TWI436955B - 氧化矽玻璃坩堝的製造方法，氧化矽玻璃坩堝 - Google Patents

Description

氧化矽玻璃坩堝的製造方法，氧化矽玻璃坩堝

本發明係關於一種氧化矽玻璃坩堝的製造方法以及氧化矽玻璃坩堝。

舉例說明一種氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其具備：在旋轉模具內面堆積平均粒徑為300MM左右的氧化矽粉末而形成氧化矽粉層的氧化矽粉層形成製程，以及從模具側對氧化矽粉層進行減壓的同時對氧化矽粉層進行電弧熔融而形成氧化矽玻璃層的電弧熔化製程(該方法稱之為「旋轉模具減壓法」)。並且，為了消除電弧熔化製程之後的坩堝高度的偏差，實施切除坩堝上端部而對齊坩堝高度的切除製程。

製造一種具有坩堝內面側的實際上不含氣泡的透明氧化矽玻璃層(以下，稱作「透明層」)，以及坩堝外面側的含氣泡的氧化矽玻璃層(以下，稱作「含氣泡層」)的兩層結構的坩堝時，在電弧熔化製程的初期對氧化矽粉層加大減壓程度來去除氣泡而形成透明層，之後，減弱減壓程度而形成殘留氣泡的含氣泡層。

製造坩堝時，對所有坩堝進行切除製程，因此會產生大量的被切除的廢玻璃。並且，有時藉由電弧熔化製程製得的坩堝，有時會出現不符合要求，而且也不能修正，這時通常會進行廢棄處分，因此這種坩堝也成為廢玻璃。

[現有技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本公開專利特開2000-344535號公報

專利文獻2：日本公開專利特開2004-131317號公報

專利文獻3：日本公開專利特開平8-283065號公報

坩堝製造製程中產生的廢玻璃的純度非常高，本發明的發明人對這些廢玻璃進行粉碎並製得平均粒徑為300 μm左右的氧化矽粉末，然後使用該氧化矽粉末並利用旋轉模具減壓法嘗試著製造上述具有兩層結構的坩堝。然而，即使在電弧熔化時對氧化矽粉層進行強有力的減壓，坩堝內面側的層上也會殘留氣泡，而未能形成透明層。

本發明是鑒於這種問題而完成的，本發明提供一種採用廢玻璃製造具有透明層的氧化矽玻璃坩堝的方法。

本發明提供一種製造單晶或多晶矽錠用的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，具備玻璃化製程，其中，對具有坩堝形狀的氧化矽粉末燒結體，從內面側對所述氧化矽粉末燒結體進行電弧熔化，由此對所述氧化矽粉末燒結體的厚度方向上的全部或局部進行玻璃化，並且具備：(1)所述電弧熔化時從外面側對所述氧化矽粉末燒結體進行減壓，(2)所述電弧熔化時在所述氧化矽粉末燒結體的內面散佈合成氧化矽粉而在內面側形成合成氧化矽玻璃層，之中的至少一種製程。

本發明之發明人在使用粉碎廢玻璃而得的氧化矽粉末來製造坩堝時，對不能形成透明層的原因進行了調查發現：廢玻璃中含有大量氣泡，即使粉碎成平均粒徑300 μm左右，也無法完全除去氣泡，氣泡仍殘留在氧化矽粉末的各個顆粒內部，而殘留在該顆粒內部的氣泡即成為無法形成透明層的原因。

其次，使氣泡不會殘留於顆粒內部，更加細小地粉碎廢玻璃而獲得了平均粒徑為50 μm左右的氧化矽粉末，並嘗試著使用該氧化矽粉末並藉由旋轉模具減壓法來製作坩堝，但是，因為氧化矽粉末太小，所以當將其堆積在模具內面時氧化矽粉末會飛散，因此，很難形成具有一定厚度的氧化矽粉層。並且，即使在模具內面堆積氧化矽粉末，也因電弧衝擊波致使氧化矽粉末飛散，特別是在電弧正下面部分發生飛散現象。

