JP4152580B2 - Ｓｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの製造方法および補修方法 - Google Patents
Ｓｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの製造方法および補修方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下「ＣＺ法」という）によるシリコンなどの単結晶引き上げ装置に使用される石英ルツボを支持するために用いるＣ／Ｃルツボの製造方法および補修方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣやＬＳＩなどの製造に用いるシリコンなどの単結晶は、通常ＣＺ法により製造されている。ＣＺ法は、高純度の石英ルツボの中にシリコン多結晶を入れ、石英ルツボを所定速度で回転させながらヒータによりシリコン多結晶を加熱溶融し、シリコン多結晶の溶融液の表面に種結晶（シリコン単結晶）を接触させて、所定速度で回転させながらゆっくりと引上げることによりシリコン多結晶の溶融液を凝固させて、シリコン単結晶に成長させるものである。
【０００３】
しかしながら、石英ルツボは高温においては軟化し、強度も充分でないので、通常、石英ルツボは炭素ルツボ内に嵌合され炭素ルツボで石英ルツボを支持することにより補強して用いられている。この石英ルツボを嵌合する炭素ルツボとしては高温強度が高く、耐熱性や熱伝導率が大きい黒鉛材が一般的に使用されている。しかしながら、黒鉛材は表面から黒鉛の微粉が離脱、飛散し易く、微粉が装置内を浮遊してシリコン溶融液中に混入し、シリコン単結晶の品質を低下させる難点がある。
【０００４】
更に、材質上石英と黒鉛とは熱膨張率が大きく異なるために、加熱、冷却を繰り返し行っている間に加熱時には石英ルツボが軟化して黒鉛ルツボに密着し、一方冷却時には黒鉛ルツボの収縮量が石英ルツボの収縮量に比べて大きくなることにより石英ルツボから内圧を受けることとなり、黒鉛ルツボの変形、割損などが生じる難点もある。通常、この熱膨張率の差異による割損を防止するために黒鉛ルツボは分割して組み立てられている。また、近年における単結晶の大口径化に伴って引き上げ装置も大型化し、黒鉛ルツボも大型化して、重量増加により作業性が低下する問題もある。
【０００５】
そこで、黒鉛材に比べて比強度、比弾性率に優れ、また石英との熱膨張率の差異が少ない炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ材）を用いてＳｉ単結晶引き上げ用の炭素質ルツボを形成する提案も行われており、例えば、少なくとも側壁部分が一体のＣ／Ｃ材により構成されてなる単結晶引き上げ用ルツボ（実開昭63−7174号公報）、ルツボ内側を炭素繊維クロス積層体または炭素繊維フェルト積層体を用いたＣ／Ｃ材とし、ルツボ外側をフィラメントワインディング法により成形したＣ／Ｃ材で構成した二層よりなるシリコン単結晶引き上げ用炭素繊維強化炭素ルツボ（特開平９−263482号公報）、などが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｃ／Ｃ材は黒鉛材などの炭素材と同様に、高温加熱時に石英ルツボ（ＳｉＯ2 ）と接触する嵌合面において、ＳｉＯ2 ＋Ｃ→ＳｉＯ＋ＣＯの反応によりＳｉＯガスが発生する。Ｃ／Ｃ材には多くの微小気孔が存在するため、発生したＳｉＯガスはＣ／Ｃルツボの表層面の微小気孔内に浸透しながらＣ／Ｃ材を次第にＳｉＣ化していき、Ｃ／Ｃルツボを脆弱化することになる。
【０００７】
そこで、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を減少させて、長時間の使用を可能とするために、特開平１０−５９７９５号公報にはＣ／Ｃ材料を全部または一部に含んで形成される半導体単結晶引き上げ用ルツボであって、前記Ｃ／Ｃ材料の少なくとも一部分に熱分解炭素の被膜が形成され、前記被膜は開気孔の内面まで生成することを特徴とする半導体単結晶引き上げ用ルツボ、および、開気孔にＣＶＤ法によって０．２μm ／hr以下の析出速度で熱分解炭素の被膜を形成する製造方法が提案されている。
【０００８】
更に、特開平１１−１７１６８１号公報にはＣ／Ｃ材を全部または一部に含んで形成される単結晶引上げ装置用高温部材であって、Ｃ／Ｃ材が特性として、嵩密度が１．３g/cm3 以上、曲げ強度が８０MPa 以上、引張り強さが１００MPa 以上の値を有し、かつＣ／Ｃ材の表面の全体又は一部に熱分解炭素の析出層が形成されてなることを特徴とする単結晶引上げ装置用高温部材、および、化学蒸着法により熱分解炭素の析出層を形成する製造方法が提案されている。
【０００９】
また、本出願人もＣ／Ｃ材を基材とし、該基材の全気孔容積の３５〜５０ vol％がＣＶＩ法により析出したＳｉＣで充填されたＣ／Ｃ材とＳｉＣの複合体からなることを特徴とする単結晶引き上げ用炭素質ルツボ（特願平11−55233 号）を提案している。
【００１０】
しかしながら、これらの化学的気相析出法により熱分解炭素を析出させて被膜を形成する方法や化学的気相充填法によりＳｉＣを析出、充填する方法は、製造能率が低く、コスト高になる問題点がある。
【００１１】
