(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側筒部と底部とからなる単結晶引き上げ用ルツボであって、前記底部の中央部には、炭素質材料からなり略円板状乃至は円柱状の底中央部材を配し、該底中央部材の側周面に接する軌道を少なくとも炭素繊維の一部が通るようにしつつ多層に巻いて、前記底部と前記側筒部とを一体成形したことを特徴とする主として炭素繊維強化炭素複合材料からなる単結晶引き上げ用ルツボ。
【請求項２】
前記底中央部材の側周面の一部もしくは全面が、凹状面又は凸状面である請求項１に記載の単結晶引き上げ用ルツボ。
【請求項３】
前記底中央部材に貫通穴が設けられた請求項１または２に記載の単結晶引き上げ用ルツボ。
【請求項４】
前記中央底部の貫通穴はテーパ穴である請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶引き上げ用ルツボ。
【請求項５】
前記多層のうち少なくともルツボ最内層の前記底部を形成する炭素繊維が切断加工されていない請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶引き上げ用ルツボ。
【請求項６】
前記底部の肉厚が、前記側筒部の肉厚の２倍以上である請求項１〜５のいずれかに記載の単結晶引き上げ用ルツボ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という。）によるシリコンの単結晶引き上げなどに用いられる単結晶引き上げ用ルツボに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＺ法において、シリコン単結晶の製造は、ルツボの中の溶融シリコンを引き上げることにより生成される。このルツボには高融点、高温安定性や溶融シリコンと反応しにくいという特性を有する石英製の物が使用されている。図２にＣＺシリコン単結晶引き上げ装置の模式概略図を示し、ＣＺ法の概略を説明する。
【０００３】
図２において、多結晶シリコンが充填された石英ルツボ１１は、更にこれを外部から支持するルツボ１０の内部に載置される。このルツボ１０は受け皿１４に載置され、ペディスタル１５で軸支され、図示しないチャンバー内の中央部に位置している。さらに、ルツボ１０の外周を取り巻くようにヒーター１２、保温筒１３が設けられ、石英ルツボ１１内の多結晶シリコンを加熱溶解する。そして、図示しないシードチャックに取り付けられた種結晶を石英ルツボ１１内の溶融多結晶シリコンに浸漬し、ペディスタル１５によるルツボ１０の回転と同方向または逆方向に回転させつつ引き上げてシリコン単結晶を成長させる。
【０００４】
ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造には、従来より、シリコンをその内部で溶融するための石英ルツボと、これを収容して外部から支持するための黒鉛製のルツボが用いられている。最近では、製造する単結晶が大口径化しつつあることに伴い、前記のＣＺ法に用いられる引き上げ装置も大型化されている。これによって、従来の黒鉛製ルツボでは重量が増加することによるハンドリング上の問題や、装置内の有効処理寸法が小さくなるという問題がでてきた。
【０００５】
炭素繊維強化炭素複合材料（以下、「Ｃ／Ｃ材」という。）は、黒鉛材に比較して、軽く、そして、各種機械的強度が高いため、有効に装置の処理室を使用することができ、軽量のため、装置への設置等のハンドリング性にも優れている。これらのことから、現在、大口径のＣＺ法による単結晶引き上げ装置に用いられる炉構成品はルツボをはじめとして、黒鉛製のものからＣ／Ｃ材製の物へと移りつつある。
【０００６】
Ｃ／Ｃ材製のルツボを製造する方法としては、主として以下の２つの方法がある。
一つは、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）と呼ばれる方法である（例えば、特許文献１参照）。この方法は、通常炭素繊維を束ねた炭素繊維束を熱硬化性樹脂、溶剤等からなる低粘度の結合材に浸漬した後、結合材の付着した炭素繊維束をルツボ形状を有するマンドレルに巻付けて必要なルツボ形状に成形する。その後、例えば、１００〜３００℃程度の温度で熱硬化を行い、得られる成形体をＮ2ガス等の不活性ガス中でたとえば約１０００℃の温度で炭素化させる。この炭素化の後、必要に応じてフェノール樹脂、タールピッチ等を含浸させ、さらに１５００℃以上の温度で加熱して炭素化（黒鉛化）を行う。以上の工程により得られたルツボを、たとえばハロゲンガス雰囲気中で、１５００〜２５００℃程度の温度において加熱し、高純度化処理を施し、Ｃ／Ｃ材からなるルツボを得る。
