KR20010052461A - 석영유리도가니의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고열부하에 있어서도 석영유리도가니내에 가두어진 기포가 파열하지 않도록 하여 끌어올림시의 단결정화를 저해하지 않도록 하는 석영유리도가니의 제조방법에 관한 것으로서,
몰드(1)내에서 원료가루를 용해할 때 아크방전개시 직후에 H2가스나 O2가스를 도입하여 전극의 그래파이트성분이나 원료의 석영가루 속의 불순물을 제거하고, 이에 따라서 그래파이트나 불순물이 제품도가니에 혼입하는 것을 억제할 수 있어서, 결과적으로 기포의 팽창률을 억제하는 동시에 기포내를 감압할 수 있으며, 또 몰드(1)내에 형성된 석영가루의 퇴적층에 몰드(1)로부터 He가스를 공급하여 퇴적층의 보이드 속의 가스를 He가스로 치환할 수 있고, 이 보이드 속의 가스의 치환에 의하여 불투명층의 기포를 팽창하기 어렵게 하여 열전도성의 저하를 방지할 수 있기 때문에 사용시에 도가니의 온도상승을 억제할 수 있어서, 결과적으로 투명층의 기포의 파열을 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

석영유리도가니의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING QUARTZ GLASS CRUCIBLE}
실리콘 등의 반도체단결정을 제조하는 방법으로서, 용융된 반도체재료의 융액면에 핵으로 되는 종결정을 적시고, 이 종결정으로부터 단결정을 성장시키는 끌어올림법(쵸크랄스키법: CZ법)이 알려져 있으며, 반도체재료의 용융에는 석영유리도가니가 이용된다. 근래 단결정끌어올림의 제조비용을 저감하기 위해 멀티끌어올림이나 대구경실리콘단결정의 끌어올림이 실시되고 있으며, 이에 동반하여 사용되는 석영유리도가니는 대구경화의 경향에 있다.
석영유리도가니가 대구경화하고, 이 중에서 용융되는 반도체재료가 많아지면 용융시간이 증대하여 끌어올림시간이 길어진다. 끌어올림시간을 단축하기 위해서는 히터에 의하여 주어지는 열량(입열량(入熱量))을 증대시키는 것이 생각된다. 또 대량의 반도체재료융액을 소정온도로 유지하기 위해서도 입열량은 큰 것이 바람직하다.
그러나 입열량이 크면 다음의 불합리가 발생하는 일이 있다. 석영유리도가니 중에는 그 제조과정에서 분위기 속으로부터 가스성분이 혼입하여 많은 기포로서 존재하는 것이 알려져 있다. 이 기포는 고온에서의 석영유리도가니의 사용시에 팽창하고, 특히 도가니내측표면층의 투명층에 있는 기포는 팽창하여 파열하는 일이 있다. 이 파열에 의해 발생한 석영유리편은 실리콘융액 속에 혼입하고, 크리스토버라이트로 되어 융액 속을 대류에 의해 이동해서 끌어올림 중의 실리콘단결정단에 부착하는 일이 있다. 그러면 그 부착부분으로부터 단결정이 무너지게 되고, 결과적으로 반도체단결정의 생산량이 저하한다. 이 불합리는 석영유리도가니의 대구경화에 의한 입열량의 증대나 끌어올림시간의 장시간화에 동반하는 열부하의 증대에 의하여 현저하게 된다. 투명층에 존재하는 기포는 그 갯수나 사이즈가 클수록, 또 단결정끌어올림시의 기포의 팽창정도가 클수록 파열하기 쉽다.
내포하는 기포를 적게 하여 투명도가 높은 유리층을 얻는 방법으로서, 고온분위기 속에서 규사분말을 용융시켜서 석영유리를 제조하는 방법이 널리 알려져 있다. 예를 들면 고온분위기를 형성하는 열원의 차이에 따라서 산수소버누이법, 아크버누이법, 플라즈마·버누이법 등이라 불리우는 것이 있다. 이들 용융방법을 석영유리도가니의 제조에 적용하여 석영유리도가니 속의 기포를 실질적으로 제로로 하는 시도가 이루어지고 있다. 예를 들면 일본국 특허 공고공보 92-22861호에는 아크버누이법을 적용하여 끌어올림시에 실리콘융액과 직접 접촉하는 도가니의 내표면부분에 투명층을 형성하는 석영유리도가니의 제조방법이 제안되고 있다.
또 일본국 특허 공개공보 96-268727호에는 융해포트내에 장전한 규사를 원심력으로 사발형상으로 형성하여 가열하고, 또한 이 사발형상 규사의 외면으로부터 급속확산가스를 도입하여 규사 속의 보이드에 포함되는 잔류가스를 배제하는 공정을 포함하는 석영도가니의 제조방법이 개시되어 있다. 또한 이 석영도가니제조방법에서는 규사 속의 보이드로부터 잔류가스를 제거하기 위해 규사의 융해포트의 저부에 진공을 작용시켜서 급속확산가스에 흐름을 발생시키도록 하고 있다.
상기 공보 중 전자에 기재된 석영유리도가니제조방법에서는 멀티끌어올림이나 실리콘단결정의 대구경화 등으로 열부하가 커졌거나 끌어올림시간이 길어졌거나 하고 있는 현상의 끌어올림공정에는 충분히 대응할 수 없는 일이 있다. 따라서 열부하가 큰 경우나 끌어올림시간이 긴 경우에 있어서도 내표면층의 기포가 파열하기 어려운 석영유리도가니가 요망되고 있다.
후자의 공보에 기재된 석영도가니제조방법에 따르면, 보이드 속의 잔류가스가 급속확산가스로 치환됨으로써 반도체단결정제조 등의 고온가열시에 석영유리도가니 속의 기포의 성장방지를 기대할 수 있다. 그러나 이 제조방법에서는 질소나 산소 등의 잔류가스의 치환이 여전히 불충분하기 때문에 불투명층의 기포는 사용 중에 팽창하여 열전도성이 나빠져서 석영유리도가니의 온도가 상승하기 쉽다. 그 결과 투명층의 기포도 파열하기 쉽다.
일반적으로 보이드 속에 가두어져 있는 N2등은 급속확산가스인 H2보다도 밀도가 크다. 그 때문에 이들 가스의 밀도차에 따라서 보이드 속을 H2가 빠져나가게 되어 치환에는 장시간을 필요로 한다. 따라서 단시간의 급속확산가스의 불어넣음에 의해서는 충분한 치환이 이루어지지 않고, 보이드 속에는 N2등의 가스가 잔존한다. 이 잔존가스가 석영유리도가니의 내표면층에 있어서의 기포로 되고, 실질적으로 기포의 수를 저감할 수 없다.
입열량의 증대경향은 반도체단결정의 끌어올림에 더한층의 영향을 준다. 끌어올림시 석영유리도가니는 히터에서 가열되는 그래파이트의 유지부재에 의하여 외주가 지지되고, 이 유지부재를 통하여 상기 히터로부터 석영유리도가니내의 반도체재료에 열이 주어진다.
석영유리도가니는 그 투명도가 높을수록 히터로부터의 열이 상기 반도체재료에 유효하게 전달된다. 그러나 일반적으로 히터는 서로 간격을 갖고 배치되기 때문에 석영유리도가니가 완전히 투명하면 히터로부터의 열은 석영유리도가니내의 반도체재료에 직접적으로 전파하여 히터간에서는 반도체재료에 열이 전달되기 어렵다. 그래서 균등하게 열을 전달시키기 위해서는 히터로부터 방출된 열선이 석영유리도가니를 통과할 때에 다방향으로 확산하여 그 분포가 균등화되도록 석영유리도가니의 외주 근처에는 기포를 포함한 불투명층이 형성된다.