本発明は、これらの問題点を解消するために、簡易な手段によりＣ／ＣルツボのＳｉＣ化による脆弱化を抑制する方法について鋭意研究を行った結果としてなされたものであり、その目的は、簡便な方法により、低コストで、ＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れ、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を抑止して、耐久性の高いＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボを製造する方法およびその補修方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの製造方法は、炭素繊維強化炭素材からなるルツボの少なくとも内面の一部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着し、緻密、平滑化して塗着層を形成したのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの補修方法は、炭素繊維強化炭素材からなるＳｉ単結晶引き上げ用ルツボの損傷部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着して緻密、平滑な塗着層を形成したのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを構成上の特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
Ｃ／Ｃ材（炭素繊維強化炭素材）はポリアクリロニトリル系、レーヨン系、ピッチ系などの各種原料から製造された炭素繊維を強化材として、これらの炭素繊維がフェノール系やフラン系などの熱硬化性樹脂あるいはピッチを焼成炭化した炭化物により結着され、一体化されたものである。
【００１６】
本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボは、このＣ／Ｃ材で作製されたルツボの少なくとも内面の一部に炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストの塗着層が形成され、更にその塗着層の上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートが貼着、焼成炭化された炭化物層が被着された構造を特徴とする。
【００１７】
Ｃ／Ｃ材には種々の大きさの気孔が存在しており、Ｃ／Ｃ材を用いてＣＺ法による単結晶引き上げ用のルツボを作製した場合には、高温加熱時に嵌合する石英ルツボとの接触面において石英ルツボと反応してＳｉＯガスを発生し、生成したＳｉＯガスがこの気孔内に浸透して、Ｃ／Ｃ材の気孔内面部がＳｉＣに転化される。このようにして、Ｃ／Ｃルツボの気孔内が次第にＳｉＣ化され、その結果ミクロクラックが発生し易く、強度特性に優れたＣ／Ｃ材であっても脆弱化することとなる。
【００１８】
そこで、本発明のＣ／Ｃルツボは、少なくとも内面、すなわち石英ルツボを嵌合し、石英ルツボと接触するＣ／Ｃルツボ内面の一部に炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストが塗り込まれ、Ｃ／Ｃ材の気孔を封止するための緻密な塗着層が形成されている。
【００１９】
そして、この塗着層の上には、更に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートが貼着され、焼成炭化処理されて、塗着層と炭素繊維クロスあるいはプリプレグシートなどとが一体化した炭化物層により被着されている。すなわち、本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボは、石英ルツボに接触する少なくとも内面の一部に、この一体化した緻密な炭化物層が形成、被着されている点を特徴とし、この炭化物層が有するＳｉＯガスに対する優れた耐蝕性により、Ｃ／ＣルツボのＳｉＯガスによる脆弱化が効果的に抑制される。
【００２０】
本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの製造方法は、炭素繊維強化炭素材からなるルツボの少なくとも内面の一部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着し、緻密、平滑化して塗着層を形成したたのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを特徴とする。
【００２１】
先ず、Ｃ／Ｃ材からなるルツボは、常法により炭素繊維クロスをマトリックス樹脂液に浸漬、またはマトリックス樹脂液を塗布するなどの方法で炭素繊維クロスにマトリックス樹脂を含浸し、半硬化したプリプレグを所望のルツボ形状に成形し、硬化した成形体を非酸化性雰囲気に保持された加熱炉中で焼成炭化することによりＣ／Ｃ材からなるルツボ成形体が作製される。なお、マトリックス樹脂としてはフェノール系樹脂、フラン系樹脂などの高炭化性の熱硬化性樹脂が好ましく用いられる。
【００２２】
あるいは、炭素繊維の連続繊維にマトリックス樹脂液を含浸し、フィラメントワインディング法によりルツボ形状に成形した成形体を硬化したのち、非酸化性雰囲気に保持された加熱炉中で焼成炭化することによりＣ／Ｃ材からなるルツボ成形体を作製することもできる。
【００２３】
このようにして作製したＣ／Ｃルツボと石英ルツボを嵌合し、石英ルツボと接触する少なくともＣ／Ｃルツボ内面の一部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗り込んで塗着し、緻密、平滑化して塗着層を形成する。炭素質粉末としては粒径０．１〜５０μm 程度の黒鉛粉、カーボンブラック、コークス粉、メソフェーズピッチなどが、また熱硬化性樹脂にはフェノール系やフラン系などの樹脂が用いられる。
