CN102531346B - 氧化硅玻璃坩埚的制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种氧化硅玻璃坩埚的制造方法，该方法通过控制制造氧化硅玻璃坩埚时的熔化状态，防止单晶硅制造时坩埚内表面发生褐色环，并抑制熔液面振动。本发明的氧化硅玻璃坩埚制造方法，是将原料氧化硅粉末成形于坩埚成形用模具内，用电弧放电加热熔化该氧化硅粉层来制造氧化硅玻璃坩埚的方法，包含向坩埚成形用模具内部供给氧化硅粉末来形成氧化硅粉层的氧化硅粉末供给工序，以用多个碳电极的电弧放电熔化氧化硅粉层的电弧熔化工序，其中，在上述电弧熔化工序中，边旋转上述模具边测量位于设定在氧化硅粉层内表面不同高度的多个测量点的温度，控制上述电弧放电来检测出现于各测量点熔化初期的最初的温度最高点Tp。

Description

氧化硅玻璃坩埚的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于提拉单晶硅的氧化硅玻璃坩埚的制造方法。

背景技术

单晶硅的制造一般采用的是使用氧化硅玻璃坩埚的切克劳斯基法(CZ法)。具体而言，通过向氧化硅玻璃坩埚内部注入熔化多晶硅原料的硅熔液，边旋转坩埚边浸渍单晶硅晶种并慢慢提拉，使其以单晶硅晶种为核进行生长，以此来制造。

此时使用的氧化硅玻璃坩埚是由含有大量气泡的外层和透明的内层构成的双层结构，通常通过边旋转模具边以电弧熔化来熔化氧化硅粉层的成形法而制造(例如，参照专利文献1)。众所周知，在氧化硅玻璃坩埚中，由单晶提拉时与硅熔液接触的内表面的特性决定所提拉的单晶硅的特性，且还会影响最终的硅晶片收获率。

因此，有时采用内层由合成氧化硅玻璃、外层由天然氧化硅玻璃的构成的对策，以此防止单晶硅特性的偏差。

然而，使用氧化硅玻璃坩埚熔化硅以提拉单晶时，有时会由于熔融硅液面发生振动，而难以通过浸渍晶种进行配种(seeding)。因此，常常会发生不能提拉单晶硅，或者所谓阻碍单晶化的熔液面振动的问题。该熔液面振动(液面振动)现象伴随硅晶体的大口径化，变得更容易发生。因此，越发需要改善氧化硅玻璃坩埚内表面的特性。针对其需要，在专利文献2中建议采用暴露在SiO₂蒸汽(vapor)之后的减量为0.013g以下的坩埚，但是也不能说该方法充分改善了坩埚内表面。

并且，随着对应于φ300mm以上且φ450mm左右的晶片要求单晶硅的大口径化，单晶的提拉时间变得更长，并且坩埚内表面需要长时间与1400℃以上的硅熔液接触，因此氧化硅玻璃坩埚突显出如下问题。

即，由于提拉时间变长，坩埚内表面与硅熔液接触的时间也会变长，因此有时会发生坩埚内表面与硅熔液反应，坩埚内表面的表面位置或者从表面浅的层结晶化，从而出现环形褐色白硅石的情况(以下，将环形白硅石称为“褐色环”。)。该褐色环内不存在白硅石层或者即便存在也为薄层，但随着操作时间的经过，褐色环会扩大其面积，相互融合并继续生长，最终侵蚀其中心部位，最终成为不规则的玻璃熔出面。

该玻璃熔出面出现，更易引起单晶硅位错，有时会阻碍单晶提拉的成品率(收获率)。特别是在生长制造φ300mm以上大口径的晶片的单晶硅需要进行超过100小时的CZ法的操作，更易出现上述玻璃熔出面。

可以认为上述褐色环以玻璃表面细微的损伤或者作为原料粉未完全溶解的晶质残留部分、玻璃结构的缺陷等为核心而发生，为减少其数量可想到保持玻璃表面状态良好，或者为减少晶质残留成分可考虑使氧化硅玻璃坩埚制造工序中的熔化高温化、长时间化。并且，如专利文献3、4所述，作为形成内表面的原料粉可考虑采用非晶质的合成粉。

由非晶质的合成粉构成的合成氧化硅玻璃中的杂质含量极少，且具有降低发生褐色环的优点。然而，与内层由天然氧化硅玻璃构成的坩埚相比，内层由合成氧化硅玻璃构成的坩埚在熔化多晶硅时，还存在熔液面易振动的缺点。该振动尤其常见于从配种(seeding)到肩部形成时，单晶主体部前半部分初期的提拉工序中。因此，由于配种(seeding)工作需要时间，或者，因结晶紊乱而需重新溶化，引起所谓“返回熔化”(Melt-back)的现象，因而会降低生产率。

[现有技术文献]

[专利文献]

专利文献1：日本公开专利特开2001-89171号公报

专利文献2：日本公开专利特开2002-154894号公报

专利文献3：日本专利第2811290号公报

专利文献4：日本专利第2933404号公报

发明内容

发明所要解决的问题

通常认为对于上述硅熔化时熔液面的振动或褐色环的发生，只要在氧化硅玻璃坩埚的制造中控制熔化部分的温度形成内层即可。

然而，在氧化硅玻璃坩埚的制造中熔化部分的温度有时也会超过2000℃。尚未确立在操作中准确测量如此高的温度的技术。并且，尚未发现在电弧火焰附近测量加热熔化的熔化物表面的温度，此种严酷条件下的温度测量技术。进而，由于氧化硅玻璃不像普通材料能够清晰观测出玻璃化转变，而难以进行温度管理。

