JP2008169458A - 金属蒸発発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】上面から這い出た溶融金属やスラッジが側面を伝って下面に到達することを軽減したボートを提供すること、特に両面キャビティボートにおける堆積スラッジの生成を抑制したボートを提供すること。
【解決手段】直方体形状の導電性セラミックス焼結体から構成された金属蒸発発熱体の通電方向となる二側面に、幅０．２〜１．０ｍｍ、深さ０．１〜１．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ以上の溝を通電方向と平行方向に１本以上設けてなる金属蒸発発熱体。この場合、（１）二側面のそれぞれの側面に設けられた溝の本数が２本以上であり、溝同士の辺間距離、すなわち隣接する溝同士の距離であって溝幅を含まない距離が０．５〜１．５ｍｍである。（２）金属蒸発発熱体の上面及び下面の少なくとも一方にキャビティを設けることなどが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は金属蒸発発熱体に関する。

直方体形状の導電性セラミックス焼結体から構成された金属蒸発発熱体（以下、「ボート」ともいう。）は、二硼化チタン粉末と、窒化硼素粉末と、必要に応じて窒化アルミニウム粉末とを含む原料粉末に、例えば酸化カルシウム、酸化ストロンチウム等の焼結助剤を配合し、成型後、非酸化性雰囲気下で焼結することによって製造されており、その市販品の一例に電気化学工業社製商品名「ＢＮコンポジットＥＣ」がある。溶融金属に対する濡れ性を改善するため、ボート上面（金属蒸発面）に溝を施したものも知られている（特許文献１）。さらには、ボートの上面及び下面にキャビティを設け、上面の使用後に下面を使えるようにした構造の両面キャビティボートもある（特許文献２）。
特開２００６−１１８０１７号公報 特開２００４−１２４１３９号公報

ボートの寿命は、例えばフィルムに蒸着された金属膜の膜厚、膜質（ピンホール）等が、管理値をこえることによって判断される。とりわけピンホールの数が重要である。ピンホールとは、飛散物がフィルム表面に付着することによって発生するいわゆる「蒸着抜け」現象である。この飛散物は、溶融金属のスプラッシュで生じた金属粒、溶融金属とボートとの反応によって生成したスラッジなどである。ボートが寿命となる主因は溶融金属によるボートの浸食であり、下面を蒸着に使用するボートにあってはこれに更に金属蒸発面に堆積したスラッジが加わる。堆積スラッジとは、上面から這い出た溶融金属やスラッジが側面を伝って下面に到達し堆積したスラッジのことである。この堆積スラッジが存在する状態で下面を使用すると、初期の上面の使用ほどの膜質を得ることができない。

本発明の目的は、上面から這い出た溶融金属やスラッジが側面を伝って下面に到達することを軽減したボートを提供することであり、特に下面を使用するボートにおける堆積スラッジの生成を抑制したボートを提供することである。

本発明は、直方体形状の導電性セラミックス焼結体から構成された金属蒸発発熱体の通電方向となる二側面に、幅０．２〜１．０ｍｍ、深さ０．１〜１．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ以上の溝を通電方向と平行方向に１本以上設けてなる金属蒸発発熱体である。本発明においては以下の実施態様から選ばれた少なくとも一つを備えていることが好ましい。（１）二側面のそれぞれの側面に設けられた溝の本数が２本以上であり、溝同士の辺間距離、すなわち隣接する溝同士の距離であって溝幅を含まない距離（以下、「溝同士の辺間距離」ともいう）が０．５〜１．５ｍｍであること。（２）金属蒸発発熱体の上面及び下面の少なくとも一方にキャビティを設けること。（３）金属蒸発発熱体の上面及び下面の少なくとも一方に溝を１本以上設けること。（４）ボートの上面及び下面の少なくとも一方に設けられた少なくとも一方のキャビティの底面に溝を１本以上設けてなること。なお、ボートの上面、下面又はキャビティ底面に設けられる溝の寸法は、幅０．２〜１．０ｍｍ、深さ０．１〜１．５ｍｍ、長さ１０ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、上面から這い出た溶融金属やスラッジが側面を伝って下面に到達することを軽減したボートが提供され、特に下面を使用するボートにおける堆積スラッジの生成が抑制されたボートが提供される。その結果、寿命が更に延長されたボートが提供される。

