ルツボ及びこのルツボの製造方法
【課題】冷却時における石英ガラスルツボの食い込みを抑制でき、石英ガラスルツボを破壊することなく、石英ガラスルツボを容易に取り外すことができ、更には珪化を抑制できるルツボ及びこのルツボの製造方法を提供する。
【解決手段】溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる、底部と、前記底部の上方に設けられた直胴部とを有するルツボであって、前記底部が黒鉛材で形成されると共に、前記直胴部が、引張弾性率が４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成され、かつ常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であることを特徴としている。
【解決手段】溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる、底部と、前記底部の上方に設けられた直胴部とを有するルツボであって、前記底部が黒鉛材で形成されると共に、前記直胴部が、引張弾性率が４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成され、かつ常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルツボ、及びこのルツボの製造方法に関し、例えば、半導体材料等の単結晶を引上げる装置または太陽電池材料等の多結晶を製造する装置において溶融材料を収容するルツボを支持、保持するために用いられる、ルツボ及びこのルツボの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体材料等の単結晶を製造する場合、ＣＺ法（チョクラルスキー法）が広く用いられている。
このＣＺ方法は、図７に示すように石英ガラスルツボ５０内に収容されたシリコンの溶融液Ｍの表面に種結晶Ｐを接触させ、石英ガラスルツボ５０を回転させるとともに、この種結晶Ｐを反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶Ｐの下端に単結晶Ｃを形成していくものである。
【０００３】
この石英ガラスルツボ５０はシリコン単結晶Ｃの育成にともない、周りを取り囲むヒータ５２の熱、シリコン溶融液Ｍの熱によって軟化する。このため、石英ガラスルツボ５０は黒鉛ルツボ５１内に収容され、支持されている。
そして、シリコン単結晶引上げが終了すると、石英ガラスルツボ５０及び黒鉛ルツボ５１は冷却される。このとき、前記黒鉛ルツボ５１の熱膨張係数が石英ガラスルツボ５０よりも大きいため、両者が密着した状態で冷却されると、黒鉛ルツボ５１に亀裂が生じ、最終的には割れが生じるという課題があった。
【０００４】
そのような課題に対し、例えば特許文献１には、従来の黒鉛ルツボ５１に代えて、炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃ材とも呼ぶ）からなるルツボ（以下、炭素繊維ルツボという）を用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−６０３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記ルツボのＣ／Ｃ材の炭素繊維としては、値段が安く、しかも柔軟性を有し、取扱いの容易なＰＡＮ系の炭素繊維が用いられている。このＰＡＮ系の炭素繊維からなるＣ／Ｃ材の線熱膨張係数は、黒鉛材に比べて石英ガラスルツボの線熱膨張係数に近く、また機械的強度が黒鉛材よりも高いため、冷却時の割れの発生を抑制することができる。
【０００７】
しかしながら、このＰＡＮ系の炭素繊維からなるＣ／Ｃ材の線熱膨張係数は、前記したように黒鉛材に比べて石英ガラスルツボの線熱膨張係数に近いが、一般的に高温域において石英ガラスルツボの線熱膨張係数よりも大きく、常温から１０００℃に昇温した際の線熱膨張係数は石英ガラスの２倍程度となる。
そのため、シリコン単結晶引上げが終了し、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却される際、両者が密着した状態で冷却されると、石英ガラスルツボが炭素繊維ルツボに食い込み（強固に嵌合し）、石英ルツボを炭素繊維ルツボから取り外すことができないという課題があった。
【０００８】
また、前記炭素繊維ルツボを再利用するために、石英ガラスルツボを炭素繊維ルツボから取り外す必要があるが、前記したように石英ガラスルツボが炭素繊維ルツボに食い込む（強固に嵌合する）ため、石英ルツボを破壊して前記石英ガラスルツボを取り出さなければならず、前記炭素繊維ルツボを再利用に手間がかかるという課題があった。
更に、Ｃ／Ｃ材の炭素繊維は、シリコン単結晶引上げ工程において酸化珪素ガスに接触すると珪化が進み、かかる珪化部分の熱膨張がより大きくなる。その結果、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却される際、石英ガラスルツボと珪化部分の熱膨張の差によって炭素繊維ルツボに亀裂、割れが生じるという課題があった。
【０００９】
本出願人は、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却された際、石英ガラスルツボが炭素繊維ルツボに食い込むことなく、また石英ガラスルツボを炭素繊維ルツボから容易に取外すことができる、更には珪化を抑制することができ炭素繊維ルツボについて鋭意研究した。
そして、特定の物性を有する炭素繊維強化炭素複合材からなる直胴部を有するルツボが、石英ガラスルツボの食い込みを抑制でき、石英ガラスルツボを破壊することなく、石英ガラスルツボを炭素繊維ルツボから容易に取出せ、更には珪化を抑制できることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、冷却時における石英ガラスルツボの食い込みを抑制でき、石英ガラスルツボを破壊することなく、石英ガラスルツボを容易に取り外すことができ、更には珪化を抑制できるルツボ、及びこのルツボの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した課題を解決するためになされた本発明にかかるルツボは、溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる、底部と、前記底部の上方に設けられた直胴部とを有するルツボであって、前記底部が黒鉛材で形成されると共に、前記直胴部が、引張弾性率４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成され、かつ常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であることを特徴としている。
【００１２】
本発明にかかるルツボの直胴部は、引張弾性率４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成されている。