그러나 불투명층의 기포의 수가 지나치게 많은 경우나 기포가 큰 경우 상기 히터로부터 방사된 열선이 투명층측으로 통과하기 어려워져서 도가니내의 반도체융액에 효율적으로 열을 줄 수 없다. 특히 가열에 의하여 기포의 크기가 확대하면 열전도성의 저하에 의하여 석영유리도가니내에 열이 가득 차기 쉬워지고, 반도체융액에는 열이 전해지기 어려워지는 데도 불구하고 석영유리도가니 자체의 온도는 매우 높아진다.
석영유리도가니의 온도도 극단적으로 상승하면 1550℃ 부근에서 실투(失透)가 발생한다. 또한 히터의 열이 석영유리도가니내의 반도체재료융액에 충분히 전달되지 않으면 반도체재료융액의 온도가 부분적으로 저하하여 아이싱(부분적 응고)을 일으키는 일도 있다.
그래서 투입한 대입열이 석영유리도가니내의 반도체재료에 유효하게 작용하여 단시간에서의 끌어올림에 기여할 수 있는 동시에 히터로부터 방출된 열이 히터측으로 반사하여 이상한 온도상승이나 아이싱을 초래하지 않고, 또한 수용한 반도체재료 및 그 융액에 히터로부터의 열을 균등하게 전달할 수 있는 석영유리도가니가 요망되고 있었다.
또 일본국 특허 공개공보 96-268727호의 방법에서는, 진공을 작용시키기 위한 개구가 몰드의 저부만에 설치되어 있기 때문에 단시간으로 몰드내의 진공의 정도를 올릴 수 없다.
상기와 같이 단결정의 성장생산량을 향상시키기 위해서는 석영유리도가니의 내표면층에 존재하는 기포의 갯수나 사이즈 및 기포의 팽창비율(단결정끌어올림에 사용하는 전과 후에 있어서의 기포직경의 비율)을 작게 하는 것이 요망되고 있다. 또한 외면측에 대해서도 안정된 열전도성을 얻기 위해 존재하는 기포를 팽창하기 어려운 것으로 하는 것이 바람직하다.
도 2는 석영유리도가니의 코너부, 즉 저부와 측벽의 경계부분의 내표면 약 1mm의 층에 있어서의 평균기포직경과 단결정생산량의 관계를 조사한 결과를 나타내는 도면이다. 또한 코너부에 착안하는 것은 단결정끌어올림시에 특히 이 코너부에 큰 부하가 걸리고, 이 코너부에 존재하는 기포가 단결정생산량과 밀접하게 관계하기 때문이다.
조사에 이용한 석영유리도가니의 샘플은 22인치구경이다. 생산량은 100kg의 실리콘다결정을 가열용융하여 액표면을 약 1430℃로 유지하고, 이 용융면에 실리콘단결정의 종봉(種棒)을 적셔서 8인치실리콘단결정을 끌어올린 후를 말한다. 이 석영유리도가니로부터 테스트피스를 채취하고, 코너부의 기포직경 및 단결정생산량을 조사한 결과 도 2에 보이는 바와 같이 평균기포직경이 200㎛ 이상인 때에 단결정의 생산량이 저하하고 있는 것을 알 수 있다.
본 발명은 석영유리도가니의 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체단결정의 끌어올림에 이용되어 반도체단결정의 생산량의 향상에 공헌할 수 있는 석영유리도가니의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 제조장치를 나타내는 주요부단면도.
도 2는 기포직경과 단결정의 생산량의 관계를 나타내는 도면.
도 3은 석영유리도가니의 사용 전후의 기포를 비교한 도면.
도 4는 팽창률과 단결정화생산량의 관계를 나타내는 도면.
도 5는 제 2 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 제조장치를 나타내는 주요부단면도.
도 6은 제 3 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 제조장치를 나타내는 주요부단면도.
도 7은 석영유리도가니의 불투명층의 사용 전후의 기포를 비교한 도면.
도 8은 제 4 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 제조장치를 나타내는 주요부단면도.
도 9는 제 5 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 제조장치를 나타내는 주요부단면도.
도 10은 제 4 및 제 5 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 불투명층의 사용 전후의 기포를 비교한 도면이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 몰드 2: 축
3: 열차폐판 4, 5: 그래파이트전극
6: 가스노즐 7: 도입관
8: 호퍼 9: 가스도입관
15: 퇴적층 17, 23: 전환기
18: 진공펌프 19: 가스공급원
20: 덮개 70: 이중통
본 발명은 투명층의 기포의 갯수나 사이즈 및 팽창비율을 작게 하여 기포의 파열을 방지해서 반도체단결정의 생산량을 향상시키도록 하는 동시에, 불투명층의 기포의 갯수나 사이즈 및 팽창비율을 적당하게 하여 석영유리도가니의 온도상승을 억제하고 반도체단결정끌어올림시의 열효율을 높일 수 있는 석영유리도가니의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 회전하는 몰드내에 배치한 그래파이트전극간에서 아크방전시켜서 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서, 상기 몰드내에 H2, O2, H2O, He, Ne가스 중 적어도 1종류를 공급하는 단계와, 공급된 상기 가스의 분위기 속을 통과시켜서 상기 몰드내표면에 석영가루를 공급하는 단계로 이루어지는 점에 제 1 특징이 있으며, 특히 상기 가스공급단계에서 H2가스 및 O2가스를 공급하는 점에 제 2 특징이 있다.
또 본 발명은 상기 석영가루가 상기 몰드내표면에 도달하기 전에 아크방전의 분위기 속에서 연화되도록 해당 석영가루를 몰드내에 살포하는 점에 제 3 특징이 있다. 또한 본 발명은, 상기 가스 및 석영가루는 이중통을 통하여 공급되고, 특히 석영가루를 내부통으로부터 공급하고, 상기 가스를 외부통으로부터 공급하는 점 및 상기 석영가루를 O2가스와 함께 내부통으로부터 공급하고, H2가스를 외부통으로부터 공급하는 점에 각각 제 4 및 제 5 특징이 있으며, 상기 이중통의 내부통선단을 외부통선단으로부터 후퇴시킨 점에 제 6 특징이 있다. 또한 본 발명은, 아크방전을 지속시킨 채 상기 석영가루 및 가스 중 적어도 석영가루를 단속적으로 공급하는 점에 제 7 특징이 있다.
이들 특징에 따르면, 공급된 석영가루에 포함되는 알칼리토금속, 중금속 등의 불순물은 H2등의 가스로 치환되거나 고온분위기 속에서 연소하기 때문에 석영가루의 순도가 높아진다. 특히 공급된 O2가스와 H2가스에 의하여 몰드내는 석영가루가 용융 가능한 고온분위기로 단시간에 도달하게 되기 때문에 탈가스가 용이해져서 제품도가니내로의 기포의 혼입정도를 억제할 수 있다. 또 전극을 구성하고 있는 그래파이트는 고온에 의해 용이하게 산화하기 쉬워지기 때문에 제품도가니로의 그래파이트의 혼입이 억제된다. 또한 제품도가니내에 상기 공급된 가스가 확산하여 기포내부를 감압하는 작용이 있다.
