JPH0218311B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、元素状溶融ケイ素の存在下で使用し
た炭素成形体、特に黒鉛成形体の再生方法、なら
びに同方法を実施するための装置に関する。

工業技術の高温プロセスにおいて、炭素特に黒
鉛はすぐれた性質を有する加工材料として知られ
ている。電子要素、太陽電池またはミクロ機械要
素用の基材としての高純度元素状ケイ素の製造範
囲において、炭素特に黒鉛が高温工程において用
いられている。溶融ケイ素と炭素成形体の間の直
接接触は、高温で炭化ケイ素の形成が開始される
ため、できるだけ避けなければならないとして
も、炭素がこの製造に用いられている。このため
に、例えばチヨクラルスキー法に従つてるつぼ内
でのケイ素ロツドの引き上げまたはケイ素ブロツ
クの鋳造のような大量の溶融ケイ素を必要とする
プロセスでは、外側を黒鉛るつぼで囲繞した石英
るつぼ内に溶融物を通常装入する。そのため、黒
鉛るつぼは溶融ケイ素と直接接触しないが、それ
にも拘らず、黒鉛るつぼはこのようなプロセスで
は非常に応力を受ける。黒鉛るつぼの表面がもろ
くなり始め、ひび割れ及び破砕が生ずるため、あ
るいは熱伝導性及び熱放射性が変化するため、こ
れらを頻繁に取換えることが必要である。これら
のるつぼはしばしば大きな直径を有し（典型的に
は直径約400mm及び高さ約300mm）、大ていの場合
に大きな黒鉛塊から製造しなければならないの
で、この製造は費用がかかり、労力を要する。そ
のため、るつぼを頻繁に取換えることは非常に高
い費用を招くことになる。

従つて、元素状溶融ケイ素の存在下で用いる炭
素製、特に黒鉛製の成形体の耐用寿命を延ばす方
法を提供することが、本発明の目的である。

この目的は、使用後の成形体を炭素、特に黒鉛
に対して不活性な雰囲気下で1700℃〜3000℃の温
度に加熱し、この温度範囲に成形体のmmで測定し
た器壁厚さの0.05〜１倍の数値に相当する時間数
の期間維持することを特徴とする方法によつて解
決される。

成形体は好ましくは約２〜８時間の加熱期間内
に1700〜3000℃、好ましくは1900〜2200℃の範囲
の所定の最終温度に原則として直接加熱する。こ
の場合に、1900℃以下の温度範囲はかなり長い処
理時間を当然必要とすることになる。温度が上昇
すると、この処理時間は短縮されるが、2200℃以
上では昇華による材料損失が増大する。さらに、
約2500℃以上の塑性範囲では、寸法安定性の低下
も生ずる。これに加えて、達成し維持しなければ
ならない温度が高くなればなるほど、装置費用も
増大する。従つて、3000℃以上の処理温度は原則
的には可能であるとしても、装置要件とエネルギ
ー消費の点から正当化されない。

成形体の耐用寿命を延ばす再生のために必要な
時間は基本的には成形体の器壁厚さによつて定め
られる、すなわち必要な処理時間は器壁厚さの増
加とともに増加する。一般に、時間数で表現した
必要時間はmmで測定した器壁厚さの0.05倍〜１倍
の数値に相当する。例えば、1900〜2200℃の好ま
しい温度範囲では、黒鉛成形体に通常見られるよ
うな、15〜40mmの器壁厚さに対して約２〜20時間
の処理時間で充分であることがわかつている。一
般に、再生処理に必要な時間は温度を高めること
によつて短縮する。しかし、処理温度を高める場
合には、昇華による材料損失の増加または寸法安
定性の低下のような不利な効果が生ずることを考
慮しなければならない。

高温処理が完成した後に、成形体の温度を再び
低下させる。この冷却過程は固有の、例えば水で
冷却する冷却室で実施し、任意に冷却室の内部を
合日的には常圧から過圧までの範囲の不活性ガス
によつて補充的に冷却することができる。外気と
の接触が生じた場合にも、燃焼による損失が避け
られるような最終温度を選択することが好まし
い。従つて、炭素成形体特に黒鉛成形体を外気中
で冷却する前に、400〜500℃に冷却することが一
般に必要である。この冷却段階は150〜250℃の温
度範囲にまで、さらに延長することが好ましい。
処理温度と被再生成形体のサイズに応じて２〜10
時間の冷却期間が有効であることがわかつてい
る。

