KR20160022372A - 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조에 적합한 실리카 분말의 평가 방법 - Google Patents

실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조에 적합한 실리카 분말의 평가 방법 Download PDF

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Abstract

실리카 분말에 있어서의 실리카 입자 간의 간극율을 측정하는 공정과, 상기 실리카 분말을 용융하는 공정과, 용융 실리카 분말을 냉각하여 경화시킨 실리카 유리 블록의 기포 함유율을 측정하는 공정과, 상기 실리카 분말에 있어서의 간극율과 상기 실리카 유리 블록의 기포 함유율로부터 적합한 실리카 분말인지 아닌지를 판정하는 공정을 가지는, 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니에 있어서의 무기포층 형성에 적합한 실리카 분말의 평가 방법이다.

Description

실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조에 적합한 실리카 분말의 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING SUITABILITY OF SILICA POWDER FOR MANUFACTURING OF SILICA-GLASS CRUCIBLE FOR PULLING SILICON SINGLE CRYSTAL}
본 발명은, 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조에 적합한 실리카 분말의 평가 방법에 관한 것이다.
쵸크랄스키법(CZ법)에 의한 실리콘 단결정은, 실리카 유리 도가니를 이용하여 제조된다. 고순도의 폴리 실리콘을 용융시켜서 실리콘 융액(融液)을 얻고, 이 실리콘 융액 표면에 종결정(種結晶)의 단부를 접촉시켜, 회전시키면서 끌어 올림으로써, 실리콘 단결정은 제조된다. 실리콘 융액을 단결정에 접촉시키고 있는 실리콘 융액면 중심부분의 고액계면(固液界面)을 실리콘의 융점인 1420℃ 부근으로 유지하기 위해서 실리카 유리 도가니의 온도는 약 1450 ~ 1600℃의 고온으로 되어 있다. 2주일 이상 소요될 수 있는 실리콘 단결정 인상에 있어서는 실리카 유리 도가니의 림(rim)부의 침하 변형량이 5cm 이상 되는 경우도 있다.
실리카 유리 도가니의 사이즈는, 직경이 28인치(약 71cm), 32인치(약 81cm), 36인치(약 91cm), 40인치(약 101cm) 등의 것이 있다. 직경 101cm의 도가니는, 중량이 약 120kg의 거대한 것이며, 거기에 수용되는 실리콘 융액의 질량은 900kg 이상이다. 즉, 실리콘 단결정의 인상 시에는, 약 1500℃의 실리콘 융액이 900kg 이상 도가니에 수용된다.
이러한 실리카 유리 도가니는, 직경 200 ~ 450mm(예:200mm, 300mm, 450mm)로 길이가 1m에서 5m 이상의 대형 단결정 실리콘 잉곳(ingot)의 제조에 적합하게 이용된다. 이러한 대형 잉곳으로부터 제조되는 단결정 실리콘 웨이퍼는, 플래시 메모리나 DRAM의 제조에 적합하게 이용된다.
반도체 제조에 이용되는 실리콘 웨이퍼는, 실리콘 단결정을 슬라이스하여 얻을 수 있다. 최근 반도체 장치의 고집적도화에 따라, 실리콘 웨이퍼의 표면에서의 보이드 결함(void defect)의 저감이 요구되고 있다.
보이드 결함은, 웨이퍼 표층부를 에칭 처리하여 제거할 수 있는 것으로 알려져 있지만, 에칭 공정은 시간과 비용이 들기 때문에 보이드 결함이 존재하지 않는 실리콘 단결정의 제조가 일렉트로닉스 분야에서 요망되고 있다.
보이드 결함이 없는 실리콘 단결정을 제조하기 위해서, 다양한 방법이 알려져 있다. 그 하나로, 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니에 있어서의 투명층의 기포를 저감하는 방법이 있다. 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니는, 분체(粉)의 실리카를 이용하여 제조된다. 회전 몰드법에 의하면, 실리카 유리 도가니는, (1) 회전 몰드에 실리카 분말을 퇴적시키고, (2) 아크 방전에 의해 실리카 분말을 용융시키는 공정에 의해 제조된다. 실리콘 단결정에 있어서의 기포의 혼입이 보이드 결함의 하나의 원인으로 여겨지고 있다. 그 때문에, 실리콘 단결정으로의 기포의 혼입을 피하기 위하여 실리카 유리 도가니의 투명층은 기포가 존재하지 않는 층으로 형성되어 있다.
