JP6487856B2

JP6487856B2 - 連続炭素繊維で強化された坩堝の予備成形体およびその製造方法

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Publication number: JP6487856B2
Application number: JP2015560530A
Authority: JP
Inventors: 云良 ▲繆▼
Original assignee: 江▲蘇▼天▲鳥▼高新技▲術▼股▲分▼有限公司
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: KR101877280B1; CN103482995B; KR20150136478A; CN103482995A; JP2016513611A; WO2015018175A1

Description

本発明は、坩堝の技術分野に関し、特に連続炭素繊維で強化された坩堝の予備成形体（preform）およびその製造方法に関する。

単結晶シリコンの引抜き、および多結晶シリコンの製錬の過程において、石英坩堝を用いて反応原料を盛り、高温で純石英で作製された坩堝が軟化して変形し得るため、支持部品を使用して石英坩堝の形状を維持しなければならない。等方性（isotropy）の黒鉛材料は、比較的高い耐熱性および比較的高い熱衝撃性を備え、特に、化学安定性がよく、生成されたＳｉＯなどのような反応性ガスと反応することが困難であり、且つ石英坩堝材におけるＳｉＯ_２との反応速度が比較的遅いため、ずっと石英坩堝の第一選択材料として選ばれてきた。近年では、シリコンウエハーの大口径化に伴い、所望の黒鉛坩堝の寸法が大きくなり、重さが非常に重くなり、高純度の黒鉛坩堝の生産コストが高くなり、設置し難くなり、且つ、提案された分割式組合せ黒鉛坩堝が変形しやすく、サポート・ブラケット作用が次第に低下し、使用要求を満足することが困難である。

炭素／炭素複合材料坩堝は、設計性が高く、性能に優れた炭素坩堝として、現在大寸法の黒鉛坩堝を製造する重要な技術方向であり、炭素繊維予備成形体は、炭素／炭素複合材料坩堝のフレーム材料である。伝統な繊維の巻き付け法（フィラメント・ワインディング法）および炭素布の積層法により、炭素繊維予備成形体を成形することで得られた炭素／炭素複合材料坩堝は、層の間に繊維が接続されていないため層間剥離が発生しやすく、円周方向の抗膨張力が低く（珪素が凝固する時に８％〜９．６％の体積膨張を有する）、割れ易く、坩堝の底部と坩堝の側壁部とを接続する坩堝の薄弱な箇所の強度が低くて割れやすいなどの欠点があり、大寸法の坩堝の使用要求を満足し得ない。これに対し、炭素布／メッシュ生地ニードリング成形技術が提案された。

中国特許ＣＮ１０２０９３０６９Ａ、ＺＬ２００６１００４３１８６．４およびＣＮ１０１３１９３５３Ａなどに記載の前記炭素布／メッシュ生地ニードリング技術により成形した準３次元の予備成形体は、ニードル技術を用いて成形し、層間の結合強度が高く、層間の分離が発生し難い。しかしながら、当該方法では、炭素布が鋸歯状にカットされることで、予備成形体の全体構造において接続する連続繊維の含有量が少なくなり、坩堝の底部の部位がマルチスプリットタイプ（multi split type）で被覆され、繊維の連続性が劣り、大量の重物を長期に担持する場合、割れやすくなる。また、一部に対して強化措置を採用したが、坩堝の側壁部と坩堝の底部とが接続された連続繊維は依然として不十分であり、坩堝の側壁部と坩堝の底部との接続部位が坩堝の支持応力（bearing stress）の集中点となって極めて脱落し易いので、坩堝の使用寿命に影響する。

本発明は、前記の従来技術の不足を克服するための連続炭素繊維で強化された坩堝の予備成形体を提供することを第１目的とする。当該予備成形体は、力学的な性能が優れ、構造が安定し、炭素／炭素で複合した後の坩堝は、高負荷作用での抗膨張性が良く、構造安定性が良く、熱伝導効率が高く、使用寿命が長い。

本発明は、前記連続炭素繊維で強化された坩堝の予備成形体の製造方法を提供することを第２目的とする。

前記発明の第１目的を実現するために、本発明は、以下のような技術案を提供する。すなわち、連続炭素繊維で強化された坩堝の予備成形体において、坩堝の予備成形体は、基礎ユニット積層及び連続炭素繊維強化層をニードリングして成形された準３次元の立体織物であり、前記基礎ユニット積層は、炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料または炭素繊維布およびメッシュ生地の組み合わせ層から構成される。

