JPH10101471A - 単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィラメントワインディング法による黒鉛ル
ツボの製造の際、炭素繊維のヘリカル巻きのみにより成
形体を作製すると、炭化工程においてルツボが半径方向
に収縮し、ルツボの直径が小さくなってしまう。上記現
象を防止するため、ヘリカル巻のみでなく、巻き付け角
度θが９０°より小さくなる巻き付け法を併用したり、
パラレル巻を併用する方法もあるが、ひび割れや繊維層
間での剥離が発生し、単結晶の引き上げを重ねると割れ
等が発生する。 【解決手段】 炭素繊維と気孔とを除く部材中に平均粒
径が３０μｍ以下の収縮抑制用粉末を５〜４０体積％の
割合で含有している単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０を
使用して単結晶を引き上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は単結晶引き上げ用黒
鉛ルツボに関し、より詳細にはチョクラルスキー法（以
下、ＣＺ法と記す）等により単結晶を引き上げる際、石
英ルツボを支持するために用いられる単結晶引き上げ用
黒鉛ルツボに関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶成長法には種々の方法があるが、そ
の一つに、例えばＣＺ法に代表される回転引き上げ法が
ある。

【０００３】図３は、ＣＺ法に用いられる従来の単結晶
引き上げ装置を模式的に示した断面図であり、図中、３
１はチャンバ４２内に配置された単結晶引き上げ用黒鉛
ルツボを示している。

【０００４】単結晶引き上げ用ルツボ３１は、ルツボ受
け台３２ａ上に設置された有底円筒形状の黒鉛ルツボ３
２とこの黒鉛ルツボ３２の内側に嵌合された石英ルツボ
３３とにより構成されており、ルツボ受け台３２ａは所
定の速度で回転する支持軸３４に支持されている。単結
晶引き上げ用ルツボ３１の外側には抵抗加熱式のヒータ
３５が、さらにその外側には黒鉛製の保温筒３６が同心
円状に配設されており、石英ルツボ３３の内部には所定
量の結晶用原料をヒータ３５により溶融させた溶融液３
７が充填されるようになっている。黒鉛ルツボ３２の中
心軸上には、図中矢印方向に所定速度で回転する引き上
げ棒又はワイヤーからなる引き上げ軸３８が吊設されて
おり、この引き上げ軸３８の先端にシードチャック３９
を介して種結晶４０が取り付けられるようになってい
る。

【０００５】単結晶４１を引き上げる際には、引き上げ
軸３８の先に取り付けられた種結晶４０を溶融液３７の
表面に接触させ、支持軸３４と同一軸心で逆方向あるい
は同方向に所定の速度で回転させながら引き上げ軸３８
を引き上げることにより、溶融液３７を凝固させて単結
晶４１を成長させてゆく。

【０００６】上記単結晶引き上げ装置において、黒鉛ル
ツボ３２内に嵌合された石英ルツボ３３は、単結晶４１
の引き上げ途中において高温に加熱されるため軟化し、
黒鉛ルツボ３２と密着する。黒鉛の熱膨張係数は石英の
熱膨張係数の約１０倍あるため、冷却時における半径方
向への収縮は石英ルツボ３３よりも黒鉛ルツボ３２の方
がはるかに大きい。この両者の収縮量の差に起因し、冷
却時に黒鉛ルツボ３２は収縮量の少ない石英ルツボ３３
より内圧を受け、黒鉛ルツボ３２に引っ張り応力が作用
する。

【０００７】近年、半導体単結晶製造の効率化のために
単結晶４１の直径は大きくなってきており、それに伴い
石英ルツボ３３や黒鉛ルツボ３２の大型化が進んでい
る。この黒鉛ルツボ３２等の大型化により、単結晶４１
引き上げ後の冷却時における石英ルツボ３３と黒鉛ルツ
ボ３２との半径方向の収縮量の差が大きくなり、黒鉛ル
ツボ３２に作用する引っ張り応力が増大し、変形、割れ
又は欠損等（以下、破損とも記す）が発生し易くなり、
同一の黒鉛ルツボ３２を繰り返して使用し得る回数が減
少してきている。

【０００８】上記問題に対処するため、最近では縦割り
に２分割あるいはそれ以上に分割された黒鉛ルツボで種
々の形状を有するものが使用されている。

【０００９】また、上記問題に対処するための別の構成
のルツボとして、一部に炭素繊維強化炭素複合材が使用
された単結晶引き上げ用黒鉛ルツボが開示されている
（実公平３−４３２５０号公報、登録実用新案第３０１
２２９９号公報）。図４は前記実公平３−４３２５０号
公報に開示された単結晶引き上げ用黒鉛ルツボを模式的
に示した断面図である。

