TWI438158B

TWI438158B - 氧化矽玻璃坩堝的製造方法

Info

Publication number: TWI438158B
Application number: TW100149382A
Authority: TW
Inventors: Toshiaki Sudo; Eriko Suzuki
Original assignee: Japan Super Quartz Corp
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2014-05-21
Also published as: CN102531346B; US8689584B2; JP2012148960A; EP2471753A2; TW201226338A; JP5749147B2; EP2471753A3; KR20120078621A; KR101403333B1; CN102531346A; US20120167625A1; EP2471753B1

Description

氧化矽玻璃坩堝的製造方法

本發明係關於一種用於提拉單晶矽的氧化矽玻璃坩堝的製造方法。

單晶矽的製造一般採用的是使用氧化矽玻璃坩堝的切克勞斯基法(CZ法)。具體而言，藉由向氧化矽玻璃坩堝內部注入熔化多晶矽原料的矽熔液，旋轉坩堝且浸漬單晶矽晶種並慢慢提拉，使其以單晶矽晶種為核進行生長，以此來製造。

此時使用的氧化矽玻璃坩堝是由含有大量氣泡的外層和透明的內層構成的雙層結構，通常藉由旋轉模具且以電弧熔化來熔化氧化矽粉層的成形法而製造(例如，參照專利文獻1)。眾所周知，在氧化矽玻璃坩堝中，由單晶提拉時與矽熔液接觸的內表面的特性決定所提拉的單晶矽的特性，且亦會影響最終的矽晶片收穫率。

因此，有時採用內層由合成氧化矽玻璃、外層由天然氧化矽玻璃的構成的對策，以此防止單晶矽特性的偏差。

然而，使用氧化矽玻璃坩堝熔化矽以提拉單晶時，有時會由於熔融矽液面發生振動，而難以藉由浸漬晶種進行配種(seeding)。因此，常常會發生不能提拉單晶矽，或者所謂阻礙單晶化的熔液面振動的問題。該熔液面振動(液面振動)現象伴隨矽晶體的大口徑化，變得更容易發生。因此，越發需要改善氧化矽玻璃坩堝內表面的特性。針對其需要，在專利文獻2中建議採用暴露在SiO₂ 蒸汽(vapor)之後的減量為0.013g以下的坩堝，但是也不能說該方法充分改善坩堝內表面。

並且，隨著對應於φ300mm以上且φ450mm左右的晶片要求單晶矽的大口徑化，單晶的提拉時間變得更長，並且坩堝內表面需要長時間與1400℃以上的矽熔液接觸，因此氧化矽玻璃坩堝突顯出如下問題。

即，由於提拉時間變長，坩堝內表面與矽熔液接觸的時間也會變長，因此有時會發生坩堝內表面與矽熔液反應，坩堝內表面的表面位置或者從表面淺的層結晶化，從而出現環形褐色白矽石的情況(以下，將環形白矽石稱為「褐色環」。)。該褐色環內不存在白矽石層或者即便存在也為薄層，但隨著操作時間的經過，褐色環會擴大其面積，相互融合並繼續生長，最終侵蝕其中心部位，最終形成不規則的玻璃熔出面。

該玻璃熔出面出現，更易引起單晶矽位錯，有時會阻礙單晶提拉的成品率(收穫率)。特別是在生長製造φ300mm以上大口徑的晶片的單晶矽需要進行超過100小時的CZ法的操作，更易出現上述玻璃熔出面的現象。

可以認為上述褐色環以玻璃表面細微的損傷或者原料粉未完全溶解的晶質殘留部分、玻璃結構的缺陷等為核心而發生，為減少其數量可想到保持玻璃表面狀態良好，或者為減少晶質殘留成分可考慮使氧化矽玻璃坩堝製造製程中的熔化高溫化、長時間化。並且，如專利文獻3、4所述，形成內表面的原料粉可考慮採用非晶質的合成粉。

由非晶質的合成粉構成的合成氧化矽玻璃中的雜質含量極少，且具有降低發生褐色環的優點。然而，與內層由天然氧化矽玻璃構成的坩堝相比，內層由合成氧化矽玻璃構成的坩堝在熔化多晶矽時，還存在熔液面易振動的缺點。該振動尤其常見於從配種(seeding)到肩部形成時，單晶主體部前半部分初期的提拉製程中。因此，由於配種(seeding)工作需要時間，或者，因結晶紊亂而需重新溶化，引起所謂「返回熔化」(Melt-back)的現象，因而會降低生產率。

[現有技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本公開專利　特開2001-89171號公報

專利文獻2：日本公開專利　特開2002-154894號公報

專利文獻3：日本專利第2811290號公報

專利文獻4：日本專利第2933404號公報

通常認為對於上述矽熔化時熔液面的振動或褐色環的發生，只要在氧化矽玻璃坩堝的製造中控制熔化部分的溫度形成內層即可。

然而，在氧化矽玻璃坩堝的製造中熔化部分的溫度有時也會超過2000℃。尚未確立在操作中準確測量如此高的溫度的技術。並且，尚未發現在電弧火焰附近測量加熱熔化的熔化物表面的溫度，此種嚴酷條件下的溫度測量技術。進而，由於氧化矽玻璃不像普通材料能夠清晰觀測出玻璃化轉變，而難以進行溫度管理。

