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TWI425880B - 電弧放電方法、電弧放電裝置、石英玻璃坩堝製造裝置 - Google Patents

電弧放電方法、電弧放電裝置、石英玻璃坩堝製造裝置 Download PDF

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TWI425880B
TWI425880B TW098131762A TW98131762A TWI425880B TW I425880 B TWI425880 B TW I425880B TW 098131762 A TW098131762 A TW 098131762A TW 98131762 A TW98131762 A TW 98131762A TW I425880 B TWI425880 B TW I425880B
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TW
Taiwan
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electrode
arc discharge
carbon
carbon electrode
kva
Prior art date
Application number
TW098131762A
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English (en)
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TW201029522A (en
Inventor
Toshiaki Sudo
Hiroshi Kishi
Masanori Fukui
Masaki Morikawa
Original Assignee
Japan Super Quartz Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Japan Super Quartz Corp filed Critical Japan Super Quartz Corp
Publication of TW201029522A publication Critical patent/TW201029522A/zh
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Publication of TWI425880B publication Critical patent/TWI425880B/zh

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    • H05B7/08—Electrodes non-consumable
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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Description

電弧放電方法、電弧放電裝置、石英玻璃坩堝製造裝置
本發明，係有關於電弧放電方法、電弧放電裝置、石英玻璃坩堝製造裝置，特別是，係有關於在經由電弧放電來將石英粉加熱熔融並玻璃化時，適合用以對於電弧放電時之電極振動作防止的技術。
本申請，係對在2008年9月22日所申請之日本專利申請第2008-242874號主張優先權，並於此援用其內容。
在單結晶矽之拉上中所使用的石英玻璃坩堝，主要係經由電弧熔融法而被製造。此方法之概略內容，係為將石英粉在碳製模具之內表面處而堆積一定之厚度，並在此石英堆積層之上方而設置碳電極，並經由該電弧放電來加熱石英堆積層，而使其玻璃化並製造石英玻璃坩堝的方法。
在日本專利第03647688公報中，係記載有在電弧熔融所致之石英玻璃坩堝製造中之相關於電弧熔融的技術，在日本特開2002-68841號公報中，係記載有在電弧放電中之相關於電極的技術。
又，近年來，由於元件工程之效率化等的需求，所製造之晶圓口徑係增大至超過300mm的程度，伴隨於此，係對於能夠將大口徑之單結晶作拉上的石英玻璃坩堝有所需求。又，由於元件之細微化等的需求，在會對於所拉上之單結晶的特性造成直接影響的石英玻璃坩堝內面狀態等之坩堝特性的提升上，亦係有強烈的要求。
然而，在製造30吋～40吋之大口徑的石英玻璃坩堝時，為了將石英粉作熔融所需要的電力量係增大，伴隨於此，在電弧放電開始時所產生的電極之振動，係增大至無法忽略的程度。