【００１０】この単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ５０は、
直胴部５１と直胴部５１から連続するＲ部５２とが一体
となった炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃ材とも
記す）により形成されており、等方性黒鉛材からなる底
部５３がＲ部５２に嵌合されている。

【００１１】しかし、図４に示した単結晶引き上げ用黒
鉛ルツボ５０においては、繰り返し使用するうちにＲ部
５２付近の石英ルツボ（図示せず）との嵌合面５２ａで
表面層に剥離が発生するという問題があった。この剥離
の発生は嵌合面５２ａでＣ／Ｃ材と石英とが反応してＳ
ｉＯが発生し、このＳｉＯにより内表面のＣ／Ｃ材がＳ
ｉＣ化することに起因する。すなわち、ＳｉＣの熱膨張
係数はＣ／Ｃ材の熱膨張係数の約１０倍あるため、Ｒ部
５２付近の嵌合面５２ａでＳｉＣ化が進行すると、単結
晶引き上げ後の冷却時にＳｉＣ転化層と該ＳｉＣ転化層
の外側に位置するＣ／Ｃ材層との間に熱歪が発生する。
Ｃ／Ｃ材は繊維方向への強度は大きいが、繊維層間方向
すなわち単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ５０の半径方向の
強度は小さく、熱歪が生じると繊維層間で剥離が発生し
てしまうのである。

【００１２】また、この単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ５
０はＲ部５２と底部５３との間に嵌合面５３ａを有する
ため、炭素材と石英ルツボとの反応により発生したＳｉ
Ｏが嵌合面５３ａに入り込んで底部５３の黒鉛と反応
し、嵌合面５３ａ付近において底部５３が局部的に減耗
するという問題があった。

【００１３】また、単結晶引上げ後に石英ルツボの底部
に残留した溶融液３７は、冷却時に固化して膨張し、そ
れに伴い石英ルツボも膨張するため、単結晶引き上げ用
黒鉛ルツボ５０の底部５３に大きな圧力が作用する。こ
のため、底部５３が強度の小さい黒鉛で構成されている
と破損が発生し易くなる。

【００１４】以上のように、単結晶引き上げ用黒鉛ルツ
ボ５０をＣ／Ｃ材と黒鉛とを組み合わせた構成とする
と、上記した種々の問題が生じる。これらの問題を解決
する方法として、単結晶引き上げ用黒鉛ルツボの全体を
Ｃ／Ｃ材で構成することが考えられる。しかし、その場
合にも以下のような問題が生ずる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ルツボ全体をＣ／Ｃ材
で構成した単結晶引き上げ用黒鉛ルツボの製造方法とし
て、下記の二つの方法が挙げられる。第１の方法は以下
の通りである。まず、連続炭素繊維を数百本〜数千本束
ねたストランド（以下、単に連続炭素繊維と記す）を、
熱硬化性樹脂に代表される樹脂を溶剤で溶かした低粘度
の結合材に浸漬した後、ルツボ形状のマンドレルに巻き
付け、その後熱硬化させる。次に、この硬化体に切削加
工等を施してルツボ形状の成形体を作製する（フィラメ
ントワインディング法）。次に、この成形体を一度不活
性ガス中、１０００℃程度に加熱して炭化し、さらに必
要によりコールタールピッチ等を含浸させた後、２００
０℃以上の高温で加熱処理して全体を炭化（黒鉛化）さ
せる。次に、炭化したルツボに高純度化処理等を施すこ
とにより単結晶引き上げ用黒鉛ルツボの製造を完了す
る。上記高温による炭化（黒鉛化）処理は必要により複
数回行う。

【００１６】また第２の方法は、樹脂等の結合材を含浸
させた炭素繊維クロスをルツボ型に張り付けて成形体を
作製し、その後第１の方法と同様にしてルツボを製造す
る方法である。

【００１７】しかし、上記第２の方法は、炭素繊維クロ
ス自体が高価であること、及び成形工程を自動化するこ
とが困難であること等の理由から、単結晶引き上げ用黒
鉛ルツボのコストが非常に高くなるという問題があっ
た。

【００１８】上記第１の方法は、連続炭素繊維クロスと
比較して安価な連続炭素繊維を用い、かつ自動巻き付け
により成形体を作製することができるため、効率よく安
価なＣ／Ｃ材製の単結晶引き上げ用黒鉛ルツボを製造す
ることができる。