因此，由于在氧化硅玻璃坩埚的制造中很难掌握熔化温度，因而难以控制其温度。

本发明鉴于上述情况而完成，其以提供一种氧化硅玻璃坩埚的制造方法为目的，利用该种方法可控制氧化硅玻璃坩埚制造时的熔化状态，防止单晶硅制造时的坩埚内表面发生褐色环，从而能够制造抑制熔液面振动的氧化硅玻璃坩埚。

为解决问题的手段

根据本发明提供了一种氧化硅玻璃坩埚的制造方法，其包括：通过向坩埚形成用模具内部供给氧化硅粉末来形成氧化硅粉层的氧化硅粉末供给工序，以及利用多个碳电极进行电弧放电来熔化氧化硅粉层的电弧熔化工序。其中，上述电弧熔化工序，通过旋转上述模具测量设定于氧化硅粉层内表面位于不相同高度的多个测量点的温度，以检测在各测量点的熔化初期出现的最初的温度的最高点，从而控制电弧放电。

可以认为最高点与氧化硅粉末的熔化有关。从而，通过检测不同高度位置的多个测量点的最高点，可准确掌握氧化硅粉层的熔化状态，进而更精密地控制电弧放电，并提高氧化硅玻璃坩埚内表面的特性。藉此，可制得能够在制造单晶硅时防止坩埚内表面发生褐色环，并抑制熔液面振动的氧化硅玻璃坩埚。

并且，所谓坩埚的特性，是指能够对用氧化硅玻璃坩埚提拉的半导体单晶的特性带来影响的特性，例如，可列举坩埚内表面的玻璃化状态，以及厚度方向的气泡分布及气泡的大小、OH基含量、杂质分布、表面的凹凸，以及这些坩埚高度方向的不均匀等分布状态等。

氧化硅玻璃坩埚作为与硅熔液接触的唯一部件，是决定单晶硅的成品率和质量的重要部件。根据坩埚厚度方向的气泡分布及气泡的大小，在拉晶单晶硅时可能会由于气泡破裂，使玻璃片混入硅熔液中附着于单晶硅锭，从而导致多晶化。根据OH基含有量的不同，氧化硅玻璃坩埚容易因结晶化而产生白硅石，从氧化硅玻璃坩埚剥离的白硅石可能会附着于单晶硅，而使单晶硅多晶化。并且，氧化硅还可能会由于低粘度化而变形。如果存在杂质，该杂质在结晶提拉的过程中会促进氧化硅玻璃坩埚内表面的斑点形白硅石的形成。这样形成的白硅石从坩埚脱离而沉入硅熔液内，会降低所提拉单晶的单晶化率。

在上述电弧熔化工序中，可通过调整氧化硅粉层的熔化条件检测每个测量点在所定的熔化时间范围内的上述最高点。在此情况下，可非常高精度地调整氧化硅粉层的熔化条件，并进一步改善氧化硅玻璃坩埚内表面的特性。

并且，在上述电弧熔化工序中，氧化硅粉层的温度测量，可利用辐射温度计检测出波长4.8～5.2μm的辐射能来测温温度。在此情况下，由于能够实时准确地测量在如超过2000℃的严酷的环境下被熔化的氧化硅表面附近的温度状态，因此能够准确且轻易检测到温度的最高点。

并且，在上述电弧熔化工序中，上述辐射温度计及上述测量点，可设置为连接上述辐射温度计及上述测量点的直线与上述模具的旋转轴相离100mm以上。在此情况下，由于不会被多个碳电极及电弧放电严重影响，而可提高温度测量的精度。

并且，在上述电弧熔化工序中，上述辐射温度计，可以追随多个碳电极的移动改变多个测量点中作为测量对象的部位。在此情况下，可利用单个辐射温度计检测多个测量点中的最高点。

并且，在上述电弧熔化工序设置多个上述辐射温度计，可以测量位于不同高度的多个测量点的温度。在此情况下，可检测多个测量点中的最高点。

附图说明

图1是表示本发明的氧化硅玻璃坩埚制造方法的一实施方式所使用的制造装置的主视示意图。

图2是表示图1中的碳电极位置的俯视示意图(a)、侧视示意图(b)。

图3是表示本发明相关的氧化硅玻璃坩埚制造装置的一实施方式的模具的截面图。

图4是表示坩埚温度的反馈控制方法的概念图。

图5是表示本发明相关的氧化硅玻璃坩埚制造方法的一实施方式的流程图。

图6是表示本发明相关的氧化硅玻璃坩埚制造方法的一实施方式的进行电弧熔化工序的流程图。

图7是表示本发明相关的氧化硅玻璃坩埚制造方法的一实施方式的进行温度控制工序的流程图。

图8时表示本发明相关的氧化硅玻璃坩埚制造方法的一实施方式的碳电极高度位置变化的图表。

图9是表示本发明相关的氧化硅玻璃坩埚制造方法的一实施方式的温度变化的图表。

具体实施方式

以下，参照图纸说明本发明相关的氧化硅玻璃坩埚制造方法的一实施方式。图1是表示本实施方式的氧化硅玻璃坩埚所使用的氧化硅玻璃坩埚制造装置的一部分的模式主视图。本实施方式的氧化硅玻璃坩埚制造装置1，具备可用旋转部(未图示)旋转来规定氧化硅玻璃坩埚外形的模具10。

