JP2003514759A - 熱構造複合材の容器を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
融金属を収容したるつぼを受け入れる容器の製造に関する分野に適用される。
ような耐熱性ファイバ製で、カーボンやセラミックのような耐熱性母材(matrix
)により緻密化したファイバ強化材を含む材料を意味するのに使用されている。
カーボン/カーボン(C/C)複合材やセラミック母材複合材(CMC)は熱構
造複合材の例である。
シリコンを溶融し、所望の結晶構造を持つ結晶源を液体シリコンに接触させて、
るつぼに収容された所望の結晶構造を持つシリコンを凝固させ、このようにして
得られた単結晶シリコンのインゴットをるつぼから機械的に取り出すようにして
いる。この方法は、ツォクラルスキー(Czochralski)法あるいは「CZ」法とし
て知られている。
つぼは、通常グラファイト製の容器内に配置され、この容器は少なくとも部分的
にC/C複合材から製造する提案もなされている。容器の底部はサポート上に配
置される。このため、容器の底部は、特に心出し用支持面及び支持部を形成する
ように機械加工をする必要がある。さらに、使用に際しては、非常に高い純度が
要求されることから、純粋な原材料を、これを汚染しない方法と、容器製造にお
ける最終状態あるいは中間状態で清浄化する方法とともに使用する必要がある。
カーボンを含有する材料(例えば、グラファイトあるいはC/C複合材)の場合
、不活性あるいは反応性雰囲気(例えば、ハロゲン)下における高温処理(20
00℃以上)による清浄化の方法が知られており、一般に使用されている。
所謂、「花弁」構造)からなり、るつぼが漏洩すると、これらは溶融シリコンを
保持することができない。このような安全性の問題は、取り出されるシリコンイ
ンゴットのサイズが大きくなるにつれて、したがって、液体シリコンの重量が増
すにつれて、さらに重大になる。さらに、グラファイト容器は肉厚が厚くて大き
いにもかかわらず、その寿命は一般に短い。このような欠点がなく、特に機械的
特性に優れたC/C複合材料片を使用するのが好ましい。
材のファイバ強化材を構成する製作予定の材料片と同様な形状を有するファイバ
予備成形体を製作し、母材と共に予備成形体を高密度化させる。
の形状に対応する形状を有するマンドリルに糸を巻き付け、製作される予備成形
体の形状に合致するこの部材に二次元のファイバ織物の層を重ねることにより予
張りする。重なり合った層を、針で縫製したり、あるいは、三次元織りあるいは
編みにより一体的に接合するのは任意である。
密度化することができる。液体プロセス高密度化は、予備成形体を、例えばカー
ボンのような母材の前駆物質あるいはセラミック前駆物質である樹脂を予備成形
体に注入し、あるいは、それを形成している糸や層に予めしみ込ませ、熱処理に
より前駆物質を変質することにより行われる。薬品蒸気浸透(chemical vapor i
nfiltration)として知られるガス高密度化は、容器内に予備成形体を配置し、
母材の前駆物質ガスを容器に注入することにより行われる。特に温度や圧力のよ
うな条件は、ガスが予備成形体の細孔の中心部に拡散することができるように調
整され、それがファイバに接触するようになると、分解しているガスの成分の一
つにより、あるいは、ガスの複数の成分間で発生する反応によりその上に母材を
構成する材料の堆積物を形成する。
予備成形体を製作するのは、特に困難である。特に大型のどんぶり状容器の場合
、合理的に簡単で素早く高密度化を達成するのに別の困難がある。不幸にも、半
導体産業では、さらに大きい直径のシリコンインゴットの必要性があり、それ相
応の寸法のるつぼや支持容器を提供する必要がある。
合材の容器を製造する方法を、簡単かつ低価格で提供することである。
体を糸を巻きつけて製作し、薬品蒸気浸透により容器の予備成形体を高密度化し
、プラグにより開口部を閉止することにより行われる。
第1に、特別な困難もなく、糸を巻き付けることにより予備成形体を製作するこ
とができる。完全な容器の予備成形体を得るのに糸を巻き付ける必要がある場合
とは異なる。さらに、予備成形体を薬品蒸気浸透により高密度化する際に、軸方
向に開口部があることでガスの流れが向上し、高密度化が改善される。
が好ましい。従来、強化された容器の予備成形体は、所望の形状を持つファイバ
構造の部分的高密度化により製作されており、部分的高密度化は予備成形体の取
り扱いに少なくとも十分であった。部分的高密度化はガスプロセスや液体プロセ
スにより行うことができ、複合材の母材を構成する材料の前駆物質をしみ込ませ
、前駆物質を熱処理により変質させる。
択したカーボン前駆物質をしみ込ませ、前駆物質を変質することにより強化する
ことができる。
製作するのが好ましい。
け、結果として得られる巻線の中央部を切断することにより二つの強化された予