燃焼による損失を避けるために、成形体の高温
処理は不活性な雰囲気中で、すなわち炭素または
黒鉛に対して不活性な（すなわち成形体の材料に
対して不活性な）雰囲気中で実施する。不活性な
雰囲気とは特に、好ましくは10^-1〜10^-3mbarの
真空または保護ガス雰囲気である。適当な保護ガ
スは例えば、ヘリウム、ネオンまたは特にアルゴ
ンのような希ガスである。もちろん、希ガスの混
合物を用いることも可能である。基本的には、成
形体の燃焼による損失が生じないことが経験から
わかつている。約400〜500℃までの範囲の温度範
囲で、加熱または冷却を外気中で実施することが
できる。

一般に、炭素製、特に黒鉛製の成形体を使用の
度毎に再生する必要はなく、材料の性質の劣化が
認められた場合にのみ再生することが必要にな
る。このような劣化は熱伝達性及び放射性の変化
によつて、または表面のクラスト形成もしくは脆
化によつて表われる。例えば、ケイ素ブロツク鋳
造またはチヨクラルスキー法よるるつぼ内でのケ
イ素ロツド引上げに用いられるような黒鉛るつぼ
に関しては、再生間の耐用寿命を決定的に延ばす
ために、るつぼを３〜12回使用した後のみに本発
明による処理が必要である。

図面に基づいて、炭素製特に黒鉛製の成形体の
可能な再生方法ならびにそれを実施するための可
能な装置をさらに詳細に説明する。

排気可能であり、例えば水によつて冷却可能で
あり、同時に冷却室としても用いられる装入室１
に、加熱すべき成形体、例えばチヨクラルスキー
法よるケイ素ロツドのるつぼ引上げに用いる黒鉛
るつぼ２を負荷したキヤリヤ３を装入し、次に真
空気密にシール可能及び排気可能で、任意に不活
性ガスで洗浄できる、例えば誘導加熱する加熱室
４の中にキヤリヤ３を沈下させる。加熱室４を例
えば真空ポンプ（図示せず）を用いて例えば10^-1
〜10^-3mbarの適当な圧力に調節した後に、温度
に好ましくは1900〜2200℃の範囲の選択した最終
温度に予定の加熱期間内に高める。予定の処理期
間が経過し、任意の補充冷却期間が終了した後
に、必要に応じて、キヤリヤ３を装入室に戻す。
装入室はこの場合冷却室として作用し、任意に不
活性ガスを供給され、強度に冷却される。燃焼の
心配なく換気を行なえ、黒鉛るつぼを取り出すこ
とができるような温度に温度が低下するまで、キ
ヤリヤをこの室に放置する。

成形体の取り出しを装入室内でなく、固有の取
り出し室で行うような配置が可能であることは自
明のことである。

焼なまし品の装入もしくは取り出しのために加
熱室に連結し、冷却過程のためには加熱室から分
離することのできる、真空気密にシール可能な装
入室を含む配置も考えられる。このような配置で
は、幾つかの装入室を焼なまし品の装入のために
順次加熱室に連結し、次に冷却過程のために分離
し、次の被再生黒鉛成形体を負荷した装入室を加
熱室に連結することのできる流れ作業も行うこと
ができる。他の可能性は、熱処理が終了した後に
冷却室に再び導入する前の被再生品を装入室から
導入する連続炉のように、加熱室を形成すること
にある。

本発明の方法によつて再生した黒鉛るつぼは例
えばるつぼ引上げ法又はブロツク鋳造法における
ような、溶融ケイ素の存在下で非再生製品の場合
よりもかなり頻繁に使用することができる。

実施例 チヨクラルスキー法によるケイ素ロツドのるつ
ぼ引上げ法に通常用いる装置〔例えば、ダブリユ
ー・ツレーネル（W.Zulehner）とデイー・フー
バー（D.Huber）著、チヨクラルスキー−グロウ
ンシリコーン（Czochralski−Grwn Silicon）、
クリスタル（crystal）８、スプリンゲル出版社
（ベルリン−ハイデルベルグ）、1982年参照〕に、
溶融物（ケイ素約35Kg）を受容するための石英る
つぼ（外径350mm、高さ250mm）を装入した。この
るつぼを内径351mm、高さ240mm及び器壁厚さ20mm
の黒鉛るつぼによつて囲繞した。