在模具10中，通过使用氧化硅粉末供给部向模具10的内部供给及堆积氧化硅粉末，成形所定厚度的氧化硅粉层11。

模具10的内部，设置有多个与其内表面相通的同时连接于减压部(未图示)的减压用通路12，可使氧化硅粉层11内部减压。

并且，作为电弧放电部，在模具10上侧位置设置了多个连接于电流供给部(未图示)的碳电极13。以该碳电极13，在300kVA～12,000kVA的输出范围内以电弧放电加热熔化模具10内的氧化硅粉层11。

碳电极13可使用电极位置设定部20，如图中箭头T所示进行上下移动，以设定高度方向位置H。并且，碳电极13可使用电极位置设定部20变化电极展开程度，如图中箭头D所示设定电极间距离D等。进而，使用该电极位置设定部20还可设定模具10的高度以外的相对位置。

电极位置设定部20，如图1所示具备：支撑设定碳电极13之电极间距离D的支撑部21；该支撑部21可进行水平方向移动的水平移动部；可将多个支撑部21及其水平移动部作为一体进行上下方向移动的上下移动部。

其中，支撑部21具备可支撑碳电极13围绕角度设定轴22进行旋转，以此控制角度设定轴22的旋转角度的旋转部。

调节碳电极13的电极间距离D，在控制碳电极13的角度的同时，控制水平移动部来控制支撑部21的水平位置。并且，通过使用上下移动部控制支撑部21的高度位置，可控制相对于氧化硅粉层11上端位置(模具开口上端位置)的电极前端部13a的高度位置H。

并且，在图1中仅对左端的碳电极13表示支撑部21等，但其他电极也以相同构成支撑，因此也可分别对各碳电极13的高度进行控制。

图2是表示图1的碳电极位置的俯视示意图(a)、侧视示意图(b)。

碳电极13，例如由进行交流3相(R相、S相、T相)电弧放电的相同形状的电极棒构成，如图1、图2所示是如顶点在下方的倒三角锥形，分别设置使各轴线13L之间的角度呈θ1。

碳电极13由粒径为0.3mm以下、优选为0.1mm以下、更优选为0.05mm以下的高纯度碳粒子成形。并且，其密度为1.30g/cm³～1.80g/cm³时，配置于电极各相的碳电极之间的密度差优选为0.2g/cm³以下。

并且，氧化硅玻璃坩埚制造装置1至少具备；对作为模具10内熔化部分的氧化硅粉层11进行测温的温度测量部，输入用该温度测量部测量的温度，根据输入的温度控制供给于碳电极13的电流量的控制部(未图示)。本实施方式中的温度测量部，是对模具10内熔化部分进行测温的辐射温度计Cam。

辐射温度计Cam具备：聚集来自氧化硅粉层11表面的熔化部分的辐射能的光学系统，获得用该光学系统集光的光谱的分光部，从上述谱检测出与测量对象相关的光的检测元件。

辐射温度计Cam设置于分离电弧放电的炉内和炉外的间隔壁SS的外侧。并且，辐射温度计Cam，通过覆盖设置于间隔壁SS的窗口部的过滤器F来测量熔化部分。

作为辐射温度计Cam的检测元件的模拟输出信号，可以用同期检测器对各波长进行分离，用增幅器增幅，介入多频道低分解能的小比特的AD转换器传送于控制部(CPU)进行演算处理，以获得期望的温度信号。该温度信号输出于氧化硅玻璃坩埚制造装置的控制部。并且，温度信号还可输出于LCD表示器等表示部。

辐射温度计Cam的测量温度范围优选为400～2800℃。在该情况下，能在400～2800℃的高温范围内连续观测制造氧化硅玻璃坩埚时氧化硅粉及该氧化硅粉熔化的状态。从而，能够测量从熔化开始前到结束后及到冷却完成状态的温度。并且，由于低于上述范围的温度范围对坩埚的特性影响小，因此温度测量并无多大意义，在高于上述范围的温度范围内，由于需要特殊的温度测量装置，不仅成本提高，而且会超过通常制造中的温度范围。上述测量温度范围，可以在400、700、1000、1500、2000、2500，或2800℃的任意2个值的范围内。

并且，本实施方式的辐射温度计Cam，以检测测量波长4.8～5.2μm的辐射能进行测温为宜。该波长可以为4.8、4.9、5.0、5.1，或5.2μm，也可在这些任意2个值的范围内。对于使用辐射温度计Cam的情况下的测量直径并无特别限定，例如可以为100、50、40，或30mm以下。如果该测量直径小，由于能够轻易测量熔化部分准确的温度，测量直径以某种程度小为宜，在上述范围内尤其以30mm以下为宜。