【００２４】
混合ペースト中の炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合比（炭素質微粉末／熱硬化性樹脂）は重量比で０．７〜１．０の範囲に設定することが好ましい。混合比が０．７未満では焼成炭化時における体積収縮が大きくなるために貼着した炭素繊維クロスやプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートとＣ／Ｃルツボ内面との間に空隙が生じ易くなる。また、熱硬化性樹脂の炭化物は炭素質微粉末に比べてＳｉＣ化し易いので、炭素質微粉末の混合比が小さくなると塗着層の炭化物はＳｉＯガスによりＳｉＣ化され、Ｃ／Ｃルツボ内面部のＳｉＣ化を阻止する機能が低減することとなる。
【００２５】
一方、混合比が１．０を越えると混合ペーストの粘性が高くなり、混合ペーストをＣ／Ｃルツボ内面に均一に塗着することが難しく、また形成した塗着層も嵩高となって緻密性が低く、ＳｉＯガスの浸透を効果的に阻止する機能が低下することとなる。
【００２６】
また、形成する塗着層の厚さは１００〜４００μm の範囲になるように混合ペーストを塗着することが好ましい。塗着層の厚さが１００μm 未満では、塗着層の炭化物層はＳｉＯガスによりＳｉＣ化され易く、Ｃ／Ｃルツボ内面部のＳｉＣ化を効果的に抑制する機能が低下する。
【００２７】
しかしながら、塗着層の厚さが４００μm を越えると焼成炭化時にクラックが発生し易く、また炭化物層も剥離し易くなり、ＳｉＯガスの浸透を抑止することが難しくなるために、Ｃ／Ｃルツボ内面部のＳｉＣ化を効果的に抑制する機能が低下する。
【００２８】
このようにして形成した塗着層の上に、炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥したのち、２００℃以上に加熱して樹脂分を硬化する。なお、炭素繊維クロスには高目付のものが好ましく用いられる。次いで、非酸化性雰囲気中で１０００℃以上、好ましくは１８００℃以上の温度で焼成炭化して、塗着層と炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートとが一体化した炭化物層に転化する。
【００２９】
このようにして、石英ルツボを嵌合し、石英ルツボに接触するＣ／Ｃルツボの少なくとも内面の一部に、塗着層と炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートとが一体化した炭化物層が形成される。そして、Ｃ／Ｃルツボ内面に被着した炭化物層によりＳｉＯガスに対する優れた耐蝕性を備えたＳｉ単結晶引き上げ用のＣ／Ｃルツボが製造される。
【００３０】
更に、この本発明のＳｉ単結晶引き上げ用のＣ／Ｃルツボの製造方法を応用することにより、ＳｉＯガスによりＳｉＣ化し脆弱化したＣ／Ｃルツボの損傷部を簡便に補修することができる。例えば、Ｓｉ単結晶の引き上げ操作を繰り返し行っている間に特にＳｉＣ化し脆弱化し易いＣ／Ｃルツボの周壁部、あるいは周壁部と底部とのＲ部などの損傷が進行した場合などには、その損傷部に上記の手法を応用して補修することが可能である。
【００３１】
すなわち、Ｃ／Ｃルツボの損傷部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着して塗着層を形成し、この塗着層の上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで非酸化性雰囲気中で焼成炭化して一体化した炭化物層を該損傷部に形成し、強固に被着するという簡便な方法で、低コスト、かつ迅速に損傷部を補修することが可能となる。
【００３２】
本発明によれば、このような簡便な方法により、低コストでＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れ、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を抑止して耐久性の高いＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボおよびその製造方法、更にＣ／Ｃルツボの補修方法が提供される。
【００３３】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００３４】
実施例１〜１２
ポリアクリロニトリル系炭素繊維の二次元織クロスにフェノール樹脂初期縮合物を塗布して含浸し、風乾して作成したプリプレグシートを積層してモールドに入れ、２５０℃の温度に加熱して樹脂成分を硬化した。次いで、窒素ガス雰囲気に保持した加熱炉中で１０℃／hrの昇温速度により２０００℃に加熱し、５時間保持して焼成炭化した。このようにして、炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ材）の試験片を作製した。
【００３５】
平均粒径２μm の炭素質微粉末とフェノール樹脂初期縮合物とを混合して、混合比（重量比）の異なる混合ペーストを調製し、試験片の表面に混合ペーストを塗り込みながら塗着し、緻密、平滑化して厚さの異なる塗着層を形成した。次いで、塗着層の上に炭素繊維の平織りクロス（厚さ０．３あるいは０．８mm）あるいは炭素繊維クロスにフェノール樹脂初期縮合物を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シート（厚さ０．８mm）を貼り付けて風乾し、２５０℃の温度で硬化したのち、窒素ガス雰囲気中１０℃／hrの昇温速度で２０００℃の温度に加熱して焼成炭化した。このようにして、炭化物層を被着した試験片から４０×７０×７mmのテストピースを切り出した。