このように、前記直胴部を特定のピッチ系炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材で形成したのは、常温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数を石英ガラスの平均線熱膨張係数以下とするためである。
尚、前記直胴部を、ＰＡＮ系炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材で形成した場合には、石英ガラスの平均線熱膨張係数とほぼ同じ、もしくはより小さな平均線熱膨張係数になすことが困難であり、好ましくない。
【００１３】
上記したように、常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であるため、石英ガラスルツボ及び炭素繊維強化炭素複合円筒部材が密着した状態で冷却されても、石英ガラスルツボが前記円筒部材（直胴部）に食い込む（強固に嵌合する）ことなく、石英ガラスルツボをルツボから容易に取り出すことができる。
ここで、前記直胴部を形成する炭素繊維強化炭素複合材の常温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数が０．５×１０−６／℃以下であることがより望ましい。
【００１４】
また、この直胴部の引張弾性率は４００〜９００ＧＰａになるように構成されている。この直胴部の引張弾性率が４００ＧＰａ未満の場合には、炭素繊維内のグラファイト配向が発達しておらず、常温から８００℃に昇温した際のルツボ周方向の平均線熱膨張係数を石英ガラスの平均線熱膨張係数とほぼ同じ、もしくはより小さくすることが困難であるため好ましくない。一方、円筒部材（直胴部）の引張弾性率が９００ＧＰａを超えると、炭素繊維が脆くなり、成形時に組織内部で炭素繊維が折れ、組織破壊に伴う機械的強度が低下するため好ましくない。
【００１５】
また、前記直胴部の平均線熱膨張係数が、室温から４００℃の範囲において負の係数であって、４００℃から室温までの冷却過程において熱膨張する（室温から４００℃の範囲において熱収縮すること）が望ましい。
このように、前記円筒部材の平均線熱膨張係数が、室温から４００℃の範囲において負の係数であれば、室温から４００℃の範囲において熱収縮するため前記直胴部の内表面と石英ガラスルツボ外表面との間にすき間が生じ、石英ガラスルツボをより簡単に取り外すことができる。
【００１６】
また、前記ピッチ系炭素繊維織布の目付が２００〜６００ｇ／ｍ２であることが望ましい。このようにピッチ系炭素繊維織布の目付が２００ｇ／ｍ２未満の場合には、繊維間の隙間が大きくなり、マトリックス部の珪化が促進されるため、好ましくない。
一方、ピッチ系炭素繊維織布の目付が６００ｇ／ｍ２を超える場合には、炭素繊維織布が厚くなるため所定厚さに対する積層枚数が減り、積層した炭素繊維織布間のマトリックス部への応力集中が生じることにより強度が低下するため、好ましくない。また、厚い織布となった場合、繊維の曲率が大きくなり、製造時もしくは使用時に繊維が折れ易く、機械的強度が低下するため、好ましくない。
【００１７】
また、単結晶引き上げ炉内では、発生した酸化珪素ガスが前記直胴部と化学反応して直胴部を消耗させる。同時にＰＡＮ系炭素繊維を用いた炭素繊維強化炭素複合材料は、ピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維強化炭素複合材料に比べて酸化珪素ガスと反応しやすい傾向があり、この点でも好ましくない。
ここで、前記直胴部を形成する炭素繊維強化炭素複合材料はかさ密度が１．３ｇ／ｃｍ３〜１．８ｇ／ｃｍ３であることが望ましい。
かさ密度が１．３ｇ／ｃｍ３以下である場合には、組織が疎であるため、酸化珪素ガスが組織内部に侵入し、消耗を促進するため好ましくない。
一方、かさ密度が１．８ｇ／ｃｍ３以上である場合には、組織が緻密なため熱膨張係数が高くなり、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数を、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下とすることが困難であるため好ましくない。
【００１８】
また、上記ルツボの製造方法であって、前記炭素繊維織布が熱硬化性樹脂と炭素粉との混合接着剤を用いて貼り合わされ、その後、熱硬化処理、炭素化処理、黒鉛化処理および高純度化処理を施して、前記直胴部が形成されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、冷却時における石英ガラスルツボの食い込みが抑制され、石英ガラスルツボを破壊することなく、石英ガラスルツボを容易に取り外すことができ、更には、珪化を抑制できるルツボ、及びこのルツボの製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明にかかるルツボに用いられる炭素繊維織布の平面図である。
【図２】図２は、本発明にかかるルツボを示す実施形態を示す断面図である。
【図３】図３は、前記第１の実施形態の変形例を示す断面図である。
【図４】図４は、図２、図３に示されたルツボの直胴部に用いられる炭素繊維織布の概念図である。
【図５】図５は、図２、図３に示した炭素繊維強化炭素複合材の直胴部の製造工程を説明するための図である。
【図６】図６は、図２、図３に示した炭素繊維強化炭素複合材ルツボの製造工程を説明するための図である。
【図７】図７は、シリコン単結晶引上装置において用いるルツボの説明をするための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明にかかるルツボ及びこのルツボの製造方法の実施の形態について図面に基づき説明する。
まず、図１に基づいて、このルツボの直胴部に用いられる炭素繊維織布について説明する。この炭素繊維織布１はピッチ系の炭素繊維織布であって、直径５μｍ〜２０μｍのピッチ系の炭素繊維１０００本〜３６０００本を縦糸１ａとし、直径５μｍ〜２０μｍのピッチ系の炭素繊維１０００本〜３６０００本を横糸１ｂとして、交互に織り上げた炭素繊維織布であって、その目付け量は２００ｇ／ｍ２〜６００ｇ／ｍ２、厚さは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍに形成されている。
【００２２】
このピッチ系の炭素繊維織布は、一般的な製法で作成される。先ず、精製した原料のピッチを加熱して紡糸できるように粘度や分子量を調整し、その後、加熱し流動性を与え、ノズルを通して所定の直径（例えば、１０μｍ）の繊維を成形する。
この状態で，酸素を付加する不融化処理を施し，不活性雰囲気の中で炭素化処理をすることによりピッチ系炭素繊維を製造することができる。
【００２３】