如果测量波长在上述范围内，能够排除对测量被认为由电弧放电中的碳电极13产生的由CO₂吸收(CO₂吸收带：波长4.2～4.6μm)的温度的影响。并且，能够避开作为氧化硅玻璃坩埚制造环境的大气中所含的H₂O吸收带的波长5.2～7.8μm。

并且，为对作为测量对象的氧化硅玻璃表面进行测温，如果波长范围为4.8μm以上，氧化硅玻璃的透射率成为0，可轻易测量其表面。

辐射温度计Cam优选为具备选择性地透过测量波长4.8～5.2μm的辐射能的过滤器F。该种过滤器F优选为由BaF₂或CaF₂组成。该种过滤器F，由坩埚内表面辐射的波长范围的光的透射率高。从而，不会降低用于测量温度的光的强度。

如果具备由BaF₂或CaF₂组成的过滤器F，以不利用降低BaF₂或CaF₂的透射率的8～14μm的波长范围为宜。如果不利用此种波长范围，可防止透射率降低，并提高温度测量的准确性。

并且，一般制造的硅酸盐玻璃对于2.5μm左右为止的红外线表现出高透明性，对于超过该值的波长，由于Si-O结合的振动引起的光吸收，其透射率急剧降低，从而几乎不能透过。不具备Si-O结合的玻璃相较于硅酸盐玻璃，能轻易透过红外线，但在稳定性、化学耐久性方面较弱，因此不实用。作为对于更长波长的红外线表现出高透明性，并且具备实用性·高透射率的玻璃，可列举氟化物玻璃。氟化物玻璃的稳定性、化学耐久性出色，在从紫外到红外的宽广的波长范围内具有高透明性。因此，使用上述BaF₂或CaF₂组成的过滤器F1，就能够进行高精度的测量。

连接辐射温度计Cam和测量点M的观测线L，优选为与碳电极13分离100mm以上。若上述观测线L与碳电极13分离100mm以上，可降低在碳电极13附近产生的电弧火焰及电极辐射的影响，从而提高温度测量的准确性。

上述观测线L与碳电极13分离若超过坩埚半径，相对于坩埚口径设定距离变大，难以测量所定的测量点M的温度。并且，来自测量点M的辐射量降低，辐射温度计Cam的输出不足，从而出现温度测量变得不准确的倾向。另外，作为坩埚口径，例如可以为22英寸(55.88cm)、28英寸(71.12cm)、32英寸(81.28cm)，或者40英寸(101.6cm)，也可为在这些任意2个值的范围内的口径。

本实施方式采用1台辐射温度计Cam，对氧化硅玻璃坩埚10的内表面，即，如图3所示的从底部11a的测量点P₁到上端部11b的测量点P₆等6处进行测温。并且，测量点P₃为角部11c中间部的测量点，测量点P₂为测量点P₁和测量点P₃的中间的测量点，测量点P₄为角部11c上部的测量点，测量点P₅为墙壁11d的测量点。

在此，对任意测量点P₁～P₆进行测温的情况下，辐射温度计Cam及测量点P₁～P₆优选的设置也为连接这些测定点的直线与模具的旋转轴相离100mm以上。在该情况下，不会受到多个碳电极及电弧放电的严重影响，能够提高温度测量的精度。

在此，所谓角部11c是指位于圆柱形的墙壁11d和具有特定曲率半径的底部11a之间并光滑地连接这些的曲面形部分。

为了用1台辐射温度计Cam对测量点P₁～P₆进行测温，设定为可改变辐射温度计Cam相对于水平方向的角度即可。辐射温度计Cam相对于水平面的角度优选为自动变化。辐射温度计Cam也可追随多个碳电极的移动，而改变测量点P₁～P₆之中的测量对象。在此，氧化硅玻璃坩埚10内表面中，到达最高点的带区域会因多个碳电极的移动而变化。然而，在该情况下，辐射温度计Cam由于追随多个碳电极的移动而改变测量点P₁～P₆之中的测量对象，因此，能够准确测量对应于其变化而到达最高点的氧化硅玻璃坩埚10内表面的带区域的温度状态，并能够准确且轻易地检测跨多个测量带的温度的最高点。

或者可设置多个辐射温度计Cam，测量位于不同高度的多个测量点P₁～P₆的温度。该情况下，也可跨多个测量带准确且轻易地检测到温度的最高点。

图4是表示本实施方式的氧化硅玻璃坩埚制造方法的坩埚温度的反馈控制方法的概念图。该反馈控制方法是使用具备碳电极、辐射温度计、红外线透过过滤器、温度调节系统、控制系统、电极位置设定部的装置来实行的。

该反馈控制方法，以上述碳电极产生电弧放电来加热熔化模具内的非导电性对象物(氧化硅粉末)，用辐射温度计隔着红外线透过过滤器检测在加热熔化部分(测量点)的波长4.8～5.2μm的辐射能。辐射温度计使用光学透镜等来对上述辐射能进行聚光，转换为与辐射能成比例的温度测量值，向温度调节系统输出电流或电压。温度调节计比较上述温度测量值和最佳熔化温度，转换为适合的操作输出值，向控制系统输出电流或电压。控制系统根据上述操作输出值进行电流值控制、电极展开程度的控制，或模具高度控制。藉此，改变供给于碳电极的电力、碳电极位置状态、模具与碳电极之间的相对位置状态、模具位置状态之中的任一项。

