JPH10130067A - 単結晶引き上げ用ｃ／ｃルツボの製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 石英ルツボを収容して外部から支持するルツ
ボをＣ／Ｃ材によって形成するとともに、該ルツボの製
造コストを抑えて容易に製造することである。 【解決手段】 Ｃ／Ｃ材を含んでなる単結晶引き上げ用
ルツボ１０の製造を、短炭素繊維１を樹脂を含んでなる
溶液中に分散させ、前記短炭素繊維を含む混合液３を得
る工程と、前記混合液３をルツボの形状からなる型５
に被せて液体成分６を除去することにより前記短炭素繊
維からなるルツボの形状体４を得る工程と、前記ルツ
ボの形状体４を熱圧処理することにより炭素繊維強化複
合材料のルツボの成形体９を得る工程と、ルツボの
成形体９に含まれる炭素を緻密化する工程とによって
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は炭素繊維強化炭素複
合材料（以下Ｃ／Ｃ材ともいう）を含んで形成される単
結晶引き上げ用ルツボの製法および単結晶引き上げ用ル
ツボに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、チョクラルスキー法（以下ＣＺ
法という）による半導体等の単結晶の製造には、従来よ
り、シリコン等の半導体材料をその内部で溶融するため
の石英ルツボと、これを収容して外部から支持するため
のルツボが用いられている。この外部から支持するルツ
ボには、従来より黒鉛製のものが使用されている。

【０００３】しかし、この黒鉛製ルツボには、前記の結
晶製造に用いる上で、以下のような不利な点がある。即
ち、製造する結晶が大口径化するとルツボの大型化を招
き、これに伴って、ルツボ厚さが厚くなり炉内有効寸法
が小さくなること、重量増加による取り扱いの不便を招
くということが上げられる。また、前記黒鉛ルツボに
は、熱膨張に伴う応力によって割れを生ずるおそれがあ
る。特に、結晶の引き上げ終了後には、結晶の原料であ
るシリコンの残渣が凝固して前記ルツボの高さ方向や円
周方向に大きな応力が作用し、これが前記ルツボの割れ
を生ずる原因となる。そのため、結晶製造に黒鉛ルツボ
を用いる場合には分割型とする必要があり、取扱い上不
便であるということが上げられる。

【０００４】このような不利のないルツボとして、炭素
繊維強化炭素複合材料（以下Ｃ／Ｃ材ともいう）によっ
て形成したものがある。即ち、Ｃ／Ｃ材によりルツボを
形成すると、ルツボの厚さを薄くでき炉内有効寸法を大
きくできること、ルツボの重量を軽量にできるという利
点がある。

【０００５】また、このＣ／Ｃ材は、炭素繊維の配向の
させかた等によって機械的強度の高いものを得ることが
でき、前記で説明した黒鉛ルツボで問題となる割れを生
じにくい。そのため、Ｃ／Ｃ材からなるルツボは分割型
とする必要がなく、結晶製造に用いる場合の取扱いの不
便もない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ルツボは直胴
部分とＲ形状を含む湾曲部分とが一体的な形状に構成さ
れるので、Ｃ／Ｃ材からなるルツボを形成することは容
易ではなく、製造コスト面での不利がある。そこで、本
発明は、石英ルツボを収容して外部から支持するルツボ
を炭素繊維強化炭素複合材（以下Ｃ／Ｃ材とも称する）
によって強度の方向性による異方性を少なくしたルツボ
に形成するとともに、Ｃ／Ｃ材をルツボの形状に容易に
形成することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の請求項１にかかる発明は、炭素繊維強化炭素
複合材料を全部または一部に含んで形成される単結晶引
き上げ用ルツボの製造を、短炭素繊維を樹脂を含んでな
る溶液中に分散させ前記短炭素繊維を含む混合液を得る
工程と、前記混合液をルツボの形状からなる型に被せて
液体成分を除去することにより前記短炭素繊維からなる
ルツボの形状体を得る工程と、前記ルツボの形状体を熱
圧処理することにより、炭素繊維強化複合材料のルツボ
の成形体を得る工程と、前記ルツボの成形体を炭化およ
び緻密化する工程とを含んで行うものである。

