JPH11209115A - 高純度c/cコンポジットおよびその製造方法 - Google Patents

高純度c/cコンポジットおよびその製造方法

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JPH11209115A
JPH11209115A JP10011596A JP1159698A JPH11209115A JP H11209115 A JPH11209115 A JP H11209115A JP 10011596 A JP10011596 A JP 10011596A JP 1159698 A JP1159698 A JP 1159698A JP H11209115 A JPH11209115 A JP H11209115A
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Toshiji Hiraoka
利治 平岡
Kiyousuke Matsumoto
強資 松本
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Toyo Tanso Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温下で十分に大きな機械的強度を有すると
共に不純物が極めて低減された高純度C/Cコンポジッ
トとする。 【解決手段】 炭素繊維の成形体にマトリックスを充填
して黒鉛化することにより形成されたものである。黒鉛
化前に少なくとも炭素繊維が高純度化処理され、黒鉛化
後にマトリックスを充填された成形体が高純度化処理さ
れている。そして、マトリックスは、高純度樹脂または
化学蒸着法により充填される熱分解炭素である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高純度化処理によ
り不純物が極めて低減された高純度C/Cコンポジット
およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体用ウエハ等の材料となるバルク結
晶を製造するCZ装置は、図2に示すように、石英るつ
ぼ1の周囲に配置されたヒーター2で石英るつぼ1内の
原料を高温に加熱して原料融液3とし、この原料融液3
を高真空下で引き上げながらバルク結晶4とするもので
ある。
【0003】従って、石英るつぼ1を支持するルツボ5
やヒーター2の輻射熱を受けるアッパーリング6、イン
ナーシールド7等の構造部材は、バルク結晶4の作成時
に高温になるため、高温になっても所定の機械的強度を
維持する材料で形成する必要がある。さらに、上記の構
造部材は、部材中に含まれた金属等の不純物が製造時に
漏洩すると、バルク結晶4の純度を低下させる要因にな
るため、不純物の少ない材料で形成する必要もある。そ
こで、CZ装置の構造部材には、通常、高温時の機械的
特性が優れ、且つ不純物の少ない高純度黒鉛材が使用さ
れている(特公平6−35325号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
高純度黒鉛材では、機械的強度に限界があるため、近年
におけるウエハの大面積化に対応するようにCZ装置を
大型化させようとした場合、ルツボ5等の構造部材が高
純度黒鉛材の機械的強度の制限を受けることによって、
ウエハの大面積化に十分に対応したCZ装置とすること
が困難であるという問題がある。
【0005】また、高純度黒鉛材に代えて極めて大きな
機械的強度を有したC/CコンポジットをCZ装置の構
造部材に適用することも考えられているが、この場合に
は、C/Cコンポジット中の不純物の漏洩量が構造部材
の大型化に比例して増大するため、不純物の発生量を許
容範囲内に収めるように構造部材の大型化を制限するこ
とが必要となって、ウエハの大面積化に十分に対応した
CZ装置とすることが困難であるという問題がある。
尚、このような問題は、高温下で十分に大きな機械的強
度を有しながら不純物の漏洩量を低減された材料で構成
されることを必要とする例えば原子力や航空宇宙等の各
種の分野で生じている。
【0006】そこで、本発明は、高温下で十分に大きな
機械的強度を有すると共に不純物が極めて低減された高
純度C/Cコンポジットおよびその製造方法を提供しよ
うとするものである。
【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、本発明の高純度C/Cコンポジットは、炭素繊維の
成形体にマトリックスを充填して黒鉛化することにより
形成されたものであって、前記黒鉛化前に少なくとも前
記炭素繊維が高純度化処理され、前記黒鉛化後に前記マ
トリックスを充填された成形体が高純度化処理されてい
ることを特徴としている。
【0008】上記の構成において、炭素繊維の成形体に
マトリックスを充填して黒鉛化すると、炭素繊維が繊維