本说明书中所谓的“最适合熔化温度”，可凭借经验或模拟等计算手法求得。例如，对于多个坩埚，在制造坩埚的过程中进行加热熔化时，使用辐射温度计取得温度数据来检测氧化硅粉层的内表面随着时间经过分别表示的温度变化。另一方面，分别用如此制造出的多个坩埚，利用CZ法以1400℃以上的高温提拉单晶硅。并且，从通过CZ法能够以高生产率稳定生产出高品质单晶硅的坩埚的上述各温度数据，以经验或计算手法决定加热熔化氧化硅粉层时氧化硅粉层内表面的随着时间的最佳温度。

以下，对本发明的一实施方式相关的氧化硅玻璃坩埚的制造方法进行说明。如图5、6、7的流程图所示，本实施方式的氧化硅玻璃坩埚的制造方法具备：氧化硅粉末供给工序(S701)、电极初期位置设定工序(S702)、电弧熔化工序(S703)、冷却工序(S704)、取出工序(S705)，以及后处理工序(S706)。

在氧化硅粉末供给工序(S701)中，通过向模具10内表面堆积氧化硅粉末形成氧化硅粉层11。该氧化硅粉层11，因模具10旋转的离心力保持于内壁面。

作为氧化硅粉末，内层优选使用合成氧化硅粉，外层优选使用天然氧化硅粉。

在此，所谓“合成氧化硅粉”是化学合成、制造的氧化硅粉末。合成氧化硅粉为非晶质。由于合成氧化硅的原料为气体或液体，因此可轻易精制，合成氧化硅粉较天然氧化硅粉更能实现高纯度化。作为合成氧化硅原料，有四氯化硅等气体原料来源和如硅醇盐的液体原料来源。采用合成氧化硅粉，能够使全部金属杂质控制于0.1ppm以下。

合成氧化硅粉作为以溶胶-凝胶方法获得的物质，通常残留醇盐水解而生成的50～100ppm的硅烷醇。以四氯化硅为原料的合成氧化硅玻璃能够将硅烷醇控制在0～1000ppm的宽范围内，但通常约包含有100ppm以上的氯。以醇盐为原料的情况下，能够轻易获得不含氯的合成氧化硅玻璃。

由于使用溶胶-凝胶法的合成氧化硅粉，如上所述在熔化前约含有50～100ppm的硅烷醇。对其进行真空熔化，则会引起硅烷醇的脱离，使获得的氧化硅玻璃的硅烷醇会减少至5～30ppm左右。但是硅烷醇量根据熔化温度、升温温度等熔化条件而不同。

一般来讲，合成氧化硅玻璃在高温下的粘度被公认为较天然氧化硅玻璃低。作为其原因之一，可列举是由于硅烷醇和卤切断SiO₄四面体的网眼结构。

对合成氧化硅玻璃测量光透射率发现至波长约为200nm的紫外线的透射率高，接近于以紫外线光学用四氯化硅为原料的合成氧化硅玻璃的特性。

对合成氧化硅玻璃，测量用波长245nm的紫外线刺激而获得的荧光谱，也未观测到如下所述的天然氧化硅玻璃的荧光峰值。

所谓“天然氧化硅粉”是指挖出自然界存在的石英原石，经破碎、精制等工序而得的氧化硅粉末。天然氧化硅粉由α-石英的结晶制成，包含有1ppm以上的Al、Ti。并且，Al、Ti以外的金属杂质含量也多于合成氧化硅粉。并且，天然氧化硅粉几乎不含硅烷醇，熔化天然氧化硅粉而得的玻璃的硅烷醇含量不满50ppm。

测量天然氧化硅玻璃的光透射率，由于作为主要杂质包含约1ppm的Ti，波长变为250nm以下，则透射率急剧降低，波长为200nm时几乎不透过。并且在245nm附近可观测到缺氧缺陷所引起的吸收峰值。

对天然氧化硅玻璃，测量用波长245nm的紫外线刺激而得的荧光光谱，在280nm和390nm上观测到荧光峰值。这些荧光峰值是由玻璃中的氧结合缺陷所引起。

玻璃材料是天然氧化硅还是合成氧化硅，可根据测量所含杂质浓度的方法、测量硅烷醇含量的方法、测量透光率的方法、测量用波长245nm的紫外线激励而得的荧光光谱的方法来分辨。

在氧化硅粉末中，除氧化硅粉末以外，还可包含含二氧化硅(silica)的水晶、硅砂等作为氧化硅玻璃坩埚原料所周知的材料的粉状体。

在电极初期位置设定工序(S702)中，如图1、图2所示，以电极位置设定部20设定电极初期位置，使碳电极13维持如顶点在下方的倒三角锥形，且各轴线13L维持角度θ1，如图2所示，在前端13a相互接触。同时设定作为从模具10边缘到电极前端的高度尺寸的电极高度位置H，或作为由碳电极13形成的倒三角锥的中心轴的电极位置中心轴和由与模具10的旋转轴线的位置及角度构成的模具-电极相对位置状态的初期状态。

在电弧熔化工序(S703)中，设定电极13位置，并对于被保持的氧化硅粉层11，边用电弧放电部加热边通过减压通路12进行减压，从而熔化氧化硅粉层11而形成氧化硅玻璃层。