もう一つは、ハンドレイアップ法と呼ばれる方法である（例えば、特許文献２参照）。この方法は、炭素繊維クロスをルツボ型に貼り付けて成形体を作製した後、ＦＷ法と同様に熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施してＣ／Ｃ材からなるルツボを得る。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１５２３９１号公報
【特許文献２】
特開平１０−２４５２７５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、実際に使用する場合には、ルツボ底部を受け皿１４に安定して載置できるように、例えば、ルツボ１０の底部に対して、受け皿１４と嵌め合うような形状に機械加工すること等が行われる。
また、ＦＷ法によって、ボウル状に湾曲した型に巻きつけてルツボを形成する場合、滑りが生じないようにムラなく炭素繊維を巻き付けて完全なルツボ底部を形成することは非常に困難であり、ルツボ底部の中心に穴部分を残すように巻き付け、この穴部分を利用して受け皿１４と嵌め合うように機械加工することもよく行われる。
【０００９】
このように機械加工が行われると、ルツボ１０の底部の炭素繊維を切断してしまい、Ｃ／Ｃ材自体の塑性変形等によるルツボ底部の変形や、炭素繊維の脱離等が発生してしまう。そして、ルツボ底部が変形することによって、Ｃ／Ｃ材製ルツボ自体及びＣ／Ｃ材製ルツボと受け皿１４との間にも空隙が生じ、この空隙に石英ガラス製ルツボからのＳｉＯ等のガスが入り込み、ルツボと反応してルツボが消耗してしまうという問題が生じていた。更に、切断された断面そのものが露出していることによってもＳｉＯガス等と反応しやすいという問題もあった。また、変形時の応力によって、切断された炭素繊維の剥離が生じることもあった。
【００１０】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、フィラメントワインディング法等によるルツボ成形後のルツボ底部の機械加工をできるだけ少なくし、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離を抑制し、長寿命化が図れる単結晶引き上げ用ルツボを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する請求項１に記載の単結晶引き上げ用ルツボは、側筒部と底部とからなる単結晶引き上げ用ルツボであって、前記底部の中央部には、炭素質材料からなり略円板状乃至は円柱状の底中央部材を配し、該底中央部材の側周面に接する軌道を少なくとも炭素繊維の一部が通るようにしつつ多層に巻いて、前記底部と前記側筒部とを一体成形したことを特徴とし、主として炭素繊維強化炭素複合材料からなる。
【００１２】
この構成によると、受け皿に支持される底中央部材が、ＦＷ法により形成されるＣ／Ｃ材を用いずに、ＦＷ法によるＣ／Ｃ材よりも緻密な組織を有する黒鉛材または２ＤＣ／Ｃ材などの炭素質材料で形成されるため、ＦＷ法により形成された炭素繊維を機械加工によって切断することなく、受け皿に支持される部分を加工することが可能になる。このため、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離を抑制することができ、とくに、シリコン冷却時などに熱膨張率の違いによってルツボが内側から押し拡げられたときにも変形しにくい炭素繊維強化炭素複合材製の単結晶引き上げ用ルツボを得ることができる。すなわち、ルツボが変形することで隙間が生じ、ＳｉＯガス等と反応してルツボが消耗することを抑制することができる。そして、ＦＷ法によるＣ／Ｃ材の切断された炭素繊維が露出することがないため、更にルツボの消耗を抑制することができる。これらにより、従来に比して大幅な長寿命化が図れる単結晶引き上げ用炭素繊維強化炭素複合材料製ルツボを得ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の単結晶引き上げ用ルツボは、請求項１において、前記底中央部材の側周面の一部もしくは全面が、凹状面又は凸状面であることを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、底中央部材と、この底中央部材に隣接する底部との接合面における接合強度を高めることができるため、長期使用においても、この接合面から隙間等が発生して使用できなくなることを防止できる。すなわち、請求項１に比して、更に長寿命化を達成する単結晶引き上げ用ルツボを得ることができる。
【００１５】
請求項３に記載の単結晶引き上げ用ルツボは、請求項１または２において、前記底中央部材に貫通穴が設けられたことを特徴とする。