투명층, 즉, 실질적인 무기포층(無氣泡層)을 구비하는 실리카 유리 도가니를 제조하기 위하여, 몰드 내부에서 가스 성분을 흡인할 수 있는 회전 몰드를 이용한 실리카 유리 도가니의 제조 방법이 알려져 있다. 상세하게는, 몰드 내면에 실리카 분말을 퇴적시켜 흡인 장치에 의해 가스 성분을 흡인하면서 아크 용융하는 방법이다(특허문헌1). 또한, 특허문헌 2에 있어서는, 실리카 유리 원료 기포의 발생 요인의 유무를 판정하는 방법이 기재되어 있다.
[특허문헌 1] 일본공개특허공보 제2010-143818호 [특허문헌 2] 일본공개특허공보 제2009-007211호
그러나, 특허문헌 1의 방법에 의해서도, 무기포층이 만들어지는 경우와 그렇지 않은 경우가 있어, 품질을 안정시키는 것이 곤란하다.
품질이 안정되지 않는 이유가 지금까지 분명하게 밝혀지고 있지 않기 때문에, 실리카 유리 도가니를 제조하지 않으면 품질의 좋고 나쁨을 알 수 없다.
본 발명은, 이러한 사정에 비추어, 무기포층을 구비하는 실리카 유리 도가니를 안정적으로 제조할 수 있는 실리카 분말의 평가 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 평가 방법을 제공한다. 즉, 실리카 분말에 있어서의 실리카 입자 간의 간극율(間隙率)을 측정하는 공정과, 상기 실리카 분말을 용융하는 공정과, 용융 실리카 분말을 냉각해 경화시킨 실리카 유리 블록의 기포 함유율을 측정하는 공정과, 상기 실리카 분말에 있어서의 간극율과 상기 실리카 유리 블록의 기포 함유율로부터 적합한 실리카 분말인지 아닌지를 판정하는 공정을 가지는, 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니에 있어서의 무기포층의 형성에 적합한 실리카 분말의 평가 방법이다
실리카 유리 도가니의 무기포층 형성에 적합한 실리카 분말인지 아닌지의 평가는, 실리카 유리 도가니를 시험적으로 제조하는 것으로 실시할 수 있다. 그러나, 실리카 유리 도가니의 제조에는 시간과 비용이 지나치게 들기 때문에, 일반적으로는, 실리카 분말을 용융하여 작성한 실리카 블록의 기포 함유율을 측정하여, 적합한 실리카 분말의 평가를 하고 있다(특허문헌 2) (이하, 종래의 평가 방법). 종래의 평가 방법은, 내열성 용기에 실리카 분말을 공급하여, 진공 분위기 하에서 실리카 분말을 용융시키고, 실리카 분말이 용융하여 굳어진 실리카 블록 중의 기포의 함유율을 측정하는 방법이 일반적이다. 그렇지만, 이 방법에 의해 적합하다고 평가된 실리카 분말은, 산수소불꽃(酸水素炎) 용융을 이용하는 베르누이법에 의해 실리카 유리를 제조하는 것이지만, 아크 용융으로 행한 실리카 유리 도가니의 제조에 이용했다고 하더라도, 반드시 양호한 결과를 얻을 수 있는 것은 아니다. 이 방법에서는, 산수소(酸水素) 버너로부터의 연소 가스인 수증기가 실리카 유리에 포함되기 때문에, 실리콘 단결정 인상에 이용되었을 때 기포를 발생시키는 원인이 된다.
본 발명자들은, 기포 함유율이 낮은 실리카 유리 블록을 얻을 수 있는 실리카 분말의 분석을 행하였다. 그 결과, 처음에는 실리카 분말의 평균 입자 지름이 실리카 유리 블록의 기포 함유율과 상관이 있다는 결과가 얻어졌다. 그러나, 실리카 분말에 따라서는, 같은 평균 입자 지름임에도 불구하고, 실리카 유리 블록의 기포 함유율이 낮거나 높거나 하여, 결과에 편차가 생기는 것이 밝혀졌다. 자세히 해석해 본 결과, 결과에 편차가 있는 실리카 분말은, 용융 전의 실리카 입자의 간극율이 다르다는 것이 밝혀졌다. 즉, 입자의 형상이 다르면, 비록 평균 입자 지름이 동일하더라도 충전(充塡) 방법(충전된 상태)이 달라진다.