在电弧熔化工序(S703)具备：电力供给开始工序(S801)、电极位置调整工序(S802)、模具内部的温度测量工序(S803)、最高值是否已被观测的判断工序(S808)、继续加热工序(S809)、模具内部的温度相对于基准温度是否在所定范围内的判断工序(S804)、电弧熔化部分的温度控制工序(S805)、是否为电弧熔化结束时刻的判断工序(S806)、以及电力供给结束工序(S807)。在电力供给开始工序(S801)中，由未图示的电力供给部以如上所设定的电力量开始向碳电极13供给电力。在该状态下，不发生电弧放电。

在电弧熔化工序(S703)中，利用电极位置设定部20，使碳电极13维持如顶点在下方的倒三角锥形，或通过改变其角度拉大电极间距离D。藉此，使碳电极13之间发生电弧放电。此时，用电流供给部调整供给的电力，以使各碳电极13中的电力密度成为40kVA/cm²～1,700kVA/cm²。

上述电力也可利用电力供给部控制供给的电力，使各碳电极13中的电力密度成为40、100、500、1000、1500，或1,700kVA/cm²，或在这些任意2个值的范围内。

并且，在维持角度θ1的状态下，利用电极位置设定部20调整电极高度位置H等模具-电极的相对位置状态，以满足作为熔化氧化硅粉层11所必需热源的条件。分离模具和电极时，可利用电极位置设定部20使电极位置远离模具，也可利用控制系统使模具位置远离电极。拉近模具和电极时，可利用电极位置设定部20使电极位置靠近模具，也可利用控制系统使模具位置靠近电极。

在本实施方式的电弧熔化工序(S703)中，对碳电极13高度位置做如图8所示的改变。即，以电极初期位置设定工序(S702)中的碳电极13高度位置作为以H1表示的位置，以电力供给开始工序(S801)在时刻t0开始供给电流，以其后电极位置调整工序(S802)在时刻t1开始降低高度位置，在时刻t2的高度位置为H2表示的位置，电力供给结束工序(S807)在时刻t3停止供给电流。

并且，在本实施方式相关的电弧熔化工序(S703)中，从电力供给开始工序(S801)开始，利用辐射温度计Cam测量模具内部的氧化硅粉层11的测量点P₁～P₆的温度。在测量点P₁～P₆之中的任意点中，如图9所示，作为电弧熔化工序(S703)中的氧化硅粉层11的温度，温度的最高点Tp均出现于电弧熔化工序(S703)的初期。该温度的最高点Tp及其出现时间，根据所采用的氧化硅粉末而不同。另外，在图9中，Tml是碳电极13在位置H1上的温度，Tm2是在位置H2上的温度。

本实施方式中，调整氧化硅粉层11的熔化条件，以检测每个测量点P₁～P₆在所定的熔化时间范围内的最高点。在此，每个测量点P₁～P₆均设定所定的熔化时间，但是通常测量点P₁～P₅的任意点均在5～10秒的范围内，对P₆设定为约60秒。检测到最高点的顺序，通常在测量点P₃上最早，在测量点P₆上最晚。并且，作为熔化条件，可列举对碳电极13供给的电流量、碳电极13的位置、模具10与碳电极13之间的相对位置、模具的位置等。

碳电极13的位置，例如是指多个碳电极13相互所呈角度的电极展开程度或电极前端水平方向的位置，或电极前端高度方向的位置，以及以多个电极形成的电弧火焰的喷出方向的电极中心方向的指向。

并且，模具10与碳电极13之间的相对位置，例如是指模具10的旋转轴方向与电极中心方向之间的相对位置，以及模具10与被视为电弧发生位置的电极前端之间的相对高度位置(高度)，模具10与电极前端之间的相对水平方向位置(偏心等)。并且，模具位置，例如是指模具旋转中心轴线的方向等。

熔化条件的调整，例如在最高点表现出早于所定熔化时间出现的倾向的情况下，通过进行减少对碳电极13的电流供给量，或将碳电极13拉离氧化硅粉层11等操作，来降低温度。另一方面，在最高点表现出晚于所定的熔化时间出现的倾向的情况下，通过进行增加对碳电极13的电流供给量，或使碳电极13靠近氧化硅粉层11等操作，来提升温度(参照图7)。

在电力供给结束工序(S807)中，氧化硅粉层11变为所定状态之后，停止从电力供给部的电力供给。使用该电弧熔化，熔化氧化硅粉层11而制得氧化硅玻璃坩埚。在该电弧熔化工序(S703)中，利用未图示的模具10的旋转状态的控制部进行控制。

在冷却工序(S704)中，对在上述电弧熔化工序中获得的氧化硅玻璃坩埚进行冷却。在取出工序(S705)中，从模具10取出冷却后的氧化硅玻璃坩埚。在后处理工序(S706)中，进行向外周面喷射高压水的珩磨处理、使坩埚高度成为所定尺寸的缘部切割处理、用氟酸等清洗坩埚内表面的冲洗处理等工序。经过以上工序，制得氧化硅玻璃坩埚。

在本实施方式中，在进行上述电弧熔化工序(S703)以及冷却工序(S704)中，能够利用温度测量部测量模具内部的温度。此时，能够对从电力供给开始工序(S801)到取出工序(S705)之前进行温度测量。并且，也可仅对这些工序的一部分进行温度测量。

