专利名称：环状电弧生产石英玻璃坩埚的工艺和装置及石英玻璃坩埚的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用环状电弧熔化来生产石英玻璃坩埚的工艺，所述工艺适合于生产具有大开口直径的坩埚，还涉及石英玻璃坩埚。
由于石英玻璃坩埚的增大，要求电极结构必须可以形成具有很大加热范围的电弧放电。传统的主要电极结构有3相交流电的3个电极，这种结构的缺点是，当电极之间的距离增加以便扩大加热范围时，电弧变得不稳定而中断。尤其是，对于大尺寸坩埚，由于模具转动在坩埚内造成气流的影响变大，所以传统的电极结构的电弧很容易中断。
因此，进行了增加电极数量的尝试来扩大加热范围，提出了具有6相交流电的6个电极的结构。然而，对于6相交流电的6电极结构，如图6所示，其很容易在互相面对的电极之间产生电弧放电，而不是在相邻的电极之间产生。所以存在着电极环绕的中间部分放电的热量非常大，而不是环绕部分热量大的问题。故难以均匀加热坩埚的内侧。
本发明解决了传统的石英玻璃坩埚生产装置的电极结构问题，提出了可形成环状电弧的电极结构，电弧稳定并且具有很大加热范围，适合于生产具有大开口直径的坩埚。此外，本发明提出了利用所述电极结构生产石英玻璃坩埚的工艺，和石英玻璃坩埚。
1)生产石英玻璃坩埚的工艺，通过位于生产石英玻璃坩埚的模具旋转轴线周围的电极的电弧放电对模具中的石英粉末加热熔化，所述工艺包括使用一种电极结构，相邻的电极以有规律的间隔位于环状结构上；在相邻的电极之间形成稳定的环状电弧，跨过环的中间部分互相面对的电极之间不产生连续电弧；和对石英粉末加热到熔化。
通过使用本发明的生产工艺，电弧在相邻电极之间形成，但跨过环的中间部分互相面对的电极之间不形成连续的电弧。因此，电极所环绕的环的中间部分不是加热很厉害，可以均匀地加热坩埚的内侧。此外，为了扩大加热范围，相邻电极之间的距离可在电弧放电许可的范围内增加，所以可以很容易地扩大加热范围，对具有大开口直径的坩埚均匀加热。
上面介绍的本发明的生产工艺包括下面的生产工艺。
2)生产石英玻璃坩埚的工艺，该工艺包括利用所述电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于环状结构上，使交流电相位差的绝对值在90°≤θ≤180°的范围内；和形成环状电弧。
通过使用上述结构，可以形成环状电弧，跨过环的中心部分基本上不形成电弧，所以可以均匀地而不是过份地加热坩埚的中间部分。对于具有上述相位差的电极结构，电极结构可具有2相交流电的4电极，3相交流电的9电极或4相交流电的8电极。
另外，上述生产工艺还包括下面的生产工艺。
3)生产石英玻璃坩埚的工艺，所述工艺包括利用所述电极结构，其中所述相邻电极以有规律的间隔位于环状结构上；和形成环状电弧；其中，在电弧加热过程的至少一个确定时间，围绕所述模具旋转轴线的所述环状电弧的圆半径r与所述坩埚开口的半径R之比是1到1/4。
根据上面介绍的电极之间距离的范围，适当的加热距离可以保持与石英玻璃坩埚的开口距离相当，并且穿过电极环绕的环状电弧的内部向模具输送石英粉末很方便，坩埚的侧壁，角部和底部可以均匀地加热。
此外，本发明的生产工艺包括下面的生产工艺。
4)生产石英玻璃坩埚的工艺，所述工艺包括穿过被环状电弧围绕的范围放入石英粉末；和加热所述石英粉末到熔化。
根据上面介绍的生产工艺，利用上述环状电弧对预先存放在旋转模具中的石英粉末层加热到熔化，同时减少压力，所以可以将坩埚内侧的圆周面层改变为透明玻璃层。此外，当环状等离子弧加热预先存放在旋转模具中的石英粉末时，可使另外的石英粉末穿过所述环状等离子弧的内侧加入进行熔化，熔化的石英玻璃沉积在石英玻璃坩埚的内表面上，使石英玻璃坩埚具有透明层，这种方法可称为热喷涂法。本发明的生产工艺包括上述所有的工艺。