【００１６】
この構成によると、ＦＷ法によるＣ／Ｃ材よりも緻密な炭素質材料からなる底中央部材に対して、ルツボ支持のための機械加工が行われ、ＦＷ法により成形されたＣ／Ｃ材の炭素繊維を切断する必要がない。すなわち、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離を抑制することができ、長寿命化が達成可能な単結晶引き上げ用ルツボを得ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の単結晶引き上げ用ルツボは、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記中央底部の貫通穴はテーパ穴であることを特徴とする。
【００１８】
この構成によると、テーパ穴の部分で受け皿に載置されることになるため、ルツボ支持の安定性がより向上する。
【００１９】
請求項５に記載の単結晶引き上げ用ルツボは、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記多層のうち少なくともルツボ最内層の前記底部を形成する炭素繊維が切断加工されていないことを特徴とする。
【００２０】
この構成によると、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離の抑制に対して最も効果がある。ルツボ最内層の底部を形成する炭素繊維が切断されないため、確実に長寿命化が達成できる。
【００２１】
請求項６に記載の単結晶引き上げ用ルツボは、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記底部の肉厚が、前記側筒部の肉厚の２倍以上好ましくは３倍以上であることを特徴とする。
【００２２】
この構成のように、前記底部の肉厚が、前記側筒部の肉厚の２倍好ましくは３倍を超えることで、より顕著に長寿命化の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の単結晶引き上げ用ルツボ（以下、「Ｃ／Ｃ材製ルツボ」という。）の一実施形態例を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態例に係るＣ／Ｃ材製ルツボ１の中心線より半分のみを示した断面図である。図１に示すように、本実施形態例に係るＣ／Ｃ材製ルツボ１は、側筒部２および底部３とを有しており、底部３は、底中央部材８を有している。そして、底部３のうちこの底中央部材８に隣接する底部３と側筒部２が、底中央部材８の周囲に巻かれるＦＷ法により、炭素繊維で多層に巻かれて一体に形成されている。
【００２４】
図１において、ＦＷ法により炭素繊維で多層に巻かれて一体に形成されている部分は、最内層の第１層１ａと、その外表面に形成されている第２層１ｂと、この第２層１ｂの外表面に形成されている第３層１ｃと、この第３層１ｃの外表面に形成されている第４層１ｄの４層に炭素繊維が束ねられた炭素繊維束が巻かれて形成された多層構造となっている。
【００２５】
第１層１ａを形成する炭素繊維束は、略円板状に形成された底中央部材８の側周面１６に対して、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の内底面側から外底面側へと覆うように接する軌道を通って巻かれている。このため、側周面１６に接するよう巻かれた部分は、炭素繊維束が重なり、盛り上がり部分が形成される。
【００２６】
第２層１ｂを形成する炭素繊維束は、第１層１ａの盛り上がり部分の上に重なり、第１層１ａと同じように側周面１６に対して内底面側から外底面側へと覆うように接する軌道を通って巻かれている。このため、第１層１ａの盛り上がり部分の上に、更に第２層１ｂの盛り上がり部分が形成される。また、第３層１ｃについても、第２層１ｂと同様にして形成され、第２層１ｂの盛り上がり部分の上に形成された第３層１ｃの盛り上がり部分まで形成されることで、側周面１６は、炭素繊維束によって、全て覆われる。
【００２７】
第４層１ｄを形成する炭素繊維束は、第３層１ｃの盛り上がり部分の中腹部分の外側に、円を形成する軌道すなわち、円の接線もしくは、これと平行となる方向となるように、巻き付け角度を微調整しながら巻かれている。このため、第３層１ｃに接する部分では、各炭素繊維束が重なってわずかに盛り上がるよう形成されている。ここで、第３層１ｃの盛り上がり部分と第４層１ｄの盛り上がり部分の高さは略等しく形成されている。
【００２８】
底部３のうち、底中央部材８に隣接し、ＦＷ法により形成される部分の構造について説明する。この部分は、小Ｒ部４、大Ｒ部５、および基底部６より構成されている。
