(57)【要約】【課題】耐熱衝撃性に優れると共に耐久性に優れるルツボを提供すること。【解決手段】ルツボ２は，石英からなる内層２１とカーボン材料からなる外層２２とを有し，溶融状態のシリコン３を保持する。また，外層２２は，曲げ強度をＳ［ＭＰａ］，ポアソン比をν［−］，弾性率をＥ［ＧＰａ］，熱膨張係数をα［１０−６／Ｋ］，熱伝導率をｋ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］，密度をρ［１０３ｋｇ／ｍ３］，比熱をｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］としたとき，Ｒ＝Ｓ・ｋ・（１−ν）／（Ｅ・α・ρ・ｃ）［Ｋ・ｍ２／ｓ］で表される熱衝撃破壊抵抗係数Ｒが，０．０８以上であり，かつ，バインダーピッチとコークスを配合し混練してなる混和物を粉砕して得られた成形粉をラバープレス成形してなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英からなる内層とカーボン材料からなる外層とを有し，溶融状態のシリコンを保持するルツボにおいて，
上記外層は，曲げ強度をＳ［ＭＰａ］，ポアソン比をν［−］，弾性率をＥ［ＧＰａ］，熱膨張係数をα［１０−６／Ｋ］，熱伝導率をｋ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］，密度をρ［１０３ｋｇ／ｍ３］，比熱をｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］としたとき，Ｒ＝Ｓ・ｋ・（１−ν）／（Ｅ・α・ρ・ｃ）［Ｋ・ｍ２／ｓ］で表される熱衝撃破壊抵抗係数Ｒが，０．０８以上であり，かつ，バインダーピッチとコークスを配合し混練してなる混和物を粉砕して得られた成形粉をラバープレス成形してなることを特徴とするルツボ。
【請求項２】
請求項１において，上記成形粉は，平均粒径が２５μｍになるように粉砕した上記混和物を残部として，平均粒径が５μｍになるように粉砕した上記混和物を２０重量％配合してなることを特徴とするルツボ。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記ルツボは，シリコン単結晶引上げ装置において溶融状態のシリコンを保持するためのルツボであることを特徴とするルツボ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，石英からなる内層とカーボン材料からなる外層とを有し，例えば，溶融状態のシリコン（珪素）を保持するルツボに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より，シリコンの製造過程においては，溶融状態のシリコンを保持するためにルツボが使用される。このルツボとしては，石英からなる内層とカーボン材料からなる外層とより形成することが知られている。つまり，耐熱性に優れたカーボン材料を外層に，シリコンに対して熱安定性が高い石英を内層に配設した二重構造タイプのルツボが使用されている。このようなルツボとしては，例えば特許文献１に開示されたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２７８７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら，上記従来のルツボにおいては以下のような問題点がある。
即ち，上記内層である石英と外層であるカーボン材料との熱膨張係数は異なる。そのため，シリコンを溶融させてその温度を高めるために，ルツボを一定の温度に加熱する際，その加熱途中でそれらの熱膨張係数の違い等により，カーボン材料に割れや亀裂等の破壊が発生するおそれがある。
つまり，この破壊は，上記ルツボに急激な加熱を行ったときに，発生することがわかっている。そのため，実際には，ルツボを加熱する速度を遅くして破壊の発生を防止している。それ故，シリコンを昇温するために要する時間が長くなり，生産性を向上させることが困難になっている。
【０００５】
また，上記破壊が発生してしまう原因として，上記カーボン材料が耐熱衝撃性に劣っていることが考えられる。
即ち，ルツボを急激に加熱するときには，カーボン材料には熱衝撃が加わる。上記耐熱衝撃性は，この熱衝撃が加えられたときの破壊の起こりにくさを示す尺度であり，材料の強度，熱伝達率，熱膨張係数等の様々な要因によって決定される。つまり，従来のカーボン材料においては，これらの要因が最適に決定されていないため，上記のごとく割れ，亀裂等の破壊を生じていると考えられる。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，耐熱衝撃性に優れると共に耐久性に優れるルツボを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は，石英からなる内層とカーボン材料からなる外層とを有し，溶融状態のシリコンを保持するルツボにおいて，
