印Ｔ３で示すように回転手段により炭素電極１３の角度を制御するとともに、水平移動手段により支持部２１の水平位置を制御する。また、上下移動手段によって支持部２１の高さ位置を制御して電極の先端部１３ａの石英粉成形体１１上端位置（モールド開口上端位置）に対する高さ位置Ｈを制御することが可能となる。

なお、図１では左端の炭素電極１３を支持する支持部２１のみを示しているが、他の炭素電極１３も同様の構成によって支持されており、個々の炭素電極１３の高さも個別に制御可能とすることができる。

図２は、本実施形態における石英ガラスルツボ製造装置１の炭素電極１３を示す模式図、図３は、図２に示した炭素電極１３の先端部分の拡大図である。

本実施形態の炭素電極１３は略円柱棒状体であり、基端部１３ｂ側が略均一直径Ｒ１とされ、この基端部１３ｂの直径Ｒ１と先端部１３ａの直径Ｒ２との比Ｒ２／Ｒ１の値が０．６〜０．８の範囲に設定されてなり、先端部１３ａに炭素電極１３の軸線１３Ｌと略直交する平坦面１３ｄが設けられるとともに、この先端部１３ａに縮径部１３ｃが設けられ、先端部１３ａの直径Ｒ２＜Ｒ１とされる。

本実施形態において縮径部１３ｃは略円錐台形状であり、基端部１３ｂ側の直径Ｒ３から先端部１３ａの直径Ｒ２まで徐々に縮径するとともに、この縮径部１３ｃの長さＬ１が、基端部１３ｂの直径Ｒ１と先端部１３ａの直径Ｒ２と、前記炭素電極１３の軸線１３Ｌどうしがなす角度であるθ１とに対して、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、Ｌ１−（Ｘ／（tanθ１／２））の値が、５０〜１５０ｍｍの範囲、好ましくは５０〜１００ｍｍの範囲に設定されている。縮径部１３ｃは、その基端部側の直径Ｒ３と前記炭素電極の基端部の直径Ｒ１との比Ｒ３／Ｒ１の値が０．８〜１の範囲に設定される。

本実施形態においては、縮径部１３ｃの基端部側の直径Ｒ３が基端部１３ｂの直径Ｒ１と等しい状態とされている。

また、縮径部１３ｃの側周面１３ｅが平坦面１３ｄとなす角度α、縮径部１３ｃの長さＬ１、基端部１３ｂの直径Ｒ１、先端部１３ａの直径Ｒ２、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、これらの値は、
tan（９０°−α）＝Ｘ／（Ｌ１−５０）〜Ｘ／（Ｌ１―１５０）
の関係を満たすように設定されている。また、本実施形態においては基端部側の側周面１３ｍが前記平坦面１３ｄとなす角度βが９０°に設定されている。

図４は、本実施形態における石英ガラスルツボ製造装置の炭素電極位置を示す模式図である。

炭素電極１３，１３，１３は、例えば、三相交流（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）のアーク放電をおこなうよう同一形状の電極棒とされ、図１，図４に示すように、下方に頂点を有する逆三角錐状となるとともに、それぞれ電極棒の軸線１３Ｌどうしが角度θ１をなすように設けられている。

図５は、本実施形態における石英ガラスルツボ製造装置において接触状態の炭素電極１３の先端部分を示す拡大模式図である。なお、各炭素電極１３の接触状態は、電極位置設定機構２０の水平移動手段によって支持部２１を水平に移動させ、電極間距離Ｄをゼロにすることによって得られるものである。

図５に示すように、炭素電極１３は、電力供給開始時において炭素電極１３どうしが接触した場合に、側周面１３ｅが炭素電極１３の軸線１３Ｌとなす角度θ２は、その接触位置が縮径部１３ｃの範囲内に位置するように設定され、好ましくはθ１＞２×θ２とされるが、たとえば、この角度がθ１＝２×θ２とされて接触位置が円錐台となる縮径部１３ｃと均一径部分との境界付近まで位置している場合でも、接触位置が縮径部１３ｃの範囲内に位置することが可能な範囲であればこの限りではない。なお、θ２＝９０°−αである。

縮径部１３ｃの長さＬ１は、先端部１３ａから接触位置までの距離Ｌ２に対して、Ｌ２＜Ｌ１となるとともに、先端部１３ａから接触位置までの距離Ｌ２は、炭素電極１３の直径Ｒ１に対して、比Ｌ２／Ｒ１が０〜０．９の範囲となるよう設定される。もちろん、これらＬ１およびＬ２は、炭素電極１３の軸線１３Ｌどうしの角度θ１および側周面１３ｅが炭素電極１３の軸線１３Ｌとなす角度θ２に依存するので、上記の条件を満たすように、これらの範囲が設定されることになる。