另外，本发明提供了下面的生产石英玻璃坩埚的装置。
5)一种通过旋转模具法生产石英玻璃坩埚的装置，所述装置包括所述电弧结构，其中所述相邻的电极以有规律的间隔位于围绕所述模具的旋转轴线的环状结构上；和在所述相邻电极之间产生稳定的环状电弧，跨过环的中间部分互相面对的电极之间不会产生连续电弧。
上述生产装置包括下面的生产装置。
6)生产石英玻璃坩埚的装置，所述装置包括电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于环状结构上，使交流电相位差的绝对值在90°≤θ≤180°的范围内。
7)生产石英玻璃坩埚的装置，所述装置包括电极结构，其可具有2相交流电的4电极，3相交流电的6电极，3相交流电的9电极或4相交流电的8电极；和沿所述坩埚的内表面形成所述环状电弧。
根据具有上述电极结构的的生产装置，被电极环绕的中间部分不会过份加热，所述坩埚的内表面受到均匀加热。另外，由于只在电弧放电可以进行的范围内增加相邻电极之间的距离，可以均匀地加热具有大开口直径的坩埚。
另外，本发明提供了下面的石英玻璃坩埚。
8)一种用于拉单晶硅的石英玻璃坩埚，其中在所述坩埚底部的透明层中气泡含量小于0.03％，所述层自所述坩埚内表面的厚度小于1毫米，在所述坩埚的侧壁部分的透明层的气泡含量小于所述底部的透明层的含量的3倍。
根据上述生产工艺或生产装置，由于坩埚的侧表面受到均匀加热，可以生产出拉单晶硅的石英玻璃坩埚，其中底部的透明层的气泡含量小于0.03％，侧壁部分的透明层的气泡含量小于底部的透明层的含量的3倍。
图3是本发明的具有2相交流电的4电极的电极结构的示意图；图4是本发明的具有4相交流电的8电极的电极结构的示意图；图5显示了电极所在圆周的直径和坩埚的开口直径之间关系；图6是显示传统电极结构的示意图。标记说明E1-E9电极r电极所在圆周的半径R坩埚的开口直径的半径本发明的生产工艺是用于生产石英玻璃坩埚的工艺，其中通过环绕生产石英玻璃坩埚的模具的旋转轴线的电极的电弧放电对模具中的石英粉末加热熔化。本工艺的特征在于，使用一种电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于环形结构上，相邻的电极之间形成稳定的环状电弧，跨过环的中间部分互相面对的电极之间不产生连续的电弧，对石英粉末加热熔化。
进行上述本发明生产工艺的生产装置的特征在于，具有电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于围绕模具的旋转轴线的环形结构上，相邻的电极之间形成稳定的环状电弧，在跨过环的中间部分互相面对的电极之间不产生连续电弧，对模具中的石英粉末加热熔化。
本发明包括电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于环绕模具的旋转轴线的环形结构上，以便均匀地加热模具中的石英粉末到熔化，且不过份加热石英坩埚的底部。在所述电极结构中，相邻的电极之间形成稳定的环状电弧，在跨过环的中间部分互相面对的电极之间不产生连续电弧，故相邻电极之间的交流电相位差θ(绝对值)在90°≤θ≤180°的范围。另外，在下面的说明中，相邻电极之间的相位差θ是绝对值。对于这种电极结构，其可具有2相交流电的4电极，3相交流电的6电极，3相交流电的9电极或4相交流电的8电极。当各个电极连接到直流时，最好是双数电极位于环状结构上，使得相邻电极分别具有不同的相位。
