DE10048368A1

DE10048368A1 - Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10048368A1
Application number: DE10048368A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Hagihara; Takakazu Mori; Atsuro Miyao; Kiyoaki Misu; Shinya Wagatsuma; Shunichi Suzuki
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: US6363098B1; JP2001097775A; FR2799336A1; DE10048368C5; DE10048368B4; FR2799336B1; JP4290291B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kohleelektrode mit einem geringerem Verzehr (Verbrauch) und einer langen Gebrauchslebensdauer (Nutzdauer) und ein Verfahren zur Herstellung derselben, bei dem verhindert wird, dass Teilchen von den Kohleelektroden in ein schmelzendes Quarzglas herunterfallen, das Auftreten von Blasen in dem Quarzglas kontrolliert wird und die Abnahme der Einkristallisationsausbeute durch die in einer transparenten Schicht vorhandenen Blasen, die in der Nähe einer Innenseiten-Oberfläche eines Quarzglas-Schmelztiegels gebildet worden sind, beim Ausziehen eines Silicium-Einkristalls vermieden wird durch Verwendung eines Quarzglas-Schmelztiegels, der unter Verwendung der Kohleelektroden hergestellt worden ist. DOLLAR A Die Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas durch Lichtbogenentladung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial besteht aus Kohle mit einer Dichte von 1,80 g/cm·3· oder höher und einer Dreipunkt-Biegefestigkeit von 35 MPa oder höher.

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kohleelektrode zum Schmel zen von Quarzglas und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung, sie bezieht sich insbesondere auf eine Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, die das Feststellen des Auftretens von Blasen in dem geschmolzenen Quarzglas er möglicht, sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Zur Herstellung von Quarzglas, beispielsweise eines Quarzglas-Schmelztie gels, zum Ausziehen eines Silicium-Einkristalls wurde bisher ein Arbeitsgang durchgeführt, bei dem eine Vorrichtung 21 zur Herstellung eines Quarzglas- Schmelztiegels, wie in Fig. 3 dargestellt, verwendet wird. Eine Form (Kokille) 22 zur Herstellung eines Schmelztiegels mittels einer Herstellungs-Vorrichtung 21 besteht aus einem Innenseiten-Element 23 aus porösem Kohlenstoff, das den Druck reduzieren kann, und einem Halter (Träger) 24 und ist drehbar ge lagert mittels einer drehbaren Welle 25. In einem oberen Abschnitt gegenüber dem Innenseiten-Element 23 sind drei Stücke von Kohleelektroden 27 zum Schmelzen von Quarzglas durch eine Lichtbogenentladung angeordnet.

Zur Herstellung des Quarzglas-Schmelztiegels unter Verwendung der Vorrich tung 21 wird daher die drehbare Welle 25 so gedreht, dass sich die den Schmelztiegel bildende Form 22 mit einer hohen Geschwindigkeit dreht. In die Form 22 wird Siliciumdioxid-Pulver von hoher Reinheit aus dem oberen Ab schnitt durch eine Zuführungs-Rohrleitung eingeführt. Das zugeführte Silici umdioxid-Pulver wird durch die Zentrifugalkraft auf das Innenseiten-Element 23 der den Schmelztiegel bildenden Form 22 gepreßt und man erhält einen Form körper 26 in Gestalt eines Schmelztiegels.

Anschließend wird im Innern des Innenseiten-Elements 23 der Druck herabge setzt und es wird dafür gesorgt, dass die Kohleelektroden 27 die Innenseite des gebildeten Formkörpers 26 elektrisch so erhitzen, dass eine geschmolzene Schicht aus Quarzglas auf einer inneren Oberfläche des Formkörpers 26 ent steht.

Im Verlaufe des Schmelzens des Quarzglases durch die Lichtbogenentladung und der Herstellung des Quarzglas-Schmelztiegels fallen häufig Kohlenstoff- bzw. Kohleteilchen von den Kohleelektroden 27 im geschmolzenen Zustand ab in den Quarzglas-Schmelztiegel. Die von den Kohleelektroden 27 abfallenden Kohlenstoff- bzw. Kohleteilchen werden innerhalb des Quarzglas-Schmelztie gels während des Schmelzes oxidiert und verbraucht und in dem geschmolze nen Quarzglas (transparente Schicht) entstehen Blasen. Insbesondere dann, wenn ein Silicium-Einkristall ausgezogen wird unter Verwendung des Quarz glas-Schmelztiegels, der Blasen in dem Quarzglas aufweist, dehnen sich die Blasen, die in der transparenten Schicht vorhanden sind, die in der Nähe der inneren Oberfläche (insbesondere der transparenten Schicht) des Quarzglas- Schmelztiegels entstanden sind, zu großen Blasen aus und die Blasen vermi schen sich mit dem schmelzenden Silicium gleichzeitig mit dem Schmelzen der transparenten Schicht und sie üben einen schlechten Einfluß auf das Wachs tum des Silicium-Einkristalls aus und verringern die Einkristallisationsausbeute des Silicium-Einkristalls. Außerdem wird die Lebensdauer der Kohleelektrode durch den Verzehr der Kohleelektrode 27, der mit der Lichtbogenentladung einhergeht, verkürzt.

Es besteht daher eine Nachfrage nach der Herstellung einer Kohleelektrode mit einem geringeren Verzehr (Verbrauch) und einer langen Gebrauchsle bensdauer sowie einem Verfahren zur Herstellung derselben, bei dem das Heruntertropfen von Teilchen der Kohleelektroden in das geschmolzene Quarzglas verhindert wird, das Auftreten von Blasen in dem geschmolzenen Quarzglas kontrolliert wird und die Verringerung der Einkristall-Ausbeute durch die in der transparenten Schicht vorhandenen Blasen auch dann verhindert wird, wenn ein Silicium-Einkristall unter Verwendung des Quarzglas-Schmelz tiegels, der unter Verwendung dieser Kohleelektrode hergestellt worden ist, ausgezogen wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung der obengenannten Umstände entwickelt und ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Kohleelektrode mit einem geringeren Verzehr (Verbrauch) und einer langen Gebrauchslebens dauer sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen, wodurch das Herabfallen von Kohlenstoff- bzw. Kohleteilchen von den Kohleelektroden in das flüssige geschmolzene Quarzglas verhindert wird, das Auftreten von Blasen in dem Quarzglas verhindert wird, das Auftreten von Blasen in dem Quarzglas kontrolliert (geprüft) wird und die Abnahme der Einkristall-Ausbeute durch die Blasen, die in der transparenten Schicht vorhanden sind, beim Aus ziehen eines Silicium-Einkristalls unter Verwendung des Quarzglas- Schmelztiegels, der unter Verwendung dieser Kohleelektrode hergestellt wor den ist, vermieden wird.

Das obengenannte Ziel wird mit einem ersten Gegenstand der Erfindung er reicht, bei dem es sich um eine Kohleelektrode für die Verwendung beim Schmelzen von Quarzglas durch Lichtbogenentladung handelt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Elektroden-Basismaterial Kohlenstoff (Kohle) mit einer Schüttdichte von 1,80 g/cm³ oder höher und einer Dreipunkt- Biegefestigkeit von 35 MPa oder höher umfasst.

Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroden-Basismaterial Carbide eines kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und eines Bindematerials umfasst, wobei der maximale Teilchendurchmesser des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials 150 µm oder weniger beträgt und 90 Gew.-% oder mehr des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials einen Teilchendurch messer von 75 µm oder weniger haben.