炭素電極１３は、均一径部分である基端部１３ｂにおける直径Ｒ１とアーク放電単位時間（１分）当たりに消耗する長さＬＬとの比ＬＬ／Ｒ１が０．０２〜０．６の範囲となるよう設定されている。炭素電極１３の直径Ｒ１は、アーク放電の出力と、石英ガラスルツボの口径（大きさ）によって規定される溶融するべき原料粉の量と、溶融処理の温度等の条件と、必要なアーク放電持続時間と、必要な電極強度から決定されるが、これに加えて、電極振動発生防止の観点から、炭素電極１３の直径Ｒ１を規定するものである。具体的には、３２インチの石英ガラスルツボの製造においては、６０分で１２０ｍｍ程度、つまり、１分あたり２ｍｍ程度であり、この際の炭素電極１３の直径Ｒ１は、φ２０〜１２０ｍｍとされる。

炭素電極１３は、粒子径０．３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０５ｍｍ以下の高純度炭素粒子によって形成されて、その密度が１．３０〜１．８０ｇ／ｃｍ^３ 、あるいは１．３０〜１．７０ｇ／ｃｍ^３のとき、電極各相に配置した炭素電極相互の密度差が０．２ｇ／ｃｍ^３以下とされることができ、このように高い均質性を有していることによって、発生したアークが安定であり、炭素電極１３の局部的な欠落を防止できる。

炭素電極１３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を炭化した混練物を用いて、押し出し成形やＣＩＰ成形により形成することが出来る。炭素電極１３は全体的に円柱形状であり、先端部が先細りの形状に形成される。例えば押出し成形によるカーボン電極の製造方法では、目的とする粒子径が得られるように調整されたカーボン質原料と結合材とを加熱混練し、加熱混練して得られる混練物を１３０〜２００℃で押出し成形し、これを焼成後２６００〜３１００℃で黒鉛化した黒鉛材料を得、これを加工した後、２０００℃以上の加熱下で塩素などのハロゲン系ガスにより純化処理する手段を採用することができる。ＣＩＰ成形によるカーボン電極の製造方法では、目的とする粒子径が得られるように調整されたカーボン質原料と結合材とを加熱混練し、得られる混練物を粉砕し、篩分し、得られた２次粒子をＣＩＰ成形し、これを焼成後、２６００〜３１００℃で黒鉛化して黒鉛材料を得、これを加工した後、２０００℃以上の加熱下で塩素などのハロゲン系ガスにより純化処理する手段を採用することができる。

そして、炭素電極１３の先端部付近は、上記形状となるように研削等により整形処理される。

本実施形態の石英ガラスルツボ製造装置１は、石英ガラスルツボ製造時にアーク放電をおこなう際、各炭素電極１３どうしが角度θ１を保ったまま電極の先端の距離を最適位置に制御して、各炭素電極１３の電力密度が４０〜１，７００ｋＶＡ／ｃｍ^２ 、より好ましくは４０〜４５０ｋＶＡ／ｃｍ^２となるように電力供給をおこなう。

具体的には、直径Ｒ２に設定された炭素電極１３に対して、３００〜１２，０００ｋＶＡの電力を供給する。電力密度が上記の範囲以下であると安定したアークを持続することができないが、この範囲であると、電極振動の増大原因となるローレンツ力を許容範囲内におさめることが可能となるため、発生した電極振動を収束させることが可能となる。

ここで、電力密度とは、炭素電極１３において、電極中心軸１３Ｌに直交する電極断面の単位断面積あたりに供給される電力量を意味する。具体的には、電極の先端部１３ａから軸方向長さ１５〜２５ｍｍ程度、好ましくは２０ｍｍの位置において電極中心軸１３Ｌに直交する電極の断面積に対する１本の電極に供給する電力の比
供給電力量（ｋＶＡ）／電極断面積（ｃｍ^２ ）
で表される。

本実施形態の石英ガラスルツボ製造装置１によれば、上述したように炭素電極１３の形状を設定し、同時に、電力供給時およびアーク発生時の電極位置を設定したことにより、平坦面１３ｄの外周部１３ｄａ位置において炭素電極１３どうしの電極間距離を最短として、先端部１３ａ以外での放電発生と電極振動発生を同時に防止するとともに、アーク発生に最適な電流密度を実現してアーク発生を容易にし、かつ、アーク放電を安定して発生させることが可能となる。このように安定したアークを実現できることにより、被溶融物であるルツボ内表面に炭素電極１３からの微小片が落下して内部に取り込まれることを防止することもできる。

