JPH10139581A

JPH10139581A - 単結晶引上げ装置用高温部材

Info

Publication number: JPH10139581A
Application number: JP9211704A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Yamaji; 雅俊山地; Toshiji Hiraoka; 利治平岡; Akihiro Miura; 章博三浦
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 1998-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｃ／Ｃ材製高温部材の本来有する長所（軽量
かつ高強度という点）を生かしつつ、その短所である、
ＳｉＣ化反応に起因した「くわれ」現象はシリコン付着
成長に起因した冷却後の変形現象が生じやすい点を解消
し得る長寿命の高温部材を提供する点にある。【解決手段】Ｃ／Ｃ材製の単結晶引上げ装置用高温部
材の表面に存在する多数の微小な窪みの内面又は全体を
埋めるようにガラス状炭素を被覆した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
（ＣＺ）法等による単結晶引上げ装置内の高温雰囲気下
で使用される部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の単結晶引上げ装置の主要部は、
図１に示すようにシリコン等の半導体材料を溶融するた
め石英ルツボ（以下単に「ルツボ」という。）１と、該
石英ルツボ１を装着して支持するためのルツボ１０とし
ての部材と、このルツボ１の周囲に配置されるヒートシ
ールドとしての部材から構成される。ヒートシールドは
熱を遮蔽したり、幅射したり、シリコン蒸気を整流した
り、装置内温度の均熱性や保温性を良くしたりすること
を目的とした部材の総称であり、主にインナーシールド
２、アッパーリングシールド３、ロアーリングシールド
４、下部シールド５及び上部シールド６から構成され
る。

【０００３】インナーシールド２は、ルツボ１を加熱す
るための黒鉛ヒーター８を包囲する円筒形状のものであ
り、アッパーリングシールド３やロアーリングシールド
４は、それぞれインナーシールド２の上下に位置し、い
ずれも中空円板形状のものである。また、下部シールド
５は、ルツボ１の下側に位置し、ルツボ支持回転軸７が
通過できる穴を中央部に有し、縦断面が円錐筒状のもの
が一般的である。さらに、上部シールド６は、ルツボ１
の上方に位置しており、シリコン単結晶９が通過できる
開口を中央部に有し、縦断面が逆円錐筒状のものであ
る。以下、これらの部材（図中符号２，３，４，５，
６）を特に峻別する必要がない場合は、「ヒートシール
ド」の総称で代表的に説明する。

【０００４】上記したような、単結晶引上げ装置内の高
温雰囲気下で使用される部材（以下「高温部材」と略記
する。）としては、従来から機械的強度及び耐熱性に優
れた黒鉛製の高温部材が用いられてきた。そして、支持
ルツボ１０が黒鉛製の場合には、内側の石英ルツボ１と
の熱膨張差に起因する割れを防ぐため、一般に分割型の
支持ルツボを用いている。このため、ルツボの製造や引
上げ装置のメンテナンスが煩雑になりやすいという事情
がある。また、最近では単結晶の大口径化に伴い、単結
晶引上げ装置も大型化の傾向にあり、支持ルツボ１０を
はじめとする装置内の高温部材（図中２，３，４，５，
６など）の重量増加が問題とされている。このような重
量増加は装置内の自由空間の狭小化とも相まって、いき
おいハンドリング性能の低下につながるからである。

【０００５】こうした状況下で、軽量でありながら高強
度かつ耐熱性を有し、石英ルツボ１との熱膨張差もあま
り変わらないＣ／Ｃ材が着目され、すでにＣ／Ｃ材から
なる支持ルツボ１０については公知とされており（実公
平３−４３２５０号公報）、また支持ルツボ１０以外の
高温部材についてもより薄肉化（軽量化）が可能で装置
経済性を改善できるとして、その採用が検討されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｃ／Ｃ材の長
所である軽量という特性は、組織構造的に見れば黒鉛よ
りもはるかにポーラス（多孔質）ということであり、こ
のためＣ／Ｃ材を単結晶引上げ装置内という特殊の高温
雰囲気下における高温部材として用いた場合、Ｃ／Ｃ材
製高温部材自体が被るダメージが黒鉛製部材よりも大き
く、従って、寿命もむしろ短くなってしまうということ
が明らかとなってきた。即ち、単結晶引上げ装置の運転
中は、支持ルツボ１０の上部付近が溶融した単結晶材料
１１及び石英ルツボ１から発生するＳｉＯガスで充満す
るため、支持ルツボ１０自体や溶融単結晶材料１１の上
部付近に直面するヒートシールド（図中では主として
２，３，６の部材が相当）にＣ／Ｃ材製を使用していれ
ば、その表面に存在する多くに微小気孔にＳｉＯガスが
入り込み、裸の炭素原子Ｃと反応してＳｉＣ化が容易に
進行する。この結果、いわゆる「くわれ」と言われる表
層部が欠ける現象が急速に進み、短期間のうちに寿命が
尽き、新たな高温部材の交換を余儀なくさせられること
になる。