そして、前記したように縦糸及び横糸を編み、図１に示すようなピッチ系の炭素繊維織布を形成する。このピッチ系の炭素繊維としては、例えば、日本グラファイトファイバー社製の商品名ＸＮ−８０を用いることができる。一般的にこのピッチ系の炭素繊維織布の線熱膨張係数は、常温において−１．５×１０−６／℃であり、また引張弾性率は、７８０ＧＰａである。
【００２４】
次に、図２に基づいて、本発明にかかるルツボ１０の実施形態について説明する。
このルツボ１０は、例えば、半導体材料等の単結晶を引上げる単結晶引上装置（図示せず）において、シリコン溶融液を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために使用されるルツボである。
【００２５】
このルツボ１０は円筒状の直胴部１１と底部１２とを有し、前記直胴部１１は前記底部１２の上面に取り付けられている。また、前記直胴部１１の下部内周面と前記底部１２の内周縁に接して、リング状のスペーサ１３が設けられている。
この底部１２及びスペーサ１３は従来と同様に黒鉛材から形成され、直胴部１１はピッチ系の炭素繊維織布から形成されている。
このようにこの底部１２及びスペーサ１３は従来と同様に黒鉛材から形成されている場合には、炭素繊維強化炭素材料よりも熱膨張係数が大きいため、冷却時に直胴部端部に食い込むことなく、取り外すことができ、好ましい。
【００２６】
尚、図３に示すように、底部１２及びスペーサ１３を黒鉛材によって一体に形成しても良い。また、底部１２およびスペーサ１３を炭素繊維強化炭素材料、特に、ピッチ系の炭素繊維強化炭素材料によって形成しても良い。また底部１２およびスペーサ１３を炭素繊維強化炭素材料によって一体に形成しても良い。
また、図２に示すルツボ１０の直胴部１１の下部外周面は、前記底部１２の立上がり部１２ａの内周に嵌合し、前記直胴部１１は前記底部１２に固定される。これに対して、図３に示すようにルツボ１０の直胴部１１の下部内周面は、前記底部１２の立上がり部１２ａの外周に嵌合し、前記直胴部１１が前記底部１２に固定されるようになしても良い。
【００２７】
また、前記直胴部１１の上部端部の内周側は、Ｒ面取り（曲面形状に面取り）、あるいはＣ面取り（角取り）を行うのが望ましい。
このように、前記直胴部１１の上部端部の内周側が、Ｒ面取り（曲面形状に面取り）、あるいはＣ面取り（角取り）されている場合には、万一、石英ガラスルツボがルツボに食い込んで、石英ガラスルツボを破壊する場合にも、直胴部１１の上部端部の内周側におけるクラックあるいは欠け等を抑制でき、直胴部１１を再利用に供することができる。
【００２８】
このルツボ１０は、前記した炭素繊維織布１を複数枚、熱硬化性樹脂と炭素粉（例えば黒鉛粉）との混合接着剤（図示せず）を担持して貼り合わせ、その後、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施すことによって形成される。
具体的には、図４に示すシート状の炭素繊維織布１が、図５に示すようなルツボ成型用金型１４上で複数層に貼り合わせられ、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施されて形成される。具体的な製造方法については、後述する。
【００２９】
このルツボ１０の直胴部１１の引張弾性率は４００〜９００ＧＰａになるように構成されている。この直胴部１１の引張弾性率が４００ＧＰａ未満の場合には、炭素繊維内のグラファイト配向が発達しておらず、常温から８００℃に昇温した際のルツボ周方向の線熱膨張係数を石英ガラスの線熱膨張係数より小さくすることが困難であるため好ましくない。
石英ガラスルツボが昇温する際には、石英ガラスの軟化によりルツボ１０の内径に沿って変形が生じるため、ルツボ１０の周方向へ生じる引張り応力を考慮すると、この直胴部１１の引張弾性率が４００ＧＰａ以上であることが好ましい。
一方、前記直胴部の引張弾性率が９００ＧＰａを超えると、炭素繊維が脆くなり、成形時に組織内部で炭素繊維が折れ、組織破壊に伴う機械的強度が低下するため好ましくない。
【００３０】
このルツボの製造方法の実施の形態について図面に基づき説明する。
先ず、図５に示すようにルツボ成型用金型１４を用意し、その金型直胴部１４ａに熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂）と炭素粉（例えば、黒鉛粉）との混合接着剤（図示せず）を担持した炭素繊維織布１を巻き付ける（図６のステップＳ１）。
また、炭素繊維織布１の炭素繊維の軸線方向（縦糸１ａ、横糸１ｂの軸線方向）は、ルツボ周方向Ｔに対して平行方向と直交方向（ルツボの軸線方向）となされている。
このとき、炭素繊維織布１は、図５に矢印で示すルツボ周方向Ｔと平行方向に伸長せず、またルツボ周方向Ｔと直交方向（ルツボの軸線方向）にも伸長しないが、この金型直胴部１４ａの径が変化しないため、金型直胴部１４ａに炭素繊維織布１を皺なく貼り付けることができる。
【００３１】
尚、炭素繊維織布１の貼り付け工程を複数回繰り返して行い、所定の厚さに積層されていく（図６のステップＳ２）。このとき、短尺の炭素繊維織布１を複数枚用いて金型直胴部１４ａに複数回、巻回して形成しても良いし、あるいは一枚の長尺の炭素繊維織布１を金型直胴部１４ａに複数回、巻回して形成しても良い。
そして、炭素繊維織布の貼り付け（積層）が全て終了すると、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施されて、炭素繊維からなる円筒状の直胴部１１が製造される（図６のステップＳ４〜Ｓ８）。
この円筒状の直胴部１１は、黒鉛からなる底部に取付けられ、ピッチ系の炭素繊維織布を含むルツボ１０とされる。尚、底部１２、スペーサ１３は従来の製法により黒鉛材によって形成される。
【００３２】
このような炭素繊維織布１の貼り付け（積層）が全て終了すると、最内層の炭素繊維織布１の下端部（ルツボ使用時において上端部）を、外周方向に折曲げ、ルツボ端部を覆うように貼り付けし、端部成形処理を行う（図６のステップＳ３）。
この端部処理を行うため、最内層の炭素繊維織布１は、他の層の炭素繊維織布１の下端部よりも、予め下方に長く形成される。
【００３３】
このようにして、ルツボ型のプリフォームが得られると、ルツボ成型用金型１４の周りに貼り付けられた状態で真空炉内に配置し、１００℃〜３００℃の温度で熱硬化を行う（図６のステップＳ４）。
次いで、ルツボ成型用金型１４を取り外し（図６のステップＳ５）、得られる成型体を不活性雰囲気中で約１０００℃の温度で炭素化処理を行い（図６のステップＳ６）、その後、必要に応じてフェノール樹脂やタールピッチ等を含浸し、再度、炭素化処理を行う。
炭素化処理の後、２０００℃以上の温度で加熱し、黒鉛化処理を行う（図６のステップＳ７）。
そして、黒鉛化により得られたルツボを、通常１５００℃から２５００℃の温度に加熱して、高純度化処理を施し、ピッチ系の炭素繊維織布を含む炭素繊維ルツボ２０を得る（図６のステップＳ８）。
【００３４】