Ein dritter Gegenstand der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Se kundärteilchen das obengenannte Elektroden-Basismaterial, bestehend aus dem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial und dem Bindematerial, umfassen und ein isotropes Graphitmaterial darstellen, das mit dem Carbid des Bindema terials kombiniert ist, wobei der maximale Teilchendurchmesser der Sekundär teilchen 500 µm oder weniger beträgt und 50 Gew.-% oder mehr der Sekun därteilchen einen Teilchendurchmesser von 38 bis 500 µm haben.

Ein vierter Gegenstand der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der aniostrope Anteil (Faktor) des spezifischen Widerstandes des Elektrodenmate rials 1,1 oder weniger beträgt und dass der Aschegehalt 5 ppm oder weniger beträgt.

Ein fünfter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein verknetetes Material erhalten wird durch Erhitzen und Verkneten des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials und an schließendes Pulverisieren, wobei das genannte kohlenstoffhaltige Ausgangs material einen maximalen Teilchendurchmesser von 150 µm oder weniger aufweist und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger aufweisen und das genannte Bindematerial einen Rest- Kohlenstoffgehalt von 50% oder mehr aufweist und danach die Sekundärteil chen so gesiebt werden, dass deren maximaler Teilchendurchmesser 500 µm oder weniger beträgt und 50 Gew.-% oder mehr derselben einen Teilchen durchmesser von 38 bis 500 µm haben, und durch isostatisches Kaltpressen (CIP) geformt und danach gebrannt und zu einem isotropen Graphitmaterial verarbeitet werden, das bei 2900 bis 3100°C graphitiert wird, und ein Reini gungsprozess mit dem CIP-Formkörper durchgeführt wird.

Ein sechster Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein verknetetes Material erhalten wird durch Erhitzen und Verkneten des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials und bei 130 bis 200°C extrudiert wird, wobei das genannte kohlenstoffhaltige Aus gangsmaterial einen maximalen Teilchendurchmesser von 150 µm oder weni ger aufweist und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben, und das genannte Bindematerial einen Rest- Kohlenstoffgehalt von 50% oder mehr aufweist und das extrudierte Material gebrannt und zu einem bei 2900 bis 3100°C graphitierten Graphitmaterial ver arbeitet wird und außerdem ein Reinigungsprozess durchgeführt wird.

Ein siebter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein isotropes Graphitmaterial oder ein Graphitmaterial mit einem wär mehärtbaren Harz imprägniert, getrocknet und gebrannt wird und dann auf der äußeren Umfangsfläche in einem solchen Umfang geschliffen wird, dass min destens das auf der Oberfläche abgeschiedene wärmehärtbare Harz entfernt wird, und dass danach der obengenannte Prozess durchgeführt wird.

Ein achter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gehalt des verkneteten Materials an flüchtigen Materialien auf 12 bis 15% eingestellt wird.

Eine neunter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass als kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial ein Pechkoks auf Kohleba sis und als Bindematerial ein Teerpech auf Kohlebasis verwendet werden.

Der Aschegehalt wird bestimmt nach dem Verfahren JIS R 7223 (1979).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kohleelektrode dar;

Fig. 2 stellt eine erläuternde Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglas-Schmelztiegels dar, die mit erfindungsgemäßen Kohleelek troden ausgestattet ist; und

Fig. 3 stellt eine erläuternde Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglas-Schmelztiegels dar, die mit Kohleelektroden gemäß Stand der Technik ausgestattet ist.

In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Kohleelektrode, die Bezugsziffer 2 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglas-Schmelztie gels, die Bezugsziffer 3 eine Form (Kokille) zur Herstellung eines Schmelztie gels, die Bezugsziffer 4 ein Innenseiten-Element, die Bezugsziffer 5 einen Luftabschnitt, die Bezugsziffer 6 einen Halter (Träger), die Bezugsziffer 7 eine sich drehende Welle, die Bezugsziffer 8 eine Öffnung, die Bezugsziffer 9 einen Auslaß, die Bezugsziffer 10 einen Druckreduzierungsmechanismus und die Bezugsziffer 11 einen einen Schmelztiegel bildenden Formkörper.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Nachstehend wird eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Koh leelektrode zum Schmelzen von Quarzglas anhand eines Beispiels unter Be zugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, wobei insbesondere ein Quarzglas-Schmelztiegel zum Ausziehen eines Silicium-Einkristalls geschmol zen wird.

Die Fig. 1 stellt eine Seitenansicht dar, welche die Kohleelektrode 1 zum Schmelzen von Quarzglas zeigt, und die Kohleelektrode 1 wird als Ganze ge formt zu einer kegelförmigen Säule durch Anwendung des zuletzt genannten Herstellungsverfahrens, bei dem man ein Ausgangsmaterial aus teilchenförmi gem Koks, z. B. Pechkoks auf Kohlebasis, als Bindematerial beispielsweise Kohlenteerpech verwendet und das verknetete Material mit dem Kohlenteer pech auf Kohlebasis carbonisiert.

In der Fig. 1 ist der vordere Endabschnitt der Kohleelektrode 1 vorzugsweise halbkugelförmig, d. h. er hat im Schnitt die Form des Lichtbogens, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, und ein rechteckiger Querschnitt ist ausreichend, um vorzugsweise zu verhindern, dass das Kohle- bzw. Kohlenstoffteilchen herunterfallen.

Die Kohleelektrode 1 umfasst Kohle (Kohlenstoff) mit einer Schüttdichte oder scheinbaren Dichte von 1,80 g/cm³ oder mehr und einer Dreipunkt- Biegefestigkeit von 35 Mpa oder mehr.

Die Schüttdichte gibt den Kohlenstoffgehalt pro Einheitsvolumen an und je hö her die Dichte ist, um so geringer ist der Verbrauch und das Herabfallen (Herabtropfen) der Kohleelektrode, und sie beträgt vorzugsweise 1,80 g/cm³ oder mehr.

Wenn sie weniger als 1,80 g/cm³ beträgt, treten ein Verbrauch (Verzehr) und das Herunterfallen von Teilchen auf, wobei sehr häufig in dem flüssigen Quarzglas Blasen entstehen, beispielsweise wenn ein Silicium-Einkristall unter Verwendung des Quarzglas-Schmelztiegels, der Blasen in dem Quarzglas aufweist, ausgezogen wird, wobei die Blasen, die in der transparenten Schicht in der Nähe der inneren Oberfläche (insbesondere der transparenten Schicht) des Quarzglas-Schmelztiegels gebildet werden, zu großen Blasen expandieren und die Blasen sich mit dem geschmolzenen Silicium mischen gleichzeitig mit dem Schmelzen der transparenten Schicht und schlechte Einflüsse ausüben auf das Wachstum des Silicium-Einkristalls und die Kristallisations-Ausbeute des Silicium-Einkristalls herabsetzen.

Die Dreipunkt-Biegefestigkeit betrifft die Festigkeit der Kombination der Teil chen miteinander und je höher die Dreipunkt-Biegefestigkeit ist, um so geringer ist der Verbrauch (Verzehr) und um so weniger Teilchen fallen herab. Aufgrund der beiden Elemente Schüttdichte und Dreipunkt-Biegefestigkeit kann eine Bestimmung getroffen werden in Bezug auf das leichte Auftreten des Ver brauchs (Verzehrs) des Quarzglases beim Schmelzen und das leichte Herun tertropfen von Teilchen, und wenn geeignete Bedingungen herrschen, d. h. die Schüttdichte 1,80 g/cm³ oder mehr und die Dreipunkt-Biegefestigkeit 35 MPa oder mehr betragen, werden die obengenannten Effekte verbessert.