【０００７】また、装置の構造上、温度が比較的低くな
る部分に位置するヒートシールド（図中では、主として
４の部材，２の部材の下側が相当）の内面には、特にそ
の表面の微小気孔を核としてその周辺でシリコン蒸気が
凝縮し、付着しやすくなる。そして、一旦付着すると、
シリコン固化物が徐々に堆積し、ヒートシールドの内面
全体又は一部をでこぼこ（凹凸）状態にしてしまう。こ
のようなでこぼこ（凹凸）状態が生じたヒートシールド
は、冷却後に変形し又は反りとなって現れるため、繰り
返して使用することができなくなり、結局寿命が尽きる
ことになる。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、Ｃ／Ｃ材製高温部
材の本来有する長所（軽量かつ高強度という点）を生か
しつつ、その短所である、ＳｉＣ化反応に起因した「く
われ」現象はシリコン付着成長に起因した冷却後の変形
現象が生じやすい点を解消し得る高温部材を提供する点
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明のうち請求項１記載の発明は、Ｃ／Ｃ材からなる単
結晶引上げ装置用高温部材であって、該部材の表面の全
体又は一部にガラス状炭素を被覆してなることを特徴と
する。これにより、高温部材の表面に存在する多くの微
小気孔の内面がガラス状炭素で被覆されるため、又は微
小気孔全体がガラス状炭素で埋められるため、ＣとＳｉ
Ｏガスとの反応が抑制され、ＳｉＣ化の進行を阻止する
ことができる。しかも、シリコンの凝縮が起こりやすい
核としての微小気孔をなくせるので、シリコン付着の抑
制効果は大きく、従来の高温部材の内面に生じていた程
のシリコン付着層による著しいでこぼこ（凹凸）状態の
形成を回避することができ、この結果、冷却後の変形，
反りを防止することができる。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、ガラス状炭素を被覆した部分に
おける高温部材の比表面積が４．０ｍ²／ｇ以下である
ことを特徴とする。これにより、請求項１記載の発明の
効果をより確実に発揮させることができる。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、請求項１又
は請求項２記載の発明の構成のうち、Ｃ／Ｃ材の特性と
して、嵩密度が１．５（Mg/m³)以上、曲げ強度が１００
MPa以上、シャルピー衝撃強さが４０kgcm/cm²以上、弾
性係数が９０GPa 以上であることを特徴とする。これに
より、請求項１又は請求項２記載の発明の効果に加え
て、機械的強度が向上する分、薄肉化が可能となり、装
置の軽量化に貢献することができ、ハンドリング性能の
向上に貢献することができる。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、請求項１乃
至請求項３のいずれか一項に記載の発明の構成のうち、
高温部材がルツボであることを特徴とする。これによ
り、軽量かつ高強度でありながらも、ＳｉＣ化を阻止で
き、くわれが発生しにくく長寿命の単結晶引上げ装置用
ルツボを提供することができる。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、請求項１乃
至請求項３のいずれか一項に記載の発明の構成のうち、
高温部材がヒートシールドであることを特徴とする。こ
れにより、軽量かつ高強度でありながらも、ＳｉＣ化を
阻止でき、くわれが発生しにくく又変形や反りの少ない
長寿命の単結晶引上げ装置用ヒートシールドを提供する
ことができる。

【００１４】さらに、請求項６記載の発明は、請求項５
記載の発明の構成のうち、ヒートシールドが、インナー
シールド、アッパーリングシールド、ロアーリングシー
ルド、下部シールド又は上部シールドのいずれかである
ことを特徴とする。これにより、単結晶引上げ装置の少
なくとも主要なヒートシールドの延命化を可能として、
装置の運転コストの低減化を図ることができる。

【００１５】上記において、Ｃ／Ｃ材とは、炭素繊維に
ピッチ又は樹脂を含浸させてプリプレグにして成形し、
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。製法としては、まず成形体の製作に際し、ピッチ系
又はＰＡＮ系の炭素繊維を出発物質とするＵＤ又は２−
Ｄに樹脂を含浸させたプリプレグにして積層・硬化させ
たり、３−Ｄ又はｎ−Ｄ織物に樹脂を含浸させて加熱・
硬化させる等の方法が有効である。