【００３６】
粒径０．５mm以下のＳｉＯ2 粉末２０g とコークス粉末５g とを混合し、バインダーとしてフェノール樹脂初期縮合物１０ gを加えて混練し、混練物をロール成形、加熱硬化して、４０×７０mm、厚さ３mmのシート状成形体を作製して、テストピースの炭化物層に当接した。この状態で、アルゴンガス雰囲気中、１８５０℃の温度に３時間保持して、発生したＳｉＯガスに対する耐蝕性を下記の方法により試験した。その結果を表１に示した。
▲１▼重量増加率（％）；
耐蝕性試験前のテストピースの重量Ｗ1 、ＳｉＯガスに対する耐蝕性試験後のテストピースの重量Ｗ2 を測定して、次式から求めた。
重量増加率（％）＝〔（Ｗ2 −Ｗ1 ）／Ｗ1 〕×１００
▲２▼ＳｉＣ転化率（％）；
ＳｉＯ＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ↑ の反応式より、次式から求めた。
ＳｉＣ転化率（％）＝〔（Ｗ2 −Ｗ1 ）／Ｗ1 〕／〔（40.10 ／24.02 ）−１〕×１００
但し、Ｗ1 は耐蝕性試験前のテストピースの重量、Ｗ2 はＳｉＯガスに対する耐蝕性試験後のテストピースの重量。
▲３▼ＳｉＣ膜厚（μm ）
テストピースの断面を走査型電子顕微鏡の反射電子像より観測した。
▲４▼外観テスト
テストピースの表面を目視観察した。
【００３７】
比較例１
混合ペーストの塗着層の形成および炭素繊維の貼着を行わず、すなわち炭化物層を被着しない他は、実施例と同一の方法により製造したＣ／Ｃ材を試験片として４０×７０×７mmのテストピースを切り出した。このテストピースについて、実施例と同一の方法によりＳｉＯガスに対する耐蝕性を試験した。得られた結果を表１に併載した。
【００３８】
比較例２
混合ペーストの塗着層の形成を行わず、実施例１２と同じ膨張黒鉛シートをテストピース表面に載置した他は、実施例と同一の方法により製造したＣ／Ｃ材を試験片として４０×７０×７mmのテストピースを切り出した。このテストピースについて、実施例と同一の方法によりＳｉＯガスに対する耐蝕性を試験した。得られた結果を表１に併載した。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１より、テストピースの表面に炭素質微粉末とフェノール樹脂初期縮合物とを混合した混合ペーストの塗着層を形成し、その上に炭素繊維の平織りクロスなどを貼着した実施例は、塗着層を形成しない比較例に比べて、ＳｉＯガスに対する耐蝕性試験においてＳｉＣ化に伴う重量増加率、ＳｉＣ転化率およびＳｉＣの膜厚が小さく、ＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れていることが判る。
【００４１】
また、混合ペーストの炭素質粉末と熱硬化性樹脂との混合比（炭素質粉末／熱硬化性樹脂）を重量比で０．７〜１．０、および塗着層の厚さを１００〜４００μm の範囲に調整した実施例１〜５は、これらの範囲が外れる実施例６〜１１に対比して、ＳｉＯガスに対する耐蝕性試験におけるＳｉＣ化に伴う重量増加率、ＳｉＣ転化率、ＳｉＣの膜厚などが小さく、ＳｉＯガスに対する耐蝕性により優れていることが認められる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によるＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボは、石英ルツボに接する少なくとも内面の一部に炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストの緻密な塗着層が形成され、更に、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートが貼着、焼成炭化された炭化物層が一体的に被着された構造を特徴とし、この炭化物層が有するガス不浸透性およびＳｉＯガスに対する優れた耐蝕性により、Ｃ／ＣルツボのＳｉＯガスによる脆弱化を効果的に抑制することができる。したがって、耐久性に優れ、使用寿命の長いＳｉ単結晶引き上げ用のＣ／Ｃルツボを提供することが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、この炭化物層を容易に形成することが可能であり、更に、この製造方法を応用することにより、Ｃ／Ｃルツボの損傷部の補修を行うこともできる。このように本発明によれば、簡便な方法により、低コストで、ＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れ、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を抑止して、耐久性の高いＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボを製造する方法およびＣ／Ｃルツボの補修方法が提供される。