當如此這般而在電弧放電開始時產生了電極振動的情況時，伴隨於此，在電弧中所流動之電流係變化，經由此電流變化，係更進而使電極振動，其結果，所產生之電極振動的振幅係變大。其結果，所產生之電弧係成為不安定，而有著會成為對於所熔融之石英粉的狀態造成無法忽視之影響的問題。進而，當電極振動變大的情況時，亦會造成以下之問題，亦即是，由於振動而從電極所發生之微少碎片的落下，會使石英玻璃坩堝之特性惡化。又，當電極振動之振幅增大的情況時，亦會有產生使電極破損之可能性的問題。
為了防止電極之振動，可以考慮有將電極變更為高強度之材料或是將電極口徑擴大等之將電極強度增加的方法。但是，在石英玻璃坩堝製造中之電弧放電電極，由於該電極本身係會消耗並將其之組成成分放出至石英粉熔融氛圍中，因此，從對於坩堝特性造成影響的觀點來看，係無法使用碳電極以外之電極。又，當將電極直徑作了擴大的情況時，電力密度係降低，電弧輸出係成為不安定，而會有對於坩堝特性造成不良影響的可能性。
另外，此種電極振動所致之影響，係為在伴隨著坩堝口徑之增大而將電弧熔融之輸出作了增大時才會開始發生者。
本發明，係為有鑑於上述之事態而進行者，並欲達成以下之目的。1.防止電極振動之發生。2.謀求電弧之安定化。3.防止坩堝特性之惡化，並謀求其特性之提升。4.提供一種能夠對應於大輸出電弧熔融之方法以及裝置。
本發明之電弧放電方法，係為一種在300kVA～12000kVA之輸出範圍內，藉由複數之碳電極來經由電弧放電而將非導電性對象物加熱熔融之方法，並以使在電弧放電開始時而前述碳電極彼此相接觸之接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比成為0～0.9之範圍的方式，來作設定。藉由此，而解決了上述課題。
在本發明之電弧放電方法中，係以使在電弧放電開始時而前述碳電極彼此相接觸之接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比成為0～0.9之範圍的方式，來作設定，藉由此，而防止在電弧放電時所產生之電極振動的振幅成為較電極直徑之0.15倍更大，就算是產生有電極振動，亦能夠使該振動收斂而不會更進一步的擴大，而使電極振動收斂，並成為能夠產生安定的電弧。
在本發明中，更理想，係將在前述碳電極處之電力密度設定為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 。
在本發明之電弧放電方法中，藉由將在前述碳電極處之電力密度設定為40kVA/cm2 ～900kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 ，係成為能夠將身為電極振動之增大原因的勞倫茲力抑制在振動增大防止容許範圍內，因此，能夠得到以下之效果：亦即是，係成為能夠使所產生了的電極振動收斂。
本發明之電弧放電裝置，係為一種在300kVA～12000kVA之輸出範圍內，藉由複數之碳電極來經由電弧放電而將非導電性對象物加熱熔融之裝置，並以使在電弧放電開始時而前述碳電極彼此相接觸之接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比成為0.001～0.9之範圍的方式，來對前述碳電極作配置所成，藉由此，而解決了上述課題。
本發明之電弧放電裝置，係以使在電弧放電開始時而前述碳電極彼此相接觸之接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比成為0～0.9之範圍的方式，來對前述碳電極作配置，藉由此，而在製造24吋以上之石英玻璃坩堝時作為熱源而使用之高輸出的電弧放電裝置中，防止在電弧放電時所產生之電極振動的振幅成為較電極直徑之0.15倍更大，就算是產生有電極振動，亦能夠使該振動收斂而不會更進一步的擴大，而對於會對石英玻璃坩堝之品質造成影響的電極振動之擴大一事作防止，並產生安定的電弧，而成為能夠將所製造之石英玻璃坩堝的品質提升。
關於輸出範圍，若是較上述範圍更小，則由於會有使電弧無法繼續的可能性，故並不理想，又，若是較上述範圍更大，則由於係耗費過多的成本，故亦不理想。又，接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比例，若是成為上述範圍以外，則由於係無法防止電極振動，故並不理想。又，當使電極彼此在前端處相接觸的情況時，若是在由於電極形狀而使得電極軸線彼此之角度無法成為理想之範圍的情況時，係能夠將接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比例設為0.001～0.9之範圍內。另外，在上述之範圍中的接觸位置與電極前端間之距離，若是為50mm以下0mm以上、更理想係為20mm以下0mm以上，則能夠進行良好之電弧產生。
於此，上述之電極振動的對於所製造之石英玻璃坩堝的影響，於先前技術中，在直到22吋左右之小口徑的坩堝製造中，係並未被認知，但是，本發明者們，在對於此些作了詳細的檢討後，其結果，係發現了：作為在先前技術中並未到達會造成問題的程度之坩堝特性的內表面狀態之不均的產生，係會有由於此電極振動而出現的情況。故而，藉由對此電極振動作防止，能夠謀求所製造之石英玻璃坩堝內表面特性的提升。