특히 제 3 특징에 따르면, 석영가루는 연화한 상태에서 먼저 형성되어 있는 석영유리의 용융면에 퇴적하기 때문에 이 석영가루는 용융면과 융합되기 쉽고, 따라서 석영표면에 부착해 있는 불순물이 제거되기 쉽다.
또 제 4 및 제 5 특징에 따르면, 공급되는 석영가루는 가스와 함께 내뿜어지기 때문에 이중통의 방향에 따라서 지향성을 제어할 수 있으며, 제 6 특징에 따르면, 석영가루는 이중통의 선단부에서 가스에 포위되어 해당 가스와의 접촉성이 양호하다. 또한 제 7 특징에 따르면, 석영의 용융층의 온도저하가 방지되고, 용융층은 계속해서 분위기가스와 반응하여 기포의 원인이 되는 불순물의 제거가 한층 촉진된다. 또 본 발명은 불투명층의 형성에 관하여 이하의 특징을 갖는다. 우선 회전하는 몰드내에서 아크방전에 의하여 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서, 몰드의 내면을 따라서 석영가루의 퇴적층을 형성하는 단계와, 상기 몰드의 측벽 및 저부간의 예정위치로부터 상기 퇴적층에 He 및 H2가스(이하 He가스로 대표하여 설명한다)를 공급한 후 아크방전을 개시하는 단계와, 상기 퇴적층의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He가스의 공급을 정지하여 상기 퇴적층으로부터 배기를 하는 단계와, 상기 퇴적층이 예정된 진공도에 도달했을 때에 He가스의 공급을 재개하는 단계로 이루어지는 점에 제 8 특징이 있다. 제 8 특징에 따르면, 진공이 된 퇴적층의 보이드 속에 He가스가 공급되어 보이드 속의 분위기가 He로 치환된다.
또 본 발명은 상기 퇴적층이 형성된 후 상기 몰드의 상부개구부에 덮개를 하여 몰드내를 배기하는 단계와, 상기 몰드내가 예정된 진공도에 도달했을 때에 몰드내에 He가스를 공급하고, 몰드내의 압력이 예정값까지 상승했을 때에 상기 덮개를 열어서 아크방전을 개시하는 단계로 이루어지며, 상기 덮개를 연 후 상기 He가스의 공급을 예정시간 계속하는 점에 제 9 특징이 있다. 제 9 특징에 따르면, 몰드가 덮개로 밀폐되어 있기 때문에 보다 높은 진공도를 얻을 수 있다. 따라서 그 후에 공급된 He가스는 퇴적층의 보이드 속에 충분히 퍼져서 He가스에 의한 치환이 충분히 실시된다.
또 본 발명은 몰드의 측벽 및 저부간의 예정위치로부터 상기 퇴적층에 He가스를 공급한 후 아크방전을 개시하는 단계와, 상기 퇴적층의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He가스의 공급을 계속하면서 상기 몰드의 측벽상부로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 단계로 이루어지는 점에 제 10 특징이 있으며, 이 특징에 의하여 퇴적층에 아래쪽으로부터 윗쪽으로 빠지는 He가스의 흐름을 발생시켜서 퇴적층 전체에 치환작용을 미치게 할 수 있다.
또 본 발명은 퇴적층의 표면에 상기 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He가스의 공급위치를 상기 몰드의 측벽상부로 전환하는 동시에 아크방전전에 He가스를 공급하고 있던 위치로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 점에 제 11 특징이 있으며, 이 특징에 의하여 퇴적층에 윗쪽으로부터 아래쪽으로 빠지는 He가스의 흐름을 발생시켜서 퇴적층 전체에 치환작용을 미치게 할 수 있다.
또 본 발명은 상기 퇴적층, 상기 몰드의 상부개구부에 덮개를 하여 몰드내를 배기하는 단계와, 상기 몰드내가 예정된 진공도에 도달했을 때에 몰드의 측벽 및 저부간의 예정위치로부터 몰드내에 He가스를 공급하는 단계와, 몰드내의 압력이 예정값까지 상승했을 때에 상기 덮개를 열어서 아크방전을 개시하는 단계로 이루어지고, 상기 퇴적층의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He가스의 공급을 계속하면서 상기 몰드의 측벽상부로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 단계로 이루어지는 점에 제 12 특징이 있다.
또 본 발명은 상기 퇴적층이 형성된 후 상기 몰드의 상부개구부에 덮개를 하여 몰드내를 배기하는 단계와, 상기 몰드내가 예정된 진공도에 도달했을 때에 몰드의 측벽 및 저부간의 예정위치로부터 몰드내에 He가스를 공급하는 단계와, 몰드내의 압력이 예정값까지 상승했을 때에 상기 덮개를 열어서 아크방전을 개시하는 단계로 이루어지고, 상기 퇴적층의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He가스의 공급위치를 상기 몰드의 측벽상부로 전환하는 동시에 아크방전 전에 He가스를 공급하고 있던 위치로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 단계로 이루어지는 점에 제 13 특징이 있다. 제 12, 제 13 특징을 갖는 본 발명은 제 10 및 제 11 특징을 갖는 발명과 똑같이 작용한다.
상기 제 8∼제 13 특징에 따르면, 퇴적층의 보이드가 He가스로 치환되기 때문에 제품으로서의 석영유리도가니가 반도체단결정끌어올림시에 고온(1450∼1700℃)이 되었을 때에도 석영유리도가니의 외표면층 속에 혼입한 기포의 팽창을 억제할 수 있다. 그 결과 석영유리도가니의 열전도성이 손상되지 않아서 석영유리도가니의 이상한 온도상승이 억제된다.
또한 본 발명은 상기 퇴적층을 예정시간 용융시킨 후, 즉 불투명층을 형성시키는 단계 후 상기 몰드내에 H2, O2, H2O, He 및 Ne가스로 이루어지는 군 중 적어도 1종류의 가스를 공급하는 단계와, 공급된 상기 가스의 분위기 속을 통과시켜서 상기 몰드내표면에 석영가루를 공급하는 단계로 이루어지는 점에 제 14 특징이 있으며, 재료가루인 석영가루가 몰드내표면에 도달하기 전에 아크분위기 속에서 연화되도록 석영가루를 몰드내에 살포하는 점에 제 15 특징이 있다. 제 14, 제 15 특징을 갖는 본 발명은 제 9∼제 13 특징에 의한 발명과 똑같이 작용하는 동시에 제 1 및 제 2 특징을 갖는 발명과 똑같이 작용한다.
이하 본 발명을 실시형태에 따라서 설명한다. 본 실시형태에서는 석영유리도가니내표면에 형성되는 투명층에 존재하는 기포의 갯수나 사이즈를 작게 하고, 또한 기포의 팽창률을 작게 하는 수단을 제공한다.