本実施形態の石英ガラスルツボ製造装置１によれば、炭素電極１３の形状を設定したことで、電力密度を最適な範囲とすることができるため、アーク放電の出力と、石英ガラスルツボの口径（大きさ）によって規定される溶融するべき原料粉の量と、溶融処理の温度等の条件と、必要なアーク放電持続時間と、必要な電極強度と、電極振動発生防止の条件を同時に満たして、アーク溶融に必要な熱量を石英粉成形体１１溶融に供給できるアーク火炎が発生できるとともに、同時に、電極振動を防止することができるという効果を実現することが可能となる。

なお、本実施形態においては、縮径部１３ｃの基端部側の直径Ｒ３が均一直径Ｒ１と同じで、縮径部１３ｃが円錐台形状のものを示したが、次のような構成も可能である。

図６は、本発明の他の実施形態における石英ガラスルツボ製造装置の炭素電極の先端部分を示す模式図である。

図６に示すように、他の実施形態としての炭素電極１３Ａは、直径Ｒ３＜Ｒ１とされ、かつ、縮径部１３ｃは円錐台状とされる。つまり、基端部１３ｂ側の均一径部分と縮径部１３ｃとが段を形成するようにすることも可能である。この場合、角度α、角度βはそれぞれ、上述した条件を満たすように設定することができる。また、平坦面１３ｄの外周部１３ｄａと段部を形成する均一径部分の端部外周部１３ｂａとを結んだ面１３Ｌ２と、電極軸線１３Ｌとのなす角度θ３が、上記のαまたはθ２と同様に設定されることもできる。

また、本発明の炭素電極としては、図７に示すように、アーク放電をおこなう先端部１３ａを有する棒状の電極１３Ｅ１と、この電極１３Ｅ１に接続される複数の電極１３Ｅ２，１３Ｅ２によって形成される連結構造の炭素電極１３Ｅを用いることも可能である。この際、電極１３Ｅ１の先端部１３ａは、上述したようにその先端形状を設定されるとともに、電極１３Ｅ１の基部の直径と、電極１３Ｅ２外形の直径はいずれもＲ１として等しく設定される。

炭素電極１３Ｅには、その基端側となる電極１３Ｅ１の一端(図示右端)にメネジ部１３Ｅａが設けられており、他端(図示左端)には縮径部が形成されている。電極１３Ｅ２の両端にはそれぞれメネジ部１３Ｅａとオネジ部１３Ｅｂが形成されており、電極１３Ｅ１と電極１３Ｅ２はこのメネジ部１３Ｅａとオネジ部１３Ｅｂで連結して継ぎ足せるように形成されている。

以下、本発明の実施例について説明する。

＜実施例１＞
本発明の石英ガラスルツボ製造装置を用いて、表1に示すＲ２がそれぞれ異なる条件にてアーク放電をおこなって石英ガラスルツボを製造し、振動発生の有無、電極へのヒューム付着有無を目視で判断し比較した。その結果を表1に示す。ここで、判定とは、石英ガラスルツボの製造に最も好ましいアークの安定度合いのものを◎とし、好ましいものを○とし、好ましくないものを×とした。
ルツボ口径；３２インチ
出力；３，０００ｋＶＡ
処理時間；３０分
電極形状；先端円錐台
θ１／２；１０°
θ２；４°
炭素電極直径Ｒ１；５０ｍｍ
炭素電極における電力密度Ｐ／Ｒ２；１５３〜６１１ｋＶＡ／ｃｍ^２

上記の結果から、Ｒ２／Ｒ１＜０．６では、アーク放電開始時に振動が発生し、アークが不安定であることがわかった。また、Ｒ２／Ｒ１＞０．８では、アーク放電は安定するものの、シリカヒュームが付着しやすいため、不適であることがわかった。

＜実施例２＞
Ｒ２を３０ｍｍの一定値とし、Ｌ１を変化させた点以外は上記の実施例１と同様の条件にてアーク放電をおこなって石英ガラスルツボを製造し、振動発生の有無、電極へのヒューム付着有無を目視で判断し比較した。その結果を表２に示す。

上記の結果から、Ｌ１−Ｘ／ｔａｎ（θ１／２）が５０ｍｍ以上であれば、安定したアークを得ることができることがわかった。ただし、Ｌ１−Ｘ／ｔａｎ（θ１／２）をあまり大きくしても、電極加工製造コストの観点から好ましくないため、Ｌ１−Ｘ／ｔａｎ（θ１／２）＜１５０ｍｍ程度が良好である。

＜実施例３＞
Ｒ２を３０ｍｍの一定値とし、Ｒ３を変化させた点以外は上記の実施例１と同様の条件にてアーク放電をおこなって石英ガラスルツボを製造し、振動発生の有無、電極へのヒューム付着有無を目視で判断し比較した。その結果を表３に示す。