状の黒鉛になり、この繊維状の黒鉛からなる繊維部分の
周囲には、マトリックス中の炭素が膜状の黒鉛として付
着した状態となる。即ち、高純度C/Cコンポジット
は、黒鉛からなる繊維部分とこの繊維部分を覆う膜部分
とを備えた構成となる。そして、この構成によれば、黒
鉛自体が不純物を外部に放出し難い緻密な構造であり、
さらに、このような構造の黒鉛からなる繊維部分が膜部
分で覆われて外部と遮断された状態になるため、外側の
膜部分側から中心側の繊維部分側にかけて不純物を放出
し難い状態となる。
【0009】従って、例えば黒鉛化後に高純度化処理し
ただけであると、黒鉛からなる外側の膜部分の表層部に
存在する不純物が主に除去され、中心側に位置する膜部
分の深部から繊維部分にかけての不純物の除去が困難に
なるが、黒鉛化前に少なくとも炭素繊維を高純度化処理
しておけば、黒鉛化した繊維部分を極めて高純度化した
状態で得ることができる。これにより、繊維部分を予め
炭素繊維の状態で高純度化処理し、黒鉛化後の高純度化
処理により膜部分を主に高純度化処理することによっ
て、これら繊維部分および膜部分からなる高純度C/C
コンポジットを全体として極めて高純度化(不純物が2
0ppm以下)した状態で得ることができる。
【0010】ここで、上記の炭素繊維には、PAN系お
よびPich系の炭素繊維を使用することができるが、
Pich系の炭素繊維を使用することが好ましい。この
理由は、Pich系の炭素繊維は、元々の純度が高いか
らであると共に、高純度化処理で使用されるハロゲン系
ガスと反応し易いラジアル構造であるため、高純度化さ
れ易いという性質を有しているからである。また、黒鉛
化前に高純度化処理された炭素繊維は、全体として極め
て高純度化(不純物が20ppm以下)した状態を確実
に得ることができるように、不純物が60ppm以下で
あることが望ましい。また、炭素繊維は、マトリックス
を充填する前に単独で高純度化処理されても良いし、マ
トリックスを充填した成形体の状態で黒鉛化前にマトリ
ックスと共に高純度化処理されても良い。
【0011】また、マトリックスは、高純度樹脂または
化学蒸着法により充填される熱分解炭素であることが望
ましい。この理由は、高純度樹脂や熱分解炭素をマトリ
ックスに使用すると、このマトリックスにより形成され
た膜部分の深層部に存在する不純物が黒鉛化前に予め低
減された状態になるため、高純度C/Cコンポジットを
より一層高純度化した状態で得ることができるからであ
る。そして、マトリックスに高純度樹脂を用いた場合に
は、高純度C/Cコンポジットの不純物を10ppm以
下にすることができ、マトリックスに熱分解炭素を用い
た場合には、高純度C/Cコンポジットの不純物を5p
pm以下にすることができる。尚、高純度樹脂には、フ
ェノール(レゾール,ノボラック)、フラン、ポリイミ
ド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリカル
ボジイミド、ビスアリルナジイミド等の樹脂群から選ば
れた1つまたは特性を損なわない範囲で組み合わせて使
用することができる。尚、必要に応じて溶剤を用いて使
用する。また、熱分解炭素には、メタンやプロパン等の
脂肪族系の炭化水素、ベンゼンやトルエン、キシレン等
の芳香族系の炭化水素、ジクロロエチレンやジクロロメ
タン、トリクロロメタン、トリクロロエチレン等の含塩
素炭化水素から選ばれた1つまたはこれらの組み合わせ
を用いることができる。
【0012】上記の高純度C/Cコンポジットは、図2
に示すように、バルク結晶を製造するCZ装置の構造部
材に用いることができる。具体的には、ルツボ5やアッ
パーリング6、インナーシールド7、ロアーリング8、
下部ヒーター9、断熱板10、スピルトレイ11等の構
造部材に用いることができる。さらに、高純度C/Cコ
ンポジットは、原子力用の核融合装置のプラズマ対向第
1壁やダイバータタイル、宇宙航空用のアプレーション
材等に用いることができる。
【0013】次に、本発明の高純度C/Cコンポジット
の製造方法を説明する。高純度C/Cコンポジットは、
炭素繊維を所定の成形体に形成する成形工程と、成形体
にマトリックスを充填する充填工程と、マトリックスが
充填された成形体を炭化する炭化工程と、黒鉛化処理す
る黒鉛化工程と、黒鉛化工程の前工程中に設けられ、炭
素繊維を高純度化処理する第1高純度化工程と、黒鉛化
工程の後工程中に設けられ、黒鉛化された成形体を高純
度化処理する第2高純度化工程とを有した製造方法によ
り作成されている。
【0014】ここで、第1高純度化工程は、加熱温度が
1800〜2200℃の範囲で2000℃の平均温度、
加熱時間が5〜30時間、不純物を除去するための反応
ガスがハロゲンガスを高純度化処理の条件としている。
また、第2高純度化工程は、第1高純度化工程の加熱温
度(1800〜2200℃)よりも少し高い温度(+1
00〜200℃)とし、加熱温度が2000〜2400