우선 첫째로 원료로서의 석영가루의 입자간에 잔존하는 N2가스 등이나 알칼리토금속 등은 기포의 발생원으로 되기 때문에 이들을 없앰으로써 기포의 갯수를 적게, 또한 그 사이즈를 작게 한다. 구체적으로는 H2, O2, H2O, He, Ne 등의 가스 중 1종류 또는 복수종류를 혼합상태로 도입함으로써 기포 자체가 적은 석영유리도가니가 얻어진다. 아크방전시에 상기 가스를 도입하면 몰드내는 매우 고온이 되기 때문이다. 가스를 도입하지 않는 종래의 아크버누이법에 있어서는, 몰드내의 온도가 상승함에 따라서 우선 원료의 표면이 1650℃ 부근에서 소결하고, 계속해서 1750℃ 부근에 도달하면 용융을 시작한다. 이에 대하여 본 실시형태에 따르면 상기 소결공정을 거치는 시간을 줄여서 단시간 안에 용융상태에 이르게 함으로써 탈가스가 용이하게 되고, 혼입하는 기포를 적게 할 수 있다. 특히 O2가스 및 H2가스를 아크방전 중에 도입시키면 몰드내는 용이하게 고온에 도달하기 때문에 그 고온분위기 속에서는 원료의 소결 정도는 적게 할 수 있다.
둘째로 기포내부를 감압함으로써 기포의 팽창률을 작게 한다. 상기와 똑같이 아크방전시에 H2가스나 O2가스를 도입함으로써 기포의 팽창률을 작게 할 수 있다. 도입된 상기 가스는 석영유리도가니 속 및 석영유리도가니 내의 기포 속에 확산하여 석영유리 속에 용이하게 용존(溶存)한다. H2가, He, Ne는 특히 확산이 빠르고 용이하게 석영유리 속에 용존한다. 이들 원자반직경이 작은 가스의 원자는 석영유리 속의 실리카매트릭스를 자유롭게 이동할 수 있다. 그 결과 감압·고온조건하에서 용이하게 석영유리밖으로 방출되고, 기포의 내부압을 저하시켜서 기포의 팽창이 억제된다.
셋째로 그래파이트전극으로부터 혼입하는 그래파이트를 배제하여 기포의 갯수 및 기포의 팽창률을 작게 한다. 석영유리도가니는 몰드내에서 원료를 용융·응고시켜서 제조한다. 그리고 그 용융열은 그래파이트전극에 의한 아크방전으로부터 얻는다. 그래파이트전극으로부터 발생하는 그래파이트는 몰드내의 O2와 결합되어 그 대부분이 연소하는데, 일부가 제조된 석영유리도가니내에 잔존하여 기포를 형성하는 동시에 그 팽창률을 크게 한다. 즉 잔존한 그래파이트는 저압·고온조건하, 즉 끌어올림조건하에서 기포내에 함께 가두어져 있는 O2와 반응하여 CO가스를 발생하고, 기포를 팽창시키기 때문이다.
그래서 그래파이트가 석영유리도가니의 내표면에 혼입하는 것을 방지하기 위해 아크방전시에 H2, O2, H2O, He, Ne 등의 가스를 도입한다. 상기와 같이 그래파이트는 도입된 O2와 결합되어 연소하는데, 다른 상기 가스를 도입함으로써 몰드내는 매우 고온이 되기 때문에 공기 중의 O2와 결합되어 더한층 연소하기 쉬워진다. 특히 H2, O2, H2O는 그래파이트의 산화를 촉진시킨다.
이어서 석영유리도가니의 구체적인 제조방법과, 제조된 석영유리도가니의 투명층 속의 기포의 팽창률측정결과를 설명한다. 제 1 실시형태에서는 몰드내로 H2가스를 도입한다. 도 1은 석영유리도가니의 제조장치를 나타내는 주요부단면도이다. 동일도면에 있어서, 금속(바람직하게는 스테인레스강)으로 이루어지는 몰드(1)는 2중구조로 되어 있으며, 내벽(1A)에 설치된 관(1B)내를 통과하는 냉각수로 수냉되어 있다. 몰드(1)는 내부직경이 570mm이며, 이 몰드(1)를, 도시하지 않는 회전장치에 의하여 축(2)을 중심으로 회전시킨다. 몰드(1)의 중앙상부에 설치된 열차폐판(3)에는 한쌍의 그래파이트전극(4, 5)이 홀딩되어 있다.
가스노즐(6) 및 원료의 석영가루를 투입하기 위한 도입관(7)에 의하여 이중통이 형성되고, 이 이중통은 상기 그래파이트전극(4)에 인접하여 배치되어 있다. 이중통은 내측에 석영가루의 도입관(7)이 있으며, 외측에 가스노즐(6)을 배치하고 있는데, 이 반대이어도 좋다. 이중통의 내측(내부통)으로부터 석영가루를 도입하고, 외측(외부통)으로부터 가스를 도입하는 경우 내부통의 선단을 외부통의 선단으로부터 후퇴시킨 상태, 즉 내부통을 외부통보다도 들어가게 한 상태로 설정해 두면 석영가루를 가스가 포위하는 상태로 되어 양자의 접촉이 충분히 되기 쉽다.
본 실시형태에서는 원료가루로서 석영가루를 사용하고 있는데, 여기에서 말하는「석영가루」에는 석영에 한정되지 않고 이산화규소(실리카)를 포함하는 수정, 규사 등 석영유리도가니의 원재료로서 널리 알려진 재료의 가루도 포함한다. 상기 가스노즐(6)의 입구(6A)는 H2가스의 배관 또는 봄베(도시하지 않음)에 접속되고, 도입관(7)의 상단은 석영가루를 수용한 호퍼(8)에 접속되어 있다. 또한 그래파이트전극(4, 5)의 사이에는 추가적으로 가스도입관(9)을 설치할 수 있다.
이와 같이 구성된 제조장치에 의한 도가니의 제조공정을 설명한다. 우선 몰드(1)를 회전시켜서 석영가루(한 예로서 입자도 60＃∼150＃)를 도입관(7)을 통하여 몰드(1)의 내부면에 투입한다. 몰드(1)를 회전시키고 있기 때문에 투입된 석영가루는 원심력으로 몰드(1)의 내주면에 붙어서 퇴적한다. 또한 이 때의 석영가루의 투입은 상기 도입관(7)을 사용해서 실시해도 좋고, 다른 장치에 의해서도 좋다. 예정량의 석영가루를 퇴적시켰다면 그래파이트전극(4, 5)간에 전압을 인가하여 아크방전시킨다. 이 아크열에 의하여 몰드(1)에 붙은 석영가루는 용융되고, 석영유리도가니의 외주면을 구성하는 불투명층(L1(도 1 참조))이 형성된다.
불투명층(L1)이 형성되었다면 계속해서 투명층(L2(도 1 참조))을 형성한다. 상기 퇴적한 석영가루의 용융을 개시하여 5∼10분이 경과했을 때에 도입관(7) 및 가스노즐(6)을 통하여 몰드(1)에 석영가루 및 H2가스를 공급한다. 이 때 석영가루의 공급량은 예를 들면 80∼160g/분, H2가스의 공급량은 예를 들면 60리터∼100리터/분으로 하는 것이 좋다.
그래파이트전극(4, 5)의 아크 근처의 분위기는 2000℃ 이상(아크 속은 5000℃ 이상)이 되어 있으며, 이 분위기 속에 살포된 석영가루는 연화한다. 연화한 석영가루는 불투명층(L1)의 위로 직접 이행하거나 일단 몰드저부로 낙하한 후 원심력으로 밀어 올려지거나 하여 불투명층(L1)상에 퇴적하고, 투명층(L2)을 형성한다.