【００１９】図５は、フィラメントワインディング法に
よりマンドレルに連続炭素繊維の巻き付けを行っている
状態を模式的に示した正面図であり、ルツボの水平方向
と連続炭素繊維フィラメントの巻き付け方向とのなす角
度（以下、単に巻き付け角度とも記す）をθとしてい
る。

【００２０】マンドレル６０は中央部６１が単結晶引き
上げルツボの直胴部の内壁と同様の形状となっており、
その右端部６２は底部の内壁とほぼ同様の形状となって
いる。また、左端部６３の中央にマンドレル６０の回転
を支持するための回転棒６４が取り付けられている。連
続炭素繊維１３を巻き付ける際には、この回転棒６４を
回転チャック（図示せず）でつかみ、片持ちはりの形で
回転させながら、結合材が付着した連続炭素繊維１３を
その位置を少しずつ変えながら送り出し、マンドレル６
０に巻き付ける。

【００２１】単結晶引き上げ用黒鉛ルツボは、通常短い
直胴部と鏡板状の平坦な底部とにより構成されているた
め、連続炭素繊維１３をルツボ形状のマンドレル６０の
全体に巻き付けるためには、図５に示したように巻き付
け角度θが約９０°になるように巻き付ける、いわゆる
ヘリカル巻きを入れる必要がある。しかし、単純に前記
ヘリカル巻きのみにより成形体を作製したルツボでは、
炭化工程においてルツボが半径方向に収縮し、ルツボの
直径が小さくなってしまうという課題があった。これは
炭化工程において連続炭素繊維１３の繊維方向への収縮
は殆ど発生しないが、連続炭素繊維１３と垂直方向（円
周方向）には樹脂等のマトリックスの収縮の影響を受
け、ルツボが半径方向に大きく収縮するためである。上
記収縮により、製造されたルツボの直径が設定した寸法
より小さくなると、石英ルツボを挿入することができな
くなってしまう。

【００２２】上記収縮現象を防止するため、前記ヘリカ
ル巻のみでなく、巻き付け角度θが９０°より小さくな
るような連続炭素繊維１３の巻き付けを採用した成形体
を使用する。また、巻き付け角度θがほぼ０°なるよう
に連続炭素繊維１３を巻き付ける、いわゆるパラレル巻
を併用した成形体を使用する場合もある。しかし、この
場合にも巻き付け角度θにより炭化工程における収縮量
が異なるため、炭素繊維間にひび割れが発生したり、繊
維層間で剥離が発生する。ひび割れや剥離が小さい場合
には、コールタールピッチ等の含浸、炭化を繰り返すこ
とにより、ひび割れ部分や剥離部分に炭素が充填される
が、ひび割れや剥離部分が大きいとそのまま欠陥として
残ってしまい、単結晶引き上げ工程における前記欠陥部
分でのＳｉＣ化が進行すると、割れ等が発生する原因と
なるという課題があった。

【００２３】

【課題を解決するための手段及びその効果】本発明者は
上記課題に鑑み、フィラメントワインディング法を用い
て製造された、繊維層間で剥離等が発生しにくい単結晶
引き上げ用黒鉛ルツボとして、先に、炭素繊維強化炭素
材よりなる単結晶引き上げ用黒鉛ルツボにおいて、少な
くとも直胴部の内周部に水平方向に対して−４５〜＋４
５°の角度を有する連続炭素繊維が配され、その他の部
分に水平方向に対して−４５°以下、又は＋４５°以上
の角度を有する連続炭素繊維が配されている単結晶引き
上げ用黒鉛ルツボ、及びその製造方法として、少なくと
もルツボ直胴部の内周部に相当する部分に水平方向に対
して−４５〜＋４５°の角度に連続炭素繊維を巻き付け
た後、その他の部分に水平方向に対して−４５°以下、
又は＋４５°以上の角度に連続炭素繊維を巻き付ける単
結晶引き上げ用黒鉛ルツボの製造方法を提案した。

【００２４】本発明者は、その後検討を重ね、連続炭素
繊維を巻き付ける際に該連続炭素繊維に付着させる結合
剤中に炭素粉末やセラミックス粉末等の収縮抑制用粉末
を添加しておくことにより、炭化工程における結合剤の
収縮が抑制され、その結果、連続炭素繊維と垂直方向の
過度の収縮が抑制され、炭化工程における炭素繊維間の
ひび割れや繊維層間の剥離を一層確実に防止することが
できることを見い出し本発明を完成させるに至った。