이러한 놀라운 발견에 근거하여, 본 발명자들은, 단순히 용융 후의 실리카 유리 블록 중의 기포 함유율을 측정하는 것만으로는, 적합한 실리카 분말인지를 평가할 수 없다는 결론에 이르렀다. 즉, 용융 후의 실리카 유리 블록의 기포 함유율 뿐만 아니라, 용융 전의 실리카 분말의 간극도 고려할 필요가 있다는 결론이다. 본 발명자들은, 연구를 더욱 거듭한 결과, 실리카 입자 간의 간극율에 대하여 실리카 유리 블록의 기포 함유율이 규정 값의 범위 내인 실리카 분말이, 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니에 있어서의 무기포층 형성에 적합하다는 것을 찾아내 본 발명을 완성하였다. 본 발명에 따른 평가 방법을 이용함으로써, 투명층에 기포가 발생하지 않는 실리카 분말을 사전에 식별하는 것이 가능해진다.
도 1은 퇴적한 실리카 분말의 표면(11) 위를 대물 렌즈(10)가 주사(走査)하는 모양을 나타낸 모식도이다.
도 2는 내열성 용기 내에 있어서의 실리카 분말의 개념도이다. 사선부가 실리카 입자이고, 백색부가 간극인 것을 나타낸다.
도 3은 내열성 용기 내에 있어서의, 용융한 실리카 유리 블록의 개념도이다. 사선부가 실리카이며, 백색부가 간극인 것을 나태낸다.
도 4는 합성 실리카 분말을 이용하여 작성한 실리카 유리 도가니에 있어서의 투명층의 기포를 확인하는 방법의 개념도이다.
본 발명에 따른 실시 형태의 평가 방법은, 실리카 분말에 있어서의 실리카 입자 간의 간극율을 측정하는 공정과, 상기 실리카 분말을 용융하는 공정과, 용융 실리카 분말을 냉각하여 경화시킨 실리카 유리 블록의 기포 함유율을 측정하는 공정과, 상기 실리카 분말에 있어서의 간극율과 상기 실리카 유리 블록의 기포 함유율로부터 적합한 실리카 분말인지 아닌지를 판정하는 공정을 가지는, 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니에 있어서의 무기포층 형성에 적합한 실리카 분말의 평가 방법이다. 한편, 육안으로 투명한 실리카 유리층을 투명층이라고 하고, 무기포층은, 특히 직경 20 ~ 100μm인 기포의 기포 함유율이 0.1 이하인 실리카 유리층이다. 이하, 각 구성 요소에 대해 상세하게 검토한다.
1. 실리카 분말
본 발명에 있어서의 실리카 분말은, 합성 실리카 분말 또는 천연 실리카 분말이다. 합성 실리카 분말은, 화학 합성된 실리카이며, 불순물 농도가 매우 낮기 때문, 실리카 유리 도가니의 내면층에 사용된다. 합성 실리카 분말의 제조 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 사염화규소(SiCl4)의 기상 산화(건식 합성법)이나, 실리콘 알콕시드(Si(OR)4)의 가수분해(졸·겔법)를 들 수 있다. 천연 실리카 분말은, α-석영을 주성분으로 하는 천연광물을 분쇄하여 분상(粉狀)으로 함으로써 제조되는 분말이다.
2. 실리카 유리 도가니
실리카 유리 도가니는, 실리카 유리 도가니 제조용 회전 몰드에, 천연 실리카 분말을 공급하고, 또한 합성 실리카 분말을 천연 실리카 분말 상에 공급하여, 아크 방전의 열에 의해 실리카 분말을 용융함으로써, 합성 실리카 분말로부터 형성되는 내면층(합성층)과 천연 실리카 분말로 형성되는 외면층(천연층)으로 이루어지는 실리카 유리 도가니가 제조된다. 아크 용융 공정의 초기에는 실리카 분말층을 강하게 감압함으로써 기포를 제거하여 투명 실리카 유리층(투명층)을 형성하고, 그 후, 감압을 약하게 함으로써 기포가 잔류한 기포 함유 실리카 유리층(이하, 「기포함유층」이라고 칭한다.)이 형성된다.