H2가스와 함께 아크 근처에 투입되어 연화하는 정도에 도달한 석영가루는 그 표면에 부착해 있는 공기, 수분 및 알칼리토금속, 중금속과 같은 불순물이 H2가스로 치환되거나 고온 속에서 연소하거나 하여 순도가 높아진다. 그 결과 투명층(L2)에 넣어져서 기포의 발생원으로 되는 잔류가스를 저감시킬 수 있다. 또 넣어진 잔류가스에 관해서도 확산성이 높은 H2가스로 치환되어 있기 때문에 상기와 같이 해당 H2가스는 석영유리 속의 실리카매트릭스를 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 감압·고온조건하에서 용이하게 석영유리밖으로 방출되어 기포의 팽창에 의한 파열은 일어나기 어렵다.
또한 투명층(L2)에 혼입되는 잔류가스를 적극 저감시키기 위해서는 용융해 있는 석영표면층의 온도를 고온(바람직하게는 2000℃ 이상)으로 유지하는 것이 좋다. 고온일수록 용융해 있는 표면층으로부터 잔류가스가 분위기 속으로 방출되기 때문이다. 석영가루를 연속하여 투입하면 용융해 있는 표면층의 온도저하를 초래하는 일이 있기 때문에 석영가루의 살포는 단속적으로 실시하는 것이 좋다. 예를 들면 석영가루의 살포와 H2가스의 공급을 10분간 실시한 후 일단 석영가루의 살포를 정지시키고, 다시 20분간 용융조작을 계속한다. 이 조작을 반복하여 투명층(L2)을 소망의 두께로 완성한다. 또한 용융해 있는 표면층의 잔류가스에 대한 작용을 계속시키기 때문에 석영가루의 살포를 정지시키고 있는 사이, H2가스의 공급만은 계속해도 좋다.
이상과 같이 하여 제조한 석영유리도가니에 대해서 기포의 갯수, 사이즈 및 팽창률에 대하여 조사했다. 도 3은 본 실시형태에 관련되는 제조방법에 의한 석영유리도가니에 대하여 사용 전후에 기포의 갯수와 사이즈를 조사한 결과를 나타내는 도면이다. 사용 전의 기포의 관찰은 석영유리도가니의 내측코너부에 20배현미경을 세트하고, 내표면으로부터 0. 5mm∼1. 5mm의 깊이에서 20군데의 샘플에 대하여 실시했다.
사용 후의 관찰은 사용 후의 석영유리도가니의 코너부를 절단하여 절단면을 실온에서 30분간 15%산성불화암모늄으로 에칭한 후 초순수샤워로 세정한 것에 대하여 실시했다. 관찰위치는 사용 전의 경우와 똑같이 석영유리도가니의 내표면으로부터 0. 5mm∼1. 5mm의 깊이에서 20군데의 샘플에 대하여 실시했다. 또한 석영유리도가니는 CZ법에 의해 100kg의 실리콘을 50시간으로 끌어올린 것을 「사용 후」의 샘플로 했다.
도 3에 나타내는 바와 같이 사용 전의 기포의 최대사이즈(직경)는 51㎛, 최소는 3㎛, 평균이 13㎛이며, 사용 후의 기포의 최대사이즈는 90㎛, 최소는 9㎛, 평균이 34㎛이었다. 또 석영유리도가니의 기포의 갯수는 사용 전이 0. 14개/mm3, 사용 후가 0. 27개/mm3이었다. 이와 같이 사용 후의 평균기포사이즈는 34㎛이며, 도 2에 관하여 설명한 결과와 정합하여 단결정생산량은 100%이었다.
이어서 기포의 팽창률과 생산량의 관계의 조사결과에 대하여 설명한다. 상기의 제조방법에 있어서, H2가스의 도입량을 0∼60리터/분의 사이에서 변화시켜서 22인치석영유리도가니를 13개 제조했다. 이들 석영유리도가니에 대하여 기포의 팽창률(사용 후 기포직경/사용 전 기포직경)과 단결정화생산량을 조사하여 양자의 관계를 조사했다. 도 4는 팽창률과 단결정화생산량의 관계를 나타내는 도면이다. 단결정화생산량을 조사하기 위한 석영유리도가니의 사용조건 및 관찰조건은 도 3의 예와 동일하다.
도 4에 나타내는 바와 같이 13종류의 도가니의 기포의 팽창률은 1. 5∼3. 5까지의 범위에 분포해 있다. 동일도면에서 이해할 수 있는 바와 같이 단결정화생산량은 팽창률이 「2. 5」 미만의 샘플에서 양호한 결과(100%)로 되어 있다.
상기와 같이 본 실시형태에 따르면, 대기의 트래핑(Trapping) 등으로 대표되는 조작환경의 외적 요인에 의하여 발생하는 오염물의 제거나 원료가루에 포함되어 있는 불순물의 더한층의 제거가 적극적으로 이루어지고 있다. 그 결과 석영유리도가니의 투명층에 가두어진 불활성 기체의 양이 극한까지 저감되었다.
다음으로 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다. 상기 제 1 실시형태에서는 H2가스를 도입하여 도가니를 제조했다. 이 제 2 실시형태에서는 O2가스 및 H2가스를 도입했다. 도 5는 제 2 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 제조장치를 나타내는 주요부단면도이며, 도 1과 동일부호는 동일 또는 동등부분을 나타낸다. 동일도면에 있어서, 이중통(70)을 형성하는 관 중 내측의 도입관(70A)은 호퍼(8)를 통하여 원료가루를 공급할 수 있도록 구성하는 동시에, 그 도중에는 O2가스를 도입할 수 있도록 지관, 즉 입구(70B)를 갖는다. 한편 이중통(70) 중 외측의 관, 즉 가스노즐(6)은 제 1 실시형태와 똑같이 H2가스를 도입하는 입구(6A)를 갖는다.
이와 같이 석영가루와 O2가스를 공통의 통, 즉 도입관(70A)으로부터 분출시키면 도입관(70A)의 방향에 따라서 석영가루의 투입방향을 임의로 지향시킬 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고 석영가루와 O2가스를 따로 따로의 노즐을 사용하여 몰드(1)내에 투입해도 좋다.
동작시 우선 제 1 실시형태와 마찬가지로 하여 불투명층(L1)을 형성한다. 불투명층(L1)이 형성되었다면 계속해서 투명층(L2(도 1 참조))을 형성한다. 상기 퇴적한 석영가루의 용융을 개시하여 5∼10분이 경과했을 때에 이중통(70)을 통하여 몰드(1)에 석영가루 및 O2가스 및 H2가스를 공급한다. 이 때 제 1 실시형태와 똑같이 석영가루의 공급량은 예를 들면 80∼160g/분, O2가스 및 H2가스의 합계공급량은 예를 들면 60리터∼100리터/분으로 하는 것이 좋다. 또 O2가스와 H2가스의 공급량의 비는 1:6이 바람직하다. O2가스가 지나치게 많으면 오히려 기포를 발생하기 쉽기 때문이며, H2가스를 최대한도까지 증량한 경우 상기 비를 1:10으로 할 수 있다.
그래파이트전극(4, 5)의 아크 근처의 분위기 속에 살포된 석영가루는 연화하여 상기 불투명층(L1)의 위로 직접 이행하거나 일단 몰드저부로 낙하한 후 원심력으로 밀려 올라가거나 하여 불투명층(L1)상에 퇴적하고, 투명층(L2)을 형성한다. 특히 O2가스 및 H2가스가 투입되어 고온으로 된 분위기를 통과한 석영가루는 매우 용이하게 연화한다.