又，在本發明中，較理想，係將在前述碳電極處之電力密度設定為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 。
在本發明中，藉由將在前述碳電極處之電力密度設定為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 ，係成為能夠將身為電極振動之增大原因的勞倫茲力抑制在振動增大防止容許範圍內，因此，能夠得到以下之效果：亦即是，係成為能夠使所產生了的電極振動收斂。此時，若是電力密度為較上述範圍更小，則由於電弧係不會繼續，故並不理想，而若是較上述範圍更大，則電極振動之振幅係成為較電極直徑之0.15倍更大，而電極振動係增強，且電弧放電係停止，故亦不理想。
又，亦可採用下述一般之手段：在前述碳電極處，係於前端處而被設置有包含前述接觸位置之接觸部分，該接觸部分之形狀，係被設為朝向前端而縮徑之圓錐、圓錐台體、或者是成為在沿著該碳電極之軸線的剖面輪廓處而並不存在有曲率不連續點之曲線的形狀。
在本發明中，係可設為下述一般之構成：於前述碳電極處，係於前端處而被設置有包含前述接觸位置之接觸部分，該接觸部分之形狀，係被設為朝向前端而縮徑之圓錐、圓錐台體、或者是成為在沿著該碳電極之軸線的剖面輪廓處而並不存在有曲率不連續點之曲線的形狀所成。具體而言，碳電極係被設為圓柱棒狀體，於其之前端處，係具有朝向前端而縮徑之接觸部分，該接觸部分，係以在與其他之電極相接觸的情況時藉由1處來作接觸之方式而被設為並不具備有凹陷部分之形狀。亦即是，在此接觸部分處，係以不會使電極彼此間作2處以上之接觸的方式，而設為使其與其他之1個的電極間之具有最接近距離的部分，僅存在有1處的1點或是1個的線狀部分又或是1個的面狀部分之形狀。又，碳電極，係亦可設為從根部起而朝向前端來涵蓋其之全長地而作縮徑之形狀。
前述碳電極，係被設置有複數根，並以使各電極僅有前端之接觸部分能夠相互接觸的方式而作設置。具體而言，係能夠配置為下述一般之狀態：讓各別之碳電極的前端形成頂點一般地來成為對應於電極之根數的多角錐之稜線。又，電極前端之接觸部分，為了使電弧放電成為容易，且防止電極之振動，係朝向前端而被縮徑。藉由此，能夠對於在電極振動容易產生之電極側面處的放電作防止，而僅會從身為電極前端部分之不具有凹陷的接觸部分來產生放電，故成為能夠使安定化之電弧火焰的產生與電極振動之防止同時地實現。
在本發明中，較理想，前述碳電極，係以使其之直徑尺寸與在每一電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸間的比成為0.02～0.6之範圍內的方式而作設定所成。
在本發明中，前述碳電極，係以使其之直徑尺寸與在每一電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸間的比(每一放電單位量之消耗尺寸/電極直徑)成為0.02～0.6之範圍內的方式而作設定所成，藉由此，而能夠產生下述一般之效果：亦即是，在能夠產生可將在電弧熔融中所需之熱量供給至非導電性對象物(石英粉)處之電弧火焰的同時，亦能夠對電極振動作防止。
本發明之石英玻璃坩堝製造裝置，係為將原料粉末在坩堝成形用之模具內作成形，並經由電弧放電來將該成形體加熱熔融而製造石英玻璃坩堝之裝置，其特徵為，具備有：將原料粉作填充成形之模具；和如上述之任一項所記載之電弧放電裝置。
本發明者們，係針對到達會使電弧熔融之狀態惡化發生的程度之電極振動的發生機制，作了如下一般之考察。
當在電弧放電中而於碳電極處發生了微少振動的情況時，經由此振動所致之電極位置的變動，在所供給之電流中亦會產生變動。進而，經由所產生之電流的微少振動，於電極處係作用有勞倫茲力，而電極振動之振幅係增大。若是電極振動之振幅增大，則電流之振動亦更進一步增大。經由此種之助長效果，電極振動係持續增大，其結果，會有電極振動一直增大直到造成電極之破損的可能性。
但是，本發明者們，係發現了：當在電弧放電中而於碳電極處所產生的振動之振幅係被抑制在電極直徑之0.15倍以下的情況時，係能夠對於由於此電極振動和經由電極振動所產生之電流變動間的相互作用而使電極振動增大的現象作防止，並能夠使振動收斂。可以想見，若是成為此種振幅範圍，則就算是在產生了電極振動的情況時，亦能夠對於起因於電流變化以及電極振動之勞倫茲力的增大作防止，而能夠防止電極振動增大。
相對於此，當在電弧放電中而於碳電極處所產生之振動的振幅為較電極直徑之0.15倍更大的情況時，電極振動係持續增大，其結果，係有可能造成電極之破損。故而，為了以使電極振動振幅收斂在上述之範圍內的方式而對於在振動發生時的勞倫茲力的容許限度作控制，係如同下述一般地作了設定。