图1显示了本发明使用的电极结构的示例。在图1所示的示例中，6个电极(E1到E6)用于3相交流电。在这种电极结构中，相邻电极以规律的间隔环绕坩埚的旋转轴线，形成连接各个电极的六角形环。对于3相交流电，各个相邻电极之间的相位差是120°。跨过环的中间部分互相面对的电极有相同的相位。具体地，各电极连接如下，即，当电极E1具有3相交流电的R相时，越过环的中间部分面对电极E1的电极E4具有相同的R相；同时，位于电极E1两边的电极E2和E6分别具有T相和S相；位于电极E2和E6圆周侧的电极E3和E5分别具有S相和T相。因此，电极E1和E4，电极E2和E5，电极E3和E6分别具有相同的相位，与其他电极具有不同的相位。
在图1所示的电极结构中，由于位于电极E1两侧的电极E2和E6与电极E1具有不同的相位，在该电极与其两侧电极之间可形成稳定的电弧。因此，在相邻电极之间产生的环状电弧可沿坩埚的内表面形成。另一方面，由于跨过环的中间部分互相面对的电极E1和E4具有相同的相位，跨过环的中间部分的电弧不能形成，所以坩埚的中间部分不会过份加热。此外，在上面介绍的电极结构中，当相邻电极之间的距离增加，以便扩大加热范围时，在最相邻电极之间产生电弧，故电弧难以中断，可以保持电弧的稳定。另外，在本发明中，沿坩埚内表面的环状电弧不仅包括突出到坩埚内部的电极所形成的电弧，还包括位于坩埚开口上方的电极形成的与坩埚的内圆周面同心的环状电弧。
图2显示了3相交流电的9个电极(E1到E9)的示例。在这个电极结构中，相邻的电极环位于绕旋转轴线的周围，并具有规则的间隔，形成连接各个电极的多边环。各个相邻电极的3相交流电的相位差是120°。更具体地，当电极E1是R相，在电极E1两边的电极E2和E9分别具有T相和S相；在电极E4两侧的电极E3和E5分别具有S相和T相。在电极E7两侧的电极E6和E8分别具有S相和T相。同时，因为接近电极E1的电极E2和E9与电极E1有相位差，因此，电极E1与E2和E9可以形成稳定的电弧。但是，由于跨过环状电弧中心部分面对E1的电极E4和E7与电极E1具有相同的相位，在这些电极之间不能形成电弧。另外，下一个接近电极E1的电极E3和E8，和跨过环状电弧中心部分面对E1的电极E5和E6，与电极E1有相位差。但是，由于电极E1与电极E3、电极E8、E5和E6之间的距离大于与电极E2和E9之间的距离，如果电弧在这些电极和电极E1之间暂时产生，电弧不能保持，不能形成稳定的电弧。因此，跨过电极环绕的中间部分的电弧基本上不能形成，相邻的电极之间可产生环状电弧。一般地，在具有3相交流电的3n(n≥4)个电极的电极结构中，相邻电极之间产生的环状电弧以上述说明的方式形成。跨过环的中间部分基本上不能形成稳定电弧。
图3显示了使用2相交流电的4个电极(E1到E4)的示例。在这个电极结构中，相邻的电极以规律的间隔环绕模具的旋转轴线形成连接各个电极的正方形环。由于2相交流电的相邻电极之间的相位差是180°。在相邻电极之间可产生电弧。但是，由于跨过环中间部分互相面对的电极互相具有相同的相位，在这些电极之间不能产生电弧。跨过环的中间部分的电弧不能形成。一般地，对于具有2相交流电的2n(n≥3)个电极的电极结构中，在相邻电极之间产生的环状电弧如上述方式形成，基本上不能形成跨过环的中间部分的稳定电弧。
图4显示了使用4相交流电的8个电极(E1到E8)的示例。在这个电极结构中，相邻的电极以规律的间隔环绕模具的旋转轴线形成连接各个电极的八边形环。对于4相交流电，相邻电极之间的相位差是90°。在隔一个相邻的电极之间的相位差是180°。由于电弧主要是在具有大相位差的电极之间产生，在这个结构中，电弧在隔一个相邻的电极之间产生。所以，环状电弧可在隔一个相邻的电极之间产生。在本发明中，在相邻电极之间产生的环状电弧包括在隔一个相邻的电极之间产生的电弧。另一方面，由于跨过环中间部分互相面对的电极互相具有相同的相位，在这些电极之间不能产生电弧。此外，如果跨过环的中间部分相对的具有相位差的电极之间暂时形成电弧，因电极之间的距离较大，电弧难以保持，基本上不能形成稳定的电弧。