備成形体を同時に製作することができる。
ためにファイバからあるいはファイバ上に形成された樹脂コークスから出る粒子
でシリコン単結晶を製造する装置が確実に汚染されることがないカーボン母材を
得ることができる。薬品蒸気浸透により得られたカーボン母材は、高温で石英の
るつぼと接触しても腐食することがなく耐蝕性にすぐれている。
段を使用して制御した状態下での酸化のような表面処理を施していない糸から製
作される。特に、糸はカーボン糸のほうがよい。有機母材との接合を促進する表
面機能を提供するために市販の糸に通常施されている表面処理を施さないことで
、複合材の製作中に発生する内部応力を回避することができ、寸法安定性が向上
する。
透を行うようにしており、プラグは好ましくは熱構造複合材により製作される。
最終浸透では、容器の予備成形体の強化あるいはその後の高密度化の際に形成さ
れたものとは異なる種類の母材が形成される。したがって、最終浸透により炭化
けい素のようなセラミック母材が形成される。このような母材外層により、複合
材は酸化より保護される。
けるのがよい。清浄化は、グラファイトで周知のように、塩素雰囲気下で行うこ
とができる。こうすることで、単結晶シリコンインゴットを製造するためにシリ
コンを収容するるつぼの支持体として容器を使用するとき、シリコンを汚染する
可能性のある不純物を取り除くことができる。
る。熱処理はまた、その後の製造行程における寸法変化を回避する上でも有効で
ある。容器の底部を閉止するプラグが清浄化処理を経ていれば、薬品蒸気浸透後
に清浄化を行う必要はない。
なコーティングとしては、熱分解炭素や、真空蒸着により得られる「熱分解炭素
」でもよく、あるいは、薬品蒸気浸透により同様に得られる炭化けい素(SiC
)のようなセラミックでもよい。変形例では、容器の内面に、例えばC/C複合
材製の保護層が設けられる。
を製造する装置において、るつぼを支持する熱構造複合材の容器(bowl)を製作
する分野である。
/C複合材のような複合材の容器を示している。容器1は、段壁4を有する軸3
の端部に取り付けられたリング2に形成された環状支持部に立設されている。容
器は底部1aと周囲部1bとを有し、周囲部1bの一部は実質的に円筒状で、丸
みのある形状を持つ領域を介して底部1aに接続されている。容器1の底部は、
段部4とリング2上の支持面に対応する中央支持面を形成するように機械加工さ
れている。
ンが溶融するのに十分な高温度に上昇せしめられる。この温度で、るつぼは軟化
し、容器の形状に合致する。所望の結晶構造を持つ結晶源がそれからシリコン浴
に接触せしめられ、それから徐々に取り出されて、結晶源と浴との間に柱状物を
形成する。したがって、インゴットは非常に遅い速度で取り出され、その長さは
1m〜2mの範囲である。
のではないので、詳細説明は必要ではない。
、上述した用途に使用される容器を製作するのに特に適している。
とも実質的にカーボン製の母材を有するC/C複合材からの容器の製作に関する
。本発明はまた、セラミックファイバ強化材(例えば、SiCファイバ製)と(
例えば、SiCファイバのような)セラミックの母材を有するCMC型複合材か
ら容器を製作することをも包含しており、CMC製作の技術はよく知られている
。
いファイバ/樹脂型複合材の形成にそのような糸が使用される場合に有機母材と
の接合を促進する表面機能を提供するために通常施されるどのような表面処理も
施されていない。表面機能がないので、本発明の方法を使用して複合材を製造す
るプロセス途中の内部応力を回避することができる。
して以下説明する。
とである。マンドリルの形状は、二つの容器のリム同士を当接させた形状に相当
している。その軸端において、マンドリルは、外周面に環状溝16が形成された
リング14と係合している。
置は、リング14の中心孔を貫通する軸18に軸方向に移動しないように取り付
けられ、軸18は回転駆動モータ(図示せず)に連結されている。
ませた糸を使用して行われる。マンドリルの軸端では、巻線は、凹部16の近傍
のリング14の周囲に部分的に十分に巻き付けられている。巻線は、リム同士が
当接している容器(図3B)に対応する予備成形体に所望の肉厚を付与するため
に連続して形成されている。リング14により、軸端における糸の巻き付けは容
易に終了できる。リング14はマンドリル12と一体的に形成することもできる
。直径が急激に減少するマンドリルの端部域の近傍において、巻線が過度に厚く
ならないように、直径の異なる複数の段部24',24”,…を巻線に設けること
もできる。
ク26は炉内に配置され、巻線の糸にしみ込んでいるフェノ−ル樹脂を重合させ
る(方法のステップ30)。
半シェル28が得られ、マンドリル12より引き抜かれる(図3C)。各半シェ
ルは軸方向開口部30を持つ。
ップ50)、底部に軸方向開口部30を持つ強化された容器の予備成形体を得る