因此，由於在氧化矽玻璃坩堝的製造中很難掌握熔化溫度，因而難以控制其溫度。

本發明鑒於上述情況而完成，其以提供一種氧化矽玻璃坩堝的製造方法為目的，利用該種方法可控制氧化矽玻璃坩堝製造時的熔化狀態，防止單晶矽製造時的坩堝內表面發生褐色環，從而能夠製造抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝。

根據本發明提供一種氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其包括：藉由向坩堝形成用模具內部供給氧化矽粉末來形成氧化矽粉層的氧化矽粉末供給製程，以及利用多個碳電極進行電弧放電來熔化氧化矽粉層的電弧熔化製程。其中，上述電弧熔化製程，藉由旋轉上述模具測量設定於氧化矽粉層內表面位於不相同高度的多個測量點的溫度，以檢測在各測量點的熔化初期出現的最初的溫度的最高點，從而控制電弧放電。

可以認為最高點與氧化矽粉末的熔化有關。從而，藉由檢測不同高度位置的多個測量點的最高點，可準確掌握氧化矽粉層的熔化狀態，進而更精密地控制電弧放電，並提高氧化矽玻璃坩堝內表面的特性。藉此，可製得能夠在製造單晶矽時防止坩堝內表面發生褐色環，並抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝。

並且，所謂坩堝的特性，係指能夠對用氧化矽玻璃坩堝提拉的半導體單晶的特性帶來影響的特性，例如，坩堝內表面的玻璃化狀態，以及厚度方向的氣泡分佈及氣泡的大小、OH基含量、雜質分佈、表面的凹凸，以及這些坩堝高度方向的不均勻等分佈狀態等。

氧化矽玻璃坩堝係與矽熔液接觸的唯一部件，是決定單晶矽的成品率和品質的重要部件。根據坩堝厚度方向的氣泡分佈及氣泡的大小，在拉晶單晶矽時可能會由於氣泡破裂，使玻璃片混入矽熔液中附著於單晶矽錠，從而導致多晶化。根據OH基含有量的不同，氧化矽玻璃坩堝容易因結晶化而產生白矽石，從氧化矽玻璃坩堝剝離的白矽石可能會附著於單晶矽，而使單晶矽多晶化。並且，氧化矽還可能會由於低黏度化而變形。如果存在雜質，該雜質在結晶提拉的過程中會促進氧化矽玻璃坩堝內表面的斑點形白矽石的形成。這樣形成的白矽石從坩堝脫離而沉入矽熔液內，會降低所提拉單晶的單晶化率。

在上述電弧熔化製程中，可藉由調整氧化矽粉層的熔化條件檢測每個測量點在所定的熔化時間範圍內的上述最高點。在此情況下，可非常高精確度地調整氧化矽粉層的熔化條件，並進一步改善氧化矽玻璃坩堝內表面的特性。

並且，在上述電弧熔化製程中，氧化矽粉層的溫度測量，可利用輻射溫度計檢測出波長4.8～5.2μm的輻射能來測溫溫度。在此情況下，由於能夠即時準確地測量在如超過2000℃的嚴酷的環境下熔化的氧化矽表面附近的溫度狀態，因此能夠準確且輕易檢測到溫度的最高點。

並且，在上述電弧熔化製程中，上述輻射溫度計及上述測量點，可設置為連接上述輻射溫度計及上述測量點的直線與上述模具的旋轉軸相離100mm以上。在此情況下，由於不會被多個碳電極及電弧放電嚴重影響，而可提高溫度測量的精確度。

並且，在上述電弧熔化製程中，上述輻射溫度計，可以追隨多個碳電極的移動改變多個測量點中測量物件的部位。在此情況下，可利用單個輻射溫度計檢測多個測量點中的最高點。

並且，在上述電弧熔化製程設置多個上述輻射溫度計，可以測量位於不同高度的多個測量點的溫度。在此情況下，可檢測多個測量點中的最高點。

以下，參照圖紙說明本發明相關的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式。圖1是表示本實施方式的氧化矽玻璃坩堝所使用的氧化矽玻璃坩堝製造裝置的一部分的正面模式圖。本實施方式的氧化矽玻璃坩堝製造裝置1，具備可用旋轉部(未圖示)旋轉來規定氧化矽玻璃坩堝外形的模具10。

在模具10中，藉由使用氧化矽粉末供給部向模具10的內部供給及堆積氧化矽粉末，成形所定厚度的氧化矽粉層11。

模具10的內部，設置有多個與其內表面相通的同時連接於減壓部(未圖示)的減壓用通路12，可使氧化矽粉層11內部減壓。

並且，電弧放電部，在模具10上側位置設置多個連接於電流供給部(未圖示)的碳電極13。以該碳電極13，在300kVA～12,000kVA的輸出範圍內以電弧放電加熱熔化模具10內的氧化矽粉層11。

碳電極13可使用電極位置設定部20，如圖中箭頭T所示進行上下移動，以設定高度方向位置H。並且，碳電極13可使用電極位置設定部20變化電極展開程度，如圖中箭頭D所示設定電極間距離D等。進而，使用該電極位置設定部20還可設定模具10的高度以外的相對位置。

電極位置設定部20，如圖1所示具備：支撐設定碳電極13之電極間距離D的支撐部21；該支撐部21可進行水平方向移動的水平移動部；可將多個支撐部21及其水平移動部一體進行上下方向移動的上下移動部。