上記外層は，曲げ強度をＳ［ＭＰａ］，ポアソン比をν［−］，弾性率をＥ［ＧＰａ］，熱膨張係数をα［１０−６／Ｋ］，熱伝導率をｋ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］，密度をρ［１０３ｋｇ／ｍ３］，比熱をｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］としたとき，Ｒ＝Ｓ・ｋ・（１−ν）／（Ｅ・α・ρ・ｃ）［Ｋ・ｍ２／ｓ］で表される熱衝撃破壊抵抗係数Ｒが，０．０８以上であり，かつ，バインダーピッチとコークスを配合し混練してなる混和物を粉砕して得られた成形粉をラバープレス成形してなることを特徴とするルツボにある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明において最も注目すべきことは，上記外層は，上記熱衝撃破壊抵抗係数Ｒが０．０８以上であるカーボン材料よりなることである。
なお，Ｒの値が０．０８よりも小さくなると，カーボン材料に割れや亀裂等の破壊を生じる可能性があるという問題点がある。
【０００９】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明においては，外層であるカーボン材料の熱衝撃に対する耐熱衝撃性の尺度を熱衝撃破壊抵抗係数Ｒで表す。このＲは，上記のごとく，分母にＥ，α，ρ，ｃを持ち，分子にＳ，ｋ，１−νを持つ式で表される。つまり，Ｒを大きくするには，１つの方法として，Ｅ，α，ρ，ｃを小さく，Ｓ，ｋ，１−νを大きくすればよい。そして，Ｒの値を，０．０８以上とすることにより，上記のごとく，石英とカーボン材料との熱膨張係数が異なっていても，ルツボに急激な加熱を行ったとき，このルツボに割れや亀裂等の破壊を生じることを防止することができる。そのため，本発明によるルツボは，耐熱衝撃性に優れると共に耐久性に優れている。
【００１０】
また，上記の優れた耐熱衝撃性及び耐久性を利用して，ルツボに急激な加熱を行うことができる。そのため，シリコンを昇温するために要する時間が短くなり，シリコンの生産性を向上させることができる。
【００１１】
以上，本発明によれば，耐熱衝撃性に優れると共に耐久性に優れるルツボを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態例１における，ルツボを示す説明図。
【図２】実施形態例１における，シリコン単結晶引上げ装置を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
請求項２に記載の発明のように，上記成形粉は，平均粒径が２５μｍになるように粉砕した上記混和物を残部として，平均粒径が５μｍになるように粉砕した上記混和物を２０重量％配合してなることが好ましい。
【００１４】
また，請求項３に記載の発明のように，上記ルツボは，シリコン単結晶引上げ装置において溶融状態のシリコンを保持するためのルツボであることが好ましい。
上記シリコン単結晶引上げ装置においては，ルツボに急激な加熱を行って，その内部のシリコンを昇温する。そのため，上記耐熱衝撃性に優れたルツボにより，迅速なシリコンの昇温を行うことができる。それ故，上記ルツボをシリコン単結晶引上げ装置に用いることにより，シリコン単結晶体の引上げ処理を効率良く行うことができる。
【実施例】
【００１５】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるルツボにつき，図１，図２を用いて説明する。
図１に示すごとく，本例におけるルツボ２は，石英からなる内層２１とカーボン材料からなる外層２２とを有し，溶融状態のシリコン３を保持する。
そして，上記外層２２は，曲げ強度をＳ［ＭＰａ］，ポアソン比をν［−］，弾性率をＥ［ＧＰａ］，熱膨張係数をα［１０−６／Ｋ］，熱伝導率をｋ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］，密度をρ［１０３ｋｇ／ｍ３］，比熱をｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］としたとき，Ｒ＝Ｓ・ｋ・（１−ν）／（Ｅ・α・ρ・ｃ）［Ｋ・ｍ２／ｓ］で表される熱衝撃破壊抵抗係数Ｒが，０．０８以上であるカーボン材料よりなる。
【００１６】
以下に，これを詳説する。
上記外層２２に使用するカーボン材料は，バインダーピッチ約３６重量％と，残部平均粒径１５〜２５μｍのコークスとからなる。
そして，以下のような製造方法により外層２２を成形した。
まずは，バインダーピッチ約３６重量％と，残部平均粒径１５〜２５μｍのコークスとを配合し，温度約２４０℃で約５時間混練した。そして，この混練により成形した混和物を，平均粒径が約２５μｍになるように粉砕し，成形紛とした。
【００１７】
次に，この成形紛を，φ５００×５００ｍｍのルツボ状のゴム型に封入し，圧力約１００ＭＰａでラバープレス成形した。これにより，得られた成形品を還元雰囲気下において室温が約１０００℃になるまで１００時間かけて昇温して，焼成した。そして，この焼成を行った成形品に，温度３１００℃で，黒鉛化処理を行った。このようにして，上記ルツボ２の外層２２を成形した。
また，上記内層２１は，石英ガラスよりなる石英ルツボであり，外層２２の内部に配設する。
【００１８】
図２に示すごとく，本例におけるルツボ２は，シリコン単結晶引上げ装置１の内部に配置される。
上記シリコン単結晶引上げ装置１は，その外形が密閉本体１１により形成されており，その内部にルツボ２，回転装置１２，加熱ヒータ１３及びガス整流部１４を有している。回転装置１２は，その上にルツボ２を配置するようになっている。また，加熱ヒータ１３は，ルツボ２の周囲に設けてあり，ルツボ２の周囲よりルツボ２を加熱してその内部に入れたシリコンを昇温して溶融させることができるようになっている。また，ガス整流部１４は，密閉本体１１の内部に不活性ガス１５を供給するために設けられている。
