TWI432385B

TWI432385B - 氧化矽玻璃坩堝的製造方法

Info

Publication number: TWI432385B
Application number: TW100149383A
Authority: TW
Inventors: Toshiaki Sudo; Eriko Suzuki
Original assignee: Japan Super Quartz Corp
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2014-04-01
Also published as: KR20120078620A; EP2471752A3; US8806892B2; TW201226339A; EP2471752B1; CN102531350B; EP2471752A2; JP2012140301A; KR101395787B1; US20120167624A1; CN102531350A; JP5777880B2

Description

氧化矽玻璃坩堝的製造方法

本發明係關於一種用於提拉單晶矽的氧化矽玻璃坩堝的製造方法。

在單晶矽的製造中，通常採用的是使用氧化矽玻璃坩堝的切克勞斯基法(CZ法)。具體而言，向氧化矽玻璃坩堝內部放入熔化多晶矽原料而得的矽熔液，然後將單晶矽的晶種浸漬於其中，旋轉模具的同時慢慢提拉，以單晶矽的晶種為核心使其生長而製造單晶矽。

此時使用的氧化矽玻璃坩堝，這種坩堝具有由含有大量氣泡的外層和透明內層構成的雙層結構，通常以邊旋轉模具邊按照用電弧熔化方式對氧化矽粉層進行熔化的成形法製得(例如，參照專利文獻1)。

眾所周知，在提拉單晶時，在氧化矽玻璃坩堝中與矽熔液接觸的內表面的特性，不僅可左右單晶矽的特性，而且可最終影響矽晶片的成品率。

因此，會採用內層由合成氧化矽玻璃構成，外層由天然氧化矽玻璃的構成的結構，而作為抑制單晶矽特性的偏差的對策。

然而，使用氧化矽玻璃坩堝熔化矽並提拉單晶時，有時矽熔液的液面會發生波動，導致以浸漬晶種來進行的配種(seeding)變得困難。因此，常常會出現不能提拉單晶矽，或者所謂單晶化受阻的熔液面振動的問題。該熔液面振動(液面振動)現象隨著矽晶體的大口徑化變得更容易發生。因此，越來越需要改善氧化矽玻璃坩堝的內表面的特性。

針對該需要，在專利文獻2中提出使用在暴露於SiO₂ 蒸汽之後的減量為0.013g以下的坩堝的方法，不過該方法也未能充分改善坩堝內表面的特性。

並且，隨著φ300mm以上，φ450mm左右的晶片出現，相應地要求單晶矽的大口徑化，從而導致單晶提拉工作的長時間化，坩堝內表面會長時間接觸于1400℃以上的矽熔液，因而在氧化矽玻璃坩堝中凸顯出如下的問題。

即，由於提拉的長時間化，坩堝內表面與矽熔液的接觸時間也會變得很長，坩堝內表面與矽熔液反應，在坩堝內表面的表面位置或者靠近表面的淺層中發生結晶化而出現環狀的褐色白矽石(以下，將環狀的白矽石稱為「褐色環」)。該褐色環內或者不存在白矽石層，或者即使存在也為薄層，但隨著操作時間的延長，褐色環的面積會擴大，互相融合並繼續生長，最終侵蝕坩堝中心部位，形成不規則的玻璃熔出面。

如果從該玻璃熔出面脫落微量玻璃片，則會容易引起單晶矽的錯位，阻礙提拉單晶時的成品率(收穫率)。尤其，在對用於製造φ300mm以上的大口徑晶片的單晶矽進行生長時，需要進行超過100小時的CZ法的操作，即容易出現上述玻璃熔出面。

可以認為上述褐色環以玻璃表面微小的破損或者原料氧化矽粉末的未完全溶解的晶質殘留部分、玻璃結構的缺陷等為核心而發生，為減少其數量，可想到保持玻璃表面良好的狀態，或者藉由進行氧化矽玻璃坩堝製造製程中的熔化的高溫化、長時間化來減少晶質殘留成分的做法。並且，如專利文獻3、4所述，作為形成內表面的原料氧化矽粉末可考慮採用非晶質的合成粉。

由非晶質的合成粉製得的合成氧化矽玻璃中的雜質含量極少，其具有降低發生褐色環的優點。然而，與內層由天然氧化矽玻璃組成的坩堝相比，內層由合成氧化矽玻璃組成的坩堝在熔化多晶矽時，還存在熔液表面振動的缺點。此種振動尤其常見於從配種(seeding)到肩部形成時，單晶主體部前半部分的初期提拉製程中。因此，有時會因配種(seeding)工作需要時間，或者發生結晶紊亂、重新溶化、所謂「返回熔化」(Melt-back)的現象，從而會降低生產率。

[現有技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本公開專利　特開2001-89171號公報

專利文獻2：日本公開專利　特開2002-154894號公報

專利文獻3：日本核准專利　第2811290號公報

專利文獻4：日本核准專利　第2933404號公報

針對上述矽熔化時的熔液面振動或褐色環的發生，本發明的發明人認為在氧化矽玻璃坩堝的製造中，藉由控制熔化部分的溫度，並形成內層即可。

然而，在氧化矽玻璃坩堝的製造中，熔化部分的溫度有時會超過2000℃。操作中正確測量此種高溫的技術尚未確立。並且，尚未發現在所謂「測量在電弧火焰的旁邊加熱熔化的熔化物的表面溫度」的此種嚴酷的條件下進行測量的溫度測量技術。況且，由於氧化矽玻璃不同于普通的材料，無法清楚地觀測到玻璃化轉變，因此其溫度管理很難。