O2가스 및 H2가스와 함께 아크 근처에 투입되어 연화하는 정도에 도달한 석영가루로 형성된 투명층(L2)에는 기포의 발생원으로 되는 잔류가스가 적다. 또 약간 투명층(L2)에 남은 가스에 관해서도 H2가 풍부한 환경하에서는 H2가스만을 도입한 경우와 똑같이 감압·고온조건하에서 용이하게 석영유리밖으로 방출된다.
상기와 같이 H2가스의 유량비를 높게 하여 석영유리도가니를 제조한 경우, 그 도가니 속은 H2가 풍부한 상태로 되어 있다. 이 풍부한 H2가스는 반도체단결정끌어올림 중에 발생하는 대류에 의하여 석영유리도가니내에 침입하는 공기 중의 O2가스와 반응해서 수증기를 발생시켜도, 또한 석영유리도가니 속을 H2리치하게 유지할 수 있다. 끌어올림 중에 발생한 수증기는 석영유리도가니의 내표면에 접촉하지 않고 아크방전의 고온대류에서 석영유리도가니의 상부로부터 배출된다.
제 2 실시형태에 있어서 제조된 석영유리도가니의 사용 전후에 있어서의 기포의 갯수와 사이즈의 조사결과는 제 1 실시형태와 똑같다. 또 석영유리도가니 속의 기포의 팽창륭에 대해서도 제 1 실시형태와 똑같은 결과이었다.
제 2 실시형태에 있어서는, 이중통 중 내부통으로부터 원료가루와 함께 O2가스를 공급하고, 외부통으로부터 H2가스를 공급하도록 했지만, 이것과는 반대로 원료가루와 함께 H2가스를 공급하고, 외부통으로부터 O2가스를 공급하도록 해도 좋다. 또 O2가스와 H2가스는 따로 따로 공급하는 데 한정되지 않고 미리 서로를 혼합하고, 그 혼합가스를 공급하도록 해도 좋다.
이어서 석영유리도가니의 외표면층, 즉 불투명층에 있어서의 열전도성을 안정시키기 위한 제조방법을 설명한다. 불투명층의 열전도성을 안정시키기 위해 석영가루를 용융하는 포트, 즉 몰드로부터 He가스를 공급하는 동시에 몰드내벽면에 퇴적시킨 석영가루의 보이드 속의 기체를 He가스로 치환시키도록 해도 좋다. 이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 제 3 실시형태에 관련되는 석영유리도가니의 제조방법에서 사용되는 제조장치의 주요부단면도이며, 도 1과 동일부호는 동일 또는 동등부분을 나타낸다. 몰드(1)의 중공부내벽(1A)에 고착된 냉각수관(1B)의 단부는 몰드(1)의 아래쪽으로 인출되어 도시하지 않는 순환장치에 접속된다. 몰드(1)의 내벽(1A)의 저부에는 치환용 가스로서의 He를 통과시키기 위한 구멍(10)이 형성되어 있다. 또한 He공급용의 구멍(10)은 저부만은 아니고, 몰드(1)의 저부 및 측벽의 사이의 임의의 위치에 설치할 수 있다(후술 도 9 참조). 몰드(1)의 이중벽간의 중공부에는 몰드(1)의 저부로부터 공급되는 He가스가 충전되고, 충전된 He가스는 구멍(3)을 통하여 내벽(1A)을 윗쪽으로 관통한다. 한편 몰드(1)의 상단 부근, 즉 몰드의 상부개구부 근처의 내벽에는 배기용의 구멍(11)이 형성되어 있으며, 이 구멍(11)은 조인트(12)에 접속되고, 이 조인트(12)에는 몰드(1)의 아래쪽으로 연장되어 도시하지 않는 진공펌프에 연통하는 튜브(13)가 접속되어 있다. 튜브(13)는 몰드(1)내의 중공부를 관통시켜서 아래쪽으로 연장시킬 수도 있다.
몰드(1)의 내부직경은 한 예로서 570mm이고, 이 몰드(1)를 도시하지 않는 회전장치에 의하여 화살표(14)로 나타내는 바와 같이 회전시킨다. 전극(4, 5)간에서 아크를 발생시키는 전단계에서 몰드(1)내의 벽면을 따라서 원재료가루의 퇴적층(15)을 형성하고 있다. 가스노즐(6)의 입구(6A)는 H2가스의 배관 또는 봄베(도시하지 않음)에 접속되고, 도입관(7)의 상단은 석영가루를 수용한 원재료호퍼에 접속되는 것은 도 1의 제조장치와 똑같다.
다음으로 상기 구성의 제조장치를 사용한 석영유리도가니의 제조순서를 설명한다. 우선 석영가루의 퇴적층(15)을 형성한다. 석영가루의 입자도 및 공급량은 제 1 실시형태와 똑같다. 예정두께의 퇴적층(15)이 형성되었다면 그래파이트전극(4, 5)간에서 아크방전시켜서 퇴적층(15)의 용융을 개시시킨다.
아크방전에 앞서서 상기 몰드(1)의 구멍(10)을 통하여 퇴적층(15)에 대한 He가스의 공급을 개시한다. He가스의 공급량은 30리터/분 정도가 좋다. 약 5분간 He가스를 공급한 후 아크방전을 실시한다. 아크방전을 개시하고나서 1∼2분 경과하면 퇴적층(15)의 표면에 얇은 용융층이 형성된다. 이 박막용융층이 형성된 시점에서 He가스의 공급을 정지하고 상기 구멍(11)을 통하여 퇴적층(15)의 미용융부분의 배기를 실시한다. 배기에 의해 몰드(1)내가 예정된 진공도(예를 들면 30torr)에 도달했을 때에 다시 He를 도입한다. 또한 박막용융층이 형성된 시점에서 He가스의 공급을 정지시키지 않고 배기 중 소량의 He가스(10리터/분 미만)를 계속 공급해도 좋다.
이 제 3 실시형태에서는 진공도가 높아진 곳에서 He가스를 도입하기 때문에 미용융의 퇴적층(15)에 효과적으로 He가스가 흡수되고, 퇴적층(15)의 보이드(공간) 속의 공기는 He가스로 충분히 치환된다. 퇴적층(15)의 보이드가 He가스로 치환됨으로써 퇴적층(15)의 용융에 의하여 형성되는 불투명층 속에 존재하는 기포는 N2가가스나 O2가스가 매우 적은, 팽창률이 작은 것으로 된다. 또한 배기 후에 재개한 He가스의 공급은 미리 설정한 시간 후 정지시켜도 좋으며, 소량(10리터/분 미만)을 계속 공급해도 좋다.
10mm 정도의 불투명층이 형성되었다면 그 상층, 즉 석영유리도가니의 내표면측에 투명층을 형성한다. 투명층은 가스노즐(6)로부터 H2가스를 공급하면서, 동시에 도입관(7)을 통하여 석영가루를 몰드(1)내에 살포하면서 제 1 실시형태와 똑같이 형성한다.
도 7은 불투명층에 있어서의 기포의 갯수, 기포직경 및 팽창률에 대해서의 조사결과를 나타내는 도면이며, 사용 전 및 사용 후의 기포의 관찰은 투명층의 경우와 똑같이 실시한 것이다. 또한 갯수의 단위는 개/mm3이며, 기포직경의 단위는 ㎛이다. 동일도면에 나타내는 바와 같이 종래품과 제 3 실시형태의 제조방법에 의한 개선품에서는 사용 전의 기포의 수 및 기포의 직경은 대략 같은데, 사용 후는 개선품에 대하여 기포직경에 관해서 특히 큰 개선이 보인다. 또한 제 3 실시형태에 의한 석영유리도가니의 투명층에 있어서의 기포의 갯수, 기포직경 및 팽창률 등은 제 1 실시형태와 똑같았다.