さらに、前記坩堝の予備成形体において、連続繊維が５％〜３０％であり、炭素繊維布が５０％〜８５％であり、メッシュ生地が５％〜２０％である。

さらに、前記炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料は、炭素繊維布およびメッシュ生地をニードリングして固定することにより成形される。

さらに、前記炭素繊維布の面密度が１００ｇ／ｍ^２〜６４０ｇ／ｍ^２であり、繊維規格が１Κ以上（≧１Κ）である。

さらに、前記メッシュ生地が、ショートカットの炭素繊維で製作された薄いフェルト（felt）であり、その面密度が２０ｇ／ｍ^２〜３００ｇ／ｍ^２であり、繊維規格が３Κ以上（≧３Κ）である。

さらに、前記連続繊維は、複数のステップで複数回で回転されたものであり、繊維規格が１Κ以上である。

さらに、前記基礎ユニット積層は、継ぎ目を複数のステップで複数回で回転してずらすように配置させたものである。

さらに、当該坩堝の予備成形体の全体構造層の層間密度が６層／ｃｍ〜１３層／ｃｍであり、体積密度が０．３０ｇ／ｃｍ^３〜０．５５ｇ／ｃｍ^３である。

前記発明の第２目的を実現するために、本発明は、以下のような技術案を提供する。すなわち、前述したような坩堝の予備成形体の製造方法であって、
（１）炭素繊維布およびメッシュ生地を予備ニードリングすることにより炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料に固定し、予備ニードリング密度が２針(stitches)／ｃｍ^２〜６針／ｃｍ^２であるステップと、
（２）ステップ（１）の炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料または炭素繊維布およびメッシュ生地の組み合わせ層を、全体構造層および一部強化層に分割して裁断し、コアモールド（core mould）に貼り付けて積層を形成するステップと、
（３）連続繊維を用いて以下の形態に従って巻き付けることにより連続繊維強化層を形成するステップと、
（３．１）坩堝の円周上における総等分（全体の等分）方向に沿って、第1方向の繊維は、坩堝の側壁部の開放端部の円周における平行弦および弦のある切断面と坩堝の表面との交線から囲んでなる軌跡線に沿って、繊維を連続に巻き付け（フィラメントワインディング／ファイバープレースメント）、回転して次の方向に変換し、第１方向の繊維の巻き付けステップを繰り返す、及び／又は
（３．２）坩堝の円周上における総等分点に沿って、第１点の繊維は、坩堝の側壁部の開放端部の円周における交差弦（交差する弦）および交差弦のある切断面と坩堝の表面との交線から囲んでなる軌跡線に沿って、繊維を連続に巻き付け、回転して次の等分点の位置に変換し、第１点の繊維の巻き付けステップを繰り返す、
（４）ニードルを用いてステップ（２）およびステップ（３）の製品を固定接続し、ニードリング密度が１５〜３５針／ｃｍ^２であり、これにより坩堝の予備成形体を得るステップと、を含む。

さらに、ステップ（３．１）において、弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡線が形成した平面上における予備成形体の中心軸の投影は、当該平面の中心線上に投射すべきであり、円周上における総等分方向の数が２以上（≧２）であり、平行弦の間隔が３ｍｍ以上（≧３ｍｍ）であり、予備成形体の中心軸と当該平面の中心線との間の角が０°〜１５°である。

さらに、ステップ（３．２）において、交差弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡線が形成した平面上における予備成形体の中心軸の投影は、当該平面の中心線上に投射すべきであり、円周上における総等分点の数が６以上（≧６）で、交差弦の対応した円心角が１０°〜１８０°で、予備成形体の中心軸と当該平面との間の角が０°〜４５°である。

従来技術に比べると、本発明の有益な効果は、高負荷強度を確保することができる。これは、前記予備成形体が弧面に沿って全体構造における連続繊維の含有量を増加し、これにより全体構造の安定性が良くなるためである。前記連続繊維が坩堝の底部で交差結合を形成し、荷重負荷下でサポート・ブラケットの作用を非常に良く奏しており、構造単位のマルチスプリットタイプ被覆による繊維の連続性が劣り、底部の強度が薄弱である不足を補い、坩堝の底部の割れを避けるようになった。同時に、坩堝の側壁部と坩堝の底部との接続区域では弧面に沿って連続繊維を用いて強化され、薄弱な部位に対して十分な強度を確保し、その形成された斜め交差のグリッド構造が高負荷および膨張応力の作用を受けた時に容易に変形することによって、印加された応力を吸収して坩堝の側壁部と坩堝の底部との接続区域の脱落を避けることができる。なお、連続繊維が、坩堝の側壁部、坩堝の底部およびその接続区域を有効に接続したことにより、高い強度および膨張応力の作用下で坩堝の形状の安定性を保証することができる。このため、本発明で製造された坩堝は、高い強度を確保するとともに、優れた形状の安定性を維持し、大寸法の結晶シリコン炉坩堝の使用の要望を満たすことができる。