因此，在氧化矽玻璃坩堝的製造中，不容易掌握熔化溫度，因而很難控制。

本發明是鑒於上述情況，目的在於提供一種氧化矽玻璃坩堝的製造方法，利用該種方法可控制在製造氧化矽玻璃坩堝時的熔化狀態，由此可製造出能夠抑制單晶矽製造時在坩堝內表面發生的褐色環，並抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝。

根據本發明，提供一種氧化矽玻璃坩堝的製造方法，該方法包括：藉由向坩堝形成用的模具內部供給原料氧化矽粉末來形成氧化矽粉層的氧化矽粉末供給製程，以及藉由利用多個碳電極進行電弧放電來熔化氧化矽粉層的電弧熔化製程，其中，所述電弧熔化製程包括控制氧化矽玻璃熔化狀態的製程，在該製程中，測量上述氧化矽粉層的溫度，並以在上述電弧熔化製程中初期出現的最初的溫度最高點作為基準溫度，基於上述基準溫度來控制氧化矽玻璃熔化狀態。

由於此種氧化矽玻璃坩堝的製造方法是以電弧熔化製程初期的最初的最高點溫度作為基準溫度，並基於該基準溫度來控制氧化矽玻璃的熔化狀態，藉由調節對碳電極的電流供給量，因此，可對碳電極提供適量的電流。因此，由於可在適合且精密的條件下熔化氧化矽粉層，能夠改善氧化矽玻璃坩堝的內表面的特性。藉此，能夠製造在單晶矽製造時防止坩堝內表面發生褐色環，並抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝。

每個氧化矽玻璃坩堝在製造時，由於受到使用原料氧化矽粉末等的影響，在電弧熔化製程初期出現的最初的最高點溫度各不相同。因此，以電弧熔化製程初期出現的最初的最高點溫度作為基準溫度，對每個氧化矽玻璃坩堝的製造設定基準，以此來抑制每次製造時熔化的偏差。因此，根據本發明的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，能抑制所得的氧化矽玻璃坩堝的產品特性發生偏差。

在此，作為坩堝特性，是能夠對使用氧化矽玻璃坩堝提拉的半導體單晶的特性帶來影響的特性，例如，可舉出坩堝內表面的玻璃化狀態，以及厚度方向的氣泡分佈及氣泡大小，OH基的含量、雜質分佈、表面的凹凸及這些坩堝高度方向的不均勻等分佈狀態等。

氧化矽玻璃坩堝作為與矽熔液接觸的唯一部件，是決定單晶矽的成品率和品質的重要部件。根據坩堝厚度方向的氣泡分佈及氣泡大小，在單晶矽提拉時氣泡破裂使玻璃片混入矽熔液中附著于單晶矽錠時，可能會發生多晶化。氧化矽玻璃坩堝根據OH基含量的不同，容易發生結晶化導致的白矽石，從氧化矽玻璃坩堝剝離的白矽石會附著於單晶矽的一端而使單晶矽多晶化。並且，氧化矽也可能會因低黏性化而變形。

若存在雜質，則該雜質在結晶提拉的過程中會促進在氧化矽玻璃坩堝的內表面形成斑點狀的白矽石。如此形成的白矽石從坩堝脫離後沉入矽熔液內，會降低所提拉的單晶的單晶化率。

在上述電弧熔化製程中，可調整對碳電極的電流供給量，使得溫度達到上述基準溫度(例如為2100℃)的90～135%(1890～2835℃)。這種情況，能抑制過大的電流供給，並確實減少不必要的能量消耗，且能夠防止不充分熔化，因而能更有效抑制所製得的氧化矽玻璃坩堝的產品特性發生偏差。

並且，在氧化矽粉層的溫度測量中，藉由使用輻射溫度計檢測波長為4.8～5.2μm的辐射能量來測量溫度。

藉此，由於能夠即時準確地測量在如超過2000℃的嚴酷的環境下熔化的氧化矽層表面附近的溫度狀態，能夠精確且容易地把握製造氧化矽玻璃坩堝所必要的熔化狀態。因此，能夠精確回饋電流供給量，從而能夠進行更精密的控制。

根據本發明提供的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，能夠製造一種可抑制在單晶矽製造時坩堝內表面發生褐色環，並能抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝。

以下，參照附圖對本發明所涉及的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式進行說明。

圖1表示本實施方式的氧化矽玻璃坩堝所使用的氧化矽玻璃坩堝製造裝置的局部的模式主視示意圖。

本實施方式的氧化矽玻璃坩堝製造裝置1具有模具10，該模具10可藉由旋轉裝置(未圖示)進行旋轉，並用於界定氧化矽玻璃坩堝的外形。

在模具10中，使用氧化矽粉末供給部向模具10的內部以規定的厚度供給原料氧化矽粉末，以此形成氧化矽粉層11。

模具10的內部設置有多個與模具10的內表面貫通且連接到減壓裝置上(未圖示)的減壓用流路12，使氧化矽粉層11內部實現減壓。

並且，在模具10的上側位置上，作為電弧放電部設置連接到電流供給部(未圖示)的碳電極13。使用該碳電極13，可在300kVA～12,000kVA的輸出範圍內進行電弧放電，從而加熱熔化模具10內的氧化矽粉層11。