Die Kohleelektrode 1 besteht aus Carbiden des kohlenstoffhaltigen Aus gangsmaterials und des Bindematerials und es ist bevorzugt, dass der maxi male Teilchendurchmesser des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials 150 µm oder weniger beträgt und 90 Gew.-% oder mehr des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben. Der maximale Teilchendurchmesser des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials wird festgelegt in Abhängigkeit davon, ob Teilchen von den Kohleelektroden während der Ver wendung derselben herunterfallen (heruntertropfen) und in Abhängigkeit da von, ob die Teilchen oxidiert und verbraucht werden, bis sie heruntergefallen (heruntergetropft) sind und das geschmolzene Quarzglas erreichen. Wenn der maximale Teilchendurchmesser des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials 150 µm oder weniger beträgt und 90 Gew.-% oder mehr des Kohlenstoff-Ausgangsma terials einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben, erreichen die heruntertropfenden Teilchen kaum das geschmolzene Quarzglas und sie werden vollständig oxidiert und verbraucht, im übrigen sind dann, wenn sie auf das Quarzglas heruntertropfen, die Durchmesser der heruntertropfenden Teil chen sehr klein und verursachen kaum die Bildung von Blasen in dem Quarz glas.

Wenn der maximale Durchmesser des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials 150 µm oder mehr beträgt und wenn im übrigen Teilchen mit einem Teilchendurch messer von mehr als 75 µm 10 Gew.-% oder mehr vorliegen, werden die her untertropfenden Teilchen nicht oxidiert oder verbraucht, sondern tropfen in das geschmolzene Quarzglas und werden von dem geschmolzenen Quarzglas be deckt, sodass sie höchstwahrscheinlich die Bildung von Blasen verursachen.

Der Teilchendurchmesser des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials kann bestimmt werden durch Betrachten der Zusammensetzung der Kohleelektrode unter ei nem Polarisationsmikroskop.

Bei der Kohleelektrode 1 handelt es sich insbesondere um eine solche, bei der die Sekundär-Teilchen, die aus Carbiden des kohlenstoffhaltigen Materials und des Bindematerials bestehen, das isotrope Graphitmaterial darstellen, das mit dem Carbid des Bindematerials kombiniert ist, wobei der maximale Teilchen durchmesser der Sekundär-Teilchen 500 µm oder weniger beträgt und 50 Gew.-% oder mehr der Sekundär-Teilchen einen Teilchendurchmesser von 38 bis 500 µm haben.

Wenn die Kohleelektrode 1 aus dem obengenannten isotropen Graphitmaterial besteht, kann ihre Struktur einheitlicher gemacht werden, sodass es möglich ist, das Heruntertropfen der Teilchen zu verringern. Ein Grund dafür, warum der maximale Durchmesser der Sekundär-Teilchen aus dem isotropen Gra phitmaterial so festgelegt wird, dass er 500 µm oder weniger beträgt, ist der, dass dann, wenn Teilchen von den Kohleelektroden während ihrer Verwen dung herunterfallen, diese oxidiert und verbraucht (verzehrt) werden, bis sie heruntergetropft sind und das geschmolzene Quarzglas erreichen. Wenn der Teilchendurchmesser 500 µm oder mehr beträgt, werden die heruntertropfen den Teilchen nicht oxidiert oder verzehrt (verbraucht), sondern tropfen in das Quarzglas und werden von dem geschmolzenen Quarzglas bedeckt, sodass sie leicht Blasen hervorrufen können.

Ein Grund dafür, warum der maximale Durchmesser der Sekundär-Teilchen größer sein kann als der maximale Teilchendurchmesser der Primär-Teilchen, bei denen es sich um das Ausgangsmaterial für die Sekundär-Teilchen han delt, ist der, dass, da die Sekundär-Teilchen mit den Primär-Teilchen als Aus gangsmaterial für die Sekundär-Teilchen verknetet werden zur Herstellung des Bindematerials, getrocknet und pulverisiert werden, d. h. da die Primär-Teilchen mit dem Kohlenstoffgehalt (Trockengehalt) des Bindematerials kombiniert wer den, ihr Kohlenstoffgehalt somit viel leichter oxidiert und verbraucht wird als bei den Primär-Teilchen.

Ein Grund dafür, warum 50 Gew.-% oder mehr der Sekundär-Teilchen einen Teilchendurchmesser von 38 bis 500 µm haben, ist der, dass dann, wenn Teil chen mit einem Durchmesser von weniger als 38 µm in einer Menge von mehr als 50 Gew.-% darin enthalten sind, obgleich der Umfang der heruntertropfen den Teilchen mit Sicherheit abnimmt, der Verzehr (Verbrauch) der Kohleelek trode schnell erfolgt beim Schmelzen des Quarzglases und die Gebrauchsle bensdauer kurz wird.

Die Kohleelektrode 1 ist vorzugsweise eine solche, bei der der anisotrope An teil (Faktor) des spezifischen Widerstandes 1,1 oder weniger beträgt und deren Aschegehalt 5 ppm oder weniger beträgt.

Der anisotrope Anteil (Faktor) des spezifischen Widerstandes wird angenom men als ein Faktor, der die Gleichförmigkeit der Struktur der Kohleelektrode 1 angibt und der Grund dafür, warum der anisotrope Anteil auf 1,1 oder weniger festgelegt wird, ist der, dass zur Aufrechterhaltung der Einheitlichkeit der Struktur und zur Verhinderung des Herabfallens der Teilchen dann, wenn der Anteil 1,1 übersteigt, die Teilchen leicht herunterfallen und dass dann, wenn ein Einkristall ausgezogen wird, diese Teilchen bewirken, dass Fremdstoffe auf die Innenseiten-Oberfläche des Quarzglas-Schmelztiegels auftropfen und beim Vermischen Blasen auftreten. Der spezifische Widerstand zu diesem Zeitpunkt beträgt 1000 bis 1250 µΩ.cm. Der anisotrope Anteil der extruiderten Teilchen durch die Extrusions-Formgebung, nicht jedoch bei der IP-Formgebung, be trägt 1,6 bis 2,0.

Ein Grund dafür, warum der Aschegehalt 5 ppm oder weniger beträgt, ist die Verringerung des Verzehrs (Verbrauchs) der Kohleelektrode 1. Wenn viele Verunreinigungen in der Kohleelektrode 1 vorhanden sind, erfolgt ein schneller lokaler Verzehr (Verbrauch) der Kohleelektrode 1 und wenn der Aschegehalt 5 ppm übersteigt, geht die Einheitlichkeit des Verzehrs (Verbrauchs) verloren, und da die Kohleelektrode selektiv verzehrt (verbraucht) wird, treten große Klumpen auf, in denen eine Vielzahl von Teilchen miteinander kombiniert her untertropfen, wodurch ein Auftreten von Blasen in dem Quarzglas-Schmelztie gel verursacht wird.

Eine nähere Erläuterung wird gegeben in Bezug auf die Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung der Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas.

Das verknetete Material wird erhalten durch Erhitzen und Verkneten eines kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und eines Bindematerials und es wird pulverisiert, wobei das genannte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial einen maximalen Teilchendurchmesser von 150 µm oder weniger hat und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben, und das genannte Bindematerial einen Rest-Kohlenstoffgehalt von 50% oder mehr aufweist, und anschließend werden die Sekundär-Teilchen so gesiebt, dass ihr maximaler Teilchendurchmesser 500 µm oder weniger beträgt und 50 Gew.-% oder mehr derselben einen Teilchendurchmesser von 38 bis 500 µm haben, und sie werden zu einem CIP-Formkörper geformt, danach wird der CIP-Formkörper gebrannt, zu einem bei 2900 bis 3100°C graphitierten isotropen Graphitmaterial verarbeitet und es wird ein Reinigungsprozess durchgeführt.

