碳电极及石英玻璃坩埚的制造方法与流程

本发明涉及一种碳电极，还涉及一种使用该碳电极制造石英玻璃坩埚的方法。

背景技术：

以往，用作单晶半导体材料的基板的单晶硅能够通过在石英玻璃坩埚中熔融多晶硅，并使其在晶种上晶体生长而制造，即通过所谓的提拉法而制造。所述制造方法中使用的石英玻璃坩埚根据制造方法的不同而有几个种类，就实用性而言，使用半透明石英玻璃坩埚，该坩埚通过沿着可旋转的中空的模具的内周表面填充二氧化硅粉末(原料石英粉)，一边使该模具旋转一边通过使用了碳电极的电弧放电而将二氧化硅粉末加热熔融的石英玻璃坩埚的制造方法得到。所述半透明石英玻璃坩埚具有分散大量气泡以使热的分布均匀的优点，同时具有强度高于其他坩埚且可制造任意大小的坩埚的优点。

以往，即使使用上述半透明石英玻璃坩埚来使单晶硅生长，在该过程中也存在结晶化不稳定，结晶化率(多晶成为单晶的比例)下降的问题。作为其原因之一，可列举出：作为原料的二氧化硅的升华成分凝结、滴落而形成的微气泡聚集体引起热膨胀，使内周表面部分剥离，剥离的石英碎片混入熔融硅中等。为了解决这样的问题，提出了将坩埚的内表面加热熔融而形成透明层、或者具有使熔融的二氧化硅粉末飞散而形成的厚透明层的石英玻璃坩埚的制造方法。然而，所述制造方法均无法充分地去除微气泡聚集体，并不是能够以良好的结晶化率提拉单晶硅的石英玻璃坩埚。此外，在上述加热熔融工序中，会因二氧化硅及其所含有的微量杂质的选择性蒸发及凝结、或者伴随碳电极消耗的所含灰分的飞散等而在所得到的的坩埚的内表面产生污染，即使使用高纯度原料，也无法制作与之相称的内表面。因此，即使使用高纯度原料，也无法得到充分的抑制晶体缺陷的效果。

为了解决上述问题，提出了专利文献1中记载的石英玻璃坩埚的制造方法。该方法为在将二氧化硅粉末供给至可旋转的上部开口模具，沿着模具的内周表面形成二氧化硅粉末填充层后，从内部进行加热熔融的石英玻璃坩埚的制造方法中，用具有2个以上的孔的盖体覆盖模具的开口部，同时经由孔一边对模具内的高温气体气氛进行换气一边进行加热熔融的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平08-026759号公报

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题

制造石英玻璃坩埚时，通过熔融二氧化硅原料而产生的硅粉附着于碳电极并凝聚，由此落在石英玻璃坩埚的内表面。若该落下物直接熔融及凝固的部分在坩埚的内表面积中所占的比例大，则单晶硅提拉成绩(单晶化率等)差。

近年来，随着制造的石英玻璃坩埚的口径大型化至24英寸、28英寸、32英寸(1英寸为2.54cm)，熔融电功率也随之大功率化，熔融中产生的硅粉增加，因此仅以专利文献1的方法无法充分防止凝聚的硅粉所导致的落下物。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种在石英玻璃坩埚的制造中能够抑制硅粉在碳电极上凝聚的碳电极。

解决技术问题的技术手段

本发明为了解决上述技术问题而进行，其提供一种碳电极，所述碳电极用于用以制造石英玻璃坩埚的电弧放电，所述碳电极的特征在于，至少在所述碳电极的长度方向的距进行所述电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内，在所述碳电极的表面上形成有凹部图案及凸部图案中的至少任意一种。

在本发明的碳电极中，通过如上所述地在长度方向的至少50mm～130mm的范围内形成凹部图案或凸部图案，能够阻碍电弧熔融中附着于碳电极的硅粉的凝聚。由于生长被阻碍的硅粉的重量轻，因此可通过从坩埚内吹出的电弧气流而将其排放至体系外，且不会使其落在石英玻璃坩埚内。由此，在石英玻璃坩埚的制造中能够抑制硅粉的凝聚。

此时，作为所述凹部图案及凸部图案中的至少任意一种，形成了多个凹部及多个凸部中的至少任意一种，所述凹部的深度或所述凸部的高度为2.0mm以上10.0mm以下，以所述碳电极的未形成所述凹部及所述凸部的表面为基准面，至少在所述碳电极的长度方向的50mm～130mm的范围内的、任意的所述碳电极的长度方向20mm×圆周方向20mm的范围内，优选所述凹部及凸部中的至少任意一种以10％以上90％以下的面积比例存在。