碳電極13藉由電極位置設定部20能夠進行如圖中箭頭T所示的上下移動，可進行高度方向位置H的設定。並且，碳電極13藉由電極位置設定部20可以調整電極開度，能夠實現如圖中箭頭D所示的電極間距D等的設定。並且藉由該電極位置設定部20來設定模具10的高度以外的相對位置。

如圖1所示，電極位置設定部20包含：以可設定電極間距離D的方式支撐碳電極13的支撐部21，可使該支撐部21以水準方向移動的水準移動部，以及使多個支撐部21及其水準移動部作為一體進行上下方向移動的上下移動部。

在支撐部21中，碳電極13可旋轉地支撐於角度設定軸22的周圍，並且，具有可控制角度設定軸22的旋轉角度的旋轉裝置。

為調節碳電極13,13的電極間距離D，在控制碳電極13的角度的同時，還要利用水準移動部控制支撐部21的水準位置。並且，藉由上下移動部調整支撐部21的高度位置，來控制對應電極前端部13a的氧化矽粉層11的上端位置(模具開口上端位置)的高度位置H。

並且，在圖1中，僅表示左端碳電極13的支撐部21等，但其他電極也可以以相同結構支撐，可分別控制各碳電極13的高度。

圖2是表示圖1中的碳電極的位置的俯視示意圖(a)、側視示意圖(b)。

例如，碳電極13是形狀相同的電極棒，從而可以進行交流3相(R相、S相、T相)電弧放電，如圖1、圖2所示，設置成頂點在下方的倒三角錐形形狀、且使各自的軸線13L之間所構成的角度成為θ1。

碳電極13由粒徑為0.3mm以下，以0.1mm以下為較佳，以粒徑0.05mm以下的高純度碳粒子所形成為更佳。並且，其密度為1.30g/cm³ ～1.80g/cm³ 時，配置於電極各相的碳電極之間的密度差以0.2g/cm³ 以下為宜。

並且，氧化矽玻璃坩堝的製造裝置1具備：至少測量作為模具10內的熔化部分的氧化矽粉層11溫度的溫度測量部，以及輸入由上述溫度測量部測量的溫度，並根據所輸入的溫度來控制碳電極13供給的電流量的控制部。

本實施方式的溫度測量部，是測量模具10內熔化部分的溫度的輻射溫度計Cam。

輻射溫度計Cam包括：聚集來自氧化矽粉層11表面的熔化部分的辐射能量光的光學系統、獲取用該光學系統所聚集的光的光譜的分光裝置，以及從上述光譜中檢測出作為測量物件的光的檢測元件。

輻射溫度計Cam設置於分隔進行電弧放電的爐內和爐外的隔壁SS的外側。並且，輻射溫度計Cam穿過覆蓋設置於隔壁SS上的窗部的過濾器F而測量熔化部分。

輻射溫度計Cam的檢測元件的類比輸出信號，按不同波長同期檢測器分離，並且為增幅器放大，之後藉由多頻道低分解能的小比特的AD轉換器傳送至控制部(CPU)中而進行演算處理。該溫度信號，輸出至氧化矽玻璃坩堝製造裝置的控制部中。並且，溫度信號還可輸出至LCD顯示器等的顯示部中。

輻射溫度計Cam的測量溫度範圍以400～2800℃為宜。

在此種情況下，能夠在400～2800℃的寬範圍內連續觀測氧化矽玻璃坩堝製造中的原料氧化矽粉末以及該原料氧化矽粉末熔化的狀態。因此，能夠測量從熔化開始前到結束後以及到冷卻結束狀態為止的溫度。

另外，由於低於上述範圍的溫度給坩堝特性帶來的影響較小，因此進行溫度測量的意義不大，而溫度高於上述範圍的溫度時需要特殊的溫度測量裝置，因而成本會提高，且超過通常製造的溫度範圍。上述的測量溫度範圍可以為400、700、1000、1500、2000、2500，或2800℃中的任意2個值所構成的範圍。

並且，在本實施方式的輻射溫度計Cam中，藉由檢測測量波長4.8～5.2μm的辐射能量來測量溫度為宜。該波長可以為4.8、4.9、5.0、5.1或5.2μm，也可以在這些值中任意2個值之間的範圍。使用輻射溫度計Cam的情況下對測量直徑沒有特別限定，譬如可以為100、50、40，或30mm以下。如果該測量直徑小，則要容易準確地測量熔化部分的溫度，因此測量直徑小到一定程度為宜，在上述範圍內特別優選的是30mm以下。

如果測量波長在上述範圍內，則可排除因吸收可能自電弧放電中的碳電極13產生的CO₂ (CO₂ 的吸收帶：波長4.2～4.6μm)而對溫度測量造成的影響。並且，可避開成為氧化矽玻璃坩堝製造環境的大氣中所含的H₂ O的吸收帶，即，波長5.2～7.8μm。

