JP2580523B2 - 二ホウ化チタン単結晶の育成法 - Google Patents
二ホウ化チタン単結晶の育成法Info
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- JP2580523B2 JP2580523B2 JP5301310A JP30131093A JP2580523B2 JP 2580523 B2 JP2580523 B2 JP 2580523B2 JP 5301310 A JP5301310 A JP 5301310A JP 30131093 A JP30131093 A JP 30131093A JP 2580523 B2 JP2580523 B2 JP 2580523B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、フローティング・ゾー
ン(ＦＺ)法による二ホウ化チタン単結晶の育成法に関す
る。
ン(ＦＺ)法による二ホウ化チタン単結晶の育成法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】二ホウ
化チタンは、現在、高温構造材や複合体の強化材として
の利用が検討されている。その単結晶の利用としては、
融点が高く、仕事関数及び蒸気圧が低いことから、長寿
命・高輝度電子放射材料として期待されている。この利
用には、純度の高い高品質大型単結晶が必要である。
化チタンは、現在、高温構造材や複合体の強化材として
の利用が検討されている。その単結晶の利用としては、
融点が高く、仕事関数及び蒸気圧が低いことから、長寿
命・高輝度電子放射材料として期待されている。この利
用には、純度の高い高品質大型単結晶が必要である。
【０００３】高純度な二ホウ化チタン単結晶の育成法と
しては、育成温度が高く、不純物が蒸発により除去され
るＦＺ法が適している。しかしながら、融点における蒸
気圧が高いことから、安定な融帯移動による育成が行わ
れておらず、試料は多結晶化しているのが実情である。
しては、育成温度が高く、不純物が蒸発により除去され
るＦＺ法が適している。しかしながら、融点における蒸
気圧が高いことから、安定な融帯移動による育成が行わ
れておらず、試料は多結晶化しているのが実情である。
【０００４】本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、
再現性良く欠陥の少ない良質な大型二ホウ化チタン単結
晶を得る方法を提供することを目的とするものである。
再現性良く欠陥の少ない良質な大型二ホウ化チタン単結
晶を得る方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明者らは、従来のＦＺ法による二ホウ化チタン
単結晶育成における育成上の問題点を調べた結果、次の
ことが判明した。
め、本発明者らは、従来のＦＺ法による二ホウ化チタン
単結晶育成における育成上の問題点を調べた結果、次の
ことが判明した。
【０００６】すなわち、二ホウ化チタン単結晶の育成温
度が２７９０℃と高く、蒸発が非常に激しく、その速度
は、例えば炭化チタン結晶の育成に比較すると約４０倍
激しいため、その蒸発物がワークコイルに付着し放電を
引き起こすこと、及び蒸発物が成長した結晶表面に付着
し、その部分から針状結晶が成長し、ヒートシンクとな
ることで単結晶化を阻害していることが判明した。
度が２７９０℃と高く、蒸発が非常に激しく、その速度
は、例えば炭化チタン結晶の育成に比較すると約４０倍
激しいため、その蒸発物がワークコイルに付着し放電を
引き起こすこと、及び蒸発物が成長した結晶表面に付着
し、その部分から針状結晶が成長し、ヒートシンクとな
ることで単結晶化を阻害していることが判明した。
【０００７】そこで、結晶育成時の蒸発による問題を解
消するように、育成条件を検討した結果、蒸発速度は、
雰囲気圧を上げることにより抑制することが可能で、ま
た、育成速度を高速とすることで相対的に蒸発速度を下