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下「ＣＺ法」という）によるシリコンなどの単結晶引き上げ装置に使用される石英ルツボを支持するために用いるＣ／Ｃルツボの製造方法および補修方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣやＬＳＩなどの製造に用いるシリコンなどの単結晶は、通常ＣＺ法により製造されている。ＣＺ法は、高純度の石英ルツボの中にシリコン多結晶を入れ、石英ルツボを所定速度で回転させながらヒータによりシリコン多結晶を加熱溶融し、シリコン多結晶の溶融液の表面に種結晶（シリコン単結晶）を接触させて、所定速度で回転させながらゆっくりと引上げることによりシリコン多結晶の溶融液を凝固させて、シリコン単結晶に成長させるものである。
【０００３】
しかしながら、石英ルツボは高温においては軟化し、強度も充分でないので、通常、石英ルツボは炭素ルツボ内に嵌合され炭素ルツボで石英ルツボを支持することにより補強して用いられている。この石英ルツボを嵌合する炭素ルツボとしては高温強度が高く、耐熱性や熱伝導率が大きい黒鉛材が一般的に使用されている。しかしながら、黒鉛材は表面から黒鉛の微粉が離脱、飛散し易く、微粉が装置内を浮遊してシリコン溶融液中に混入し、シリコン単結晶の品質を低下させる難点がある。
【０００４】
更に、材質上石英と黒鉛とは熱膨張率が大きく異なるために、加熱、冷却を繰り返し行っている間に加熱時には石英ルツボが軟化して黒鉛ルツボに密着し、一方冷却時には黒鉛ルツボの収縮量が石英ルツボの収縮量に比べて大きくなることにより石英ルツボから内圧を受けることとなり、黒鉛ルツボの変形、割損などが生じる難点もある。通常、この熱膨張率の差異による割損を防止するために黒鉛ルツボは分割して組み立てられている。また、近年における単結晶の大口径化に伴って引き上げ装置も大型化し、黒鉛ルツボも大型化して、重量増加により作業性が低下する問題もある。
【０００５】
そこで、黒鉛材に比べて比強度、比弾性率に優れ、また石英との熱膨張率の差異が少ない炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ材）を用いてＳｉ単結晶引き上げ用の炭素質ルツボを形成する提案も行われており、例えば、少なくとも側壁部分が一体のＣ／Ｃ材により構成されてなる単結晶引き上げ用ルツボ（実開昭63−7174号公報）、ルツボ内側を炭素繊維クロス積層体または炭素繊維フェルト積層体を用いたＣ／Ｃ材とし、ルツボ外側をフィラメントワインディング法により成形したＣ／Ｃ材で構成した二層よりなるシリコン単結晶引き上げ用炭素繊維強化炭素ルツボ（特開平９−263482号公報）、などが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｃ／Ｃ材は黒鉛材などの炭素材と同様に、高温加熱時に石英ルツボ（ＳｉＯ2 ）と接触する嵌合面において、ＳｉＯ2 ＋Ｃ→ＳｉＯ＋ＣＯの反応によりＳｉＯガスが発生する。Ｃ／Ｃ材には多くの微小気孔が存在するため、発生したＳｉＯガスはＣ／Ｃルツボの表層面の微小気孔内に浸透しながらＣ／Ｃ材を次第にＳｉＣ化していき、Ｃ／Ｃルツボを脆弱化することになる。
【０００７】
そこで、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を減少させて、長時間の使用を可能とするために、特開平１０−５９７９５号公報にはＣ／Ｃ材料を全部または一部に含んで形成される半導体単結晶引き上げ用ルツボであって、前記Ｃ／Ｃ材料の少なくとも一部分に熱分解炭素の被膜が形成され、前記被膜は開気孔の内面まで生成することを特徴とする半導体単結晶引き上げ用ルツボ、および、開気孔にＣＶＤ法によって０．２μm ／hr以下の析出速度で熱分解炭素の被膜を形成する製造方法が提案されている。
【０００８】
更に、特開平１１−１７１６８１号公報にはＣ／Ｃ材を全部または一部に含んで形成される単結晶引上げ装置用高温部材であって、Ｃ／Ｃ材が特性として、嵩密度が１．３g/cm3 以上、曲げ強度が８０MPa 以上、引張り強さが１００MPa 以上の値を有し、かつＣ／Ｃ材の表面の全体又は一部に熱分解炭素の析出層が形成されてなることを特徴とする単結晶引上げ装置用高温部材、および、化学蒸着法により熱分解炭素の析出層を形成する製造方法が提案されている。
【０００９】
また、本出願人もＣ／Ｃ材を基材とし、該基材の全気孔容積の３５〜５０ vol％がＣＶＩ法により析出したＳｉＣで充填されたＣ／Ｃ材とＳｉＣの複合体からなることを特徴とする単結晶引き上げ用炭素質ルツボ（特願平11−55233 号）を提案している。
【００１０】
しかしながら、これらの化学的気相析出法により熱分解炭素を析出させて被膜を形成する方法や化学的気相充填法によりＳｉＣを析出、充填する方法は、製造能率が低く、コスト高になる問題点がある。
【００１１】
本発明は、これらの問題点を解消するために、簡易な手段によりＣ／ＣルツボのＳｉＣ化による脆弱化を抑制する方法について鋭意研究を行った結果としてなされたものであり、その目的は、簡便な方法により、低コストで、ＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れ、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を抑止して、耐久性の高いＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボを製造する方法およびその補修方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの製造方法は、炭素繊維強化炭素材からなるルツボの少なくとも内面の一部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着し、緻密、平滑化して塗着層を形成したのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの補修方法は、炭素繊維強化炭素材からなるＳｉ単結晶引き上げ用ルツボの損傷部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着して緻密、平滑な塗着層を形成したのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを構成上の特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