在這種狀況下，本發明的發明人發現：如果對使用粉碎廢玻璃而得的氧化矽粉末製造的氧化矽粉末燒結體，從坩堝外面側對氧化矽粉末燒結體進行減壓的同時，從坩堝內面側對氧化矽粉末燒結體進行電弧熔化，而使得氧化矽粉末燒結體的厚度方向上的全部或局部玻璃化，由此發現可以在坩堝內面形成實質上不含有氣泡的透明層。並且還發現當電弧熔化時，如果在氧化矽粉末燒結體的內面散佈合成氧化矽粉，則能夠在坩堝內面形成實質上不含有氣泡的透明的合成氧化矽玻璃層。

根據本發明，利用如對氧化矽粉末燒結體在減壓環境下進行電弧熔化，或者，在電弧熔化時散佈合成氧化矽粉的非常簡單的方法即可形成透明層，因此，可以利用廢玻璃輕易製造在內面具有透明層的坩堝。

以下，參照圖1～圖3來說明本發明的一實施方式所涉及的氧化矽玻璃坩堝製造方法。

本實施方式的氧化矽玻璃坩堝的製造方法是一種用於製造單晶或多晶的矽錠的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其具備對具有坩堝形狀的氧化矽粉末燒結體3，從內面側對氧化矽粉末燒結體3進行電弧熔化，由此對氧化矽粉末燒結體3的厚度方向上的全部或局部進行玻璃化的製程，並且，具備(1)進行所述電弧熔化時從外面側對氧化矽粉末燒結體3進行減壓，(2)進行所述電弧熔化時在氧化矽粉末燒結體3的內面散佈合成氧化矽粉而在內面側形成合成氧化矽玻璃層5，之中的至少一種製程。

以下，詳細說明各結構要素。

(1)氧化矽粉末燒結體3

本實施方式的方法所使用的氧化矽粉末燒結體3具有如圖1(a)所示的坩堝形狀。圖1(a)中示出了具有圓底坩堝形狀的氧化矽粉末燒結體3，但是，氧化矽粉末燒結體3亦可具有平底坩堝形狀。並且，本實施方式的方法以單晶矽錠提拉用坩堝和多晶矽錠製造用坩堝雙方為物件，從坩堝上方看到的形狀可以為圓形也可以為四角形。

氧化矽粉末燒結體3只要是對氧化矽粉末進行燒結的物質即可，並不限定氧化矽粉末具有特定的粒徑，或對燒結體進行特定的製造方法。氧化矽粉末的平均粒徑優選為1～250 μm。平均粒徑太大會導致在氧化矽粉末的各個粒子內容易含氣泡，太小會導致粉碎時花費工夫和時間。

本發明的一個目的是迴圈利用廢玻璃，因此，作為氧化矽粉末燒結體3，優選使用粉碎廢玻璃而得的氧化矽粉末來製造。所謂廢玻璃是指，例如，可以為切掉坩堝上部的緣部切割製程中被切掉的部分，或者，藉由電弧熔化而得的坩堝不符合製品規格且無法修正時，未出貨而被處分掉的玻璃，不過，並非局限於此，可以為坩堝製造製程中產生的、作為成品出貨之外的材料。

並且，電弧熔化時從外面側對燒結體進行減壓的狀況下，氧化矽粉末的粒徑太小會導致燒結體內部空間的體積(氣孔率)變得太小，因而進行電弧熔化時，即使從坩堝的外面側減壓，其減壓效果也很難波及到坩堝的內面側。氧化矽粉末的平均粒徑可以為1、5、10、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、250 μm，亦可所列的任意2個數值範圍內的值。

在此，所謂「粒度」是，如通常的JIS Z 8901「試驗用粉狀體及試驗用粒子」的用語定義項所述的，可以以利用篩子分離法測量的試驗用篩子的裂縫表示，可以以利用沉澱法的斯托克斯相應直徑表示，可以以利用顯微鏡法的圓相應直徑表示，以及可以以利用光散射法的球相應、和利用電阻試驗方法的球相應值表示(亦稱作粒徑)，在本說明書中，測量粒度分佈時採用以鐳射為光源的鐳射衍射‧散射式測量法。