げることができ、良質な二ホウ化チタン単結晶が得られ
ることが確認された。同時に、融帯組成を、Ｂ（ホウ
素）とＴｉ（チタン）との比（Ｂ／Ｔｉ）で２．１〜
３．１の範囲内となるように制御することで、育成温度
を下げることもでき、チタンの蒸発が抑制され、良質の
二ホウ化チタン単結晶を再現性よく育成することができ
ることが確認された。本発明は、これらの知見に基づい
て完成されたものである。
消するように、育成条件を検討した結果、蒸発速度は、
雰囲気圧を上げることにより抑制することが可能で、ま
た、育成速度を高速とすることで相対的に蒸発速度を下
げることができ、良質な二ホウ化チタン単結晶が得られ
ることが確認された。同時に、融帯組成を、Ｂ（ホウ
素）とＴｉ（チタン）との比（Ｂ／Ｔｉ）で２．１〜
３．１の範囲内となるように制御することで、育成温度
を下げることもでき、チタンの蒸発が抑制され、良質の
二ホウ化チタン単結晶を再現性よく育成することができ
ることが確認された。本発明は、これらの知見に基づい
て完成されたものである。
【０００８】すなわち、本発明は、フローティング・ゾ
ーン法により二ホウ化チタン単結晶を育成するに当たっ
て、雰囲気ガス圧を５気圧以上３０気圧以下とし、融帯
組成が、Ｂ（ホウ素）とＴｉ（チタン）との比（Ｂ／Ｔ
ｉ）で２．１〜３．１の範囲内となるようにして、育成
速度３〜１２ｃｍ／ｈで育成することを特徴とする良質
二ホウ化チタン単結晶の育成法を要旨としている。
ーン法により二ホウ化チタン単結晶を育成するに当たっ
て、雰囲気ガス圧を５気圧以上３０気圧以下とし、融帯
組成が、Ｂ（ホウ素）とＴｉ（チタン）との比（Ｂ／Ｔ
ｉ）で２．１〜３．１の範囲内となるようにして、育成
速度３〜１２ｃｍ／ｈで育成することを特徴とする良質
二ホウ化チタン単結晶の育成法を要旨としている。
【０００９】
【作用】以下に本発明を更に詳細に説明する。
【００１０】まず、本発明において用いられる装置の一
例を図１に示す。図中、１と１′はそれぞれ上軸と下軸
の駆動部、２と２′はそれぞれ上軸と下軸、３と３′は
ホルダー、４はワークコイル、５は原料焼結棒、６は融
帯、７は単結晶、８は種結晶又は初期融帯形成用の焼結
棒である。
例を図１に示す。図中、１と１′はそれぞれ上軸と下軸
の駆動部、２と２′はそれぞれ上軸と下軸、３と３′は
ホルダー、４はワークコイル、５は原料焼結棒、６は融
帯、７は単結晶、８は種結晶又は初期融帯形成用の焼結
棒である。
【００１１】試料の加熱は、ワークコイル４に高周波電
流を流すことにより、試料に誘導電流を生じさせ、その
ジュール熱により行う。このようにして、形成された融
帯６に上方より原料棒５を送り込み、下方より単結晶７
を育成する。
流を流すことにより、試料に誘導電流を生じさせ、その
ジュール熱により行う。このようにして、形成された融
帯６に上方より原料棒５を送り込み、下方より単結晶７
を育成する。
【００１２】次に本発明による単結晶育成の手順を示
す。まず、原料の二ホウ化チタン粉末とホウ素粉末(又
はチタン金属粉末)を所定比によく混合後、結合剤とし
て少量の樟脳を加え、ラバープレス(２０００kg／cm2)
により圧粉棒を作製する。この圧粉棒を真空中又は不活
性ガス中で千数百℃に加熱し、原料焼結棒を作製する。
す。まず、原料の二ホウ化チタン粉末とホウ素粉末(又
はチタン金属粉末)を所定比によく混合後、結合剤とし
て少量の樟脳を加え、ラバープレス(２０００kg／cm2)
により圧粉棒を作製する。この圧粉棒を真空中又は不活
性ガス中で千数百℃に加熱し、原料焼結棒を作製する。
【００１３】得られた焼結棒５を上軸２にホルダー３を
介してセットし、下軸２′には種結晶(又は初期融帯形
成用の焼結棒)８をホルダーを介してセットする。両者
の５と８の間に初期融帯の組成を制御するためのホウ素
焼結体(又はチタン金属円盤)を挾む。次にホウ素焼結体
(又はチタン金属円盤)とその周辺を加熱により溶融さ
せ、融帯６を形成させ、上軸２と下軸２′を下方に移動
させて単結晶７を育成する。
介してセットし、下軸２′には種結晶(又は初期融帯形