並且，為測量作為測量對象的氧化矽玻璃的表面溫度，而使波長範圍達到4.8μm以上時，氧化矽玻璃的透射率變為0，從而可輕易測量其表面。

輻射溫度計Cam具備由BaF₂ 或者CaF₂ 組成的過濾器F為宜。此種過濾器F，對從坩堝內表面射出的在特定波長範圍內的光的透射率高。從而，能夠提高用於溫度測量的光的強度。如果具備由BaF或者CaF組成的過濾器F，則不推薦採用降低BaF₂ 或CaF₂ 的透射率的8～14μm的波長範圍。如果不採用該波長範圍，可防止透射率的降低，而提高溫度測量的準確性。

並且，以通常的方法製造的矽酸鹽玻璃，對波長為2.5μm前後為止的紅外線顯示出高透明性，但如果為其以上的波長，因Si-O結合的振動引起的光吸收，透射率會急劇減小，而幾乎無法透過。與矽酸鹽玻璃相比，不具備Si-O結合的玻璃更容易使紅外線透過，不過其穩定性、化學耐久性較差，而不實用。作為對更長波長的紅外線顯示出高透明性的玻璃，具備實用性、高透射率的玻璃，可列舉氟化物玻璃。氟化物玻璃具備出色的穩定性、化學耐久性，在從紫外到紅外的寬廣的波長範圍內具備高透明性。因此，如果使用由上述BaF₂ 和CaF₂ 組成的過濾器F₁ ，能夠進行高準確度的測量。

連接輻射溫度計Cam和測量點M的觀測線L，與碳電極13相距100mm以上為宜。上述觀測線L如果與碳電極13相距100mm以上，則能夠減少在碳電極13附近發生電弧火焰以及電極輻射的影響，從而能進一步提高測量溫度的準確性。

上述觀測線L與碳電極13的距離如果大於坩堝半徑，相對於坩堝口徑的設定距離變大，對規定的測量點M的溫度測量將變得困難。並且，來自測量點M的輻射量降低而使輻射溫度計Cam的輸出不足，從而出現溫度測量變得不準確的傾向。另外，作為坩堝口徑，譬如可以為22英寸(55.88cm)、28英寸(71.12cm)、32英寸(81.28cm)或40英寸(101.6cm)，也可以是在這些任意2個值之間的範圍內的口徑。

本實施方式中，將氧化矽玻璃坩堝10的角部11a作為輻射溫度計Cam的測量點M(參照圖3)。

在此，所謂角部11a是指在模具10的內表面的圓柱形的牆壁11b和有一定曲率半徑的底部11c之間的部分，是光滑地連接這些部分而成的曲面形的部分。另外，坩堝口徑如果為22英寸～32英寸(0.5588m～0.8128m)，上述底部的特定曲率半徑可以為550、650、750、850或900mm，也可以是這些任意值之間的範圍內的半徑。

從製造尺寸準確度更精確的氧化矽玻璃坩堝的角度考慮，在角部11a中，將壁部11b附近的角部上側位置11d設定為測量點M為更佳。

在角部11a中，因重力導致壁部11b的熔化物下降或者因模具10的離心力導致底部11c的熔化物上升，從而易使坩堝壁厚增大。並且，在角部11a中，溫度的偏差容易變大。

因此，如果藉由測量角部11a的溫度而調整向碳電極13的電流供給量，則能更進一步精密地控制坩堝內表面的特性。

圖4是表示在本實施方式的氧化矽玻璃坩堝製造方法中的坩堝溫度的回饋控制方法的概念圖。該回饋控制方法，可以藉由利用包含碳電極13、輻射溫度計Cam、紅外線透過過濾器A、溫度調節計B、控制系統C和電極位置設定部20的裝置來實行。

該回饋控制方法，利用上述碳電極13進行電弧放電來加熱熔化模具10內的非導電性對象物(氧化矽粉末)，隔著紅外線透過過濾器A，用輻射溫度計Cam檢測加熱熔化部分(測量點，D)中波長4.8~5.2μm的辐射能量。在輻射溫度計Cam中，用光學透鏡等聚集上述辐射能量，並轉換為與辐射能量成比例的溫度測量值，再向溫度調節計B輸出電流或者電壓。溫度調節計B對上述溫度測量值和最佳熔化溫度進行比較，並轉換為合適的操作輸出值，再向控制系統C輸出電流或者電壓。控制系統C根據上述操作輸出值進行電流值控制、電極開度控制或模具10高度控制。藉此，可以改變供給至碳電極13的電力、碳電極13位置狀態、模具10與碳電極13的相對位置狀態、模具10位置狀態之中的任意一項。

在本說明書中所謂「最佳熔化溫度」是可以根據經驗或類比等計算手法求得的溫度。譬如，對多個坩堝，在製造坩堝的過程中進行加熱熔化時，使用輻射溫度計取得氧化矽粉層的內表面按時間變化各自有怎樣的溫度變化的溫度資料。另外，使用依此製造的多個坩堝，分別根據CZ法在1400℃以上的高溫下提拉單晶矽。然後，根據有關使用CZ法而高效穩定地製造品質優良的單晶矽的坩堝的上述各溫度資料，並根據經驗或計算手法來決定加熱熔化氧化矽粉層時的氧化矽粉層內表面按時間變化的最佳溫度。