ボートを構成する導電性セラミックス焼結体は、二硼化チタンからなる導電物質と、窒化硼素の絶縁物質とを必須成分として含有する。両者の構成比率は、導電性及び機械加工性の観点から、二硼化チタンが４０〜６０質量％、窒化硼素が６０〜４０質量％であることが好ましい。これらの必須成分の他に、常法により焼結助剤等の成分を含ませたものであってもよい。また、導電性セラミックス焼結体の相対密度は９０％以上が好ましく、特に９３％以上が好ましい。相対密度が９０％よりも著しく小さいと、溶融金属がボートの気孔に浸食する機会が多くなる。相対密度９０％以上の導電性セラミックス焼結体は、上記必須成分の原料粉末に０．５〜２．５質量％の焼結助剤を含有させた混合原料粉末を焼結することによって可能となる。なお、相対密度は、焼結体を所定の寸法の直方体に加工し、その外寸及び質量より求めた実測密度を理論密度で除することによって求められる。

二硼化チタン粉末は、金属チタンとの直接反応や、チタニア等のチタン酸化物の還元反応を利用した方法によって製造されたものなどが使用される。平均粒子径は５〜１５μｍが好ましい。窒化硼素粉末は、六方晶窒化硼素、非晶質窒化硼素、又はこれらの混合物が使用される。窒化硼素粉末は、硼砂と尿素の混合物をアンモニア雰囲気中、８００℃以上で加熱する方法などによって製造することができる。この場合、得られた窒化硼素粉末を窒素雰囲気中で加熱をすれば、その程度に応じて六方晶窒化硼素の割合が多くなる。窒化アルニミウム粉末は、直接窒化法、アルミナ還元法などで製造されたものが使用される。窒化硼素粉末と窒化アルミニウム粉末の平均粒子径は１０μｍ以下、特に５μｍ以下であることが好ましい。

焼結助剤としては、アルカリ土類金属酸化物、希土類元素酸化物及び加熱によってこれらの酸化物となる化合物が用いられる。具体的には、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｐｍ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｃａ（ＯＨ）_２、ＭｇＣＯ_３などであるが、ＳｒＯ、ＳｒＣＯ_３が好ましい。平均粒子径は１０μｍ以下、特に５μｍ以下が好ましい。

原料粉末は成形後焼結されて導電性セラミックス焼結体となる。その一例は、０．５〜２００ＭＰａの一軸加圧又は冷間等方圧加圧をしてから、１８００〜２２００℃で常圧焼結するか又は同温度範囲内での１ＭＰａ以下の加圧焼結である。また、１６００〜２２００℃、１〜１００ＭＰａのホットプレス又は熱間等方圧プレスも可能である。焼結は黒鉛製容器、窒化硼素製容器、窒化硼素で内張した容器などに収納して行うことが望ましい。ホットプレス法では黒鉛又は窒化硼素製スリーブ、窒化硼素で内張したスリーブなどを用いて焼結することが好ましい。焼結は窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気下で行われる。

導電性セラミックス焼結体から適宜寸法の直方体形状に機械加工することによってボートが作製される。この場合、ボートの上面及び下面の少なくとも一方にキャビティを設けることもできる。ボート寸法の一例は、縦８０〜１５０ｍｍ、幅（横）２０〜４０ｍｍ、厚み８〜１１ｍｍである。キャビティを有する場合、その寸法は、縦７０ｍｍ〜１２０ｍｍ、幅（横）１８〜３８ｍｍ、深さ０．５〜２ｍｍである。キャビティは上面又は下面の中央部に形成される。

