(57)【要約】      （修正有）【課題】熔融室からの熱が隔壁を越えて広がることを防止することが可能なシリカガラスルツボ製造装置を提供する。【解決手段】モールドと複数のアーク電極とを備え、モールドの内側でシリカ粉層を加熱熔融してシリカガラスルツボを製造するためのシリカガラスルツボ製造装置であって、モールドが設置された下部区画と、電極駆動機構が設置された上部区画と、上部区画と下部区画とを隔る区画部材とを有し、区画部材には、電極が貫通する一以上の開口が設けられ、複数のアーク電極の内部に位置する揺動軸を中心に各別に揺動又は接触させる揺動手段を備え、複数のアーク電極は、揺動により互いの先端どうしが接近及び離間可能とされており、揺動軸は区画部材における上部区画側の開口の内側に位置する。【選択図】図１
0003174262.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
モールドと複数のアーク電極とを備え、前記モールドの内側でシリカ粉層を加熱熔融してシリカガラスルツボを製造するためのシリカガラスルツボ製造装置であって、
前記モールドが設置された下部区画と、電極駆動機構が設置された上部区画と、前記上部区画と下部区画とを隔る区画部材とを有し、
前記区画部材には、前記電極が貫通する一以上の開口が設けられ、
前記複数のアーク電極の内部に位置する揺動軸を中心に各別に揺動又は接触させる揺動手段を備え、
前記複数のアーク電極は、揺動により互いの先端どうしが接近及び離間可能とされており、
前記揺動軸は前記区画部材における前記上部区画側の開口の内側に位置する、シリカガラスルツボ製造装置。
【請求項２】
前記区画部材の前記開口において、下部区画側の開口のサイズが、上部区画側の開口のサイズよりも大きい、請求項１に記載のシリカガラスルツボ製造装置。
【請求項３】
前記複数のアーク電極は、その長手方向に揺動可能である、請求項１又は２に記載のシリカガラスルツボ製造装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、複数の電極によって発生させたアーク放電を熱源として、熔融炉内のシリカ粉層を熔融するシリカガラスルツボ製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハの原料となるシリコン単結晶は、チョクラルスキー（ＣＺ）法を用いて製造することができる。一般的なＣＺ法は、以下の手順を経て行われる。
・シリカガラスルツボ内に多結晶シリコンを収容する。
・上記多結晶シリコンを加熱し、シリコン融液とする。
・上記シリコン融液にシリコン種結晶を接触させる。
・上記シリコン種結晶をゆっくりと回転させながら引き上げ、シリコン単結晶を育成する。
このとき、シリコン融液に不純物が混入することを避けるため、一般的に高純度のシリカガラスルツボが用いられている。
【０００３】
シリカガラスルツボは、回転モールド法を用いて製造することができる。一般的な回転モールド法は、以下の手順を経て行われる。
・回転させたモールド（以下、回転モールドと称する）の内表面に、シリカ粉を投入する。
・回転モールドの内表面に、遠心力を利用してシリカ粉を堆積させて、シリカ粉層を形成する。
・回転モールド側からシリカ粉層を減圧しながら、シリカ粉層をアーク放電により加熱熔融（以下、アーク熔融と称する）することによってシリカガラス層を形成する（例えば、特許文献１）。
【０００４】
ここで、上記アーク熔融は高温下で行われ、熔融部分が2000℃を超えることもある。このとき、熔融状態下において、シリカガラスの品質低下の原因となるいくつかの現象が起きることが知られている。例えば、アーク放電によって電極表面が燃焼する際に遊離した炭素粒子が落下し、ルツボ内面に付着することが知られている。また、熔融したシリカ粉末の一部が気化してシリカヒュームが発生し、そのシリカヒュームが電極表面に付着して凝集した後落下し、ルツボ内面に付着することが知られている。