下面，對本發明的一實施方式涉及的氧化矽玻璃坩堝的製造方法進行說明。

如圖5、6、7流程圖所示，本實施方式的氧化矽玻璃坩堝的製造方法包含：氧化矽粉末供給製程(S701)，電極初期位置設定製程(S702)，電弧熔化製程(S703)，冷卻製程(S704)，取出製程(S705)以及後處理製程(S706)。

在氧化矽粉末供給製程(S701)中，藉由向模具10的內表面堆積氧化矽粉末來形成氧化矽粉層11。該氧化矽粉層11利用模具10旋轉產生的離心力而保持於內壁面。

就氧化矽粉末而言，在內層使用合成氧化矽粉、在外層使用天然氧化矽粉為宜。

在此，所謂「合成氧化矽粉」是化學合成、製造的氧化矽。合成氧化矽玻璃粉屬非晶質。

由於合成氧化矽的原料為氣體或液體，因此容易精製，合成氧化矽粉較天然氧化矽粉更能實現高純度化。作為合成氧化矽原料有四氯化矽等氣體原料來源和如矽醇鹽的液體原料來源。合成氧化矽玻璃，可將全部雜質控制於0.1ppm以下。

在利用溶膠-凝膠方法得到的合成氧化矽粉中，通常會殘留50~100ppm左右的因加水分解醇鹽而生成的矽烷醇。在以四氯化碳為原料的合成氧化矽玻璃中，可將矽烷醇控制在0~1000ppm的大範圍內，但通常含有100ppm左右以上的氯。以醇鹽作為原料的情況下，可輕易獲得不含氯的合成氧化矽玻璃。

如上所述，利用溶膠-凝膠方法獲得的合成氧化矽粉在熔化前含有50~100ppm左右的矽烷醇。如果對此進行真空熔化，則會引發矽烷醇的脫離，得到的氧化矽玻璃的矽烷醇會減少至5~30ppm左右。另外，矽烷醇量根據熔化溫度、升溫溫度等熔化條件的不同而不同。

一般認為，在高溫下合成的氧化矽玻璃的黏度低於熔化天然氧化矽粉而得的氧化矽玻璃的黏度。其原因之一是矽烷醇和鹵素切斷SiO₄ 四面體的網眼結構的緣故。

對熔化合成氧化矽玻璃粉而得的玻璃測量光透射率，發現波長是200nm左右為止的紫外線的透過率高，該種玻璃與用於紫外線光學用途的、以四氯化碳為原料的合成氧化矽玻璃具有相似的特性。

對熔化合成氧化矽玻璃粉而得的玻璃測量用波長為245nm的紫外線激發而得的螢光光譜，也未發現與熔化下述天然氧化矽粉而得的玻璃類似的螢光峰值。

所謂「天然氧化矽粉」，是挖出存在于自然界的石英原石，經粉碎、精製等製程而得的氧化矽。天然氧化矽粉由α-石英的結晶組成，包含著1ppm以上的Al、Ti。並且，就Al、Ti以外的其他金屬雜質含量而言，天然氧化矽粉也高於合成氧化矽粉。並且，天然氧化矽粉幾乎不含矽烷醇，熔化天然氧化矽粉而得的玻璃的矽烷醇含量不滿50ppm。

對測量由天然氧化矽粉製得的玻璃測量光透射率，發現由於作為主要雜質約包含1ppm的Ti，因而將波長降低至250nm以下時透射率急劇下降，在波長200nm時幾乎不能透射。而且，在245nm附近能夠見到缺氧缺陷引起的峰值吸收。

而且，在由天然氧化矽粉而成的玻璃中，測量以波長245nm的紫外線激發而得的螢光光譜，則在280nm和390nm下觀測到螢光峰值。這些螢光峰值由玻璃中的缺氧缺陷所引起。

根據測量含有的雜質濃度的方法、測量矽烷醇量的方法、測量光透射率的方法、測量以波長245nm的紫外線激發而得的螢光光譜的方法，能夠辨別出玻璃材料是天然氧化矽還是合成氧化矽。

除氧化矽粉末以外，氧化矽粉末還可由含有二氧化矽(氧化矽)的水晶，矽砂等，作為氧化矽玻璃坩堝的原材料所公認材料的粉末。

在電極初期位置設定製程(S702)中，如圖1、圖2所示，利用電極位置設定部20，使碳電極13維持頂點在下方的倒三角錐形，並且使各自的軸線13L維持角度θ 1，並如圖2所示，設定電極初始位置而使電極在前端13a相互接觸。同時，設定從模具10邊緣至電極前端的高度尺寸即電極高度位置H，或者由充當碳電極13形成的倒三角錐的中心軸的電極位置中心軸和模具10的旋轉軸線的位置及角度所組成的模具-電極相對位置狀態的初始狀態。

在電弧熔化製程(S703)中，設定電極13的位置，用電弧放電部加熱氧化矽粉層11的同時，藉由減壓通路12進行減壓，由此熔化氧化矽粉層11而形成氧化矽玻璃層。

電弧熔化製程(S703)中，包含：電力供給開始製程(S801)、電極位置調整製程(S802)、模具內部的溫度測量製程(S803)、判斷模具內部的溫度相對於基準溫度是否在所定範圍之內的製程(S804)、電弧熔化部分的溫度控制製程(S805)、電弧熔化結束時機的判斷製程(S806)以及電力供給結束製程(S807)。在電力供給開始製程(S801)中，從未圖示的電力供給部，以上述方式設定的電量開始向碳電極13進行電力供給。在此狀態下，不会發生電弧放電。

在電弧熔化製程(S703)中，改變碳電極13的高度位置而使其處於如圖8所示的位置。即，以H1所示的位置作為電極初期位置設定製程(S702)中的碳電極13的高度位置，在電力供給開始製程(S801)中，在時刻t0時開始進行電流供給，藉由電極位置調整製程(S802)在時刻t1開始調低高度位置，在時刻t2將高度位置調整為H2，藉由電流供給結束製程(S807)在時刻t3停止進行電流供給。

並且，在電弧熔化製程(S703)中，從電力供給開始製程(S801)，用輻射溫度計Cam測量模具內部的氧化矽粉層11的溫度。電弧熔化製程(S703)的氧化矽粉層11的溫度測量結果表示於圖9中。如圖9所示，在電弧熔化製程(S703)初期出現溫度的最高點Tp。該最高點Tp的溫度以及出現的時間，根據所使用的原料氧化矽粉末不同而不同。在本實施方式中，以該最高點Tp作為基準溫度，根據該基準溫度調整對碳電極13的電流供給量。

調整對碳電極13的電流供給量時，從可製造防止在單晶矽製造時發生褐色環，並抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝的角度考慮，氧化矽粉層11的溫度相對於基準溫度達到其85~140%的溫度為宜。並且，也可以是相對於基準溫度達到其90%以上的溫度，此時，能夠確實地熔化氧化矽粉層11。並且，也可以是相對於基準溫度達到其130%以下的溫度，此時能夠抑制無謂的能量耗損。並且，從製造更有效防止單晶矽製造時發生褐色環，並抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝的角度考慮，在碳電極13的位置H1、H2，分別設定相對於基準溫度的溫度範圍為宜。在圖9中，Tm1是碳電極13在位置H1上的溫度，Tm2是在位置H2上的溫度。因此，分別對Tm1、Tm2設定相對於基準溫度的溫度為宜。

在電極位置調整製程(S802)中，藉由電極位置設定部20使碳電極13維持如頂點在下方的倒三角錐形，或者變更其角度而擴大電極間距D。藉由調整電極位置製程(S802)，可以使碳電極13,13之間產生放電。此時，利用電力供給部控制供給電力，使得各碳電極13的電力密度成為40kVA/cm² ~1,700kVA/cm² 。並且，在藉由電極位置設定部20維持角度θ 1的狀態下，為滿足作為氧化矽粉層11熔化所需的熱源的條件，設定電極高度位置H等模具-電極相對位置狀態。

在模具內部溫度測量製程(S803)中，利用輻射溫度計Cam檢測來自處於熔融狀態的氧化矽粉層11表面的辐射能光，基於其檢測結果來測量溫度。然後，判斷模具內部的溫度是否在基準溫度所定的範圍內(S804)。

此時，如果不在所定的範圍內，則進行電弧熔化部分的溫度控制(S805)。相反，如果在所定的範圍內，則判斷是否為結束電弧熔化的時刻(S806)。如果不是結束電弧熔化的時刻，則繼續進行電弧熔化，並直到判斷為結束電弧熔化的時刻為止，反復進行上述電極位置調整製程(S802)之後的製程。如果判斷是結束電弧熔化的時刻，則結束對各碳電極13的電力供給(S807)，並進行冷卻(S704)。

另外，在根據上述基準溫度所定的範圍內，在圖8所示的t0~t1中，相對於基準溫度的溫度比率可以為85%、89%、95%、100%、105%、112%或者120%之中的任意2個比率之間的範圍內的值。並且，上述基準溫度所定的範圍內，在t2~t3中，相對於基準溫度的溫度比率可以為105%、110%、112%、125%、129%、135%，或140%中的任意2個比率之間的範圍內的值。

在電弧熔化部分的溫度控制製程(S805)中，判斷電弧熔化部分的溫度是否高於上述從基準溫度起的規定範圍的上限溫度(S901)，進而，判斷是否要調整電力(S902或S907)或者是否要調節模具與電極之間的相對位置(S903或S908)。

在電弧熔化部分的溫度高於上述從基準溫度起的規定範圍的上限溫度的情況下，a)降低電力並使模具與電極 (S904)之間的距離拉大，或者b)不調節模具和電極之間的相對位置而降低電力(S905)，或者c)不調節電力而使模具和電極(S906)分離。

在電弧熔化部分的溫度低於上述從基準溫度低起的規定範圍的下限溫度的情況下，d)提高電力並拉近電極與模具之間的距離(S909)，或者e)不調節模具和電極之間的相對位置而提高電力(S910)，或者f)不調節電力而拉近電極與模具之間的距離(S911)。在此，上述判斷是否要調整電力的製程與判斷是否要調整上述相對位置的製程，可首先進行任何一項判斷，也可以同時進行判斷。

上述電力，可藉由電力供給部控制供給電力，使得各碳電極13的電力密度達到40、100、500、1000、1500，或1,700kVA/cm² ，或者處於任意2個值之間的範圍內。