小Ｒ部４は、側筒部２に連なっており、大きな曲率を有している。そして、大Ｒ部５は、小Ｒ部４に連なり、ゆるやかなテーパ状に形成されている。基底部６は、大Ｒ部５と底中央部材８との間に位置し、底中央部材８と接合している。この基底部６における、第３層１ｃの盛り上がり部分と第４層１ｄの盛り上がり部分が、底中央部材８の外側底面とともに、受け皿１４に支持される部分を構成する。なお、このような小Ｒ部４と大Ｒ部５からなる構造を有することで、底部３における中心付近への応力集中を避けやすい構造を実現することができる。すなわち、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の使用時に、最も大きい力が作用しやすい底部３の中心付近には、曲率が小さい大Ｒ部５を配し、底部３の中心付近に比して、あまり大きな力が作用しない側筒部２から底部３へと移行する部分には曲率の大きい大Ｒ部４を配することで、応力集中が生じることを抑制している。
【００２９】
次に底中央部材８について説明する。この底中央部材８は、ＦＷ法によって形成されるＣ／Ｃ材よりも緻密な黒鉛材や２Ｄクロスを積層する方法により形成される２ＤＣ／Ｃなどの炭素質材料からなり、側周面１６を有する略円板状（乃至は円柱状）に形成されており、この側周面１６は、円板中心側に略凹状の外形を有した凹状面７を形成している。この凹状面７は、前述したように、ＦＷ法により炭素繊維束が巻かれて形成される基底部６と接合している。このように、凹状の外形に形成されているため、側周面１６と基底部６との接合面における接合強度を高めることができる。このため、長期使用においても、この接合面から隙間等が発生して使用できなくなることを防止できる。
そして、底中央部材８の中心部分には、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１を回転可能に支持するための支持部材である受け皿１４に形成される図示しない凸部と嵌合される貫通穴９が形成されている。すなわち、より緻密な炭素質材料である底中央部材８に対して、ルツボ支持のための機械加工が行われるため、ＦＷ法により形成された炭素繊維を切断する必要がない。
【００３０】
次に、本実施形態例に係るＣ／Ｃ材製ルツボ１の製造方法について説明する。
図３（ａ）において、マンドレル１７は、円筒部１７ａと、円筒部１７ａの一端でボウル状に膨出する膨出部１７ｂと、円筒部１７ａの他端の中心から突設された軸部１７ｃとからなる。円筒部１７ａは形成されるＣ／Ｃ材製ルツボ１の側筒部２の内径に相当する外径を有し、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の側筒部２よりやや長くなっている。膨出部１７ｂはＣ／Ｃ材製ルツボ１の底部３の内側の湾曲形状に沿う湾曲した外面を有している。このマンドレル１７を、制御された回転が可能な軸部１７ｃによって支持し、マトリックス前駆体となる結合材が含浸された炭素繊維束を供給するデリバリアイ部１８を図示のようにマンドレル１７の外周に沿って移動させると、ポーラ巻き、パラレル巻き、レベル巻き等のフィラメントワインディングが自在に行える。このとき、円筒部１７ａの他端側の側面に巻き付けられる炭素繊維束は捨て巻きとなる。他端側円周部で炭素繊維束がすべる事があるので、ピンを設置して炭素繊維束のズレ防止を行う事がある。
【００３１】
図４により、具体的にマンドレル１７を用いてＣ／Ｃ材製ルツボ１を得るまでの工程を説明する。マンドレル１７の表面に、熱硬化性樹脂等のマトリックス前駆体となる結合材が含浸された２Ｄクロス２１を多層張りつける（工程▲１▼）。この２Ｄクロス２１を貼り付けることによって、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の内表面がフラットになる。
【００３２】
つぎに、膨出部１７ｂの表面に対して、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の底部３の中心部分に位置するように底中央部材８を固定押し付け芯１９をもって押し付ける（工程▲２▼）。このとき、底中央部材８の膨出部１７ｂの表面に押し付けられる部分は、膨出部１７ｂの表面に沿って密着する形状の曲面を有するように形成されている。
【００３３】
そして、底中央部材８の側周面１６に接する軌道を通るように炭素繊維束をポーラ巻き状乃至はレベル巻き状（以下、「ポーラ巻き２２」もしくは「レベル巻き２２」という）に巻いていく（工程▲３▼）。こうして、第１層１ａが形成され、底中央部材８の側周面１６に接する部分には、炭素繊維束が重なり合ってできる盛り上がり部が形成されている。
【００３４】