다음으로 불투명층의 형성방법의 변형예를 설명한다. 도 8, 도 9는 변형예에 관련되는 제조방법에 이용되는 장치의 단면도이며, 몰드(1)의 주요부만을 나타내고, 전극(4, 5)이나 냉각수관(1B) 등은 도시를 생략하고 있다. 또 도 6과 동일부호는 동일 또는 동등부분을 나타낸다. 도 8에 나타낸 제 4 실시형태의 장치에서는 몰드(1)의 내벽(1A)의 저부에는 저부구멍(10)이 설치되고, 측부에는 측부구멍(16)이 설치되어 있다. 몰드(1)의 저부에는 전환기(17)를 통하여 진공펌프(18)와 He가스공급원(19)이 접속되어 있다. 또 상기 전극(4, 5)에 의한 아크방전의 개시 전까지는 몰드(1)에는 덮개(20)가 씌워지도록 되어 있다.
이 제조장치에 있어서, 퇴적층(15)을 형성한 후 몰드(1)의 상부개구부에 덮개(20)를 씌우고, 진공펌프(18)를 운전하여 저부구멍(10), 측부구멍(16)을 통해서 몰드(1)내를 배기한다. 이 배기에 의해 몰드(1)내가 예정된 진공도(예를 들면 1∼5torr)에 도달했을 때 전환기(17)를 He가스공급원(19)측으로 전환하여 저부구멍(10) 및 측부구멍(16)으로부터 몰드(1)내에 He가스를 공급한다. 몰드(1)내의 압력이 예정값까지 상승했을 때, 예를 들면 대기압이 된 시점에서 덮개(20)를 열어서 아크방전을 개시하는 단계로 이행한다. 덮개(20)를 열어서 아크방전을 개시한 후도 He가스의 공급은 계속한다. 적어도 퇴적층(15)의 표면에 박막용융층이 형성되기까지 공급하는 것이 좋다.
한편 도 9에 나타낸 제 5 실시형태의 장치에서는 몰드(1)의 내벽(1A)의 저부에는 저부구멍(10)이 설치되고, 측부에는 구멍(16)과는 별도로 그보다 상부에 설치된 상부구멍(11)이 설치되어 있으며, 측부구멍(16)은 저부구멍(10)과 연통해 있다. 도 9의 장치에 있어서, 몰드(1)의 내면을 따라서 퇴적층(15)을 형성한 후 측부구멍(16)과 저부구멍(10)을 통하여 퇴적층(15)에 He가스를 공급하고, He가스를 예정시간(예를 들면 5분) 공급한 후 아크방전으로 이행한다. 아크방전에 의해 퇴적층(15)의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 He가스의 공급을 계속하면서 몰드(1)의 측벽상부의 상부구멍(11)으로부터 퇴적층(15)의 배기를 한다. 이 He가스의 공급과 배기에 의해 퇴적층(15)내에 아래로부터 위를 향하는 He가스의 흐름이 발생하고, 퇴적층(15)의 보이드는 이 He가스로 치환된다.
상기 He가스의 흐름은 퇴적층(15)의 윗방향으로부터 아래방향을 향하여 발생하도록 해도 좋다. 예를 들면 몰드(1)의 측벽 및 저부간에 형성된 측부구멍(16), 저부구멍(10)으로부터 퇴적층(15)에 예정시간(예를 들면 5분간) He가스를 공급한 후 아크방전을 개시하는 단계로 이행하고, 퇴적층(15)의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 He가스의 공급위치를 몰드(1)의 측벽의 상부구멍(11)으로 전환하는 동시에 아크방전 전에 He가스를 공급하고 있던 위치, 즉 몰드(1)의 저부구멍(10) 및 측부구멍(16)으로부터 퇴적층(15)의 배기를 실시한다. 이에 따라서 He가스의 아래쪽으로의 흐름이 발생한다. 이와 같이 He가스의 공급과 배기의 위치를 변화시키기 위해서는 몰드(1)의 저부로부터 인출되는 2개의 튜브(21, 22)에는 전환기(23)를 통하여 He가스공급원(19)을 접속한다.
도 9의 장치를 이용하여 퇴적층(15)에 He가스의 흐름을 발생시키는 경우에도 도 8에 나타낸 변형예와 똑같이 몰드(1)에 덮개(20)를 씌워서 밀폐공간을 형성하고, 아크발생에 앞서서 그 내부를 진공으로 하며, 그 곳에 He가스를 도입하여 분위기를 He가스로 치환하는 단계를 거치도록 해도 좋다.
석영가루의 주위에는 수분을 포함하는 막이 존재하기 때문에 미리 이 수분을 제거해 두는 것이 바람직하다. 수분은 퇴적층(15)을 아크발생에 앞서서 미리 가열해 둠으로써 제거할 수 있다. 예를 들면 할로겐램프를 몰드(1)내에서 퇴적층(15)을 향하여 설치할 수 있도록 해 두고, 몰드(1)내의 분위기를 약 100℃로 상승시켜서 배기 중에 퇴적층(15)을 가열할 수 있다. 석영가루 둘레의 수분을 미리 제거함으로써 He가스에 의한 치환을 단시간으로 실시할 수 있다. 또 덮개(20)내에 히터를 편입함으로써 퇴적층(15)의 가열을 실시하도록 해도 좋다.
도 10은 제 4 및 제 5 실시형태의 제조방법으로 제조한 석영유리도가니의 불투명층에 있어서의 기포의 갯수, 기포직경 및 팽창률에 대해서의 조사결과를 나타내는 도면이다. 이 도면에 있어서, 개선품 2는 제 4 실시형태에 의한 것이며, 덮개(20)를 씌워서 5torr의 진공으로 당긴 후에 He가스를 도입하여 아크를 발생시킨 것이다. 또 개선품 3은 제 5 실시형태에 의한 것이며, 160torr의 진공으로 퇴적층(15)내에서 He가스의 흐름을 발생시킨 것이다. 개선품 3은 개선품보다 팽창률은 높지만, 이 개선품 3의 제조에 있어서, 상기 할로겐램프 등에 의한 퇴적층(15)의 가열에 의하여 팽창률을 저하시킬 수 있다. 또 개선품 2에 대해서도 똑같이 퇴적층(15)을 미리 가열시킴으로써 팽창률을 더욱 저하시킬 수 있는 것은 물론이다.
상기와 같이 본 실시형태에 따르면, 대기의 트래핑 등으로 대표되는 조작환경의 외적 요인에 의하여 발생하는 오염물의 제거나 원료가루에 포함되어 있는 불순물의 더한층의 제거가 적극적으로 이루어지고 있다. 그 결과 석영유리도가니의 투명층에 가두어진 불활성가스의 양이 극한까지 저감되었다.
또한 본 실시형태에서는 H2를 도입가스로 한 경우를 참조하여 설명했지만, 상기와 동일조건으로 H2가스 이외의 도입가스(O2, H2O, He 및 Ne의 적어도 1종류)를 사용한 경우도 마찬가지로 기포의 수, 기포의 직경 등이 개선되고, 단결정생산량에 대하여 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
또 제 3 실시형태∼제 5 실시형태에 있어서 몰드(1)로부터 공급하는 가스에 대해서는 He가스에 한정되지 않고 다른 급속확산가스, 예를 들면 H2를 사용해도 좋고, He가스에 H2를 혼합시킨 것이어도 좋다.