使模具和電極分離時，可藉由電極位置設定部20使電極的位置遠離模具，也可藉由控制系統使模具的位置遠離電極。拉近模具和電極之間距離時，可藉由電極位置設定部20使電極的位置向模具靠近，也可藉由控制系統使模具的位置向電極靠近。

在電力供給結束製程(S807)中，氧化矽粉層11成為規定狀態之後，停止由電力供給部進行的電力供給。利用該電弧熔化，熔化氧化矽粉層11而製造氧化矽玻璃坩堝。在該電弧熔化製程(S703)中，利用未圖示旋轉狀態的模具10 的控制部進行控制。

在冷卻製程(S704)中，冷卻在上述電弧熔化製程中獲得的氧化矽玻璃坩堝。在取出製程(S705)中，從模具10取出冷卻後的氧化矽玻璃坩堝。在後處理製程(S706)中，進行如下處理：即，向外周面噴射高壓水的搪磨處理，使坩堝高度達到規定的尺寸的緣部切割處理，用氟酸等來清洗坩堝內表面的清洗處理等。藉由以上製程，製得氧化矽玻璃坩堝。

在本實施方式中，在上述電弧熔化製程(S703)以及冷卻製程(S704)中，可用溫度測量部測量模具內部的溫度。這時，能夠在從電力供給開始製程(S801)到取出製程(S705)前進行溫度測量。而且，也可僅在這些製程中的局部製程進行溫度測量。

在以上說明的氧化矽玻璃坩堝製造方法中，以電弧熔化製程的初期出現的最初的最高點的溫度作為基準溫度，根據該基準溫度，調整對碳電極的電流供給量，因此可以向碳電極供給適量的電流。因此，能夠製造可防止單晶矽製造時發生褐色環，且能夠抑制熔液面振動的氧化矽玻璃坩堝。並且，能夠製造氣泡分佈均勻的氧化矽玻璃坩堝。

透明氧化矽玻璃層的氣泡含有率，可藉由用光學檢測裝置並以非破壞方式進行測量。光學檢測裝置具備受光裝置，用於接收照射到要檢測的氧化矽坩堝的內表面及內表面附近的光的反射光。照射光的發光裝置既可以內藏於光學檢測裝置中，也可以利用外部的發光裝置。

並且，作為光學檢測裝置可使用能夠沿著氧化矽坩堝的內表面進行轉動操作的裝置。作為照射光，除可見光、紫外線及紅外線以外，還能利用X射線或者鐳射等，只要是藉由反射而能檢測出氣泡的光均可適用。受光裝置可根據照射光的種類來進行選擇，例如能夠使用包含受光透鏡及攝像部的光學照相機。要檢測出從表面有一定深度的氣泡，將光學透鏡的焦點從表面向深度方向進行掃描即可。藉由將上述光學檢測裝置做出的測量結果導入圖像處理裝置，就可算出氣泡含有率。詳細地說，是採用光學照相機拍攝坩堝內表面的圖像，將坩堝內表面以一定面積進行區分並將每個部分作為基準面積S1，求得各該基準面積S1的氣泡佔有面積S2，根據P(%)=(S2/S1)×100算出氣泡含有率P(%)。另外，測量的氣泡體積為3mm×3mm×縱深0.15mm，可測量的最小氣泡尺寸為50μm。

另外，本發明不限定於上述實施方式。譬如，電極的數量、配置狀態、供給電力方式亦不局限於上述構成，亦可採用其他構成。

並且，溫度測量部(輻射溫度計)不只是1台，也可具備2台以上而同時測量多個部分的溫度。

並且，在本發明中，根據溫度測量部做出的測量結果，並基於上述基準溫度不僅可以調整向碳電極的電流供給量，又可以藉由變化碳電極的位置、模具和碳電極之間的相對位置、模具的位置，來控制氧化矽玻璃的熔化狀態。

在此，碳電極的位置，例如是指多個碳電極相互構成角度的電極開度或者電極前端的水準方向的位置或者電極前端的高度方向的位置，以及作為由多個電極形成的電弧火焰的噴出方向而界定的電極中心方向的朝向。

並且，模具和碳電極之間的相對位置，例如是指模具的旋轉軸方向與電極中心方向的相對位置，以及可視為模具和電弧發生位置的電極前端的相對高度位置(高度)，可視為模具和電弧發生位置的電極前端的相對水準方向位置(偏心等)。

並且，模具位置，例如指模具旋轉中心軸線的方向等。

以上說明本發明的實施方式，但這些僅是本發明的例示，本發明也可採用上述以外各種各樣的構成。並且，也可組合採用上述實施方式記載的構成。

[实施例]

以下，用實施例進一步說明本發明，但本發明並不限定於這些實施例。

製造口徑為610mm(24英寸)的氧化矽玻璃坩堝。這時，藉由如圖1所示的電極位置設定部20，設定電極前端部13a的高度位置H使得如圖8所示可隨著時間經過改變基準位置。設定從時刻t0到t1為高度位置H1，從時刻t2到t3為高度位置H2，同時使各自的高度位置滿足H1>H2。