3. 평가 방법
내열성 용기에 대기압하에서, 회전 몰드법으로 제조할 때와 마찬가지로 실리카 분말을 자유 낙하시켜 공급한다. 용기에서 밀려 나온 실리카 분말은 갈아서 끊어, 관찰면을 평평하게 민다. 이렇게 함으로써 회전 몰드법에 의해 실리카 분말을 충전하는 것과 동일한 충전이 된다. 내열성 용기는, 고온에서의 사용에 견딜 수 있는 소재라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 세라믹계 복합재나 탄소섬유 강화 탄소복합재(C/C composite)이다. 내열성 용기의 사이즈는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 세로 10에서 50mm, 가로 10에서 50mm, 높이 10에서 30mm으로 할 수 있고, 구체적으로는, 세로 30mm × 가로 40mm × 높이 20mm의 직방체의 용기를 선택할 수 있다.
실리카 분말에 있어서의 간극율을 측정한다. 실리카 입자 간의 간극은, 실리카 분말에 조사한 빛의 반사광을 받는 수광 장치를 구비하는 광학적 검출 수단을 이용해서 비접촉적으로 측정하는 것이 가능하다.
이 광학적 검출 수단에 있어서의 조사광의 발광 수단은, 내장된 것이어도 되고, 또한 외부의 발광 수단을 이용하는 것도 좋다. 또한, 광학적 검출 수단은, 내열 용기 중에 퇴적된 실리카 분말의 표면을 따라 주사할 수 있는 것을 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 공초점(共焦占) 현미경을 이용하여 행하여지는 것이 예시될 수 있다. 공초점 현미경은, 흐릿하지 않은 상을 취득할 수 있기 때문에 적합하다. 조사광으로는, 가시광선, 자외선 및 적외선 이외에도, 레이저광 등을 이용할 수 있고, 실리카 입자 간에 있어서의 간극을 검출할 수 있는 것이라면 어느 것을 채용해도 좋다. 수광 장치는, 조사광의 종류에 따라서 선택되지만, 예를 들면, 수광 렌즈 및 영상부를 포함하는 광학 카메라를 이용할 수 있다. 실리카 입자 간에 있어서의 간극을 검출하기 위해서는, 집광점에서 생기는 빛만을 수광 하는 것이 바람직하다. 집광점에서 생기는 빛만을 수광 하기 위해서는, 수광 장치에 포함되는 광검출기 앞에 핀홀(pinhole)을 구비하는 것이 바람직하다. 초점거리는, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 표면으로부터 0.1mm ~ 3mm 깊이이며, 예를 들면, 0.3에서 1.0mm이다.
측정 방법으로는, 도 1에 나타낸 대로, 광학적 검출 수단의 대물 렌즈(10)를 내열용기(12) 안에 퇴적한 실리카 분말의 표면(11)에 비접촉적으로 배치하고, 주사 방향(13)을 향해 주사하는 것으로, 실리카 입자 간에 있어서의 간극이 측정된다. 다른 주사 방식으로는, 샘플 주사 방식과 레이저 주사 방식이 있다. 샘플 주사 방식은, 샘플을 실은 스테이지를 XY방향으로 구동시켜서 2차원상(像)을 취득하는 방식이다. 레이저 주사 방식은, 레이저를 XY방향에 맞추는 것으로, 샘플 위를 2차원 주사하는 방식이다. 어느 쪽의 주사 방식을 채용해도 좋다.
복수의 측정점에 있어서의 간극율을 측정하여, 그 평균치를 채용해도 좋다. 예를 들면, 3군데를 측정하고, 그 평균치이어도 좋다. 측정된 간극율은, 임의의 파라미터(parameter)로 변환해도 되고, 예를 들면, 면적, 면적비 및 비율이어도 좋다. 측정의 결과, 간극이 불명료한 경우에는, X축, Y축 또는 Z축의 어느 한 방향으로 초점을 비켜 놓고 측정해도 좋다.