このようにして形成された前記直胴部の周方向の平均線熱膨張係数、前記底部の周方向、径方向の平均線熱膨張係数が、室温から８００℃に昇温した際に０．５×１０−６／℃以下である。特に、室温から４００℃の範囲において、０．０×１０−６／℃以下であり、室温から４００℃の範囲において熱収縮する。すなわち、４００℃から室温に冷却する際には膨張する。
一方、前記石英ガラスルツボを構成する石英ガラスは、常温から８００℃における平均線熱膨張係数が０．５×１０−６／℃〜０．６×１０−６／℃で、前記温度域においてほぼ一定であり、前記直胴部、前記底部の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数と近似かそれ以下の値を有している。
【００３５】
このように、ルツボの直胴部が、石英ガラスの平均線熱膨張係数と近似かそれ以下の小さな熱膨張係数を有する材料で構成されているため、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却される際、両者が密着した状態で冷却された場合であっても、石英ガラスルツボが前記直胴部に食い込む（強固に嵌合する）ことなく、石英ガラスルツボを炭素繊維強化炭素複合材ルツボから容易に取り出すことができる。
特に、前記直胴部、前記底部の平均線熱膨張係数が室温から４００℃の範囲において負の値、すなわち０．０×１０−６／℃未満であれば、４００℃から室温までの冷却過程において、炭素繊維強化炭素複合材ルツボが膨張するため、石英ガラスルツボとの間にすき間が生じ、より簡単に取り外すことができる。
【実施例】
【００３６】
［実施例１］
市販の引張弾性率７８０ＧＰａのピッチ系炭素繊維から目付け量４００ｇ／ｍ２の炭素繊維織布を製織し、これに黒鉛粉とフェノール樹脂との混合接着剤を担持してプリプレグを得た。これをφ５００ｍｍの円筒形状の金型に貼り付けて積層し、１５０℃で硬化させ、円筒形状の成型体を得た。これを炭素粉内に埋めて約１０００℃で焼成した後、２１００℃で２次焼成および高純度化処理をおこなった。得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒のかさ密度は１．５５ｇ／ｃｍ３、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数は０．３１×１０−６／℃であった。
得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒を、黒鉛材から成る受け皿に取り付けルツボとした。これらの炭素繊維強化炭素複合材ルツボに多結晶シリコンを満たした石英ガラスルツボを入れ、１５５０℃で５時間熱処理をおこない徐冷して石英ガラスルツボとの嵌め合わせの状態を確認した。その結果、石英ガラスルツボを比較的容易に取り外すことができた。
【００３７】
［実施例２］
市販の引張弾性率７８０ＧＰａのピッチ系炭素繊維から目付け量４００ｇ／ｍ２の炭素繊維織布を製織し、これに黒鉛粉とフェノール樹脂との混合接着剤を担持してプリプレグを得た。これをφ５００ｍｍの円筒形状の金型に貼り付けて積層し、１５０℃で硬化させ、円筒形状の成型体を得た。これを炭素粉内に埋めて約１０００℃で焼成し、フェノール樹脂を含浸させて再度焼成した後、２１００℃で２次焼成および高純度化処理をおこなった。得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒のかさ密度は１．５５ｇ／ｃｍ３、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数は０．４９×１０−６／℃であった。
得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒を、黒鉛材から成る受け皿に取り付けルツボとした。これらの炭素繊維強化炭素複合材ルツボに多結晶シリコンを満たした石英ガラスルツボを入れ、１５５０℃で５時間熱処理をおこない徐冷して石英ガラスルツボとの嵌め合わせの状態を確認した。その結果、石英ガラスルツボを比較的容易に取り外すことができた。
【００３８】
［比較例１］
用いた炭素繊維が市販の引張弾性率２４０ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維であること以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維強化炭素複合材円筒を得た。かさ密度は１．４４ｇ／ｃｍ３、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数は０．８１×１０−６／℃であった。
実施例１と同様に、得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒を、黒鉛材から成る受け皿に取り付けルツボとした。これらの炭素繊維強化炭素複合材ルツボに多結晶シリコンを満たした石英ガラスルツボを入れ、１５５０℃で５時間熱処理をおこない徐冷して石英ガラスルツボとの嵌め合わせの状態を確認した。
その結果、前記円筒では石英ルツボが食い込み取り外しが困難で、取り外すそうとすると炭素繊維強化炭素複合材円筒にカケやクラックが生じ、破損した。
【符号の説明】
【００３９】
１ （ピッチ系）炭素繊維織布
１０ ピッチ系炭素繊維強化炭素複合材ルツボ（炭素繊維ルツボ）
１１ 直胴部
１２ 底部
１４ ルツボ成型用金型
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルツボ、及びこのルツボの製造方法に関し、例えば、半導体材料等の単結晶を引上げる装置または太陽電池材料等の多結晶を製造する装置において溶融材料を収容するルツボを支持、保持するために用いられる、ルツボ及びこのルツボの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体材料等の単結晶を製造する場合、ＣＺ法（チョクラルスキー法）が広く用いられている。
このＣＺ方法は、図７に示すように石英ガラスルツボ５０内に収容されたシリコンの溶融液Ｍの表面に種結晶Ｐを接触させ、石英ガラスルツボ５０を回転させるとともに、この種結晶Ｐを反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶Ｐの下端に単結晶Ｃを形成していくものである。
【０００３】
この石英ガラスルツボ５０はシリコン単結晶Ｃの育成にともない、周りを取り囲むヒータ５２の熱、シリコン溶融液Ｍの熱によって軟化する。このため、石英ガラスルツボ５０は黒鉛ルツボ５１内に収容され、支持されている。
そして、シリコン単結晶引上げが終了すると、石英ガラスルツボ５０及び黒鉛ルツボ５１は冷却される。このとき、前記黒鉛ルツボ５１の熱膨張係数が石英ガラスルツボ５０よりも大きいため、両者が密着した状態で冷却されると、黒鉛ルツボ５１に亀裂が生じ、最終的には割れが生じるという課題があった。
【０００４】