【０００８】ここで、炭素繊維強化炭素複合材とは、炭
素繊維にピッチ又は樹脂等のマトリックス原料を含浸さ
せて成形し、炭素化処理、黒鉛化処理を施して得られた
ものであり、黒鉛の特性を有しつつ機械的強度を向上さ
せたものである。本発明においては、炭素繊維を樹脂溶
液中に分散させることにより、Ｃ／Ｃ材の原料たる混合
液を得る。そして、この混合液から液体成分を除去しつ
つ、炭素繊維強化複合材料のルツボ形状に形成する。

【０００９】本発明では、炭素繊維として短炭素繊維を
用いる。炭素繊維として短炭素繊維を選ぶと、炭素繊維
の束を解いて液中に容易に分散させることができ、Ｃ／
Ｃ材の原料液としての前記混合液は、短炭素繊維が均一
に分散したものとなる。短炭素繊維が混合液中に均一に
分散していると、この後の工程で得られる炭素繊維強化
複合材料は炭素繊維が均一に分散したものに形成され
る。炭素繊維が均一に分散していると、Ｃ／Ｃ材の組織
は偏りのない平均的なものに形成されるので、強度の方
向性による異方性を極力抑えたものにできる。

【００１０】また、前記混合液を調整するために用いる
樹脂としては、例えば熱硬化性樹脂を用いる。その中で
もフェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂等があ
るが、残炭率が５０重量％を越えるものが好ましい。

【００１１】次に、前記混合液よりルツボの成形体を得
るための前段階として、該混合液をルツボの形状からな
る型に被せて液体成分を除去し、炭素繊維と樹脂とから
なるルツボの形状体を得る。かかるルツボの形状からな
る型を用いてルツボの形状に形成すると、Ｃ／Ｃ材から
なるルツボ形状の成形体を得ることが容易となる。例え
ば、フィラメントワインディング法により成形体を形成
する場合であれば、炭素繊維を巻き付ける方向を配慮す
る等を要するが、本発明によれば、このような煩雑さを
伴わずに容易にルツボ形状の成形体を得ることができ
る。

【００１２】次に、炭素繊維と樹脂とからなるルツボの
形状体に熱圧処理を施すことにより、炭素繊維強化複合
材料からなるルツボの成形体に変化させる。そして、ル
ツボとして完成させ、また、Ｃ／Ｃ化させる目的で炭化
および緻密化させる後工程を行う。更に、付け加える
と、ＣＺ用途で使用するために高純度化処理（ハロゲン
ガスと反応させて金属不純物を除去する）を行うことが
好ましい。

【００１３】請求項２記載の発明は、前記短炭素繊維が
３ｍｍないし５０ｍｍの長さからなる請求項１記載の単
結晶引き上げ用ルツボの製造方法である。前記単結晶引
き上げ用ルツボを製造するにあたり、前記短炭素繊維の
うち３ｍｍないし５０ｍｍの長さからなる炭素繊維を選
ぶと、炭素繊維の溶液中への分散性をとりわけ高めるこ
とができる。従って、後に形成されるＣ／Ｃ材につい
て、とりわけその組織を偏りのない平均的なものに形成
することができ、強度の方向性による異方性をより一層
抑えたものにできる。

【００１４】請求項３記載の発明は、前記ルツボ形状の
型を、その表面が前記単結晶引き上げ用ルツボの形状に
沿う形状にするとともに、一定厚さを備える前記ルツボ
の形状体を形成できるように構成し、前記型の表面から
裏面に貫通する多数の孔を備えてなり、該孔は前記型の
表面に被せられた炭素繊維と樹脂とからなる混合液の液
体成分を吸引排出し表面から裏面に導くものである。

