KR101485144B1 - 석영유리도가니의 제조방법 - Google Patents

Abstract

단결정을 인발하기 위한 석영유리도가니의 제조방법에 관한 것으로서, 내부, 외부 및 내부와 외부 사이의 통로를 지닌 벽을 포함하는 용융몰드를 제공하고, 제 1조립 SiO₂입자로 구성된 외층입자를 제공하고 용융몰드 벽 내부에 외층입자로부터 외부입자층을 형성하고, 제 2 미세 SiO₂입자로 구성된 장벽층입자를 제공하고 외부입자층의 장벽층입자로부터 장벽입자층을 형성하고, 용융몰드 벽 외부에 부압을 가하고, 투명 내부층의 석영유리도가니 형성으로 외부입자층과 장벽입자층 가열하는 단계를 포함한다.

상기 방법으로부터, 균일한 내부층을 지닌 가능한 얇고 균일한 밀봉층의 제조를 위하여, 본 발명에 있어서 장벽층입자의 SiO₂입자는 50㎛미만의 평균 입자 크기(D₅₀ 값)를 가져야하며 장벽입자층의 형성은 장벽층입자를 외부입자층에 고정시키는 단계를 반드시 포함하고 있다.

석영유리도가니, 단결정, 인발, 용융몰드, SiO2

Description

석영유리도가니의 제조방법 {Method of Producing a quartz glass crucible}

본 발명은 단결정의 인발을 목적으로 하는 석영유리도가니의 제조방법에 관한 것으로, (a) 내부, 외부, 내부 및 외부 사이의 통로를 지닌 벽을 포함하는 용융몰드 제공하는 단계; (b) 제 1 조립 SiO₂입자로 이루어진 외층 입자를 제공하고 융용몰드 벽 내부의 외층입자로부터 외부입자층을 형성하는 단계; (c) 제 2 미세 SiO₂입자로 구성된 장벽층입자를 제공하고 외부입자층의 장벽층입자로부터 장벽입자층을 형성하는 단계; (d) 용융몰드 벽 외부에 부압(negative pressure)을 가하는 단계; 및 (e) 투명 내부층의 석영유리도가니 형성으로 외부입자층과 장벽입자층을 가열하는 단계를 포함한다.

석영유리도가니는 소위, 초크랄스키법(Czochralski method)에 의한 단결정의 인발 공정 중에 용융된 금속을 얻기 위해 사용된다. 석영유리도가니는 보통 금속몰드 내부 벽에 SiO₂입자층을 형성함으로써 제조되며, 전기아크(플라스마(plasma))를 이용하여 상기층에 열을 가하고 석영유리도가니를 얻기 위해 이러한 공정에서 똑같이 소결함으로써 제조된다. 이러한 방식으로 제조된 석영유리도가니의 벽은 보통 투명 내부층과 불투명 외부층으로 구성되어있다.

투명 내부층은 인발공정에서 용융된 실리콘과 인접해 있으며 기계, 화학, 열의 고 부하를 받는다. 내부층에 남아있는 소량의 기포잔재는 온도와 압력의 영향으로 점점 커지게 되며, 이는 결국은 터질 수 있다. 이에 의해 파편과 불순물은 용융된 실리콘이 되고 이는 무전위(dislocation-free) 실리콘 단결정의 생산성 저하라는 결과를 낳는다.

용융된 실리콘의 부식성의 위험을 줄이고 도가니 벽으로부터의 불순물 방출을 최소하기 위해 내부층은 균일해야하며 가능한 기포를 최소화시켜야한다. 이러한 특성을 향상시키기 위해, 도가니 제조방법은 내부층의 진공지원형성법(vacuum-supported formation)으로 알려져 있다. 다공성의 벽을 지닌 진공용융몰드가 사용되며 다수의 지속적 구멍이 진공용융몰드에 제공됨으로써, 융용몰드 외부에 부압이 가해질 때, 가스가 SiO₂ 입자층에서 외부로 배출될 수 있게 한다.

진공형의 제조방법과 상기 언급한 유형의 제조방법은 US4,632,686A에 알려져 있다. 이 제조방법에서 직경 100㎛내지 300㎛의 입자를 갖는 조립석영유리분말은 진공유형용융몰드에 1차적으로 도입되며 내부층의 외부입자층으로 용융된다. 외부입자층의 내부는 미세한 석영유리분말을 구성하는 내입자층에 적용된다. 분말입자의 직경은 44㎛내지 120㎛이며 예를 들면, 입자사이즈의 기학학적 평균은 80㎛이다. 미세한 분말입자는 상대적으로 고밀도이기 때문에 진공이 용융몰드의 외부로부터 작용할 때 더 적은 양의 공기가 지나가게 된다. 따라서 이는 입자층으로부터 유 해한 기포를 더욱 효과적으로 제거하도록 기여하는 강력한 진공의 발생을 허락하는 장벽층의 역할을 한다. 용융몰드 내부의 플라스마 도입으로 인해 내부로부터 입자층의 소결시켜지는 과정에서 미세하게 분해된 석영유리분말이 1차로 융해되며 이는 고밀도의 유리 층을 형성하는데 그 효과가 있다. 유리층이 형성 되자마자 부압이 추가적으로 증가될 수 있다. 이는 기포를 적게 포함한 내부층이 용융될 수 있는 강력해진 진공 하에서만 가능하다.