其中，支撐部21具備可支撐碳電極13圍繞角度設定軸22進行旋轉，以此控制角度設定軸22的旋轉角度的旋轉部。

調節碳電極13的電極間距離D，在控制碳電極13的角度的同時，控制水平移動部來控制支撐部21的水平位置。並且，藉由使用上下移動部控制支撐部21的高度位置，可控制相對於氧化矽粉層11上端位置(模具開口上端位置)的電極前端部13a的高度位置H。

並且，在圖1中僅對左端的碳電極13表示支撐部21等，但其他電極也以相同構成支撐，因此也可分別對各碳電極13的高度進行控制。

圖2是表示圖1的碳電極位置的俯視示意圖(a)、側視示意圖(b)。

碳電極13，例如由進行交流3相(R相、S相、T相)電弧放電的相同形狀的電極棒構成，如圖1、圖2所示是如頂點在下方的倒三角錐形，分別設置使各軸線13L之間的角度呈θ1。

碳電極13由粒徑為0.3mm以下、以0.1mm以下為較佳、以0.05mm以下的高純度碳粒子成形為最佳。並且，其密度為1.30g/cm³ ～1.80g/cm³ 時，配置於電極各相的碳電極之間的密度差以0.2g/cm³ 以下為較佳。

並且，氧化矽玻璃坩堝製造裝置1至少具備：對模具10內熔化部分的氧化矽粉層11進行測溫的溫度測量部，輸入用該溫度測量部測量的溫度，根據輸入的溫度控制供給於碳電極13的電流量的控制部(未圖示)。本實施方式中的溫度測量部，是對模具10內熔化部分進行測溫的輻射溫度計Cam。

輻射溫度計Cam具備：聚集來自氧化矽粉層11表面的熔化部分的輻射能的光學系統，獲得用該光學系統集光的光譜的分光部，從上述譜檢測出與測量物件相關的光的檢測元件。

輻射溫度計Cam設置於分離電弧放電的爐內和爐外的間隔壁SS的外側。並且，輻射溫度計Cam，藉由覆蓋設置於間隔壁SS的視窗部的過濾器F來測量熔化部分。

作為輻射溫度計Cam的檢測元件的類比輸出信號，可以用同期檢測器對各波長進行分離，用增幅器增幅，介入多頻道低分解能的小比特的AD轉換器傳送於控制部(CPU)進行演算處理，以獲得期望的溫度信號。該溫度信號輸出於氧化矽玻璃坩堝製造裝置的控制部。並且，溫度信號還可輸出於LCD表示器等表示部。

輻射溫度計Cam的測量溫度範圍以400～2800℃較佳。在該情況下，能在400～2800℃的高溫範圍內連續觀測製造氧化矽玻璃坩堝時氧化矽粉及該氧化矽粉熔化的狀態。從而，能夠測量從熔化開始前到結束後及到冷卻完成狀態的溫度。並且，由於低於上述範圍的溫度範圍對坩堝的特性影響小，因此溫度測量並無多大意義，在高於上述範圍的溫度範圍內，由於需要特殊的溫度測量裝置，不僅成本提高，而且會超過通常製造中的溫度範圍。上述測量溫度範圍，可以在400、700、1000、1500、2000、2500，或2800℃的任意2個值的範圍內。

並且，本實施方式的輻射溫度計Cam，以檢測測量波長4.8～5.2μm的輻射能進行測溫為宜。該波長可以為4.8、4.9、5.0、5.1，或5.2μm，也可在這些任意2個值的範圍內。對於使用輻射溫度計Cam的情況下的測量直徑並無特別限定，例如可以為100、50、40，或30mm以下。如果該測量直徑小，由於能夠輕易測量熔化部分準確的溫度，測量直徑以某種程度小為宜，在上述範圍內尤其以30mm以下為宜。

如果測量波長在上述範圍內，能夠排除對測量由電弧放電中的碳電極13產生的由CO₂ 吸收(CO₂ 吸收帶：波長4.2～4.6μm)的溫度的影響。並且，能夠避開作為氧化矽玻璃坩堝製造環境的大氣中所含的H₂ O吸收帶的波長5.2～7.8μm。

並且，為對作為測量對象的氧化矽玻璃表面進行測溫，如果波長範圍為4.8μm以上，氧化矽玻璃的透射率成為0，可輕易測量其表面。

輻射溫度計Cam以具備選擇性地透過測量波長4.8～5.2μm的輻射能的過濾器F為較佳。該種過濾器F由BaF₂ 或CaF₂ 組成為較佳。該種過濾器F，由坩堝內表面輻射的波長範圍的光的透射率高。從而，不會降低用於測量溫度的光的強度。

如果具備由BaF₂ 或CaF₂ 組成的過濾器F，以不利用降低BaF₂ 或CaF₂ 的透射率的8～14μm的波長範圍為宜。如果不利用此種波長範圍，可防止透射率降低，並提高溫度測量的準確性。