℃の範囲で2100℃の平均温度、加熱時間が5〜30
時間、不純物を除去するための反応ガスがハロゲンを高
純度化処理の条件としている。
【0015】上記の製造方法によれば、黒鉛化工程の前
工程中に設けられた第1高純度化工程において、予め炭
素繊維が高純度化処理されるため、黒鉛化工程で黒鉛化
した炭素繊維による繊維部分が極めて高純度化した状態
となる。従って、黒鉛化後の第2高純度化工程において
マトリックスによる膜部分を主に高純度化処理すること
によって、これら繊維部分および膜部分からなる高純度
C/Cコンポジットを全体として極めて高純度化した状
態で得ることができる。
【0016】尚、上記の製造方法における充填工程は、
熱分解炭素からなるマトリックスを化学蒸着法(CVI
法)により成形体に付着させながら充填するようになっ
ていることが望ましい。この理由は、化学蒸着法により
炭素をガス状にしてから成形体に付着させると、マトリ
ックスを樹脂からなる場合よりも不純物の少ない状態で
マトリックスを炭素繊維の成形体に充填させることがで
きる。従って、マトリックスによる膜部分の深層部に存
在する不純物が黒鉛化前に予め低減された状態になるた
め、高純度C/Cコンポジットをより一層高純度化した
状態で得ることができるからである。
【0017】また、上記の製造方法においては、充填工
程と黒鉛化工程と第2高純度化工程とを繰り返すことに
よって、成形体をマトリックスで緻密化する緻密化工程
を有していることが望ましい。この理由は、緻密化工程
中に第2高純度化工程を含ませると、マトリックスの膜
部分が黒鉛化される一層毎に、各層の膜部分を第2高純
度化工程において高純度化させることができる。従っ
て、全層の膜部分を黒鉛化した緻密化の完了後に高純度
化処理する場合よりも膜部分の不純物を低減させること
ができるため、高純度C/Cコンポジットをより一層高
純度化した状態で得ることができるからである。
【0018】以上の製造方法を図1のフローチャートに
基づいて詳細に説明する。先ず、PAN系やピッチ系の
炭素繊維を準備し(S1)、この炭素繊維を高純度化処
理(第1高純度化工程)する。即ち、炭素繊維を反応容
器内に投入し、常圧下でハロゲン系ガスと接触させる。
尚、ハロゲン系ガスとは、ハロゲンまたはその化合物の
ガスのことであり、例えば塩素や塩素化合物、フッ素、
フッ素化合物を用いることができると共に、塩素とフッ
素とを同一分子内に含む化合物(モノクロロトリフルオ
ルメタン、トリクロロモノフルオルメタン、ジクロルフ
ルオルエタン、トリクロロモノフルオルエタン等)を用
いることができる。
【0019】そして、ハロゲン系ガスとの接触により炭
素繊維に含まれる不純物、特に金属不純物がハロゲン化
物として析出すると、反応容器内を減圧することにより
ハロゲン化物の蒸気圧を上昇させることによって、ハロ
ゲン化物を蒸発および揮散させて炭素繊維から除去す
る。この後、水素ガスを反応容器内に供給し、硫黄分等
の不純物を水素化物として析出させることにより除去す
る(S2)。
【0020】上記の高純度化処理により炭素繊維の不純
物を除去すると、次いで、炭素繊維を所定形状の成形体
となるように成形する(S3)。そして、この成形体に
対するマトリックスの充填処理を選択する(S4)。含
浸法による充填処理を選択した場合には、熱硬化性樹脂
や熱可塑性ピッチをマトリックスとして準備し、このマ
トリックスを液状にして成形体の隙間に充填する(S
5)。
【0021】次に、マトリックスの充填された成形体を
加熱炉に収容する。尚、加熱炉は、成形体を収容する収
容チャンバと、収容チャンバを真空状態に減圧可能な真
空系と、収容チャンバに対してハロゲン系ガス等の各種
のガスを給排出可能なガス給排出系と、収容チャンバに
収容された成形体を任意の温度に加熱可能な高周波コイ
ルおよび黒鉛ヒータを備えた加熱装置とを有している。
【0022】そして、収容チャンバに窒素ガスを供給
し、収容チャンバ内の空気を窒素ガスで置換した後、真
空状態に減圧することによって、チャンバ内を非酸化性
の雰囲気にする。この後、加熱装置を作動させることに
より成形体を加熱し、成形体を例えば800〜1000
℃の温度で焼成することによって、成形体の炭素化処理
を行う(S7)。炭素化処理が終了すると、黒鉛化処理
するか否かを判断し(S8)、黒鉛化処理しないのであ
れば(S8,NO)、上述のS4における充填処理を選
択してマトリックスの充填を行うことにより成形体を緻
密化する。一方、黒鉛化処理するのであれば(S8,Y
ES)、成形体を徐々に昇温させ、例えば2000〜2
500℃の温度で所定時間保持することによって、成形
体の黒鉛化処理(黒鉛化工程)を行う(S9)。
【0023】一方、S4において、CVI(Chemical V
apor Impregnation )法による充填処理を選択した場合
には、炭化水素(メタンやプロパン、ベンゼン、ジクロ
ロエチレン等)をマトリックスとして準備する。そし