이전의 제조된 유리층이 고밀도라 하더라도 적정수준의 고 진공의 부재(absence)로 많은 양의 기포가 포함되어 있다. 고밀도이지만 기포가 존재하는 이 유리층을 이하 밀봉층이라 부른다. 기포함유 밀봉층은 석영 유리 도가니가 그 의도에 따라 사용되기 전에 반드시 제거되어야한다. 상기 기포함유 밀봉층을 최소화하기위해, 밀봉층은 가능한 얇아야한다. 또한, 밀봉층은 부분적으로 다양한 두께로 형성될 수 있다는 사실이 확인되었다. 따라서, 기포가 존재하지 않는 기저층을 손상 없이 제거하는 것은 어렵다. 예를 들면, 밀봉층의 두꺼운 부분을 완전히 식각해내기 위해 밀봉층의 다른 얇은 층 뿐만 아니라 기포가 존재하지 않는 기저층까지 부분적으로 제거된다. 밀봉층 형성에 있어 이러한 부분적 차이 때문에 밀봉층 제조과정에 있어 비균일성의 문제가 쉽게 일어날 수 있다. 특히 기포가 존재하지 않는 내부층의 순차적인 형성과정 중에 인식될 도가니의 밑과 벽 사이의 전이영역에서 위와 같은 문제가 일어날 수 있다.

본 발명의 목적은 재현성 방식으로 결합부분에 있어 균일한 내부층과 가능한 얇고 균일한 밀봉층을 제조하도록 하는 상기 언급된 방법의 개선을 위함이다.

상기 언급된 형태의 제조방법으로부터, 본 발명의 목적은 장벽입자층의 SiO₂입자가 평균 50㎛미만의 입자크기(D₅₀ 값)를 갖도록 하고 장벽입자층의 형성이 외부입자층에 장벽입자층을 고정시키는 방법을 포함하는 본 발명에 의해서 달성된다.

본 발명의 방법에서는 50㎛미만의 낮은 평균 입자크기로 구별되는 장벽층입자가 사용된다. 진공이 용융몰드의 외부 벽에 작용할 때, 이는 용융 도가니 내부로부터 공기 흡입을 방해하는데 이 미세하게 분해된 입자는 기계적 장벽층으로서의 역할을 할 뿐만 아니라 특히 고 소결능으로 구별되어 진다.

이러한 고 소결능은 특히 고밀도 유리 밀봉층으로의 짧은 가열시간 안에 또한, 상대적 저온에서 장벽층입자가 부분적 비균일성 없이 균일하게 소결되도록 하는 효과가 있다. 따라서 이 밀봉층은 도가니의 전체 내부벽에 걸쳐 균일하게 형성된다. 이는 추가적 소결공정 중, 깊숙이 위치한 층의 기포밀도를 줄여주는 더욱 강력한 진공의 신속한 작용을 돕는다.

상대적으로 조립의 거친 외층입자로 구성된 외부입자층은 용융몰드의 벽에서 제조된다. 평균 50㎛이상의 입자크기를 가진 SiO₂입자유형은 또한 이하‘조립입자(coarse granulation)’라 칭한다. 하나 또는 그 이상의 추가적 SiO₂입자층은 외부입자층과 용융몰드의 벽 사이에 제공된다.

미세하게 분해된 SiO₂입자를 포함하는 장벽층입자의 장벽입자층은 직접적으로 외부입자층에 적용된다. 50㎛ 미만의 평균 입자크기를 갖는 SiO₂입자유형은 또한 이하 ‘미세입자(fine granulation)’라 칭한다. 장벽입자층은 가장 깊은 부분의 입자층을 형성한다.

장벽입자층이 적용될 때 또는 그 후, 부압이 용융몰드 벽의 외부에 작용한다. 입자층의 다공성과 그 안에 함유된 가스 때문에 용융몰드 내부에서 인식되는 상기압력은 입자층을 통해서 흡수된다.