Ｃ／Ｃ材（炭素繊維強化炭素材）はポリアクリロニトリル系、レーヨン系、ピッチ系などの各種原料から製造された炭素繊維を強化材として、これらの炭素繊維がフェノール系やフラン系などの熱硬化性樹脂あるいはピッチを焼成炭化した炭化物により結着され、一体化されたものである。
【００１６】
本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボは、このＣ／Ｃ材で作製されたルツボの少なくとも内面の一部に炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストの塗着層が形成され、更にその塗着層の上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートが貼着、焼成炭化された炭化物層が被着された構造を特徴とする。
【００１７】
Ｃ／Ｃ材には種々の大きさの気孔が存在しており、Ｃ／Ｃ材を用いてＣＺ法による単結晶引き上げ用のルツボを作製した場合には、高温加熱時に嵌合する石英ルツボとの接触面において石英ルツボと反応してＳｉＯガスを発生し、生成したＳｉＯガスがこの気孔内に浸透して、Ｃ／Ｃ材の気孔内面部がＳｉＣに転化される。このようにして、Ｃ／Ｃルツボの気孔内が次第にＳｉＣ化され、その結果ミクロクラックが発生し易く、強度特性に優れたＣ／Ｃ材であっても脆弱化することとなる。
【００１８】
そこで、本発明のＣ／Ｃルツボは、少なくとも内面、すなわち石英ルツボを嵌合し、石英ルツボと接触するＣ／Ｃルツボ内面の一部に炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストが塗り込まれ、Ｃ／Ｃ材の気孔を封止するための緻密な塗着層が形成されている。
【００１９】
そして、この塗着層の上には、更に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートが貼着され、焼成炭化処理されて、塗着層と炭素繊維クロスあるいはプリプレグシートなどとが一体化した炭化物層により被着されている。すなわち、本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボは、石英ルツボに接触する少なくとも内面の一部に、この一体化した緻密な炭化物層が形成、被着されている点を特徴とし、この炭化物層が有するＳｉＯガスに対する優れた耐蝕性により、Ｃ／ＣルツボのＳｉＯガスによる脆弱化が効果的に抑制される。
【００２０】
本発明のＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの製造方法は、炭素繊維強化炭素材からなるルツボの少なくとも内面の一部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着し、緻密、平滑化して塗着層を形成したたのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを特徴とする。
【００２１】
先ず、Ｃ／Ｃ材からなるルツボは、常法により炭素繊維クロスをマトリックス樹脂液に浸漬、またはマトリックス樹脂液を塗布するなどの方法で炭素繊維クロスにマトリックス樹脂を含浸し、半硬化したプリプレグを所望のルツボ形状に成形し、硬化した成形体を非酸化性雰囲気に保持された加熱炉中で焼成炭化することによりＣ／Ｃ材からなるルツボ成形体が作製される。なお、マトリックス樹脂としてはフェノール系樹脂、フラン系樹脂などの高炭化性の熱硬化性樹脂が好ましく用いられる。
【００２２】
あるいは、炭素繊維の連続繊維にマトリックス樹脂液を含浸し、フィラメントワインディング法によりルツボ形状に成形した成形体を硬化したのち、非酸化性雰囲気に保持された加熱炉中で焼成炭化することによりＣ／Ｃ材からなるルツボ成形体を作製することもできる。
【００２３】
このようにして作製したＣ／Ｃルツボと石英ルツボを嵌合し、石英ルツボと接触する少なくともＣ／Ｃルツボ内面の一部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗り込んで塗着し、緻密、平滑化して塗着層を形成する。炭素質粉末としては粒径０．１〜５０μm 程度の黒鉛粉、カーボンブラック、コークス粉、メソフェーズピッチなどが、また熱硬化性樹脂にはフェノール系やフラン系などの樹脂が用いられる。
【００２４】