通过制成这样的凹部或凸部，能够更有效地阻碍附着于碳电极的硅粉的凝聚。

此外，作为所述凹部图案及凸部图案中的至少任意一种，能够形成槽及突起中的至少任意一种。

如此，作为具体的形状，能够将凹部图案或凸部图案制成槽或突起。

此外，在本发明的碳电极中，作为所述凹部图案及凸部图案中的至少任意一种，形成有螺纹槽，该螺纹槽的深度为2.0mm以上10.0mm以下，螺距为1.0mm以上10mm以下。

通过形成这样的螺纹槽，能够阻碍附着于碳电极的硅粉的凝聚。

此外，本发明提供一种石英玻璃坩埚的制造方法，其为制造石英玻璃坩埚的方法，其特征在于，其具有：准备为所述石英玻璃坩埚的原料的原料石英粉并将其成型为坩埚形状的工序；及使用上述的任意一种碳电极进行电弧放电，将成型为所述坩埚形状的原料石英粉熔融的工序。

本发明的碳电极中，如上所述，能够阻碍在电弧熔融中附着于碳电极的硅粉的凝聚。由于生长被阻碍的硅粉的重量轻，因此可通过从坩埚内吹出的电弧气流而将其排放至体系外，且不会使其落在石英玻璃坩埚内。因此，本发明的石英玻璃坩埚的制造方法能够在石英玻璃坩埚的制造中抑制硅粉的凝聚。

发明效果

本发明的碳电极中，由于至少在长度方向的距前端部50mm～130mm的范围内，形成有凹部图案或凸部图案，因此能够阻碍附着于碳电极的硅粉的凝聚。由于生长被阻碍的硅粉的重量轻，因此可通过从坩埚内吹出的电弧气流而将其排放至体系外，且不会使其落在石英玻璃坩埚内。由此，能够在石英玻璃坩埚的制造中抑制硅粉的凝聚。由此，能够提供石英玻璃坩埚内表面的特性均一的石英玻璃坩埚。因此，使用这样的石英玻璃坩埚，能够成品率、生产率良好地制造单晶。

附图说明

图1为示出本发明的碳电极中的凹部图案及凸部图案的实例的示意图。

图2为用于说明本发明的碳电极中的凹部图案及凸部图案在存在区域内的面积比例的示意图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明进行更具体的说明。

本发明的碳电极为用于用以制造石英玻璃坩埚的电弧放电的碳电极。使用本发明的碳电极而制造的石英玻璃坩埚特别适合用作用于单晶硅提拉的石英玻璃坩埚，但并不限定于此，也能够使用本发明的碳电极来制造其他用途的石英玻璃坩埚。本发明的碳电极中，至少在碳电极的长度方向的距进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内，在碳电极的表面上形成有凹部图案及凸部图案中的至少任意一种。

作为上述凹部图案及凸部图案中的至少任意一种，优选形成多个凹部及多个凸部中的至少任意一种。当然，也可以形成凹部及凸部这两者。此外，作为上述凹部图案及凸部图案中的至少任意一种，优选形成槽及突起中的至少任意一种。

图1的(a)～(e)中示出了本发明的碳电极中的凹部图案及凸部图案的实例。

将图1的(a)记作“线凹”，其为在碳电极表面具有多个凹部的形态，以多个环状的槽的形式形成有凹部。此外，将图1的(b)记作“线凸”，其为在碳电极表面具有多个凸部的形态，以多个环状的突起的形式形成有凸部。

优选凹部的深度或凸部的高度为2.0mm以上10.0mm以下。即，图1的(a)的实例中，优选槽的深度(凹部的深度)为2.0mm以上10.0mm以下。图1的(b)的实例中，优选突起的高度(凸部的高度)为2.0mm以上10.0mm以下。通过制成这样的凹部或凸部，能够更有效地阻碍附着于碳电极的硅粉的凝聚。

此外，以碳电极的未形成凹部及凸部的表面为基准面，至少在碳电极的长度方向的50mm～130mm的范围内的、任意的碳电极的长度方向20mm×圆周方向20mm的范围内，优选凹部及凸部中的至少任意一种以10％以上90％以下的面积比例存在。即，在图2示意性地示出的碳电极的长度方向20mm×圆周方向20mm的范围内，优选凹部及凸部中的至少任意一种以10％以上90％以下的面积比例存在。只要以满足这样的面积比例的方式设定图1的(a)所示的槽的宽度及槽与槽的间隔即可。此外，只要设定图1的(b)所示的凸部的宽度及凸部间的间隔即可。