【０００５】
そのような中、ルツボへの異物の混入を防ぐために用いられるシリカガラスルツボ製造用加熱炉が、特許文献２に記載されている。具体的には、モールドを載せる回転台、石英粉をアーク加熱する電極棒を備えた電極構造部、及び加熱室を有し、加熱室の回転台に向かって電極棒が突設され、電極棒の支持手段が加熱室の外部に設置されていることを特徴とする石英ルツボ製造用加熱炉が記載されている。
【０００６】
また、シリカヒュームや異物によるシリカガラスの品質低下をを防止するために用いられる石英ガラスルツボ製造装置が、特許文献３に記載されている。具体的には、モールドが設置された下部区画と、電極駆動機構が設置された上部区画と、それら上部区画と下部区画とを隔る区画部材とを有し、上記区画部材には、上記電極が貫通する一以上の連通路が設けられるとともに、上記上部区画内の気体と上記下部区画内の気体との交換が抑制されるように上記連通路内の気流を制御する気流制御機構を備えることを特徴とする石英ガラスルツボ製造装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願平11-236233号公報
【特許文献２】特開2003-313035号公報
【特許文献３】特開2011-93775号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】
シリカガラスルツボの製造時にシリカ粉層を適切に熔融させるためには、アーク放電の出力を調整することが求められる。また、アーク放電によりジュール熱を発生させるためには、始めに電極同士を接触させてショートさせる必要があるため、電極位置を調整することが行われる。
【０００９】
このために、電極の先端どうしを接近させたり、離間させたりすることにより、電極の先端間距離を調整することが行われる。このとき、上記文献２又は３のように電極が隔壁の開口を貫通しているシリカガラスルツボ製造装置を用いた場合、電極と隔壁とが接触するため、通常は開口をある程度広くする必要がある。開口をある程度広くしておかないと、電極又は隔壁の原料（例えば、炭素粒子又は金属粒子）が剥離して不純物を発生させ、熔融状態のシリカ粉層に混入するためである。特に炭素電極は脆いため、炭素電極のその表面が剥離しやすい。アーク放電中は、その電極は振動しているため、隔壁に接触して剥離しやすい。
【００１０】
そのような中本願考案者は、開口を大きくすると、開口から意図せぬ塵埃が熔融室に落下してしたり、熔融作業中に熱が隔壁の上方に侵入してしたりするという不具合が生じるということに気づいた。
【００１１】
本考案は、上記事情のもとで考え出されたものであって、アーク熔融時おける炭素電極又は隔壁の剥離を抑えつつ、熔融室からの熱が隔壁を越えて拡がることを抑制することが可能なシリカガラスルツボの製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本考案によれば、モールドと複数のアーク電極とを備え、上記モールドの内側でシリカ粉層を加熱熔融してシリカガラスルツボを製造するためのシリカガラスルツボ製造装置であって、
上記モールドが設置された下部区画と、電極駆動機構が設置された上部区画と、上記上部区画と下部区画とを隔る区画部材とを有し、
上記区画部材には、上記電極が貫通する一以上の開口が設けられ、
上記複数の電極の内部に位置する揺動軸を中心に各別に揺動させる揺動手段を備え、
上記複数の電極は、揺動により互いの先端どうしが接近及び離間可能とされており、
上記揺動軸は上記区画部材における上記上部区画側の開口の内側に位置する、シリカガラスルツボ製造装置が提供される。
【００１３】
この構成によれば、隔壁に設けられる開口を小さくすることができるため、熔融室からの熱が隔壁を越えて拡がることを抑制することができる。またこのシリカガラスルツボ製造装置は、揺動軸が上記区画部材における上記上部区画側の開口の内側に位置するため、電極と隔壁の接触が抑えられる結果、電極又は隔壁の剥離が生じにくいという効果を有する。