。巻き付け糸は、フェノール樹脂の変質により得られたカーボン母材で高密度化
されて強化される。こうすることで、部分的に高密度化された予備成形体、すな
わち、取り扱いに必要な強度を十分持つ一方、残りの部分に多孔性がなお存在す
る予備成形体が提供される。
浸透による高密度化のステップを経る(方法のステップ60)。強化された予備
成形体内の残りの多孔質部の少なくとも部分的に熱分解炭素が充填されて、高密
度化が行われる。これは、カーボンの前駆物質を構成するメタンや天然ガスのよ
うな炭化水素を含有するガスを使用した周知の方法で行われる。
め、予備成形体は軸方向に上下に積み重ねられ、間に空間を設けてガスが流れる
ようにしている。米国特許第5,904,957号公報に開示されているように
、ガスの流れに方向性を持たせた薬品蒸気浸透法を使用することができる。
、材料内にファイバからのカーボン粒子や強化樹脂からのコークスの粒子を保持
することができ、容器の使用に際し、これらの粒子による汚染の心配がない調節
された微細構造の連続した母材を形成するのに役立つ。液体プロセスを使用して
得られるカーボン母材に比較して、薬品蒸気浸透により得られるカーボン母材は
、高温で石英のるつぼに接触しても耐蝕性に優れている。
るプラグ34を取り付けることである(図3D)。図示された例では、プラグ3
4は、必要に応じカーボンを清浄するステップを経たC/C複合材のような二つ
の材料片35でできている(ステップ80)。材料片35は受け皿状で、容器の
内側において、その外周は開口部30のリムに当接する端縁部35aを形成する
一方、容器の外側の材料片37もやはり受け皿状で、開口部30のリムと当接す
るリム37aを持つ。材料片35,37はねじで互いに接合することもでき、材
料片35は、材料片37のハウジングにねじ込まれる突出した中央部を形成して
いる。材料片35,37は開口部30のリム30aを挟持する。C/C複合材プ
ラグ34を構成する材料片35、37は、公知の方法で製作することができる。
例えば、予備成形体は、カーボンファイバディスク状の2次元層を重ねることに
より製作できる。この層は、例えば織布でもよく、これらは針で縫製することに
より一体的に接合される。その後、液体プロセスを使用したカーボン母材により
あるいは薬品蒸気浸透により高密度化される。
後の新たな高密度化ステップ100が行われ、プラグ34が予備成形体28の底
部に確実に取り付けられるとともに、高密度化を完了させるために最終のカーボ
ン母材が提供される。C/C複合材の容器36はこのようにして得られ、底部と
プラグ部34を仕上げるための最終の機械加工の後、使用に供される。
に、結果として得られる容器のカーボンを清浄化することにある。これは、シリ
コンがどんな不純物にも当初汚染されるべきでない半導体製品の製造に使用され
るシリコン単結晶を取り出す装置にも適用される。カーボンは、好ましくは22
00℃〜3000℃の温度範囲、例えば約2400℃の温度で、塩素雰囲気のよ
うな非酸化雰囲気で、好ましくは100キロパスカル(kPa)以下の圧力、例
えば約10kPaの圧力下での熱処理により清浄化される。塩素雰囲気下でのそ
のような熱処理は、グラファイトの清浄において周知である。熱処理はまた、強
化された容器の予備成形体の寸法を安定化させる。変形例では、ステップ50の
後、容器の予備成形体が一旦強化されると、清浄化を行うようにしてもよい。プ
ラグ34が清浄化されれば、薬品蒸気浸透後の最終の清浄化ステップを省略する
こともできる。
で石英(SiO2)と容器のカーボン間の化学反応により引き起こされる腐食か
ら容器を保護するのが望ましい。シリコンの単結晶を取り出すのに際し、るつぼ
は石英が軟化する約1600℃の温度まで昇温され、クリープを経て、反動的傾
向を示しながらも支持容器の形状にぴったり適合する。
ができる(ステップ120)。保護コーティングは熱分解炭素や真空蒸着により
得られた「熱分解炭素」でもよく、薬品蒸気浸透により同様に得られた、例えば
炭化けい素(SiC)のようなセラミック製でもよい。周知の方法で、SiC膜
は、メチルトリクロルシラン(MTS)のようなSiCの前駆物質を含むガスを
使用して真空蒸着により得ることができる。
まで連続的に形成することもできる。
る。この層は、カーボンフェルトやカーボンファイバの2次元層により構成され
たファイバ予備成形体を高密度化することにより得られるC/C複合材のような
熱構造複合材の保護層のように容器の形状に合致したものである。
保護層は消耗するので、容器は定期的に裏張りし直される。
糸を巻き付けたが、当然のことながら容器ブランクは個々に製作するようにして
もよい。
て使用される複合材の容器を示す極めて概略的な半断面図である。
ローチャートである。
連続した工程を示す半断面図である。
Claims (23)
- 【請求項1】 母材により高密度化されたファイバ強化材により形成される