还有，在图6显示的传统的6相交流电的6电极结构中，电极E2到E6的电流相位以60°为单位移动到电极E1，电极E1和位于电极E1相对面的电极E4之间的相位差成为180°的最大值。在具有电流最大相位差的电极之间很容易产生电弧。所以，在传统的电极结构中，电弧在电极E1到E4，电极E2到E5，电极E3到E6之间产生。这些电极的位置互相面对(位于对角线上的位置)并跨过电极E2到E6环绕的中间部分。另外，在传统的电极结构中，当相邻电极之间的距离增加时，互相面对的电极之间的距离急剧增加，所以电弧变得不稳定，很容易中断。另一方面，在本发明的电极结构中，由于形成了相邻的电极之间产生的环状电弧，当电极之间的距离增加时，电弧难以中断，可以保持稳定的电弧。
下面，如图5所示，对于通过连接电极(E1到E6)所形成的环的尺寸，围绕旋转轴线的环的圆周，即圆周S的半径r最好是与坩埚的开口的半径R之比是1到1/4，至少在电弧加热时的一个固定时刻是这样。在这个范围内，从坩埚的侧壁部分到中间部分和底部的加热几乎是均匀的。此外，在热喷涂方法中，穿过电极环绕的内侧朝模具添加石英粉末很方便。另一方面，如果电极所在的圆周S的半径r大于坩埚的开口半径R的话，电极不能插入坩埚的内侧，故坩埚的底部不能充分地加热。此外，如果圆周的半径r小于坩埚的开口半径的1/4，坩埚的侧壁部分不能充份地加热，当石英粉末欲穿过电极环绕的内侧加入时，因为通过的范围很窄，加入石英粉末难以进行。
通过本发明的生产工艺，利用环状电弧对存放在模具内圆周面内的石英粉末进行加热熔化，可以制造出在坩埚内圆周面有透明层在外圆周面有不透明层的石英玻璃坩埚。当透明的玻璃层在内周面形成时，来自模具侧的通风气流使石英粉末的压力降低，石英层包含的空气被吸到外面而清除。其后得到了内部气泡含量很少的坩埚。
此外，在用于石英玻璃坩埚生产工艺的旋转模具方法中，石英粉末通过环状等离子弧环绕的区域进行添加，电弧加热玻璃颗粒到熔化。所述玻璃颗粒沉积在模具内表面形成透明玻璃层，这就是热喷涂法。透明玻璃层可以在坩埚的底部或全部的内圆周面上形成。
在形成本发明的环状电弧的过程中，由于电弧主要在相邻电极之间形成，电弧稳定，在坩埚的内侧很少空气对流。因此，当石英粉末通过环状电弧环绕的区域加入时，石英粉末不会被对流空气吹散到外面，并且所有的粉末可以基本上送入模具中，几乎没有粉末被吹到外面或黏附到电极上。因此，在坩埚的底部或整个坩埚内表面可形成足够的透明玻璃层。另一方面，对于也可在互相面对的电极之间形成电弧的电极结构，如传统的具有3相交流电的3电极的电极结构，或具有6相交流电的6电极的电极结构，在电极环绕的中间部分附近存在较大的空气对流。如果石英粉末通过中间部分送入，粉末经常会被吹散到到坩埚的外面，黏附到电极上，或局部落下。所以，难以在坩埚的内圆周面上形成均匀的透明层。
在本发明的生产工艺和装置中，例如，使用具有3相交流电的6电极的电极结构的装置，当电弧从模具的上侧进行加热时，上面介绍的作用是非常显著的。在电弧进行熔化时，炉内排出气体产生围绕坩埚的很大气流或坩埚内的对流。当电弧从模具的上侧进行加热时，所述空气流有很大的影响。所以如示例中所显示的，当电极之间的距离增加时，3个电极的电弧很快中断。另一方面，具有3相交流电的6个电极的电极结构，当从坩埚的上侧进行加热时，可以得到稳定的电弧。