以上说明的氧化硅玻璃坩埚制造方法，通过边旋转模具边测量氧化硅粉层11内表面的测量点P₁～P₆的温度来调整氧化硅粉层11的熔化条件，使各测量点的最高点Tp在每个测量点P₁～P₆所定的熔化时间范围内被检测。

利用该方法能够准确掌握氧化硅粉层的熔化状态，从而能够更精密地控制电弧放电，提高氧化硅玻璃坩埚内表面的特性。

用光学检测装置能够非破坏性地测量透明氧化硅玻璃层的气泡含有率。光学检测装置，具备接收照射于检测的氧化硅坩埚内表面及内表面附近内部的光的反射光的受光装置。照射光的发光装置，可内藏于光学检测装置，也可利用外部的发光装置。并且，光学检测装置，能够采用沿着氧化硅坩埚的内表面进行旋转操作的设备。作为照射光，除可见光、紫外线及红外线之外，可利用X射线或激光等，只要能够通过反射检测出气泡，均可适用。受光装置依据照射光的种类选择，例如可采用包含受光透镜及摄像部的光学照相机。要检测出存在于由表面有一定深度的气泡，从表面向深度方向扫描光学透镜的焦点即可。上述光学检测装置的测量结果，可通过放入图像处理装置算出气泡含有率。详细地说，是用光学照相机拍摄坩埚内表面的图像，将坩埚内表面以一定面积区分，每个一定面积作为基准面积S1，求出每个该基准面积S1的气泡占有面积S2，以P(％)＝(S2/S1)×100算出气泡含有率P(％)。并且，气泡测量体积为3mm×3mm×纵深0.15mm，可测得的最小气泡尺寸为50μm。

本实施方式还通过测量角部11c的测量点P₃、P₄的温度来检测温度的最高点，然而，角部11c由于重力熔化物从壁部11d下滑或由于模具10的离心力熔化物从底部11a上升，坩埚壁厚有增大的倾向。因此，为了提高坩埚内表面的特性，测量角部11c的温度更有效。如果通过测量角部11c的温度，使温度的最高点在所定熔化时间范围内，即能够更进一步精密控制坩埚内表面的特性。

本实施方式还可通过调整氧化硅粉层11的熔化条件，使每个测量点P₁～P₆的上述最高点均在所定的熔化时间范围内检测。在该情况下，能够非常高精度地调整氧化硅粉层的熔化条件，并进一步改善氧化硅玻璃坩埚内表面的特性。

本实施方式在测量氧化硅粉层11的温度时，可利用辐射温度计Cam检测出波长4.8～5.2μm的辐射能来测量温度。该情况下，由于能够实时准确地测量在如超过2000℃的严酷的环境下熔化的氧化硅表面附近的温度状态，因此能够准确且轻易地检测温度的最高点。

本实施方式中，辐射温度计Cam及上述测量点P₁～P₆，连接辐射温度计Cam及上述测量点P₁～P₆的直线可设置为与模具旋转轴分离100mm以上。该情况下，不会被多个碳电极及电弧放电严重影响，而提高测量温度的精度。

本实施方式中，辐射温度计Cam追随多个碳电极的移动改变测量点P₁～P₆中作为测量对象部位。该情况下，用一个辐射温度计，即可检测多个测量点的最高点。

本实施方式设置多个辐射温度计Cam，可以测量位于不同高度的多个测量点P₁～P₆的温度。在该情况下，可检测多个测量点的最高点。

以上，对本发明的实施方式进行叙述，但这些是本发明的例示，还可采用上述以外各种各样的构成。同时，还可组合采用上述实施方式所述的构成。例如，电极的数量、配置状态、电力供给方式并不限定于上述构成，也可采用其他构成。

并且，测量点若为2处以上的复数，并不限定于6处。温度测量部(辐射温度计)不是1台，而具备2台以上，还可同时测量多个测量点的温度。并且，可任意设定测量点，对应于目的适当设定即可。

并且，其他实施方式在无法检测上述最高点的情况下，也不调整熔化条件。该情况下，在所定的熔化时间未出现温度的最高点的情况下，例如，中止其氧化硅玻璃坩埚的制造，排除于产品之外。

[实施例]

以下，根据实施例进一步说明本发明，但是本发明并不限定于此。

制造口径610mm(24英寸)的氧化硅玻璃坩埚。此时，如图8所示，利用如图1所示的电极位置设定装置部20，将电极前端部13a的高度位置H设定为使基准位置经时变化。设置从时刻t0到t1为高度位置H1、从时刻t2到t3为高度位置H2的同时，各高度位置设定为H1＞H2。

同时，采用6个辐射温度计Cam测量如图3所示的多个测量点P₁～P₆的电弧熔化中的温度。例如，在角部11c的测量点P₄，在电弧熔化工序的初期(5～10秒的范围内)，观测到如图9所示的最高点。并且，在测量点P₁～P₃、P₅～P₆也同样观测到最高点。(对于测量点P₁～P₃、P₅～P₆的测量结果未进行图示)。

然后，对于观测到该测量点P₄中的最高点时的温度为2100℃或者1700℃的样品，调整氧化硅粉层11的熔化条件使上述最高点也在测量点P₁～P₃、P₅～P₆所定的熔化时间(在测量点P₁～P₃、P₅的任意处在5～10秒的范围内，P₆在60秒以下)范围内观测到。