並且，一般製造的矽酸鹽玻璃對於2.5μm左右為止的紅外線表現出高透明性，對於超過該值的波長，由於Si-O結合的振動引起的光吸收，其透射率急劇降低，從而幾乎不能透過。不具備Si-O結合的玻璃相較於矽酸鹽玻璃，能輕易透過紅外線，但在穩定性、化學耐久性方面較弱，因此不實用。對於更長波長的紅外線表現出高透明性，並且具備實用性、高透射率的玻璃，例如氟化物玻璃。氟化物玻璃的穩定性、化學耐久性出色，在從紫外到紅外的寬廣的波長範圍內具有高透明性。因此，使用上述BaF₂ 或CaF₂ 組成的過濾器F1，就能夠進行高精確度的測量。

連接輻射溫度計Cam和測量點M的觀測線L，與碳電極13分離100mm以上為較佳。若上述觀測線L與碳電極13分離100mm以上，可降低在碳電極13附近產生的電弧火焰及電極輻射的影響，從而提高溫度測量的準確性。

上述觀測線L與碳電極13分離若超過坩堝半徑，相對於坩堝口徑設定距離變大，難以測量所定的測量點M的溫度。並且，來自測量點M的輻射量降低，輻射溫度計Cam的輸出不足，從而出現溫度測量變得不準確的傾向。另外，作為坩堝口徑，例如可以為22英寸(55.88cm)、28英寸(71.12cm)、32英寸(81.28cm)，或者40英寸(101.6cm)，也可為在這些任意2個值的範圍內的口徑。

本實施方式採用1台輻射溫度計Cam，對氧化矽玻璃坩堝10的內表面，即，如圖3所示的從底部11a的測量點P₁ 到上端部11b的測量點P₆ 等6處進行測溫。並且，測量點P₃ 為角部11c中間部的測量點，測量點P₂ 為測量點P₁ 和測量點P₃ 的中間的測量點，測量點P₄ 為角部11c上部的測量點，測量點P₅ 為牆壁11d的測量點。

在此，對任意測量點P₁ ～P₆ 進行測溫的情況下，輻射溫度計Cam及測量點P₁ ～P₆ 的設置也為連接這些測定點的直線與模具的旋轉軸相離100mm以上為較佳。在該情況下，不會受到多個碳電極及電弧放電的嚴重影響，能夠提高溫度測量的精確度。

在此，所謂角部11c係指位於圓柱形的牆壁11d和具有特定曲率半徑的底部11a之間並光滑地連接這些的曲面形部分。

為用1台輻射溫度計Cam對測量點P₁ ～P₆ 進行測溫，設定為可改變輻射溫度計Cam相對于水平方向的角度即可。輻射溫度計Cam相對於水平面的角度以自動變化為較佳。輻射溫度計Cam也可追隨多個碳電極的移動，而改變測量點P₁ ～P₆ 之中的測量物件。在此，氧化矽玻璃坩堝10內表面中，到達最高點的帶區域會因多個碳電極的移動而變化。然而，在該情況下，輻射溫度計Cam由於追隨多個碳電極的移動而改變測量點P₁ ～P₆ 之中的測量物件，因此，能夠準確測量對應於其變化而到達最高點的氧化矽玻璃坩堝10內表面的帶區域的溫度狀態，並能夠準確且輕易地檢測跨多個測量帶的溫度的最高點。

或者可設置多個輻射溫度計Cam，測量位於不同高度的多個測量點P₁ ～P₆ 的溫度。該情況下，也可跨多個測量帶準確且輕易地檢測到溫度的最高點。

圖4是表示本實施方式的氧化矽玻璃坩堝製造方法的坩堝溫度的回饋控制方法的概念圖。該回饋控制方法是使用具備碳電極13、輻射溫度計Cam、紅外線透過過濾器A、溫度調節計B、控制系統C、電極位置設定部20的裝置來實行的。

該回饋控制方法，以上述碳電極13產生電弧放電來加熱熔化模具10內的非導電性對象物(氧化矽粉末)，用輻射溫度計Cam隔著紅外線透過過濾器A檢測在加熱熔化部分(測量點,D)的波長4.8~5.2μm的輻射能。輻射溫度計Cam使用光學透鏡等來對上述輻射能進行聚光，轉換為與輻射能成比例的溫度測量值，向溫度調節計B輸出電流或電壓。溫度調節計B比較上述溫度測量值和最佳熔化溫度，轉換為適合的操作輸出值，向控制系統C輸出電流或電壓。控制系統C根據上述操作輸出值進行電流值控制、電極展開程度的控制，或模具10高度控制。藉此，改變供給於碳電極13的電力、碳電極13位置狀態、模具10與碳電極13之間的相對位置狀態、模具10位置狀態之中的任一項。

本說明書中所謂的「最適合熔化溫度」，可憑藉經驗或模擬等計算手法求得。例如，對於多個坩堝，在製造坩堝的過程中進行加熱熔化時，使用輻射溫度計取得溫度資料來檢測氧化矽粉層的內表面隨著時間經過分別表示的溫度變化。另一方面，分別用如此製造出的多個坩堝，利用CZ法以1400℃以上的高溫提拉單晶矽。並且，從藉由CZ法能夠以高生產率穩定生產出高品質單晶矽的坩堝的上述各溫度資料，以經驗或計算手法決定加熱熔化氧化矽粉層時氧化矽粉層內表面的隨著時間的最佳溫度。

以下，對本發明的一實施方式相關的氧化矽玻璃坩堝的製造方法進行說明。如圖5、6、7的流程圖所示，本實施方式的氧化矽玻璃坩堝的製造方法具備：氧化矽粉末供給製程(S701)、電極初期位置設定製程(S702)、電弧熔化製程(S703)、冷卻製程(S704)、取出製程(S705)，以及後處理製程(S706)。