이어서 입자층이 가열된다. 선행기술에서도 알 수 있듯이, 입자층은 보통 전기아크에 의해 가열된다. 가열공정의 과정에서 SiO₂입자층은 불투명 외부층과 투명 내부층의 석영유리 도가니를 얻기 위해 소결된다. 투명 내부층은 유리화된 미세입자 및/또는 또 다른 SiO₂입자로부터 형성된다.

본 발명의 방법에서는 50㎛미만의 작은 평균 입자크기로 구별되는 장벽층입자가 사용된다. 진공이 용융몰드의 외부 벽에 작용할 때, 이는 용융 도가니 내부로 부터 공기 흡입을 방해하는데 이 미세하게 분해된 입자는 기계적 장벽층으로서의 역할을 할 뿐만 아니라 특히 고 소결능으로 구별되어 진다.

이러한 고 소결능은 특히 짧은 가열시간 안에, 또한, 상대적 저온에서 장벽층입자가 부분적 비균일성 없이 균일하게 고밀도 유리 밀봉층으로 소결되도록 하는 효과가 있다. 따라서 이 밀봉층은 도가니의 전체 내부벽에 걸쳐 균일하게 형성된다. 이는 추가적 소결공정 동안 깊숙이 위치한 층의 기포밀도를 줄여주는 더욱 강력한 진공의 신속한 작용을 돕는다.

밀봉층의 최소 두께는 일정 전기아크의 일정한 힘에서 장벽입자층의 완전한 밀봉을 위해 필요한 가열시간에 따라 달라진다. 장벽층입자의 고 소결능으로 인해 표면은 신속하게 완전하고 균일하게 밀봉될 수 있다. 이에 따라 강력한 진공은 상대적으로 일찍 작용하고 저 진공(a low vacuum)에서 형성된 기포함유 밀봉층의 두께는 상대적으로 얇게 유지될 수 있다.

미세 입자의 고 소결능은 미세분해를 통해 달성되며 고 BET 비 표면적(a high BET specific surface area)을 통해 결합된다. 그러나 이러한 특성들은 도가니 제조의 표준 공정 조건 하에서 제어가 어렵거나 다른 한편으로는 제어가 전적으로 불가능하기도 하다. 특히, 미세하게 분해된 입자는 아크의 압력과 용융몰드 내부의 가스흐름, 용융몰드 내부의 열대류에 의해 쉽게 날아가 버릴 수도 있다. 이는 균일한 두께의 장벽입자층 제조에 어려움을 준다.

본 발명의 방법에 있어 또 다른 어려운 점은 적절한 두께의 균일한 층으로서 입자를 움직이지 못하도록 확실히 하기 위해 미세하게 분해된 장벽입자를 외부입자 층에 고정시키는 일이다. 이것은 균일한 두께의 장벽입자층의 형성을 가능하도록 하는 입자의 확실한 고정에 의해서만 가능하다. 고정시키는 것은 장벽층입자의 입자와 외부입자층 간의 부착력을 강화시킴으로서 바람직하게 달성되며 이는 아래에서 더욱 자세하게 설명 될 것이다.

이는 오직 균일하고 바람직하게는 얇은 장벽입자층과 균일하고 얇은 밀봉층의 형성을 가능하게하는 진화하는 SiO₂입자의 고 소결능 간의 상호작용이다. 장벽입자층에 직접 인접해있는 외부입자층은 조립 SiO₂입자 입자로 구성되어있기 때문에 전방 소결이 내부에서 외부로 진행되는 동안 고 소결능이 상당히 감소을 확인할 수 있다. 따라서 장벽입자층의 두께를 기반으로 밀봉층의 두께가 정확히 예견 될 수 있다.

특히 장벽층입자의 고 소결능은 장벽층입자의 SiO₂입자가 30㎛미만의 평균입자크기(D₅₀ 값)일 때, 바람직하게는 20㎛ 미만의 평균 크기(D₅₀ 값)일 때 달성된다.

그러나 1㎛미만의 평균 입자크기는 미세한 입자가 덩어리로 형성되기 쉽기 때문에 바람직하지 않다. 이는 미세한 입자가 날아가기 쉬워짐으로서 균일한 장벽입자층의 형성을 추가적으로 어렵게 만드는 상기에서 언급된 문제와는 별개이다. 입자크기분포의 D₅₀ 값 측정은 DIN 725-5(2007-04)를 준수한다.

외층입자의 SiO₂입자는 100㎛이상의 평균 입자크기(D₅₀ 값)를 갖는 것이 바람직하며, 특히 120㎛이상의 평균입자크기(D₅₀ 값)가 바람직하다.

이는 주로 도가니 제조공정에서 입자의 취급을 용이하게 하며 이는 또한 장벽입자층과 그에 인접한 외부입자층 간에 SiO₂입자의 소결능은 큰 차이를 만든다.