て、炭化水素を700〜2000℃に加熱してガス状の
熱分解炭素とし、この熱分解炭素を成形体の炭素繊維に
付着させることにより充填する(S6)。この後、成形
体を加熱炉に収容し、上述と同様の動作で黒鉛化処理
(黒鉛化工程)を行う(S9)。
【0024】黒鉛化処理が終了すると、収容チャンバ内
の真空状態を維持しながら、ハロゲン系ガスを供給し、
ハロゲン系ガスとの接触により成形体に含まれる不純
物、特に金属不純物をハロゲン化物として析出させる。
そして、ハロゲン化物を収容チャンバ内に蒸発させ、ハ
ロゲン系ガス等と共にハロゲン化物を収容チャンバから
排出することによって、成形体の高純度化処理(第2高
純度化工程)を行う(S10)。尚、高純度化処理にお
いて、ハロゲン化物の除去を終了した後、ハロゲン系ガ
スから水素ガスに切り換えて供給することによって、硫
黄分等の不純物をさらに除去するようになっていても良
い。
【0025】次に、製品仕様に基づいて、成形体の緻密
化処理を行うか否かを判断する(S11)。緻密化処理
を行うのであれば(S11,NO)、上述の緻密化処理
(S4〜S11)を繰り返し、高純度化処理(S10)
において、新たに充填されたマトリックスによる層部分
の不純物を除去する。そして、製品仕様に対応した緻密
な成形体が得られた場合には、緻密化処理を行わないと
判断し(S11,YES)、所望の高純度C/Cコンポ
ジットを作成する。
【0026】尚、上述の製造方法においては、緻密化処
理(S4〜S11)中に黒鉛化処理(S9)および高純
度化処理(S10)を行っているが、緻密化処理の終了
後に黒鉛化処理および高純度化処理を行うようになって
いても良い。
【0027】
【実施例】本発明を以下の実施例により具体的に説明す
るが、本発明の実施態様は、以下の実施例に限定される
ものではない。
【0028】実施例1 先ず、ピッチ系の炭素繊維(ダイヤリードK321)を
準備し、炭素繊維の不純物を2000℃の雰囲気下でハ
ロゲンガスと反応させて除去することにより高純度化処
理を行った後、高純度化した炭素繊維を所定形状の成形
体とした。次に、マトリックスとしてピッチを準備し、
成形体への含浸と焼成とを繰り返すことにより緻密化処
理を行った。そして、2000℃で黒鉛化させた後、上
述と同様の方法で高純度化処理を行うことにより高純度
C/Cコンポジットを得た。この後、高純度C/Cコン
ポジットの不純物を灰化法により測定したところ、20
ppm以下の測定結果が得られた。また、ICP−MA
SSで不純物(V,Ti,Fe,B,Al)を測定した
ところ、検出下限以下であった。
【0029】実施例2 マトリックスとして高純度樹脂(ポリイミド)を用いた
ことを除いて、実施例1と同様の手順で高純度C/Cコ
ンポジットを作成した。そして、高純度C/Cコンポジ
ットの不純物を灰化法により測定したところ、10pp
m以下の測定結果が得られた。また、ICP−MASS
で不純物(V,Ti,Fe,B,Al)を測定したとこ
ろ、検出下限以下であった。
【0030】実施例3 実施例1と同様にして成形体にCVI法により熱分解炭
素を充填し、2000℃で黒鉛化する一連の処理により
緻密化した後、高純度化処理を行った。そして、高純度
C/Cコンポジットの不純物を灰化法により測定したと
ころ、5ppm以下の測定結果が得られた。また、IC
P−MASSで不純物(V,Ti,Fe,B,Al)を
測定したところ、検出下限以下であった。
【0031】実施例4 実施例1と同様にして成形体を作成した後、成形体に対
してマトリックス(ピッチ)の含浸と焼成とを繰り返す
ことにより緻密化処理を行った。そして、この緻密化処
理中に高純度化処理を1回行うと共に、黒鉛化後にも高
純度化処理を行うことにより高純度C/Cコンポジット
を得た。この後、高純度C/Cコンポジットの不純物を
灰化法により測定したところ、0ppm以下の測定結果
が得られた。また、ICP−MASSで不純物(V,T
i,Fe,B,Al)を測定したところ、検出下限以下
であった。
【0032】比較例1 先ず、PAN系の炭素繊維(トレカT−300)の平織
を準備した後、マトリックスとしての熱硬化性樹脂(P
R50273)を含浸し、熱処理および揮発分を調整し
てBステージ化した。この後、200mm×200mm
に裁断し、この裁断したものを50層積層して熱圧プレ
ス成形を行った後、窒素ガス雰囲気中において1000
℃で焼成した。そして、ピッチ含浸および焼成を3回繰
り返して緻密化した後、窒素ガス雰囲気中において20
00℃で黒鉛化することによって、α=1.6のC/C
コンポジットを得た。次に、ハロゲンガス雰囲気中に放
置して高純度C/Cコンポジット中の不純物を除去して
高純度化した後、このC/Cコンポジットの不純物を灰
化法により測定したところ、20〜50ppmの測定結
果が得られた。また、ICP−MASSで不純物(V,
Ti,Fe,B,Al)を測定したところ、Feが0.