在氧化矽粉末供給製程(S701)中，藉由向模具10內表面堆積氧化矽粉末形成氧化矽粉層11。該氧化矽粉層11，因模具10旋轉的離心力保持於內壁面。

作為氧化矽粉末，內層使用合成氧化矽粉為較佳，外層使用天然氧化矽粉為較佳。

在此，所謂「合成氧化矽粉」是化學合成、製造的氧化矽粉末。合成氧化矽粉為非晶質。由於合成氧化矽的原料為氣體或液體，因此可輕易精製，合成氧化矽粉較天然氧化矽粉更能實現高純度化。作為合成氧化矽原料，有四氯化矽等氣體原料來源和如矽醇鹽的液體原料來源。採用合成氧化矽粉，能夠使全部金屬雜質控制於0.1ppm以下。

合成氧化矽粉作為以溶膠-凝膠方法獲得的物質，通常殘留醇鹽水解而生成的50~100ppm的矽烷醇。以四氯化矽為原料的合成氧化矽玻璃能夠將矽烷醇控制在0～1000ppm的寬範圍內，但通常約包含有100ppm以上的氯。以醇鹽為原料的情況下，能夠輕易獲得不含氯的合成氧化矽玻璃。

由於使用溶膠-凝膠法的合成氧化矽粉，如上所述在熔化前約含有50～100ppm的矽烷醇。對其進行真空熔化，則會引起矽烷醇的脫離，使獲得的氧化矽玻璃的矽烷醇會減少至5～30ppm左右。但是矽烷醇量根據熔化溫度、升溫溫度等熔化條件而不同。

一般來講，合成氧化矽玻璃在高溫下的黏度公認為較天然氧化矽玻璃低。其原因之一，例如是由於矽烷醇和鹵切斷SiO₄ 四面體的網眼結構。

對合成氧化矽玻璃測量光透射率發現至波長約為200nm的紫外線的透射率高，接近於以紫外線光學用四氯化矽為原料的合成氧化矽玻璃的特性。

對合成氧化矽玻璃，測量用波長245nm的紫外線刺激而獲得的螢光譜，也未觀測到如下所述的天然氧化矽玻璃的螢光峰值。

所謂「天然氧化矽粉」係指挖出自然界存在的石英原石，經破碎、精製等製程而得的氧化矽粉末。天然氧化矽粉由α-石英的結晶製成，包含有1ppm以上的Al、Ti。並且，Al、Ti以外的金屬雜質含量也多於合成氧化矽粉。並且，天然氧化矽粉幾乎不含矽烷醇，熔化天然氧化矽粉而得的玻璃的矽烷醇含量不滿50ppm。

測量天然氧化矽玻璃的光透射率，由於主要雜質包含約1ppm的Ti，波長變為250nm以下，則透射率急劇降低，波長為200nm時幾乎不透過。並且在245nm附近可觀測到缺氧缺陷所引起的吸收峰值。

對天然氧化矽玻璃，測量用波長245nm的紫外線刺激而得的螢光光譜，在280nm和390nm上觀測到螢光峰值。這些螢光峰值是由玻璃中的氧結合缺陷所引起。

玻璃材料是天然氧化矽還是合成氧化矽，可根據測量所含雜質濃度的方法、測量矽烷醇含量的方法、測量透光率的方法、測量用波長245nm的紫外線激發而得的螢光光譜的方法來分辨。

在氧化矽粉末中，除氧化矽粉末以外，還可包含含二氧化矽(silica)的水晶、矽砂等氧化矽玻璃坩堝原料所周知的材料的粉狀體。

在電極初期位置設定製程(S702)中，如圖1、圖2所示，以電極位置設定部20設定電極初期位置，使碳電極13維持如頂點在下方的倒三角錐形，且各軸線13L維持角度θ1，如圖2所示，在前端13a相互接觸。同時設定從模具10邊緣到電極前端的高度尺寸的電極高度位置H，或由碳電極13形成的倒三角錐的中心軸的電極位置中心軸和由與模具10的旋轉軸線的位置及角度構成的模具-電極相對位置狀態的初期狀態。

在電弧熔化製程(S703)中，設定電極13位置，並對於保持的氧化矽粉層11，用電弧放電部加熱且藉由減壓通路12進行減壓，從而熔化氧化矽粉層11而形成氧化矽玻璃層。

在電弧熔化製程(S703)具備：電力供給開始製程(S801)、電極位置調整製程(S802)、模具內部的溫度測量製程(S803)、最高值是否已觀測的判斷製程(S808)、繼續加熱製程(S809)、模具內部的溫度相對於基準溫度是否在所定範圍內的判斷製程(S804)、電弧熔化部分的溫度控制製程(S805)、是否為電弧熔化結束時刻的判斷製程(S806)、以及電力供給結束製程(S807)。在電力供給開始製程(S801)中，由未圖示的電力供給部以如上所設定的電力量開始向碳電極13供給電力。在该状态下，不发生电弧放电。