并且，在下列条件下，边进行温度控制边进一步进行电弧熔化来制造氧化硅玻璃坩埚(各自为实施例1、实施例2)。在此，所谓“下列条件中的基准温度”是指观测到最高点时的温度。并且，温度控制通过高度位置H的微调整以及供给电力的微调整而进行。并且，此时电弧熔化中的温度是通过采用辐射温度计检测波长4.8～5.2μm的辐射能来进行测量。

·实施例1

基准温度：2100℃

温度控制条件：在t0～t1中，将相对于基准温度的温度比率控制为90～110％(约1900℃～约2300℃)。在t2～t3中，将相对于基准温度的温度比率控制为110～129％(约2300℃～约2700℃)。

·实施例2

基准温度：1700℃

温度控制条件：在t0～t1中，将相对于基准温度的温度比率控制为89～112％(约1500℃～约1900℃)。在t2～t3中，将相对于基准温度的温度比率控制为112～135％(约1900℃～约2300℃)。

并且，在电弧熔化工序中，通过控制电极位置或模具高度，追随喷射电弧的部位和温度测量部位来进行。

进而，与实施例1及2相同的制造方法中，对于观测到最高点时的温度为2100℃或1700℃的氧化硅玻璃坩埚，在不控制温度的状态下进行制造(各自为比较例1、比较例2)。

表1表示制造实施例1～2，以及比较例1～2的氧化硅玻璃坩埚时，是否在测量点P₁～P₆上出现最高值的状况。进而，调查了在P₁～P₆上的壁厚、气泡含有率、气泡分布不均匀状况，并根据表2～表4的标准进行评价。其结果表示于表5～6。

【表1】

【表2】

【表3】

【表4】

【表5】

【表6】

从该结果可知，调整氧化硅粉层的熔化条件使测量点P₁～P₆的任意处在所定的熔化时间(测量点P₁～P₅的任意处在5～10秒的范围内，P₆为60秒以下)范围内检测上述最高点的实施例1及实施例2，能够制造具备期望的壁厚、气泡含有率、气泡分布不均匀状况的氧化硅玻璃坩埚。即，通过控制熔化条件使在所定的熔化时间内检测出最高点，成功地制造出更适合提拉单晶的氧化硅玻璃坩埚。

该最高点在本实施例中是首次被发现，将该最高点作为温度控制的基准的方法，是与以往控制方法截然不同的结果。并且，出现该最高点的原因尚不清楚，但是可认为是氧化硅粉末变成氧化硅玻璃时出现的现象。

并且，由于在测量温度时坩埚旋转，一个部位的温度测量包含其部位的圆周上的温度测量，并且在本实施例中温度测量部位追随喷射电弧的部位，因此能够高精度地检测到调整熔化条件时的温度变化。

以上，用实施例说明了本发明。本领域的技术人员应当应该理解该实施例仅为例示，还可能有各种变形例，此外那些变形例也属于本发明的保护范围。

符号的说明

1...石英氧化硅玻璃坩埚制造装置

10...模具

11...氧化硅粉层

12...减压通路

13...碳电极

13a...电极前端部

13L...轴线

20...电极位置设定部

21...支撑部

22...角度设定轴

Cam...辐射温度计

SS...间隔壁

F1...过滤器

Claims (6)

1.一种制造氧化硅玻璃坩埚的方法，其特征在于包括：

向坩埚成形用模具内部供给氧化硅粉末来形成氧化硅粉层的氧化硅粉末供给工序，以及

使用多个碳电极进行电弧放电来熔化氧化硅粉层的电弧熔化工序，

其中，在上述电弧熔化工序中，边旋转上述模具边测量位于设定在氧化硅粉层内表面的不同高度的多个测量点的温度，并控制上述电弧放电，使得检测熔化初期在各测量点上均出现最初的温度最高点；以及

电弧熔化工序中，还包括：

维持碳电极呈顶点在下方的倒三角锥形，或改变其角度来拉大所述电极之间的距离的工序，

调整供给的电力，使各碳电极中的电力密度为40kVA/cm²~1700kVA/cm²的工序；以及

调整碳电极与模具之间的相对位置状态以满足作为熔化二氧化硅粉层所必需热源的条件的工序。

2.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚的制造方法，其特征在于：调整氧化硅粉层的熔化条件，使得检测每个测量点在所定熔化时间范围内均出现上述温度最高点。

3.如权利要求1所述的氧化硅玻璃坩埚的制造方法，其特征在于：利用辐射温度计检测波长为4.8～5.2μm 的辐射能来进行测温。

4.如权利要求3所述的氧化硅玻璃坩埚的制造方法，其特征在于：上述辐射温度计及上述测量点设置在连接上述辐射温度计及上述测量点的直线与上述模具的旋转轴相离100mm以上的位置。

5.如权利要求3或4所述的氧化硅玻璃坩埚的制造方法，其特征在于：上述辐射温度计追随上述多个碳电极的移动而改变测量点。

6.如权利要求3或4所述的氧化硅玻璃坩埚的制造方法，其特征在于：设置多个上述辐射温度计，其用于测量位于不同高度的多个测量点的温度。