【００１５】このルツボ形状の型は、１５０℃程度の温
度に耐え、しかも樹脂および溶剤に侵されない材質であ
れば、どの様なものにより構成しても構わず、金網によ
り構成することもできる。ただし、前記の孔の孔径を液
体成分のみを有効に通すように構成することが必要であ
る。前記混合液を、吸引排出機構を備えたルツボ形状の
型に作用させると、混合液中の液体成分は、このルツボ
形状の型に備わる孔を通じて、その表面から裏面に向か
って排出される。このとき、炭素繊維は、吸引によりル
ツボ形状の型の表面より厚み方向に向かい堆積する。そ
して、ルツボ形状の型の表面には、前記混合液より抽出
された炭素繊維と樹脂とからなるルツボ形状体が形成さ
れる。このルツボ形状体は、前記ルツボ形状の型の構成
により、一定厚さを備えたものに形成される。また、こ
のルツボ形状体は、炭素繊維が均一に分布したものに形
成されるので、この後に得られるＣ／Ｃ材からなるルツ
ボは、強度の方向性による異方性を極力抑えたものにな
る。

【００１６】請求項４記載の発明は、短炭素繊維が均一
に分散されている炭素繊維強化炭素複合材料を全部また
は一部に含んで形成される単結晶引き上げ用ルツボであ
る。炭素繊維として短炭素繊維を用いるので、前記で説
明したように、炭素繊維が均一に分散している炭素繊維
強化炭素複合材料を得ることができる。また、ルツボ形
状の型をコントロールすることにより、一体物のルツ
ボ、または、底部のみ、直胴部のみといった部分的な形
成も容易である。

【００１７】請求項５記載の発明は、３ｍｍないし５０
ｍｍの長さからなる炭素繊維が均一に分散されている炭
素繊維強化炭素複合材料を全部または一部に含んで形成
される単結晶引き上げ用ルツボである。炭素繊維の長さ
が３ｍｍないし５０ｍｍであるので、前記で説明したよ
うに、炭素繊維の均一な分散がとりわけ高められた炭素
繊維強化炭素複合材料を得ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかる単結晶引
き上げ用ルツボの製造方法の実施形態について、図１に
基づいて説明する。図１は、本発明にかかる単結晶引き
上げ用ルツボの製造工程の例を表したものである。図１
は、炭素繊維強化炭素複合材料の原料となる短炭素繊
維１ａを含む混合液３を得る工程をあらわしている。

【００１９】この混合液３は、短繊維からなる炭素繊維
の束としての短炭素繊維１を、樹脂を含んでなる溶液に
投入し、攪拌機２で攪拌することで得られる。短炭素繊
維１について、その繊維長が特に３ｍｍないし５０ｍｍ
の長さであると好ましく、さらに、２５ｍｍないし３０
ｍｍとすると好ましい。ここで、Ｃ／Ｃ材にする場合
に、繊維長が長いと、特定方向の強度は大きくなるが、
炭素繊維を均一に分散させることは難しくなる。一方、
繊維長が短かすぎると、炭素繊維を均一に分散させるこ
とは容易になるが、Ｃ／Ｃ材の強度は低くなる。かかる
条件の下、短炭素繊維を用いることとし、繊維長を特に
３ｍｍないし５０ｍｍとすると好ましく、さらに、２５
ｍｍないし３０ｍｍとすると好ましい。

【００２０】また、混合液３を調製する上で用いる樹脂
には、前記で説明したとおり、フェノール樹脂、フラン
樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが
できる。

【００２１】次の工程では、前記の混合液３からルツボ
の形状体を得る。図１は、ルツボの形状体４を得る工
程を表している。前記の混合液３をルツボの形状からな
る型５に被せることにより、混合液３の液体成分を除去
する。このルツボの形状からなる型５は、同図には図示
しない多数の孔を備えており、該孔が型５の表面から裏
面に貫通している。