【００１６】また、高温部材がルツボの場合は、上記方
法以外にも、フィラメントワインディング（ＦＷ）法の
実施が可能であり、この方法により炭素繊維を巻き付け
た後加熱・硬化させることによりルツボ成形体を効率よ
く得ることができる。こうして製作された成形体に対し
て非酸化性雰囲気下で炭化を行い、炭素化Ｃ／Ｃにす
る。続いてピッチ又は樹脂の再含浸、炭化、又はＣＶＤ
処理を繰り返しながら緻密化を行う。次に高温熱処理を
行なって黒鉛化Ｃ／Ｃにする。最後に高純度化処理（ハ
ロゲンガスと反応させて金属不純物を除去する処理）を
行うことにより、単結晶引上げ装置用の高温部材に適し
たＣ／Ｃ材を得る。

【００１７】このようにして得られたＣ／Ｃ材は内部に
炭素繊維を有する複合材であるがために、全体的にポー
ラスであり、特に表面には開気孔等に起因する微小な窪
みが多数散らばった状態で存在している。このような状
態の表面にＳｉＯガスが接触すると、マトリックスたる
裸の炭素原子Ｃと容易に反応してＳｉＣ化し、つまり
「くわれ」が生じやすくなり、またシリコン蒸気が接触
すると、雰囲気温度の低下と共にシリコン蒸気の凝縮が
微小な窪みを中心として進み、シリコン付着層が形成さ
れやすくなる。

【００１８】そこで、かかるＳｉＣ化の進行やシリコン
付着層の形成を阻止又は可能な限り遅らせるために、Ｃ
／Ｃ材の表面に存在する多数の微小な窪みの内面を埋め
るように、ガラス状炭素を被覆する手段が非常に有効と
なる。

【００１９】ここで、ガラス状炭素とは、有機重合体か
らなる溶液、例えば、フェノール樹脂やポリアミドイミ
ド樹脂等の熱硬化性樹脂を有機溶媒により適宜希釈した
もの、又は、塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂を熱分解
したタール状物質とトリクロルエチレン等の溶剤に溶解
したものに、炭素からなる基材を浸漬する等の工程によ
り、該基材の表面に前記樹脂が化学的に転換されて析出
されるものであり、緻密質で硬く、気液不透過性に優れ
た炭素である。従って、このガラス状炭素を、Ｃ／Ｃ材
からなる成形体の表面に被覆し、上記のように多数の窪
みを埋めることによりＳｉＯガスとＣ／Ｃ材の表面に現
れた炭素原子Ｃとの接触を断ち、またシリコン蒸気がＣ
／Ｃ材の表面に凝着しにくくして、ＳｉＣ化の進行やシ
リコン付着層の形成を効果的に抑制することができる。

【００２０】なお、ガラス状炭素の被覆は、ＳｉＣ化が
進みやすい部分やシリコン蒸気の蒸着が進みやすい部分
のみに実施することも可能である。例えば、ルツボであ
れば、内面だけ全体的に被覆するとか、内面のうちわん
曲隅部のみに又はわん曲隅部と直胴部のみに被覆するこ
とも可能である。また、ヒートシールドについて言え
ば、例えばインナーシールドであれば上部内面のみ被覆
したり、ロアーリングシールドやアッパーリングシール
ドであればリングの内面側のみ被覆しても十分な効果を
発揮することができる。

【００２１】なお、このようなガラス状炭素の被覆効果
が出やすくするためには、被覆後のＣ／Ｃ材の比表面積
が４．０ｍ²／ｇ以下となるように被覆されたものであ
ることが望ましい。また、Ｃ／Ｃ材としては、その特性
として、嵩密度が１．５（Mg/m³)以上、曲げ強度が１０
０MPa 以上、シャルピー衝撃強さが４０kgcm/cm²以上、
弾性係数が９０GPa 以上であるものが望ましい。機械的
強度が向上する分、薄肉化が可能となり、装置の軽量化
に貢献することができ、ハンドリング性能の向上にもつ
ながるからである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る単結晶引き
上げ装置用高温部材の実施形態について、図面を参照し
つつ説明する。（１）図２は、本発明に係るルツボの一例についての縦
断面図であり、Ｃ／Ｃ材製のルツボ本体２２の表面の全
体に薄いガラス状炭素の被覆層２３ａが形成されたルツ
ボ２１を示している。

【００２３】図３に示すルツボ３１は、図２に示される
ルツボ２１と異なる構成例であり、ルツボ本体３２の内
面の一部にガラス状炭素を被覆した例を示している。即
ち、図３のルツボ３１では、わん曲隅部３２ｂと直胴部
３２ａがＣ／Ｃ材により形成され、底部３２ｃが黒鉛材
により形成されたルツボ本体３２の内面のうち、わん曲
隅部３２ｂと直胴部３２ａのみにガラス状炭素を被覆し
た例を示している。図中３３ａは、ガラス状炭素の被覆
層である。