이상의 설명에서 명백한 바와 같이 청구항 1∼청구항 8의 발명에 따르면, O2나 H2등의 가스를 아크 속에 투입함으로써 살포 중의 석영가루만이 아니고 용융층에도 고온이 작용하여 석영가루 속의 불순물을 제거할 수 있기 때문에, 이 불순물에 기인하는 기포가 도가니의 내표면층에 혼입하는 것을 방지할 수 있다. 또 비록 기포가 혼입한 경우에도 혼입한 기포는 대부분이 도입가스로 치환되어 있기 때문에 기포내의 감압작용이 기대된다. 그 결과 고열부하에 의해서도 기포가 파열하는 일이 없는 석영유리도가니를 제공할 수 있으며, 대구경반도체단결정의 끌어올림에 있어서도 고생산량을 기대할 수 있게 된다.
또 청구항 9∼청구항 16의 발명에 따르면, 원재료로서의 석영가루의 퇴적층의 보이드가 He가스로 치환되기 때문에 석영유리도가니의 불투명층내에 혼입되는 기포는 팽창률이 작은 것으로 되고, 고온에서의 사용에 있어서 열전도성을 적당하게 할 수 있다. 그 결과 석영유리도가니의 이상한 승온을 회피할 수 있어서 투명층에서의 기포의 팽창·파열을 방지할 수 있다.

Claims (17)

  1. 회전하는 몰드내에서 그래파이트전극간의 아크방전에 의하여 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서,
    상기 몰드내에 H2, O2, H2O, He, Ne가스 중 적어도 1종류를 공급하는 단계와,
    공급된 상기 가스의 분위기 속을 통과시켜서 상기 몰드내표면에 석영가루를 공급하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  2. 회전하는 몰드내에서 그래파이트전극간의 아크방전에 의하여 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서,
    상기 몰드내에 H2가스 및 O2가스를 공급하는 단계와,
    공급된 상기 가스의 분위기 속을 통과시켜서 상기 몰드내표면에 석영가루를 공급하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 석영가루가 상기 몰드내표면에 도달하기 전에 아크방전의 분위기 속에서 연화되도록 해당 석영가루를 몰드내에 살포하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 석영가루가 상기 몰드내표면에 도달하기 전에 아크방전의 분위기 속에서 연화되도록 해당 석영가루를 몰드내에 살포하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  5. 제 1 항에서 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 및 석영가루는 이중통을 통하여 공급되고,
    해당 이중통 중 내부통으로부터 상기 석영가루 및 상기 가스의 한쪽을 공급하고, 외부통으로부터는 상기 석영가루 및 상기 가스의 다른쪽을 공급하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  6. 제 1 항에서 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 및 석영가루는 이중통을 통하여 공급되고,
    해당 이중통 중 내부통으로부터는 상기 석영가루를, 상기 내부통보다도 선단이 튀어나와 있는 외부통으로부터는 상기 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  7. 제 2 항에서 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 및 석영가루는 이중통을 통하여 공급되고,
    해당 이중통 중 내부통으로부터 상기 석영가루를 O2가스와 함께 공급하고, 외부통으로부터 H2가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이중통의 내부통선단이 외부통보다도 후퇴되어 있는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    아크방전을 지속시킨 채 상기 석영가루 및 상기 가스 중 적어도 석영가루를 단속적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  10. 회전하는 몰드내에서 아크방전에 의하여 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서,
    상기 몰드의 내면을 따라서 석영가루의 퇴적층을 형성하는 단계와,
    상기 몰드의 측벽 및 저부간의 예정위치로부터 상기 퇴적층에 He 및 H2가스를 공급하는 단계와,
    상기 He 및 H2가스를 예정시간 공급한 후 아크방전을 개시하는 단계와,
    상기 퇴적층의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He 및 H2가스의 공급을 정지하여 상기 퇴적층으로부터 배기를 하는 단계와,
    상기 퇴적층이 예정된 진공도에 도달했을 때에 일단 정지한 He 및 H2가스의 공급을 재개하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  11. 회전하는 몰드내에서 아크방전에 의하여 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서,
    상기 몰드의 내면을 따라서 석영가루의 퇴적층을 형성하는 단계와,
    상기 퇴적층이 형성된 후 상기 몰드의 상부개구부에 덮개를 하여 몰드내를 배기하는 단계와,
    상기 몰드내가 예정된 진공도에 도달했을 때에 몰드내에 He 및 H2가스를 공급하는 단계와,
    몰드내의 압력이 예정값까지 상승했을 때에 상기 덮개를 열어서 아크방전을 개시하는 단계로 이루어지고,
    상기 덮개를 연 후 상기 He 및 H2가스의 공급을 예정시간 계속하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  12. 회전하는 몰드내에서 아크방전에 의하여 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서,
    상기 몰드의 내면을 따라서 석영가루의 퇴적층을 형성하는 단계와,
    상기 몰드의 측벽 및 저부간의 예정위치로부터 상기 퇴적층에 He 및 H2가스를 공급하는 단계와,
    상기 He 및 H2가스를 예정시간 공급한 후 아크방전을 개시하는 단계와,
    상기 퇴적층의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He 및 H2가스의 공급을 계속하면서 상기 몰드의 측벽상부로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 박막용융층이 형성되었을 때의 상기 He 및 H2가스의 공급위치를 상기 몰드의 측벽상부로 전환하는 동시에 아크방전 전에 He 및 H2가스를 공급하고 있던 위치로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  14. 회전하는 몰드내에서 아크방전에 의하여 석영가루를 용융하고 도가니성형하는 석영유리도가니의 제조방법에 있어서,
    상기 몰드의 내면을 따라서 석영가루의 퇴적층을 형성하는 단계와,
    상기 퇴적층이 형성된 후 상기 몰드의 상부개구부에 덮개를 하여 몰드내를 배기하는 단계와,
    상기 몰드내가 예정된 진공도에 도달했을 때에 몰드의 측벽 및 저부간의 예정위치로부터 몰드내에 He 및 H2가스를 공급하는 단계와,
    몰드내의 압력이 예정값까지 상승했을 때에 상기 덮개를 열어서 아크방전을 개시하는 단계로 이루어지고,
    상기 퇴적층의 표면에 박막용융층이 형성되었을 때에 상기 He 및 H2가스의 공급을 계속하면서 상기 몰드의 측벽상부로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 박막용융층이 형성되었을 때의 상기 He 및 H2가스의 공급위치를 상기 몰드의 측벽상부로 전환하는 동시에 아크방전 전에 He 및 H2가스를 공급하고 있던 위치로부터 상기 퇴적층의 배기를 하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  16. 제 10 항에서 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퇴적층을 예정시간 용융시킨 후 상기 몰드내에 H2, O2, H2O, He 및 Ne가스로 이루어지는 군 중 적어도 1종류의 가스를 공급하는 단계와,
    공급된 상기 가스의 분위기 속을 통과시켜서 상기 몰드내표면에 석영가루를 공급하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 석영가루가 상기 몰드내표면에 도달하기 전에 상기 아크방전의 분위기 속에서 연화되도록 상기 석영가루를 몰드내에 살포하는 것을 특징으로 하는 석영유리도가니의 제조방법.
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