또한 크기분포의 제 1 최대치가 0.03㎛내지 2㎛이고 제 2 최대치가 3㎛내지 50㎛로서 장벽층입자의 SiO₂입자가 다양한 입자크기분포를 보이는 이점이 있음을 확인하였다.

장벽층입자의 SiO₂입자는 둘 또는 그이상의 최대치를 갖는 입자크기분포에 존재한다. 최대치 중 적어도 하나 즉, 제 2 최대치는 2㎛이하 입자직경으로서 미세하게 분해된 범위에 있으며 주 최대치(main maximum)인 추가적 최대치는 3㎛ 이상의 입자크기인 조립의 거친 입자의 범위에 존재한다. 평균 입자크기 간 명확히 구별이 되는 최소 두 개 이상의 입자분포를 하는 이러한 다양한 입자크기분포는 입자층의 고 포장밀도(high bulk density 또는 tap density)의 형성을 돕는다. 특히 이는 미세하게 분해된 입자의 조각에 의해 촉진되며 또한 이는 요구되는 고 소결능에 상당한 기여를 한다. 이는 작은 SiO₂입자(㎛범위에 속함)가 1내지 20m²/g의 BET값을 갖는 상대적으로 높은 비 외부표면을 갖기 때문이다. 이것은 장벽입자층의 소결능을 향상시켜 고립기공표면(a closed-pore surface)이 비교적 낮은 열대류(낮은 소결 온도 및/또는 짧은 소결 시간)하에 소결됨으로 인해 형성된다. 특히 이는 또한 나노미터범위(<100nm, 40m²/g 이상의 BET표면적)안의 SiO₂입자크기에서도 마찬가지이다. 이것은 합성석영유리의 제조공정에서 산화작용 또는 화염의 가수분해에 의해 발생하는 열로 인한 그을음이 고체가 되는 예에 의한다. 그러나 다수의 작은 크기의 입자는 입자층의 소결 공정 중에 비교적 강한 축소를 수반하여 틈새(cracks)를 야기할 수도 있다. 따라서 SiO₂입자층에서 상기입자 중량분율은 최대 20%로 제한된다.

또한, 석영 유리의 점도를 감소시키는 도판트(dopant)가 장벽층입자에 첨가될 시 이점이 있는 것으로 확인되었다.

SiO₂입자의 연화(softening)온도는 하나 또는 둘 이상의 도판트를 추가함으로서 낮아지며 이는 특히 가열하는 동안의 입자층의 신속한 고밀도화를 이끈다. 도핑된 입자가 밀봉층을 형성하는데 독점적으로 사용되고 석영유리도가니의 의도된 사용 전에 상기층이 제거되면 기포를 포함하지 않는 내부층은 도판트를 포함하지 않는다.

장벽층입자를 고정시키기 위한 바람직한 수단은 장벽입자층형성 전 또는 형성이 진행되는 동안 외부입자층을 물에 적시는 방법이다.

외부입자층을 물에 적시는 방법은 장벽입자층의 형태로 고정시키는데 기여하는 장벽층입자에 관한 부착력을 높이는데 효과가 있다. 외부입자층은 적셔진 외층입자에 의해 형성되거나 장벽층입자의 적용 전에 적셔짐으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 물이나 알코올과 같은 액체를 사용하거나 스프레이 형식으로 뿌릴 수 있다. 그러나 또한 이 공정은 장벽층입자의 적용공정 도중에 수행 될 수도 있다.

대신 또는 추가적으로, 장벽층입자의 고정을 위해 장벽입자층을 적시는 것은 효과적인 것으로 확인되었다.

장벽층입자는 보통 거의 젖지 않으며 그 결과 4%미만의 수분 함유량을 보인다. 대신 예컨대, 장벽층입자는 현탁물로 흡수되거나 실리카 겔에서 외부입자층으로 분산시키는데 응용될 수 있다. 장벽층입자는 장벽입자층의 생성 과정 도중에 또는 그 전이나 후에 적셔질 수도 있다. 외부입자층의 적셔짐과 비교할 때 이 방법은 수분이 오직 표면 근처로만 도입되고 따라서 이는 도가니 제조공정에서 다시 쉽게 제거될 수 있다는 이점이 있다.

적시기 위한 가장 간단한 방법은 수증기를 사용하는 것이다. 물은 입자 간의 부착력을 상당히 강화시키며 장벽층입자를 적실 때 고밀도의 밀봉층의 생성을 용이하게 하는 점성을 감소시키는 추가적 이점이 있다. 반면에, 석영 유리 도가니의 인접표면층의 수산기 양에 주의를 기울여야한다. 특히 기포가 없는 내부층이 너무 높아지지 않게 예의주시해야한다. 그렇지 않으면 이것이 석영 유리 도가니의 열안정성을 해칠 수 있다.