次に、円筒部１７ａの周方向に沿って巻き付けるパラレル巻き２３を行う（工程▲４▼）。このパラレル巻き２３は、中心軸に対する巻き付け角度が９０°近くとなるように巻き付けられるものであって、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の側筒部２の円周方向強化層を形成する。
【００３５】
次いで、再び、ポーラ巻き又はレベル巻き２２を行うことで（工程▲３▼）、第２層１ｂが形成される。このとき、前述したように、第１層１ａの盛り上がり部分の上に第２層１ｂの盛り上がり部分が形成されるようにポーラ巻き２２を行う。そして、この第２層１ｂの上から、再びパラレル巻き２３（工程▲４▼）を行う。
このポーラ巻き又はレベル巻き２２（工程▲３▼）とパラレル巻き２３（工程▲４▼）を同様に繰り返し行うことで、更に第３層１ｃを形成する。更に、レベル巻き２２（工程▲３▼）とパラレル巻き２３（工程▲４▼）を同様に繰り返し行うことで、第４層１ｄを形成する。なお、第３層１ｃおよび第４層１ｄの盛り上がり部分の形成方法については、前述したので割愛する。
【００３６】
以上の成形工程（Ｓ１）につづく工程については、図６をもとに説明する。成形工程（Ｓ１）が完了後、成形体が巻き付けられたマンドレルのまま乾燥させる。マンドレル外周の成形体に外圧を付与しながら加熱し、マトリックス前駆体の樹脂を熱硬化させる（Ｓ２）。そして、マンドレル１７から取り出し、ルツボ状の一次成形体を得る。ルツボ状一次成形体を不活性ガス中で加熱し、一次炭素化を行う（Ｓ３）。更に、ピッチ含浸（Ｓ４）と二次炭素化（Ｓ５）を必要回数繰り返し、含浸による高密度化を行う。所定の密度が得られると、黒鉛化を行う（Ｓ６）。ルツボの長さおよびルツボ底部に対して必要な機械加工（Ｓ７）を施して、所定形状となった二次成形体を得る。なお、底中央部材８に設けられる貫通穴９は、このとき加工される。図８に、貫通孔９が加工される前のＣ／Ｃ材製ルツボ１を示している。この状態から、底中央部材８の中心に対して円筒形状の穴加工が行われることで、貫通孔９が形成される。そして、この後さらに、不純物を除去する高純度化処理（Ｓ８）を行い、ＣＶＩ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ）により熱分解炭素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ）を二次成形体表面の細孔に含浸させるとともに、二次成形体表面に被覆させる緻密化処理を行い（Ｓ９）、最終製品であるＣ／Ｃ材製ルツボ１を得る（Ｓ１０）。なお、このＣＶＩ法による熱分解炭素の含浸、被覆は使用条件等に適宜合わせ、使用条件によってはＣＶＩ法による処理をしない場合もある。
【００３７】
ここで、熱分解炭素とは、炭化水素類、例えば、炭素数１〜８、特に炭素数３のプロパンや炭素数１のメタンガス等の炭化水素ガスもしくは炭化水素化合物を熱分解させて得られる高純度で高結晶化度の黒鉛化物である。
【００３８】
また、本実施形態例に係るＣ／Ｃ材製ルツボ１の別の製造方法としては、図３（ｂ）に示す２個取りのマンドレル１１１で成形体を得る方法もある。このマンドレル１１１は、右円筒部１１２Ｒと、右円筒部１１２Ｒの一端で膨出する右膨出部１１３Ｒと、左円筒部１１２Ｌと、左円筒部１１２Ｌの一端で膨出する左膨出部１１３Ｌとからなるものである。左右円筒部１１２Ｒ、１１２ＬはＣ／Ｃ材製ルツボ１の側筒部２の内径に相当する外形を有し、側筒部２の２倍の長さよりやや長くなっている。左右膨出部１１３Ｒ、１１３Ｌは、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の底部３の内側の湾曲形状に沿う湾曲した外周面を有している。このマンドレル１１１を、底中央部材８に嵌合され、制御された回転が可能な右軸部１１５Ｒ、左軸部１１５Ｌによって支持し（図５参照）、マトリックス前駆体となる結合材が含浸された炭素繊維束を供給するデリバリアイ部１１４を図示のようにマンドレル１１１の外周に沿って移動させる。
【００３９】
図５は、２個取りのマンドレル１１１で成形体を得る工程を示したものである。基本的には、図４に示した成形体を得る工程を左右対称に行うことによるものである。すなわち、２Ｄクロス貼り付け（工程▲１▼）、ポーラ巻き又はレベル巻き（工程▲２▼）、パラレル巻き（工程▲３▼）については、左右対称に行う点を除いては、図４と同様である。しかし、前述したように、マンドレル１１の回転は、両端に底中央部材８と嵌合される左右軸部１１５Ｒ、１１５Ｌによって行われる点が異なっている。
【００４０】