Wenn der restliche Kohlenstoffgehalt des Bindematerials weniger als 50% beträgt, ist das Bindungsvermögen des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials schlechter und insbesondere die Dreipunkt-Biegefestigkeit von 35 MPa oder mehr ist schwer zu erzielen.

Der Grund für die Anwendung der CIP-Formgebung ist der, dass die CIP- Formgebung anwendbar ist zum Pulverisieren des verkneteten Materials aus dem Ausgangsmaterial und dem kombinierten Material, um so die Sekundär- Teilchen leicht zu regulieren, und es geeignet ist für die Herstellung des isotro pen Graphitmaterials.

Der Grund für die Graphitierung des gebrannten und geformten Körpers bei 2900 bis 3100°C ist der, dass eine Temperatur von weniger als 2900°C für die Graphitierung unzureichend ist und dass die Einheitlichkeit der Kohleelektrode nicht ausreicht. Die Graphitierung bei einer Temperatur von mehr als 3100°C ist bei der industriellen Anwendung schlecht.

Der Aschegehalt kann 5% oder weniger betragen durch Reinigen des ge brannten Formkörpers.

Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Herstellung der Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas beschrieben.

Ein verknetetes Material wird erhalten durch Erhitzen und Verkneten des koh lenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials und es wird bei 130 bis 200°C extrudiert, wobei das genannte kohlenstoffhaltige Ausgangsma terial einen maximalen Teilchendurchmesser von 150 µm oder weniger auf weist und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben, und das genannte Bindematerial einen Rest-Kohlen stoffgehalt von 50% oder mehr aufweist, und dann wird das extrudierte Mate rial gebrannt und zu einem Graphitmaterial verarbeitet, das bei 2900 bis 3100°C graphitiert wird, und außerdem wird damit ein Reinigungsprozess durchgeführt.

Der Grund dafür, warum die Extrusions-Formgebung bei 130 bis 200°C durch geführt wird, ist der, dass dann, wenn die Temperatur weniger als 130°C be trägt, dies nicht bevorzugt ist, da es schwierig ist, eine ausreichende Fließfä higkeit des verkneteten Materials zu erzielen, die für die Extrusions- Formgebung erforderlich ist, und dass dann, wenn sie 200°C übersteigt, es schwierig ist, den Gehalt an flüchtigen Materialien des Formkörpers vor dem Brennen in geeigneter Weise einzustellen, sodass eine hohe Schüttdichte und eine hohe Dreipunkt-Biegefestigkeit nicht leicht erzielbar sind.

Das bei der ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens erhaltene isotrope Graphitmaterial oder das bei der zweiten Ausführungsform des Her stellungsverfahrens erhaltene Graphitmaterial weist jeweils eine Porosität von 10% auf und die Poren werden mit einem wärmehärtbaren Harz, beispielswei se einem Harz auf Phenolbasis oder auf Furanbasis, imprägniert, dann in ei nem Ofen mit einer Heizquelle aus einem Schweröl-Brenner ähnlich wie bei dem obengenannten Brennen gebrannt, für die Formgebung verarbeitet und es wird ein Hochreinigungsprozess durchgeführt zur Herstellung der Kohleelek trode durch Herabsetzung ihres Aschegehalts auf unter 5 ppm.

Durch Imprägnieren des Formkörpers mit dem wärmehärtbaren Harz werden die Einschnürungs(Verbindungs)-Abschnitte der Teilchen aneinander befestigt, sodass der Grad des Verzehrs (Verbrauchs) bei der Verwendung abnimmt und das Heruntertropfen von Kohleteilchen vermindert wird. Der Grund für die Ver wendung eines Harzes auf Phenol- oder Furanbasis als wärmehärtbares Harz ist der, dass die Oxidation geringer ist, der Verzehr (Verbrauch) und das Her untertropfen kontrolliert werden können, in dem flüssigen Quarzglas kaum Bla sen auftreten und die Ausbeute der Einkristallisation des Silicium-Einkristalls erhöht werden kann.

Durch Einstellung des Gehaltes an flüchtigen Materialien auf 12 bis 15% ist es leicht möglich, eine Schüttdichte von 1,80 g/cm³ oder höher und eine Drei punkt-Biegefestigkeit von 35 MPa oder höher zu erzielen, sodass ein Graphit material mit einer höheren Gleichförmigkeit erhalten werden kann.

Durch Kombinieren des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials mit einem Pechkoks auf Kohlebasis und des kombinierten Materials mit einem Kohlen teerpech auf Kohlebasis kann der Verzehr (Verbrauch) der Kohleelektrode beim Schmelzen des Quarzglases weiter verringert werden.

Noch eine weitere Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung eines Quarz glas-Schmelztiegels unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kohleelektro de zum Schmelzen von Quarzglas wird nachstehend beschrieben.

Wie in Fig. 2 dargestellt, umfasst die Schmelztiegel-Herstellungsform 3 der Vorrichtung 2 zur Herstellung des Quarzglas-Schmelztiegels ein Innensei tenelement 4, das aus einem porösen Kohleformkörper besteht, der durch Hochreinigungs-Behandlung erhalten wurde, einen Luftabschnitt 5 am äußeren Umfang des Innenseitenelements 4 und einen Halter (Träger) 6 zum Festhal ten des Innenseitenelements 4. Am unteren Abschnitt des Halters (Trägers) 6 ist eine rotierende Welle 7 befestigt, die mit einer rotierenden Einrichtung (nicht dargestellt) in Verbindung steht, auf der die Schmelztiegel-Herstellungsform 3 drehbar gelagert ist. Der Luftabschnitt 5 steht mit einem Auslaß 9 in Verbin dung, der zentral in der rotierenden Welle 7 angeordnet ist, wobei der Auslaß 9 mit einem Druckverminderungsmechanismus 10 in Verbindung steht.

An einem oberen Abschnitt gegenüber dem Innenseitenelement 4 sind drei Stücke von Kohleelektroden 1 zum Schmelzen von Quarzglas durch Lichtbo genentladung vorgesehen.

Zur Herstellung des Quarzglas-Schmelztiegels unter Verwendung der Vorrich tung 2 wird daher die rotierende Welle 7 mittels einer Antriebsquelle (nicht dar gestellt) in Rotation versetzt, sodass die Schmelztiegel-Bildungsform 3 sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. In die Form 3 wird Siliciumdioxid-Pulver von ho her Reinheit aus einem oberen Abschnitt durch eine Zuführungs-Rohrleitung (nicht dargestellt) eingeführt. Das zugeführte Siliciumdioxid-Pulver wird durch die Zentrifugalkraft gegen das Innenseitenelement 4 der Schmelztiegel-Bil dungsform 3 gepreßt und als Formkörper 11 wird ein solcher in Form eines Schmelztiegels erhalten.

Außerdem läßt man auf das Innere des Innenseitenelements 4 einen Druckre duziermechanismus 10 einwirken und die Kohleelektroden 1 werden dazu ver anlaßt, das Innere des Schmelztiegel-Formkörpers 11 durch die Lichtbogenent ladung elektrisch zu erhitzen, sodass eine geschmolzene Schicht auf einer In nenseiten-Oberfläche des Formkörpers 11 gebildet wird.