【００２４】なお、ルツボの形状は、図２や図３に示す
ように一般にコップ状をしており、具体的に図２につい
て言えば、底部２２ｃと、該底部２２ｃに連続してわん
曲しながら上方へ立ち上がる部分、つまりわん曲部２２
ｂと、このわん曲隅部２２ｂに連続して真っ直ぐ上方に
伸び上がる直胴部２２ａとによって構成される。

【００２５】また、Ｃ／Ｃ材からなるルツボ本体２２の
製造は、いわゆるフィラメントワインディング（ＦＷ）
法による以外に、例えば炭素繊維からなる２−Ｄクロス
に樹脂を含浸させて積層させる方法や短繊維を使用した
分散型Ｃ／Ｃの製造法等を用いることもできる。

【００２６】上記のようにガラス状炭素は、ルツボ本体
２２の表面に存在する微小な窪みの内面を埋めるように
被覆されるものである。従って、この被覆層２３ａ、３
３ａは、微小な窪みが埋まる程度にガラス状炭素の被覆
層２３ａ，３３ａが形成できれば、その被覆層２３ａ，
３３ａの厚みをを必要以上に厚くせずとも、十分実用的
に改善効果を発揮させることができる。もちろん、ガラ
ス状炭素の厚みを大きくとってさらに効果を高めようと
する構成も採用可能である。

【００２７】図４は、Ｃ／Ｃ材製ルツボの表面の一部拡
大断面図であり、同図（ａ）は、Ｃ／Ｃ材のみからなる
ルツボの本体４２の表面に、微小孔からなる窪み４４が
存在する状況を模式的に示しており、同図（ｂ）は、ル
ツボ本体４２の表面の全体がガラス状炭素の被覆層４３
で覆われ、この結果、ガラス状炭素の被覆層４３が、微
小窪み４４の内面又は全部を埋めるように形成されてい
る状況を模式的に示している。なお、図４における被覆
層４３とは、図２における被覆層２３ａ，図３における
３３ａの両者を含む意味である。

【００２８】この被覆層４３の形成は、Ｃ／Ｃ材からな
るルツボ本体４２の表面の全体又は一部に、有機重合体
からなる溶液に浸漬または塗布させることを含む工程に
より行われる。これにより、ガラス状炭素をルツボ本体
４２の表面に存在する多数の微小な窪み４４の内面まで
被覆することができる。なお、有機重合体の浸漬又は塗
布に際しては、ガラス状炭素を被覆した後のルツボ本体
４２の比表面積が４．０ｍ²／ｇ以下となるように浸漬
又は塗布することが望ましい。

【００２９】比表面積が４．０ｍ²／ｇ以下となるよう
にガラス状炭素の被覆層４３が形成されたルツボ本体４
２であれば、ガラス状炭素を被覆する基本的な目的であ
るＳｉＣ化の進行阻止及びシリコン付着層の形成抑制を
より確実に達成させることができるからである。

【００３０】（２）図５は、本発明に係るＣ／Ｃ材製の
ヒートシールドの設置例を示す縦断面図であり、その内
面（ルツボ側空間に接触する表面）の全体に斜線で示す
ようにガラス状炭素の被覆層１２を形成している。被覆
層１２を生成するには、上述のルツボの場合と同様に実
施すればよく、この被覆によって図４で説明した作用効
果と同様、表面に存在する微小窪みの内面が埋められ
る。従って、ルツボの場合と同様、ＳｉＯガスとヒート
シールド内面の炭素原子Ｃとの接触を断ち、ＳｉＣ化の
進行を阻止することができる。また、インナーシールド
２の下側は比較的低温になるので、この付近でシリコン
蒸気は凝縮しやすくなるが、インナーシールド２の内面
下側にもガラス状炭素の被覆層１２を形成しておくこと
により、シリコン蒸気の凝縮，付着を有効に回避し、抑
制することができる。

【００３１】図５は、ヒートシールドとして筒状のイン
ナーシールド２全体をロアーリングシールド４の内周側
上部で支えると共に、インナーシールド２の上端にはア
ッパーリングシールド３の内周側下部を直接取り付け、
さらにこのアッパーリングシールド３の内周側上部で上
部シールド６を支える構造例を示したものである。