ここで、使用される炭素繊維としては、特に制限されるものではなく、ＰＡＮ系、レーヨン系、ピッチ系のいずれの炭素繊維も用いることができる。フィラメントワインディング法で用いることのできる強度を考慮すれば、ＰＡＮ系炭素繊維がより好ましい。また、Ｓｉに対しての耐反応性を考えた場合は、ピッチ系を使用することが好ましい。炭素繊維の直径も特に限定されるものではないが、フィラメントワインディング時の繊維切れを防止することを考慮すれば、φ２μｍ以上のものが好ましい。用いられる炭素繊維束のフィラメント数は、フィラメントワインディング時の繊維切れを防止する観点から、１０００本／束以上が好ましい。フィラメント数は、たとえば１０００〜２０００００本／束とすることができる。
【００４１】
また、マトリックス前駆体となる結合材には、特に限定されることなく、フェノール樹脂、フラン樹脂等を含む熱硬化性樹脂、コールタールピッチ等の有機バインダを用いることができる。
【００４２】
以上のように製造された本実施形態例のＣ／Ｃ材製ルツボ１は、嵩密度１．４ｇ／ｃｍ3以上となり、図１に示すように、側筒部２と底部３とを有している。そして、底部３は、前述したように、小Ｒ部４、大Ｒ部５、基底部６、底中央部材８を有し、底中央部材８には、貫通孔９が形成されている。
かかるＣ／Ｃ材製ルツボ１は、受け皿１４に対して、貫通孔９で嵌合するように支持され、さらに、底中心部材８の外側の底面、基底部６の第３層１ｃ及び第４層１ｄの盛り上がり部分が、ほぼ同一高さとなっているため、機械加工によって炭素繊維を切除する必要がない。
【００４３】
また、上述したような構成を有しているため、図７のように、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１の内部に石英ルツボ１１が嵌められ、石英ルツボ１１の中に少量のシリコン残渣３０が残った状態で冷却され、熱膨張率の違いによってＣ／Ｃ材製ルツボ１が内側から押し拡げられたときであっても、変形しにくい構造を実現できる。
この場合、図７において、まずシリコン残渣３０の表面が固まり、次に底部３に接する部分が固まり、やがて内部が固まっていく。Ｃ／Ｃ材製ルツボ１は、石英ルツボ１１より熱膨張係数が大きく、またシリコンは固体になるときに膨張するので、周方向に引っ張る力ａ１が発生し、つぎに下方向に突っ張る力ａ２が発生する。すなわち、側筒部２には周方向の引っ張り応力ｂ１以外に、底部３を側筒部２に対して引っ張ろうとする軸方向の応力ｂ２が発生する。周方向の引っ張り応力ｂ１は、パラレル巻き２３が受け持ち、軸方向応力ｂ２は、ポーラ巻き又はレベル巻き２２が受け持つことになる。
【００４４】
そして、このように冷却されたとき、Ｃ／Ｃ材製ルツボ１には、貫通孔９が設けられているため、底部３に発生する応力を開放し、応力集中を抑制でき、クラックが発生することを防止できる効果がある。また、底中央部材８にのみ貫通孔９が加工されており、炭素繊維が切断されていないため、ルツボが内側から押し拡げられたときにも変形しにくく、炭素繊維の脱離を抑制することができる。すなわち、ルツボが変形することで隙間が生じ、ＳｉＯガス等と反応してルツボが消耗することを抑制することができる。そして、切断された炭素繊維が露出することがないため、更にルツボの消耗を抑制することができる。
【００４５】
以上が、本実施形態例についての説明であるが、実施の形態は上記に限定されるものではなく、例えば、次のように変更してもよい。
（１）本実施形態例においては、ルツボ成形体を得た後、ＦＷ法により成形した部分に対しての機械加工は、全く行っていないが、例えば、図１に点線で示すように、底中央部材の外側底面と同一高さで平滑になるように第３層および第４層の盛り上がり部分を切除する加工を行ってもよい。この場合であっても、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離の抑制に対して最も効果があるルツボ最内層における底部を形成する炭素繊維糸が切断加工されていないため、確実に長寿命化が達成できる。
【００４６】
（２）底中央部材の形状については、側周面が、円板中心側に略凹状の凹状面を形成するものであれば、ルツボ長寿命化の効果を発揮し得るため、例えば、図１２に示すように種々の外形をもった略凹状に形成されるものであってもよい。
【００４７】
（３）また、必ずしも側周面の全面が凹状面となっているものでなくてもよく、一部のみが凹状面として形成されているものであってもよい。例えば、図１３に示すように、凹状面７と、それ以外の部分７０から側周面１６が形成されているものであってもよい。なお、図１３は、貫通孔が加工される前の状態の底中央部材８の断面を図示している。
【００４８】
（４）また、底中央部材８は、図１５に示すように、側周面の全面若しくは一部が凸状面として形成されているものであってもよい。側周面が凸状面であっても、凹状面の場合と同様に、ルツボ長寿命化の効果を発揮することが可能となる。