そのような課題に対し、例えば特許文献１には、従来の黒鉛ルツボ５１に代えて、炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃ材とも呼ぶ）からなるルツボ（以下、炭素繊維ルツボという）を用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−６０３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記ルツボのＣ／Ｃ材の炭素繊維としては、値段が安く、しかも柔軟性を有し、取扱いの容易なＰＡＮ系の炭素繊維が用いられている。このＰＡＮ系の炭素繊維からなるＣ／Ｃ材の線熱膨張係数は、黒鉛材に比べて石英ガラスルツボの線熱膨張係数に近く、また機械的強度が黒鉛材よりも高いため、冷却時の割れの発生を抑制することができる。
【０００７】
しかしながら、このＰＡＮ系の炭素繊維からなるＣ／Ｃ材の線熱膨張係数は、前記したように黒鉛材に比べて石英ガラスルツボの線熱膨張係数に近いが、一般的に高温域において石英ガラスルツボの線熱膨張係数よりも大きく、常温から１０００℃に昇温した際の線熱膨張係数は石英ガラスの２倍程度となる。
そのため、シリコン単結晶引上げが終了し、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却される際、両者が密着した状態で冷却されると、石英ガラスルツボが炭素繊維ルツボに食い込み（強固に嵌合し）、石英ルツボを炭素繊維ルツボから取り外すことができないという課題があった。
【０００８】
また、前記炭素繊維ルツボを再利用するために、石英ガラスルツボを炭素繊維ルツボから取り外す必要があるが、前記したように石英ガラスルツボが炭素繊維ルツボに食い込む（強固に嵌合する）ため、石英ルツボを破壊して前記石英ガラスルツボを取り出さなければならず、前記炭素繊維ルツボを再利用に手間がかかるという課題があった。
更に、Ｃ／Ｃ材の炭素繊維は、シリコン単結晶引上げ工程において酸化珪素ガスに接触すると珪化が進み、かかる珪化部分の熱膨張がより大きくなる。その結果、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却される際、石英ガラスルツボと珪化部分の熱膨張の差によって炭素繊維ルツボに亀裂、割れが生じるという課題があった。
【０００９】
本出願人は、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却された際、石英ガラスルツボが炭素繊維ルツボに食い込むことなく、また石英ガラスルツボを炭素繊維ルツボから容易に取外すことができる、更には珪化を抑制することができ炭素繊維ルツボについて鋭意研究した。
そして、特定の物性を有する炭素繊維強化炭素複合材からなる直胴部を有するルツボが、石英ガラスルツボの食い込みを抑制でき、石英ガラスルツボを破壊することなく、石英ガラスルツボを炭素繊維ルツボから容易に取出せ、更には珪化を抑制できることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、冷却時における石英ガラスルツボの食い込みを抑制でき、石英ガラスルツボを破壊することなく、石英ガラスルツボを容易に取り外すことができ、更には珪化を抑制できるルツボ、及びこのルツボの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した課題を解決するためになされた本発明にかかるルツボは、溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる、底部と、前記底部の上方に設けられた直胴部とを有するルツボであって、前記底部が黒鉛材で形成されると共に、前記直胴部が、引張弾性率４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成され、かつ常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であることを特徴としている。
【００１２】
本発明にかかるルツボの直胴部は、引張弾性率４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成されている。
このように、前記直胴部を特定のピッチ系炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材で形成したのは、常温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数を石英ガラスの平均線熱膨張係数以下とするためである。
尚、前記直胴部を、ＰＡＮ系炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材で形成した場合には、石英ガラスの平均線熱膨張係数とほぼ同じ、もしくはより小さな平均線熱膨張係数になすことが困難であり、好ましくない。
【００１３】
上記したように、常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であるため、石英ガラスルツボ及び炭素繊維強化炭素複合円筒部材が密着した状態で冷却されても、石英ガラスルツボが前記円筒部材（直胴部）に食い込む（強固に嵌合する）ことなく、石英ガラスルツボをルツボから容易に取り出すことができる。
ここで、前記直胴部を形成する炭素繊維強化炭素複合材の常温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数が０．５×１０−６／℃以下であることがより望ましい。
【００１４】
また、この直胴部の引張弾性率は４００〜９００ＧＰａになるように構成されている。この直胴部の引張弾性率が４００ＧＰａ未満の場合には、炭素繊維内のグラファイト配向が発達しておらず、常温から８００℃に昇温した際のルツボ周方向の平均線熱膨張係数を石英ガラスの平均線熱膨張係数とほぼ同じ、もしくはより小さくすることが困難であるため好ましくない。一方、円筒部材（直胴部）の引張弾性率が９００ＧＰａを超えると、炭素繊維が脆くなり、成形時に組織内部で炭素繊維が折れ、組織破壊に伴う機械的強度が低下するため好ましくない。
【００１５】
また、前記直胴部の平均線熱膨張係数が、室温から４００℃の範囲において負の係数であって、４００℃から室温までの冷却過程において熱膨張する（室温から４００℃の範囲において熱収縮すること）が望ましい。
このように、前記円筒部材の平均線熱膨張係数が、室温から４００℃の範囲において負の係数であれば、室温から４００℃の範囲において熱収縮するため前記直胴部の内表面と石英ガラスルツボ外表面との間にすき間が生じ、石英ガラスルツボをより簡単に取り外すことができる。
【００１６】
また、前記ピッチ系炭素繊維織布の目付が２００〜６００ｇ／ｍ２であることが望ましい。このようにピッチ系炭素繊維織布の目付が２００ｇ／ｍ２未満の場合には、繊維間の隙間が大きくなり、マトリックス部の珪化が促進されるため、好ましくない。