【００３２】ヒートシールドとしてインナーシールド
２，アッパーリングシールド３、ロアーリングシールド
４及び上部シールド６が離れて配置される場合は、基本
的に空間Ｓに対してむき出し状態となる表面にガラス状
炭素を被覆すればよいが、その場合でも、単結晶引上げ
時に発生するＳｉＯガスやシリコン蒸気の量又はこれら
がルツボを中心とする空間Ｓをただよう際の挙動によっ
ては、ＳｉＯガスやシリコン蒸気の影響を受けやすい部
分が比較的限定される場合もありうる。このような場合
は、その影響を受けやすい部分の表面にのみガラス状炭
素を被覆するだけでも、本発明の目的をほぼ有効に達成
することができる。さらに、通常は上部シールド６が最
も影響を受けやすいことを考慮し、もちろん上部シール
ド６に対しても本発明は有効であるが、経済的観点から
この上部シールド６だけを使い捨て部材として構成する
ことも可能であり、例えば黒鉛等の基材の上にＳｉＣコ
ートを施したものを採用することも可能である。

【００３３】次に本発明の高温部材を組み込んだ単結晶
引上げ装置の運転例について図６を参照しつつ説明す
る。図６において単結晶引上げ装置の主要部分は、本発
明に係るルツボ６１と、ルツボ６１によりその内側に支
持される石英ルツボ１と、ルツボ６１の外側で一定距離
の位置にルツボ６１を覆うように設けられるヒーター８
と、さらにその外側に配置されるヒートシールドによっ
て構成されている。ヒートシールドの構成は、図５と同
様であり、インナーシールド２，アッパーリングシール
ド３、ロアーリングシールド４，下部シールド５及び上
部シールド６により形成される。１３は、インナーシー
ルド２の外周に装着された断熱材層である。

【００３４】ヒータ８が高温に加熱されると、ルツボ６
１を通して石英ルツボ１の内部が加熱され、石英ルツボ
１の内部に蓄えられる結晶の原料が溶融される。ルツボ
６１は、ルツボ受台１４の上に支持されており、このル
ツボ受台１４が図示しない駆動機構により回転軸７を介
して回転することで、その内側の石英ルツボ１と一体と
なって回転する。

【００３５】単結晶の製造は、ヒータ８の加熱によって
石英ルツボ１内の結晶原料を溶融しつつルツボ６１を回
転させながら成長させることにより行うので、ヒーター
８の周囲は高温の環境となる。特にルツボ６１の上部付
近、従って空間Ｓ内の上側は下側に比べてより高温雰囲
気となる。そのため、石英ルツボ１内で溶融した結晶原
料１１の上部付近にはＳｉＯガスが発生する。また、同
時にシリコン蒸気も立ち上がり、空間Ｓ内をヒートシー
ルドに沿って循環する。

【００３６】しかし、ルツボ６１は、前述のようにその
表面にガラス状炭素が被覆されているので、ＳｉＯガス
に晒されても、ルツボ本体を構成するＣ／Ｃ材表面の炭
素原子Ｃとの接触を効果的に遮断でき、ＳｉＣ化の進行
を阻止することができる。また、インナーシールド２，
アッパーリングシールド３、ロアーリングシールド４，
下部シールド５及び上部シールド６で構成されるヒート
シールドの内面にもガラス状炭素が被覆されている（図
中、被覆層１２と表記している）ので、ルツボの場合と
同様のＳｉＣ化進行抑制効果を発揮できると共に、比較
的低温となりやすい部分でのシリコンの凝縮，付着現象
の発生，進行を抑制することができる。

【００３７】単結晶の製造が終了すると、ヒータ８の加
熱は終わり、ルツボ６１および石英ルツボ１は冷却され
る。単結晶製造時における加熱により、ルツボ６１およ
び石英ルツボ１は、それぞれの熱膨張係数に基づいて膨
張するが、加熱を終えた後の冷却工程では、これらのル
ツボは収縮する。石英ルツボ１の構成材であるＳｉＯ ₂
とルツボ６１の構成材であるＣ／Ｃ材とは、その熱膨張
差が少なく、膨張と収縮による変形差に伴うこれら二つ
のルツボ間で生ずる歪みは少なく、剥離等の問題は生じ
ない。また、ルツボ６１は、機械強度の高いＣ／Ｃ材に
より構成されているので、冷却時のＳｉ残渣のルツボ径
方向および高さ方向の膨張による応力に十分耐えること
ができる。

【００３８】また、ヒートシールドであるインナーシー
ルド２，アッパーリングシールド３、ロアーリングシー
ルド４，下部シールド５及び上部シールド６の内面に
は、シリコン付着層がほとんど形成されないが、たとえ
形成されてもごくわずかであるため、冷却後にこれらの
ヒートシールドに変形や反りが生ずることはほとんどな
い。