이 점에 있어, 이 공정은 적시는 데 있어 무수액체(water-free liquid)를 사용할 때 이점이 있는 것으로 밝혀졌다.

이것은 수산기의 도입을 감소시켜서 석영 유리 도가니의 열안정성에 대한 위험부분 또한 상당히 감소시킨다. 예를 들면, 유기액체(organic liquids)는 무수액체(water-free liquids) 또는 무수산기액체(hydroxyl-free liquids)가 바람직하다.

또한 장벽층입자를 고정시키기 위한 방법으로 장벽층입자를 유연하고 평평한 보조체에 적용하고 고정시킨 후, 외부입자층에 장벽층입자가 고정된 보조체를 설치 하는 것이 효과적인 것으로 확인되었다.

장벽층입자는 예컨대, 현탁액 또는 풀 같은 덩어리의 형태로 제조되고 미리 결정된 층의 두께의 유연한 표면구조에 적용된다. 평면구조는 예컨대 섬유, 줄(stripes) 또는 실의 집성체, 네트워크 또는 격자(grid)로 배열이 될 수도 있다. 평면구조의 표면이 코팅되고 이 표면을 덮은 코팅제가 마른 후 평면구조는 외부입자층에 위치하게 된다. 평면구조는 예컨대 바람직하게는 석영유리로 이루어질 수도 있으나 셀룰로오스로 이루어져 있으며 이는 추가적인 도가니 제조공정에서 소각된다.

방법단계 (e)에 의한 가열에 바람직한 제조 공정은 첫 번째 단계로서 저온에서 장벽입자층을 유리화시키고 두 번째 단계에서 고온에서 외부입자층을 가열시켜서 최소한 부분적으로 소결시키는 두 단계의 가열 공정으로 이루어진 것이 바람직하다.

고 소결능때문에 장벽층입자는 이미 매우 낮은 온도에서 유리화되어 인접한 조립의 입자에 여전히 많은 구멍이 잔재하여 기체투과성을 지니고 있게 된다. 이는 여전히 지속적으로 다공성의 기반을 두고 얇은 벽 두께를 지닌 밀봉층을 제조한다. 소결활동을 하는 장벽층입자만 소결될 수 있기 때문에, 밀봉층은 장벽층입자층에 의해 미리 결정된 층의 두께를 가진 완전히 소결된 장벽층입자로 구성된다. 고밀도의 밀봉층이 형성된 후 진공의 강도는 향상되고 가스는 여전히 완전한 다공성의 외부입자층으로부터 제거되며 외부입자층은 두 번째 가열단계에서 상승된 온도에서 소결된다.

첫 번째 가열단계에서 두 번째 가열단계로의 전이가 장벽입자층의 완전한 유리화 후에 일어날 때 이점이 있는 것으로 밝혀졌다.

이것이 정해진 두께의 밀봉층을 생산할 수 있도록 한다.

한편으로는 기밀(gas-tight)이고 다른 한편으로는 가능한 얇은 밀봉층에 관련하여, 공정은 장벽입자층이 0.3mm 내지 5mm 두께의 층으로, 바람직하게는 3mm미만의 층 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

약 80%의 장벽층의 상대적 밀도(석영유리의 밀도에 근거하여)에서 이는 장벽입자층의 소결 후, 0.2mm내지 4mm의 두께, 바람직하게는 2.4mm미만 두께의 밀봉층을 생산한다.

석영 유리 도가니 내부 벽에 존재하는 기포함유 SiO₂ 밀봉층은 플라스마에 의해 소각됨으로 바람직하게 제거된다.

도가니 제조 공정 중 플라스마에 의해 밀봉층이 소각되면서, 예컨대, 샌드 블라스팅 또는 화학애칭에 의해 밀봉층이 제거되는 동안 추가적인 작업 단계를 줄여준다.

이하, 본 발명은 실시예 및 도면을 참조로 설명한 것이다.

도 1에 의하면 용융장치는 운반체(3)의 외부 플랜지에 달려있으며 내부직경 75cm인 금속 용융몰드(1)을 포함한다. 운반체(3)은 중심축(4)를 중심으로 회전이 가능하다. 화살표(7)방향에 나타나 있듯이 용융몰드(1) 내부에서 흑연의 음극(5)와 양극(6)(전극 5; 6)은 용융몰드(1)의 내부(20)으로 도입되는 모든 공간의 방향으로의 움직임이 가능하다.