【００２５】すなわち本発明に係る単結晶引き上げ用黒
鉛ルツボ（１）は、フィラメントワインディング法を用
いて製造された、炭素繊維強化炭素材よりなる単結晶引
き上げ用黒鉛ルツボにおいて、炭素繊維と気孔とを除く
部材中に平均粒径が３０μｍ以下の収縮抑制用粉末を５
〜４０体積％の割合で含有していることを特徴としてい
る。

【００２６】上記単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ（１）に
よれば、結合材中に収縮抑制用粉末が配合されているた
め、従来の場合と比べて炭化工程における結合材の過度
の収縮を抑制することができ、炭素繊維間のひび割れや
繊維層間の剥離が発生せず、安価で寸法精度が高く、耐
久性に優れた単結晶引き上げ用黒鉛ルツボとすることが
できる。

【００２７】また本発明に係る単結晶引き上げ用黒鉛ル
ツボ（２）は、上記単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ（１）
において、少なくとも直胴部の内周部に水平方向に対し
て−４５〜＋４５°の角度を有する連続炭素繊維が配さ
れ、その他の部分に水平方向に対して−４５°以下、又
は＋４５°以上の角度を有する連続炭素繊維が配されて
いることを特徴としている。

【００２８】上記単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ（２）に
よれば、少なくとも直胴部の内周部に水平方向に対して
−４５〜＋４５°の角度を有する連続炭素繊維が配され
ているので、殆ど収縮による変形がなく、外周部には水
平方向に対して−４５°以下、又は＋４５°以上の角度
を有する連続炭素繊維が配されているので、外周部の半
径方向への適度の収縮により繊維層間が密着し易く、炭
素繊維間のひび割れや繊維層間の剥離を一層確実に防止
することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ用黒鉛ルツボの実施の形態を図面に基づいて説明す
る。

【００３０】図１（ａ）は望ましい実施の形態に係る単
結晶引き上げ用黒鉛ルツボを模式的に示した平面図であ
り、（ｂ）は一部切欠き正面図であり、左側の部分が断
面となっている。

【００３１】この単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０の直
胴部１１の内周部１１ａには巻き付け角度θが−４５≦
θ≦＋４５°になるように連続炭素繊維１３が配されて
いる。また、直胴部１１の外周部１１ｂ及び底部１２に
は巻き付け角度θがθ≦−４５°、又はθ≧４５°にな
るように連続炭素繊維１３が配されている。ただし、直
胴部１１の外周部１１ｂの一部に、巻き付け角度θが−
４５≦θ≦＋４５°になるように連続炭素繊維１３が配
されていてもよい。また、連続炭素繊維１３以外の部分
は、樹脂等の結合材が加熱処理により炭化して生成した
炭素（黒鉛）により構成されており、前記炭素中には、
粒径が３０μｍ以下の収縮抑制用粉末が５〜４０体積％
含まれている。前記収縮抑制用粉末の機能については、
以下の単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０の製造方法にお
いて説明する。

【００３２】上記構成の単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１
０を製造する場合、まず、粒径が３０μｍ以下の収縮抑
制用粉末が所定の体積％配合された結合材中に浸漬した
連続炭素繊維１３をマンドレルに巻き付けるが、最初に
直胴部１１の内周部１１ａに相当する部分に、巻き付け
角度θが−４５≦θ≦＋４５°になるように連続炭素繊
維１３を巻き付ける。この巻き付けが終了した後、外周
部１１ｂに相当する部分、及び底部１２に相当する部分
に巻き付け角度θがθ≦−４５°、又はθ≧４５°にな
るように連続炭素繊維１３を巻き付ける。この場合、直
胴部１１の外周部１１ｂの一部に、巻き付け角度θが−
４５≦θ≦＋４５°になるように連続炭素繊維１３を巻
き付けてもよい。巻き付け角度θが約−１０°≦θ≦約
＋１０°の場合には、連続炭素繊維１３が直胴部１１と
底部１２との境界部分ですべってしまうため、前記境界
部分に多数のピンを立て、連続炭素繊維１３のすべりを
防止する。次に、連続炭素繊維１３が巻き付けられたマ
ンドレルを加熱して硬化体を作製し、ピンを除去した
後、切削加工等を行ってルツボ形状の成形体を作製す
る。次に、この成形体を一度不活性ガス中、１０００℃
程度に加熱して炭化し、さらに必要により収縮抑制用粉
末を含有するコールタールピッチ等の結合材を含浸させ
た後、２０００℃以上の高温で加熱処理して全体を炭化
（黒鉛化）させる。上記高温による炭化（黒鉛化）処理
は必要により複数回行う。次に、炭化工程が終了したル
ツボに高純度化処理等を施すことにより単結晶引き上げ
用黒鉛ルツボ１０の製造を完了する。上記炭化工程によ
り、結合材の一部が炭化（黒鉛化）するが、収縮抑制用
粉末はそのままの状態で結合材中に残留する。