Im Verlaufe des Schmelzens des Quarzglases durch die Lichtbogenentladung und der Herstellung des Quarzglas-Schmelztiegels wird die Kohleelektrode weniger verbraucht (verzehrt) und es tritt ein geringes Tropfen auf und es sind nur sehr wenige Blasen in der transparenten Schicht auf der Innenseitenober fläche des Quarzglas-Schmelztiegels vorhanden, da die Schüttdichte der Koh leelektrode 1,80 g/cm³ oder mehr und die Dreipunkt-Bindungsfestigkeit 35 MPa oder mehr betragen. Wenn nun ein Einkristall unter Verwendung des Quarz glas-Schmelztiegels ausgezogen wird, treten die Fälle nicht auf, dass Blasen, die in der transparenten Schicht vorhanden sind, sich zu großen Blasen aus dehnen und die Blasen sich mit dem geschmolzenen Silicium zusammen mit dem Schmelzen der transparenten Schicht vermischen und schlechte Einflüs se auf das Wachstum des Silicium-Einkristalls ausüben. Die Einkristallisations- Ausbeute des Silicium-Einkristalls wird somit erhöht.

Da der maximale Teilchendurchmesser des Ausgangsmaterials in den Teil chen der Kohleelektrode 1 150 µm oder weniger beträgt und da 90 Gew.-% derselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben, errei chen die heruntertropfenden Kohlenstoffteilchen kaum das Quarzglas und werden vollständig oxidiert und verbraucht auf dem Weg dazu, wobei im übri gen selbst dann, wenn Teilchen auf das geschmolzene Quarzglas herunter tropfen, der Durchmesser der tropfenden Teilchen zu diesem Zeitpunkt sehr klein ist, sodass sie weniger Blasen in dem geschmolzenen Quarzglas hervor rufen, sodass die Ausbeute der Einkristallisation des Silicium-Einkristalls er höht wird.

Der maximale Durchmesser der Sekundär-Teilchen beträgt 500 µm oder weni ger und 50 Gew.-% oder mehr derselben haben einen Teilchendurchmesser von 38 bis 500 µm, sodass die Verbrauchs(Verzehr)-Rate der Kohleelektrode 1 hinausgezögert wird, wodurch die Gebrauchslebensdauer verlängert wird, und da die auf das geschmolzene Quarzglas tropfenden Teilchen oxidiert und ver braucht werden, bis sie dieses erreicht haben, gelangen sie nicht ins Quarz glas und erzeugen auch keine Blasen darin.

Da das Elektroden-Ausgangsmaterial einen anisotropen Anteil (Faktor) des spezifischen Widerstandes von 1,1 oder weniger aufweist, wird die Struktur einheitlich gehalten, es wird verhindert, dass die Kohle- bzw. Kohlenstoff- Teilchen auf das flüssige Quarzglas fallen (tropfen) und es werden keine Bla sen darin gebildet.

Da der Aschegehalt im Elektroden-Basismaterial 5 ppm oder weniger beträgt, wird der Verzehr (Verbrauch) gleichmäßig gehalten, sodass keine großen Klumpen auftreten, mit denen eine Vielzahl von Teilchen, die miteinander kombiniert sind, herunterfallen (-tropfen) und das Auftreten von Blasen in dem Quarzglas-Schmelztiegel hervorrufen.

Da das Elektroden-Basismaterial einen anisotropen Anteil (Faktor) des spezifi schen Widerstandes von 1,1 oder weniger aufweist, wird die Struktur einheit lich gehalten, es wird verhindert, dass Teilchen von der Kohleelektrode herun terfallen, während der Quarzglas-Schmelztiegel hergestellt wird, sodass in dem Quarzglas kaum Blasen gebildet werden können, sodass die Einkristallisati ons-Ausbeute des Silicium-Einkristalls erhöht wird.

Der gebildete Formkörper wird mit dem wärmehärtbaren Harz imprägniert und die Einschnürungs(Verbindungs)-Abschnitte der Teilchen werden aneinander befestigt, sodass der Umfang des Verzehrs (Verbrauchs) bei der Verwendung herabgesetzt und verhindert wird, dass Kohlenstoffteilchen auf das flüssige Quarzglas fallen (tropfen), kaum Blasen in dem flüssigen Quarzglas auftreten und die Ausbeute der Einkristallisation des Silicium-Einkristalls erhöht werden kann.

Beispiele Beispiele 1, 2, 3 und Vergleichsbeispiele 1, 2, 3

Das verknetete Material, bei dem Pechkoks auf Kohlebasis und Kohlenteer pech auf Kohlebasis (Bindematerial) miteinander erhitzt und getrocknet wur den, wurde pulverisiert, wobei der genannte Pechkoks auf Kohlebasis das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial (Primär-Teilchen) mit Teilchengrößen wie in der Tabelle 1 angegeben darstellte, und das genannte Kohlenteerpech auf Kohlebasis einen restlichen Kohlenstoff-Gehalt von 55% aufwies. Das pulve risierte Material wurde wie in der Tabelle 1 gesiebt zur Herstellung von Sekun där-Teilchen und die Sekundär-Teilchen wurden zu einem CIP-Formkörper geformt. Der CIP-Formkörper wurde in einem Ofen mit einem Schwerölbrenner als Heizquelle gebrannt, dann bei 3000°C graphitiert, wie in Fig. 1 angegeben bearbeitet und bei 2000°C oder höher in einem Ofen mit einem Halogengas strom gereinigt zur Herstellung von Koleelektroden mit einem Aschegehalt von 1 ppm.

Gleichzeitig wurden durch Ändern des Druckes für die Herstellung de CIP- Formkörpers und der Brenntemperatur und der Brennzeit Kohleelektroden mit unterschiedlichen Schüttdichten und Dreipunkte-Biegefestigkeiten wie in der Tabelle 1 angegeben erhalten (Beispiele 1, 2, 3 und Vergleichsbeispiele 1, 2, 3).

Jedes der Beispiele und jedes der Vergleichsbeispiele wurde als Kohleelektro den in die Vorrichtung zur Herstellung des Quarzglas-Schmelztiegels durch Anwendung eines Lichtbogen-Rotations-Schmelzverfahrens eingesetzt zur Herstellung von Quarzglas-Schmelztiegeln, für die Verwendung in einer Vor richtung zum Ausziehen eines Silicium-Einkristalls nach einem CZ-Verfahren und die Ergebnisse der Bewertung der Kohleelektroden und der Quarzglas- Schmelztiegel sind in der Tabelle 1 angegeben.

Drei Stücke der Kohleelektroden wurden zu jeweils einem Satz für jedes der Beispiele und jedes der Vergleichsbeispiele zusammengefaßt und mit einem Satz wurden vier Quarzglas-Schmelztiegel einer Größe von 55,9 cm (22 inch) hergestellt. Somit wurden 20 Quarzglas-Schmelztiegel pro Kohleelektroden jedes Beispiels, welches die fünf Sets aufwies, und jedes Vergleichsbeispiels mit den gleichen fünf Sets hergestellt.

Durch Einstellung der Schüttdichte des Elektroden-Basismaterials auf 1,8 g/cm³ oder höher und der Dreipunkt-Biegefestigkeit auf 35 MPa oder höher in der Kohleelektrode zum Schmelzen des Quarzglases durch Lichtbogenentla dung wurde als Ergebnis gefunden, dass der Verzehr (Verbrauch) der Kohle elektroden gering war und die Bildung von Blasen stark verringert wurde, deren Durchmesser an den inneren Oberflächen der Quarzglas-Schmelztiegel weni ger als und mehr als 1,0 mm betrugen, die begleitet waren von einem Herabfal len (-tropfen) von Kohleteilchen von den Kohleelektroden.