두께 10mm의 수냉 금속판의 형태인 열차폐(2)는 열차폐가 전극(5, 6)이 용융몰드(1)로 투입되는 곳에 개구부를 내어 중심을 갖음으로 용융몰드(1)의 개구 상부측을 지나서 투입된다. 열차폐(2)는 수증기를 위하여 가스 유입구(9)와 연결되어 있다. 50mm폭의 배기 간극은 용융몰드(1)과 열차폐(2) 사이에 마련된다(도 1은 스케일이 아닌 단지 도식적으로만 장치의 모든 치수를 보여준다). 열차폐(2)는 화살표(10) 방향에 나와 있듯이 용융몰드(1) 윗면에서 수평방향( x_-와 y_-방향)으로 움직임이 가능하다.

운반체(3)과 용융몰드(1) 간의 공간은 화살표(17) 방향에서 나타나있듯이 진공장치에 의해서 제거될 수 있다.

용융몰드(1)(이는 도 1의 기저에 상징적으로만 나타나있음)은 몰드(1)의 외부(3)에 작용되는 진공(17)이 내부로 움직일 수 있음을 통해서 복수개의 통로(8)을 포함한다.

이하, 본 발명에 의한 28”석영유리도가니의 제조공정은 적절한 실시예의 참조를 통하여 보다 상세히 구체적으로 설명된다.

첫 번째 공정단계에서는 고온 염소처리로 소독된 90㎛ 내지 315㎛의 크기의 자연 규사의 결정입자는 중심축(4)을 회전하는 용융몰드(1)에 채워진다. 기계적으로 통합된 규사의 회전-대칭 도가니 형태의 입자층(12)는 원심력과 몰드의 형성수 단에 의해서 용융몰드(1) 내부벽에 형성된다. 입자층(12)의 평균 층 두께는 약 12mm이다.

두 번째 공정단계에서는 합성으로 생성된 석영 유리 분말의 내 입자층(14)는 몰드 형성과 용융몰드(1)의 지속되는 회전을 통해서 규사층(12)의 내부벽에 형성된다.

합성 석영 분말은 50㎛ 내지 120㎛ 입자크기를 갖으며, 평균적으로 약 85㎛의 입자 크기를 갖는다. 또한 내 입자층(14)의 평균 층 두께는 약 12mm이다.

입자층(12)와 내 입자층(14)는 함께 본 발명이 의미하는‘외부입자층(outer granulation layer)’을 형성한다. 세 번째 공정단계에서는 약 3mm의 평균 두께를 지닌 추가적 SiO₂입자층(16)이 외부입자층(12; 14)에 있는 ‘장벽층입자’를 이용함으로써, 또한 몰드형성과 용융몰드(1)의 지속되는 회전을 통해서 형성된다.

도 3은 장벽층입자의 전형적인 입자크기분포를 보여준다. 입자의 부피 V(%)는 도표의 y_-축에 입자 직경 D(㎛)는 x_-축에 도시된다. 장벽층입자는 합성으로 생성된 약 15㎛(D₅₀ 값)의 상대적으로 좁은 최대크기분포를 가진 다양한 입자 크기 분포의 특징을 갖는 구형의 SiO₂입자로 구성되어 있다. 두 번째 최대크기분포는 약 2㎛의 범주 안에 있다. 장벽층입자는 고온 염소처리법에 의해 첫 번째로 소독된다. 소독된 장벽층입자의 불순물 함유량은 전체의 1wt.ppm미만으로 낮다.

작은 입자크기와 장벽층입자에 수반되는 높은 유동성 때문에 장벽입자층16을 고정시키기 위한 수단이 필요하다. 한편, 장벽입자층(16)이 형성되기 전에, 내입자 층(14)에 물을 뿌려 이를 적신다. 그 결과, 열차폐(2)는 용융몰드(1)의 개구부 상단에 위치하게 되며 장벽입자층(16)을 적시기위해 플라스마(13)가 연소되기 전에 유입구(9)를 거쳐 도가니의 내부로 수증기가 투입된다. 따라서 장벽입자층(16)은 추가적으로 그 본래의 형태로 고정된다.

추가적 공정단계에서 장벽층(12, 14, 16)가 유리화된다. 전극(5; 6)은 열차폐(2)의 중앙 개구부를 통해 내부(20)으로 투입되며 도 1에서 회색으로 강조된 부분인 플라스마 영역(13)으로 표시되어있는 전기아크는 전극(5; 6) 사이에서 연소된다. 동시에 진공은 용융몰드(1)의 외부에 작용한다. 그러나 SiO₂입자층(12,14; 16)의 다공성 때문에 용융몰드(1)의 내부(20)에서도 진공의 영향을 받는다. 따라서 이 공정 단계에서는 알맞은 고 진공이 달성될 수 없다.