熱構造複合材の容器を製造する方法であって、 底部に軸方向の開口部(30)を有する容器の予備成形体を糸を巻きつけて製
作し、 薬品蒸気浸透により容器の予備成形体を高密度化し、 プラグ(34)により開口部を閉止するようにしたことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 強化された容器の予備成形体を薬品蒸気浸透の前に製作する
ようにしたことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 強化された容器の予備成形体(28)は、母材を構成する上
記材料の前駆物質をしみ込ませた糸を巻き付け、熱処理により前駆物質を変質さ
せることにより製作するようにしたことを特徴とする請求項1あるいは2に記載
の方法。 - 【請求項4】 強化された容器の予備成形体(28)は、カーボン前駆物質
をしみ込ませた糸を巻き付け、上記前駆物質を変質させることにより製作するよ
うにしたことを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 上記前駆物質は、フェノール、フラン、エポキシ、ポリイミ
ド樹脂から選択したことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 二つの容器のリム同士を当接させた形状となるようにマンド
リル(12)に糸を巻き付け、結果として得られる巻線(22)の中央部を切断
することにより二つの強化された予備成形体を同時に製作することを特徴とする
請求項3,4,5のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項7】 容器の予備成形体は、表面機能を提供する表面処理を施して
いない糸から製作されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載
の方法。 - 【請求項8】 容器の予備成形体はカーボン糸製であることを特徴とする請
求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項9】 容器は高温清浄化と安定化処理を受けることを特徴とする請
求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項10】 高温清浄化と安定化処理は強化された容器の予備成形体に
行われることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項11】 清浄化及び安定化処理は2200℃以上の温度で行われる
ことを特徴とする請求項9あるいは10に記載の方法。 - 【請求項12】 容器の予備成形体の高密度化はカーボン母材を形成するこ
とにより行われることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の方
法。 - 【請求項13】 プラグ(34)は、一体的に組み立てられる二つの材料片
(35,37)からなり、予備成形体の軸方向開口部のリムを挟持することを特
徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項14】 開口部(30)は熱構造複合材製のプラグ(34)により
閉止されることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項15】 開口部(30)がプラグ(34)により閉止された後、最
終の薬品蒸気浸透を行うことを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記
載の方法。 - 【請求項16】 最終の薬品蒸気浸透はセラミック母材相を形成することを
特徴とする請求項15に記載の方法。 - 【請求項17】 セラミック母材相は炭化けい素であることを特徴とする請
求項16に記載の方法。 - 【請求項18】 保護コーティングを容器の少なくとも内面に形成すること
を特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項19】 保護コーティングは熱分解炭素製であることを特徴とする
請求項18に記載の方法。 - 【請求項20】 保護コーティングは炭化けい素製であることを特徴とする
請求項18に記載の方法。 - 【請求項21】 容器の内面に保護層を設けたことを特徴とする請求項1乃
至20のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項22】 保護層は熱構造複合材製であることを特徴とする請求項2
1に記載の方法。 - 【請求項23】 複数の強化された容器の予備成形体は薬品蒸気浸透により
同時に高密度化されることを特徴とする請求項22に記載の方法。
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