一方、ピッチ系炭素繊維織布の目付が６００ｇ／ｍ２を超える場合には、炭素繊維織布が厚くなるため所定厚さに対する積層枚数が減り、積層した炭素繊維織布間のマトリックス部への応力集中が生じることにより強度が低下するため、好ましくない。また、厚い織布となった場合、繊維の曲率が大きくなり、製造時もしくは使用時に繊維が折れ易く、機械的強度が低下するため、好ましくない。
【００１７】
また、単結晶引き上げ炉内では、発生した酸化珪素ガスが前記直胴部と化学反応して直胴部を消耗させる。同時にＰＡＮ系炭素繊維を用いた炭素繊維強化炭素複合材料は、ピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維強化炭素複合材料に比べて酸化珪素ガスと反応しやすい傾向があり、この点でも好ましくない。
ここで、前記直胴部を形成する炭素繊維強化炭素複合材料はかさ密度が１．３ｇ／ｃｍ３〜１．８ｇ／ｃｍ３であることが望ましい。
かさ密度が１．３ｇ／ｃｍ３以下である場合には、組織が疎であるため、酸化珪素ガスが組織内部に侵入し、消耗を促進するため好ましくない。
一方、かさ密度が１．８ｇ／ｃｍ３以上である場合には、組織が緻密なため熱膨張係数が高くなり、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数を、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下とすることが困難であるため好ましくない。
【００１８】
また、上記ルツボの製造方法であって、前記炭素繊維織布が熱硬化性樹脂と炭素粉との混合接着剤を用いて貼り合わされ、その後、熱硬化処理、炭素化処理、黒鉛化処理および高純度化処理を施して、前記直胴部が形成されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、冷却時における石英ガラスルツボの食い込みが抑制され、石英ガラスルツボを破壊することなく、石英ガラスルツボを容易に取り外すことができ、更には、珪化を抑制できるルツボ、及びこのルツボの製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明にかかるルツボに用いられる炭素繊維織布の平面図である。
【図２】図２は、本発明にかかるルツボを示す実施形態を示す断面図である。
【図３】図３は、前記第１の実施形態の変形例を示す断面図である。
【図４】図４は、図２、図３に示されたルツボの直胴部に用いられる炭素繊維織布の概念図である。
【図５】図５は、図２、図３に示した炭素繊維強化炭素複合材の直胴部の製造工程を説明するための図である。
【図６】図６は、図２、図３に示した炭素繊維強化炭素複合材ルツボの製造工程を説明するための図である。
【図７】図７は、シリコン単結晶引上装置において用いるルツボの説明をするための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明にかかるルツボ及びこのルツボの製造方法の実施の形態について図面に基づき説明する。
まず、図１に基づいて、このルツボの直胴部に用いられる炭素繊維織布について説明する。この炭素繊維織布１はピッチ系の炭素繊維織布であって、直径５μｍ〜２０μｍのピッチ系の炭素繊維１０００本〜３６０００本を縦糸１ａとし、直径５μｍ〜２０μｍのピッチ系の炭素繊維１０００本〜３６０００本を横糸１ｂとして、交互に織り上げた炭素繊維織布であって、その目付け量は２００ｇ／ｍ２〜６００ｇ／ｍ２、厚さは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍに形成されている。
【００２２】
このピッチ系の炭素繊維織布は、一般的な製法で作成される。先ず、精製した原料のピッチを加熱して紡糸できるように粘度や分子量を調整し、その後、加熱し流動性を与え、ノズルを通して所定の直径（例えば、１０μｍ）の繊維を成形する。
この状態で，酸素を付加する不融化処理を施し，不活性雰囲気の中で炭素化処理をすることによりピッチ系炭素繊維を製造することができる。
【００２３】
そして、前記したように縦糸及び横糸を編み、図１に示すようなピッチ系の炭素繊維織布を形成する。このピッチ系の炭素繊維としては、例えば、日本グラファイトファイバー社製の商品名ＸＮ−８０を用いることができる。一般的にこのピッチ系の炭素繊維織布の線熱膨張係数は、常温において−１．５×１０−６／℃であり、また引張弾性率は、７８０ＧＰａである。
【００２４】
次に、図２に基づいて、本発明にかかるルツボ１０の実施形態について説明する。
このルツボ１０は、例えば、半導体材料等の単結晶を引上げる単結晶引上装置（図示せず）において、シリコン溶融液を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために使用されるルツボである。
【００２５】
このルツボ１０は円筒状の直胴部１１と底部１２とを有し、前記直胴部１１は前記底部１２の上面に取り付けられている。また、前記直胴部１１の下部内周面と前記底部１２の内周縁に接して、リング状のスペーサ１３が設けられている。
この底部１２及びスペーサ１３は従来と同様に黒鉛材から形成され、直胴部１１はピッチ系の炭素繊維織布から形成されている。
このようにこの底部１２及びスペーサ１３は従来と同様に黒鉛材から形成されている場合には、炭素繊維強化炭素材料よりも熱膨張係数が大きいため、冷却時に直胴部端部に食い込むことなく、取り外すことができ、好ましい。
【００２６】
尚、図３に示すように、底部１２及びスペーサ１３を黒鉛材によって一体に形成しても良い。また、底部１２およびスペーサ１３を炭素繊維強化炭素材料、特に、ピッチ系の炭素繊維強化炭素材料によって形成しても良い。また底部１２およびスペーサ１３を炭素繊維強化炭素材料によって一体に形成しても良い。
また、図２に示すルツボ１０の直胴部１１の下部外周面は、前記底部１２の立上がり部１２ａの内周に嵌合し、前記直胴部１１は前記底部１２に固定される。これに対して、図３に示すようにルツボ１０の直胴部１１の下部内周面は、前記底部１２の立上がり部１２ａの外周に嵌合し、前記直胴部１１が前記底部１２に固定されるようになしても良い。
【００２７】
また、前記直胴部１１の上部端部の内周側は、Ｒ面取り（曲面形状に面取り）、あるいはＣ面取り（角取り）を行うのが望ましい。
このように、前記直胴部１１の上部端部の内周側が、Ｒ面取り（曲面形状に面取り）、あるいはＣ面取り（角取り）されている場合には、万一、石英ガラスルツボがルツボに食い込んで、石英ガラスルツボを破壊する場合にも、直胴部１１の上部端部の内周側におけるクラックあるいは欠け等を抑制でき、直胴部１１を再利用に供することができる。
【００２８】
このルツボ１０は、前記した炭素繊維織布１を複数枚、熱硬化性樹脂と炭素粉（例えば黒鉛粉）との混合接着剤（図示せず）を担持して貼り合わせ、その後、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施すことによって形成される。