【００３３】上記単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０を製
造において使用する連続炭素繊維の種類は特に限定され
るものでなく、ＰＡＮ系、ピッチ系等の種々の炭素繊維
を使用することができる。前記結合材としては、例えば
フェノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂、コール
タールピッチ等が挙げられる。前記結合材に含まれる収
縮抑制用粉末としては、炭化工程において収縮がなく、
かつ結合材と反応することがないものが好ましく、前記
収縮抑制用粉末としては、例えば黒鉛を粉砕することに
より製造した黒鉛微粉末、カーボンブラック等の炭素粉
末、炭化ケイ素粉末、窒化ケイ素粉末、窒化アルミニウ
ム粉末等のセラミック粉末が挙げられる。

【００３４】前記収縮抑制用粉末を含んだ結合材を使用
すると、炭化工程における結合材の過度の収縮を抑制す
ることができ、前記結合材の過度の収縮に起因する巻き
付け角度が異なる炭素繊維間のひび割れや繊維層間での
剥離を防止することができ、特に炭素繊維間のひび割れ
防止に顕著な効果を奏する。前記収縮抑制用粉末の平均
粒径は３０μｍ以下が好ましい。前記収縮抑制用粉末の
平均粒径が３０μｍを超えると、炭化工程において、前
記収縮抑制用粉末とマトリックスである炭素材との間に
微細なき裂が生じ易くなり、単結晶引き上げ用黒鉛ルツ
ボ１０の強度が低下する傾向が生ずる。また、製造され
た単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０の連続炭素繊維１３
以外の炭素材中の前記収縮抑制用粉末の含有量が５体積
％未満であると、収縮抑制の効果が上がらず、単結晶引
き上げ用黒鉛ルツボ１０にひび割れや繊維層間の剥離が
発生し易くなり、他方、前記炭素材中の前記収縮抑制用
粉末の含有量が４０体積％を超えると、相対的に結合材
の量が少なくなるため、結合材が連続炭素繊維１３同士
を結合させる機能を発揮しにくくなり、強度が低下する
傾向が生ずる。炭化工程において炭素となる割合は、結
合材の種類、又は結合材を溶かす溶剤の量により異なる
が、例えばフェノール樹脂の場合には溶剤を除いた樹脂
の炭化収率は約６０％である。このような結合材の炭化
収率を考慮して、炭化工程の後において、連続炭素繊維
１３以外の炭素材料中の収縮抑制用粉末の含有量が５〜
４０体積％となるように、前記結合材中に前記収縮抑制
材を添加する必要がある。

【００３５】上記単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０の製
造において、内周部１１ａにおける連続炭素繊維１３の
巻き付け角度θは小さい程、炭化工程において変形しに
くく、外周部１１ｂの収縮による変形を防止する効果が
高い。従って、連続炭素繊維１３の巻き付け角度θは−
４５〜＋４５°の範囲が好ましく、−１５〜＋１５°の
範囲がより好ましい。さらに、連続炭素繊維１３の巻き
付け角度θが０°、すなわち水平方向にパラレルに連続
炭素繊維１３を巻き付けたものが、連続炭素繊維１３を
巻き付ける容易さから最も好ましい。しかし、底部１２
に巻き付け角度θが０°又はそれに近い角度で連続炭素
繊維１３を巻き付けようとしても、連続炭素繊維１３が
すべってしまうため巻き付けが困難である。そこで、底
部１２に相当する部分には、外周部１１ｂに相当する部
分に巻き付ける場合と同様に、巻き付け角度θがθ≦−
４５°、又はθ≧４５°になるように連続炭素繊維１３
を巻き付ける。

【００３６】外周部１１ｂについては、すべての連続炭
素繊維１３を巻き付け角度θがθ≦−４５°、又はθ≧
４５°になるように巻き付ける必要はなく、内周部１１
ａの場合と同様に、巻き付け角度θが−４５〜４５°の
範囲の連続炭素繊維１３層を複数層、巻き付け角度θが
θ≦−４５°、又はθ≧４５°になるように巻き付けた
層の間に配してもよい。

【００３７】図２は別の実施の形態に係る単結晶引き上
げ用黒鉛ルツボを模式的に示した断面図である。

【００３８】本実施の形態においては、単結晶引き上げ
用黒鉛ルツボ２０の直胴部２１の内周部２１ａには巻き
付け角度θが０°、すなわち水平になるように連続炭素
繊維１３が配されており、直胴部２１の外周部２１ｂ及
び底部２２には巻き付け角度θがθ≦−４５°、又はθ
≧４５°になるように連続炭素繊維１３が配されてい
る。