【００２２】この工程では、同図に示すように、混合液
３をトラップ１２と真空排気装置１３とが接続される型
５に被せると、型５の表面には混合液３中の短炭素繊維
１ａが堆積するが、混合液３中の液体成分は、前記の孔
により表面から裏面に導かれて符号６のように排出され
る。この型５は、その表面に堆積される短炭素繊維１ａ
を一定厚さの層に形成して、ルツボの形状体４を得るこ
とができるように構成されている。

【００２３】本発明では、ルツボの形状体４を得るにあ
たって、前記のごとき型５を用いる構成であるが、この
方法により形成した短炭素繊維からなる形状体は、形状
体の全体に渡って均一に炭素繊維を分散させることがで
きる。そのため、後に得るＣ／Ｃ材からなる形成体は、
その炭素繊維の組織に偏りがないので、均一な強度のも
のに形成される。

【００２４】例えば、分散させた炭素繊維の混合液より
Ｃ／Ｃ材からなる形成体を成形する方法として、抄紙法
により炭素繊維を含むシートを作製し、それを積層させ
つつ成形する方法があるが、この方法によると前記シー
トの相互間で剥離を生ずる可能性があり、また、成形に
手間がかかる。本発明によると、原料がシート状ではな
く塊状であり偏りのない炭素繊維の組織に形成でき、Ｃ
／Ｃ材からなる形成体は均一な強度のものに形成され
る。さらに、これに加えて層間剥離の発生を抑えること
もできる。この工程に用いられるルツボの形状からなる
型５の具体例については、後に説明する。

【００２５】次の工程では、前工程で得たルツボの形状
体４を半硬化させる。図１は、ルツボの形状体４を半
硬化させる工程を表している。前記の型５上にルツボの
形状体４を据えた状態で乾燥機７へと搬入し、ルツボの
形状体４を半硬化させる。この工程における半硬化は、
後の金型を用いた熱圧成形によりルツボの成形体を得る
工程の前処理として行うものである。従って、後の金型
による成形をスムーズに行える程度に半硬化させれば十
分である。

【００２６】次の工程では、前記のルツボの形状体４よ
りルツボの成形体に変化させることを行う。図１は、
この工程を表している。金型８を用いて、前記のルツボ
形状体４の熱圧処理を行う。即ち、上下金型８の間にル
ツボの形状体４を導入し、所定の温度に保ちながら加圧
することにより、ルツボの形状体４を熱圧成形する。こ
の工程により、ルツボの形状体４からルツボの成形体９
が得られる。

【００２７】最終工程では、高温下で使用されるルツボ
としての特性を備えさせるため、前記の成形体９を焼
成、緻密化する等が行われる。成形体９を非酸化性雰囲
気で焼成し、次いで、緻密化、含浸を行う。この緻密
化、含浸の工程では、フェノール等の熱硬化性樹脂の
他、ピッチ等の熱可塑性樹脂や熱分解炭素を用いること
ができる。この最終工程を経て、図１に示すように、
ルツボの完成品１０を得る。

【００２８】このルツボ１０は、以上に説明した工程に
より製造されるので、３ｍｍないし５０ｍｍの長さから
なる炭素繊維が均一に分散されている炭素繊維強化炭素
複合材料を含んで構成されている。

【００２９】次に、混合液３より液体成分を除去してル
ツボの形状体４を得るために用いるルツボの形状からな
る型５と、これを用いて混合液３中の液体成分を取り除
く工程の具体例を説明する。

【００３０】図２は、ルツボの形状からなる型５の一例
を示している。このルツボの形状からなる型５の形状
は、その表面５ａが完成後のルツボ１０の内面と略一致
する４ａに沿う形状に構成されている。また、型５は、
多数の細孔５ｃを備えている。この細孔５ｃは、型５の
表面５ａ側から裏面５ｂ側に貫通している。前記の混合
液３の液体成分は、真空排気装置１３により強制的にこ
の細孔５ｃに導かれて、符号６に示されるように表面５
ａ側から裏面５ｂ側へと排出される。また、この例にお
いては、型５の形状について、表面５ａと裏面５ｂを一
定の厚さδに構成している。