세 단계의 유리화 공정은 입자층(12; 14; 16)을 유리화하기 위해 이루어진다. 첫 번째 유리화 단계에서 전극(5; 6)은 내부(20) 중앙으로 투입되며 약 270kW(200V, 1350 A)의 동력으로 공급된다. 내부(20)에서 생성된 열은 틈이 없는 고밀도의 밀봉층(21)이 도가니(도 2 참조)의 전체 내부 벽에 신속하고 균일하게 형성되어 장벽입자층(16)의 소결활동 입자(sinter-active particles)를 소결시키기에 충분한 양이다. 밀봉층(21)이 기포를 포함하고 있더라도 이는 도가니 벽의 용융되지 않은 부분을 용융몰드 내부(20)의 공기로부터 분리시킨다. 밀봉층의 두께는 플라스마(13)의 일정한 힘에서 완전한 밀봉을 위해 필요한 가열시간에 따라 달라진다. 본 발명에 의한 공정에서의 가열시간은 선행기술에 의한 공정에서의 시간만큼 약 절반의 시간이 걸리므로 밀봉층(21) 또한 약 절반의 두께로 형성된다.

장벽입자층(16)이 완전히 용융되고 봉인된 밀봉층(21)이 형성되면 바로 두 번째 유리화 공정이 시작된다. 진공장치(17)에 의한 배기작용(pumping-off action)이 지속됨에 따라서 약 200mbar(절대값)의 부압이 아직 유리화되지 않은 외부입자층(12; 14)에 만들어진다. 이제 전극 (5; 6)은 600kW(300V, 2000A)의 동력으로 공급되며 측벽영역의 입자층(12; 14)를 유리화시키기 위해서 전극 (5; 6)은 열차폐(2)와 함께 도 1에 나타나있는 측면의 위치로 투입된다.

이 유리화 단계는 확대된 크기의 도가니 벽 “A" 영역을 나타내는 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 기포를 포함한 균일한 두께의 고밀도의 밀봉층(21)이 완성된 후에 입자층(12, 14) 영역내부의 부압은 약 200mbar(절대값)이며 전극(5; 6)은 600kW의 동력으로 공급된다. 플라스마 영역(12)는 화살표(23)의 방향으로 천천히 하향하며 이 공정에서 내층입자(14)는 천천히 기포가 없는 내부 층(22)으로 한 부분씩 차례대로 계속해서 용융된다. 이전에 생성된 밀봉층(21)의 균일성과 얇은 두께는 또한 내부층(22)의 충분히 일정한 두께에 전도성을 갖는다. 유리화공정동안 기포를 함유하는 밀봉층(21)은 플라스마(13)의 작용하에 부분적으로 연소되어 1mm미만 두께인 얇은 막(25)만 남게 된다.

하부에서 입자층(12;14)의 유리화를 위해 열차폐(2)와 전극(5; 6)은 중심부로 이동하며 전극(5; 6)은 하향하게 된다.

밀봉층(21)의 형성 이후 강력해진 진공때문에 밀봉층(21) 하부의 입자층(12; 14)의 유리화공정동안 내입자층(14)로부터 기포가 적은 고밀도의 투명 내부층(22) 이 형성된다.

투명 내부층(22)이 약 2.5mm 두께가 되면 조절판(도 1에 나타나있지 않음)을 통한 세 번째 유리화 공정 단계에서 진공장치(17)의 흡입력은 감소한다. 그 결과, 입자층(12; 14)의 아직 유리화되지 않은 부분 안의 압력은 900mbar(절대압력)까지 올라간다. 이에 필요한 가스는 특히 용융몰드(1)의 내부(20)로부터 방출되며 상기 가스는 몰드 벽의 개구부(8)를 통한 입자층(12; 14)의 용융되지 않은 부분을 통해 존재한다.

용융공정은 용융전방부가 용융몰드(1)의 내벽에 도달하기 전에 끝이 난다.

투명내부층을 덮는 불투명의 얇은 밀봉층은 플라스마(13)의 작용으로 인해 두 번째와 세 번째 유리화공정 중에 최소한 부분적으로 소각된다. 모든 잔여물의 가능성은 화학적 에칭을 거쳐 제조공정의 마지막에 완전히 제거된다. 따라서 이러한 방식으로 제조된 석영유리도가니의 내부 표면은 불투명한 석영유리 외층에 견고히 연결된 유연하며 기포가 적고 균일한 두께의 합성 SiO₂의 내부 벽(22)에 의해 형성된다. 이러한 방식으로 제조된 내부층(22)은 또한 도가니의 의도된 사용과정 동안 작은 기포 증가의 특징을 갖는다.