【００３９】単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ２０の製造
は、直胴部２１の内周部２１ａに相当する部分に、巻き
付け角度θが０°になるように連続炭素繊維１３を巻き
付ける他は、図１に示した単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ
１０を製造する場合と同様に行う。上記単結晶引き上げ
用黒鉛ルツボ２０の製造方法においては、内周部２１ａ
に水平に連続炭素繊維１３を巻き付けるので、炭化工程
において半径方向に収縮が生じない。また、図１に示し
た単結晶引き上げ用黒鉛ルツボの場合と同様に、繊維層
間が密着し易い。

【００４０】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ用黒鉛ルツボの実施例を説明する。また、比較例とし
て 連続炭素繊維１３に付着させる結合材に収縮抑制用
粉末を添加していない場合、前記収縮抑制用粉末の粒径
が大きすぎる場合、前記収縮抑制用粉末の配合量が適切
な範囲にない場合についても説明する。

【００４１】（１）製造する単結晶引き上げ用黒鉛ルツ
ボ、及びその寸法 製造する単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０、２０：表
１に示す 単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０、２０の寸法（図２
に部材の寸法を記号で記載、図１に示したものは図２に
示したものと同様の寸法を有する） 内径（Ｄ）：３０９ｍｍ、深さ（Ｈ）：２２０ｍｍ、 底部２２内側の半径（Ｒ）：３０９ｍｍ、 直胴部２１の厚さ（ｄ₁ ）：１０ｍｍ、 内周部２１ａの厚さ：１ｍｍ 直胴部２１下の底部２２の厚さ（ｄ₂ ）：約８ｍｍ、 底部２２中央の厚さ（ｄ₃ ）：１５ｍｍ ルツボ受け台 ルツボ受け台２５の直径：２６０ｍｍ （２）原料及び製造条件 連続炭素繊維 ＰＡＮ系高強度連続炭素繊維のストランド（フィラメン
ト数：６０００本） 結合材 高純度フェノール樹脂 収縮抑制用粉末 黒鉛粉砕粉末（平均粒径：８〜４０μｍ）：平均粒径を
表１に示す カーボンブラック（平均粒径：０．２μｍ） ＳｉＣ粉末（平均粒径：０．３μｍ） 配合量（炭化後の炭素繊維以外の炭素材中の割合）：表
１に示す 結合材の硬化温度：２００℃ 炭化条件 炭化炉：コークスを詰めた焼成炉 雰囲気：窒素雰囲気 第１回目、２回目の加熱温度：１０００℃ 第３回目の加熱温度：１０００℃加熱後、Ａｒ雰囲気下
で２０００℃処理 なお、第２回目と第３回目の加熱前に、減圧雰囲気でル
ツボ成形体及びコールタールピッチを２００℃に加熱
し、ルツボ成形体をコールタールピッチに浸漬した後、
加圧してルツボ成形体の内部にコールタールピッチを含
浸させた。

【００４２】高純度化処理：高温ハロゲンガス （３）製造した単結晶引き上げ用黒鉛ルツボの評価方
法、及び評価結果 炭素繊維及び収縮抑制用粉末の含有率 (i) 測定方法：まず、単結晶引き上げ用黒鉛ルツボの製
造前、炭素繊維及び収縮抑制用粉末の真密度をＪＩＳ
Ｒ ７２２２の方法に準じて測定する。前記測定により
得られた炭素繊維の真密度をρ₁ 、収縮抑制用粉末の真
密度をρ₃ とする。また、結合材を調製する際、結合材
中に添加した収縮抑制用粉末の重量を測定しておく。樹
脂と収縮抑制用粉末とをよく混合した結合材を用いるの
で、実際に前記ルツボの製造に使用した結合材の量を測
定すれば、結合材使用量と混合率とから、前記黒鉛ルツ
ボの製造時に使用した収縮抑制用粉末の重量Ｗ₃ を求め
ることができる。

【００４３】使用した炭素繊維の重量をＷ₁ とすると、
前記黒鉛ルツボ中の炭素繊維の体積Ｖ₁ 及び収縮抑制用
粉末の体積Ｖ₃ を下記の数１式及び数２式より求めるこ
とができる。なお、炭素繊維及び収縮抑制用粉末は、予
め熱処理されているため、炭化から黒鉛化までの重量及
び密度の変化は小さく、下記の数１式及び数２式より、
炭素繊維及び収縮抑制用粉末の体積を誤差が殆どない状
態で求めることができる。炭素繊維及び収縮抑制用粉末
の体積をより正確に求める場合には、これらを黒鉛化
し、黒鉛化による重量、真密度の変化を測定し、補正す
ることが望ましい。