在電弧熔化製程(S703)中，利用電極位置設定部20，使碳電極13維持如頂點在下方的倒三角錐形，或藉由改變其角度拉大電極間距離D。藉此，使碳電極13之間發生電弧放電。此時，用電流供給部調整供給的電力，以使各碳電極13中的電力密度成為40kVA/cm² ～1,700kVA/cm² 。

上述電力也可利用電力供給部控制供給的電力，使各碳電極13中的電力密度成為40、100、500、1000、1500，或1,700kVA/cm² ，或在這些任意2個值的範圍內。

並且，在維持角度θ1的狀態下，利用電極位置設定部20調整電極高度位置H等模具-電極的相對位置狀態，以滿足熔化氧化矽粉層11所必需熱源的條件。分離模具和電極時，可利用電極位置設定部20使電極位置遠離模具，也可利用控制系統使模具位置遠離電極。拉近模具和電極時，可利用電極位置設定部20使電極位置靠近模具，也可利用控制系統使模具位置靠近電極。

在本實施方式的電弧熔化製程(S703)中，對碳電極13高度位置做如圖8所示的改變。即，以電極初期位置設定製程(S702)中的碳電極13高度位置以H1表示的位置，以電力供給開始製程(S801)在時刻t0開始供給電流，以其後電極位置調整製程(S802)在時刻t1開始降低高度位置，在時刻t2的高度位置為H2表示的位置，電力供給結束製程(S807)在時刻t3停止供給電流。

並且，在本實施方式相關的電弧熔化製程(S703)中，從電力供給開始製程(S801)開始，利用輻射溫度計Cam測量模具內部的氧化矽粉層11的測量點P₁ ～P₆ 的溫度。在測量點P₁ ～P₆ 之中的任意點中，如圖9所示，電弧熔化製程(S703)中的氧化矽粉層11的溫度，溫度的最高點Tp均出現於電弧熔化製程(S703)的初期。該溫度的最高點Tp及其出現時間，根據所採用的氧化矽粉末而不同。另外，在圖9中，Tm1是碳電極13在位置H1上的溫度，Tm2是在位置H2上的溫度。

本實施方式中，調整氧化矽粉層11的熔化條件，以檢測每個測量點P₁ ～P₆ 在所定的熔化時間範圍內的最高點。在此，每個測量點P₁ ～P₆ 均設定所定的熔化時間，但是通常測量點P₁ ～P₅ 的任意點均在5～10秒的範圍內，對P₆ 設定為約60秒。檢測到最高點的順序，通常在測量點P₃ 上最早，在測量點P₆ 上最晚。並且，熔化條件，例如對碳電極13供給的電流量、碳電極13的位置、模具10與碳電極13之間的相對位置、模具的位置等。

碳電極13的位置，例如係指多個碳電極13相互所呈角度的電極展開程度或電極前端水平方向的位置，或電極前端高度方向的位置，以及以多個電極形成的電弧火焰的噴出方向的電極中心方向的指向。

並且，模具10與碳電極13之間的相對位置，例如係指模具10的旋轉軸方向與電極中心方向之間的相對位置，以及模具10與視為電弧發生位置的電極前端之間的相對高度位置(高度)，模具10與電極前端之間的相對水平方向位置(偏心等)。並且，模具位置，例如係指模具旋轉中心軸線的方向等。

熔化條件的調整，例如在最高點表現出早於所定熔化時間出現的傾向的情況下，藉由進行減少對碳電極13的電流供給量，或將碳電極13拉離氧化矽粉層11等操作，來降低溫度。另一方面，在最高點表現出晚於所定的熔化時間出現的傾向的情況下，藉由進行增加對碳電極13的電流供給量，或使碳電極13靠近氧化矽粉層11等操作，來提升溫度(參照圖7)。

在電力供給結束製程(S807)中，氧化矽粉層11變為所定狀態之後，停止從電力供給部的電力供給。使用該電弧熔化，熔化氧化矽粉層11而製得氧化矽玻璃坩堝。在該電弧熔化製程(S703)中，利用未圖示的模具10的旋轉狀態的控制部進行控制。

在冷卻製程(S704)中，對在上述電弧熔化製程中獲得的氧化矽玻璃坩堝進行冷卻。在取出製程(S705)中，從模具10取出冷卻後的氧化矽玻璃坩堝。在後處理製程(S706)中，進行向外周面噴射高壓水的搪磨處理、使坩堝高度成為所定尺寸的緣部切割處理、用氟酸等清洗坩堝內表面的沖洗處理等製程。经过以上工序，製得氧化硅玻璃坩埚。

在本實施方式中，在進行上述電弧熔化製程(S703)以及冷卻製程(S704)中，能夠利用溫度測量部測量模具內部的溫度。此時，能夠對從電力供給開始製程(S801)到取出製程(S705)之前進行溫度測量。並且，也可僅對這些製程的一部分進行溫度測量。

以上說明的氧化矽玻璃坩堝製造方法，藉由旋轉模具且測量氧化矽粉層11內表面的測量點P₁ ～P₆ 的溫度來調整氧化矽粉層11的熔化條件，使各測量點的最高點Tp在每個測量點P₁ ～P₆ 所定的熔化時間範圍內檢測。