본 발명은 단결정의 인발을 목적으로한 석영유리도가니의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 방법에서는 50㎛미만의 낮은 평균 입자크기로 구별되는 장벽층입자가 사용된다. 진공이 용융몰드의 외부 벽에 작용할 때, 이는 용융 도가니 내부로부 터 공기 흡입을 방해하는데 이 미세하게 분해된 입자는 기계적 장벽층으로서의 역할을 할 뿐만 아니라 특히 고 소결능으로 구별되어 진다.

이러한 고 소결능은 특히 고밀도 유리 밀봉층으로의 짧은 가열시간 안에 또한, 상대적 저온에서 장벽층입자가 부분적 비균일성 없이 균일하게 소결되도록 하는 효과가 있다. 따라서 이 밀봉층은 도가니의 전체 내부벽에 걸쳐 균일하게 형성된다. 이는 추가적 소결공정 중, 깊숙이 위치한 층의 기포밀도를 줄여주는 더욱 강력한 진공의 신속한 작용을 돕는다.

도 1은 석영 유리 도가니의 벽이 유리화되는 각 단계의 본 발명에 의해 공정방법을 수행하는 용융장치의 개략도이다.

도 2는 밀봉층 형성 후, 도 1의 석영 유리 도가니 벽 ‘A'구획을 확대하여 도시한 것이다.

도 3은 본 발명을 위해 사용되는 원료구성성분의 SiO₂입자 크기 분포를 나타낸 그래프이다.

Claims (14)

1. 단결정의 인발을 위한 석영유리도가니의 제조방법에 있어서,

   (a) 내부와 외부, 내, 외부 간의 통로(8)를 지닌 벽을 포함하는 용융몰드(1) 제공하는 단계;

   (b) 제 1조립 SiO₂입자로 이루어진 외층입자를 제조하고, 용융몰드 벽 내부에 외층입자로부터 외부입자층을 형성하는 단계;

   (c) 제 2 미세 SiO₂입자로 이루어진 장벽층입자를 제조하고, 외부입자층에 장벽층입자로부터 장벽입자층을 형성하는 단계;

   (d) 용융몰드 벽 외부에 부압(negative pressure)을 인가하는 단계; 및

   (e) 투명 내부층(22)을 가진 석영유리도가니를 형성하면서 외부입자층(12, 14)과 장벽입자층(16)을 가열하는 단계를 포함하고,

   상기 장벽층입자의 SiO₂입자는 50㎛ 이하의 평균 입자크기(D₅₀ 값)를 가지고, 상기 장벽입자층(16)의 형성은 외부입자층(12, 14)에 장벽층입자를 고정시키는 수단을 포함하는 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 장벽층입자의 SiO₂입자가 30㎛ 이하의 평균 입자크기(D₅₀ 값)를 갖는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 외층입자의 SiO₂입자가 100㎛ 이상의 평균 입자크기(D₅₀ 값)를 갖는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 장벽층입자의 SiO₂입자가 0.03㎛내지 2㎛인 제 1 최대크기분포와 3㎛ 내지 50㎛인 제 2 최대크기분포를 가지는 다양한 크기분포를 갖는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 석영유리의 점도를 감소시키는 도판트는 장벽층입자에 첨가되는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 장벽층입자를 고정하는 수단은 장벽입자층(16)의 형성 중에 또는 형성 전에 외부입자층(12, 14)을 적시는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 장벽층입자를 고정시키는 수단은 장벽입자층을 적시는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서, 적시는 데 수증기가 사용되는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
9. 제 7항에 있어서, 적시는 데 무수액체가 사용되는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
10. 제 1항에 있어서, 장벽층입자를 고정시키는 수단은 장벽층입자를 유연하고 평평한 보조체에 적용하고 고정시킨 후, 외부 입자층에 장벽층입자가 고정된 보조체를 설치하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
11. 제 1항에 있어서, 상기 (e) 단계의 가열공정은 장벽입자층(16)이 저온에서 유리화되는 동안의 제 1가열단계와 외부입자층(12, 14)이 상승된 온도에서 가열되고 최소한 부분적으로 소결되는 제 2가열단계로 이루어진 두 단계 가열공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
12. 제 11항에 있어서, 장벽입자층(16)의 완전한 유리화 후에 첫 번째에서 두 번째 가열단계로의 전이가 일어나는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
13. 제 1항에 있어서, 장벽입자층(16)이 0.3mm 내지 5mm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
14. 제 1항에 있어서, 투명 내부층(22)에 있는 기포 함유의 SiO₂ 밀봉층(21, 25)이 플라스마에 의해 소각되어 제거되는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.

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