(57)【要約】      （修正有）【課題】長時間のアニールを必要としない、ノズルを備えた溶融シリカるつぼの製造方法を提供する。【解決手段】グラファイトモールドの下部に事前に形成されたシリカガラスチューブをまず挿入することによって形成される。前記チューブは前記モールドが回転する垂直軸と一直線に並べられ、そしてシリカ粒子がモールド内に注入され、るつぼの形に形作られる。前記チューブの上部に挿入されたグラファイトプラグは、シリカ粒子が前記チューブに進入するのを防止する。電極は、シリカ粒子を溶融しチューブに形成するプラズマガラスボールを作り出す。前記グラファイトプラグはシリカ粒子で覆われているが、溶融シリカは、溶融する間、前記プラグの上部から後退し、このようにしてノズルを前記るつぼに形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モールドの内面に突出部を設けること、
前記モールドを回転すること、
突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成すること、及び
形成されたシリカ粒子を加熱すること、
を含む回転モールドによる溶融シリカガラスるつぼの製造方法。
【請求項２】
前記モールド内面に突出部を設けることが、前記モールドの回転軸に対称な突出部を設けることを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、前記突出部をシリカ粒子で覆うことを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記モールド内面に突出部を設けることが、前記モールドにガラス体を挿入することを含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ガラス体が貫通孔を有する請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成する前に、さらに前記貫通孔の一端部にプラグを挿入することを含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記形成されたシリカ粒子が溶融するまで当該形成されたシリカ粒子を加熱すること、及び前記シリカ粒子が溶融した後、前記プラグを除去すること、をさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、前記プラグをシリカ粒子で覆うことをさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記プラグの上面が露出するまで、さらに前記形成された粒子を加熱することを含む前記方法の請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、前記プラグを１〜１５ｍｍの範囲のシリカ粒子層で覆うことをさらに含む請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、前記プラグを２〜６ｍｍの範囲のシリカ粒子層で覆うことをさらに含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法によって製造されたるつぼ。
【請求項１３】
開口部を有する溶融シリカるつぼであって、シリカ粒子が前記るつぼを形成するために溶融された時、前記開口部が前記るつぼの壁を貫通して形成される溶融シリカるつぼ。
【請求項１４】
前記るつぼを形成するためにシリカ粒子を溶融する前に、前記シリカ粒子内に存在するガラス片によって前記開口部が形成される請求項１３記載の溶融シリカるつぼ。
【請求項１５】
前記開口部が前記ガラス内の穴を含む請求項１４記載の溶融るつぼ。
【請求項１６】
前記穴が、前記るつぼの内部及び外部間での流体の連通を可能にする請求項１５記載の溶融るつぼ。
【請求項１７】
モールド内に形成されたるつぼの側壁及び底壁を形成するための連続的に平滑な面を有するモールド、及び
開口部を形成するための前記モールド面における空隙部、
を含むるつぼの壁を貫通する開口部を有する溶融ガラスるつぼを形成するための装置。
【請求項１８】
前記モールドが、溶融したガラスるつぼの形成中に回転しかつ前記空隙部がモールドの回転軸に関して対称である請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記空隙部が前記るつぼ壁の開口部を形成する物体を収納するための凹部を含む請求項１７記載の装置。
【請求項２０】
前記物体がガラスチューブを含みかつ前記凹部が前記チューブの一端を収納するための凹面から上向きに延びるスタッドをさらに含む請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記装置が前記チューブの上端部に差し込むためのプラグをさらに含む請求項２０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に溶融シリカるつぼに関し、特にるつぼから液体を排出するためのノズルを有する溶融シリカるつぼに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転モールド内のシリカ粒子でるつぼを製造することは周知である。前記モールドが回転中、均一な壁厚を有するるつぼ形状に粒子が形成される。次いで、一セットの電極を前記モールド内に降下させ、そして前記電極の周りにプラズマガス塊を作るために高電圧が適用され、そのプラズマガス塊は前記粒子を加熱し溶融して最終的にるつぼにする。