利用該方法能夠準確掌握氧化矽粉層的熔化狀態，從而能夠更精密地控制電弧放電，提高氧化矽玻璃坩堝內表面的特性。

用光學檢測裝置能夠非破壞性地測量透明氧化矽玻璃層的氣泡含有率。光學檢測裝置，具備接收照射於檢測的氧化矽坩堝內表面及內表面附近內部的光的反射光的受光裝置。照射光的發光裝置，可內藏於光學檢測裝置，也可利用外部的發光裝置。並且，光學檢測裝置，能夠採用沿著氧化矽坩堝的內表面進行旋轉操作的設備。照射光，除可見光、紫外線及紅外線之外，可利用X射線或鐳射等，只要能夠藉由反射檢測出氣泡，均可適用。受光裝置依據照射光的種類選擇，例如可採用包含受光透鏡及攝像部的光學照相機。要檢測出存在於由表面有一定深度的氣泡，從表面向深度方向掃描光學透鏡的焦點即可。上述光學檢測裝置的測量結果，可藉由放入圖像處理裝置算出氣泡含有率。詳細地說，是用光學照相機拍攝坩堝內表面的圖像，將坩堝內表面以一定面積區分，每一定面積為基準面積S1，求出該些基準面積S1的氣泡佔有面積S2，以P(%)=(S2/S1)×100算出氣泡含有率P(%)。並且，氣泡測量體積為3mm×3mm×縱深0.15mm，可測得的最小氣泡尺寸為50μm。

本實施方式還藉由測量角部11c的測量點P₃ 、P₄ 的溫度來檢測溫度的最高點，然而，角部11c由於重力熔化物從壁部11d下滑或由於模具10的離心力熔化物從底部11a上升，坩堝壁厚有增大的傾向。因此，為提高坩堝內表面的特性，測量角部11c的溫度更有效。如果藉由測量角部11c的溫度，使溫度的最高點在所定熔化時間範圍內，即能夠更進一步精密控制坩堝內表面的特性。

本實施方式還可藉由調整氧化矽粉層11的熔化條件，使每個測量點P₁ ～P₆ 的上述最高點均在所定的熔化時間範圍內檢測。在該情況下，能夠非常高精確度地調整氧化矽粉層的熔化條件，並進一步改善氧化矽玻璃坩堝內表面的特性。

本實施方式在測量氧化矽粉層11的溫度時，可利用輻射溫度計Cam檢測出波長4.8～5.2μm的輻射能來測量溫度。該情況下，由於能夠即時準確地測量在如超過2000℃的嚴酷的環境下熔化的氧化矽表面附近的溫度狀態，因此能夠準確且輕易地檢測溫度的最高點。

本實施方式中，輻射溫度計Cam及上述測量點P₁ ～P₆ ，連接輻射溫度計Cam及上述測量點P₁ ～P₆ 的直線可設置為與模具旋轉軸分離100mm以上。該情況下，不會被多個碳電極及電弧放電嚴重影響，而提高測量溫度的精確度。

本實施方式中，輻射溫度計Cam追隨多個碳電極的移動改變測量點P₁ ～P₆ 中測量物件部位。該情況下，用一個輻射溫度計，即可檢測多個測量點的最高點。

本實施方式設置多個輻射溫度計Cam，可以測量位於不同高度的多個測量點P₁ ～P₆ 的溫度。在該情況下，可檢測多個測量點的最高點。

以上，對本發明的實施方式進行敍述，但這些是本發明的例示，還可採用上述以外各種各樣的構成。同時，還可組合採用上述實施方式所述的構成。例如，電極的數量、配置狀態、電力供給方式並不限定於上述構成，也可採用其他構成。

並且，測量點若為2處以上的複數，並不限定於6處。溫度測量部(輻射溫度計)不是1台，而具備2台以上，還可同時測量多個測量點的溫度。並且，可任意設定測量點，對應於目的適當設定即可。

並且，其他實施方式在無法檢測上述最高點的情況下，也不調整熔化條件。該情況下，在所定的熔化時間未出現溫度的最高點的情況下，例如，中止其氧化矽玻璃坩堝的製造，排除於產品之外。

[實施例]

以下，根據實施例進一步說明本發明，然本發明並非以此為限定。

製造口徑610mm(24英寸)的氧化矽玻璃坩堝。此時，如圖8所示，利用如圖1所示的電極位置設定裝置部20，將電極前端部13a的高度位置H設定為使基準位置經時變化。設置從時刻t0到t1為高度位置H1、從時刻t2到t3為高度位置H2的同時，各高度位置設定為H1>H2。

同時，採用6個輻射溫度計Cam測量如圖3所示的多個測量點P₁ ～P₆ 的電弧熔化中的溫度。例如，在角部11c的測量點P₄ ，在電弧熔化製程的初期(5～10秒的範圍內)，觀測到如圖9所示的最高點。並且，在測量點P₁ ～P₃ 、P₅ ～P₆ 也同樣觀測到最高點。(對於測量點P₁ ～P₃ 、P₅ ～P₆ 的測量結果未進行圖示)。

然後，對於觀測到該測量點P₄ 中的最高點時的溫度為2100℃或者1700℃的樣品，調整氧化矽粉層11的熔化條件使上述最高點也在測量點P₁ ～P₃ 、P₅ ～P₆ 所定的熔化時間(在測量點P₁ ～P₃ 、P₅ 的任意處在5～10秒的範圍內，P₆ 在60秒以下)範圍內觀測到。