【００３９】

【実施例】まず、Ｃ／Ｃ材からなるルツボ本体（図２の
２２相当）の製造工程の概略を説明する。ＰＡＮ系１２
Ｋ炭素繊維フィラメント（東邦レーヨン製ＨＴＡ−１２
Ｋ）に、フェノール樹脂（住友デュレス製ＰＲ−５０２
７３）を含浸させ、別に用意したルツボ形状のマンドレ
ルにフィラメントワインディング法により巻き取った。
この時の巻き方は、マンドレルに備わる巻取り用回転軸
に対して若干の角度を持たせて巻き掛けるレベル巻き
と、前記回転軸に対して直交する方向に巻き掛けるパラ
レル巻きとを交互に行った。

【００４０】次に、風乾後、成形硬化させて、かさ密度
１．３のルツボ形状の成形体を得た。そして、１０℃／
ｍｉｎの昇温速度で約１０００℃まで焼成した後に、ピ
ッチ含浸、焼成を繰り返して緻密化処理を行った。更に
２０００℃で最終熱処理を行い、かさ密度１．６５のル
ツボ成形体とした後、この成形体から試験片用の基材と
すべく、６０×１０×厚み３（ｍｍ）の小片を複数切り
出した。なお、ルツボ成形体自体は、上記の製造工程に
おいて原料炭素繊維の結束力および巻取り張力を調整す
る等により、Ｃ／Ｃ材として最大級の比表面積を持つも
のとして得られたものである。

【００４１】次に、ＳｉＯガスとの反応試験に用いた６
つの試験片について説明する。（１）実施例１まず、本発明に係るルツボの試験片とすべく、以下の要
領でガラス状炭素の表面被覆を行った。上記で得られた
６０×１０×厚み３（ｍｍ）の試験片用基材を、有機重
合体からなる溶液としてのポリアミドイミド樹脂（小原
化工製ＡＩ−１０）のＮ−メチル−２−ピロリドン２０
％溶液に１時間浸漬した後、取り出して乾燥させ、３０
０℃で硬化させた。その後、不活性雰囲気下で約８００
℃で焼成し、さらに高純度化処理を行った。（２）実施例２実施例１と同じ試験片用基材を使用して実施例１と同じ
有機重合体溶液中に３０分間浸漬した。溶液から取り出
した後は、実施例１と同様な条件で硬化、焼成、高純度
化処理を行った。（３）実施例３実施例１と同じ試験片用基材を使用してその表面に実施
例１と同じ有機重合体溶液を１回塗布し、乾燥させの後
は、実施例１と同様な条件で硬化、焼成、高純度化処理
を行った。（４）実施例４実施例３の処理条件と基本的に同様であるが、有機重合
体溶液の塗布回数を２回とした。（５）比較例１上記で得られた６０×１０×厚み３（ｍｍ）の試験片用
基材そのものつまりＣ／Ｃ材のみからなる基材を高純度
化処理を行い、従来型Ｃ／Ｃ材ルツボの試験片としたも
のである。（６）比較例２東洋炭素製の等方性黒鉛材を、６０×１０×厚み３（ｍ
ｍ）の大きさに加工した後に高純度化処理を行った従来
型ルツボとしての試験片である。

【００４２】上記の各試験片について、ＳｉＯガスとの
反応試験を行い、物性との関係及びＳｉＣ化率を調べ
た。物性は、まず反応試験前の比表面積（ｍ²／ｇ）を
調べた。比表面積の測定は、φ５×２０ｍｍサンプルを
用いてＣＡＲＬＯＥＲＢＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ製
ＳＯＲＰＴＯＭＡＴＩＣ１９００で窒素吸着法（Ｂ
ＥＴ法）により行った。また、反応前後の嵩密度(g/c
m³）を調べた。さらに、ＳｉＯガスとの反応に伴う試験
片の重量増加率（％）及びＳｉＣ化率（％）は、下記の
算出式により求めた。ＳｉＯガスとの反応試験は、各試
験片を真空炉内にセットし、温度１８００℃、圧力１０
０ｔｏｒｒの条件下でＳｉＯガス雰囲気中に５時間さら
した。

【００４３】ＳｉＯガスが炭素原子Ｃに接触すると、以
下の式で表される反応が進行する。ＳｉＯ＋２Ｃ → ＳｉＣ＋ＣＯ↑ 従って、試験前の質量であるＣの質量をＷ₁、試験後の
質量であるＳｉＣの質量をＷ₂と表すと、重量増加率
（％）は、重量増加率＝（Ｗ₂／Ｗ₁−１）×１００で計算され、またＳｉＣ化率（％）は、モル比に換算し
て総重量からＳｉＣの重量％を決定し、ＳｉＣ化率＝（Ｗ₂−Ｗ₁）／（（４０／２４）・Ｗ₁−Ｗ₁））× １００＝（３／２）（Ｗ₂／Ｗ₁−１）×１００で求めることができる。上記で得られた各試験片（実施
例１〜４，比較例１，２）について物性と重量増加率
（％）、ＳｉＣ化率（％）の結果との関係をまとめて表
１に示す。なお、表１中、ｄ1 は試験を行う前における
各試料のかさ密度(g/cm³）を、ｄ2 は試験を行った後に
おける各試料のかさ密度(g/cm³）を表している。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１から明らかなように、本発明ルツボに
係る実施例１〜４のＳｉＣ化率はいずれも比較例１，２
に比べて低い結果となっており、ガラス状炭素被覆の形
成によるＳｉＣ化抑制効果が得られていることが分か
る。特に、比表面積が少ない実施例ほど表面に被覆され
たガラス状炭素のＳｉＯガス不透過性能が高まり、その
分、ＳｉＣ化抑制効果が高くなっていることが理解でき
る。