成用の焼結棒)８をホルダーを介してセットする。両者
の５と８の間に初期融帯の組成を制御するためのホウ素
焼結体(又はチタン金属円盤)を挾む。次にホウ素焼結体
(又はチタン金属円盤)とその周辺を加熱により溶融さ
せ、融帯６を形成させ、上軸２と下軸２′を下方に移動
させて単結晶７を育成する。
【００１４】このとき、下軸２′の移動速度、すなわ
ち、結晶育成速度は、育成中常に一定に保持する。その
移動速度範囲は３〜１２cm／hとする必要がある。好ま
しくは、６cm／h以上９cm／h以下である。この育成速度
により相対的に蒸発速度を下げることができる。
ち、結晶育成速度は、育成中常に一定に保持する。その
移動速度範囲は３〜１２cm／hとする必要がある。好ま
しくは、６cm／h以上９cm／h以下である。この育成速度
により相対的に蒸発速度を下げることができる。
【００１５】育成速度と結晶性の関係を、ヘリウム雰囲
気圧１１気圧の下で定比組成の原料棒を用いて調べた。
その結果、３cm／h以下の育成速度では結晶表面に針状
結晶が成長し安定な融帯移動(育成)が行えなかった。せ
いぜい２cmの結晶が得られる程度であった。一方、１２
cm以上の育成速度では結晶に粒界が多数入り、単結晶と
はならなかった。したがって、育成速度は３〜１２cm／
hとし、６〜９cm/ｈが再現性が良く好ましい速度であ
る。
気圧１１気圧の下で定比組成の原料棒を用いて調べた。
その結果、３cm／h以下の育成速度では結晶表面に針状
結晶が成長し安定な融帯移動(育成)が行えなかった。せ
いぜい２cmの結晶が得られる程度であった。一方、１２
cm以上の育成速度では結晶に粒界が多数入り、単結晶と
はならなかった。したがって、育成速度は３〜１２cm／
hとし、６〜９cm/ｈが再現性が良く好ましい速度であ
る。
【００１６】上軸２の移動速度、すなわち、原料棒の融
帯への供給速度は、原料棒の密度が低いので、それを補
償して原料棒とほぼ同じ直径をもつ単結晶が育成される
ように設定する。
帯への供給速度は、原料棒の密度が低いので、それを補
償して原料棒とほぼ同じ直径をもつ単結晶が育成される
ように設定する。
【００１７】雰囲気としては、この結晶の育成では放電
が起こり易いので、イオン化ポテンシャルの最も大きい
ヘリウムガスを用いるのが好ましい。これは、高周波ワ
ークコイル部分で発生する放電を防止するためである。
アルゴンガスも可能である。更に蒸発速度は、雰囲気圧
の−０.７乗に比例するので、通常の雰囲気圧である数
気圧より高く設定することが肝要である。
が起こり易いので、イオン化ポテンシャルの最も大きい
ヘリウムガスを用いるのが好ましい。これは、高周波ワ
ークコイル部分で発生する放電を防止するためである。
アルゴンガスも可能である。更に蒸発速度は、雰囲気圧
の−０.７乗に比例するので、通常の雰囲気圧である数
気圧より高く設定することが肝要である。
【００１８】すなわち、育成する結晶の長さにも依存す
るが、安定に５〜６cmの結晶を育成するには、５気圧程
度でも可能ではあるが、１０気圧以上の圧力が好まし
い。一方、３０気圧以上では結晶に粒界が入り結晶性が
低下するので、雰囲気圧は５〜３０気圧の範囲とする。
雰囲気圧の制御により蒸発速度を１／３から２／３に抑
制することができる。
るが、安定に５〜６cmの結晶を育成するには、５気圧程
度でも可能ではあるが、１０気圧以上の圧力が好まし
い。一方、３０気圧以上では結晶に粒界が入り結晶性が
低下するので、雰囲気圧は５〜３０気圧の範囲とする。
雰囲気圧の制御により蒸発速度を１／３から２／３に抑
制することができる。
【００１９】原料については、蒸発速度を相対的に低下
させるために、育成速度を高くすることから、単結晶化
が容易なように、高純度原料を使用するのが好ましい。
特に、タングステンのような蒸気圧の低い不純物を含ま
ない原料を使用するのが好ましい。蒸気圧の高い不純物
は、多量に含まれない限り、育成時に、蒸発により完全
に除去され、育成に障害を与えることはない。
させるために、育成速度を高くすることから、単結晶化