在此利用的是向粒子照射光時在各粒徑散射的散射光量與類型不同的原理(米氏散射(Mie scattering))。對粒子照射鐳射時，粒徑越大對整個圓周方向的散射強度越強，特別是檢測到的向前方散射光強度很強。並且，隨著粒徑變小，整體上散射光強度變弱，檢測到的原本很強的前方散射光變弱。為此，當粒子的粒徑較大時，在通過粒子而散射的光中，利用凸透鏡聚集前方散射光的話，其焦點面上會產生衍射圖樣。這些衍射光的亮度和大小由粒子的大小(粒徑)而定。從而，若利用這些散射光資訊就可以輕易獲得粒徑。另一方面，粒徑變小時，前方散射光的強度減少，設置在前方的檢測器很難進行檢測，不過，側方及後方的散射光的散射圖形因粒徑而不同，因此，測量這些即可求得粒徑。比較以上的測量結果和表示出與所得的光的散射圖形相同的散射圖形的球形粒子，並作為粒度分佈而輸出。從而，例如，是與1 μm直徑的球表現出相同的衍射‧散射光圖形的被測量粒子的話，不管其具有何種形狀，均判定為其具有1 μm的直徑。從而，在其他測量方法中，目測或圖像分析時，對於隨機配向的粒子，對一定軸向的長度進行測量的“定向直徑”，或粒子投影面積相同的理想形狀(通常是圓形)的粒子大小的“相應直徑”，除此之外的表示粒子長軸和短軸比率的縱橫尺寸比不同。並且，所謂「平均粒徑」是指在獲得的粒度分佈中的累計值50%上的粒徑。

優選的，氧化矽粉末燒結體3是藉由將粉碎氧化矽玻璃而得的氧化矽粉末與分散劑相混合而製得漿料，並將其形成為坩堝形狀之後進行燒成的製程而製造。作為分散介質，只要是可以將氧化矽粉末做成漿料狀的物質，則沒有特別限定，不過，為了避免雜質包含在燒結體內，優選使用純水。並且，有必要時可以添加分散劑或黏合劑。此時，作為分散劑和黏合劑最好使用可以在燒成溫度下藉由熱處理能被除去的物質。

對於燒成溫度，只要是可以形成燒結體的溫度就沒有特別限定，但是800～1500℃為佳。燒成溫度太低就無法形成燒結體，燒成溫度太高可能會引起燒結體的。作為燒成溫度，例如，可以是800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃，在此列舉的任意2個數值範圍之內的溫度。作為燒成時間只要是能夠充分形成燒結體的時間即可，例如，可以為0.5～100小時，具體來講，假如是0.5，1，3，5，10，20，30，40，50，100小時，或者是在此列舉的任意2個數值範圍之內的時間。燒成時間太短就會無法恰當地形成燒結體，燒成時間太長會導致生產效率下降。

將漿料形成為坩堝形狀的方法，沒有特別的限定，不過，優選為粉漿澆鑄法，根據此方法，可以比較容易地製造大型坩堝。粉漿澆鑄法是眾所周知的陶瓷燒結體的成形方法。通常，藉由採用石膏等具有吸水性材料所構成的模框，從注入到該模框的腔體內的漿料(陶瓷粉末的懸浮液，也稱作粉漿)中吸收水分使漿料固化來進行。所獲得的成形體經過脫脂處理後，再經過燒成而成為成品。這種方法一般適用於製造複雜形狀的成形體，但是由於製造厚壁的成形體需要時間，因此也有一種邊向漿料施加壓力邊進行粉漿澆鑄成形的加壓成形法。根據這種粉漿澆鑄加壓成形法能強制進行粉漿的脫水，從而能製造出壁厚比較厚的成形體。

對於氧化矽粉末燒結體3的氣孔率沒有特別的限定，例如，可以為1～30%。氣孔率越小，電弧熔化時即使從坩堝外面側減壓其效果也會涉及到坩堝的內面側，同時氧化矽粉末燒結體3的強度也會變高。氣孔率是可以藉由改變氧化矽粉末的粒徑來進行調節的。並且，也可以藉由改變粒徑不同的多種氧化矽粉末的配合比例來調節氣孔率。例如，氣孔率是1%、2%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，也可以在所舉出的任意兩個數位的範圍內。