【００３１】図３は、ルツボの形状からなる型５の他の
構成の例を示している。この例の場合についても型５
は、その表面５ａが完成後のルツボ１０の内面と略一致
する４ａに沿う形状に構成されている。また、多数の細
孔５ｃが表面５ａ側から裏面５ｂ側に貫通し、液体成分
は、真空排気装置１３によりこの孔５ｃに導かれ、符号
６のように排出される構成である。この例では、型５の
形状・寸法については、ルツボの内側の窪んだ空間部分
に略一致するか、または、ルツボの開端部からはみ出す
ように構成される。

【００３２】ルツボの形状からなる型５の構成の例につ
いての説明は以上の通りであるが、この型５に設ける前
記の細孔５ｃについては、いずれの場合についても混合
液３中の短炭素繊維１ａを通すことなく、液体成分のみ
を有効に通すことのできる孔径に構成する必要がある。

【００３３】

【実施例】本発明にかかる製造方法により、炭素繊維強
化炭素複合材からなるルツボの製造を実施した例につい
て以下に説明する。炭素繊維として、ＰＡＮ系炭素繊維
であって２５ｍｍ長の炭素繊維（東レ株式会社製カーボ
ンファイバー）を用いた。樹脂として、フェノール樹脂
（住友デュレス製ＰＲ−５０２７３）を用いた。これら
の炭素繊維と樹脂より前記の混合液を調整し、炭素繊維
強化炭素複合材料の原料とした。

【００３４】次に、図２に構成を示した外径２００ｍ
ｍ、高さ２００ｍｍ、Ｒ部１００ｍｍの型を用いて、上
記の混合液から液体成分を除去し、ルツボ形状体を得
た。この形状体の寸法は内径２００ｍｍ×高さ２００ｍ
ｍのルツボの形状のものを得た。次に、この形状体を半
硬化させる工程を経て、金型を用いて熱圧成形を行っ
た。この熱圧成形は、温度１６０℃で行い、炭素繊維強
化複合材からなる成形体を成形した。また、この時の炭
素繊維強化複合材のかさ密度は１．３であった。

【００３５】次に、前記までの工程で得た成形体を焼成
し、その後にピッチ含浸を三回繰り返した。その後に、
非酸化性雰囲気の下に温度２０００℃で黒鉛化を行っ
た。黒鉛化処理を行った後のＣ／Ｃ材のかさ密度は１．
６であった。このルツボ形状のＣ／Ｃから高さ方向に１
０×６０×^t ５のサンプルを切り出した。

【００３６】（実施例１）上記の製造工程を経て得たＣ
／Ｃ材からなる試料について機械的強度を試すための引
張り試験を行った。 （実施例２）実施例１の場合と同じ原料を用い同条件に
て、ルツボ形状ではなく平板形状の１００×１００×^t
５のサンプルを作製し、１０×６０×^t ５の平面二方向
（０°，９０°）からサンプルを切り出した。そして、
引張試験を行った。このサンプルのかさ密度は１．６で
あった。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１は引張試験の結果を示している。表１
に示される比較対象の黒鉛製試料は、東洋炭素株式会社
製等方性黒鉛材より調製して試料としたものである。表
１に示される結果より、本発明にかかる製造方法により
作製したＣ／Ｃ材製試料は、黒鉛製試料に比較して３倍
以上４倍以下の引張り強度を有することが確認される。

【００３９】このことから、本発明にかかる製法で作製
したＣ／Ｃ材からなるルツボを使用すると、結晶引き上
げ時の熱的負荷の条件が黒鉛製ルツボを用いる場合と同
一であれば、ルツボ厚さを黒鉛製ルツボに対して約１／
４〜１／３の肉厚とできることが判る。