【００４４】

【数１】Ｖ₁ ＝Ｗ₁ ／ρ₁

【００４５】

【数２】Ｖ₃ ＝Ｗ₃ ／ρ₃ 一方、３次元測定機等で求めた前記黒鉛ルツボの断面形
状を積分することにより、前記黒鉛ルツボの体積Ｖを求
めれば、下記の数３式より炭素繊維の含有率を求めるこ
とができる。

【００４６】

【数３】 炭素繊維含有率＝（Ｖ₁ ／Ｖ）×１００ （％） 収縮抑制用粉末の含有率を求めるためには、結合材（黒
鉛化後）の体積Ｖ₂ を求める必要があるが、この結合材
の体積Ｖ₂ は下記の数４式より求めることができる。

【００４７】

【数４】Ｖ₂ ＝Ｖ₁₂₃ −（Ｖ₁ ＋Ｖ₃ ） ここで、Ｖ₁₂₃ は黒鉛ルツボの体積Ｖから気孔の体積を
除いたものであり、単結晶引き上げ用黒鉛ルツボの乾燥
重量Ｗと水中重量Ｗ’とがわかれば、下記の数５式より
求められる。

【００４８】

【数５】Ｖ₁₂₃ ＝Ｗ−Ｗ’ なお、水中重量Ｗ’は、水を入れた容器中に前記黒鉛ル
ツボを入れ、徐々に排気して、２．０〜２．７ｋＰａ程
度とし、この圧力を２０分間保持して前記黒鉛ルツボの
気孔中に水を十分に侵入させた後常圧に戻し、前記黒鉛
ルツボを容器に触れないように水中でつるし、つるした
前記黒鉛ルツボの水中重量を精密バネ秤等で測定するこ
とにより得られる。前記黒鉛ルツボ中に存在する気孔は
殆ど開気孔とみなせるため、上記の手法でＶ₁₂₃ を求め
ても問題ない。なお、前記黒鉛ルツボの気孔率は収縮抑
制用粉末の量とは余り関係せず、全て約１４％であっ
た。

【００４９】上記データより、前記黒鉛ルツボにおける
炭素繊維と気孔とを除く部材中の収縮抑制用粉末の含有
率は、下記の数６式を用いて計算することができる。

【００５０】

【数６】収縮抑制用粉末の含有率＝｛Ｖ₃ ／（Ｖ₂ ＋Ｖ
₃ ）｝×１００ （％） (ii)測定結果 炭素繊維含有率：約５５体積％、 収縮抑制用粉末の含有率：表１に示す 表面状態（ひび割れ、剥離）の観察 観察方法：目視、及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によ
り観察 観察結果：表１に示す かさ密度の測定 測定方法：（ルツボ乾燥重量Ｗ／ルツボ体積Ｖ） 測定結果：表１に示す 曲げ強度の測定 測定方法：内壁を含むように直胴部１１、２１から、厚
さ３ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片を切り
出し、スパン８０ｍｍの３点曲げ試験から求めた。な
お、試験片の長さ方向は、単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ
１０、２０の高さ方向と一致するように試験片を切り出
した。測定結果を表１に示す。

【００５１】 耐久性試験 図３に示した単結晶引き上げ装置を用い、実施例１〜１
１、及び比較例１〜４に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツ
ボ１０、２０を単結晶引き上げ装置内のルツボ受け台２
５に設置し、石英ルツボ３３を嵌合させた後、高純度の
Ｓｉ塊からなる結晶用原料を充填し、さらに、直径が数
ｍｍの石英粒子を１ｋｇ充填した。Ｓｉ塊に石英粒子を
加えることにより、Ｓｉ溶液と石英との接触面積を増大
させ、発生するＳｉＯガスの量を増加させた。従って、
単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ表面のＳｉＣ化は加速され
ることになる。