(2)電弧熔化

在電弧熔化製程中，如圖1(b)所示，將氧化矽粉末燒結體3設置到模具7上，在此狀態下從坩堝內面側對氧化矽粉末燒結體3進行電弧熔化，從而使氧化矽粉末燒結體3的厚度方向的全部或局部進行玻璃化。由此，獲得具有氧化矽玻璃層5的氧化矽玻璃坩堝1，而該氧化矽玻璃層5是融化坩堝形狀的氧化矽粉末燒結體3的內面而形成的。

電弧熔化可以按照一邊旋轉模具7一邊在碳電極8之間進行電弧放電10的方式來進行。氧化矽粉末燒結體3的熔化厚度可以藉由改變電弧熔化時間來進行調節。可以進行充分長時間的電弧熔化，而使整個氧化矽粉末燒結體3進行玻璃化而製作氧化矽玻璃層5，也可以進行較短時間的電弧熔化，而使未熔化燒結體層9殘留在坩堝外層。未熔化燒結體層9的強度比較高，藉由在外層上設置未熔化燒結體層9，可以提高坩堝1的強度。作為未熔化燒結體層9的厚度，例如，可以是坩堝1的壁厚的30%～90%，30～60%時更佳，具體來講，例如可以是，30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，或者在此列舉的任意2個數值之間的範圍亦可。厚度太薄會導致坩堝1的強度提高的效果較小，厚度太厚會導致內面的氧化矽玻璃層5的厚度變得太薄。

在氧化矽粉末燒結體3內表面上的電弧熔化的溫度以1700～2600℃為佳。電弧熔化的溫度太低會導致燒結體3很難被玻璃化，溫度太高會導致浪費能量。作為電弧熔化的溫度，例如，可以為1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃、2200℃、2300℃、2400℃、2500℃、2600℃，或者在所列舉的任意2個溫度之間的範圍亦可。

由於氧化矽粉末燒結體3以玻璃作為原料，所以，即使對於電弧熔化之前的燒結體進行X射線衍射的測量，也不會出現峰值，由此可知是非晶質。針對於此，進行了藉由電弧熔化而形成的氧化矽玻璃層5的X射線衍射測量發現，出現了結晶性的峰值。該結果意味著不添加Ba等的礦化元素的情況下，至少局部的氧化矽玻璃層5已被結晶化。經進一步詳細分析可知，氧化矽玻璃層5的一部分變成了白色，而該部位是結晶質。一般來講，結晶的強度高於玻璃的強度，根據本實施方式的方法，可以製造高強度的坩堝。

當進行電弧熔化時，從坩堝外面側對氧化矽粉末燒結體3進行減壓，或者，在氧化矽粉末燒結體3內面散佈合成氧化矽粉。採用這些方法中的至少一種，能夠輕易製造在內面側具有透明層的坩堝。

(2-1)減壓

模具7上設置有多個通氣口11，藉由這些通氣口11可以從坩堝外面側對氧化矽粉末燒結體3進行減壓。減壓壓力為-50kPa以上且不滿-95kPa為佳。在強烈地減壓到這程度時，如果氧化矽粉末燒結體3被熔化的話，包含在其內的氣泡會立刻被去除掉，而可以製造出實質上不含氣泡的(氣泡含有率不滿0.5%的)透明層。在本說明書中，壓力的值是指相對周圍氣壓的值。