なお、前記の構成によって、基礎ユニットの構成を変更することにより、予備成形体の体積密度および各部位の強度を変更することができ、線面角（Ｌｉｎｅ−Ｐｌａｎｅａｎｇｌｅ）、平行弦の間隔、交差弦の円心角を変更したり、軌跡を強化することなどにより、各部位の半径方向の力学性能を変更することができ、または機能用途によって各部位の力学的性能を変更することができる。

本発明に係る構造の模式図である。全体構造層の積層に用いられる基礎ユニットを裁断した後の構造の模式図である。一部強化層の積層に用いられる基礎ユニットを裁断した後の構造の模式図である。繊維強化の第１形態の強化形態の一部の模式図である。繊維強化の第１形態の連続繊維強化構造の平面構造の模式図である。繊維強化の第２形態の強化形態の一部の模式図である。繊維強化の第２形態の連続繊維強化構造の平面構造の模式図である。

以下、実施例および添付図面に応じて、本発明を詳細に説明し、この部分の説明は例示的に本発明を解釈するだけであり、本発明の保護範囲に対し何らの限定作用もない。

図１に示すような坩堝において、その坩堝の予備成形体は連続炭素繊維で強化されたものであり、坩堝の底部１、坩堝の側壁部と坩堝の底部との接続区域２、および坩堝の側壁部３内において、坩堝の予備成形体は、基礎ユニット積層及び連続繊維強化層をニードリングして成形された準３次元の立体織物であり、前記基礎ユニット積層は、全体構造層５と一部強化層６とを複合して構成された。

実施例１：
基礎ユニットの構成は、１層の３Ｋ平織り炭素繊維布１２と１層の面密度が４０ｇ／ｍ^２であるメッシュ生地１１を予備ニードリングして成形した炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料１０であり、その面密度が３２０ｇ／ｍ^２であり、予備ニードリング密度が２針／ｃｍ^２であり、
全体構造層５に用いられた炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料１０の切れ目１３の数量が６本であり、
一部強化層６に用いられた炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料１０の切れ目１３の数量が６本であり、
繊維強化の第１形態７の連続繊維は、坩堝の側壁部の開放端部４の円周上に２つの等分方向（ｎ＝２）を形成し、単一の方向に形成した平行弦１４の数量が２３本であり、間隔が１０ｍｍであり、中心軸９と、弦１４及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面１６との間の線面角α１８が０°であり、
層数の設計：全体構造層５が４０層であり、一部強化層６が２０層であり、繊維強化の第１形態７が３０層であり、
基礎ユニット継ぎ目を複数回で複数のステップで回転してずらすように配置させ、ニードリング密度が２５針／ｃｍ^２であり、
成形された予備成形体の外径サイズが７７０．５ｍｍであり、連続繊維含有量が６．０％であり、炭素繊維布含有量が８３．０％であり、メッシュ生地含有量が１１．０％であり、全体構造層の層間密度が１０．６層／ｃｍであり、体積密度が０．４５ｇ／ｃｍ^３であり、坩堝の側壁部３の周方向Ｔ型剥離強度（Ｔ−ｓｔｙｌｅｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈ）が４２４．ｌＮ／ｍである。