この装置から、通常の方法（例えば、ダブリユ
ー・ツレーネルとデイ・フーバーの前記文献参
照）によつてケイ素ロツド（直径120mm、長さ
1000〜1100mmの範囲）を引き上げた。各引上げ後
に石英るつぼは取り換えたが、黒鉛るつぼは引続
き用いた。

10回引上げ過程を行つた後毎に、黒鉛るつぼを
取り出し、図と等しい装置の１つで再生した。

この目的のために、るつぼを装入室すなわち排
気−及び水冷−可能な特殊鋼シリンダー内の黒鉛
キヤリヤ上に載せ、加熱室に沈下させた。この加
熱室は融解不透明石英製の、黒鉛フエルトで絶縁
した、真空気密にシール可能な管から成るもので
あつた。誘導加熱可能な黒鉛管を物質を受容する
ために石英管内に配置した。次に、加熱室を約
10^-2の圧力まで排気し、温度を約４時間後に約
2050℃に達するまで連続的に高めた。次にるつぼ
をこの温度に約５時間維持した。続いて、熱をし
や断し、熱を消散させることによつてるつぼを冷
却した。約1700℃において、るつぼを加熱室から
引き上げ、すでに約10^-2mbarに排気してある装
入室に戻し、装入室を水で強度に冷却した。約10
時間の全冷却期間後に、るつぼは約200℃の温度
に達し、換気後に加熱室から取り出し、るつぼ引
上げプロセスに再使用することが可能であつた。

上述のように周期的に再生したるつぼによつ
て、30回以上の引上げ操作を行うことが可能であ
つた。生成したロツドは全て、転位を含まず、再
現可能な酸素及び炭素含量を示した。

比較例 上述の方法に従つて、他の連続るつぼ引上げプ
ロセスを行つたが、この場合には使用した黒鉛る
つぼの再生は行わなかつた。

引上げプロセスを６回実施した後に、黒鉛るつ
ぼの表面は脆化し始めた。

引上げプロセスを12回実施した後に、黒鉛るつ
ぼの熱伝導性及び放射性は非常に不均一になり、
得られたロツドは前述のロツドに比べて結晶障害
の上昇ならびに炭素−及び酸素−含量の強い偏り
を示したため、もはやこれ以上加工することがで
きなかつた。さらに、黒鉛るつぼは明らかに可視
的なヒビ割れを示し、取り換えなければならなか
つた。

このように、本発明の単一の実施態様と実施例
を示したにすぎないが、本発明の精神と範囲から
逸脱することなく、多くの変化及び修正が実施可
能であることは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の方法を実施するための装置を図
示したものである。 １……装入室、２……黒鉛るつぼ、３……キヤ
リヤ、４……加熱室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 元素状溶融ケイ素の存在下で使用される炭素
   成形体の再生方法において、使用後に前記成形体
   を炭素に対して不活性な雰囲気下で1700〜3000℃
   の範囲の温度に加熱し、前記成形体のmmで測定し
   た器壁厚さの0.05〜１倍の数値に相当する時間数
   の期間、前記成形体を前記範囲の温度に維持する
   ことを特徴とする方法。 ２ 不活性雰囲気として10^-1〜10^-3mbarの真空
   を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３ 1900〜2200℃の温度を維持することを特徴と
   する特許請求の範囲第１または第２項記載の方
   法。 ４ 前記温度処理後、前記成形体を前記不活性な
   雰囲気から取り出す前に500℃以下の温度に冷却
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第３項の何れかに記載の方法。 ５ 少なくとも１個の排気可能な装入室；これに
   連通した排気及び加熱可能な加熱室；これに連通
   した少なくとも１個の排気及び冷却可能な冷却
   室；及び装入室と加熱室と冷却室との間で可動
   な、再生すべき成形体の受け入れに適したキヤリ
   ヤを備えていることを特徴とする元素状溶融ケイ
   素の存在下で使用される炭素成形体の再生方法を
   実施するための装置。 ６ 装入−及び冷却室として単一の装置要素を備
   えたことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
   の装置。 ７ 加熱室から分離可能な、１個または数個の装
   入−および冷却室を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第６項記載の装置。