利用在背景技術部分中所述的旋轉模具減壓法製造坩堝時，氧化矽粉末的粒徑下限為100 μm左右，而形成氧化矽粉層時直徑小於此數值的話粉末會飛散，因此，無法穩定地形成氧化矽粉層。並且，即使形成了氧化矽粉層，也會因為受到電弧衝擊波的影響，氧化矽粉末的特別是處於電弧正下方的部分會飛散掉。從而，氧化矽粉末的粒徑必須做到某種程度的大小，而且各個氧化矽粉末的粒子內含有氣泡。並且，該氣泡還包含在電弧熔化後的氧化矽玻璃層中。另一方面，根據本實施方式的方法，可以將氧化矽粉細小地粉碎成每個粒子內部不含氣泡的程度的大小，並利用如此被粉碎的氧化矽粉末來輕易形成氧化矽粉末燒結體，因此，可以輕易地除去各個粒子中的氣泡，從而，可以輕易地形成實質上不含氣泡的透明層。

並且，形成透明層之後，將減壓的壓力調節為0以上且不滿-10 kPa，由此，在透明層的外側可以形成氣泡含有率是0.5%以上且不滿50%的含氣泡層。在本說明書中，所謂氣泡含有率是指對坩堝一定體積(w₁ )的氣泡佔有體積(w₂ )的比(w₂ /w₁ )。

(2-2)合成氧化矽玻璃層的形成

在此，具備形成合成氧化矽玻璃層的製程為佳，其中，該製程具體如下：對燒結體3邊減壓邊進行電弧熔化或者減壓的同時，進行電弧熔化時在氧化矽粉末燒結體3內面散佈合成氧化矽粉(不圖示)，由此，在坩堝內面形成合成氧化矽玻璃層(以下稱作「合成層」)。此時，如圖2所示，可以獲得內面側具有合成層13的坩堝1。所謂合成氧化矽粉是指，藉由四氯化矽(SiCl₄ )的氣相氧化(幹式合成法)，矽醇鹽(Si(OR)₄ )的加水分解(溶膠-凝膠法)等化學合成方法製造的氧化矽粉末。

在因電弧放電的熱量而變熱的坩堝1內面的部位上散佈合成氧化矽粉，由此使合成氧化矽粉附著到壁上時會立即被熔化，而成為合成層13。通常，氧化矽粉末燒結體3以廢玻璃為原料來製造，因此，有時會出現熔化氧化矽粉末燒結體3而形成的氧化矽玻璃層的純度較低的情況。根據本實施方式，坩堝1內面覆蓋有高純度的合成層，因此，可以抑制雜質混入到矽熔液。

在氧化矽粉末燒結體的內表面開始被熔化時，再開始進行合成氧化矽粉的散佈為好。在內表面開始熔化之前就開始散佈的話，散佈的合成粉不會附著於側壁上，而順著壁部移動到坩堝底部，使得底部的合成層變得太厚。

並且，在其他實施方式中，在上述氧化矽粉末燒結體的內表面開始熔化之後立即開始合成氧化矽粉的撒布，並在形成所需厚度的合成層之後立即結束電弧融化。藉由這種方法形成合成層的話，燒結體壁厚中的未熔化的殘留部分比例會變大。根據這個方法，如圖3所示，可以獲得從坩堝外面側依次具有厚度較厚的未熔化燒結體層9、厚度較薄的氧化矽玻璃層5、以及合成層13的坩堝1。

未熔化燒結體層9越厚，坩堝1的強度就會越高，因此，未熔化燒結體層9的厚度最好是坩堝壁厚(未熔化燒結體層9、氧化矽玻璃層5以及合成層13的厚度總和)的30%以上，具體來講，例如，可以為30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，也可以為在此列舉的任意1個值以上，或者任意2個數值之間的範圍內。從強度角度考慮，未熔化燒結體層9的厚度沒有上限，但是，形成合成層13時氧化矽粉末燒結體會被熔化，因此，考慮到製造的容易性，未熔化燒結體層9的厚度為坩堝壁厚的60%以下為佳。

【實施例】

1.氧化矽玻璃層的形成

製造外徑470 mm、高度345 mm、壁厚15 mm的平底氧化矽粉末燒結體，將所述氧化矽粉末燒結體設置於模具中，從模具側進行減壓的狀態下，從坩堝內面側對氧化矽粉末燒結體進行電弧熔化，當氧化矽粉末燒結體在其厚度方向上已熔化一半時結束電弧熔化，將其冷卻使之玻璃化。電弧熔化溫度約為2200℃，減壓壓力為-70 kPa。其結果，確認到在坩堝內面側形成有實質上不含氣泡的氧化矽玻璃層。