同時，測量圖3所示的位置11d的電弧熔化中的溫度。電弧熔化製程的初期，觀測到如圖9所示的最高點。對觀測到該最高點時的溫度為2100℃或1700℃的樣品，在下述條件下進行溫度控制，並進行電弧熔化，以此製造出氧化矽玻璃坩堝(分別為實施例1、實施例2)。在此，下述條件記載的基準溫度是指觀測到最高點時的溫度。而且，溫度控制是藉由高度位置H的微調整，以及供給電力的微調整來進行的。並且此時電弧熔化中的溫度是藉由使用輻射溫度計檢測出波長4.8~5.2μm的辐射能量來測量的。

．實施例1 基準溫度：2100℃

溫度控制條件：在t0~t1中，控制相對於基準溫度的溫度比率達到90~110%(約1900℃~約2300℃)。在t2~t3中，控制相對於基準溫度的溫度比率達到110~129%(約2300℃~約2700℃)。

．實施例2 基準溫度：1700℃

溫度控制條件：在t0~t1中，控制相對於基準溫度的溫度比率達到89~112%(約1500℃~約1900℃)。在t2~t3中，控制相對於基準溫度的溫度比率達到112~135% (約1900℃~約2300℃)。

另外，在電弧熔化製程中，藉由控制電極位置或者模具高度來跟蹤噴射電弧部位和溫度測量部位。

並且，在與實施例1及2相同的製造方法中，對觀測到的最高點溫度為2100℃或1700℃的氧化矽玻璃坩堝，在未進行溫度控制的情況下製造出氧化矽玻璃坩堝(分別為比較例1、比較例2)。

對按上述方法製造的實施例1~2，以及的比較例1~2的氧化矽玻璃坩堝的壁厚、氣泡含有率、氣泡分佈不均勻狀況進行調查。以下根據表1~表3的基準，評價實施例1~2，以及比較例1~2中的氧化矽玻璃坩堝。其結果表示在表4~表5中。

根據該結果可知，藉由以觀測到最高點時的溫度作為基準溫度進行溫度控制，能夠製造出具備期望的壁厚、氣泡含有率、氣泡分佈不均勻狀況的氧化矽玻璃坩堝。即，藉由以最高點作為基準，成功地製造出適於單晶的提拉的氧化矽玻璃坩堝。

該最高點，在本實施例中是最初發現的點，以該最高點作為溫度控制的基準的方法，是與以往控制方法截然不同的劃時代的結果。另外，該最高點出現的原因尚不清楚，但可認為是一種氧化矽粉變成氧化矽玻璃時產生的現象。

由於在測量溫度時坩堝旋轉，因此，在一點上的溫度測量既是包括該點的圓周上的溫度測量。並且，本實施例中由於對噴射電弧的部位和溫度測量部位進行跟蹤，因此，調整熔化條件時，可以高準確度地檢測出溫度變化。

以上，用實施例說明本發明。該實施例歸根結底僅是例示，可以有各種變形例，而當然地可以理解那些變形例也屬於本發明的範圍。

1．．．氧化矽玻璃坩堝製造裝置

10．．．模具

11．．．氧化矽粉層

12．．．減壓通路

13．．．碳電極

13 a．．．電極前端部

13L．．．軸線

20．．．電極位置設定部

21．．．支撐部

22．．．角度設定軸

Cam．．．輻射溫度計

SS．．．隔壁

F1．．．過濾器

圖1是表示在本發明的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式中使用的製造裝置的正面示意圖。

圖2是表示圖1中的碳電極位置的俯視示意圖(a)、側視示意圖(b)。

圖3是表示本發明涉及的氧化矽玻璃坩堝製造裝置的一實施方式中的模具的截面圖。

圖4是表示坩堝溫度的回饋控制方法的概念圖。

圖5是表示本發明涉及的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式的流程圖。

圖6是表示在本發明的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式中進行電弧熔化的製程的流程圖。

圖7是表示在本發明的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式中進行溫度控制的製程的流程圖。

圖8是表示在本發明的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式中的碳電極的高度位置變化的圖表。

圖9是表示本發明的氧化矽玻璃坩堝製造方法的一實施方式中的溫度變化的圖表。

Tp．．．最高點

Tm1．．．碳電極13在位置H1上的溫度

Tm2．．．位置H2上的溫度

Claims

一種氧化矽玻璃坩堝的製造方法，包括：藉由向坩堝成形用模具內部供給氧化矽粉末來形成氧化矽粉層的氧化矽粉末供給製程，以及藉由利用多個碳電極進行的電弧放電來熔化氧化矽粉層的電弧熔化製程，其中，所述電弧熔化製程包括控制氧化矽玻璃熔化狀態的製程，在該製程中，測量該氧化矽粉層的溫度，並以在該電弧熔化製程中初期出現的最初的溫度最高點作為基準溫度，根據該基準溫度來控制氧化矽玻璃熔化狀態。
如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中該控制氧化矽玻璃熔化狀態的製程包括調整對該些碳電極的供給電流的製程。
如申請專利範圍第2項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中在調整對該些碳電極的供給電流的製程中，調整對該些碳電極供給的電流使氧化矽粉層的溫度達到相對於該基準溫度成90～135%。
如申請專利範圍第1項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中在該氧化矽粉層的溫度測量中，使用輻射溫度計來檢測出波長為4.8～5.2μm的辐射能而測量溫度。
如申請專利範圍第1項至第4項中任意一項所述的氧化矽玻璃坩堝的製造方法，其中在該氧化矽粉層的溫度測量中，測量該氧化矽玻璃坩堝的角部的溫度。