そして，シリコン単結晶引上げ装置１は，加熱ヒータ１３によりルツボ２内のシリコンを溶融させて，シリコン単結晶体を生産するようになっている。
【００１９】
次に，本例の作用効果につき説明する。
本例においては，外層２２であるカーボン材料の熱衝撃に対する耐熱衝撃性の尺度を熱衝撃破壊抵抗係数Ｒで表す。このＲは，上記のごとく，分母にＥ，α，ρ，ｃを持ち，分子にＳ，ｋ，１−νを持つ式で表される。つまり，Ｒを大きくするには，１つの方法として，Ｅ，α，ρ，ｃを小さく，Ｓ，ｋ，１−νを大きくすればよい。
【００２０】
そして，本例のカーボン材料及び製造方法によって，Ｒ＝０．０９０という値を得ることができた。つまり，このようにＲの値を，０．０８以上とすることにより，上記のごとく，石英とカーボン材料との熱膨張係数が異なっていても，ルツボ２に急激な加熱を行ったとき，このルツボ２に割れや亀裂等の破壊を生じることを防止することができる。そのため，本例によるルツボ２は，耐熱衝撃性に優れると共に耐久性に優れている。
また，上記の優れた耐熱衝撃性及び耐久性を利用して，ルツボ２に急激な加熱を行うことができる。そのため，シリコン３を昇温するために要する時間が短くなり，シリコン３の生産性を向上させることができる。
【００２１】
実施形態例２
本例においては，上記実施形態例１における製造方法で製作したルツボ２（発明品１）に加えて，上記と異なる製造方法を用いて製作したルツボ２（発明品２）と，比較のために製作したルツボ２（比較品１）及び（比較品２）を準備し，これらの耐久性を測定した。
【００２２】
（発明品２）
上記外層２２に使用するカーボン材料は，バインダーピッチ約３６重量％と，残部平均粒径１５〜２５μｍのニードルコークスとからなる。
なお，このニードルコークスを使用することにより，黒鉛化処理を行う際に，上記コークスに比べて一層良好な黒鉛の結晶体を得ることができる。
【００２３】
そして，以下のような製造方法により外層２２を成形した。
まずは，バインダーピッチ約３６重量％と，残部平均粒径１５〜２５μｍのニードルコークスとを配合し，温度約２４０℃で約５時間混練する。
そして，上記混練により成形した混和物を，平均粒径が約２５μｍになるように粉砕したものを残部として，それと，この混和物と同一のものを平均粒径が約５μｍになるように粉砕しておいたもの約２０重量％とを配合して，成形紛とする。そして，以下は上記実施形態例１の製造方法と同様の作業を行う。
【００２４】
このようにして成形した外層２２の熱衝撃破壊抵抗係数Ｒは，Ｒ＝０．０９８という値を得ることができた。
また，上記内層２１は，上記実施形態例１に記載のものと同じものを用いた。
【００２５】
（比較品１）
上記外層２２に使用するカーボン材料は，バインダーピッチ約３６重量％と，残部カーボンブラック系骨材とからなる。
また，外層２２の製造方法としては，上記黒鉛化処理を２７００℃とし，その他は上記実施形態例１の製造方法と同様とした。
このようにして成形した外層２２の熱衝撃破壊抵抗係数Ｒは，Ｒ＝０．０６７という値になった。
また，上記内層２１は，上記実施形態例１と同様のものを用いた。
【００２６】
（比較品２）
上記外層２２に使用するカーボン材料は，バインダーピッチ約３６重量％と，残部カーボンブラック系骨材とからなる。
また，外層２２の製造方法としては，上記黒鉛化処理を２８００℃とし，その他は上記実施形態例１の製造方法と同様とした。
このようにして成形した外層２２の熱衝撃破壊抵抗係数Ｒは，Ｒ＝０．０７２という値になった。
また，上記内層２１は，上記実施形態例１と同様のものを用いた。
【００２７】
次に，上記発明品１，２及び比較品１，２を用いて耐久試験を行った。この耐久試験は，シリコン単結晶の引上げをＣＺ法（チョクラルスキー法）を用いて行った。そして，カーボン材料からなる外層２２の使用限界を，原料を入れて単結晶体を引き上げる作業を１回として，使用可能な限界回数を示す使用限界バッチ数により評価した。この結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2011051892.tif 000003
【００２９】
同表からわかるように発明品１，２と比較品１，２とでは，Ｒの値の違いに関連して，上記使用限界バッチ数が大きく異なる。つまり，比較品１，２に比べ発明品１，２は，使用限界バッチ数が約１．６〜２．０倍になるということがわかった。それ故，Ｒの値を少なくとも０．０８以上とすれば，耐久性が向上することが明らかになった。
【００３０】
なお，本例における製造方法で成形した外層２２のカーボン材料の性質として，上記弾性率Ｅ［ＧＰａ］は，９≦Ｅ≦１４［ＧＰａ］であることが好ましいことがわかった。弾性率Ｅの値がこの範囲にあることによって，容易に上記熱衝撃破壊抵抗係数Ｒを０．０８以上とすることができる。一方，弾性率Ｅの値がこの範囲から外れると，上記Ｒの値を０．０８以上とするのが難しくなる。
【符号の説明】
【００３１】
１  シリコン単結晶引上げ装置
２  ルツボ
２１  内層
２２  外層
３  シリコン
【図１】
2011051892.tif 000004
【図２】
2011051892.tif 000005