图1的(c)、图1的(d)为本发明的其他形态。将图1的(c)记作“凹圆”，其为在碳电极表面具有多个凹部的形态，以半球形的凹陷的形式形成有凹部。此外，将图1的(d)记作“凸圆”，其为在碳电极表面具有多个凸部的形态，以半球形的突起的形式形成有凸部。与图1的(a)、(b)相同，图1的(c)的实例中，优选凹部的深度为2.0mm以上10.0mm以下，图1的(d)的实例中，优选凸部的高度为2.0mm以上10.0mm以下。

此外，即使在图1的(c)、(d)的形态中，在图2示意性地示出的碳电极的长度方向20mm×圆周方向20mm的范围内，也优选凹部及凸部中的至少任意一种以10％以上90％以下的面积比例存在。通过适当地设定图1的(c)中示出的凹部直径及凹部间的最短距离，能够满足该面积比例。此外，通过适当地设定图1的(d)中示出的凸部直径及凸部间的最短距离，能够满足该面积比例。

图1的(a)、(b)中示出了环状的形状的凹部或凸部的实例，图1的(c)、(d)中示出了半球形的形状的凹部或凸部的实例，但凹部或凸部的形状并不限定于此。此外，也可以组合各形状。

图1的(e)中示出了本发明的又一个形态。作为凹部图案及凸部图案中的至少任意一种，该形态形成有螺纹槽。此时，优选螺纹槽的深度(即，牙型高度)为2.0mm以上10.0mm以下，螺距为1.0mm以上10mm以下。另外，当为形成有该螺纹槽的形态时，对螺纹牙的形状等螺纹部的形状没有特别限定。例如，如图1的(e)所示，螺纹牙的截面形状可以为三角形(即，螺纹牙的顶部以线状构成)。此外，螺纹牙的截面形状也可以为梯形(即，螺纹牙的顶部平坦)。同样地，螺纹牙的底部的形状也没有特别限定。

当碳电极没有凹部或凸部时，制造石英玻璃坩埚时二氧化硅粉末的一部分在熔融时汽化，被碳电极冷却的硅粉沉积在碳电极上。本发明中，如上所述，通过在硅粉容易沉积的距碳电极的前端50mm～130mm的范围内附加凹凸，能够阻碍附着于碳电极的硅粉的凝聚。由于生长被阻碍的硅粉的重量轻，因此通过从坩埚内吹出的电弧气流而将其排放至体系外，且不使其落在石英玻璃坩埚内。电弧熔融中，由于进行电弧放电的碳电极前端处于高温，因此自然可抑制硅粉的沉积。因此，电极前端～50mm的范围不需要凹凸。然而，也可以在电极前端～50mm的范围内具有凹凸。此外，对于距电极前端大于130mm的上方而言，附着的硅粉的沉积少于电极前端50mm～130mm，此外，由于电弧放电时靠近排气口等，因此容易排放至体系外。因此，不需要形成凹凸。然而，也可以在该范围内具有凹凸。

此外，碳电极不仅可以为直径几乎一定的圆棒状，本发明也可以应用于一部分的直径大于其他区域的碳电极等。

本发明还提供一种使用了上述碳电极的制造石英玻璃坩埚的方法。该石英玻璃坩埚的制造方法具有：准备为石英玻璃坩埚的原料的原料石英粉并将其成型为坩埚形状的工序；及使用上述本发明的碳电极进行电弧放电，将成型为坩埚形状的原料石英粉熔融的工序。由于以此方式得到的石英玻璃坩埚的表面上缺陷较少，因此适合用于制备单晶。

实施例

以下，列举出本发明的实施例及比较例来进行进一步具体的说明，但本发明并不限定于这些实施例，只要不脱离本发明的技术构思，则当然可进行各种变形。

(实施例、比较例的通用条件)

通过使用了直径为57.3mm的圆棒状的碳电极的电弧放电法，制造口径为32英寸(约81mm)的石英玻璃坩埚，并对石英玻璃坩埚进行评价。若落在所制造的坩埚内的多个硅粉的总表面积为50mm²以上，则定义为附着物缺陷，研究附着物缺陷发生率。若附着物缺陷发生率为4％以下，则记作合格。其中，当附着物缺陷发生率为2％以下时，记作合格(优良)。若附着物缺陷发生率超过4％，则记作不合格。此外，当电弧的形成不充分、不稳定时，评价为电弧稍稍不良。