12ppm,Bが0.6ppm,Alが0.6ppm,
Vが1ppm,Tiが0.2ppmの測定結果が得られ
た。
【0033】
【発明の効果】本発明の高純度C/Cコンポジットおよ
びその製造方法によれば、以上のように、高温下で十分
に大きな機械的強度を有すると共に不純物が極めて低減
されたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】高純度C/Cコンポジットの製造手順を示すフ
ローチャートである。
【図2】CZ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
1 石英るつぼ 2 ヒーター 3 原料融液 4 バルク結晶 5 ルツボ 6 アッパーリング 7 インナーシールド 8 ロアーリング 9 下部ヒーター 10 断念板

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭素繊維の成形体にマトリックスを充填
    して黒鉛化することにより形成されたものであって、 前記黒鉛化前に少なくとも前記炭素繊維が高純度化処理
    され、前記黒鉛化後に前記マトリックスを充填された成
    形体が高純度化処理されていることを特徴とする高純度
    C/Cコンポジット。
  2. 【請求項2】 前記黒鉛化前に高純度化処理された炭素
    繊維は、不純物が60ppm以下であることを特徴とす
    る請求項1記載の高純度C/Cコンポジット。
  3. 【請求項3】 前記マトリックスが、高純度樹脂である
    ことを特徴とする請求項1または2記載の高純度C/C
    コンポジット。
  4. 【請求項4】 前記高純度樹脂は、フェノール(レゾー
    ル,ノボラック)、フラン、ポリイミド、ポリカルボジ
    イミド、ビスアリルナジイミド、ポリアミドイミド、ポ
    リエーテルイミド等から選ばれた1つまたはこれらの組
    み合わせであることを特徴とする請求項3記載の高純度
    C/Cコンポジット。
  5. 【請求項5】 前記マトリックスが、化学蒸着法により
    充填される熱分解炭素であることを特徴とする請求項1
    または2記載の高純度C/Cコンポジット。
  6. 【請求項6】 前記熱分解炭素は、メタンやプロパン等
    の脂肪族系の炭化水素、ベンゼンやトルエン、キシレン
    等の芳香族系の炭化水素、ジクロロエチレンやジクロロ
    メタン、トリクロロメタン、トリクロロエチレン等の含
    塩素炭化水素から選ばれた1つまたはこれらの組み合わ
    せであることを特徴とする請求項5記載の高純度C/C
    コンポジット。
  7. 【請求項7】 炭素繊維を所定の成形体に形成する成形
    工程と、 前記成形体にマトリックスを充填する充填工程と、 前記請求項4に記載のマトリックスが充填された成形体
    を炭化する焼成工程と、 黒鉛化する黒鉛化工程と、 前記黒鉛化工程の前工程中に設けられ、前記炭素繊維を
    高純度化する第1高純度化工程と、 前記黒鉛化工程の後工程中に設けられ、黒鉛化された成
    形体を高純度化する第2高純度化工程とを有しているこ
    とを特徴とする高純度C/Cコンポジットの製造方法。
  8. 【請求項8】 前記充填工程は、熱分解炭素からなるマ
    トリックスを化学蒸着法により成形体に付着させながら
    充填することを特徴とする請求項7記載の高純度C/C
    コンポジットの製造方法。
  9. 【請求項9】 前記充填工程と前記黒鉛化工程と前記第
    2高純度化工程とを繰り返すことによって、前記成形体
    を前記マトリックスで緻密化する緻密化工程を有してい
    ることを特徴とする請求項7または8記載の高純度C/
    Cコンポジットの製造方法。
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