上記の結果から、Ｒ３／Ｒ１＜０．８では、振動が発生するためアークが不安定となることがわかった。
＜実施例４＞
Ｒ２を３０ｍｍの一定値とし、θ１を変化させた点以外は上記の実施例１と同様の条件かつ電極先端角θ=４°にてアーク放電をおこなって石英ガラスルツボを製造し、振動発生の有無、電極へのヒューム付着有無を目視で判断し比較した。その結果を表４に示す。

上記の結果から、θ１／２が５°以下の場合、電極の先端部以外からもアークが飛ぶため、振動が発生してしまい、好ましくないことがわかった。θ１／２が２０°を超える場合、電極にフュームが付きやすいため、好ましくないことがわかった。

Ｒ２＝Ｒ１の条件では、アークがいろんなところから飛ぶので不具合があり、また、Ｒ２＜０．６Ｒ１ の条件では、電極が細すぎて振動が起こるため好ましくない。本質的には、０．７Ｒ１以下の領域を５０〜１００ｍｍにすることが重要であることがわかった。

Claims (14)

1. アーク放電によって原料粉を加熱溶融する複数の炭素電極を備えた石英ガラスルツボ製造装置において、
   前記炭素電極の先端部の直径Ｒ２と基端部の直径Ｒ１との比Ｒ２／Ｒ１の値が０．６〜０．８の範囲に設定されてなり、
   前記炭素電極の先端には軸線と略直交する平坦面が設けられており、
   前記炭素電極は、先端位置に設けられ基端部側の直径Ｒ３から前記先端部の直径Ｒ２まで縮径する縮径部を有し、
   前記縮径部の長さＬ１と、前記先端部の直径Ｒ２と前記基端部の直径Ｒ１とが、前記炭素電極の軸線どうしがなす角度をθ１、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、Ｌ１−（Ｘ／tan（θ１／２））の値が、５０〜１５０ｍｍの範囲となるように設定されてなることを特徴とする石英ガラスルツボ製造装置。
2. 前記縮径部の基端部側の直径Ｒ３と前記炭素電極の基端部の直径Ｒ１との比Ｒ３／Ｒ１の値が０．８〜１の範囲に設定されてなることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスルツボ製造装置。
3. 前記縮径部の側周面が前記平坦面となす角度αと、前記縮径部における長さＬ１と、前記先端部の直径Ｒ２と前記基端部の直径Ｒ１とが、Ｘ＝（Ｒ１−Ｒ２）／２としたとき、
   tan（９０−α）＝Ｘ／（Ｌ１−５０）〜Ｘ／（Ｌ１―１５０）
   の関係を満たすように設定されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の石英ガラスルツボ製造装置。
4. 前記炭素電極の軸線どうしがなす角度であるθ１の２分の１が５°〜２０°の範囲とされ、かつ、前記縮径部の側周面が前記平坦面となす角度αに対して、θ１＞２×（９０−α）の関係を満たすように設定されてなることを特徴とする請求項３記載の石英ガラスルツボ製造装置。
5. 石英ガラスルツボの外形を規定するモールドと、
   前記炭素電極の位置を設定する電極位置設定機構とを備え、
   前記炭素電極は、前記モールドの上側に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボ製造装置。
6. 前記電極位置設定機構は、前記炭素電極の電極間距離を設定可能として支持する支持部を有することを特徴とする請求項５記載の石英ガラスルツボ製造装置。
7. 前記支持部は、炭素電極を回動可能に支持する角度設定軸と、前記炭素電極の回転角度を制御する回転手段を有することを特徴とする請求項６記載の石英ガラスルツボ製造装置。
8. 前記電極位置設定機構は、前記支持部を水平方向に移動可能とする水平移動手段と、複数の支持部および前記水平移動手段を一体として上下方向に移動可能とする上下移動手段とをさらに有することを特徴とする請求項６又は７記載の石英ガラスルツボ製造装置。
9. 前記複数の炭素電極は、下方に頂点を有する逆三角錐状に配置された３本の炭素電極からなることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスルツボ製造装置。
10. 前記炭素電極の軸線どうしがなす角度θ１の２分の１が５°〜２０°の範囲に設定されていることを特徴とする請求項９記載の石英ガラスルツボ製造装置。
11. 前記縮径部の側周面が前記平坦面となす角度αに対して、θ１＞２×（９０−α）の関係を満たすことを特徴とする請求項１０記載の石英ガラスルツボ製造装置。
12. 各炭素電極は、１つの炭素電極を他の１つの炭素電極に接触させた場合に１カ所のみで接触するように設けられていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボ製造装置。
13. 前記複数の炭素電極は、１つの炭素電極が他の１つの炭素電極に最も接近する部分が１カ所のみとなるように設けられていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボ製造装置。
14. 前記炭素電極は、第１の炭素電極と、前記第１の炭素電極の基端部に接続される第２の炭素電極を含み、前記第１の炭素電極の先端部に縮径部が設けられていることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボ製造装置。

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