(实施例1-1～1-9)

制作图1的(a)中示出的形态的碳电极。在圆棒状电极上形成环状的槽。环状的槽(凹部)的根数、槽的位置(距电极前端的距离)、槽与槽的间隔、槽的宽度、槽的深度如表1所示。在图2所示的20mm×20mm的范围内凹部所占的比例(％)如表1中所示。实施例1-1～1-9均为至少在碳电极的长度方向的距碳电极的进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内形成有槽的实例。使用该碳电极制造石英玻璃坩埚。

(比较例1-1～1-3)

比较例1-1中，制作没有形成槽、也没有形成其他凹凸的圆棒碳电极。比较例1-2、1-3中形成了槽，但在并不是至少在碳电极的长度方向的距碳电极的进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内的位置形成了槽。形成的槽如表1中的记载所示。

[表1]

如表1所示，至少在碳电极的长度方向的距进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内形成有槽的实施例1-1～1-9的附着物合格率均为合格。

其中，尤其是实施例1-1～1-4，在槽的深度为2.0mm以上10.0mm以下、碳电极的长度方向20mm×圆周方向20mm的范围内，槽所占的面积比例为10％以上90％以下，附着物合格率特别优良。实施例1-7中虽然电弧形成稍稍不稳定，但得到了附着物减少效果。

(实施例2-1)

制作图1的(b)中示出的形态的碳电极。在圆棒状电极上形成环状的凸部。环状的凸部的根数、凸部的位置(距电极前端的距离)、凸部间的间隔、凸部的宽度、凸部的高度如表2所示。在图2所示的20mm×20mm的范围内凸部所占的比例(％)如表2中所示。实施例2-1为至少在碳电极的长度方向的距碳电极的进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内形成有凸部的实例。使用该碳电极制造石英玻璃坩埚。

[表2]

如表2所示，实施例2-1的附着物合格率为合格(优良)。

(实施例3-1、3-2)

制作图1的(c)中示出的形态的碳电极。在圆棒状电极上形成为半球形的凹陷的凹部。凹部直径、凹部的位置(距电极前端的距离)、凹部间的最短距离、凹部的深度如表3所示。在图2所示的20mm×20mm的范围内凹部所占的比例(％)如表3中所示。实施例3-1、3-2为至少在碳电极的长度方向的距碳电极的进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内形成有凹部的实例。使用该碳电极制造石英玻璃坩埚。

[表3]

如表3所示，实施例3-1、3-2的附着物合格率均为合格。特别是实施例3-1中，在20mm×20mm的范围内凹部所占的比例在10％以上90％以下的面积比例的范围内，附着物缺陷发生率特别优良。

(实施例4-1、4-2)

制作图1的(d)中示出的形态的碳电极。在圆棒状电极上形成为半球形的突起的凸部。凸部直径、凸部的位置(距电极前端的距离)、凸部间的最短距离、凸部的高度如表4所示。在图2所示的20mm×20mm的范围内凹部所占的比例(％)如表4中所示。实施例4-1、4-2为至少在碳电极的长度方向的距碳电极的进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内形成有凸部的实例。使用该碳电极制造石英玻璃坩埚。

[表4]

如表4所示，实施例4-1、4-2的附着物合格率均为合格。特别是实施例4-1中，在20mm×20mm的范围内凸部所占的比例在10％以上90％以下的面积比例的范围内，附着物缺陷发生率特别优良。

(实施例5-1～5-8)

制作图1的(e)中示出的形态的碳电极。在碳电极的长度方向的距碳电极的进行电弧放电的前端部50mm～130mm的范围内形成螺纹槽。螺纹牙的高度(螺纹槽的深度)、螺纹加工的位置(距电极前端的距离)、螺纹牙的螺距如表5所示。使用该碳电极制造石英玻璃坩埚。

[表5]

如表5所示，实施例5-1～5-8的附着物合格率均为合格。其中，特别是实施例5-1～5-3为螺纹槽的深度为2.0mm以上10.0mm以下、螺距为1.0mm以上10mm以下的实例，附着物合格率特别优良。实施例5-5中虽然电弧形成稍稍不稳定，但得到了附着物减少效果。

另外，本发明不受上述实施方案限定。上述实施方案仅为例示，具有与本发明的权利要求书中记载的技术构思实质相同的构成、并发挥相同作用效果的技术方案均包含在本发明的保护范围内。