【０００３】
このようなるつぼは、例えば、金属シリコンを溶融するために用いられ、この溶融金属シリコンからは単結晶インゴットが引き上げられる。これらのインゴットはスライスされてシリコンウェーハとなる。このシリコンウェーハには半導体回路が形成される。その他の適用例としては、溶融シリカるつぼは金属シリコンを溶融するために用いられ、そしてこの溶融金属シリコンは多結晶シリコンインゴットを製造するためにモールド内に注入される。このインゴットはスライスされて太陽電池が製造される。このるつぼは注入を必要とする使用態様の場合にはノズルを設置することが必須となる。
【０００４】
先行技術のノズルは、上述したように、るつぼを最初に作ることによってるつぼに形成される。るつぼが形成され冷却された後、ダイヤモンドドリルによって、前記るつぼの壁、通常は底壁の中心部を貫通して穴を開穿する。次いで事前に形成された石英ガラスノズルが前記穴を介して前記るつぼに溶接され、このようにして液体をこのノズルによって排出することのできるるつぼが製造される。
【０００５】
前記ノズルをるつぼに溶接するためには高温加熱を前記るつぼに適用しなければならない。この局所的高温加熱は、ノズルの周りの歪みを引き起こす。溶接した構造がアニールされない場合には、前記るつぼは壊れる可能性がある。前記るつぼの厚さが増加するにつれて、壊れる危険性も同様に増大する。前記るつぼの厚さが３ｍｍを越え、或いは前記るつぼの直径が３００ｍｍを越える場合には、るつぼが壊れる危険性は非常に高くなる。前記溶接した構造をアニールするには約１０時間かかるが、前記回転モールド内の前記るつぼ溶融するには約１時間かかるだけである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、るつぼから液体を排出するためのノズルを有する溶融シリカルツボ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】
【０００７】
本発明の回転モールドによる溶融シリカガラスるつぼの製造方法は、モールドの内面に突出部を設けること、前記モールドを回転すること、突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成すること、及び形成されたシリカ粒子を加熱すること、を含む。
本発明方法において、前記モールド内面に突出部を設けることが、前記モールドの回転軸に対称な突出部を設けることを含むものであるのが好ましい。前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、好ましくは、前記突出部をシリカ粒子で覆うことを含むものである。前記モールド内面に突出部を設けることが、好ましくは、前記モールドにガラス体を挿入することを含むものである。前記ガラス体が貫通孔を有するのが好ましい。前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成する前に、好ましくは、さらに前記貫通孔の一端部にプラグを挿入することを含む構成とするものである。
本発明方法において、前記形成されたシリカ粒子が溶融するまで当該形成されたシリカ粒子を加熱すること、及び前記シリカ粒子が溶融した後、前記プラグを除去すること、をさらに含むのが好ましい。前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、好ましくは、前記プラグをシリカ粒子で覆うことをさらに含むものである。前記プラグの上面が露出するまで、好ましくは、さらに前記形成された粒子を加熱することを含むものである。前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、好ましくは、前記プラグを１〜１５ｍｍの範囲のシリカ粒子層で覆うことをさらに含むものである。前記突出部の周りを回転するモールド内にシリカ粒子を形成することが、好ましくは、前記プラグを２〜６ｍｍの範囲のシリカ粒子層で覆うことをさらに含むものである。
本発明の溶融シリカるつぼは、開口部を有する溶融シリカるつぼであって、シリカ粒子が前記るつぼを形成するために溶融された時、前記開口部が前記るつぼの壁を貫通して形成されるものである。前記るつぼを形成するためにシリカ粒子を溶融する前に、好ましくは、前記シリカ粒子内に存在するガラス片によって前記開口部が形成されるものである。前記開口部が前記ガラス内の穴を含むのが好ましい。前記穴が、前記るつぼの内部及び外部間での流体の連通を可能にするのが好適である。