根据本发明的生产工艺或生产装置，可以在坩埚的底部沉积熔化玻璃形成足够透明的玻璃层。更具体地讲，可以得到透明的玻璃层，其具有的气泡含量小于0.03％，最好是小于0.01％。此外，即使坩埚具有较大的直径，坩埚的底部、角部和侧壁部分可加热和有充分的熔化，所以可以在角部或侧壁部分得到具有很少气泡含量的透明玻璃层。示例下面，通过示例介绍本发明。示例1开口直径为32英寸的石英玻璃坩埚采用旋转模具法进行生产。该工艺包括在旋转模具内预先放置可形成坩埚的外圆周层到内圆周层的石英粉末，使用本发明的具有3相交流电的6电极的电极结构，传统的具有3相交流电的3电极的电极结构(比较示例1)和传统的具有6相交流电的6电极的电极结构(比较示例2)，改变电极之间的距离，并加热石英粉末到熔化。结果在表一中显示。在比较示例1的电极结构中，电极扩大时，即电极所在圆周的直径为81毫米，电弧经常中断。并且电弧在直径增加到大于81毫米时不能产生。此外，在比较示例2的电极结构中，尽管电弧在电极所在圆周的直径为122毫米之前可充分地生成，当直径增加到405毫米时电弧变得不稳定，当直径大于405毫米时，电弧经常中断。当一部分电极之间的电弧中断时，电弧变得不稳定，并对石英粉末的加热和熔化有不好的影响。表一
注圆周直径是电极所在圆周的直径％是圆周直径与坩埚开口直径的比示例2采用旋转模具法生产石英玻璃坩埚的过程中，对于开口直径为32英寸的石英玻璃坩埚，进行了电弧稳定性的测试，使用本发明的具有3相交流电的6电极的电极结构，传统的具有6相交流电的6电极的电极结构(比较示例2)，其中电极所在圆周的直径是243毫米，产生电弧所加电功率是1000KW，时间为20分钟，进行了5次。结果在表二中显示。示例中的电极结构，由于电弧稳定，所用电功率几乎在任何时候都是稳定的。但是，由于电弧不稳定，比较实施例2中电功率的变化每次都很大。表二
示例3采用旋转模具法生产石英玻璃坩埚的过程中，对于开口直径从22英寸到40英寸的石英玻璃坩埚，进行了电弧稳定性的测试，使用本发明的具有3相交流电的6电极的电极结构，传统的具有3相交流电的3电极的电极结构(比较示例1)，传统的具有6相交流电的6电极的电极结构(比较示例2)，改变电极之间的距离，施加1000KW电功率产生电弧。结果在表三中显示。表三
注圆周直径是电极所在圆周的直径；全部所述直径是坩埚的开口直径的1/4。示例4采用旋转模具法生产石英玻璃坩埚的过程中，生产开口直径为32英寸的石英玻璃坩埚，使用本发明的具有3相交流电的6电极的电极结构，并改变电极之间的距离。对所生产出的坩埚测试了气泡含量和拉单晶硅时的单晶的位移自由比。结果在表四中显示。对于坩埚，其中电极所在的圆周直径与坩埚的直径相比过于小(样品No.B1和B2)，由于坩埚的侧壁未能充分加热，这部分的气泡含量很高。此外，对于坩埚，其中电极所在圆周直径大于所述坩埚的直径(样品No.B3)，由于电弧的热量逸出到外面，坩埚的侧壁和底部未充分加热，这些部分的气泡含量很高。因此，从No.B1到B3所有的样品的单晶位移自由比都低。另一方面，对于本发明的从No.A1到A3的样品，坩埚的侧壁和底部具有低气泡含量，所以，所有样品的单晶位移自由比很高。表四
注圆周比是电极所在圆周直径与坩埚的直径之比。
评价◎足够，○适当，×不足够。示例5采用旋转模具法生产石英玻璃坩埚的过程中，通过热喷涂法生产出开口直径为32英寸的石英玻璃坩埚。本工艺包括，使用本发明的具有3相交流电的6电极的电极结构，和传统的3相交流电的3电极的电极结构，在模具的内圆周表面存放可形成外圆周层和内圆周层的石英粉末，穿过圆周内侧送入4公斤石英粉末，同时进行电弧熔化，得到1毫米的透明层。测试了坩埚的透明层的厚度、气泡含量和单晶的位移自由比。结果在图五中显示。
No.B11到B13的比较样品，由于电极所在的圆周直径小，当作为原料的石英粉末通过电极之间送入时，石英粉末黏附到电极上。所以难以形成层厚度为1mm的透明层。尤其是，侧壁部分的层厚特别薄。此外，对于No.B11到B13的比较样品，由于，被电极擦到的石英颗粒掉落到坩埚，使坩埚的内圆周表面不规则。此外，对于No.B11到B13的比较样品，由于气泡含量高，单晶的位移自由比很低。另一方面，对于本发明的从No.A11到A13的样品，坩埚的侧壁和底部具有低气泡含量，所以，所有的样品的单晶的位移自由比很高。表五