【００４９】
（５）図１４は、図１３に示す底中央部材を用いて単結晶引き上げ用ルツボを形成し、貫通孔９を加工した状態を示す断面図である。本図においては、受け皿１４及びペディスタル１５で支持される様子を２点差線で表している。本図に示すように、貫通孔９がテーパ面９ａを有するテーパ穴９として形成されているものであってもよい。これによると、テーパ穴９で受け皿に載置されることになるため、ルツボ支持の安定性がより向上する。
【００５０】
（６）ＦＷ法により形成される底部および側筒部については、本実施形態例に示すように必ずしも４層構造を有するものでなくてもよく、必要に応じて、例えば３層構造または５層以上の構造を有するものであってもよい。
【００５１】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５２】
（実施例）
図３のマンドレル１７を使用し、マンドレル１７表面にトレカＴ−３００  ３Ｋ（東レ（株）製）平織りクロスにフェノール樹脂を含浸したものを３層張りつけ（図４工程▲１▼参照）、緻密な炭素質材料である黒鉛材からなる底中央部材８をマンドレル１７の膨出部１７ｂの中心に固定押し付け芯１９をもって押し付け、図４の工程▲３▼のポーラ巻き又はレベル巻き２２および工程▲４▼のパラレル巻き２３によるフィラメントワインディングを施した。フィラメントワインディングは、トレカＴ−３００  １２Ｋ（東レ（株）製）フィラメント６本にフェノール樹脂を含浸させながら行い、実施形態例のところで述べたようにして第１層１ａから第４層１ｄまでを形成し、外形が４７０ｍｍの成形体とした。ここで、より好適な実施形態を検討するため、底部３と側筒部２との肉厚比や底中央部材８の形状に変更を加えて成形体を製造した。図１は、実施例１を示すものであって、側筒部２に対する底部３の肉厚比が３．０であり、略円板状の底中央部材８の側周面１６の形状が、凹状面７として形成されたＣ／Ｃ材製ルツボである。図９は、実施例２を示すものであって、側筒部２に対する底部３の肉厚比が２．０であり、底中央部材８の側周面１６の形状が、実施例１と同じく凹状面７として形成されたＣ／Ｃ材製ルツボである。図１０は、実施例３を示すものであって、側筒部２に対する底部３の肉厚比が３．０であり、略円筒状の底中央部材８の側周面１６の形状が、まっすぐに形成されたＣ／Ｃ材製ルツボである。なお、比較例として、図１１に示すように、実施例１とほぼ同じ肉厚を有し、底中央部材８を設けずに形成したＣ／Ｃ材製ルツボも製造した。この比較例については、受け皿１４に支持するために、底部３の外側底面を平滑化し、底部３の中心部に貫通穴を加工した。これらの製造条件をまとめたものを実際にルツボとして使用した結果とともに表１に示している。
【００５３】
【表１】
0004018503.tif 000002
【００５４】
こうして、ＦＷ法により得られた成形体を、次にオーブン中にて熱硬化させた。そして、熱硬化後、マンドレル１７から取り外し、ルツボ状成形体を得た。つぎに、１０００℃まで昇温し、Ｃ／Ｃ材を得た。さらに、ピッチ含浸と焼成を２回繰り返して緻密化を行った。加えて、最終熱処理として、減圧下で２０００℃に加熱し、黒鉛化処理を行った。更に、加工、高純度化処理、およびＣＶＩ処理を行った。
【００５５】
以上の工程を経て得られた実施例１〜３および比較例に示すＣ／Ｃ材製ルツボをＣＺ装置内に設置し、単結晶引上げを行う実機試験を行った。
【００５６】
表１に示すように、実施例１においては、３０回使用してもＣ／Ｃ材製ルツボにとくに異常は見られなかった。しかし、実施例２については、使用２８回目から底部３の変形が発生し、それ以上繰り返し使用することはできなかった。また、実施例３では、３０回まで使用しても底部３自体に大きな変形は生じなかったが、底中央部材８と基底部６との接合部に隙間が発生し、それ以上繰り返し使用することはできなかった。なお、比較例では、使用１０回目で底部３の変形が発生し、とくに、底部３の中心に設けた貫通穴の加工断面において、ＳｉＯガス等との反応によるＳｉＣ化が発生してＣ／Ｃ材製ルツボが消耗し、変形が生じた。
【００５７】
これらの試験結果からわかるように、緻密な炭素質材料からなる底中央部材８を有する構成により、ルツボ成形後におけるＦＷ法による炭素繊維の機械加工を無くし、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離を抑制し、長寿命化が図れる単結晶引き上げ用炭素繊維強化炭素複合材製ルツボを得ることができた。
また、底部３の肉厚が、側筒部２の肉厚の２倍好ましくは３倍を超えることで、より顕著に長寿命化の効果を得ることができることが確認できた。