本発明の溶融ガラスるつぼを形成するための装置は、モールド内に形成されたるつぼの側壁及び底壁を形成するための連続的に平滑な面を有するモールド、及び開口部を形成するための前記モールド面における空隙部、を含むるつぼの壁を貫通する開口部を有する。前記モールドが、溶融したガラスるつぼの形成中に回転しかつ前記空隙部がモールドの回転軸に関して対称であるのが好ましい。前記空隙部が、好ましくは、前記るつぼ壁の開口部を形成する物体を収納するための凹部を含むものである。前記物体がガラスチューブを含みかつ前記凹部が前記チューブの一端を収納するための凹面から上向きに延びるスタッドをさらに含むのが好ましい。前記装置が、好ましくは、前記チューブの上端部に差し込むためのプラグをさらに含むものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図面において、１０は本発明に係るノズルを備えたシリカるつぼを溶融するシステムである。前記システムは連続的な平滑面１４を有するモールド１２を含む。モールド面１４は凹部１６を含み、この凹部は本明細書では空隙部とも指称する。凹部１６のより詳細な図は図３Ａに示されている。
【０００９】
前記凹部は第１及び第２の傾斜した環状壁面１８、２０をそれぞれ含む。壁面１８の下部は、実質的には水平で環状な底面２２を介して壁面２０の上面に連結している。他の実質的には水平な底面２４は凹部１６の最低部を形成する。スタッド２６は凹部１６の前記最低部から上方に伸びる直立円筒部を含む。
【００１０】
図１において、空気路２８、３０のような複数の空気路は、内部モールド面１４に連通している。各空気路は、モールド面１４に円形開口部（図示せず）を形成する円筒状穴を含む。各空気路は、前記モールドキャビティから前記空気路にシリカが吸引されるのを防ぐ多孔質グラファィトプラグ（図示せず）を含む。前記空気路は、順番に穴３８に連通する多岐管３２、３４、３６のような多岐管に連通する。ポンプ（図示せず）は穴３８に連通している。前記ポンプは、モールドキャビティから空気路を介しそして最終的に穴３８を通ってシステム１０の外部に空気を吸引するために配置されている。
【００１１】
モールド１２は、垂直軸４０の近傍のモーター（図示されていない）によって回転可能とされている。一セットの従来の電極４２、４４は、前記モールド内部及び外部へ移動できるように垂直移動可能とされている。前記電極は、３００ＫＶＡと１２００ＫＶＡとの間の選択可能な範囲で前記電極へ電力を供給することのできる従来の直流電源４６に接続される。十分な電力が電極４２、４４に供給される場合、非常に高温のプラズマガスボール４８（図２）が前記電極の周りに形成される。
【００１２】
ノズルを備えたるつぼを製造するためのシステム１０の使用について説明する。まず、石英ガラスチューブ５０を凹部１６に挿入する。添付図面からわかるように、チューブ５０は、切頭円錐形（先端を切った円錐形）の外形形状を有している。スタッド２６はチューブ５０の下端に配置されて、前記チューブを固定する作用を行う。本実施の形態において、チューブ５０は、ブロックからの切削加工、パイプからの熱成形、あるいはスリップキャストのような従来の方法を用いることで製造すればよいが、チューブ５０に類似したチューブを製造するためのどのような技術でも使用可能である。
【００１３】
図３Ａに示したように前記チューブが配置した後、切頭円錐形に形成されたグラファィトプラグ５２は、チューブ５０の上端部に挿入される。図示されるように、プラグ５２は、溶融中、前記チューブの内部に石英粒子が進入するのを防止する。プラグが前記るつぼをその形成されたままの状態で汚染から防ぐためには、前記プラグは高純度のものであるのが望ましく、好ましくは灰分５ｐｐｍ以下が好ましい。
【００１４】
次に、モールド１２は、チューブ５０及びプラグ５２とともに軸４０の周りを回転し、そしてシリカ粒子５４（図１）が前記モールド内に注入され、図１に示したようなるつぼ形状に形成される。このような注入及び形成は添付図面に記載されていないが、当業者にとっては容易に実施できることである。
【００１５】
図３に示したように、チューブ５０及びプラグ５２の両方がシリカ粒子に覆われるまで、シリカ粒子は注入される。簡単にいえば、前記グラファイトプラグを覆うことが好ましい。前記プラグを覆うシリカ粒子の深さは、１〜１５ｍｍの範囲であり、好ましくは２〜６ｍｍの範囲である。
【００１６】
システム１０が図１に示された配置である場合には、電極４２、４４にかけられる電圧は図２に示したようにプラズマガスボール４８を形成する。このプラズマガスボールは前記シリカ粒子を加熱し、そして溶融を開始し、その溶融はモールド面１４方向に露出した表面から始められる。図３において、始めの加熱後、前記シリカ粒子のうちいくらかの溶融結果として石英ガラスの層５４を形成する。プラグ５２上の前記シリカ粒子の溶融は、前記プラグ上の石英ガラスの薄い層５６を形成する。この層は前記プラズマガスボールから前記グラファィトをシールし、前記プラグを焼成から防ぎ、かつプラグの周りで溶融したガラスの品質に影響する虞のある不純物の排出を防ぐ。また、これは前記プラグを形成するのに比較的純粋なグラファィトを使用することが重要である理由である。前記プラグ中の不純物が少ないほど、熱が加えられるにつれて包囲する粒子及びガラスの中に排出される不純物も少なくなる。