混合ペースト中の炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合比（炭素質微粉末／熱硬化性樹脂）は重量比で０．７〜１．０の範囲に設定することが好ましい。混合比が０．７未満では焼成炭化時における体積収縮が大きくなるために貼着した炭素繊維クロスやプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートとＣ／Ｃルツボ内面との間に空隙が生じ易くなる。また、熱硬化性樹脂の炭化物は炭素質微粉末に比べてＳｉＣ化し易いので、炭素質微粉末の混合比が小さくなると塗着層の炭化物はＳｉＯガスによりＳｉＣ化され、Ｃ／Ｃルツボ内面部のＳｉＣ化を阻止する機能が低減することとなる。
【００２５】
一方、混合比が１．０を越えると混合ペーストの粘性が高くなり、混合ペーストをＣ／Ｃルツボ内面に均一に塗着することが難しく、また形成した塗着層も嵩高となって緻密性が低く、ＳｉＯガスの浸透を効果的に阻止する機能が低下することとなる。
【００２６】
また、形成する塗着層の厚さは１００〜４００μm の範囲になるように混合ペーストを塗着することが好ましい。塗着層の厚さが１００μm 未満では、塗着層の炭化物層はＳｉＯガスによりＳｉＣ化され易く、Ｃ／Ｃルツボ内面部のＳｉＣ化を効果的に抑制する機能が低下する。
【００２７】
しかしながら、塗着層の厚さが４００μm を越えると焼成炭化時にクラックが発生し易く、また炭化物層も剥離し易くなり、ＳｉＯガスの浸透を抑止することが難しくなるために、Ｃ／Ｃルツボ内面部のＳｉＣ化を効果的に抑制する機能が低下する。
【００２８】
このようにして形成した塗着層の上に、炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥したのち、２００℃以上に加熱して樹脂分を硬化する。なお、炭素繊維クロスには高目付のものが好ましく用いられる。次いで、非酸化性雰囲気中で１０００℃以上、好ましくは１８００℃以上の温度で焼成炭化して、塗着層と炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートとが一体化した炭化物層に転化する。
【００２９】
このようにして、石英ルツボを嵌合し、石英ルツボに接触するＣ／Ｃルツボの少なくとも内面の一部に、塗着層と炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートとが一体化した炭化物層が形成される。そして、Ｃ／Ｃルツボ内面に被着した炭化物層によりＳｉＯガスに対する優れた耐蝕性を備えたＳｉ単結晶引き上げ用のＣ／Ｃルツボが製造される。
【００３０】
更に、この本発明のＳｉ単結晶引き上げ用のＣ／Ｃルツボの製造方法を応用することにより、ＳｉＯガスによりＳｉＣ化し脆弱化したＣ／Ｃルツボの損傷部を簡便に補修することができる。例えば、Ｓｉ単結晶の引き上げ操作を繰り返し行っている間に特にＳｉＣ化し脆弱化し易いＣ／Ｃルツボの周壁部、あるいは周壁部と底部とのＲ部などの損傷が進行した場合などには、その損傷部に上記の手法を応用して補修することが可能である。
【００３１】
すなわち、Ｃ／Ｃルツボの損傷部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着して塗着層を形成し、この塗着層の上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで非酸化性雰囲気中で焼成炭化して一体化した炭化物層を該損傷部に形成し、強固に被着するという簡便な方法で、低コスト、かつ迅速に損傷部を補修することが可能となる。
【００３２】
本発明によれば、このような簡便な方法により、低コストでＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れ、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を抑止して耐久性の高いＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボおよびその製造方法、更にＣ／Ｃルツボの補修方法が提供される。
【００３３】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００３４】
実施例１〜１２
ポリアクリロニトリル系炭素繊維の二次元織クロスにフェノール樹脂初期縮合物を塗布して含浸し、風乾して作成したプリプレグシートを積層してモールドに入れ、２５０℃の温度に加熱して樹脂成分を硬化した。次いで、窒素ガス雰囲気に保持した加熱炉中で１０℃／hrの昇温速度により２０００℃に加熱し、５時間保持して焼成炭化した。このようにして、炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ材）の試験片を作製した。
【００３５】
平均粒径２μm の炭素質微粉末とフェノール樹脂初期縮合物とを混合して、混合比（重量比）の異なる混合ペーストを調製し、試験片の表面に混合ペーストを塗り込みながら塗着し、緻密、平滑化して厚さの異なる塗着層を形成した。次いで、塗着層の上に炭素繊維の平織りクロス（厚さ０．３あるいは０．８mm）あるいは炭素繊維クロスにフェノール樹脂初期縮合物を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シート（厚さ０．８mm）を貼り付けて風乾し、２５０℃の温度で硬化したのち、窒素ガス雰囲気中１０℃／hrの昇温速度で２０００℃の温度に加熱して焼成炭化した。このようにして、炭化物層を被着した試験片から４０×７０×７mmのテストピースを切り出した。
【００３６】