【００４０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のうち請
求項１記載の発明は、炭素繊維強化炭素複合材料を全部
または一部に含んで形成されるルツボの製造を、前記の
炭素繊維を含む混合液をルツボの形状からなる型に被せ
て液体成分を除去する工程を介して行うため、Ｃ／Ｃ材
を全部または一部に含んで形成されるルツボを容易に製
造できるという効果を奏する。また、ルツボを構成する
Ｃ／Ｃ材には短繊維からなる短炭素繊維が均一に分散し
ているので、ルツボは均一な強度に形成されるという効
果を奏する。以上のことから、均一な強度を備えるＣ／
Ｃ材を全部または一部に含んで形成されるルツボの製造
を安価に行えるという効果を奏する。

【００４１】請求項２記載の発明は、Ｃ／Ｃ材に形成さ
れる前記短炭素繊維の繊維長を、特に３ｍｍないし５０
ｍｍとするので、前記ルツボの強度の均一性をとりわけ
高めることができるという効果を奏する。

【００４２】請求項３記載の発明は、前記混合液から確
実に液体成分を除去しつつ、均一な強度を備える炭素繊
維強化炭素複合材料を含んでなるルツボを確実に形成で
きるという効果を奏する。

【００４３】請求項４記載の発明は、炭素繊維強化炭素
複合材料を全部または一部に含んで形成されるルツボを
均一な強度を備えるものに形成できるという効果を奏す
る。

【００４４】請求項５記載の発明は、炭素繊維強化炭素
複合材料を全部または一部に含んで形成されるルツボに
ついて、その強度の均一性がとりわけ高められていると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるルツボの製造工程を示す図であ
る。

【図２】ルツボの形状からなる型の一例を示す図であ
る。

【図３】ルツボの形状からなる型の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 短炭素繊維の束 １ａ 短炭素繊維 ２ 攪拌機 ３ 混合液 ４ ルツボの形状体 ４ａ ルツボ１０の内面 ４ｂ ルツボ１０の外面 ５ ルツボの形状からなる型 ５ａ 型表面 ５ｂ 型裏面 ５ｃ 型裏面 ６ 液体成分の排出 ７ 乾燥機 ８ 熱圧成形用金型 ９ ルツボの成形体 １０ Ｃ／Ｃ材からなるルツボ １２ トラップ １３ 真空排気装置 δ ルツボの形状からなる型の厚さ Ｐ 加圧記号

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維強化炭素複合材料を全部または
   一部に含んで形成される単結晶引き上げ用ルツボの製造
   方法であって、 短炭素繊維を樹脂を含んでなる溶液中に分散させ前記短
   炭素繊維を含む混合液を得る工程と、 前記混合液をルツボの形状からなる型に被せて液体成分
   を除去することにより前記短炭素繊維からなるルツボの
   形状体を得る工程と、 前記ルツボの形状体を熱圧処理することにより、炭素繊
   維強化複合材料のルツボの成形体を得る工程と、 前記ルツボの成形体を炭化および緻密化する工程とを含
   んでなる単結晶引き上げ用ルツボの製造方法。
2. 【請求項２】 前記短炭素繊維が、３ｍｍないし５０ｍ
   ｍの長さからなる請求項１記載の単結晶引き上げ用ルツ
   ボの製造方法。
3. 【請求項３】 前記ルツボ形状の型は、その表面が前記
   単結晶引き上げ用ルツボの形状に沿う形状であるととも
   に、一定厚さを備える前記ルツボの形状体を形成できる
   ように構成されるものであって、 前記型の表面から裏面に貫通する多数の孔を備えてな
   り、 該孔は前記型の表面に被せられた炭素繊維からなる混合
   液の液体成分を吸引排出し表面から裏面に導くことを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の単結晶引き上げ
   用ルツボの製造方法。
4. 【請求項４】 短炭素繊維が均一に分散されている炭素
   繊維強化炭素複合材料を全部または一部に含んで形成さ
   れる単結晶引き上げ用ルツボ。
5. 【請求項５】 ３ｍｍないし５０ｍｍの長さからなる短
   炭素繊維が均一に分散されている炭素繊維強化炭素複合
   材料を全部または一部に含んで形成される単結晶引き上
   げ用ルツボ。