【００４６】また、実施例３を比較例１と比べた場合、
比表面積そのものは０．４ｍ²／ｇと約１０％少ない程
度にすぎないが、ＳｉＣ化率は、比較例１よりも約２３
％も低くなっている。実施例３は、有機重合体からなる
溶液を表面に１回塗布したものであり、従ってガラス状
炭素の被覆膜が比較的薄く形成されている場合でも、Ｓ
ｉＯガスとの反応を抑制する効果は十分発揮できている
ことが分かる。

【００４７】（７）実施例５本発明に係るインナーシールドの試験片を製作すべく、
以下の要領で実施した。まず炭素繊維織布、いわゆるＣ
Ｆクロスとして６Ｋ平織り（トレカＴ−３００）を使用
し、このＣＦクロスにフェノール樹脂（住友デュレス製
ＰＲ−５０２７３）を含浸させた後、樹脂量及び揮発分
を調整してプリプレグを得た。

【００４８】次に、このプリプレグを３００×３００
（ｍｍ）に裁断したものを、定盤の上に順々に積み重
ね、４０枚（厚み１２ｍｍ）になったところで、一番上
に耐熱ナイロンシートを掛けて真空パックし、真空引き
しながら１６０℃に設定したオーブン内に２時間放置し
て熱硬化させた。こうして３００×３００×厚み１２
（ｍｍ）の大きさで嵩密度１．３５の炭素繊維強化樹脂
複合材（ＣＦＲＰ）を得た。

【００４９】得られたＣＦＲＰを電気炉にセットし、Ｎ
₂ガスを流しながら１０℃／ｈの昇温速度で８００℃ま
で昇温し、Ｃ／Ｃ材を得た。この後、ピッチ含浸，焼成
を３回繰り返して緻密化処理を行った。さらに、最終熱
処理としてはＮ₂ガスを流しながら２０００℃まで加熱
し、嵩密度１．６(g/cm³），曲げ強さ１５５ＭＰａ，シ
ャルピー衝撃強さ４５ｋｇｃｍ／ｃｍ²，弾性係数１０
５ＧＰａの物性からなる２Ｄ−Ｃ／Ｃ材を得た。この２
Ｄ−Ｃ／Ｃ材から６０×１０×厚み３（ｍｍ）の試験片
を切り出し、そのうち１つに対して以下の要領でガラス
状炭素の表面被覆を行い、さらに高純度化処理を行っ
た。

【００５０】即ち、上記の試験片にフェノール樹脂（住
友デュレス製ＰＲ−５０２７３）を含浸させて表面コー
トした後、室温を２０℃／ｈの昇温速度で２００℃まで
上げて２時間保持した。その後、電気炉にセットし、Ｎ
₂ガスを流しながら５０℃／ｈの昇温速度で８００℃ま
で昇温し、２時間保持した。この後、さらにＮ₂ガスを
流しながら２０００℃の最終熱処理を行った。

【００５１】得られたインナーシールド用試験片につい
ても物性を調べた後、実施例１〜４及び比較例１，２に
おけるルツボ試験片の場合と同様にＳｉＯガスとの反応
試験を行って、重量増加率（％）及びＳｉＣ化率（％）
を調べた。但し、反応時間は１時間とした。その結果を
表２に示す。

【００５２】（８）比較例３実施例５で得られた６０×１０×厚み３（ｍｍ）の２Ｄ
−Ｃ／Ｃ材を従来型Ｃ／Ｃ材インナーシールドの試験片
とし、高純度化したものを準備しこれについても実施例
５と同様にＳｉＯガスとの反応試験を行った。その結果
を表２に併せて示す。