Außerdem wurde bei der Herstellung von Silicium-Einkristall-Blöcken für 20,3 cm (8 inch)-Siliciumwafer unter Verwendung der Quarzglas-Schmelztiegel des Beispiels 2 und des Vergleichsbeispiels 1 bestätigt, dass die Differenz in Be zug auf die Signifikanz erkennbar war, da die Einkristallisations-Ausbeute (DF- Rate) in Beispiel 2 97% betrug und in Vergleichsbeispiel 1 92% betrug.

Beispiel 4

Es wurden Kohleelektroden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 3 hergestellt und bewertet, jedoch mit der Ausnahme, dass der maximale Teilchendurch messer des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials (Primär-Teilchen) 190 µm betrug und die Verteilung der Teilchengrößen [75 µm oder weniger] : [größer 75 µm bis 150 µm oder kleiner] 85 : 15 betrug.

Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben. Der Verzehr (Verbrauch) der Kohleelektrode war nahezu der gleiche wie im Falle des Bei spiels 3, die Anzahl der feinen Bläschen mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 mm auf der Innenseitenoberfläche des Quarzglas-Schmelztiegels war jedoch auf etwa das 3-fache derjenigen des Beispiels 3 gestiegen und es wur den eine oder zwei Blasen mit einem Durchmesser von 1,0 mm oder größer in den 20 Quarzglas-Schmelztiegeln gefunden. Im Vergleich mit den Vergleichs beispielen 1 bis 3 wiesen sowohl der Verzehr (Verbrauch) als auch die Anzahl der Blasen niedrige Werte auf.

Es kann angenommen werden, dass dann, wenn das kohlenstoffhaltige Aus gangsmaterial (Primär-Teilchen) einen vorgegebenen Wert übersteigt, die von den Kohleelektrode herabtropfenden Teilchen nicht vollständig verbrannt wer den, auf die innere Oberfläche innerhalb des Quarzglas-Schmelztiegels tropfen und daraus Blasen entstehen.

Beispiel 5

Es wurden Kohleelektroden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 3 hergestellt und bewertet, jedoch mit der Ausnahme, dass der maximale Teilchendurch messer des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials (Primär-Teilchen) 235 µm betrug und die Teilchengrößenverteilung [75 µm oder kleiner] : [größer 75 µm bis 150 µm oder kleiner] 85 : 15 betrug, und sie wurden verknetet zur Herstel lung von Sekundär-Teilchen, die einen maximalen Teilchendurchmesser von 600 µm aufwiesen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 an gegeben.

Der Verzehr (Verbrauch) der Kohleelektrode war nahezu der gleiche wie in den Fällen der Beispiele 3 und 4, die Anzahl der feinen Bläschen mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 mm auf der Innenseitenoberfläche des Quarzglas-Schmelztiegels war jedoch auf etwa das 6-fache derjenigen des Beispiels 3 und etwa das 2-fache derjenigen des Beispiels 4 gestiegen und es wurde bestätigt, dass Blasen mit einem Durchmesser von 1,0 mm oder größer etwa doppelt so viel vorhanden waren wie in Beispiel 4. Im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 war der Verzehr (Verbrauch) um etwa 30% ver mindert und die Anzahl der Blasen betrug etwa 1/5.

In Bezug auf den Anstieg der Anzahl der Blasen im Vergleich zu den Beispie len 3 und 4 kann angenommen werden, dass der maximale Durchmesser der Primär-Teilchen und der Durchmesser der Sekundär-Teilchen erhöht waren und dass Kohlenstoff-Teilchen auf die Innenseiten-Oberfläche des Quarzgla ses tropften und daraus Blasen entstanden.

Beispiel 6

Der maximale Teilchendurchmesser des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmateri als (Primär-Teilchen) betrug 100 µm und die Teilchengrößenverteilung [75 µm oder kleiner] : [größer 75 µm bis 150 µm oder kleiner] betrug 95 : 5 und die Teil chengrößenverteilung [38 µm oder kleiner] : [größer 38 µm] betrug 60 : 40 und es wurden Kohleelektroden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 3 hergestellt und bewertet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.

Der Verzehr (Verbrauch) der Kohleelektrode war gegenüber dem Beispiel 3 um etwa 20% erhöht, die Anzahl der feinen Bläschen mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 mm und von 1,0 mm oder größer waren gleich auf der Innen seiten-Oberfläche des Quarzglas-Schmelztiegels und es wurde bestätigt, dass sie klein war.

Es kann angenommen werden, dass die Sekundär-Teilchen mit einem Durch messer von 38 µm oder weniger in einer Menge von mehr als 50 Gew.-% vor lagen, und wenn sie insgesamt fein waren, war, obgleich die Teilchen in nahe zu der gleichen Menge wie in Beispiel 3 heruntertropften, die Verbrennungs menge auf der Elektrodenoberfläche groß bei einer Lichtbogenentladung und der Verzehr (Verbrauch) der Kohleelektrode war verhältnismäßig groß.

Beispiel 7

Es wurden Kohleelektroden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und bewertet, jedoch mit der Ausnahme, dass das kohlenstoffhaltige Aus gangsmaterial (Primär-Teilchen) ein Koks auf Erdölbasis war. Die dabei erhal tenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.

Bezüglich der Verzehr(Verbrauchs)-Länge der Kohleelektroden und der Anzahl der Blasen auf der Innenseiten-Oberfläche des Quarzglas-Schmelztiegels war jeder dieser Werte besser als in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3, jedoch et was schlechter als in Beispiel 1.

Aufgrund der obigen Angaben wurde gefunden, dass als kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial Pechkoks auf Kohlebasis mehr bevorzugt war als Koks auf Erdölbasis.

Beispiele 8, 9 und Vergleichsbeispiele 4 bis 6

Das verknetete Material wurde erhalten durch Erhitzen und Verkneten von Pechkoks auf Kohlebasis (Beispiel 8) oder von Koks auf Erdölbasis (Beispiel 9 und Vergleichsbeispiele 4 bis 6) als kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial (Primär-Teilchen), die den in der Tabelle 1 angegebenen Teilchendurchmesser hatten, und des Kohlenteerpechs auf Kohlebasis (Bindematerial) mit einem restlichen Kohlenstoffgehalt von 55%, und es wurde bei 160°C extrudiert unter Bildung eines Formkörpers und der Formkörper wurde in einem Ofen mit ei nem Schwerölbrenner als Heizquelle gebrannt, bei 3000°C graphitiert, wie in Fig. 1 angegeben verarbeitet und bei 2000°C oder höher in einem Ofen mit einem Halogengasstrom gereinigt zur Herstellung von Kohleelektroden mit ei nem Aschegehalt von 1 ppm.

Gleichzeitig wurden durch Änderung des Druckes beim Extrudieren und der Brenntemperatur oder Brennzeit Kohleelektroden mit unterschiedlichen Schüttdichten und Dreipunkt-Biegefestigkeiten erhalten, wie in der Tabelle 1 angegeben.

Bezüglich der obengenannten Kohleelektroden wurden die gleichen Bewertun gen wie in Beispiel 1 durchgeführt und die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.

Durch Einstellung der Schüttdichte des Elektroden-Basismaterials auf 1,80 g/cm³ oder höher und der Dreipunkt-Biegefestigkeit auf 35 MPa oder höher in der Kohleelektrode zum Schmelzen des Quarzglases durch Lichtbogenentla dung wurde als Ergebnis gefunden, dass der Verzehr (Verbrauch) der Kohle elektroden gering war. Stark vermindert waren die Blasen mit einem Durch messer von weniger und mehr als 1,0 mm in den inneren Oberflächen der Quarzglas-Schmelztiegel, die von einem Herabtropfen der Kohleteilchen von den Kohleelektroden begleitet waren.