【００５２】次に、結晶用原料を高温に加熱して溶融液
３７とした。

【００５３】結晶用原料の量は溶融液３７とした時、液
面が石英ルツボ３３の深さの１／３となる量とした。そ
して、単結晶４１の引き上げは行わず、単結晶引き上げ
に要する時間と同じ時間保持する試験を５回繰り返し
た。また、溶融液３７の温度は、単結晶引き上げのとき
よりも約５０℃高い約１４７０℃とし、単結晶引き上げ
用黒鉛ルツボ１０、２０の表面のＳｉＣ化を加速するこ
ととし、試験後にルツボの表面状態を再び観察した。観
察結果を表１に示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】上記表１に示した結果より明らかなよう
に、炭化後における連続炭素繊維１３及び気孔以外の炭
素材に対して、５〜４０体積％になるように平均粒径が
３０μｍ以下の収縮抑制用粉末を配合して製造した単結
晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０、２０は、耐久性試験の前
後においてもひび割れや剥離が発生しておらず、かさ密
度や曲げ強度も大きく、十分に耐久性に優れた単結晶引
き上げ用黒鉛ルツボ１０、２０となっている。

【００５６】一方、収縮抑制用粉末を配合せず、かつ内
周部を同じ角度でフィラメントワインディングした比較
例１に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツボでは、炭化時に
直径が収縮したことにより、耐久試験前に目視で確認で
きる表面の微細な剥離が発生した。また、耐久性試験で
は、１回で表面に剥離が発生した。

【００５７】また、収縮抑制用粉末を配合しなかった比
較例２に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ、及び収縮抑
制用粉末含有量が５体積％未満の比較例３に係る単結晶
引き上げ用黒鉛ルツボでは、かさ密度、曲げ強度とも低
く、ルツボ表面をルーペで拡大して観察すると、ルツボ
表面には炭素繊維方向にひび割れが残り、低密度なため
に耐久性試験においてＳｉＣが表面から５００μｍ以上
浸透し、特に内表面で表面炭素繊維層が浮き上がるよう
な剥離が発生していた。これは、炭素がＳｉＣに転化す
る反応は体積膨張を伴うので、繊維層間にひずみが発生
し、接着強度の低い炭素繊維層間で剥離が発生したと考
えられる。

【００５８】また、収縮抑制用粉末の含有量が４０体積
％を超えた比較例４に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツ
ボ、及び収縮抑制用粉末の平均粒径が３０μｍを超えた
比較例５に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツボでは、耐久
性試験前にひび割れは観察されなかったが、耐久性試験
後に表面に微細な剥離が観察された。これは比較例４の
場合には、収縮抑制用粉末の配合量が多いため結合材の
量が相対的に少なくなり、かさ密度や曲げ強度が低下
し、また繊維層間の強度が低下したため、表面のＳｉＣ
化による剥離が発生しやすくなった結果と考えられる。
比較例５の場合には、配合した収縮抑制用粉末の粒径が
大きすぎるため、炭素化工程での焼結を阻害する結果と
なり、比較例４の場合と同様の結果が生じたと考えられ
る。

【００５９】なお、内周部の巻き付け角度θを±５０°
とした実施例１１では、ルツボを黒鉛化した後に、内径
がやや小さくなり、表面に微細なひび割れが発生した。
しかし、耐久試験後には表面ＳｉＣ化による剥離は発生
しておらず、続けて使用可能な状態であり、収縮抑制用
粉末を２０％配合した効果が認められた。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る単結晶引き
上げ用黒鉛ルツボを模式的に示した平面図であり、
（ｂ）は一部切欠き正面図である。

【図２】別の実施の形態に係る単結晶引き上げ用黒鉛ル
ツボを模式的に示した断面図である。

【図３】ＣＺ法に用いられる従来の単結晶引上げ装置を
模式的に示した断面図である。

【図４】従来の単結晶引き上げ用黒鉛ルツボを模式的に
示した断面図である。

【図５】フィラメントワインディング法によりマンドレ
ルに連続炭素繊維の巻き付けを行っている状態を模式的
に示した正面図である。

【符号の説明】

１０、２０ 単結晶引上げ用黒鉛ルツボ １１、２１ 直胴部 １１ａ、２１ａ 内周部 １１ｂ、２１ｂ 外周部 １２、２２ 底部 １３ 連続炭素繊維

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィラメントワインディング法を用いて
   製造された、炭素繊維強化炭素材よりなる単結晶引き上
   げ用黒鉛ルツボにおいて、炭素繊維と気孔とを除く部材
   中に平均粒径が３０μｍ以下の収縮抑制用粉末を５〜４
   ０体積％の割合で含有していることを特徴とする単結晶
   引き上げ用黒鉛ルツボ。
2. 【請求項２】 少なくとも直胴部の内周部に水平方向に
   対して−４５〜＋４５°の角度を有する連続炭素繊維が
   配され、その他の部分に水平方向に対して−４５°以
   下、又は＋４５°以上の角度を有する連続炭素繊維が配
   されていることを特徴とする請求項１記載の単結晶引き
   上げ用黒鉛ルツボ。