용융 전의 실리카 입자 간의 간극율은, 바람직하게는 15% 이하, 더욱 바람직하게는 10% 이하, 더더욱 바람직하게는 5% 이하이며, 적어도 1% 이상이어도 좋다. 「간극율」: n은, 어느 구획의 면적을 S, 상기 구획 중에 퇴적하는 실리카 분말의 단면적의 합계 면적을 Sp 라고 하고, 예를 들면, 아래와 같이 구할 수 있다.
간극율: n = ((S-Sp)/S)×100
또한, 간극의 합계 면적을 Sn 으로 하면, 이하의 식으로 구할 수 있다.
간극율: n = (Sn/S)×100
실리카 분말이 들어있는 내열성 용기를 노(爐, furnace) 내에 넣어, 노 내의 온도를 상기 실리카 분말이 용융하는 온도까지 상승시킨다. 열원은, 예를 들면 카본 히터를 선택할 수 있다. 노 내의 가열 속도는, 실리카 분말 중의 가스 성분이 팽창하여 파열하게 되는 것과 같은 급격한 온도 변화가 아니라면, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 가열 속도는, 50에서 300℃/min 이어도 좋다. 실리카 분말을 용융시키는 온도는, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 아크 용융시의 온도인 약 1500 ~ 2600℃로, 예를 들면, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 또는 2600℃이며, 여기서 예시한 어느 2개의 수치 범위내이어도 좋다. 이 온도 범위 내로 설정함으로써 아크 용융에 가까운 온도조건을 재현할 수 있다. 가열 시간은, 용융하는 온도에 도달한 후 바람직하게는 20시간에서 60시간, 더욱 바람직하게는 30시간에서 50시간까지이다. 실리카 분말의 용융은, 대기압 하에서 실시해도 좋다. 대기압 하에서 용융함으로써, 대상 실리카 분말의 성질을 더욱 상세하게 해석할 수 있다. 진공 하에서 실시하는 경우에는, 예를 들면 1.0×104Pa에서 1.0×105Pa 사이이어도 되고, 바람직하게는 2.0×104Pa이다.
용융 실리카 분말을 냉각하여, 유리화시킨 실리카 유리 블록의 기포 함유율을 측정한다. 용융 실리카 분말의 냉각은, 가열 종료에 따라 냉각하면 좋다. 실리카 유리 블록에 있어서의 기포 함유율 P(%)은, 공초점 현미경 등의 광학검출 수단에 의한 측정 결과를 화상 처리 장치에 넣어 산출된다. 실리카 유리 블록 내표면의 화상을 촬상하고, 실리카 유리 블록 내표면을 일정 체적마다 구분하여 기준 체적 W1으로 하고, 이 기준 체적 W1에 대한 기포의 점유 체적 W2을 구하여, P(%) = (W2/W1)×100에 의해 산출한다. 초점거리는, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 표면에서 0.1mm ~ 3mm의 깊이이며, 예를 들면, 0.3에서 1.0mm의 깊이이다.
실리카 입자 간에 있어서의 간극율과 실리카 유리 블록 중에 있어서의 기포 함유율로부터 최적의 실리카 분말인지 아닌지를 평가한다. 최적의 실리카 분말인지 아닌지를 평가하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 용융 전의 실리카 입자 간의 간극율에 대한 용융 후의 실리카 유리 블록의 기포 함유율(이하, 용융 전후의 수축 지수라고 하는 경우가 있다)이, 바람직하게는 0.5 이상, 더욱 바람직하게는 0.7 이상, 더더욱 바람직하게는 0.8 이상인 경우에 뛰어난 실리카 분말이라고 평가할 수 있다. 수치를 규정함으로써, 고품질의 실리카 분말을 사전에 평가하는 것이 가능하며, 지금까지 이러한 방법은 존재하지 않았다. 한편, 용융 전후의 수축 지수가 0.5미만의 경우, 무기포 상태의 투명층을 안정적으로 제조할 수 없는 경우가 있다. 상기 평가는, 간극이나 기포의 면적이어도 좋다. 또한, 면적 이외에서 간극이나 기포를 수치화한 경우이어도 면적에 환산, 또는 다른 수단을 이용하여 면적을 산출한 결과가, 상술의 범위 내이어도 좋다.