Da bei der Durchführung der Formgebung durch Extrusion verhältnismäßig große Kohleteilchen von den Kohleelektroden heruntertropften, wird ange nommen, dass etwas schlechtere Ergebnisse erhaltenen wurden im Vergleich zur CIP-Formgebung, da es schwierig ist, die Größe der Sekundär-Teilchen zu regulieren.

Beispiel 10

Ein auf die gleiche Weise wie Beispiel 1 hergestellter graphitierter Formkörper wurde als Basismaterial verwendet, dem p-Toluolsulfonsäure als Katalysator für Furfurylalkohol zugesetzt wurde, und er wurde in eine Flüssigkeit, die bis zu einer Viskosität von 4000 cP polymerisiert wurde, eingetaucht und damit im prägniert. Dann wurde er bei 1000°C gebrannt und zu der Form einer Elektro de verarbeitet wie in Fig. 1 dargestellt zur Herstellung einer Kohleelektrode durch Entfernung des überschüssigen Imprägnierungsmaterials, das sich auf dem äußeren Umfang der Elektrode abgeschieden hatte. Danach wurden Pro ben daraus hergestellt durch Überleiten des Halogengases bei 2000°C oder höher, Durchführen der Hochreinigungs-Behandlung und Einstellung des Aschegehaltes auf 3 ppm oder weniger.

Mit den Proben wurden die gleichen Bewertungen durchgeführt wie in Beispiel 1 und die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.

In Beispiel 10 ist im Vergleich zu dem Beispiel 1 der Verzehr (Verbrauch) ge ringer und das Aufteten von Blasen in dem Quarzglas-Schmelztiegel ist ver mindert. Es wird angenommen, dass dann, wenn mit dem wärmehärtbaren Harz imprägniert wird, die Einschnürungs(Verbindungs)-Abschnitte der Teil chen untereinander verfestigt wurden.

Die Tabelle 1 zeigt die Charakteristika der Proben aus den Beispielen und die erhaltenen Testergebnisse.

Die Ziffern (*1), (*2) und (*3) in der Tabelle 1 haben die folgenden Bedeutun gen:
(*1) verzehrte Länge: es wurden vier Quarzglas-Schmelztiegel pro Set herge stellt, danach wurde die verzehrte Länge bestimmt und die Durchschnittswerte von fünf Sets wurden aufgezeichnet.

Verzehrte Länge = ursprüngliche Länge - Länge der Elektroden nach der Her stellung von vier Schmelztiegeln.

(*2) 0,5 mm-Blasen: die Anzahl der Blasen mit einem Durchmesser von mehr als 0,5 mm in den Produkten pro 20 Quarzglas-Schmelztiegeln. Die Gesamt anzahl der auftretenden Blasen von 4 Stücken/1 Set × 5 Sets = 20 Stücken.
(*3) Blasen mit einem Durchmesser von 0,5 mm von 20 Stücken des Quarz glas-Schmelztiegels, Anzahl der Blasen mit einem Durchmesser von mehr als 0 mm. Gesamtanzahl der auftretenden Blasen von 4 Stück/1 Set × 5 Sets = 20 Stück.

Mit der erfindungsgemäßen Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas und dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ihrer Herstellung ist es möglich, eine Kohleelektrode bereitzustellen, die weniger verzehrt (verbraucht) wird und eine lange Gebrauchslebensdauer aufweist, indem man das Heruntertropfen von Kohle- bzw. Kohlenstoff-Teilchen von den verwendeten Kohleelektroden auf das geschmolzene Quarzglas verhindert, wodurch das Auftreten von Bla sen in dem geschmolzenen Quarzglas vermieden wird, und mit deren Hilfe verhindert wird, dass die Einkristallisations-Ausbeute abnimmt, wenn ein Silici um-Einkristall ausgezogen wird mittels des Quarzglas-Schmelztiegels, der un ter Verwendung der Kohleelektroden hergestellt worden ist.

Da das Basismaterial der Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas einen solchen Kohlenstoff (Kohle) mit einer Schüttdichte von 1,80 g/cm³ oder höher und mit einer Dreipunkt-Biegefestigkeit von 35 MPa oder höher umfasst, kön nen der Verzehr (Verbrauch) der Kohleelektrode und das Heruntertropfen von Kohle- bzw. Kohlenstoffteilchen wirksam unterdrückt werden.

Das Elektroden-Basismaterial besteht aus Carbiden des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials, die maximale Teilchengröße des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials beträgt 150 µm oder weniger und 90 Gew.-% oder mehr des Kohlenstoff-Ausgangsmaterials haben einen Durchmesser von 75 µm oder weniger, sodass die heruntertropfenden Teilchen kaum das schmelzende Quarzglas erreichen und auf dem Weg zu diesem vollständig oxidiert und verbraucht werden, wobei im übrigen selbst dann, wenn Teilchen auf das geschmolzene Quarzglas tropfen, der Durchmesser der heruntertrop fenden Teilchen zu diesem Zeitpunkt sehr klein ist, sodass sie weniger Blasen im geschmolzenen Quarzglas hervorrufen, sodass die Einkristallisations- Ausbeute des Silicium-Einkristalls erhöht ist.

Bezüglich des Elektroden-Basismaterials handelt es sich bei den Sekundär- Teilchen, bestehend aus Carbiden des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials, um ein isotropes Carbidmaterial, das gebunden ist durch das Carbid des Bindematerials und der maximale Durchmesser der Se kundär-Teilchen beträgt 500 µm oder weniger und 50 Gew.-% oder mehr der Sekundär-Teilchen haben einen Durchmesser von 38 bis 500 µm, sodass die Verzehr(Verbrauchs)-Rate der Kohleelektrode verlangsamt (verzögert) und die Gebrauchslebensdauer verlängert wird und da außerdem die heruntertropfen den Kohle- bzw. Kohlenstoffteilchen oxidiert und verbraucht werden, bis sie das Quarzglas während des Schmelzens erreichen, gelangen sie nicht in das flüssige geschmolzene Quarzglas und rufen darin keine Blasenbildung hervor.

Das Basismaterial der Elektrode weist ein anisotropes Verhältnis des spezifi schen Widerstandes von 1,1 oder weniger auf, der Aschegehalt beträgt 5 ppm oder weniger, die Struktur wird einheitlich gehalten, es wird verhindert, dass Teilchen in das flüssige Quarzglas tropfen und darin Blasen bilden.

Das verknetete Material wird erhalten durch Erhitzen und Verkneten des koh lenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials und es wird pulve risiert, wobei das genannte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial einen maxima len Teilchendurchmesser von 150 µm oder weniger aufweist und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger ha ben, und das genannte Bindematerial einen Rest-Kohlenstoffgehalt von 50% oder mehr aufweist, und danach werden die Sekundär-Teilchen so gesiebt, dass ihr maximaler Teilchendurchmesser 500 µm oder weniger beträgt und 50 Gew.-% oder mehr derselben einen Teilchendurchmesser von 38 bis 500 µm haben, und sie werden zu einem CIP-Formkörper geformt, danach wird der CIP-Formkörper gebrannt, zu einem isotropen Graphitmaterial verarbeitet, das bei 2900 bis 3100°C graphitiert wird, und damit wird ein Reinigungsprozess durchgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Kohleelektrode bereitzustel len, die weniger verzehrt (verbraucht) wird und eine lange Gebrauchslebens dauer (Nutzlebensdauer) aufweist, indem man verhindert, dass Kohle- bzw. Kohlenstoffteilchen von den verwendeten Kohleelektroden auf das geschmol zene Quarzglas tropfen, wodurch das Auftreten von Blasen in dem geschmol zenen Quarzglas vermieden wird, und dass dann, wenn ein Silicium-Einkristall mittels des Quarzglas-Schmelztiegels, der unter Verwendung der Kohleelek troden hergestellt worden ist, ausgezogen wird, die Einkristallisations-Ausbeute abnimmt.