其次，對電弧熔化之前的燒結體和所形成的氧化矽玻璃層進行了X射線衍射測量。其結果，在進行電弧熔化之前的燒結體的測量中未發現峰值，由此可知燒結體為非晶質。另一方面，對氧化矽玻璃層的測量中，在氧化矽玻璃層中的白色部分中確認到峰值，這表示該部分被結晶化，由此可知，氧化矽玻璃層至少在局部部位上被結晶化。發明人認為依所述結晶化，坩堝強度有提高。

2.合成层的形成

製造外徑470 mm、高度345 mm、壁厚15 mm的平底的氧化矽粉末燒結體，該氧化矽粉末燒結體設置於模具中，對氧化矽粉末燒結體從坩堝內面側進行電弧熔化，當氧化矽粉末燒結體開始溶融之後，立即開始合成氧化矽粉的散佈，由此形成了厚度為1 mm的合成層，並結束了電弧熔化。電弧熔化溫度為約2200℃。其結果發現在坩堝內面側形成有透明的合成層。並且，相對坩堝壁厚的未溶融燒結體層的厚度為壁厚全體的50%左右。

1．．．坩堝

3．．．氧化矽粉末燒結體

5．．．合成氧化矽玻璃層

7．．．模具

8．．．碳電極

9．．．未熔化燒結體層

10．．．電弧放電

11．．．通氣口

圖1(a)是表示用於製造本發明的一實施方式的氧化矽玻璃坩堝的、電弧熔化前的氧化矽粉末燒結體結構的截面圖，圖1(b)是表示對圖1(a)的燒結體進行電弧熔化時的狀態的截面圖，圖1(c)是表示圖1(b)的電弧熔化結果獲得的氧化矽玻璃坩堝結構的截面圖。

圖2是表示對圖1所示的燒結體散佈合成氧化矽粉的同時進行電弧熔化而製得的氧化矽玻璃坩堝結構的截面圖。

圖3是表示對圖1所示的燒結體開始進行電弧熔化後，立即開始散佈合成氧化矽粉，並且，形成合成氧化矽玻璃層後隨即停止電弧熔化而製得的氧化矽玻璃坩堝結構的截面圖。

1．．．坩堝

3．．．氧化矽粉末燒結體

5．．．合成氧化矽玻璃層

7．．．模具

8．．．碳電極

9．．．未熔化燒結體層

10．．．電弧放電

11．．．通氣口

Claims (4)

1. 一種用於製造單晶或多晶矽錠的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其特徵在於具備：將粉碎廢玻璃而得的氧化矽粉末與分散劑相混合而製得漿料，並將其形成為坩堝形狀之後，以800~1500℃進行燒成，以形成具有坩堝形狀的氧化矽粉末燒結體的製程；以及對上述氧化矽粉末燒結體，從內面側對所述氧化矽粉末燒結體進行電弧熔化而對所述氧化矽粉末燒結體的厚度方向上的全部或局部進行玻璃化的製程；並且上述進行電弧熔化而對所述氧化矽粉末燒結體的厚度方向上的全部或局部進行玻璃化的製程包含：(1)進行所述電弧熔化時從外面側對所述氧化矽粉末燒結體進行減壓，(2)進行所述電弧熔化時在所述氧化矽粉末燒結體的內面散佈合成氧化矽粉而在內面側形成合成氧化矽玻璃層，以及所述電弧熔化係使所述氧化矽粉末燒結體的內表面溫度達到1700~2600℃的方式進行。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中，所述氧化矽粉末燒結體的內表面開始熔化之後，開始散佈所述合成氧化矽粉。
3. 如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中，所述氧化矽粉末燒結體的內表面開始熔化之 後，立即開始散佈所述合成氧化矽粉，形成所需厚度的合成氧化矽玻璃層之後，立即結束所述電弧熔化。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任意一項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中，所述氧化矽粉末的平均粒徑為1~250μm。