又，在如同石英玻璃坩堝之製造一般地而將非導電性對象物作電弧熔融的情況時，相異於將鐵等之導電性物質作熔融的情況，係必須在電極間而使放電開始，因此，使電極前端作收斂一事，係成為必要，而放電方向係成為與電極之軸線相交的方向，故而，電極振動係容易產生。進而，相異於如同石英玻璃坩堝製造一般之僅要單純地將對象物熔融即可的狀況，由於係需要對於身為被熔融物之石英粉末成形體表面附近的溫度狀態作精密的控制，因此，係成為對於電極之位置狀態等而要求有更進一步之正確的控制。
在本發明中，所謂電力密度，係指在電極中，在與電極中心軸相正交之電極剖面處的每單位剖面積中被供給之電力量。具體而言，係以對於從電極前端起而距離軸方向長度15～25mm左右、較理想係為20mm之位置處而正交於電極中心軸之電極的剖面積所供給至1根之電極處的電力之比供給電力量(kVA)/電極剖面積(cm2 )來作表示，具體而言，作為在20mm之位置處的電極直徑尺寸，係設為Φ 20～40mm、較理想係設為Φ 25～35mm、更理想係設為Φ 30mm，而設定上述之範圍。
又，電極振動之發生的可能性，係在電弧放電開始時為最高，將在開始電弧熔融之時間點(亦即是對於非導電性對象物(石英粉)之影響為高的溫度上升開始時)之影響作抑制，而成為能夠進行良好之電弧熔融。
於此，所謂在前述碳電極處之於每電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸，雖然亦依存於所製造之對象物的大小，但是，在32吋之石英玻璃坩堝的製造中，在60分鐘中係為120mm左右，亦即是，在每分鐘係為2mm左右。
另外，當將本發明之電弧放電方法以及電弧放電裝置適用在石英玻璃坩堝之製造中的情況時，係可適用在一般被稱為熔射法之於電弧放電中而追加石英粉之製造方法中，亦可適用在被稱為旋轉模具法之在電弧放電中並不追加石英粉之製造方法中。
又，本發明，係可適用於交流2相、3相、直流等之電弧產生電力供給之方式，或者是，關於電極根數，只要是在可能的範圍內，則係可適用在任意之構成中。
在本案發明中，由於係對於因電極之振動的產生所致之電弧的不安定化作防止，而能夠將作為非導電性對象物(石英粉)之熔融熱源的電弧火焰之產生安定化，因此，不會對於在所拉上之半導體單結晶中的特性造成惡化，而成為能夠提供一種可以製造特性良好之石英玻璃坩堝的電弧放電方法以及電弧放電裝置。
於此，作為能夠提升之坩堝特性，係指：在坩堝內表面處之玻璃化狀態、以及在厚度方向上之氣泡分布及氣泡之大小、OH基之含有量、雜質分布、表面之凹凸、以及此些之在坩堝高度方向上的不均一等之分布狀態等等，會對於藉由石英玻璃坩堝所拉上之半導體單結晶的特性造成影響之重要原因。
以下，根據圖面來對本發明之電弧放電方法以及電弧放電裝置的其中一種實施形態作說明。
圖1，係為展示本實施形態中之電弧放電裝置的模式側面圖，於圖中，符號1係為電弧放電裝置。
本實施型態之電弧放電裝置1，係作為在24吋以上之石英玻璃坩堝的製造中所作為熱源來使用者而作說明，但是，只要是用以將非導電體作電弧熔融的裝置，則關於坩堝口徑、裝置輸出功率以及作為熱源之用途，係並不被作任何的限定，且亦並不被限定為此構成。
本實施型態之電弧放電裝置1，係如圖1中所示一般，具備有藉由未圖示之旋轉手段而成為可旋轉，並對於石英玻璃坩堝之外形作規定的模具10，在模具10之內部，係被填充有特定厚度之原料粉(石英粉)，並作成石英粉成形體11。在此模具10之內部，係被設置有複數之通氣口12，而成為可將石英粉成形體11內部作減壓，該通氣口12，係貫通模具10之內表面，並被連接有未圖示之減壓手段。在模具之上側位置處，係被設置有與未圖示之電力供給手段相連接的電弧加熱用之碳電極13、13、13，並成為可對於石英粉成形體11進行加熱。碳電極13、13、13，係藉由電極位置設定手段20，而成為能夠如同圖中以箭頭T以及箭頭D所示一般的而作上下移動，並成為能夠對電極間距離D作設定。
電弧放電裝置1，係被設為在300kVA～12000kVA之輸出範圍內，而藉由複數之碳電極13、13、13來進行電弧放電，並經由此來將非導電性對象物(石英粉)作加熱熔融的高輸出之裝置。
圖2，係為展示本實施形態中之電弧放電裝置的碳電極位置之模式側面圖。
碳電極13、13、13，例如係被設為進行交流3相(R相、S相、T相)之電弧放電的同形狀之電極棒，並如圖1、圖2中所示一般，以成為於下方而具備有頂點之倒三角錐狀的方式，來以使各別之軸線13L各形成角度θ1的方式而分別被作了設置。
圖3，係為對於本實施形態中之電弧放電裝置的碳電極前端部分作展示之擴大模式圖。
碳電極13，係被設為略圓柱棒狀體，並如圖2、圖3中所示一般，在前端13a處，被設置有包含此些之碳電極13彼此相接觸之接觸位置13b的接觸部分13c，該接觸部分13c之形狀，係被設為具備有朝向前端13a而縮徑之圓錐台部分並具備有前端13a之前端面13d與身為縮徑部之側週面13e者。
此側週面13e與碳電極13之軸線13L間所成的角度θ2，係以當碳電極13彼此相接觸的情況時而使該接觸位置13b位置在接觸部分13c之範圍內的方式而被設定，較理想，係設為θ1＞2×θ2，但是，例如，就算是將此角度設為θ1=2×θ2，而使接觸位置13b位置在圓錐台部分與均一直徑部份間之邊界附近處的情況時，只要是在能夠使接觸位置13b位置於接觸部分13c之範圍內的可能範圍中，則並不被限定於此。