実施例２：
基礎ユニットの構成は、２層の面密度４００ｇ／ｍ^２である１２Ｋ斜め織り炭素繊維布１２と１層の面密度６０ｇ／ｍ^２である１２Ｋメッシュ生地１１を予備ニードリングして成形した炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料１０であり、その面密度が３２０ｇ／ｍ^２であり、予備ニードリング密度が３針／ｃｍ^２であり、
図２に示すように、全体構造層５に用いられた炭素繊維布１２、メッシュ生地１１の切れ目１３の数量が４本であり、
図３に示すように、一部強化層６に用いられた炭素繊維布１２、メッシュ生地１１の切れ目１３の数量が４本であり、
図４および図５に示すように、繊維強化の第１形態７の連続繊維は、坩堝の側壁部の開放端部４の円周上に３つの等分方向（ｎ＝３）を形成し、単一方向に形成した平行弦１４の数量が２１本であり、間隔が２０ｍｍであり、中心軸９と、弦１４及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面１６との間の線面角α１８が５°であり、
図６および７に示すように、繊維強化の第２形態８の連続繊維は、坩堝の側壁部の開放端部４の円周上に形成された交差弦１９の円心角θ２０が１００°であり、中心軸９と、弦１９及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面２２との間の線面角β２４が０°であり、坩堝の側壁部の開放端部４の円周上における総等分点数ｍが１００であり、
層数の設計：全体構造層５が２３層であり、一部強化層６が９層であり、繊維強化の第１形態７が２３層であり、繊維強化の第２形態８が１６層であり、
基礎ユニット継ぎ目を複数回で複数のステップで回転してずらすように配置させ、ニードリング密度が３０針／ｃｍ^２であり、
成形された予備成形体の外径サイズが６６５．０ｍｍであり、連続繊維含有量が１６．０％であり、炭素繊維布含有量が７８．５％であり、メッシュ生地含有量が５．５％であり、全体構造層の層間密度が１２．８層／ｃｍであり、体積密度が０．５３ｇ／ｃｍ^３であり、坩堝の側壁部３の周方向Ｔ型剥離強度（Ｔ−ｓｔｙｌｅｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈ）が３０５．６Ｎ／ｍである。

実施例３：
基礎ユニットの構成は、１層の面密度３２０ｇ／ｍ^２である６Ｋ繻子織り炭素繊維布１２と２層の面密度５０ｇ／ｍ^２である１２Ｋメッシュ生地１１であり、
全体構造層５に用いられた炭素繊維布１２、メッシュ生地１１の切れ目１０の数量が６本であり、
一部強化層６に用いられた炭素繊維布１２、メッシュ生地１１の切れ目１０の数量が６本であり、
繊維強化の第２形態８の連続繊維は、坩堝の側壁部の開放端部４の円周上に形成された交差弦１９の円心角θ２０が９０°であり、中心軸９と、弦１９及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面２２との間の線面角β２４が３０°であり、坩堝の側壁部の開放端部４の円周上における総等分点数ｍが８２であり、
層数の設計：全体構造層５が２３層であり、一部強化層６が９層であり、繊維強化の第２形態８が３０層であり、
基礎ユニット継ぎ目を複数回で複数のステップで回転してずらすように配置させ、ニードリング密度が３０針／ｃｍ^２であり、
成形された予備成形体の外径サイズが５６０．５ｍｍであり、連続繊維含有量が２７．０％であり、炭素繊維布含有量が５３．５％であり、メッシュ生地含有量が１９．５％であり、全体構造層の層間密度が６．５層／ｃｍであり、体積密度が０．３２ｇ／ｃｍ^３であり、坩堝の側壁部３の周方向Ｔ型剥離強度（Ｔ−ｓｔｙｌｅｐｅｅｌｓｔｒｅｎｇｔｈ）が６０１．６Ｎ／ｍである。

１坩堝の底部
２坩堝の側壁部と坩堝の底部との接続区域
３坩堝の側壁部
４坩堝の側壁部の開放端部
５全体構造層
６一部強化層
７繊維強化の第１形態
８繊維強化の第２形態
９中心軸
１０炭素繊維布／メッシュ生地の複合材料
１１メッシュ生地
１２炭素繊維布
１３切れ目
１４繊維強化の第１形態の坩堝の側壁部の開放端部の円周における平行弦
１５坩堝の側壁部の開放端部の円周における平行弦のある切断面または弧面が形成した巻き付け軌跡
１６平行弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面
１７平行弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面の中心線
１８中心軸と平面との間の線面角
１９繊維強化の第２形態の坩堝の側壁部の開放端部の円周における交差弦、
２０円周における交差弦の対応した円心角
２１坩堝の側壁部の開放端部の円周における交差弦のある切断面または弧面が形成した巻き付け軌跡
２２交差弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面
２３交差弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡が形成した平面の中心線
２４中心軸と平面との間の線面角