Das verknetete Material wird erhalten durch Erhitzen und Verkneten des koh lenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials und es wird pulve risiert, wobei das genannte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial einen maxima len Teilchendurchmesser von 150 µm oder weniger aufweist und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger ha ben und das genannte Bindematerial einen restlichen Kohlenstoffgehalt von 50% oder mehr aufweist. Das verknetete Material wird bei 130 bis 200°C extru diert und nach dem Brennen zu dem Graphitmaterial verarbeitet, das bei 2900 bis 3100°C graphitiert wird, und außerdem wird ein Reinigungsprozess durch geführt und dadurch ist es möglich, sowohl die Schüttdichte auf 1,80 g/cm³ oder höher als auch die Dreipunkt-Biegefestigkeit auf 35 MPa oder höher ein zustellen und eine Kohleelektrode mit einem geringeren Verzehr (Verbrauch) und einer großen Verminderung der Blasenbildung durch Heruntertropfen von Kohle- bzw. Kohlenstoffteilchen von der Elektrode herzustellen.

Die Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas wird hergestellt durch Im prägnieren des isotropen Graphitmaterials oder des Graphitmaterials mit dem wärmehärtbaren Harz, Trocknen, Brennen, Schleifen der äußeren Umfangsflä che bis zu einem solchen Grade, dass das auf der Oberfläche abgelagerte wärmehärtbare Harz entfernt ist, und Verarbeiten, sodass die Verjün gungs(Verbindungs)-Abschnitte der Teilchen aneinander gefestigt werden, so dass sie kaum oxidiert werden und während der Verwendung ein geringer Ver zehr (Verbrauch) auftritt und das Heruntertropfen von Kohle- bzw. Kohlenstoff teilchen von der Elektrode vermindert wird, sodass kaum Blasen gebildet wer den, und auf diese Weise kann die Einkristallisations-Ausbeute eines Silicium- Einkristalls erhöht werden.

Außerdem wird der Gehalt an flüchtigen Stoffen im verkneteten Material auf 12 bis 15% eingestellt, sodass es leicht ist, eine Schüttdichte von 1,80 g/cm³ oder höher und eine Dreipunkt-Biegefestigkeit von 35 Mpa oder höher zu erhalten und ein einheitlicheres Graphitmaterial zur Verfügung steht.

Das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial ist ein Pechkoks auf Kohlebasis und das Bindematerial ist ein Koksteerpech auf Kohlebasis und deshalb wird die Kohleelektrode während des Schmelzes von Quarzglas weniger verzehrt (verbraucht).

Claims

1. Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas durch Lichtbogenentladung, worin das Elektroden-Basismaterial Kohle (Kohlenstoff) mit einer Schüttdichte von 1,80 g/cm³ oder höher und einer Drei punkt-Biegefestigkeit von 35 MPa oder höher umfasst.

2. Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 1, worin das Elektroden-Basismaterial Carbide eines kohlen stoffhaltigen Ausgangsmaterials und eines Bindematerials umfasst, wobei der maximale Teilchendurchmesser des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials 150 µm oder weniger beträgt und 90 Gew.-% oder mehr des kohlenstoffhalti gen Ausgangsmaterials einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben.

3. Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 2, worin das genannte Elektroden-Basismaterial aus Sekundär- Teilchen aufgebaut ist, die bestehen aus dem kohlenstoffhaltigen Ausgangs material und dem Carbid des Bindematerials, wobei der maximale Teilchen durchmesser der Sekundär-Teilchen 500 µm oder weniger beträgt und 50 Gew.-% oder mehr der Sekundär-Teilchen einen Teilchendurchmesser von 38 bis 500 µm haben.

4. Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 1, worin der anisotrope Anteil (Faktor) des spezifischen Wider standes des Elektroden-Basismaterials 1,1 oder weniger beträgt und der Aschegehalt 5 ppm oder weniger beträgt.

5. Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 1, worin der vordere Endabschnitt der Kohleelektrode halbku gelförmig ist.

6. Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 1, worin der spezifische Widerstand der Kohleelektrode in ei nem Bereich von 1000 bis 1250 µΩ.cm liegt.

7. Kohleelektrode für die Verwendung zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 1, worin die Kohleelektrode eine Porosität von ≦ 10% aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, bei dem ein verknetetes Material erhalten wird durch Erhitzen und Verkneten eines kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und eines Bindemate rials, und pulverisiert wird, wobei das genannte kohlenstoffhaltige Ausgangs material einen maximalen Teilchendurchmesser von 150 µm oder weniger aufweist und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchendurchmesser von 75 µm oder weniger haben, und das genannte Bindematerial einen restlichen Kohlenstoffgehalt von 50% oder mehr aufweist, und danach die Sekundär- Teilchen so gesiebt werden, dass dessen maximaler Teilchendurchmesser 500 µm oder weniger beträgt und 50 Gew.-% oder mehr derselben einen Teilchen durchmesser von 38 bis 500 µm haben, und diese zu einem CIP-Formkörper geformt werden, an den sich nach dem Brennen des CIP-Formkörpers eine Verarbeitung zu einem isotropen Graphitmaterial anschließt, das bei 2900 bis 3100°C graphitiert wird, und ein Reinigungsprozess mit dem CIP-Formkörper durchgeführt wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 8, worin der genannte Reinigungsprozess ein Pro zess zum Erhitzen auf 2000°C oder höher in einem Halogengasofen ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas, bei dem ein verknetetes Material erhalten wird durch Erhitzen und Verkneten des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials und des Bindematerials, und dieses bei 130 bis 200°C extrudiert wird, wobei das genannte kohlenstoff haltige Ausgangsmaterial einen maximalen Teilchendurchmesser von 150 µm oder weniger aufweist und 90 Gew.-% oder mehr desselben einen Teilchen durchmesser von 75 µm oder weniger haben, und das genannte Bindematerial einen restlichen Kohlenstoffgehalt von 50% oder mehr aufweist und das ex trudierte Material gebrannt und zu einem Graphitmaterial verarbeitet wird, das bei 2900 bis 3100°C graphitiert wird, und außerdem ein Reinigungsprozess durchgeführt wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 10, worin der genannte Reinigungsprozess ein Pro zess zum Erhitzen auf 2000°C oder höher in einem Halogengasofen ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 8, bei dem das isotrope Graphitmaterial oder das Graphitmaterial mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert, getrocknet und gebrannt und dann auf seiner äußeren Umfangsoberfläche in einem solchen Umfang geschliffen wird, dass zumindest das auf der Oberfläche abgeschie dene wärmehärtbare Harz entfernt wird, und damit der obengenannte Prozess durchgeführt wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 8, worin der Gehalt an flüchtigen Verbindungen in dem verkneteten Material auf 12 bis 15% eingestellt wird.

14. Verfahren zur Herstellung einer Kohleelektrode zum Schmelzen von Quarzglas nach Anspruch 8, worin das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial ein Pechkoks auf Kohlebasis ist und das Bindematerial ein Kohlenteerpech ist.