そして、底中央部材８の側周面１６の形状を凹状面として形成することにより、底中央部材８と基底部６との接合面における接合強度を高め、この接合面から隙間等が発生して使用できなくなることを防止できることを確認できた。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、受け皿に支持される底中央部材が、ＦＷ法によるＣ／Ｃ材よりも緻密な組織を有する黒鉛材または２ＤＣ／Ｃ材などの炭素質材料で形成されるため、ＦＷ法により形成された炭素繊維を機械加工によって切断することなく、受け皿に支持される部分を加工することが可能になる。このため、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離を抑制することができ、とくに、シリコン冷却時などに熱膨張率の違いによってルツボが内側から押し拡げられたときにも変形しにくい炭素繊維強化炭素複合材製の単結晶引き上げ用ルツボを得ることができる。すなわち、ルツボが変形することで隙間が生じ、ＳｉＯガス等と反応してルツボが消耗することを抑制することができる。そして、切断された炭素繊維が露出することがないため、更にルツボの消耗を抑制することができる。これらにより、従来に比して大幅な長寿命化が図れる単結晶引き上げ用炭素繊維強化炭素複合材料製ルツボを得ることができる。
【００５９】
請求項２の発明によると、底中央部材と、この底中央部材に隣接する底部との接合面における接合強度を高めることができるため、長期使用においても、この接合面から隙間等が発生して使用できなくなることを防止できる。すなわち、請求項１に比して、更に長寿命化を達成する単結晶引き上げ用ルツボを得ることができる。
【００６０】
請求項３の発明によると、Ｃ／Ｃ材よりも緻密な黒鉛材または２ＤＣ／Ｃ材などの炭素質材料である底中央部材に対して、ルツボ支持のための機械加工が行われ、炭素繊維を切断する必要がない。すなわち、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離を抑制することができ、長寿命化が達成可能な単結晶引き上げ用ルツボを得ることができる。
【００６１】
請求項４の発明によると、テーパ穴の部分で受け皿に載置されることになるため、ルツボ支持の安定性がより向上する。
【００６２】
請求項５の発明によると、使用時におけるルツボの変形や炭素繊維の脱離の抑制に対して最も効果があるルツボ最内層の底部を形成する炭素繊維が切断されないため、確実に長寿命化が達成できる。
【００６３】
請求項６の発明によると、前記底部の肉厚が、前記側筒部の肉厚の２倍を超えることで、より顕著に長寿命化の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る単結晶引き上げ用ルツボの実施形態の一例の断面図である。
【図２】ＣＺシリコン単結晶引き上げ装置の模式概略図である。
【図３】本実施形態例に係る単結晶引き上げ用ルツボの製造方法を説明するための図である。
【図４】本実施形態例に係る単結晶引き上げ用ルツボの製造方法を説明するための図である。
【図５】本実施形態例に係る単結晶引き上げ用ルツボの製造方法を説明するための図である。
【図６】本実施形態例に係る単結晶引き上げ用ルツボの製造方法を説明するための図である。
【図７】ルツボに作用する応力状態を説明する図である。
【図８】本発明に係る単結晶引き上げ用ルツボの実施形態の一例の断面図であって、機械加工を行う前の状態を示す図である。
【図９】本発明に係る単結晶引き上げ用ルツボの実施形態の一例の断面図である。
【図１０】本発明に係る単結晶引き上げ用ルツボの実施形態の一例の断面図である。
【図１１】比較実施例に係る単結晶引き上げ用ルツボの実施形態の一例の断面図である。
【図１２】本発明にかかる単結晶引き上げ用ルツボの底中央部材の形状に関する変形例を示す図である。
【図１３】本発明に係る単結晶引き上げ用ルツボの底中央部材の形状に関する変形例の一例を示す断面図である。
【図１４】本発明に係る単結晶引き上げ用ルツボの底中央部材の形状に関する変形例の一例をルツボとともに示す断面図である。
【図１５】本発明にかかる単結晶引き上げ用ルツボの底中央部材の凸形状の側周面の形状に関する変形例を示す図である。
【符号の説明】
１  Ｃ／Ｃ材製ルツボ
１ａ  第１層
１ｂ  第２層
１ｃ  第３層
１ｄ  第４層
２  側筒部
３  底部
８  底中央部材
１６  側周面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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