【００１７】
前記溶融前線の進行は、図３Ｂから図３Ｃ及び図３Ｂから図３Ｄに示されているが、後者は実質的に完全なるつぼを示している。図３Ｃからわかるように、図３Ｄに示したように前記プラグの上面が露出するまで、ガラス層５６は、プラグ５２の上部から後退する。ガラス層５６は後退するが、その理由は溶融ガラスの流動のためでありまた明らかに溶融シリカの表面張力及び粘度の均衡のためである。それに加えて、前記溶融シリカは、チューブ５０の周りに形成され、このチューブはるつぼが完全に溶融されている状態の図３Ｄの構造を製造する。
【００１８】
図３Ｄにも示したように、前記るつぼの外面及びモールド面１４との間にシリカ粒子が残る。そして、凹部１６の構造の結果としてチューブ５０の周りにシリカ粒子の実質的カラー部分が残る。言い換えれば、壁１８、２０及び底部２２、２４は、例えばモールド面１４及び前記溶融るつぼの外層との間にある層より実質的に薄い粒子の層を保持するような形状に形成される。この薄い層は、シリカガラス及びグラファイトの熱膨張係数の違いのために有益になる。低温になるにつれて、グラファイトがシリカガラスより非常に急速に収縮するので、シリカ粒子は、グラファイトが収縮するとともにグラファイトモールドによる圧力を吸収するためのクッションとして働く。それに加えて、前記シリカ粒子は、溶融中に断熱材として働く。シリカ粒子はプラズマガスボールの熱からモールド１２を断熱させる。すなわち、溶融中に前記チューブ５０及び周囲のシリカ粒子の周りの熱を閉じ込める。図３Ｄに示したように、この構成は完成したるつぼに前記チューブを形成する際の助けとなる。
【００１９】
回転軸４０に対称あるいは平行に前記ノズルを設けることによって、前記モールドから形成したるつぼを取り除く作業が容易となる。
【００２０】
図４Ａ及び図４Ｂには、他の実施の形態が示されている。この実施の形態は、シリカ粒子が前記モールドに注入され、前記るつぼを形成するように形作られた後、プラグ５２がシリカ粒子のレベルより上に伸びている構成を除いて前述した実施の形態と実質的に同一である。これは図４Ａに明瞭に示されている。
【００２１】
図４Ｂは、るつぼが完全に溶融した後のシリカ粒子を示している。図示されているように、グラファイトプラグの周りには形成された気泡５８が存在する。この気泡は、溶融中、前記プラグを前記プラズマガスボールに露出することの結果である。そして上述したように、前記グラファイトが不純物を含む場合には、このような気泡の形成はさらに増大する。このような気泡は、直径１ｍｍとなる場合もある。これらの気泡は許容できる場合もあるが、望ましいものではない。
【００２２】
一例として、長さ５５ｍｍの先細りにしたシリカガラスノズルをシリカガラスブロックから一部を切り出すことによって形成する。外径５５５ｍｍ及び厚さ１２ｍｍの壁を有するるつぼを上述したように形成した。このるつぼに上記事前に作成したノズルを割れがない状態でかつその後のアニールなしにうまく溶融した。得られた構造物は、モールドに溶融シリカを注ぐ漏斗として用いられる。外径６１０ｍｍ及び厚さ１２ｍｍの壁を有する別のるつぼをこのシステムによってうまく形成した。このるつぼは外径３０ｍｍ、内径１６ｍｍ及び長さ６５ｍｍの円筒ノズルを有している。
【００２３】
本システムを用いることにより、中実の突起部を同様の態様でるつぼに形成することもできかつ壁を貫通する開口部よりむしろキャビティーを形成することもできる。
【００２４】
好適な実施の形態によって本発明を説明したが、本発明は、前述した本発明の原理から逸脱することなくその配置及び詳細部分を変更することができることは明らかである。出願人は添付した特許請求の範囲の精神及び範囲内における全ての修正及び変更を特許請求するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】シリカ粒子及び挿着された石英ガラスチューブを有するモールドの断面的模式図である。
【図２】前記シリカ粒子の溶融がほぼ終了した状態を示す図１と同様の図面である。
【図３Ａ】図１における前記石英ガラスチューブ及びそれを取り囲むシリカ粒子の拡大部分図である。
【図３Ｂ】少量のシリカ粒子が溶融した後の状態を示す図３Ａと同様の図面である。
【図３Ｃ】さらにシリカ粒子が溶融した後の状態を示す図３Ｂと同様の図面である。
【図３Ｄ】さらに多くのシリカ粒子が溶融した後の状態を示す図３Ｃと同様の図面であり、そしてまた図２の拡大部分図でもある。
【図４Ａ】好ましさの程度の低い他の実施の態様を示す図３Ａと同様の図面である。
【図４Ｂ】前記シリカ粒子の溶融がほぼ終了した状態を示す図４と同様の図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【外国語明細書】
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