が容易なように、高純度原料を使用するのが好ましい。
特に、タングステンのような蒸気圧の低い不純物を含ま
ない原料を使用するのが好ましい。蒸気圧の高い不純物
は、多量に含まれない限り、育成時に、蒸発により完全
に除去され、育成に障害を与えることはない。
【００２０】更に、融帯組成の結晶性への影響を調べ
た。定比組成を持つ原料棒を用いると、育成中定比組成
より少しチタン過剰な組成で蒸発するので、融帯組成
(Ｂ／Ｔi原子比)は常に２.３(±０.１)になった。すな
わち、この組成(Ｂ／Ｔi＝２.３)の融液より蒸発する蒸
発物は定比組成(Ｂ／Ｔi＝２)となっていた。
た。定比組成を持つ原料棒を用いると、育成中定比組成
より少しチタン過剰な組成で蒸発するので、融帯組成
(Ｂ／Ｔi原子比)は常に２.３(±０.１)になった。すな
わち、この組成(Ｂ／Ｔi＝２.３)の融液より蒸発する蒸
発物は定比組成(Ｂ／Ｔi＝２)となっていた。
【００２１】融帯組成は、原料棒の組成で制御する。融
帯組成をよりホウ素過剰(Ｂ／Ｔi＞２.３)にすると育成
温度(加熱電力)が下がり、再現性よく良質な結晶が得ら
れる。しかしながら、融帯組成がＢ／Ｔi＝３.１になる
と、融帯直上に形成される傘状のものが大きくなり(ワ
ークコイルを原料棒が通過しなくなり)育成が困難にな
る。その際の原料焼結棒の組成(原子比Ｂ／Ｔi)は２.２
である。
帯組成をよりホウ素過剰(Ｂ／Ｔi＞２.３)にすると育成
温度(加熱電力)が下がり、再現性よく良質な結晶が得ら
れる。しかしながら、融帯組成がＢ／Ｔi＝３.１になる
と、融帯直上に形成される傘状のものが大きくなり(ワ
ークコイルを原料棒が通過しなくなり)育成が困難にな
る。その際の原料焼結棒の組成(原子比Ｂ／Ｔi)は２.２
である。
【００２２】一方、原料棒組成をチタン過剰（Ｂ／Ｔｉ
＜２）とし、融帯組成をより定比に近付ける（すなわ
ち、Ｂ／Ｔｉ＜２．３）と、育成温度が高くなり、チタ
ンの蒸発が増加するため、育成上好ましくない。融帯組
成がＢ／Ｔｉ＜２．１の領域では、良質結晶育成の再現
性が悪い。したがって、融帯組成は、Ｂ／Ｔｉ＝２．１
〜３．１とする。
＜２）とし、融帯組成をより定比に近付ける（すなわ
ち、Ｂ／Ｔｉ＜２．３）と、育成温度が高くなり、チタ
ンの蒸発が増加するため、育成上好ましくない。融帯組
成がＢ／Ｔｉ＜２．１の領域では、良質結晶育成の再現
性が悪い。したがって、融帯組成は、Ｂ／Ｔｉ＝２．１
〜３．１とする。
【００２３】次に本発明の実施例を示す。
【００２４】市販の二ホウ化チタン粉末に結合剤として
樟脳を少量加え、直径１０mmのゴム袋に詰め円柱形にし
た。これを２０００kg／cm2のラバープレスを行い圧粉
体を得た。この圧粉体を真空中、１８００℃で加熱し、
直径９mm、長さ１２cm程度の焼結棒を得た。密度は約５
８％であった。
樟脳を少量加え、直径１０mmのゴム袋に詰め円柱形にし
た。これを２０００kg／cm2のラバープレスを行い圧粉
体を得た。この圧粉体を真空中、１８００℃で加熱し、
直径９mm、長さ１２cm程度の焼結棒を得た。密度は約５
８％であった。
【００２５】この焼結棒を図１に示すＦＺ育成炉の上軸
にホルダーを介して固定し、下軸には二ホウ化チタン焼
結体を固定した。両者の間に０.１g程度のホウ素焼結体
を挾み、融帯組成を制御した。育成炉に７気圧のアルゴ
ンを充填した後、高周波コイル(内径１６mm、３巻２段)
によりホウ素焼結体とその周辺部を溶かし初期融帯を形
成し、９cm／hの育成速度で下方に移動させ、全長６c
m、直径０.９cmの単結晶を育成した。融帯組成はＢ／Ｔ
i＝２.３であった。
にホルダーを介して固定し、下軸には二ホウ化チタン焼
結体を固定した。両者の間に０.１g程度のホウ素焼結体
を挾み、融帯組成を制御した。育成炉に７気圧のアルゴ
ンを充填した後、高周波コイル(内径１６mm、３巻２段)
によりホウ素焼結体とその周辺部を溶かし初期融帯を形
成し、９cm／hの育成速度で下方に移動させ、全長６c
m、直径０.９cmの単結晶を育成した。融帯組成はＢ／Ｔ