具体的には、図４に示すシート状の炭素繊維織布１が、図５に示すようなルツボ成型用金型１４上で複数層に貼り合わせられ、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施されて形成される。具体的な製造方法については、後述する。
【００２９】
このルツボ１０の直胴部１１の引張弾性率は４００〜９００ＧＰａになるように構成されている。この直胴部１１の引張弾性率が４００ＧＰａ未満の場合には、炭素繊維内のグラファイト配向が発達しておらず、常温から８００℃に昇温した際のルツボ周方向の線熱膨張係数を石英ガラスの線熱膨張係数より小さくすることが困難であるため好ましくない。
石英ガラスルツボが昇温する際には、石英ガラスの軟化によりルツボ１０の内径に沿って変形が生じるため、ルツボ１０の周方向へ生じる引張り応力を考慮すると、この直胴部１１の引張弾性率が４００ＧＰａ以上であることが好ましい。
一方、前記直胴部の引張弾性率が９００ＧＰａを超えると、炭素繊維が脆くなり、成形時に組織内部で炭素繊維が折れ、組織破壊に伴う機械的強度が低下するため好ましくない。
【００３０】
このルツボの製造方法の実施の形態について図面に基づき説明する。
先ず、図５に示すようにルツボ成型用金型１４を用意し、その金型直胴部１４ａに熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂）と炭素粉（例えば、黒鉛粉）との混合接着剤（図示せず）を担持した炭素繊維織布１を巻き付ける（図６のステップＳ１）。
また、炭素繊維織布１の炭素繊維の軸線方向（縦糸１ａ、横糸１ｂの軸線方向）は、ルツボ周方向Ｔに対して平行方向と直交方向（ルツボの軸線方向）となされている。
このとき、炭素繊維織布１は、図５に矢印で示すルツボ周方向Ｔと平行方向に伸長せず、またルツボ周方向Ｔと直交方向（ルツボの軸線方向）にも伸長しないが、この金型直胴部１４ａの径が変化しないため、金型直胴部１４ａに炭素繊維織布１を皺なく貼り付けることができる。
【００３１】
尚、炭素繊維織布１の貼り付け工程を複数回繰り返して行い、所定の厚さに積層されていく（図６のステップＳ２）。このとき、短尺の炭素繊維織布１を複数枚用いて金型直胴部１４ａに複数回、巻回して形成しても良いし、あるいは一枚の長尺の炭素繊維織布１を金型直胴部１４ａに複数回、巻回して形成しても良い。
そして、炭素繊維織布の貼り付け（積層）が全て終了すると、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施されて、炭素繊維からなる円筒状の直胴部１１が製造される（図６のステップＳ４〜Ｓ８）。
この円筒状の直胴部１１は、黒鉛からなる底部に取付けられ、ピッチ系の炭素繊維織布を含むルツボ１０とされる。尚、底部１２、スペーサ１３は従来の製法により黒鉛材によって形成される。
【００３２】
このような炭素繊維織布１の貼り付け（積層）が全て終了すると、最内層の炭素繊維織布１の下端部（ルツボ使用時において上端部）を、外周方向に折曲げ、ルツボ端部を覆うように貼り付けし、端部成形処理を行う（図６のステップＳ３）。
この端部処理を行うため、最内層の炭素繊維織布１は、他の層の炭素繊維織布１の下端部よりも、予め下方に長く形成される。
【００３３】
このようにして、ルツボ型のプリフォームが得られると、ルツボ成型用金型１４の周りに貼り付けられた状態で真空炉内に配置し、１００℃〜３００℃の温度で熱硬化を行う（図６のステップＳ４）。
次いで、ルツボ成型用金型１４を取り外し（図６のステップＳ５）、得られる成型体を不活性雰囲気中で約１０００℃の温度で炭素化処理を行い（図６のステップＳ６）、その後、必要に応じてフェノール樹脂やタールピッチ等を含浸し、再度、炭素化処理を行う。
炭素化処理の後、２０００℃以上の温度で加熱し、黒鉛化処理を行う（図６のステップＳ７）。
そして、黒鉛化により得られたルツボを、通常１５００℃から２５００℃の温度に加熱して、高純度化処理を施し、ピッチ系の炭素繊維織布を含む炭素繊維ルツボ２０を得る（図６のステップＳ８）。
【００３４】
このようにして形成された前記直胴部の周方向の平均線熱膨張係数、前記底部の周方向、径方向の平均線熱膨張係数が、室温から８００℃に昇温した際に０．５×１０−６／℃以下である。特に、室温から４００℃の範囲において、０．０×１０−６／℃以下であり、室温から４００℃の範囲において熱収縮する。すなわち、４００℃から室温に冷却する際には膨張する。
一方、前記石英ガラスルツボを構成する石英ガラスは、常温から８００℃における平均線熱膨張係数が０．５×１０−６／℃〜０．６×１０−６／℃で、前記温度域においてほぼ一定であり、前記直胴部、前記底部の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数と近似かそれ以下の値を有している。
【００３５】
このように、ルツボの直胴部が、石英ガラスの平均線熱膨張係数と近似かそれ以下の小さな熱膨張係数を有する材料で構成されているため、石英ガラスルツボ及び炭素繊維ルツボが冷却される際、両者が密着した状態で冷却された場合であっても、石英ガラスルツボが前記直胴部に食い込む（強固に嵌合する）ことなく、石英ガラスルツボを炭素繊維強化炭素複合材ルツボから容易に取り出すことができる。
特に、前記直胴部、前記底部の平均線熱膨張係数が室温から４００℃の範囲において負の値、すなわち０．０×１０−６／℃未満であれば、４００℃から室温までの冷却過程において、炭素繊維強化炭素複合材ルツボが膨張するため、石英ガラスルツボとの間にすき間が生じ、より簡単に取り外すことができる。
【実施例】
【００３６】
［実施例１］
市販の引張弾性率７８０ＧＰａのピッチ系炭素繊維から目付け量４００ｇ／ｍ２の炭素繊維織布を製織し、これに黒鉛粉とフェノール樹脂との混合接着剤を担持してプリプレグを得た。これをφ５００ｍｍの円筒形状の金型に貼り付けて積層し、１５０℃で硬化させ、円筒形状の成型体を得た。これを炭素粉内に埋めて約１０００℃で焼成した後、２１００℃で２次焼成および高純度化処理をおこなった。得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒のかさ密度は１．５５ｇ／ｃｍ３、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数は０．３１×１０−６／℃であった。
得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒を、黒鉛材から成る受け皿に取り付けルツボとした。これらの炭素繊維強化炭素複合材ルツボに多結晶シリコンを満たした石英ガラスルツボを入れ、１５５０℃で５時間熱処理をおこない徐冷して石英ガラスルツボとの嵌め合わせの状態を確認した。その結果、石英ガラスルツボを比較的容易に取り外すことができた。
【００３７】
［実施例２］