粒径０．５mm以下のＳｉＯ2 粉末２０g とコークス粉末５g とを混合し、バインダーとしてフェノール樹脂初期縮合物１０ gを加えて混練し、混練物をロール成形、加熱硬化して、４０×７０mm、厚さ３mmのシート状成形体を作製して、テストピースの炭化物層に当接した。この状態で、アルゴンガス雰囲気中、１８５０℃の温度に３時間保持して、発生したＳｉＯガスに対する耐蝕性を下記の方法により試験した。その結果を表１に示した。
▲１▼重量増加率（％）；
耐蝕性試験前のテストピースの重量Ｗ1 、ＳｉＯガスに対する耐蝕性試験後のテストピースの重量Ｗ2 を測定して、次式から求めた。
重量増加率（％）＝〔（Ｗ2 −Ｗ1 ）／Ｗ1 〕×１００
▲２▼ＳｉＣ転化率（％）；
ＳｉＯ＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ↑ の反応式より、次式から求めた。
ＳｉＣ転化率（％）＝〔（Ｗ2 −Ｗ1 ）／Ｗ1 〕／〔（40.10 ／24.02 ）−１〕×１００
但し、Ｗ1 は耐蝕性試験前のテストピースの重量、Ｗ2 はＳｉＯガスに対する耐蝕性試験後のテストピースの重量。
▲３▼ＳｉＣ膜厚（μm ）
テストピースの断面を走査型電子顕微鏡の反射電子像より観測した。
▲４▼外観テスト
テストピースの表面を目視観察した。
【００３７】
比較例１
混合ペーストの塗着層の形成および炭素繊維の貼着を行わず、すなわち炭化物層を被着しない他は、実施例と同一の方法により製造したＣ／Ｃ材を試験片として４０×７０×７mmのテストピースを切り出した。このテストピースについて、実施例と同一の方法によりＳｉＯガスに対する耐蝕性を試験した。得られた結果を表１に併載した。
【００３８】
比較例２
混合ペーストの塗着層の形成を行わず、実施例１２と同じ膨張黒鉛シートをテストピース表面に載置した他は、実施例と同一の方法により製造したＣ／Ｃ材を試験片として４０×７０×７mmのテストピースを切り出した。このテストピースについて、実施例と同一の方法によりＳｉＯガスに対する耐蝕性を試験した。得られた結果を表１に併載した。
【００３９】
【表１】
表１より、テストピースの表面に炭素質微粉末とフェノール樹脂初期縮合物とを混合した混合ペーストの塗着層を形成し、その上に炭素繊維の平織りクロスなどを貼着した実施例は、塗着層を形成しない比較例に比べて、ＳｉＯガスに対する耐蝕性試験においてＳｉＣ化に伴う重量増加率、ＳｉＣ転化率およびＳｉＣの膜厚が小さく、ＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れていることが判る。
【００４１】
また、混合ペーストの炭素質粉末と熱硬化性樹脂との混合比（炭素質粉末／熱硬化性樹脂）を重量比で０．７〜１．０、および塗着層の厚さを１００〜４００μm の範囲に調整した実施例１〜５は、これらの範囲が外れる実施例６〜１１に対比して、ＳｉＯガスに対する耐蝕性試験におけるＳｉＣ化に伴う重量増加率、ＳｉＣ転化率、ＳｉＣの膜厚などが小さく、ＳｉＯガスに対する耐蝕性により優れていることが認められる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によるＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボは、石英ルツボに接する少なくとも内面の一部に炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストの緻密な塗着層が形成され、更に、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートが貼着、焼成炭化された炭化物層が一体的に被着された構造を特徴とし、この炭化物層が有するガス不浸透性およびＳｉＯガスに対する優れた耐蝕性により、Ｃ／ＣルツボのＳｉＯガスによる脆弱化を効果的に抑制することができる。したがって、耐久性に優れ、使用寿命の長いＳｉ単結晶引き上げ用のＣ／Ｃルツボを提供することが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、この炭化物層を容易に形成することが可能であり、更に、この製造方法を応用することにより、Ｃ／Ｃルツボの損傷部の補修を行うこともできる。このように本発明によれば、簡便な方法により、低コストで、ＳｉＯガスに対する耐蝕性に優れ、Ｃ／ＣルツボのＳｉＣ化を抑止して、耐久性の高いＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボを製造する方法およびＣ／Ｃルツボの補修方法が提供される。
Claims (2)
- 炭素繊維強化炭素材からなるルツボの少なくとも内面の一部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着し、緻密、平滑化して塗着層を形成したのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを特徴とするＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの製造方法。
- 炭素繊維強化炭素材からなるＳｉ単結晶引き上げ用ルツボの損傷部に、炭素質微粉末と熱硬化性樹脂との混合ペーストを塗着して緻密、平滑な塗着層を形成したのち、塗着層上に炭素繊維クロスあるいは炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグシートまたは膨張黒鉛シートを貼着して乾燥し、次いで焼成炭化して炭化物層を被着することを特徴とするＳｉ単結晶引き上げ用Ｃ／Ｃルツボの補修方法。
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