i＝２.３であった。
【００２６】単結晶の粒界密度については、結晶棒終端
部から(１０１０)面を切り出し、鏡面研磨の後、エッチ
ング(硝酸：塩酸＝１：３の液で１分程度)して測定し
た。その結果、結晶は厚さ１mmの多結晶の皮で囲まれる
が、その中に粒界は全く含まない良質な単結晶であっ
た。
部から(１０１０)面を切り出し、鏡面研磨の後、エッチ
ング(硝酸：塩酸＝１：３の液で１分程度)して測定し
た。その結果、結晶は厚さ１mmの多結晶の皮で囲まれる
が、その中に粒界は全く含まない良質な単結晶であっ
た。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
亜粒界を含まない良質な大型二ホウ化チタン単結晶が得
られる。
亜粒界を含まない良質な大型二ホウ化チタン単結晶が得
られる。
【図１】本発明に用いられる単結晶育成装置の一例を示
す説明図である。
す説明図である。
１ 上軸駆動部 １′ 下軸駆動部 ２ 上軸 ２′ 下軸 ３ ホルダー ３′ ホルダー ４ ワークコイル ５ 原料焼結棒 ６ 融帯 ７ 単結晶 ８ 種結晶又は初期融帯形成用の焼結棒
Claims (2)
- 【請求項１】 フローティング・ゾーン法により二ホウ
化チタン単結晶を育成するに当たって、雰囲気ガス圧を
５気圧以上３０気圧以下とし、融帯組成が、Ｂ（ホウ
素）とＴｉ（チタン）との比（Ｂ／Ｔｉ）で２．１〜
３．１の範囲内となるようにして、育成速度３〜１２ｃ
ｍ／ｈで育成することを特徴とする良質二ホウ化チタン
単結晶の育成法。 - 【請求項２】 雰囲気ガスとしてアルゴンガス又はヘリ
ウムガスを用いる請求項１に記載の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5301310A JP2580523B2 (ja) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | 二ホウ化チタン単結晶の育成法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5301310A JP2580523B2 (ja) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | 二ホウ化チタン単結晶の育成法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0891995A JPH0891995A (ja) | 1996-04-09 |
| JP2580523B2 true JP2580523B2 (ja) | 1997-02-12 |
Family
ID=17895314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5301310A Expired - Lifetime JP2580523B2 (ja) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | 二ホウ化チタン単結晶の育成法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2580523B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4515674B2 (ja) * | 2001-09-11 | 2010-08-04 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | ホウ化物単結晶と半導体形成用基板 |
-
1993
- 1993-11-05 JP JP5301310A patent/JP2580523B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0891995A (ja) | 1996-04-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |