(57)【要約】【課題】電解純化処理時に石英成形体の変形を防止することができ、電解純化処理上の信頼性を高めることができる電解純化処理装置を提供する。【解決手段】石英成形体Ｓを炉体２内で加熱すると共に、前記石英成形体Ｓに電圧を印加して石英成形体中の不純物を移動させ、前記不純物を除去することにより、石英成形体Ｓを純化する電解純化処理装置において、前記石英成形体Ｓの長手方向が水平になるように、石英成形体Ｓが載置台４に載置され、この水平状態の石英成形体Ｓに対して電圧が印加される。【選択図】　　　図１
2004107148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英成形体を炉体内で加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加して石英成形体中の不純物を移動させ、前記不純物を除去することにより、石英成形体を純化する電解純化処理装置において、
前記石英成形体の長手方向が水平になるように、石英成形体が載置台に載置され、この水平状態の石英成形体に対して電圧が印加されることを特徴とする電解純化処理装置。
【請求項２】
前記載置台の上面に形成された凹部と、前記凹部内に収容された負極プレートと、前記負極プレートの上面に配置されたガラス粉とを備え、
前記石英成形体の外周面が、前記ガラス粉を介して負極プレートに電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載された電解純化処理装置。
【請求項３】
前記載置台の上面に形成された凹部の上方に配置された正極プレートを備え、前記石英成形体の外周面が、前記炭化珪素粉を介して正極プレートに電気的に接続されることを特徴とする請求項２に記載された電解純化処理装置。
【請求項４】
前記石英成形体の外周面を保持する規制部材が、前記載置台上方に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された電解純化処理装置。
【請求項５】
石英成形体を炉体内で加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加して石英成形体中の不純物を移動させ、前記不純物を除去することにより、石英成形体を純化する電解純化処理方法であって、
前記炉体内の不活性ガス中に前記不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンを含有させ、前記不活性ガス雰囲気中で石英成形体を加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加することを特徴とする電解純化処理方法。
【請求項６】
石英成形体を炉体内で加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加して石英成形体中の不純物を移動させ、前記不純物を除去することにより、石英成形体を純化する電解純化処理方法であって、
前記不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンを含有する炭化珪素粉もしくは、前記伝導イオンとなる材料粉及び炭化珪素粉を前記石英成形体に当接せしめ、この上部に正極プレートを配置し、前記石英成形体の下部に負極プレートを配置することで前記石英成形体に電圧を印加することを特徴とする電解純化処理方法。
【請求項７】
前記伝導イオンが、Ａｇイオン、Ｌｉイオン、Ｃｕイオン、Ｎａイオン、Ｆイオンから選択された一又は二以上のイオンであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載された電解純化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英成形体に電解処理を施して純化する電解純化処理装置および電解純化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、石英製炉芯管やシリコン単結晶引き上げ用の坩堝等の石英製品は天然水晶を原料としているため、アルミニウム，アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属等が微量の不純物として混入することは避けられなかった。このような石英製品（石英成形体）を高温で使用した場合には、粘性が低下して変形をもたらすものであった。また、前記した石英成形体は、失透が促進させるため、長時間の使用が不可能であった。
これら失透・変形を起こす原因として、石英成形体中の不純物の影響が大きく、その不純物の中でも特にＮａ，Ｋ，Ｌｉ等のアルカリ金属および銅が大きく影響することが知られている。この問題を解決するため、電解純化処理装置を用い、石英成形体中の不純物を除去することが従来から行われている。
【０００３】
この従来の電解純化処理装置について図２に基づいて説明する。
図２において、符号２１で示す電解純化処理装置は、炉体２２および発熱体２３ａ，２３ｂと電極２４ａ，２４ｂとを備えている。
前記炉体２２は、石英成形体Ｓの長手方向が鉛直に収容できる箱体によって形成されている。この炉体２２には、その内部の温度を測定する温度測定手段２５が配設されている。この温度測定手段２５は、熱電対２５ａおよび保護管２５ｂからなり、温度制御手段２６に接続されている。
【０００４】
前記各発熱体（ヒータ）２３ａ，２３ｂは、前記炉体２２内に配設され、炉体２２内の石英成形体Ｓを加熱するように構成されている。また、各発熱体（ヒータ）２３ａ，２３ｂは前記温度制御手段２６に接続され、熱電対２５ａによる測定温度に基づいて発熱体２３ａ，２３ｂの発熱量を温度制御手段２６によって制御し、炉体２２内の温度を所定温度に設定するように構成されている。
【０００５】
また、前記各電極２４ａ，２４ｂは、前記炉体２２内にその一方端部を臨ませて直流電源２７からの電圧を石英成形体Ｓに印加し、この石英成形体Ｓを電解するように構成されている。
前記電極２４ａは、正極プレート２４Ａを有する正電極であり、石英成形体Ｓの上方に配置され、かつ前記炉体２２に保持管２８を介して保持されている。前記電極２４ｂは、負極プレート２４Ｂを有する負電極であり、石英成形体Ｓの下方に配置されている。
【０００６】
前記保持管２８は、前記炉体２２の上方端部に取り付けられ、かつ不活性ガス供給手段２９にガス吹き込み管３０を介して接続されている。そして、前記電極２４ａを挿通保持するように構成されている。
前記不活性ガス供給手段２９は、流速設定手段２９ａを有し、前記保持管２８内に不活性ガスを所定の速度で供給するように構成されている。
【０００７】
次に、このように構成された電解純化処理装置を用いた石英成形体Ｓの電解純化処理について説明する。
先ず、炉体２２内の所定位置に、石英成形体Ｓを鉛直状態に収容する。続いて、発熱体２３ａ，２３ｂを発熱させると共に、直流電源２７から両電極２４ａ，２４ｂに高電圧を印加する。
このように、石英成形体Ｓが発熱体２３ａ，２３ｂによって加熱されるとともに、直流電源２７によって高電圧が印加されると、石英成形体Ｓ中の不純物、例えばアルカリ金属や銅は、負電極２４ｂ（負極プレート２４Ｂ）側に移動する。そして、この不純物を含む石英成形体Ｓの一部を除去すると、純化された石英成形体を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した電解純化処理装置にあっては、石英成形体の長手方向が鉛直になるようにして炉体内に収容されるため、電解純化処理時の熱の影響で、石英成形体の自重によって変形することがあり、電解純化処理上の信頼性が低下するという課題があった。
【０００９】
また、前記石英成形体が、酸水素溶融にて製造された石英成形体である場合には、ＯＨ基含有量が多いため、高圧印加を相当の長時間行うことにより、銅やアルカリ金属の純化効果は増し、移動速度の遅い鉄まで純化することができる。
これに対して、前記石英成形体が、電気真空溶融により製造された石英成形体である場合には、酸水素溶融にて製造された石英成形体と比較して、ＯＨ基含有量が非常に少ない。そのため、ある一定のレベルまで金属元素が移動すると絶縁状態になり、移動速度の遅い鉄は移動せず、石英成形体内部に残留し、純化することができないという課題があった。
【００１０】
本発明は、このような技術的課題を解決するためになされたもので、電解純化処理時の石英成形体の変形を防止することができ、もって電解純化処理上の信頼性を高めることができる電解純化処理装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、このような技術的課題を解決するためになされたもので、酸水素溶融にて製造された石英成形体、また電気真空溶融により製造された石英成形体である場合いずれにおいても、当該石英成形体をさらに高純度に純化することができる電解純化処理方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するためになされた本発明に係る電解純化処理装置は、石英成形体を炉体内で加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加して石英成形体中の不純物を移動させ、前記不純物を除去することにより、石英成形体を純化する電解純化処理装置において、前記石英成形体の長手方向が水平になるように、石英成形体が載置台に載置され、この水平状態の石英成形体に対して電圧が印加されることを特徴としている。
【００１２】
このように、本発明に係る電解純化処理装置では、石英成形体の長手方向が水平になるように、石英成形体が載置台に載置され、この水平状態の石英成形体に対して電圧が印加される。
このため、石英成形体の自重の影響を極力抑制でき、電解純化処理時の熱により、石英成形体が変形するという弊害を防止でき、電解純化処理上の信頼性を向上させることができる。
【００１３】
ここで、前記載置台の上面に形成された凹部と、前記凹部内に収容された負極プレートと、前記負極プレートの上面に配置されたガラス粉とを備え、前記石英成形体の外周面が、前記ガラス粉を介して負極プレートに電気的に接続されることが望ましい。
このように、前記石英成形体の外周面が、前記ガラス粉を介して負極プレートに電気的に接続されているため、石英成形体内部を移動した不純物は前記ガラス粉にトラップされる。そのため、不純物が残存する部分の研磨等が不要となり、石英成形体全体が高純度の最終製品として使用することができ、無駄が防止される。
【００１４】
また、前記載置台の上面に形成された凹部の上方に配置された正極プレートを備え、前記石英成形体の外周面が、前記炭化珪素粉を介して正極プレートに電気的に接続されることが望ましい。
【００１５】
更に、前記石英成形体の外周面を保持する規制部材が、前記載置台上方に設けられていることが望ましい。
このように、石英成形体の外周面が規制部材によって保持されるため、電解純化処理時の熱により、石英成形体が変形するという弊害をより防止でき、電解純化処理上の信頼性をより向上させることができる。
【００１６】
前記した目的を達成するためになされた本発明に係る電解純化処理方法は、石英成形体を炉体内で加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加して石英成形体中の不純物を移動させ、前記不純物を除去することにより、石英成形体を純化する電解純化処理方法であって、不活性ガス中に前記不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンを含有させ、前記不活性ガス雰囲気中で石英成形体を加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加することを特徴としている。
【００１７】
このように、不活性ガス中に不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンが含有されているため、ＯＨ基含有量が非常に少ない石英成形体においても、純化することができる。即ち、移動速度の遅い鉄が負極側に移動するまで、伝導イオンを含有する不活性ガスを炉内に供給し、鉄が負極に移動した後は、伝導イオンを含有しない不活性ガスを炉内に供給し、純化処理を行う。
【００１８】
また、前記した目的を達成するためになされた本発明に係る電解純化処理方法は、石英成形体を炉体内で加熱すると共に、前記石英成形体に電圧を印加して石英成形体中の不純物を移動させ、前記不純物を除去することにより、石英成形体を純化する電解純化処理方法であって、前記不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンを含有する炭化珪素粉もしくは、前記伝導イオンとなる材料粉及び炭化珪素粉を前記石英成形体に当接せしめ、この上部に正極プレートを配置し、前記石英成形体の下部に負極プレートを配置することで前記石英成形体に電圧を印加することを特徴としている。
【００１９】
このように、不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンを含有する炭化珪素粉もしくは、前記伝導イオンとなる材料粉及び炭化珪素粉を前記石英成形体に当接せしめているため、ＯＨ基含有量が非常に少ない石英成形体においても、純化することができる。
例えば、伝導イオンとしてＣｕイオンを所定量含有する炭化珪素粉を用いることにより、前記伝導イオンによって移動速度の遅い鉄を負極側に移動させることができる。そして、前記伝導イオンが消費された後、更に処理を続けることによって、純化された石英成形体を得ることができる。
【００２０】
なお、前記伝導イオンとしては、Ａｇイオン、Ｌｉイオン、Ｃｕイオン、Ｎａイオン、Ｆイオンから選択された一又は二以上のイオンであることが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された電解純化処理装置および方法につき、図に示す実施の形態に基づいて説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係る電解純化処理装置を示す正面図と側面図で、同図において図２と同一または同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２２】
図１（ａ）において、符号１で示す電解純化処理装置は、炉体２および発熱体２３ａ，２３ｂと電極３ａ，３ｂと載置台４とを備えている。
前記炉体２は、円筒状の石英成形体Ｓを載置する載置台４を収容する箱体である。前記円筒状の石英成形体Ｓは、その軸線（長手方向）が水平になるように載置台４に載置される。
また、図１（ｂ）に示すように（図１（ａ）においては図示せず）、この載置台４の上方に、石英成形体Ｓの外周面に適合する内周面５ａを有する規制部材５が設けられている。
この規制部材５は、電解純化処理時の熱による、石英成形体Ｓの変形を防止するものであり、載置台４の上面に下方端が接して一対設けられ、石英成形体Ｓの外周面を両側から保持するように設けられている。
この規制部材５は炭化珪素材からなり、石英成形体Ｓを載置台４に載置した後、石英成形体Ｓの外周面を両側から移動して保持するように構成されている。
【００２３】
また、この炉体２には、従来の炉体２２と同様に、その内部の温度を測定する温度測定手段２５が設けられている。
また、前記各電極３ａ，３ｂは、従来の電極２４ａ，２４ｂと同様に、前記炉体２内にその一方端部を臨ませて前記直流電源２７からの電圧（１０〜５０ＫＶ）を石英成形体Ｓに印加し、この石英成形体Ｓを電解するように構成されている。
【００２４】
前記電極３ａは石英成形体Ｓの長手方向に複数設けられ、これら電極３ａは、前記炉体２に前記保持管２８を介して保持されている。
この電極３ａは、ＳｉＣ板またはカーボン板からなる複数の正極プレート３Ａ１　と、各正極プレート３Ａ１　を接続するＳｉＣ板またはカーボン板からなる共通プレート３Ａ２　を有する正電極（ＳｉＣ）である。この電極３ａは、石英成形体Ｓの外周面と炭化珪素粉（ＳｉＣ♯１８０）ａを介して電気的に接続されている。
【００２５】
なお、図１（ａ）においては、一つの電極３ａを詳細に図示し、他の電極３ａ、他の保持管２８の図示は省略されている。また、前記炭化珪素粉は、石英成形体Ｓの外周面上部に粉蒔き、薄板治具で押圧しながら積層させ、正極プレート３Ａ１　、共通プレート３Ａ２　で固定されている。
【００２６】
一方、前記電極３ｂは、載置台４に形成された凹部４ａ内に設けられている。この載置台４の凹部４ａは、前記負極プレート３Ｂを収容するジュラブランケット６が収容される大きさの空間部として形成されている。したがって、前記負極プレート３Ｂは、前記載置台４の凹部４ａ上にジュラブランケット６を介して載置される。
また、前記電極３ｂは、白金からなる負極プレート３Ｂを有する負電極であって、その負極プレート３Ｂの上面に設けられた精製されたガラス粉ｂを介して、石英成形体Ｓの外周面に電気的に接続されている。
【００２７】
このガラス粉ｂの厚みは５〜２０ｍｍが好ましい。この厚みが５ｍｍより小さいと石英成形体Ｓの負極側が失透する理由で好ましくない。また厚みが２０ｍｍより大きいと電気抵抗が高くなり、電解時間が長くなるので好ましくない。
【００２８】
なお、前記したように、炭化珪素粉ａ、ガラス粉ｂを用いるのは、石英成形体が比較的複雑な形状であっても、電極プレートの形状を変える必要がないためである。即ち、炭化珪素粉からなる正極の電極と負極側のガラス粉が石英成形体Ｓの複雑な形状に対応して自由に形を変えるためである。
【００２９】
以上の構成により、石英成形体Ｓに電解純化処理を施すには、次に示すようにして行う。
即ち、石英成形体Ｓのその長手（軸線）方向が水平になるように、炉体２内の載置台４上に石英成形体Ｓを載置した後、１２００℃以上の温度で加熱するとともに、この石英成形体Ｓに１０〜５０ＫＶの直流電圧を６０時間印加する。
この際、ＯＨ基のＨ＋　に代替するキャリアイオンとなるＡｇイオン、Ｌｉイオン、Ｃｕイオン、Ｎａイオン、Ｆイオン等の伝導イオンを不活性ガス中に含有させ、炉内に供給する。
【００３０】
これによって、石英成形体Ｓ中のＬｉ，Ｋ，Ｎａのアルカリ金属、銅などの金属不純物が負極側に移動し、石英成形体Ｓの下方のガラス粉ｂ中に捕捉（トラップ）される。
特に、キャリアイオンとなるＡｇイオン、Ｌｉイオン、Ｃｕイオン、Ｎａイオン、Ｆイオン等の伝導イオンを不活性ガス中に含有させ、炉内に供給しているため、ＯＨ基の少ない石英成形体Ｓの場合であっても、移動速度の遅い鉄を負極側に移動させることができる。
【００３１】
そして、この石英成形体Ｓに１０〜５０ＫＶの直流電圧を５時間印加した後、前記伝導イオンを不活性ガス中に含有しない不活性ガスを炉内に供給し、更に、３０時間、純化処理を行う。
その結果、不活性ガスから取り込まれた石英成形体Ｓ中の伝導イオンは、負極側のガラス粉ｂ中に捕捉（トラップ）される。
【００３２】
以上説明したように、不純物が石英成形体Ｓから出て、前記ガラス粉ｂ中にトラップされるので、石英成形体Ｓの全体が高純度となり、石英成形体Ｓ全体が高純度な最終製品として使用することができるので、無駄がなくなる。
一例を挙げれば、Ｌｉ，Ｋ，Ｎａのアルカリ金属がそれぞれ０．５ｐｐｍ以下で、またＣｕが０．０３ｐｐｍ以下であり、さらに１２００℃において１０１２ポイズ以上の粘性を有する純化された石英成形体を得ることができる。
【００３３】
尚、純化処理において、保持管２８と正極の電極３ａの間に不活性ガスが常に流れている。この不活性ガスは１０〜１５ｍｍ／ｓｅｃの流速で流れている。このように不活性ガスを流すことにより、保持管２８の温度を約４００℃まで冷却でき、かつ保持管２８と正極の電極３ｂとの間の絶縁効果を高めることができる。即ちその絶縁抵抗は１０８Ω・ｃｍ程度にすることができる。
前記不活性ガスの流速が１０ｍｍ／ｓｅｃより小さいと保持管２８を十分に冷却することができず、保持管２８の絶縁効果が悪くなる。また流速が１５ｍｍ／ｓｅｃより大きいと、正極の電極３ａのみならず石英成形体Ｓの上部までもが冷却されてしまい、電解の効率が悪くなる。
このように不活性ガスで冷却することによって、正極の電極３ａと保持管２８の絶縁効果を高めることができ、しかも保持管２８から炉体２へ電流が流れない。したがって炉体２全体の絶縁性が高くなり電流をもたらすことがなく、効率良く石英成形体を電解することができるのである。
【００３４】
また、上記のように伝導イオンを不活性ガス中に含有させることなく、不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンを含有する炭化珪素粉ａを前記石英成形体Ｓに当接せしめ、この上部に正極プレート３Ａ１　、共通プレート３Ａ２　を配置し、前記石英成形体Ｓの下部に、精製されたガラス粉ｂを介して負極プレート３Ｂを配置し、前記石英成形体Ｓに電圧を印加しても良い。
【００３５】
このように、不純物移動のキャリアイオンとなる伝導イオンを含有する炭化珪素粉を前記石英成形体に当接せしめているため、ＯＨ基含有量が非常に少ない石英成形体においても、純化することができる。
例えば、伝導イオンとして所定量のＣｕイオンをドーピングした炭化珪素粉を用いることにより、移動速度の遅い鉄が負極側に移動するまで伝導イオンが供給される。そして、伝導イオンが消費された後更に処理を続けることによって、純化された石英成形体を得ることができる。
【００３６】
なお、伝導イオンをドーピングすることなく、例えば、微量のＣｕ粉等を炭化珪素粉に混入しても良い。即ち、前記伝導イオンとなる材料粉及び炭化珪素粉ａを前記石英成形体Ｓに当接せしめ、この上部に正極プレート３Ａ１　、共通プレート３Ａ２　を配置し、前記石英成形体Ｓの下部に、精製されたガラス粉ｂを介して負極プレート３Ｂを配置し、前記石英成形体Ｓに電圧を印加しても良い。
【００３７】
以上のように、本実施形態においては、石英成形体Ｓの長手方向の寸法が大きくなっても、電解純化処理時における石英成形体Ｓの変形を防止することができ、電解純化処理上の信頼性を高めることができる。なお、石英成形体Ｓが光ファイバ用インゴットのように長手方向の寸法が長い場合に、特に有効に適用することができる、
また、本実施形態においては、電解純化処理時にＯＨ基のＨ＋　に代替するキャリアイオンとなる伝導イオンを石英成形体Ｓに対して供給されるため、石英成形体Ｓの導電性が高められ、移動速度が遅いＦｅ等の不純物を移動させて除去することができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、伝導イオンとしてＡｇイオン、Ｌｉイオン、Ｃｕイオン、Ｎａイオン、Ｆイオンについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他種の伝導イオン、あるいは前記したＡｇイオン、Ｌｉイオン、Ｃｕイオン、Ｎａイオン、Ｆイオンから選択された一又は二以上のイオンであっても良い。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、電解純化処理時に石英成形体の変形を防止することができ、もって電解純化処理上の信頼性を高めることができる。
また、本発明によれば、酸水素溶融にて製造された石英成形体、また電気真空溶融により製造された石英成形体である場合いずれにおいても、当該石英成形体をさらに高純度に純化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係る電解純化処理装置を示す正面図と側面図である。
【図２】従来における電解純化処理装置を示す断面図である
【符号の説明】
１　　　　　　　　　電解純化処理装置
２　　　　　　　　　炉体
３ａ　　　　　　　　正の電極
３ｂ　　　　　　　　負の電極
３Ａ１　　　　　　　　正極プレート
３Ａ２　　　　　　　　共通プレート
３Ｂ　　　　　　　　負極プレート
４　　　　　　　　　載置台
４ａ　　　　　　　　凹部
５　　　　　　　　　規制部材
５ａ　　　　　　　　内周面
６　　　　　　　　　ジュラブランケット
２３ａ，２３ｂ　　　発熱体
２５　　　　　　　　温度測定手段
２５ａ　　　　　　　熱電対
２５ｂ　　　　　　　保護管
２６　　　　　　　　温度制御手段
２７　　　　　　　　直流電源
２８　　　　　　　　保持管
２９　　　　　　　　不活性ガス供給手段
２９ａ　　　　　　　流速設定手段
３０　　　　　　　　ガス吹き込み管
ａ　　　　　　　　　炭化珪素粉
ｂ　　　　　　　　　ガラス粉
Ｓ　　　　　　　　　石英成形体
【図１】
2004107148.tif 000003
【図２】
2004107148.tif 000004