4. 실리카 유리 도가니의 제조 방법
실리카 유리 도가니는, (1) 실리카 유리 도가니의 외형을 규정하는 그릇 모양의 내표면을 가지는 몰드를 회전시키면서, 그 내부의 저부 및 측면 상에 천연 실리카 분말을 소정 두께로 퇴적시킨 후, 합성 실리카 분말을 소정 두께로 퇴적시킴으로써 실리카 분말층을 형성하고, (2) 이 실리카 분말층을 아크 방전에 의해 용융시킨 후에 냉각 함으로써, 제조할 수 있다.
실리카 분말의 용융은, 회전 몰드의 내표면에서의 최고 도달 온도가 2000 ~ 2600℃가 되도록 하는 것이 바람직하다.
아크 용융은, 예를 들면, 교류 3상(R상, S상, T상)의 아크 방전에 의해 실시된다. 따라서, 교류 3상의 경우에는, 3개의 탄소 전극을 사용하여 아크 방전을 발생시킴으로써 실리카 분말층이 용융한다. 아크 용융은, 상기 탄소 전극의 끝단이 몰드 개구부보다도 윗쪽에 위치하는 지점에서 아크 방전을 개시한다. 이에 따라, 몰드 개구부 근방에 있어서의 실리카 분말층이 우선하여 용융된다. 그 후, 탄소 전극을 강하시켜 몰드 직동부(直銅部), 코너부 및 저부의 실리카 분말층을 용융시킨다.
실리카 유리 도가니에 있어서의 기포 함유율 P(%)은, 공초점 현미경 등의 광학검출 수단에 의한 측정 결과를 화상 처리 장치에 넣어 산출된다. 도가니 내표면의 화상을 촬상하고, 도가니 내표면을 일정 체적마다 구분해서 기준 체적 W1으로 하고 이 기준 체적 W1에 대한 기포의 점유 체적 W2을 구하고, P(%)=(W2/W1)×100에 의해 산출한다.
실시예
1. 간극의 측정
<실시예 1>
내열성 용기에 실시예 1의 합성 실리카 분말을 세로 30mm×가로 40mm×높이 20mm의 직방체의 카본제 용기에 공급하고, 공초점 현미경으로 간극율을 측정하였다. 초점거리는, 표면에서 0.3mm의 위치로 하였다. 간극율은, 3군데의 측정 위치(초점거리는 동일)에 있어서의 간극 면적의 상가평균값(相加平均値)에 근거하여 산출하였다. 이때의 간극율은, 7.2% 이었다. 간극율을 측정한 후, 합성 실리카 분말을 넣은 내열성 용기를 노 내에 설치하였다.
카본 히터를 이용하여 노 내의 온도를 상승시켜, 노 내 온도를 약 2200℃로 하고, 내열 용기 내에 있어서의 실시예 1의 합성 실리카 분말을 용융시켰다. 2200℃에서 40시간 용융 후, 노를 열지 않고 실온이 될 때까지 방치하였다. 실온이 된 시점에서, 실리카 유리 블록을 꺼내어, 용융 전과 동일한 방법으로 기포 함유율을 측정하자 4.2%이었다.
따라서, 실시예 1의 실리카 분말은, 용융 전후의 수축 지수((실리카 유리 블록의 기포 함유율)/ (실리카 입자의 간극율))가 0.58인 것을 알 수 있었다.
<실시예 6>
내열성 용기에 실시예 1과는 다른 제조 로트(lot)의 합성 실리카 분말(실시예 6)을 세로 30mm×가로 40mm×높이 20mm의 직방체의 카본제 용기에 공급하고, 공초점 현미경으로 간극율을 측정하였다. 측정 방법은, 실시예 1과 같다. 이 때의 간극율은, 10.2%이었다. 간극율의 측정 후, 합성 실리카 분말을 넣은 내열성 용기를 노 내에 설치하였다.
카본 히터를 이용하여 노 내의 온도를 상승시켜, 노 내 온도를 약 2200℃로, 내열 용기 내에 있어서의 실시예 2의 합성 실리카 분말을 용융시켰다. 2200℃에서 40시간 용융 후, 노를 열지 않고 실온이 될 때까지 방치하였다. 실온이 된 시점에서, 실리카 유리 블록을 꺼내, 용융 전과 같은 방법으로 기포 함유율을 측정하자 4.0%이었다.
따라서, 실시예 6의 실리카 분말은, 용융 전후의 수축 지수((실리카 유리 블록의 간극율)/ (실리카 입자의 기포 함유율))가 0.39인 것이 드러났다.
<실시예 2~5, 7~10>
제품 로트가 다른 합성 실리카 분말을 이용하여 마찬가지로 용융 전후의 수축 지수를 측정하였다. 표 1은, 실시예 1~10에 관한, 용융 전의 간극율, 실리카 유리 블록의 기포 함유율 및 용융 전후의 수축 지수이다.
Figure pct00001
2. 실리카 유리 도가니의 제조
실시예 1~10의 합성 실리카 분말을 이용하여, 회전 몰드법에 의해, 실리카 유리 도가니를 제조하였다. 몰드 구경은, 32인치(81.3cm), 몰드 내표면에 퇴적한 실리카 분말층의 평균 두께는 15mm, 3상 교류 전류 3개 전극에 의해 아크 방전을 실시하였다. 아크 용융 공정의 통전 시간은 90분, 출력 2500kVA, 통전시작으로부터 10분간은 실리카 분말층의 진공 흡인을 실시하였다.
각각의 합성 실리카 분말을 이용하여 실리카 유리 도가니를 3개 작성하고, 도 4와 같이 두께방향으로 도가니를 슬라이스하여 두께가 2mm가 되도록 연마하여 투명층(25)의 기포를 확인하였다. 기포의 측정은, 공초점 현미경을 이용하여 측정하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
실시예 1 ~ 5의 합성 실리카 분말을 이용한 실리카 유리 도가니는, 모두 무기포 상태의 투명층인 것이 확인되어, 무기포인 층을 가지는 실리카 유리 도가니를 안정적으로 제조할 수 있었다. 한편, 실시예 6~10의 합성 실리카 분말을 이용한 실리카 유리 도가니는, 5개 모두의 실리카 유리 도가니에 기포 함유율이 0.1%를 넘는 개소가 존재하고 있는 것이 확인되어, 무기포층을 가지는 실리카 유리 도가니를 안정적으로 제조할 수 없었다.
<비교예 1>
특허문헌 2(일본공개특허공보 2009-007211)의 실시예에 기재된 방법에 근거하여, 기포 발생 요인이 없다고 판단된 합성 실리카 분말을 이용한 것 외에는, 상기와 동일하게 하여 실리카 유리 도가니를 작성하고, 기포를 공초점 현미경을 이용하여 측정하였다. 결과를 표2에 나타내었다.
Figure pct00002
이상의 결과로부터, 본 발명에 따른 평가 방법을 이용함으로써, 투명층에 기포가 발생하지 않는 실리카 분말을 사전에 평가(판정)하는 것이 가능함을 알 수 있었다.
10 대물 렌즈
11 표면
12 내열용기
13 주사 방향
21 직동부
22 코너부
23 저부
24 기포층
25 투명층
26 슬라이스편

Claims (5)

  1. 실리카 분말에 있어서의 실리카 입자 간의 간극율을 측정하는 공정과,
    상기 실리카 분말을 용융하는 공정과,
    용융 실리카 분말을 냉각하여 경화시킨 실리카 유리 블록의 기포 함유율을 측정하는 공정과,
    상기 실리카 분말에 있어서의 간극율과 상기 실리카 유리 블록의 기포 함유율로부터 적합한 실리카 분말인지 아닌지를 판정하는 공정을 가지는,
    실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니에 있어서의 무기포층 형성에 적합한 실리카 분말의 평가 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    간극율 및 기포 함유율의 측정이, 공초점 현미경을 이용하여 행하여지는 평가 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리카 분말을 용융하는 온도가, 약 1500에서 2600℃인 평가 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적합한 실리카 분말은, (상기 실리카 유리 블록의 기포 함유율)/(상기 실리카 입자의 간극율)이 0.5 이상의 경우인 평가 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 실리카 분말의 평가 방법을 이용하여 실리카 분말의 무기포층 형성에 적합한 실리카 분말을 선택하고, 상기 적합한 실리카 분말을 이용하여 아크 용융법에 의해 실리카 유리 도가니를 제조하는 것을 특징으로 하는 실리카 유리 도가니 제조 방법.
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