Claims

連続炭素繊維で強化された坩堝の予備成形体であって、
前記坩堝の予備成形体は、基礎ユニット積層及び連続炭素繊維強化層をニードリングして成形された準３次元の立体織物であり、
前記基礎ユニット積層は、炭素繊維布とウェブ生地との複合材料から構成され、または炭素繊維布およびウェブ生地の組み合わせ層から構成され、
前記ウェブ生地が、ショートカットの炭素繊維で制作された薄いフェルトであり、
前記基礎ユニット積層は、継ぎ目を複数のステップで複数回回転してずらすように配置させたものであり、
前記連続炭素繊維強化層の連続炭素繊維は、前記坩堝の予備形成体の側壁部と底部に沿って底部で交差して配置され、
前記連続炭素繊維が５重量％〜３０重量％である、
ことを特徴とする坩堝の予備成形体。
前記坩堝の予備成形体において、
炭素繊維布が５０重量％〜８５重量％であり、
ウェブ生地が５重量％〜２０重量％である、ことを特徴とする請求項１に記載の坩堝の予備成形体。
前記炭素繊維布とウェブ生地との複合材料は、炭素繊維布およびウェブ生地をニードリングして固定することにより成形される、ことを特徴とする請求項１に記載の坩堝の予備成形体。
前記炭素繊維布の面密度が１００ｇ／ｍ^２〜６４０ｇ／ｍ^２であり、繊維規格が１Κ以上である、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の坩堝の予備成形体。
前記ウェブ生地の面密度が２０ｇ／ｍ^２〜３００ｇ／ｍ^２であり、繊維規格が３Κ以上である、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の坩堝の予備成形体。
前記連続炭素繊維は、複数のステップで複数回回転してずらすように基礎ユニット積層に配置させたものであり、繊維規格が１Κ以上である、ことを特徴とする請求項２に記載の坩堝の予備成形体。
前記坩堝の予備成形体の体積密度が０．３０ｇ／ｃｍ^３〜０．５５ｇ／ｃｍ^３である、ことを特徴とする請求項１に記載の坩堝の予備成形体。
請求項１に記載の坩堝の予備成形体の製造方法であって、
（１）炭素繊維布およびウェブ生地を２針／ｃｍ^２〜６針／ｃｍ^２である予備ニードリング密度で予備ニードリングすることにより炭素繊維布とウェブ生地との複合材料を形成し、又は、炭素繊維布とウェブ生地とから炭素繊維布およびウェブ生地の組み合わせ層を形成するステップと、
（２）ステップ（１）の炭素繊維布とウェブ生地との複合材料または炭素繊維布およびウェブ生地の組み合わせ層を、全体構造層および一部強化層に分割して裁断し、コアモールドに貼り付けて積層を形成することにより、基礎ユニット積層を形成するステップと、
（３）連続炭素繊維を用いて以下の形態に従って前記基礎ユニット積層に巻き付けることにより基礎ユニット積層に連続炭素繊維強化層を形成するステップと、
（３．１）坩堝の予備成形体の円周上における総等分方向において、第１方向の炭素繊維は、坩堝の予備成形体の側壁部の開放端部の円周における平行弦および弦のある切断面と坩堝の予備成形体の表面との交線から囲んでなる軌跡線に沿って、連続に巻き付け、回転して次の方向に変換し、第１方向の炭素繊維の巻き付けステップを繰り返す、及び／又は
（３．２）坩堝の予備成形体の円周上における総等分点において、第１点の炭素繊維は、坩堝の予備成形体の側壁部の開放端部の円周における交差弦および交差弦のある切断面と坩堝の予備成形体の表面との交線から囲んでなる軌跡線に沿って、連続に巻き付け、回転して次の等分点の位置に変換し、第１点の炭素繊維の巻き付けステップを繰り返す、
（４）ニードルを用い、連続炭素繊維強化層および基礎ユニット積層を固定して接続し、ニードリング密度が１５〜３５針／ｃｍ^２であり、これにより坩堝の予備成形体を得るステップと、を含む坩堝予備成形体の製造方法。
前記ステップ（３．１）において、弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡線が形成した平面上における予備成形体の中心軸の投影は、前記平面の中心線上に投射すべきであり、円周上における総等分方向の数が２以上であり、平行弦の間隔が３ｍｍ以上であり、予備成形体の中心軸と前記平面の中心線との間の角が０°〜１５°である、ことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
前記ステップ（３．２）において、交差弦及び坩堝の側壁部の巻き付け軌跡線が形成した平面上における予備成形体の中心軸の投影は、前記平面の中心線上に投射すべきであり、円周上における総等分点の数が６以上であり、交差弦の対応した円心角が１０°〜１８０°で、予備成形体の中心軸と前記平面との間の角が０°〜４５°である、ことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。