專利名稱：氧化硅玻璃坩堝制造方法及氧化硅玻璃坩堝制造裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化硅玻璃坩堝制造裝置及氧化硅玻璃坩堝制造方法，特別是涉及一種制造單晶硅提拉用氧化硅玻璃制的坩堝時，適合控制內表面特性的技術。
背景技術：
在單晶硅制造中采用使用氧化硅玻璃坩堝的切克勞斯基法(CZ法)。氧化硅玻璃坩堝一般在其內部存積有熔化多晶硅原料的硅熔液，邊旋轉坩堝邊浸漬單晶硅晶種并慢慢提拉，使單晶硅以晶種為核進行生長時使用。眾所周知，該氧化硅玻璃坩堝是由含有大量氣泡的外層和透明的內層構成的雙層結構，在單晶提拉時所提拉的單晶硅特性受該內層的表面即與硅熔液接觸的內表面影響， 還會影響最終的硅晶片收獲率。因此，已知的氧化硅玻璃坩堝中，內層為合成氧化硅玻璃，外層由天然氧化硅玻璃構成。例如，使用氧化硅玻璃坩堝熔化硅來提拉單晶時，熔融硅液面產生波紋，難以通過適當浸漬晶種而進行配種(seeding)，因此常常會發生不能提拉單晶硅，或者，所謂單晶化被妨礙的熔液面振動的問題。這種熔液面振動(液面振動)現象隨著硅晶體大口徑化，變得更容易發生。因此，變得越發需要改善氧化硅玻璃坩堝內表面的內表面特性。在已知技術中，為了對應于此，出現了如專利文獻1所述的技術。進而，對應于Φ300πιπι以上且Φ450πιπι左右的晶片，要求單晶硅大口徑化，單晶的提拉時間也隨之變得更長，坩堝內表面也與1400°C以上的硅熔液長時間接觸，因此凸顯出如下問題。由于提拉的長時間化，坩堝內表面與硅熔液的接觸時間長時間化，從而坩堝內表面與硅熔液反應，坩堝內表面的表面位置或者從表面淺的層發生結晶化，使褐色的白硅石呈環狀(以下稱為褐色環)。該褐色環內不存在白硅石層或者即便存在也為非常薄的層，不過隨著操作時間的經過，褐色環面積擴大，相互融合并繼續生長，而最終侵蝕其中心部位， 成為不規則的玻璃熔出面。微量玻璃片從該玻璃熔出面脫落，容易使單晶硅發生位錯，從而阻礙單晶提拉的成品率(收獲率)。特別是，在生長制造Φ300πιπι以上大口徑晶片的單晶硅時，需要操作超過100小時的CZ法，會使上述玻璃熔出面的出現明顯化。上述褐色環，可認為以玻璃表面細微的損傷或者作為原料粉溶解殘留物的晶質殘留部分、玻璃結構的缺陷等為核心發生，為減少其數量，可考慮保持玻璃表面狀態良好，或者為消除晶質殘留成分而使氧化硅玻璃坩堝制造工序中的熔化時間為高溫、長時間化，或者如專利文獻2、3所述，作為形成內表面的原料粉可考慮采用非晶質的合成粉。由上述非晶質合成粉制得的合成氧化硅玻璃，具有雜質含量極少并可減少褐色環發生的優點。然而，透明內層由合成氧化硅玻璃構成的坩堝，相較于由天然氧化硅玻璃構成的坩堝，在熔化多晶硅時，還存在熔液表面易振動的缺點。此種振動特別常見于從配種形成CN 102531348 A
肩部時的單晶主體部前半部分的初期提拉工序中，因此，配種作業需要時間，或者，因結晶紊亂而需要重新熔化，引起所謂“返回熔化”(Melt-back)，從而降低生產率。此外，在專利文獻4的實施方式中，記載了采用通過電弧熔化來進行的旋轉模具法的氧化硅玻璃坩堝的制造裝置。此外，還記載了該制造裝置由于具備防碳混入單元，能夠制造減少氧化硅玻璃坩堝內表面雜質的氧化硅玻璃坩堝。在專利文獻5的實施方式中，記載了一種氧化硅玻璃坩堝制造裝置，其為具備配置于電弧電極上方的輻射溫度計的電弧熔
直 ο[現有技術文獻][專利文獻]專利文獻1 日本公開專利特開2002-1M894號公報專利文獻2 日本專利第觀11四0號公報專利文獻3 日本專利第四33404號公報專利文獻4 日本公開專利特開2001-89171號公報專利文獻5 日本專利第3擬6167號公報

發明內容
發明所要解決的問題為了將坩堝內表面的特性控制于既定狀態而制造氧化硅玻璃坩堝，在坩堝制造過程中，為了使作為原料的氧化硅粉末的熔化狀態控制在既定范圍內，認為控制其內表面的溫度即可。可是，在專利文獻4所述的氧化硅玻璃坩堝的制造方法的實施方式中，其溫度條件有時可能超過2000°C，該溫度高于鋼鐵行業等行業中操作時測量的溫度范圍(即， 1500°C左右)，然而現在還未確立在這種溫度狀態下可以在操作中正確測量的技術。此外，這種溫度不僅高，而且要在放射電弧火焰的附近測量加熱熔化的熔化物的表面溫度，在這種嚴酷條件下測量溫度的技術還不存在，其結果，出現了所謂很難提高制造氧化硅玻璃坩堝過程中的控制性的問題。此外，以往的控制方法是通過控制電壓值來控制發熱量，但是電弧發生中的電壓值不穩定而有小幅波動。此外，電壓值會因電弧發生時產生的微小干擾而劇烈變動。因此， 作為以電壓值為基礎的控制，電極的操作很難追隨電壓值的變化，因此很難持續產生熱穩定的電弧。此外，專利文獻5所述的電弧熔化裝置的實施方式中，并未記載測量熔化物溫度的數據，從而未明確是否能夠在實際上放射電弧火焰的嚴酷條件下測量熔化物的溫度。即使能夠測量，也不容易做到精密溫度測量。因此，氧化硅玻璃坩堝制造中的控制性還有待改
口 ο本發明鑒于上述情況而完成，以達成以下目的。1.在氧化硅玻璃坩堝的制造中能夠在制造中進行正確的溫度測量。2.在氧化硅玻璃坩堝的制造中能控制原料熔化狀態。3.能對制造的坩堝進行品質管理。4.減少發生產品特性的偏差。
用于解決問題的手段依據本發明，提供一種氧化硅玻璃坩堝制造裝置，該制造氧化硅玻璃坩堝的裝置具備供給氧化硅粉來形成氧化硅粉層的坩堝成形用模具；具備多根碳電極及電力供給部，且通過電弧放電加熱熔化上述氧化硅粉層的電弧放電部；以及至少對上述模具內的熔化部分進行溫度測量的溫度測量部，其中，上述溫度測量部由檢測波長4. 8 5. 2 μ m的輻射能來測量溫度的輻射溫度計構成。根據該氧化硅玻璃坩堝制造裝置，能夠實時正確地測量在如超過2000°C的激烈的環境中熔化的氧化硅表面附近的溫度狀態，因此可以輕易且準確地掌握氧化硅玻璃坩堝制造所必要的熔化狀態。藉此，能夠對提高坩堝特性的制造條件進行正確的反饋，進而進行更精密的條件控制。在此，所謂“能夠提高的坩堝特性”，是指坩堝內表面的玻璃化狀態、厚度方向的氣泡分布及氣泡大小、OH基的含有量、雜質分布、表面的凹凸及這些坩堝高度方向的不均勻等的分布狀態等，能夠給使用氧化硅玻璃坩堝提拉出的半導體單晶的特性帶來影響的主要原因中的任意一項以上。氧化硅玻璃坩堝作為與硅熔液接觸的唯一部件，是決定單晶硅的成品率或質量的重要部件。根據坩堝厚度方向的氣泡分布及氣泡大小，有可能會在提拉單晶硅時氣泡破裂而使得玻璃片混入硅熔液中，并附著于單晶硅錠而導致多晶化。氧化硅玻璃坩堝根據OH基含有量的不同，有可能較易結晶化而出現白硅石，從氧化硅玻璃坩堝剝離的白硅石附著于單晶硅一端，從而導致單晶硅的多晶化。此外，氧化硅的低粘性化可能會導致使其變形。存在雜質時，該雜質在結晶提拉的過程中會促進氧化硅玻璃坩堝的內表面形成斑點形的白硅石。如此形成的白硅石，會從坩堝脫離沉入硅熔液內，而降低所提拉的單晶的單晶化率。此外上述溫度測量部也可具備由BaF2或CaF2組成的過濾器。該種過濾器對于從坩堝內表面部分等放射出的波長范圍的光的透射率高。從而，能夠提高用于溫度測量的光的強度。進而，為能夠使用位于電弧熔化爐外側的輻射溫度計來通過此種過濾器進行溫度測量，而使輻射溫度計其本身位于爐外，在電弧熔化爐的密閉爐壁部分設置由BaF2或CaF2 組成的過濾器構成的窗部。此外，上述溫度測量部也可為將測量溫度范圍設定為400 。在此種情況下，在400 的高溫范圍內可以連續觀測到在氧化硅玻璃坩堝制造中氧化硅粉及其氧化硅粉熔化的狀態。藉此，能夠通過測量從熔化處理開始前到熔化結束及冷卻完成狀態的溫度狀態，更加準確地控制對氧化硅玻璃坩堝的特性影響大的制造工序。此外，上述溫度測量部的輻射能檢測位置也可為氧化硅玻璃坩堝的角部。此種情況下，能夠提高在氧化硅玻璃坩堝制造中測量內表面溫度的準確性。本發明的發明人從氧化硅玻璃坩堝內表面的底部(下部)中心到開口部(緣部) 上端位置之中，對如圖4所示的位于底部中央位置B、底部半徑半外位置B-R、角部內側位置R、角部上側位置R-W、壁部中間位置W1、壁部上側位置W2等6處進行了溫度測量。其結果， 如圖5所示，溫度的標準偏差在角部上側位置R-W以及角部內側位置R中最大。因此，通過測量該角部的溫度，特別是角部上側位置R-W的溫度，能夠最準確地測量坩堝制造中熔化溫度的偏差。從而，能夠檢測到在其他部位的測量結果中無法檢測出的細微溫度變化，并反饋到制造條件，從而更進一步精密地控制坩堝內表面的特性。進而，通過將角部特別是角部上側位置R-W設定為溫度測量位置，從而在電弧熔化時對應熔化玻璃因重力而從壁部流下的情況、熔化玻璃由于自底部的離心力而聚集的情況，即，角部的厚度尺寸相較于設定值變得過大等的情況，能夠檢測出其溫度變化。這在將其他部分設定為測量位置的情況下是檢測不到的。其結果，通過測量角部的溫度變化來控制模具旋轉數或者供給電力、電極位置狀態、電極相對位置狀態等，以此防止氧化硅玻璃坩堝的厚度尺寸脫離設定值的分布狀態及其容許范圍，由此能夠制造尺寸精度更準確的氧化硅玻璃坩堝。此外，上述氧化硅玻璃坩堝制造裝置也可以具備控制部，該控制部根據來自上述溫度測量部的測量結果，變化供給到上述碳電極的電力、碳電極位置狀態、模具與碳電極的相對位置狀態、模具位置狀態的任意一項，以此控制氧化硅玻璃的熔化狀態。在此種情況下，能制得更精密地設定坩堝內表面特性的氧化硅玻璃坩堝。在此，所謂“碳電極位置狀態”，是指作為多個電極相互所呈角度的電極展開程度或電極前端的水平方向分離狀態或者電極前端的高度方向分離狀態，或者作為由多個電極形成的電弧火焰的噴出方向規定的電極中心方向的指向等。此外，“模具與碳電極的相對位置狀態”包含模具旋轉軸方向與電極中心方向之間的相對位置關系、模具與視為電弧發生位置的電極前端之間的相對高度位置關系(高度)，或者模具與視為電弧發生位置的電極前端之間的相對水平方向位置關系(偏心等)。此外，“模具位置狀態”包含模具旋轉中心軸線的方向等。此外，本發明提供一種氧化硅玻璃坩堝的制造方法，該方法具備向模具內部供給氧化硅粉來形成氧化硅粉層的氧化硅粉供給工序，以及用多根碳電極的電弧放電來熔化氧化硅粉層的電弧熔化工序，其中，至少在上述電弧熔化工序中具備溫度測量工序，在該溫度測量工序中利用作為輻射溫度計的溫度測量部檢測出波長4. 8 5. 2 μ m的輻射能來對上述模具內的熔化部分進行溫度測量。根據該氧化硅玻璃坩堝制造方法，由于對從電弧熔化工序即將開始前到冷卻工序的開始或者結束為止熔化的氧化硅進行溫度測量，所以能夠對在如超過2000°C的激烈環境下熔化的氧化硅表面附近的溫度狀態進行實時準確的測量，因此，可以更加輕易且準確地掌握對氧化硅玻璃坩堝制造所必需的熔化狀態。藉此，能夠正確反饋于制造條件，進而更精密地控制制造條件。過去，雖然在22英寸(55. 88cm)左右為止的小口徑坩堝制造過程中未認識到，但是在23英寸(58. km) 40英寸(116cm)以上的大口徑坩堝中，因表面溫度發生不均勻， 其結果有時在坩堝內表面特性上呈面內分布狀態，然而，根據本發明由于能夠實時地測量溫度，能夠防止發生此種溫度不均勻現象，能夠制造具備以圓周方向均勻的內表面特性的氧化硅玻璃坩堝。
此外，在上述溫度測量工序中，上述溫度測量部也可透過由BaF2或CaF2構成的過濾器進行溫度測量。該種情況下，不能降低用于溫度測量的光的強度。此外，在上述溫度測量工序中，也可將上述溫度測量部的測量溫度范圍設定為 400 。該種情況下，能夠在400 的寬廣的溫度范圍內連續觀測在氧化硅玻璃坩堝制造中氧化硅粉及其氧化硅粉熔化的狀態。此外，在上述溫度測量工序中，也可將上述溫度測量部的輻射能檢測位置設定為氧化硅玻璃坩堝的角部。該種情況下，溫度測量的正確性提高，能夠測量出其他部位測量不出的熔化狀態的變化。此外，在上述溫度測量工序中，也可根據來自上述溫度測量部的測量結果，變化供給于上述碳電極的電力、碳電極位置狀態、模具與碳電極的相對位置狀態、模具位置狀態的任意一項，來控制氧化硅玻璃的熔化狀態。該種情況下，能夠制造出坩堝內表面特性設定得更精密的氧化硅玻璃坩堝。發明效果根據本發明，具備如下效果通過實時準確地測量熔化中的氧化硅玻璃的溫度，以此防止在溫度狀態過高的情況下角部厚度超過設定范圍的現象，或者，防止溫度變化對單晶硅提拉造成的不良影響的坩堝內表面特性參數發生變化，以此制造具備合適坩堝特性的氧化硅玻璃坩堝。


圖1是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造裝置的一實施方式的示意主視圖。圖2是表示圖1中的碳電極位置的示意俯視圖(a)、示意側視圖(b)。圖3是表示光譜透射率與波長之間關系的圖表。圖4是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造裝置的一實施方式中模具與溫度測量位置之間關系的截面圖。圖5是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造裝置的一實施方式中溫度測量位置的溫度偏差的圖表。圖6是表示坩堝溫度的反饋控制方法的概念圖。圖7是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造方法的一實施方式的流程圖。圖8是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造方法的一實施方式的進行電弧熔化的工序的流程圖。圖9是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造方法的一實施方式的進行溫度控制的工序的流程圖。圖10是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造方法的一實施方式的高度位置設定的時間變化的圖表。圖11是表示本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造方法的一實施方式的測量溫度狀態的時間變化的圖表。圖12是對圖11的t3附近進行擴大的圖表。圖13是在本發明相關的氧化硅玻璃坩堝制造方法的一實施方式中，將輻射溫度計放入遮蔽體SSl內部的情況下的示意主視圖。
具體實施例方式以下，對本發明涉及的氧化硅玻璃坩堝制造方法及氧化硅玻璃坩堝制造裝置的一實施方式按照附圖進行說明。圖1是表示本實施方式中氧化硅玻璃坩堝制造裝置的局部的示意主視圖，在圖中，符號1為氧化硅玻璃坩堝制造裝置。本實施方式的氧化硅玻璃坩堝制造裝置1，如圖1所示，具備根據未圖示的旋轉單元能夠旋轉并規定氧化硅玻璃坩堝的外形的模具10，通過向模具10的內部以規定厚度供給原料粉(氧化硅粉)來形成氧化硅粉層11。該模具10的內部，設置有多個貫通內表面的同時連接于未圖示的減壓部的通氣口 12，以能使氧化硅粉層11的內部減壓。模具上側位置設置有作為電弧放電單元連接于未圖示的電力供給部的碳電極13，以能對氧化硅粉層11進行加熱。此外上述電力供給部沒有特別的限定，不過例如可參照《日本公開專利特開2007-317651》所述的電弧爐電力供給設備。氧化硅玻璃坩堝制造裝置1，至少包括以下部分即，對上述模具內的熔化部分的氧化硅粉層11進行溫度測量的溫度測量部，以及控制部，該控制部根據該溫度測量部的測量結果，變化供給于碳電極13的電力、碳電極13位置狀態、模具10和碳電極13的相對位置狀態、模具10位置狀態的任意一項，來控制氧化硅玻璃熔化狀態。碳電極13，通過連接于上述控制部的電極位置設定部20，如圖中箭頭T所示設置為可上下移動，能進行高度方向位置H的設定。同時，碳電極13，可通過電極位置設定部20 變化電極展開程度，如圖中箭頭D所示進行電極間距離D等設置，并且也可利用該電極位置設定部20設定與模具10之間的高度以外的相對位置。氧化硅玻璃坩堝制造裝置1在300kVA 12，OOOkVA的輸出范圍內，作為利用多個碳電極13進行電弧放電來加熱熔化非導電性對象物(氧化硅粉)的高輸出裝置，具備對模具10內的熔化部分進行溫度測量的溫度測量部的輻射溫度計Cam。圖2是表示圖1中碳電極位置的示意俯視圖2(a)、示意側視圖2(b)。碳電極13，例如，為了進行交流3相(R相、S相、T相)的電弧放電，由相同形狀的電極棒構成，如圖1、圖2所示為如頂點在下方的倒三角錐形，各軸線13L相互所呈角度設定為Θ1。電極數量、配置狀態、供給電力方式不限定于上述構成，也可采用其他構成。碳電極13，由粒徑為0. 3mm以下、優選為0. Imm以下、更優選為0. 05mm以下的高純度碳粒子形成，其密度為1. 30g/cm3 1. 80g/cm3或1. 30g/cm3 1. 70g/cm3時，能夠使配置于電極各相的碳電極之間的密度差成為0. 2g/cm3以下，具備如此高的均質性。電極位置設定部20，如圖1所示具備支持碳電極13能設定其電極間距離D的支持部21 ；可使該支持部21做水平方向移動的水平移動單元；以及可使多個支持部21及其水平移動單元為一體進行上下方向移動的上下移動單元。在支持部21中，具備旋轉單元，該旋轉單元支持碳電極13能圍繞角度設定軸22 進行旋轉，來控制角度設定軸22的旋轉角度。調節碳電極13電極間距離D，如圖1箭頭所示在利用旋轉單元控制碳電極13角度，并且利用水平移動單元控制支持部21的水平位置。此外，可通過上下移動單元控制支持部21的高度位置，從而控制相對于電極前端部13a的氧化硅粉層11上端位置(模具開口上端位置)的高度位置H。此外，圖中僅對左端的碳電極13示出支持部21等，不過對于其他電極也以相同構成進行支持，也可分別對各碳電極13的高度進行控制。氧化硅玻璃坩堝制造裝置1至少具備對上述模具10內的氧化硅粉層11的熔化部分進行溫度測量的溫度測量部，作為該溫度測量部的輻射溫度計Cam位于分離進行電弧放電的爐內和爐外的間隔壁SS的外側，包括通過覆蓋設置于該間隔壁SS的窗部的過濾器 Fl來聚集熔化部分等來自測量對象的輻射能的光學系統；用該光學系統獲得聚光的譜的光譜單元；以及從上述光譜檢測出測量對象的光的檢測元件，連接于該檢測元件的模擬輸出或輸入設定單元的設定信號等所必要的其他信號進行既定的運算來測量溫度的控制部。輻射溫度計Cam，能夠通過檢測作為測量對象的固體或來自作為熔化狀態的氧化硅粉層11表面的輻射能光，并根據其檢測結果來測量溫度。例如，經由透鏡等光學系統來聚光上述輻射能光，通過光譜單元獲得上述光譜，再利用檢測元件從上述光譜檢測出所必要的信號。其次，檢測元件的模擬輸出信號，例如能夠以同步檢測器對每個波長進行分離，用放大器進行放大，經由多頻低分辨率的小比特的AD轉換器輸入控制部(CPU)，從而完成既定的運算處理，獲得所期望的溫度信號。能夠向LCD顯示器等顯示單元輸出該溫度信號，并且輸出到氧化硅玻璃坩堝制造裝置的控制部，反饋該溫度信息而對制造條件進行控制。作為該溫度測量部的輻射溫度計Cam，能夠將測量溫度范圍設定為400 ， 并且能夠檢測波長4. 8 5. 2 μ m的輻射能來測量溫度。該波長可以為4. 8、4. 9、5. 0、5. 1， 或5. 2 μ m，也可在其任意2個值的范圍內。使用輻射溫度計Cam時的測量直徑并未作特別的限定，不過例如可以為100、50、40，或30mm以下。若該測量直徑小，則容易測量熔化部分正確的溫度，測量直徑優選小至一定程度，在上述范圍內特別優選為30mm以下。此外，上述測量溫度范圍可以在400、700、1000、1500、2000、2500，或的任意2個值的范圍內。圖3是表示光譜透射率與波長之間的關系的圖表。本實施方式的輻射溫度計Cam的測量溫度范圍能設定為400 。這是由于本實施方式的氧化硅玻璃坩堝制造裝置中影響制得的氧化硅玻璃坩堝的坩堝特性的溫度范圍能夠被該范圍所囊括，因此在低于上述范圍的范圍內對坩堝特性帶來的影響較小，測量溫度幾乎沒有意義，此外設定高于上述范圍的范圍作為測量范圍時，由于需要特殊裝置而使成本上升，并且實際制造中會超出溫度范圍，因此不推薦。此外，將本實施方式的輻射溫度計Cam的測量波長設定為上述范圍，即可避開圖3 所示的認為由電弧放電中的碳電極13產生的作為CO2吸收帶的波長4. 2 4.6 μ m，排除CO2 吸收給溫度測量帶來的影響。此外，由于設定為4. 8 μ m以上，氧化硅玻璃的透射率成為0， 因此能夠輕易測量氧化硅玻璃表面。進而，避開包含于氧化硅玻璃坩堝制造環境的大氣的 H2O吸收帶的波長5. 2 7. 8 μ m，能夠排除H2O吸收對溫度測量的影響。本實施方式的溫度測量部也可以具備由BaF2或CaF2構成的過濾器F1。實施方式的溫度測量部，通過不采用降低BaF2或CaF2透射率的8. 0 μ m 14 μ m的波長范圍，能夠防止透射率的降低，提高溫度測量的準確性。此外，一般制造的硅酸鹽玻璃至2. 5 μ m左右的紅外線顯示出高透明性，不過若為其以上的波長，由Si-O結合的振動引起光吸收而使透射率急劇降低，幾乎變得無法透過。 不具有Si-O結合的玻璃相較于硅酸鹽玻璃更容易透過紅外線，不過因其穩定性、化學耐久性較弱，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，具備實用且高透射率的玻璃可列舉氟化物玻璃。氟化物玻璃具有出色的穩定性、化學耐久性，在從紫外到紅外的寬廣的波長范圍內具有高透明性。因此，如果用由上述BaF2或CaF2構成的過濾器Fl就能夠進行高精度的測量。本實施方式的溫度測量部的輻射能檢測位置，也可為氧化硅玻璃坩堝的角部。角部是由于在氧化硅玻璃坩堝制造時玻璃聚集而最易變形的部分。為此，溫度的偏差容易變大。從而通過控制角部的溫度，能夠更進一步精密控制坩堝內表面的特性，并且能夠制造具有更優選的坩堝特性的氧化硅玻璃坩堝。此外，作為角部變形的原因，可列舉玻璃粘度變化導致壁部玻璃落下(重力)或底部玻璃聚集(離心力)。圖4是表示本實施方式的模具與溫度測量位置之間關系的截面圖。在旋轉模具10中，從對應于氧化硅玻璃坩堝的氧化硅粉層11內表面的底部(下部)中心到開口部(緣部)上端位置為止，如圖4所示對底部中央位置B、底部半徑半外位置B-R、角部內側位置R、角部上側位置R-W、壁部中間位置W1，壁部上側位置W2中的6處進行溫度測量的結果，溫度的標準偏差最大的是如圖5所示的角部上側位置R-W，其次大的是角部內側位置R。因此，通過對角部上側位置R-W、角部內側位置R附近，即角部進行測量， 檢測出在其他部位的測量結果所無法檢測出的程度的溫度變化，反饋于制造條件，能夠更進一步精密地進行坩堝內表面特性的控制。此外，所謂“角部”，是指在加熱溫度上升時，熔化部分從壁部落下或由于模具10 的離心力熔化部分從底部移動，從而使坩堝壁厚增大的部分。本說明書中所謂的“角部”，是指光滑地連接呈圓筒形的壁部與有一定曲率半徑的底部的部分，沿著坩堝內表面從底部中央位置(中心)向緣部上端位置，在底部中從設定的曲率半徑開始變化的部分至成為壁部曲率半徑(圓筒形的情況下為無限大)之間的部分。此外在上述測量位置之中，“底部半徑半外位置B-R”是底部中央位置B與底部的邊緣部的半徑方向的中間位置；“角部內側位置R”是角部中底部中央側位置B，即上述曲率半徑開始變化的部分；所謂“角部上側位置R-W”是角部與壁部的邊界位置即上述曲率半徑變化結束的部分；“壁部中間位置W1”是從角部到壁部上端(緣部上端)位置W2的中間位置。此外，在坩堝半徑為22英寸 32英寸(0.5588m 0.8U8m)的情況下，在上述底部中被設定的曲率半徑可以為550、650、750、850，或900mm，也可以在這些任意值的范圍內。在本實施方式中，連接輻射溫度計和測量點的觀測線能夠在距離碳電極IOOmm以上的狀態下進行溫度測量。藉此，能夠降低在碳電極附近發生的電弧火焰的影響與電極輻射的影響，而提高溫度測量的準確性。如果離電極比上述范圍還要近，由于會降低溫度測量的準確性，因而不推薦，此外如果與碳電極13分離超過坩堝半徑的距離，則相對于坩堝口徑設定距離變大而無法測量既定的測定點的溫度，或者降低來自測定點的輻射量使輻射溫度計的輸出不足，從而無法進行準確的溫度測量，因此不推薦。此外作為氧化硅粉，針對內面層主要可以使用合成氧化硅粉，針對外表面層可以使用天然氧化硅粉。
在此，所謂“合成氧化硅粉”是指由合成氧化硅制成的物質，合成氧化硅是化學合成/制造出的原料，合成氧化硅玻璃粉為非晶質。由于合成氧化硅的原料為氣體或液體，能夠容易精制，因此合成氧化硅粉的純度能夠高于天然氧化硅粉。作為合成氧化硅玻璃原料， 有四氯化硅等氣體原料來源和如硅醇鹽的液體原料來源。合成氧化硅玻璃能夠將全部金屬雜質控制于0. Ippm以下。在使用溶膠-凝膠法時，合成氧化硅粉中通常殘留50 IOOppm由加水分解醇鹽而生成的硅烷醇。在以四氯化碳作為原料的合成氧化硅玻璃中，雖然能在0 IOOOppm的大范圍內控制硅烷醇，不過通常包含IOOppm左右以上的氯。如果以醇鹽為原料，能輕易制得不含氯的合成氧化硅玻璃。使用溶膠-凝膠法制得的合成氧化硅粉如上所述在熔化前含有50 IOOppm左右的硅烷醇。若對此進行真空熔化會發生硅烷醇的脫離，而使制得的氧化硅玻璃的硅烷醇的含量降低至5 30ppm左右。另外，硅烷醇量根據熔化溫度、升溫溫度等的熔化條件的不同而不同。在同等條件下熔化天然氧化硅粉而得的玻璃的硅烷醇量不滿5ppm。一般認為，在高溫下合成的氧化硅玻璃的粘度低于熔化天然氧化硅粉制得的氧化硅玻璃。作為其原因之一，可列舉為是因為硅烷醇、鹵切斷SiO4四面體的網眼結構。測量熔化合成氧化硅粉而得的玻璃的光透射率，發現其能夠被波長至200nm左右的紫外線透過，可知該種玻璃與以用于紫外線光學用途的四氯化碳為原料的合成氧化硅玻璃具有相似的特性。測量以波長M5nm的紫外線激勵熔化合成氧化硅粉而得的玻璃獲得的熒光譜，未發現與天然氧化硅粉的熔化制品類似的熒光峰值。此外，所謂“天然氧化硅粉”是指由天然氧化硅制得的物質，所謂“天然氧化硅”是挖出自然界存在的石英原石，經過粉碎、精制等工序制得的原料，天然氧化硅粉由α-石英的結晶構成。天然氧化硅粉中包含Ippm以上的Al、Ti。然后含有其他金屬雜質的水平也高于合成氧化硅粉。天然氧化硅粉幾乎不含硅烷醇。熔化天然氧化硅粉而得的玻璃的硅烷醇含量為< 50ppm。測量由天然氧化硅粉制得的玻璃的光透射率，發現由于作為主要雜質包含約Ippm 的Ti，將波長降低至250nm以下時透射率急速下降，在波長200nm的條件下幾乎不能透射。 此外，在M5nm附近可觀測到缺氧缺陷引起的吸收峰值。此外，在天然氧化硅粉的熔化物質中，測量以波的紫外線激勵而得的熒光光譜，則能夠在^Onm和390nm下觀測到熒光峰。這些熒光峰由玻璃中的缺氧缺陷所引起。通過測量含有的雜質濃度、或測量硅烷醇量的不同或光透射率、測量以波長M5nm 的紫外線激勵而得的熒光光譜，能夠辨別出玻璃材料是天然氧化硅還是合成氧化硅。在本發明中，作為原料采用氧化硅粉，而氧化硅粉既可為合成氧化硅粉，也可為天然氧化硅粉。天然氧化硅粉，既可為石英粉，也可為水晶、硅砂等作為氧化硅玻璃坩堝原材料的已知材料的粉末。此外，氧化硅粉可以為結晶、非結晶、玻璃狀態之中的任何一種。下面根據附圖，對本實施方式的氧化硅玻璃坩堝的制造方法進行說明。圖6是表示本實施方式的氧化硅玻璃坩堝制造方法中的坩堝溫度的反饋控制方法的概念圖。該反饋控制方法，采用具備碳電極、輻射溫度計、紅外線透射過濾器、溫度調節系統、控制系統和電極位置設定部的裝置實施。該反饋控制方法，利用上述碳電極產生電弧放電來加熱熔化模具內非導電性對象物(氧化硅粉)，然后使用輻射溫度計隔著紅外線透射過濾器檢測加熱熔化部分(測量點) 中波長4. 8 5. 2 μ m的輻射能。在輻射溫度計中，用光學透鏡等聚光上述輻射能，轉換為與輻射能成比例的溫度測量值，向溫度調節系統輸出電流或電壓。溫度調節計，比較上述溫度測量值和最佳熔化溫度，轉換為適合的操作輸出值，向控制系統輸出電流或電壓。控制系統按照上述操作輸出值進行電流值控制、電極展開程度控制或模具高度控制。藉此，可改變供給于碳電極的電力、碳電極位置狀態、模具與碳電極之間的相對位置狀態、模具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”，可根據經驗或模擬等計算手法求得。譬如，對多個坩堝，在制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硅粉層的內表面隨著時間各自有怎樣的溫度變化的溫度數據。另一方面，用這樣制造的多個坩堝，分別根據CZ法以1400°C以上的高溫提拉單晶硅。然后，從有關使用CZ法能夠高效穩定地制造品質優良的單晶硅的坩堝的上述各溫度數據，根據經驗或計算手法決定在氧化硅粉層加熱熔化時的氧化硅粉層內表面隨時間的最佳溫度。圖7、8及9是表示本實施方式的氧化硅玻璃坩堝制造方法的一個例子的流程圖。該氧化硅玻璃坩堝的制造方法，是以使用圖1所示的氧化硅玻璃坩堝制造裝置1 的旋轉模具法來制造。即，如圖7所示，具備氧化硅粉供給工序(S701)、電極初始位置設定工序670 、電弧熔化工序(S703)、冷卻工序(S704)、取出工序(S7(^)以及后處理工序 (S706)。在氧化硅粉供給工序(S701)中，通過向模具10內表面堆積氧化硅粉來形成氧化硅粉層11。該氧化硅粉層11由模具10旋轉的離心力保持于內壁面。在電極初始位置設定工序670 中，如圖1、圖2所示，使用電極位置設定部20設定電極初始位置，以使碳電極13維持如頂點在下方的倒三角錐形，且各軸線13L相互維持角度Θ1，如圖2所示，前端13a相互接觸。同時，設定作為從模具10邊緣到電極前端的高度尺寸的電極高度位置H，或者作為由碳電極13形成的倒三角錐中心軸的電極位置中心軸與模具10旋轉軸線的位置及角度組成的模具-電極相對位置狀態的初始狀態。在電弧熔化工序(S70;3)中，通過設定電極13的位置，用電弧放電部對保持的氧化硅粉層11進行加熱，并且用減壓通路12進行減壓，熔化氧化硅粉層11而形成氧化硅玻璃層。此外，電弧熔化工序(S70;3)中可將碳電極13的高度位置變化至如圖10所示的位置。即，以Hl表示的位置作為電極初始位置設定工序670 中碳電極13的高度位置，從時刻t0開始以電力供給開始工序(S801)進行電流供給，從時刻tl開始以電極位置調整工序(SSO》降低高度位置，在時刻t2的高度位置為H2，在時刻t3以電流供給結束(S807)停止電流供給。電弧熔化工序(S70;3)具備電力供給開始工序(S801)、電極位置調整工序 (S802)、模具內部溫度測量工序(S803)、判斷模具內部的溫度是否為最佳熔化溫度加減 15°C以內的判斷工序(S804)、電弧熔化部分的溫度控制工序(S805)、判斷是否為電弧熔化結束時刻的判斷工序(S806)，以及電力供給結束工序(S807)。在電力供給開始工序(S801)中，從未圖示的電力供給部以如上所述設定的電量開始對碳電極13進行電力供給。在該狀態下，不發生電弧放電。在電極位置調整工序(SSO》中，電極位置設定部20根據碳電極13是否維持如頂點在下方的倒三角錐形，通過變更其角度來擴大電極間距離D。隨著進行電極位置調整(S802)，會在2個碳電極13之間發生放電。此時，為使各碳電極13中的電力密度成為 40kVA/cm2 l，700kVA/cm2，利用電力供給部控制供給電力。進而，為滿足在維持角度Θ1 的狀態下熔化氧化硅粉層11所必要的熱源的條件，用電極位置設定部20設定電極高度位置H等模具-電極相對位置狀態。在模具內部的溫度測量工序(S803)中，利用輻射溫度計Cam檢測來自為熔化狀態的氧化硅粉層11表面的輻射能光，根據其檢測結果來測量溫度。然后，判斷其溫度是否在最佳熔化溫度加減15°c以內(S804)。此時，若不在加減15°C以內，進行電弧熔化部分的溫度控制(S805)。另一方面，若在加減15°C以內，進行是否為電弧熔化結束時刻的判斷(S806)。如果不是電弧熔化結束時刻，則，繼續進行電弧熔化，重復上述電極位置調整工序(S802)之后的工序至被判斷為電弧熔化結束時刻為止。若被判斷為電弧熔化結束時刻，則結束對各碳電極13的電力供給 (S807)，而進行冷卻(S704)。在電弧熔化部分的溫度控制工序(S805)中，判斷電弧熔化部分的溫度是否高于最佳熔化溫度加15°C (S901)，進而，判斷是否調整電力(S902或S907)或者是否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于最佳熔化溫度加15°C的情況下，a)降低電力并使模具與電極分離(S904)，或者b)不調節模具與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與電極分離(S906)。在電弧熔化部分的溫度低于最佳熔化溫度減15°C的情況下，d)提高電力并使模具與電極之間的相對位置靠近(S909)，或者e)不調節模具與電極之間的相對位置而提高電力(S910)，或者f)不調節電力而使模具與電極靠近(S911)。在此，判斷是否調整上述電力的工序和判斷是否調整上述相對位置的工序，可以先進行任意一項判斷，也可以同時進行判斷。上述電力，可通過電力供給部控制供給電力，使各碳電極13的電力密度成為40、 100、500、1000、1500或1，700kVA/cm2，或在那些任意2個值的范圍之內。使模具與電極分離時，可利用電極位置設定部20使電極的位置遠離模具，也可利用控制系統使模具的位置遠離電極。使模具與電極靠近時，可利用電極位置設定部20使電極的位置靠向模具，也可利用控制系統使模具的位置靠向電極。在電力供給結束工序(S807)中，在氧化硅粉層11成為既定的狀態之后，停止電力供給部的電力供給。通過該電弧熔化，熔化氧化硅粉層11來制造氧化硅玻璃坩堝。在該電弧熔化工序(S70;3)中，利用未圖示的控制部來控制模具10的旋轉狀態。冷卻工序(S704)，是在停止電力供給之后冷卻氧化硅玻璃層。其后，作為取出工序(S705)，從模具10取出氧化硅玻璃坩堝。然后，作為后處理工序(S706)，通過向外周面噴射高壓水的珩磨處理、使坩堝高度尺寸成為既定的尺寸的緣部切割處理、用氟酸等清洗坩堝內表面的清洗處理等工序來制得氧化硅玻璃坩堝。
在本實施方式中，在上述電弧熔化工序(S70;3)及冷卻工序(S704)中，可用溫度測量部測量模具內部的溫度。此時，能夠測量從電力供給開始(S801)到取出(S705)前的溫度。而且，也可僅對這些工序中的一部分進行溫度測量。圖10是表示在本實施方式的氧化硅玻璃坩堝制造方法中高度位置設定的時間變化的一個例子的圖表。具體來說，如圖10所示，電極初始位置設定工序670 中的高度位置是以Hl表示的狀態，在電力供給開始工序(S801)中從時刻t0開始進行電力供給，從時刻tl開始通過電極位置調整工序680 降低高度位置，在時刻t2的高度位置是以H2表示的狀態，電力供給結束工序(S807)中在時刻t3停止電力供給。圖11是表示利用溫度測量部測量的溫度的時間變化的一個例子的圖表。該圖表從溫度波動少且形狀比較光滑來看，可知本實施方式的氧化硅玻璃坩堝制造方法能夠更加精密地控制熔化工序的溫度。因此，通過該制造方法能夠在多組間制造構造差小的高品質氧化硅玻璃坩堝。圖12是為進一步詳細驗證，而擴大圖11所示的t3中的溫度狀態的圖表。圖12 表示在電弧放電停止的時刻t3前后作為模具內部熔化狀態的氧化硅的溫度連續的狀態， 可知其能夠準確測量氧化硅溫度。此外，在本實施方式中，將作為溫度測量部的輻射溫度計設置于電弧爐的間隔壁 SS的外側，然而如圖13所示，也可收容于遮蔽體SSl的內部。此時，遮蔽體SSl中設置有過濾器F1。以上是對本發明的實施方式進行的敘述，不過這些是本發明的例示，也可采用上述以外各種各樣的構成。此外，也可組合采用上述實施方式記載的構成。[實施例]以下，根據實施例進一步對本發明進行說明，不過本發明并不限定于這些。作為本發明的實施例，在表1的實施例1 9所示的條件下制造了 9個、在表1的比較例1 2所示的條件下制造了 2個口徑為610mm(M英寸)的氧化硅玻璃坩堝。此時， 用圖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作為如圖10所示的基準位置的隨時間變化。在從時刻t0到tl為高度位置HI、從時刻t2到t3為高度位置H2， 并且各高度位置設定為Hl > H2。同時，用輻射溫度計測量表示于圖4的位置R-W的電弧熔化中的溫度，相對于如圖 8 9所示預先設定的最佳熔化溫度，通過對高度位置H進行微調整以及對供給電力進行微調整，來使測量溫度的容許范圍控制于士 15°C。此外在電弧熔化工序中，通過控制電極位置或模具高度，使得溫度測量部位跟蹤噴射電弧部位而進行。測量溫度范圍設定為400 2800 "C。此外，在以上制造條件中，在僅設定高度位置，而不進行溫度測量、高度位置H的微調整以及供給電力的微調整的條件下，制造1個氧化硅玻璃坩堝作為比較例3。用如此制造的氧化硅玻璃坩堝提拉單晶硅，調節提拉出的硅錠的單晶收獲率，以如下所示的基準進行判定，并將其結果表示在下列表1中。此外對于單晶收獲率，以單晶硅錠表面的晶癖(crystal habit)線的偏差目測確認了結晶位錯(dislocation)的有無。◎(優良)…單晶收獲率超過70%，顯示出出色的結晶特性。
〇(良)…單晶收獲率為50 70%，在容許范圍內。Δ (有問題)…單晶收獲率為50 40%，結晶缺陷多。X (特別有問題)···單晶收獲率不滿40%，結晶缺陷特別多。表1
權利要求
1.一種氧化硅玻璃坩堝制造裝置，其特征在于包括供給氧化硅粉來形成氧化硅粉層的坩堝成形用模具；具備多個碳電極及電力供給部， 且通過電弧放電對上述氧化硅粉層進行加熱熔化的電弧放電部；以及至少對上述模具內熔化部分進行溫度測量的溫度測量部，其中，上述溫度測量部是通過檢測波長4. 8 5. 2 μ m的輻射能來測量溫度的輻射溫度計。
2.如權利要求1所述的氧化硅玻璃坩堝制造裝置，其特征在于上述溫度測量部具備由BaF2或CaF2構成的過濾器。
3.如權利要求1所述的氧化硅玻璃坩堝制造裝置，其特征在于在上述溫度測量部中， 將測量溫度范圍設定為400 ^00°C。
4.如權利要求1所述的氧化硅玻璃坩堝制造裝置，其特征在于上述溫度測量部的輻射能檢測位置設定為氧化硅玻璃坩堝的角部。
5.如權利要求1至4中任一項所述的氧化硅玻璃坩堝制造裝置，其特征在于進一步具備控制部，該控制部根據上述溫度測量部的測量結果，改變對上述碳電極供給的電力、碳電極位置狀態、模具與碳電極之間的相對位置狀態、模具位置狀態中的任一項，以此控制氧化硅玻璃熔化狀態。
6.一種氧化硅玻璃坩堝制造方法，其特征在于包括向上述模具內部供給氧化硅粉來形成氧化硅粉層的氧化硅粉供給工序，以及根據多根碳電極的電弧放電來熔化氧化硅粉層的電弧熔化工序；其中，至少在上述電弧熔化工序中具備溫度測量工序，該溫度測量工序根據作為輻射溫度計的溫度測量部檢測出波長4. 8 5. 2 μ m的輻射能，以此對上述模具內的熔化部分進行溫度測量。
7.如權利要求6所述的氧化硅玻璃坩堝制造方法，其特征在于在上述溫度測量工序中，上述溫度測量部隔著由BaF2或CaF2構成的過濾器透過上述輻射能來進行溫度測量。
8.如權利要求6所述的氧化硅玻璃坩堝制造方法，其特征在于在上述溫度測量工序中，將上述溫度測量部的測量溫度范圍設定為400 ^00°C。
9.如權利要求6所述的氧化硅玻璃坩堝制造方法，其特征在于在上述溫度測量工序中，將上述溫度測量部所進行的輻射能檢測位置設定為氧化硅玻璃坩堝的角部。
10.如權利要求6至9中任一項所述的氧化硅玻璃坩堝制造方法，其特征在于在上述溫度測量工序中，根據來自上述溫度測量部的測量結果，改變供給于上述碳電極電力、碳電極位置狀態、模具與碳電極之間的相對位置狀態、模具位置狀態之中的任一項，以此控制氧化硅玻璃的熔化狀態。
全文摘要
在制造氧化硅玻璃坩堝時能夠準確測量制造中的溫度。本發明提供一種氧化硅玻璃坩堝制造裝置，該裝置通過向坩堝形成用模具內供給氧化硅粉末來形成氧化硅粉層，通過電弧放電加熱熔化該氧化硅粉層來制造氧化硅玻璃坩堝，該裝置具備供給氧化硅粉末來形成氧化硅粉層的模具；具備多根碳電極及電力供給部的電弧放電部；以及至少測量上述模具內熔化部分溫度的溫度測量部，上述溫度測量部是通過檢測波長4.8～5.2μm的輻射能來測量溫度的輻射溫度計。
文檔編號C03B20/00GK102531348SQ20111044479
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優先權日2010年12月31日
發明者鈴木江梨子, 須藤俊明 申請人:日本超精石英株式會社