市販の引張弾性率７８０ＧＰａのピッチ系炭素繊維から目付け量４００ｇ／ｍ２の炭素繊維織布を製織し、これに黒鉛粉とフェノール樹脂との混合接着剤を担持してプリプレグを得た。これをφ５００ｍｍの円筒形状の金型に貼り付けて積層し、１５０℃で硬化させ、円筒形状の成型体を得た。これを炭素粉内に埋めて約１０００℃で焼成し、フェノール樹脂を含浸させて再度焼成した後、２１００℃で２次焼成および高純度化処理をおこなった。得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒のかさ密度は１．５５ｇ／ｃｍ３、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数は０．４９×１０−６／℃であった。
得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒を、黒鉛材から成る受け皿に取り付けルツボとした。これらの炭素繊維強化炭素複合材ルツボに多結晶シリコンを満たした石英ガラスルツボを入れ、１５５０℃で５時間熱処理をおこない徐冷して石英ガラスルツボとの嵌め合わせの状態を確認した。その結果、石英ガラスルツボを比較的容易に取り外すことができた。
【００３８】
［比較例１］
用いた炭素繊維が市販の引張弾性率２４０ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維であること以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維強化炭素複合材円筒を得た。かさ密度は１．４４ｇ／ｃｍ３、室温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数は０．８１×１０−６／℃であった。
実施例１と同様に、得られた炭素繊維強化炭素複合材円筒を、黒鉛材から成る受け皿に取り付けルツボとした。これらの炭素繊維強化炭素複合材ルツボに多結晶シリコンを満たした石英ガラスルツボを入れ、１５５０℃で５時間熱処理をおこない徐冷して石英ガラスルツボとの嵌め合わせの状態を確認した。
その結果、前記円筒では石英ルツボが食い込み取り外しが困難で、取り外すそうとすると炭素繊維強化炭素複合材円筒にカケやクラックが生じ、破損した。
【符号の説明】
【００３９】
１ （ピッチ系）炭素繊維織布
１０ ピッチ系炭素繊維強化炭素複合材ルツボ（炭素繊維ルツボ）
１１ 直胴部
１２ 底部
１４ ルツボ成型用金型
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる、底部と、前記底部の上方に設けられた直胴部とを有するルツボであって、
前記底部が黒鉛材で形成されると共に、
前記直胴部が、引張弾性率４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成され、かつ常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であることを特徴とするルツボ。
【請求項２】
前記炭素繊維強化炭素複合材の常温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数が０．５×１０−６／℃以下であることを特徴とする請求項１に記載されたルツボ。
【請求項３】
前記直胴部の平均線熱膨張係数が、室温から４００℃の範囲において負の係数であって、４００℃から室温までの冷却過程において熱膨張することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のルツボ。
【請求項４】
前記ピッチ系炭素繊維織布の目付が２００〜６００ｇ／ｍ２であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のルツボ。
【請求項５】
炭素繊維強化炭素複合材料が、かさ密度１．３ｇ／ｃｍ３以上１．８ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１及至請求項４のいずれか１項に記載のルツボ。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５のいずれかに記載されたルツボの製造方法であって、
前記炭素繊維織布が熱硬化性樹脂と炭素粉との混合接着剤を用いて貼り合わされ、その後、熱硬化処理、炭素化処理、黒鉛化処理および高純度化処理を施して、前記直胴部が形成されることを特徴とするルツボの製造方法。
【請求項１】
溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる、底部と、前記底部の上方に設けられた直胴部とを有するルツボであって、
前記底部が黒鉛材で形成されると共に、
前記直胴部が、引張弾性率４００ＧＰａ以上９００ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を用いた炭素繊維織布を含む炭素繊維強化炭素複合材から形成され、かつ常温から８００℃に昇温した際の直胴部の周方向の平均線熱膨張係数が、石英ガラスの平均線熱膨張係数以下であることを特徴とするルツボ。
【請求項２】
前記炭素繊維強化炭素複合材の常温から８００℃に昇温した際の平均線熱膨張係数が０．５×１０−６／℃以下であることを特徴とする請求項１に記載されたルツボ。
【請求項３】
前記直胴部の平均線熱膨張係数が、室温から４００℃の範囲において負の係数であって、４００℃から室温までの冷却過程において熱膨張することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のルツボ。
【請求項４】
前記ピッチ系炭素繊維織布の目付が２００〜６００ｇ／ｍ２であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のルツボ。
【請求項５】
炭素繊維強化炭素複合材料が、かさ密度１．３ｇ／ｃｍ３以上１．８ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１及至請求項４のいずれか１項に記載のルツボ。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５のいずれかに記載されたルツボの製造方法であって、
前記炭素繊維織布が熱硬化性樹脂と炭素粉との混合接着剤を用いて貼り合わされ、その後、熱硬化処理、炭素化処理、黒鉛化処理および高純度化処理を施して、前記直胴部が形成されることを特徴とするルツボの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５４９１７（Ｐ２０１２−２５４９１７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−８８４９７（Ｐ２０１２−８８４９７）
【出願日】平成２４年４月９日（２０１２．４．９）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月９日（２０１２．４．９）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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