接觸部分13c之長度L1，係以相對於從前端13a起直到接觸位置13b為止的距離L2，而成為L2＜L1，同時，相對於碳電極13之直徑尺寸R，而使比L1/R成為0～0.001～0.9之範圍內的方式，而被設定。
當然，由於該些係亦依存於碳電極13之軸線13L彼此間的角度θ1以及側週面13e與碳電極13之軸線13L所成之角度θ2，因此，係成為以滿足上述之條件的方式來對該些之範圍作設定。
另外，在本實施型態中，雖係以使接觸位置13b成為前端面13d與側週面13e間之邊界的方式來作設定，同時，使從前端13a起直到接觸位置13b為止之距離L2成為0的方式來作設定，但是，在圖2、圖3中，還是將該長度作了明顯標示。
碳電極13之接觸部分13c，係如圖2、圖3中所示一般，以在使其與其他之碳電極13相接觸的情況時僅會有1處作接觸的方式，而設為不具有凹陷部分之形狀。換言之，在此接觸部分13c以及其以外之部分處，係以不會使碳電極13作2處以上之同時接觸的方式，而以設為使其與其他之1個的電極間之具有最接近距離的部分，係成為僅存在有1處的1點或是1個的線狀部分又或是1個的面狀部分之方式，來設定接觸部分13c之形狀。在本實施型態中，當設定為θ1=2×θ2的情況時，碳電極13、13彼此間係成為涵蓋縮徑部之全長而以1個的直線狀來相接觸。
碳電極13，係以使其之在均一直徑部分的徑尺寸R與在每一電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸間的比成為0.02～0.6之範圍的方式，而被作設定。
此係因為，碳電極13之直徑尺寸R，係由電弧放電之輸出功率、和依據石英玻璃坩堝之口徑(大小)所規定之應熔融的原料粉之量、和熔融處理之溫度等的條件、和必要之電弧放電持續時間、以及必要之電極強度，而被作決定，且除此之外，亦從防止電極振動之產生的觀點來看，而進行了對於碳電極13之直徑尺寸R的規定之故。
具體而言，在32吋之石英玻璃坩堝的製造中，係為60分鐘而消耗120mm左右，亦即是，每分鐘係消耗2mm左右，而此時之碳電極13的直徑尺寸R，係成為20～30～100～120mm。
碳電極13，係藉由粒子徑0.3mm以下、較理想係為0.1mm以下、更理想係為粒子徑0.05mm以下之高純度碳粒子所形成，當其之密度係為1.30g/cm3 ～1.80g/cm3 、或者是1.30g/cm3 ～1.70g/cm3 時，係可將在電極各相處所配置之碳電極的相互之密度差設為0.2g/cm3 以下，經由如此這般地具有高均質性，所產生之電弧係為安定，而能夠防止碳電極13之局部性的缺損。
本實施型態之電弧放電裝置1，係在進行石英玻璃坩堝製造中之電弧放電時，以使在各碳電極13處之電力密度成為40～900～1700kVA/cm2 的方式而被作設定。具體而言，係被設為對於被設定為上述之直徑尺寸R的碳電極13，而供給300kVA～500～2000～6000～10000～12000kVA之電力者。
電極位置設定手段20，係如圖1中所示一般，為具備有將碳電極13、13、13以成為能夠對該些之電極間距離D作設定的方式來作支持之支持部21、和使此支持部21成為能夠在水平方向上作移動之水平移動手段、和使複數之支持部21以及其之水平移動手段能夠一體化地在上下方向上作移動之上下移動手段者，在支持部21處，碳電極13係以能夠在角度設定軸22之周圍作旋轉的方式而被作支持，並具備有對於角度設定軸22之旋轉角度作控制的旋轉手段。為了對碳電極13、13之電極間距離D作調整，係如同在圖1中以箭頭所示一般地而藉由旋轉手段來對碳電極13之角度作控制，同時，藉由水平移動手段來對支持部21之水平位置作控制。又，係經由上下移動手段來對支持部21之高度位置作控制，而成為能夠對於電極前端部13a之相對於石英粉成形體11底部位置的高度位置作控制。
另外，於圖中，係僅在左端之碳電極13處而展示有支持部21等，但是，其他之電極，亦係經由同樣之構成而被作支持，且亦成為能夠對於各個的碳電極13之高度個別作控制。
以下，針對本實施型態中之電弧產生方法作說明。
圖4，係為對於在本實施型態中的電弧放電方法之相對於時間的(a)電極間距離變化和(b)電流振幅之其中一例以及(c)先前技術之電流振幅作展示的時序圖，圖5，係為對於在本實施型態中之電弧放電方法作展示的流程圖。
在本實施型態之電弧放電方法中，係如圖5中所示一般，為具備有電極初期位置設定工程S1、電力供給開始工程S2、電極距離擴大工程S3、電極距離調整工程S4、電極高度設定工程S5、電力供給結束工程S6者。
在圖5所示之電極初期位置設定工程S1中，係將石英粉(原料粉)填充於模具10中，並將石英粉成形體11成形為所期望之狀態，而後，如圖1、圖2中所示一般，將碳電極13、13、13維持為在下方處具有頂點一般之倒三角錐狀，且將各別之軸線13L間的角度維持為角度θ1，同時，如圖3中所示一般，以在前端13a處而相互接觸的方式來設定電極初期位置。
接著，在圖5所示之電力供給開始工程S2中，係從圖4中所示之時刻t0起，而由未圖示之電力供給手段來以如同上述一般地作了設定之電力量而對於碳電極13、13、13開始電力供給。在此狀態下，電弧放電係不會產生。
在圖5所示之電極距離擴大工程S3中，從圖4中所示之時刻t1起，藉由電極位置設定手段20，來如圖2中所示一般，將碳電極13、13、13維持在於下方處具備有頂點一般的倒三角錐狀地，而將電極間距離D作擴大。伴隨於此，在碳電極13、13間係開始產生放電。此時，以使在各碳電極13處之電力密度成為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 的方式，來藉由電力供給手段而對供給電力作控制。
在圖5所示之電極距離調整工程S4中，從圖4中所示之時刻t2起，藉由電極位置設定手段20，來在維持了角度θ1的狀態下，而以滿足作為在使石英粉成形體11熔融中所必要之熱源之條件的方式，來對於電極間距離D作調節。此時，以使在各碳電極13處之電力密度成為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 的方式，來維持對於電力供給手段所致之供給電力的控制。藉由此，而使電弧放電之狀態安定化，而能夠使安定了的電弧火焰之產生持續下去。
又，從圖4中所示之時刻t3起，亦可藉由電極位置設定手段20來進行將電極間距離D更進一步擴大之控制。
與電極距離調整工程S4同時地，作為圖5中所示之電極高度設定工程S5，藉由電極位置設定手段20，來在維持了角度θ1的狀態下，而以滿足作為在使石英粉成形體11熔融中所必要之熱源之條件的方式，來對於電極高度位置T作調節。此時，以使在各碳電極13處之電力密度成為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 的方式，來維持對於電力供給手段所致之供給電力的控制。
在圖5所示之電力供給結束工程S6中，於圖4中所示之時刻t4處，在石英粉成形體11熔融成為了特定之狀態後，停止電力供給手段所致之電力供給。經由此電弧熔融，石英粉係熔融，並製造石英玻璃坩堝。
另外，在上述之各工程中，亦可經由連接於通氣口12處之減壓手段來對於石英粉成形體11附近之壓力作控制。
在本實施型態中，當作為電極初期位置設定工程S1，而使碳電極13、13、13彼此接觸，同時，藉由將接觸位置13b與前端13a間之距離L2的範圍，依據相對於碳電極13之直徑尺寸R的比例而如同上述一般地作設定，而作為電力供給工程S2來開始通電，並作為電極距離擴大工程S3以及電極距離調整工程S4而對碳電極13之距離作了設定的情況時，係對於所產生的電極振動之振幅成為較碳電極13直徑尺寸R之0.15倍更大一事作防止，而如圖4(b)中所示一般，能夠成為不會產生由於電極振動所致之電流變動。進而，可對於電極振動之振幅成為較碳電極13直徑尺寸R之0.10倍、0.05倍更大一事作防止。藉由此，就算是產生有電極振動，該振動亦不會更進而擴大，而會收斂，而電極振動係收斂並成為能夠產生安定了的電弧。
另外，當以使電極振動之振幅不會成為較碳電極13之直徑尺寸R的0.15倍更大的方式而作了控制的情況時，係能夠從圖4中所示之時刻t1起而在12秒以內來使電極振動收斂。
又，當以使電極振動之振幅不會成為較碳電極13之直徑尺寸R的0.10倍更大的方式而作了控制的情況時，係能夠從圖4中所示之時刻t1起而在8秒以內來使電極振動收斂。
又，當以使電極振動之振幅不會成為較碳電極13之直徑尺寸R的0.05倍更大的方式而作了控制的情況時，係能夠從圖4中所示之時刻t1起而在4秒以內來使電極振動收斂。
在本實施型態中，於電極距離擴大工程S3、電極距離調整工程S4、電極高度設定工程S5中，藉由以使在各碳電極13處之電力密度成為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 的方式來維持對於電力供給手段所致之供給電力的控制，由於係成為能夠將身為電極振動之增大原因的勞倫茲力抑制在振動增大防止容許範圍內，因此，係成為能夠使在碳電極13處所產生了的電極振動收斂。
在本實施型態中，碳電極13之接觸部分13c，係以使僅有1處會與其他之碳電極13相接觸的方式，來以使其之具備有與其他之電極間的最接近距離之部分成為僅存在有1處的方式而對於形狀作了設定，藉由此，能夠對於在容易產生電極振動之碳電極13側面處的放電之產生作防止，而僅從接觸部分13b之前端來產生放電，並成為能夠將安定之電弧火焰的產生與電極振動之防止同時實現。
在本實施型態中，碳電極13，係以使在均一直徑部分處之直徑尺寸R與在每一電弧放電單位量中所消耗的長度尺寸間之比例成為0.02～0.6之範圍內的方式來作了設定，藉由此，係能夠同時滿足：電弧放電之輸出、和經由石英玻璃坩堝之口徑(大小)所規定之應熔融的原料粉之量、和熔融處理之溫度等的條件、和必要之電弧放電持續時間、和必要之電極強度、以及對電極振動發生作防止之條件，而能夠實現下述一般之效果：亦即是，能夠產生可對於石英粉成形體11之熔融來供給在電弧熔融中所需要之熱量的電弧火焰，同時，亦可防止電極之振動。
[實施例]
另外，在本實施型態中，接觸部分13c，係展示為圓錐台狀者，但是，係亦可採用下述一般之構成。
圖6，係為展示本發明之其他實施型態中的電弧放電裝置之碳電極前端部分的模式圖。
作為本發明之碳電極，係可採用：如圖6(a)中所示一般，從碳電極13A之基部起朝向前端13a而連續性地縮徑，並相對於基部之直徑尺寸R1而將前端13a之直徑尺寸R2設定為較小，而使側面13f涵蓋該電極全長地而成為圓錐台狀者、或是如圖6(b)中所示一般，將碳電極13B之前端13a處的接觸部分13c，設為在沿著碳電極13之軸線13L之剖面輪廓上而並不存在有曲率不連續點之曲線、例如被設為橢圓弧之形狀者、或是如圖6(c)中所示一般，將碳電極13B之前端13a處的接觸部分13c，設為該基部為連續於均一徑部的圓錐台狀之側週面13h，同時，將較此圓錐台狀更為前端之13a側，設為平滑地連續於此圓錐梯形狀且在沿著碳電極13之軸線13L的剖面輪廓上並不存在有曲率不連續點之曲線(例如橢圓弧或是圓弧)的形狀者、或者是如圖6(d)中所示一般，成為從碳電極13D之基部起朝向前端13a而連續性地縮徑之圓錐狀者。
於此，當在如同圖6(a)、圖6(d)中所示一般之在接觸部分13c處之基部側的直徑尺寸與電極本身之基部的直徑尺寸R1成為相異者之中，而對於上述之比例L1/R等的範圍等作設定的情況時，電極直徑尺寸R，係如同圖示一般，而設定為在電極軸線13L之方向上的在接觸部分13c中之基部側位置，亦即是，係設定為從電極前端13a而離開了長度L1處的直徑尺寸。
以下，針對本發明之實施例作說明。
作為上述之碳電極13，而準備以下之尺寸者，並藉由下述一般之條件而進行電弧放電，而製造了石英玻璃坩堝。此時，設定使在碳電極13處之電力密度成為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 者、和其以外之下述的條件者，並對此些之結果作了比較。坩堝口徑：32吋；輸出：3000kVA；處理時間：30分鐘；電極形狀：前端圓錐台狀；θ1：16°；θ2：7°；碳電極直徑尺寸R：70mm；接觸部分長度L1：50mm；接觸位置L2：從電極前端起而離開10mm；在碳電極處之電力密度：30、50、800、1200、1800、2000kVA/cm2 。
其結果，當在碳電極處之電力密度為30kVA/cm2 的情況時，電弧係不會恆常的產生，但是，當電力密度為50kVA/cm2 的情況時，電弧係恆常地產生。
又，當在碳電極處之電力密度為800、1200kVA/cm2 的情況時，電極振動係成為碳電極直徑尺寸R之0.15倍以內，並如同在圖4(b)中所模式性展示一般，所產生了的振動係收斂，但是，當電力密度為1800、2000kVA/cm2 的情況時，電極振動係成為較碳電極直徑尺寸R之0.15倍更大，並如同在圖4(c)中所模式性展示一般，所產生了的振動係開始增大，因此，係將坩堝之製造停止。
由上述之結果，可以得知，藉由使在碳電極13處之電力密度成為40kVA/cm2 ～1700kVA/cm2 ，所產生了的電極振動係收斂。
接下來，針對使電極前端接觸位置L2作了變化之實驗例來作說明。
使從電極前端起直到電極接觸點為止之距離(L2)改變，並藉由下述一般之條件而進行電弧放電，來製造石英玻璃坩堝，並對於電極振動之振幅與電極破損之有無作了檢討。坩堝口徑：32吋；輸出：3000kVA；處理時間：30分鐘；電極形狀：前端圓錐台狀；θ1：16°；θ2：7°；碳電極直徑尺寸R：70mm；接觸部分長度L1：50mm；在碳電極處之電力密度：800kVA/cm2 。將其結果，展示於表1中。
由此結果，可以得知，如同實施例1～3中所示一般，若是接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比率的值，係落在0～0.9的範圍內，則係不會產生電極之破損，同時，所製造之石英玻璃坩堝的狀態亦為理想。
另外，於表1、表2中，所謂不合格，係指作為起因於電弧放電狀態之問題，而出現了：無法使熔融處理持續進行到能夠使坩堝之厚度尺寸、外徑尺寸成為所期望之狀態的程度、或是就算形狀成為了特定之尺寸，電弧熔融亦並不充分，而使得在坩堝內表面附近之設為無氣泡層的部分處之氣泡率無法降低至充分的比例等，而成為了無法在單結晶拉上中作使用的坩堝特性之情形。而所謂合格，則係指製造出了在形狀、內表面狀態等之坩堝特性中均能夠滿足所期望之基準的坩堝。
接下來，針對使電極前端形狀作了變化之實驗例來作說明。
將電極前端形狀設為如圖6(a)～(d)中所示之形狀，並設為與使L2作了改變之實驗例相同的條件，而將L2設為從電極前端而距離10mm，並進行電弧放電，而求取出了此時之電極振幅與電極直徑之比。將該結果，與放電狀態一同作記載。
放電方向：從電極前端面13a而朝向下側方向(電極軸線方向)放電。
電極之振幅/電極直徑：較0.15更小。
電弧中斷/電極落下：無。
又，作為前端形狀改變之比較例，係使用朝向電極前端而作了擴徑之電極、圓柱電極、在圓柱部處存在有凹凸之電極，並同樣的使其進行電弧放電，而求取出了此時之電極振幅與電極直徑間之比。同樣的，將該結果作記載。
放電方向：非均等電場所致之側面放電(在側週面13e處之放電)
電極之振幅/電極直徑：較0.15更大。
電弧中斷/電極落下：有。
由此些結果，可以得知，在圖6中所示之形狀，係能夠良好地產生安定之電弧。
接下來，針對使電極直徑尺寸與每電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸間的比作了改變之實驗例作說明。
將電極直徑尺寸與每電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸間的比，在1.8～87.5之範圍內作改變，並設為與使L2作了改變之實驗例相同的條件，而將L2設為從電極前端而距離10mm，並進行電弧放電，而求取出了此時之電極振幅與電極直徑之比。將該結果，與放電狀態一同作記載。
由此結果，可以得知，如同實驗例8～10中所示一般，電極直徑尺寸R與在每一電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸LL間的比R/LL之值，係以成為0.02～0.6之範圍為理想。
1．．．電弧放電裝置
10．．．模具
11．．．石英粉成形體
12．．．通氣口
13．．．碳電極
13A．．．碳電極
13B．．．碳電極
13C．．．碳電極
13D．．．碳電極
13a．．．前端
13b．．．接觸位置
13c．．．接觸部分
13d．．．前端面
13e．．．側週面
13f．．．側面
13h．．．側週面
13L．．．軸線
20．．．電極位置設定手段
21．．．支持部
22．．．角度設定軸
D．．．電極間距離
L1．．．接觸部分之長度
L2．．．前端起至接觸位置為止之距離
θ1．．．軸線彼此之角度
θ2．．．側週面與軸線間所成之角度
R．．．碳電極之直徑尺寸
R1．．．基部之直徑尺寸
R2．．．前端之直徑尺寸
[圖1]展示本發明之實施型態中的電弧放電裝置之模式正面圖。
[圖2]展示本發明之實施型態中的電弧放電裝置之碳電極位置的模式圖。
[圖3]展示本發明之實施型態中的電弧放電裝置之碳電極前端部分的擴大模式圖。
[圖4]對於在本發明之實施型態中的電弧放電方法之相對於時間的(a)電極間距離變化和(b)電流振幅之其中一例以及(c)先前技術之電流振幅作展示的時序圖。
[圖5]展示本發明之實施型態中的電弧放電方法之流程圖。
[圖6]展示本發明之其他實施型態中的電弧放電裝置之碳電極前端部分的模式圖。
1．．．電弧放電裝置
10．．．模具
11．．．石英粉成形體
12．．．通氣口
13．．．碳電極
20．．．電極位置設定手段

Claims (5)

  1. 一種電弧放電方法，其特徵為，係由下述工程所成：在300kVA~12000kVA之輸出範圍內，藉由複數之碳電極來經由電弧放電而將非導電性對象物加熱熔融之工程；和以使在電弧放電開始時而前述碳電極彼此相接觸之接觸位置與前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比成為0.001~0.9之範圍的方式，來作設定之工程，將在前述碳電極處之電力密度設定為40kVA/cm2 ~1700kVA/cm2 。
  2. 一種電弧放電裝置，其特徵為：係由以使碳電極彼此相接觸之接觸位置與前述碳電極前端間之距離的相對於前述碳電極直徑之比例成為0~0.9之範圍的方式所作了配置之碳電極所成，並在300kVA~12000kVA之輸出範圍內，藉由複數之碳電極來經由電弧放電而將非導電性對象物加熱熔融，將在前述碳電極處之電力密度設定為40kVA/cm2 ~1700kVA/cm2 。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之電弧放電裝置，其中，在前述碳電極處，係於前端處而被設置有包含前述接觸位置之接觸部分，該接觸部分之形狀，係被設為朝向前端而縮徑之圓錐 、圓錐台體、或者是成為在沿著該碳電極之軸線的剖面輪廓處而並不存在有曲率不連續點之曲線的形狀。
  4. 如申請專利範圍第2項所記載之電弧放電裝置，其中，前述碳電極，係以使其之徑尺寸與在每一電弧放電單位量中所消耗之長度尺寸間的比成為0.02~0.6之範圍內的方式而作設定所成。
  5. 一種石英玻璃坩堝製造裝置，係為將原料粉末在坩堝成形用之模具內作成形，並經由電弧放電來將該成形體加熱熔融而製造石英玻璃坩堝之裝置，其特徵為，具備有：將原料粉作填充成形之模具；和如申請專利範圍第2項所記載之電弧放電裝置。
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