並且，在下列條件下，進行溫度控制且進一步進行電弧熔化來製造氧化矽玻璃坩堝(各自為實施例1、實施例2)。在此，所謂「下列條件中的基準溫度」係指觀測到最高點時的溫度。並且，溫度控制藉由高度位置H的微調整以及供給電力的微調整而進行。並且，此時電弧熔化中的溫度是藉由採用輻射溫度計檢測波長4.8～5.2μm的輻射能來進行測量。

‧實施例1

基準溫度：2100℃

溫度控制條件：在t0～t1中，將相對於基準溫度的溫度比率控制為90～110%(約1900℃～約2300℃)。在t2～t3中，將相對於基準溫度的溫度比率控制為110～129%(約2300℃～約2700℃)。

‧實施例2

基準溫度：1700℃

溫度控制條件：在t0～t1中，將相對於基準溫度的溫度比率控制為89～112%(約1500℃～約1900℃)。在t2～t3中，將相對於基準溫度的溫度比率控制為112～135%(約1900℃～約2300℃)。

並且，在電弧熔化製程中，藉由控制電極位置或模具高度，追隨噴射電弧的部位和溫度測量部位來進行。

進而，與實施例1及2相同的製造方法中，對於觀測到最高點時的溫度為2100℃或1700℃的氧化矽玻璃坩堝，在不控制溫度的狀態下進行製造(各自為比較例1、比較例2)。

表1表示製造實施例1～2，以及比較例1～2的氧化矽玻璃坩堝時，是否在測量點P₁ ～P₆ 上出現最高值的狀況。進而，調查在P₁ ～P₆ 上的壁厚、氣泡含有率、氣泡分佈不均勻狀況，並根據表2～表4的標準進行評價。其結果表示於表5～6。

從該結果可知，調整氧化矽粉層的熔化條件使測量點P₁ ～P₆ 的任意處在所定的熔化時間(測量點P₁ ～P₅ 的任意處在5～10秒的範圍內，P₆ 為60秒以下)範圍內檢測上述最高點的實施例1及實施例2，能夠製造具備期望的壁厚、氣泡含有率、氣泡分佈不均勻狀況的氧化矽玻璃坩堝。即，藉由控制熔化條件使在所定的熔化時間內檢測出最高點，成功地製造出更適合提拉單晶的氧化矽玻璃坩堝。

該最高點在本實施例中是首次發現，將該最高點作為溫度控制的基準的方法，是與以往控制方法截然不同的結果。並且，出現該最高點的原因尚不清楚，但是可認為是氧化矽粉末變成氧化矽玻璃時出現的現象。

並且，由於在測量溫度時坩堝旋轉，一個部位的溫度測量包含其部位的圓周上的溫度測量，並且在本實施例中溫度測量部位追隨噴射電弧的部位，因此能夠高精確度地檢測到調整熔化條件時的溫度變化。

以上，用實施例說明本發明。本領域的技術人員應當應該理解該實施例僅為例示，還可能有各種變形例，此外那些變形例也屬於本發明的保護範圍。

1．．．石英氧化矽玻璃坩堝製造裝置

10．．．模具

11．．．氧化矽粉層

12．．．減壓通路

13．．．碳電極

13a．．．電極前端部

13L．．．軸線

20．．．電極位置設定部

21．．．支撐部

22．．．角度設定軸

Cam．．．輻射溫度計

SS．．．間隔壁

F1．．．過濾器

圖1是表示本發明的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式所使用的製造裝置的正面示意圖。

圖2是表示圖1中的碳電極位置的俯視示意圖(a)、側視示意圖(b)。

圖3是表示本發明相關的氧化矽玻璃坩堝製造裝置的一實施方式的模具的截面圖。

圖4是表示坩堝溫度的回饋控制方法的概念圖。

圖5是表示本發明相關的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式的流程圖。

圖6是表示本發明相關的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式的進行電弧熔化製程的流程圖。

圖7是表示本發明相關的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式的進行溫度控制製程的流程圖。

圖8時表示本發明相關的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式的碳電極高度位置變化的圖表。

圖9是表示本發明相關的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式的溫度變化的圖表。

Tp．．．最高點

Tm1．．．碳電極13在位置H1上的溫度

Tm2．．．位置H2上的溫度

Claims

一種製造氧化矽玻璃坩堝的方法，包括：向坩堝成形用模具內部供給氧化矽粉末來形成氧化矽粉層的氧化矽粉末供給製程，以及使用多個碳電極進行電弧放電來熔化氧化矽粉層的電弧熔化製程，其中，在該電弧熔化製程中，旋轉該模具且測量位於設定在氧化矽粉層內表面的不同高度的多個測量點的溫度，並控制該電弧放電，使得檢測熔化初期在各測量點上出現的最初的溫度最高點。
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，其中調整氧化矽粉層的熔化條件，使得檢測每個測量點在所定熔化時間範圍內的該最高點。
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，其中利用輻射溫度計檢測波長為4.8～5.2μm的輻射能來進行測溫。
如申請專利範圍第3項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中該輻射溫度計及該測量點設置在連接該輻射溫度計及該測量點的直線與該模具的旋轉軸相離100mm以上的位置。
如申請專利範圍第3項或第4項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中該輻射溫度計追隨該多個碳電極的移動而改變測量點。
如申請專利範圍第3項或第4項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中設置多個輻射溫度計，其用於測量位於不同高度的多個測量點的溫度。