注圆周比是电极所在圆周直径与坩埚开口直径之比。
评价◎足够，○适当，×不足够本发明的效果根据本发明的生产工艺和装置，当使用各种电极结构时，可沿模具的内圆周面形成环状电弧，将模具内圆周面上的石英粉末加热熔化。因此，可以防止在坩埚底部的热量过多，从侧壁到底部的加热不均匀。还可以使石英玻璃坩埚具有足够的透明层。此外，由于电弧稳定，并且加热范围大，可以得到优质的具有大开口直径的石英玻璃坩埚。
权利要求
1.一种生产石英玻璃坩埚的工艺，通过位于生产石英玻璃坩埚的模具旋转轴线周围的电极的电弧放电对模具中的石英粉末加热熔化，所述工艺包括使用一种电极结构，相邻的电极以有规律的间隔位于环状结构上；在相邻电极之间形成稳定的环状电弧，跨过环的中间部分互相面对的电极之间不会产生连续电弧；和对石英粉末加热到熔化，生产石英玻璃坩埚。
2.根据权利要求1所述的生产石英玻璃坩埚的工艺，其特征在于，所述工艺包括利用所述电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于环状结构上，使交流电相位差的绝对值在90°≤θ≤180°的范围内；和形成环状电弧。
3.根据权利要求1或2所述的生产石英玻璃坩埚的工艺，其特征在于，所述工艺包括利用所述电极结构，其中所述相邻电极以有规律的间隔位于环状结构上；和形成所述环状电弧；其中，在电弧加热的至少一个确定时间，围绕所述模具旋转轴线的所述环状电弧的圆半径r与所述坩埚开口的半径R之比是1到1/4。
4.根据权利要求1、2或3所述的生产石英玻璃坩埚的工艺，所述工艺包括通过所述环状电弧围绕的范围放入石英粉末；和加热所述石英粉末到熔化。
5.一种通过旋转模具法生产石英玻璃坩埚的装置，所述装置包括所述电弧结构，其中所述相邻的电极以有规律的间隔位于围绕所述模具的旋转轴线的环状结构上；和在所述相邻电极之间产生稳定的环状电弧，跨过环的中间部分互相面对的电极之间不会产生连续电弧。
6.根据权利要求5所述的生产石英玻璃坩埚的装置，其特征在于，所述装置包括所述电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于环状结构上，使交流电相位差的绝对值在90°≤θ≤180°的范围内。
7.根据权利要求5所述的生产石英玻璃坩埚的装置，其特征在于，所述装置包括所述电极结构，其可具有2相交流电的4个电极，3相交流电的6个电极，3相交流电的9个电极或4相交流电的8个电极；和沿所述坩埚的内表面形成所述环状电弧。
8.一种用于拉单晶硅的石英玻璃坩埚，其中在所述坩埚底部的透明层中气泡含量小于0.03％，所述层自所述坩埚内表面的厚度小于1毫米，在所述坩埚的侧壁部分的透明层的气泡含量小于所述底部的透明层的含量的3倍。
全文摘要
本发明提出了一种生产石英玻璃坩埚的工艺和装置，可产生稳定的环状电弧，适合于用来生产优质的具有大开口直径的坩埚。在生产石英玻璃坩埚的生产工艺和装置中，通过位于模具旋转轴线周围的电极的电弧放电对模具中的石英粉末加热熔化。本发明的特征是利用了一种电极结构，其中相邻的电极以有规律的间隔位于环状结构，在相邻的电极之间形成稳定的环状电弧，不会在跨过环的中间部分互相面对的电极之间产生连续的电弧，可对石英粉末加热和熔化。
文档编号C30B15/10GK1445184SQ0312166
公开日2003年10月1日 申请日期2003年3月14日 优先权日2002年3月14日
发明者福井正德, 佐藤贤 申请人:日本超精石英株式会社