【考案の効果】
【００１４】
本考案によれば、アーク熔融時おける電極又は隔壁の剥離を抑えつつ、熔融中の熱が開口から隔壁を越えて広がってしまうことを抑制することが可能である。また、熔融準備作業中において、たとえば熔融室へと上記開口を通して塵埃を誤って落下させてしまうおそれが少ない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本考案にかかるシリカガラスルツボ製造装置の一例を示す図である。
【図２】図２は、図１に記載された装置の水平断面図である。
【図３】図３は、本考案に係るシリカガラスルツボの製造装置の電極配置状態を示す模式平面図であり、（ａ）は配置された電極を上方から見た斜視図、（ｂ）は配置された電極を側方から見た側面図である。
【図４】図４は、図１にかかるシリカガラスルツボ製造装置の揺動手段を示す図である。
【考案を実施するための形態】
【００１６】
以下、本考案の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
[第１実施形態]
図１は、本考案の１実施形態にかかるシリカガラスルツボの製造装置に関して説明するための概略正断面図であり、図２中のＩ−Ｉ線視断面図である。図２は、同じシリカガラスルツボ製造装置の平面図である。
【００１７】
この装置は、アーク火炎の発生する装置内と装置外とを遮断可能とされる側壁１で囲まれた装置室を有する。側壁１は、シリカガラスルツボ製造において必要な雰囲気ガス・温度・騒音・振動などの遮断（もしくはこれらの装置外での低減・緩和）が装置内外で可能なものであれば金属で形成されてもよく、コンクリート等の構造材でもよい。また少なくとも一部に耐熱セラミック等の耐熱材を用いてもよい。側壁１の平面視した形状は特に限定されず、後述するモールド２等を内部に収納する空間を形成可能であれば角筒状であっても、円筒状であってもよい。
【００１８】
側壁１の下部は、床部に設置され、装置底部（図示せず）に連接されて、この側壁１と上側に位置し後述する第１隔壁と下側に位置する床部とによりエアフロー的に外部と遮断可能または密閉可能な処理室（装置室あるいはアーク熔融炉）を形成している。側壁１の少なくとも一部に、後述するモールド２の搬入搬出あるいは作業員の出入りのために開閉可能な扉（図示せず）が設けられていてもよい。装置室内には、有底円筒状の内面を有するモールド２と、上記モールド２を駆動するモールド駆動機構４が設置されている。モールド駆動機構４はモールド２を駆動可能な状態であれば床部よりも下側などの装置室外側に設けられることも可能である。
【００１９】
モールド（回転モールド）２は、シリカガラスルツボの外形を規定する椀状の凹部が上向きに開口され内側（内表面）形状を有した有底円筒状とされ、その材質は、例えば、グラファイトで構成されていてもよい。このモールド２内部には、その内表面に貫通するとともに図示しない減圧手段に接続された通気口２ａが複数設けられ、モールド２内表面に形成されたシリカ粉末成形体３内部を減圧可能となっている。モールド駆動機構４は、モールド２を中心軸（円筒内面の中心軸）回りに回転駆動する。これに加え、回転軸（中心軸）線角度を変化しない水平移動および上下移動、回転軸線角度を変化させる傾斜等の駆動を組み合わせて行うものであってもよい。
【００２０】
装置室内におけるモールド２の上側には、平面視した装置室の略全面（側壁１で囲まれた全領域）に略水平な隔壁８が設けられ、この隔壁８によって装置室内におけるモールド２の上側空間が装置室の外部からエアフロー的に遮蔽されている。隔壁８は、装置室としてアーク加熱のおこなわれる装置下部区画を加熱をおこなわない装置上部区画から隔離・遮断している。本実施形態では隔壁８の外周形状は、側壁１の内面の形状によって規定される。
【００２１】
隔壁８には、後述するアーク発生位置となる装置室の中央部分から平面視して離れた位置である側壁１の近傍に、複数の排気口１２が平面視した装置室輪郭方向に複数等間隔で設けられている。この例では、１つの排気口１２が後述するアーク発生位置となる装置室の中心位置に対して平面視して対向する位置に配置されている。隔壁８は、排気口１２から上方に伸びるパイプ状の排気経路１４を通じて、排気装置１６に連通されている。排気装置１６には、ヒュームを捕集する集塵装置（図示せず）が装着されている。
【００２２】
隔壁８は、後述するアーク発生位置となる装置室の中心位置近辺に複数の開口を備える。この開口は、装置室の中心とされるモールド２直上に設定された中心点を囲む円周上に一定の間隔で配置されている。この例では、後述するアーク電極２２の本数に対応して３個の開口が円周上等間隔に配置されている。この開口は、下部区画側の下部開口１８と、上部区画側の上部開口２０を備える。上記下部開口１８は、隔壁８が下部区画と接している面と略同じ高さに位置していても良い。上記上部開口２０は、隔壁８が上部区画と接している面と略同じ高さに位置していても良い。
【００２３】
隔壁８は、下部開口１８と同数の上部開口２０を備えており、上部開口２０は、下部開口１８の上に一定の間隔で配置されている。この隔壁８に設定される上部開口２０が設けられる円周は、下部開口１８に係る円周の中心からひいた鉛直線上に中心点が置かれてもよく、第１隔壁に設定される円周の半径より大きい半径を有してもよい。また、下部開口１８と上部開口２０は、それぞれアーク電極２２を貫通可能なように相似する位置形状に平面配置される。
【００２４】
下部開口１８と上部開口２０によって、隔壁８を介して装置下部と装置上部を連通する連通路２１が形成され、この連通路２１を貫通して棒状のアーク電極２２が配置される。アーク電極２２は、ケーブルを介して交流電源５５に接続されている。アーク電極２２の本数は、連通路２１の数、すなわち開口の個数と同じであることが好ましい。この例では、三相３本のアーク電極２２を用いている。アーク電極は鉛直線に対し、５度〜４０度の傾角を有することが好ましい。アーク電極２２は、炭素棒であってもよい。アーク電極２２を炭素電極とする場合、かさ密度を所定範囲、例えば、１．３ｇ/ｃｍ３〜１．８ｇ/ｃｍ３に調整してもよい。アーク電極２２は、例えば、交流３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）のアーク放電をおこなうよう同形状の電極棒とされ、図３に示すように、下方に頂点を有するような逆三角錐状となるように、それぞれの軸線２２Ｌが角度θ１をなすようにそれぞれが設けられている。また、各電極２２への通電は図示しない制御手段によって制御可能となっている。図３において、電極２２の位置設定状態として、アーク噴出方向が電極位置中心軸線ＬＬと一致する状態として図示してある。電極の本数、配置状態、供給電力方式は上記の構成に限ることはなく、他の構成も採用することが可能である。
【００２５】
アーク電極２２を駆動する電極駆動機構２４は、第２隔壁８より上側に配置されている。電極駆動機構２４は、アーク電極２２の内部に配置される揺動軸５１を中心にアーク電極２２を各別に揺動させるものである。すなわち、この揺動は、揺動軸５１を中心として行われる。揺動軸５１は、アーク電極２２の長手方向と直角方向を指しており、本実施形態においては、上部開口２０の内側に位置している。これにより、上部開口２０のサイズを縮小化することが可能になる。また、揺動軸５１が上部開口２０の内側に位置しているため、電極と隔壁の接触が抑えられ、電極又は隔壁の剥離が生じにくくなる。また、下部開口１８のサイズが上部開口２０よりも大きくなることにより、アーク電極２２の揺動の自由度が大きくなる。第１隔壁の開口のサイズは、上記第２隔壁の開口のサイズよりも、例えば１．２、１．３、１．５、１．７、２．０、４．０、５．０倍、又は１０倍大きくてもよい。この倍数は、上記いずれかの値以上、又は範囲内であってもよい。この電極駆動機構２４は、例えば揺動軸５１を中心として回動自在となるように指示されたアーク電極２２を適宜の駆動装置により回動させることによって、例えば、図１に矢印によって示すように揺動させる構成となっている。このとき、電極は歳差運動することができる。即ち、揺動軸５１を中心として円を描くように振れることができる。
【００２６】
電極駆動機構２４は、図４に示すように、揺動規制板６１、保持部６２、Ｒガイド６３、揺動モータ６４、及び、進退モータ６５を備えていることもできる。揺動規制板６１は、互いに平行に配置された２枚の鋼板からなり、アーク電極２２に沿って延びてアーク電極２２と接続された支持板６１ａと、これに接続されてアーク電極２２の基部側から先端側に向かって電極の軸線から離間する方向に伸張する揺動位置規制板６１ｂとを有している。この揺動位置規制板６１ｂと、保持部６２とは、Ｒガイド６３によって互いに連結されている。Ｒガイド６３は、レール６３ａおよびスライドブロック６３ｂからなる。レール６３ａは、揺動軸５１を中心とする円弧形状とされており、揺動規制板６１に取り付けられている。スライドガイド６３ｂは、レール６３ａに対して摺動可能に嵌合しており、保持部６２に取り付けられている。また、揺動規制板６１には、ラック６１ｃが形成されており、保持部６２には、ラック６１ｃと噛み合うギア６２ａが設けられている。ラック６１ａは、レール６３ａと同心円形状とされている。ギア６２ａは、揺動モータ６４によって回転駆動される。揺動規制板６１は、電極５を電極５の長手方向に進退動可能に保持している。この保持には、複数のローラ６５ａが供されている。その一つのローラ６５ａには、進退モータ６５が運結されている。
【００２７】
揺動モータ６４の駆動により、アーク電極２２は揺動規制板６１と一体的に揺動する。この揺動は、揺動軸５１を中心として行われる。図４に示すように、揺動軸５１は、アーク電極２２の長手方向と直角方向を指しており、さらに平面視において複数のアーク電極２２で形成される中心位置を中心とする円の周方向を指している。複数のアーク電極２２を揺動させることにより、複数のアーク電極２２の先端どうしの電極間距離を調整して電極開度調節可能となっている。
【００２８】
なお、電極駆動機構２４は、側壁１、第２隔壁８に固定されていてもよく、装置上部から吊り下げる構成としてもよい。アーク電極駆動機構２４は伸縮および/または上下動により、アーク電極２２の先端部の位置を調整する。さらに鉛直線に対する傾きを調整して、複数のアーク電極２２のなす角度であるところの電極開度を設定することも可能である。
【００２９】
電極駆動機構（電極位置設定手段）２４は、アーク電極２２を、それらの電極先端間距離Ｄを設定可能として支持する支持部と、この支持部を水平方向に移動可能とする水平移動手段と、複数の支持部およびその水平移動手段を一体として上下方向に移動可能とする上下移動手段と、アーク電極２２の支持角度を変更可能とする回転角度設定手段とを有するものとされ、支持部においては、アーク電極２２が揺動軸５１周りに回転可能に支持され、揺動軸５１の回転角度を制御する回転手段を有している。
【００３０】
アーク電極２２の電極先端間距離Ｄおよび電極位置状態を調節するには、回転角度設定手段によりアーク電極２２の角度を制御するとともに、水平移動手段により支持部の水平位置を制御する。さらに、水平移動手段により電極中心軸線ＬＬとモールド回転軸線との水平方向位置を制御することができる。また、上下移動手段によって支持部の高さ位置を制御して各電極先端部２２ａのシリカ粉成形体３底部位置に対する高さ位置を制御することができる。同時に、回転角度設定手段によって、各アーク電極２２の角度をそれぞれ個別に設定してアーク火炎の発生方向（電極中心軸線）ＬＬを鉛直方向から角度ψ１だけ変位するように制御することが可能となる。
【００３１】
なお、図示しない上下移動手段によって、区画部材（天井）１０を側壁１に対して上下動可能に設定することで、アーク電極先端部２２ａの高さ位置を制御可能とすることができる。
【００３２】
次に、本実施形態にかかるシリカガラスルツボの製造方法について説明する。
まず、回転するモールド２の内面にシリカ粉末を堆積し、目的とするシリカガラスルツボの形状に略対応する粉末積層体３を形成する。ここで、天然シリカガラスを形成するためのシリカ粉（天然シリカ粉）は、α−石英を主成分とする天然鉱物を粉砕して粉状にすることによって製造することができる。合成シリカガラスを形成するためのシリカ粉（合成シリカ粉）は、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）の気相酸化（乾式合成法）や、シリコンアルコキシド（Ｓｉ（ＯＲ）４）の加水分解（ゾル・ゲル法）などの化学合成による手法によって製造することができる。
次いで、電極駆動機構２４および/またはモールド駆動機構４により、電極先端を粉末積層体３に対向する所定位地に配置する。
【００３３】
次いで、アーク電力供給前に排気装置１６を起動すると、排気経路１４を介して排気される。その後、モールド駆動機構４によりモールドの回転駆動を継続しつつ、アーク電極２２に所定電圧を印加し、アーク放電によってシリカ粉層を熔融し、ガラス化してシリカガラスルツボを製造する。
【００３４】
図１の矢印は排気装置１６を起動した際の気体の流れを概念的に示したものである。上記ガラス化の工程において、シリカ粉層が熔融する際、シリカ粉末の一部は気化してシリカヒュームが発生する。排気により、下部区画の気圧は、上部区画内の気圧に対し陰圧となるため、ヒュームを含む気体は、側方（径方向）へ移動して排気経路１４を介し、排気装置１６によって装置外へ排気される。そのため、ヒュームを含む気体が開口を通じて上部区画に侵入することは防止または抑制できる。また、熔融炉からの熱が開口を通じて上部区画に侵入することを抑制することができる。
【００３５】
なお、本考案は、上記で説明した実施形態には限定されない。
【００３６】
排気経路は隔壁から上方に伸びるパイプ状のものでもよく、又は、側壁に排気口をもうけ、排気装置に連通させてもよい。たとえば、側壁の外側に側壁を囲む筒体を設置し、上記筒体と側壁に囲まれる空間を排気経路として用いてもよい
【００３７】
次に、本実施形態に係るアーク放電熔融設備の作用について説明する。
【００３８】
本実施形態においては、排気装置１６による排気、および熔融中の被熔融物から生じる上昇気流によって、下部区画、排気口１２、排気経路１４へと順に継続的な気流が生じる。これにより、下部区画から生じる熱や塵などは、この気流に乗って排気装置１６からシリカガラスルツボ製造装置外へと排出される。したがって、上部区画の汚染を防止することができる。
【００３９】
また、隔壁８が水冷構造であることにより、気流の熱によって、隔壁８が変形することを回避することができる。
【００４０】
本実施形態では、アーク放電によって発する熱量の調整を目的として、複数のアーク電極２２の先端間距離を調節するには、各アーク電極２２を揺動させればよい。このとき、複数のアーク電極２２は周知の揺動手段によって揺動させることができる。
【００４１】
本考案に係るシリカガラスルツボ製造装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本考案に係るシリカガラスルツボ製造装置の各部の具体的な構成は、種々に設定変更自在である。
【符号の説明】
【００４２】
１  側壁
２  モールド
３  シリカ粉末積層体
４  モールド駆動機構
８  隔壁
１０  区画部材
１２  排気口
１４  排気経路
１６  排気装置
１８  下部開口
２０  上部開口
２１  連通路
２２  アーク電極
２４  電極駆動機構
５１  揺動軸
【図１】
0003174262.tif 000003
【図２】
0003174262.tif 000004
【図３】
0003174262.tif 000005
【図４】
0003174262.tif 000006