【００５３】

【表２】

【００５４】表２から明らかなように、本発明インナー
シールドに係る実施例５のＳｉＣ化率は比較例３に比べ
て約１／２となっており、ガラス状炭素によりＳｉＣ化
抑制効果が得られていることが分かる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１記載の発明は、Ｃ／Ｃ材からなる単結晶引上げ装置
用高温部材であって、該部材の表面の全体又は一部にガ
ラス状炭素を被覆したものである。従って、高温部材の
表面に存在する多くの微小気孔の内面がガラス状炭素で
被覆されるため、又は微小気孔全体がガラス状炭素で埋
められるため、ＣとＳｉＯガスとの反応が抑制され、Ｓ
ｉＣ化の進行を阻止することができる。しかも、シリコ
ンの凝縮が起こりやすい核としての微小気孔をなくせる
ので、シリコン付着の抑制効果は大きく、従来の高温部
材の内面に生じていた程のシリコン付着層による著しい
でこぼこ（凹凸）状態の形成を回避することができ、こ
の結果、冷却後の変形，反りを防止することができる。

【００５６】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明の構成のうち、ガラス状炭素の被覆の程度が、
被覆後の高温部材の比表面積にして４．０ｍ²／ｇ以下
となるようにしたものである。従って、請求項１記載の
発明の効果をより確実に発揮させることができる。

【００５７】また、請求項３記載の発明は、請求項１又
は請求項２記載の発明の構成のうち、高温部材の本体た
るＣ／Ｃ材として、嵩密度が１．５（Mg/m³)以上、曲げ
強度が１００MPa 以上、シャルピー衝撃強さが４０kgcm
/cm²以上、弾性係数が９０GPa 以上の物性を有するもの
を採用したものである。従って、請求項１又は請求項２
記載の発明の効果に加えて、機械的強度が向上する分、
薄肉化が可能となり、装置の軽量化に貢献することがで
き、ハンドリング性能の向上に貢献することができる。

【００５８】また、請求項４記載の発明によれば、単結
晶引上げ装置用ルツボとして、軽量かつ高強度でありな
がらも、ＳｉＣ化を阻止でき、くわれが発生しにくもの
とすることができる。

【００５９】また、請求項５記載の発明によれば、単結
晶引上げ装置用ヒートシールドとして、軽量かつ高強度
でありながらも、ＳｉＣ化を阻止でき、くわれが発生し
にくく又変形や反りの少ないものとすることができる。

【００６０】さらに、請求項６記載の発明によれば、単
結晶引上げ装置の少なくとも主要なヒートシールドの延
命化を可能として、装置の運転コストの低減化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】代表的な単結晶引上げ装置の要部断面概略説明
図である。

【図２】本発明に係るルツボの縦断面図である。

【図３】本発明に係る他のルツボの縦断面図である。

【図４】ルツボを構成するＣ／Ｃ材の表面状態を示す図
であり、（ａ）はＣ／Ｃ材のみのルツボ、（ｂ）はガラ
ス状炭素を被覆したＣ／Ｃ材ルツボを示している。

【図５】本発明に係るヒートシールドを配置した単結晶
引上げ装置の要部断面概略説明図である。

【図６】本発明に係る高温部材を配置した単結晶引上げ
装置の運転状況を示す概略断面説明図である。

【符号の説明】

１石英ルツボ２インナーシールド３アッパーリングシールド４ロアーリングシールド５下部シールド６上部シールド７回転軸８ヒーター９シリコン単結晶１０支持ルツボ１１溶融結晶原料１２，２３ａ，３３ａ，４３ガラス状炭素被覆層１３断熱材層１４ルツボ受台２１，３１，６１ガラス状炭素を被覆したルツボ２２，３２，４２ルツボ本体４４微小窪み

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ／Ｃ材からなる単結晶引上げ装置用高
温部材であって、該部材の表面の全体又は一部にガラス
状炭素を被覆してなることを特徴とする単結晶引上げ装
置用高温部材。
【請求項２】ガラス状炭素を被覆した部分における高
温部材の比表面積が４．０ｍ²／ｇ以下である請求項１
記載の単結晶引上げ装置用高温部材。
【請求項３】Ｃ／Ｃ材の特性として、嵩密度が１．５
（Mg/m³)以上、曲げ強度が１００MPa 以上、シャルピー
衝撃強さが４０kgcm/cm²以上、弾性係数が９０GPa 以上
である請求項１又は請求項２に記載の単結晶引上げ装置
用高温部材。
【請求項４】高温部材がルツボである請求項１乃至請
求項３のいずれか一項に記載の単結晶引上げ装置用高温
部材。
【請求項５】高温部材がヒートシールドである請求項
１乃至請求項３のいずれか一項に記載の単結晶引上げ装
置用高温部材。
【請求項６】ヒートシールドが、インナーシールド、
アッパーリングシールド、ロアーリングシールド、下部
シールド又は上部シールドのいずれかである請求項５記
載の単結晶引上げ装置用高温部材。