また、溶融金属に対する濡れ性を改善するため、ボートの上面、下面及びキャビティ底面の少なくとも一方に溝を１本以上設けることもできる。溝の寸法は、幅０．２〜１．０ｍｍ、深さ０．１〜１．５ｍｍ、長さ１０ｍｍ以上であることが好ましい。溝の形成方法の詳細は特許文献１に記載されているのでそれに従えばよい。図１、図２にはキャビティ底面に上記寸法の溝を設けたボートが例示されており、図３にはボート上面に上記寸法の溝を設けたボートが例示してある。さらには、図１、図２のボートにおいて、キャビティ底面に溝を施すことなく、キャビティ以外のボート上面に溝を形成することもできる（図示なし）。なお、図１〜３の（Ａ）は本発明のボートの一例を示す斜視図であり、（Ｂ）はその中心部における縦断面図である。符号の１はボートの上面、２はボートの下面、３、４はボートの側面である。３、４あわせてボートの通電方向の二側面となる。

本発明のボートの特徴は、上記ボートにおいて、通電方向（すなわち電極と電極を結ぶ方向）となる二側面に特定寸法の溝を１本以上設けたことである。これによって、ボート上面から溢れた溶融金属は溝に沿って通電方向に速やかに濡れ広がり、金属が容易に蒸発するのでボート下面への伝搬が著しく抑制される。溝加工は、例えばエンドミル等を使用した機械加工、サンドブラスト、ウオータージェット等によって行うことができる。詳細は特許文献１に記載されている。

ボートの二側面のそれぞれに設けられる溝の本数は１本でも効果があるが、溝同士の辺間距離を０．５〜１．５ｍｍとし、溝によって形成された模様の占有面積率が側面積の３０％以上、更には５０％以上、特に７０％以上になるように溝の長さと本数を決めることが望ましい。ここで、模様の占有面積率とは、最も外側にある溝の始点と終点を結ぶことによって形成された面積を、ボートの側面積で除した値の百分率として定義される。図１〜図３には模様の占有面積率がほぼ１００％の溝を設けた例が示されており、特に図２には一筆書き形状の模様が示されている。

二側面に設けられる溝の寸法は、幅が０．２〜１．０ｍｍ、深さが０．１〜１．５ｍｍ、長さが５０ｍｍ以上であり、特に好ましくは幅が０．３〜０．５ｍｍ、深さが０．１〜０．３ｍｍ、長さが５０ｍｍ以上である。溝の幅が上記以外では溶融金属が溝に沿って濡れ広がる効果が小さくなる。溝の深さが０．１ｍｍ未満ではボート上面から溢れた溶融金属が溝をのりこえて下面に伝達しやすくなり、また１．５ｍｍをこえるとボートの折損基点となる。溝の長さが５０ｍｍ未満であると、溝のない部分から溶融金属が下面に伝搬する。

実施例１
二硼化チタン粉末（平均粒子径１１．１μｍ、純度９９質量％以上）５０質量％、窒化硼素粉末（平均粒子径４．２μｍ、純度９９質量％以上）４５質量％、炭酸ストロンチウム粉末５質量％（平均粒子径８．５μｍ、純度９９質量％以上）を、窒素雰囲気下、ボールミルで１時間混合して混合原料粉末を調製した。これを黒鉛ダイスに充填し、窒素雰囲気中、温度１８００℃でホットプレスを行って導電性セラミックス焼結体（直径２００ｍｍ×高さ１５０ｍｍ）を製造した。この焼結体から、長さ１３０ｍｍ×幅３５ｍｍ×厚み１０ｍｍの直方体を切り出し、更に直方体の上面及び下面の中央部にキャビティ（長さ１００ｍｍ×幅３２ｍｍ×厚み１ｍｍ）を機械加工により設けた。ついで、この両面キャビティボートの上下２つのキャビティの底面に、幅０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、長さ３０ｍｍの溝の５０本を、溝同士の中心間距離を１．０ｍｍにして通電方向に対して垂直に機械加工した。その後、通電方向となる二側面に、幅０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、長さ１２０ｍｍの溝の５本を、溝同士の辺間距離を１．０ｍｍにして通電方向に対して平行に機械加工により設け、本発明の両面キャビティボートとした（図１参照）。

実施例２
二側面に設けた溝の寸法を、幅１．０ｍｍ、深さ０．３ｍｍ、長さ７０ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した。

実施例３
二側面に設けた溝の溝同士の辺間距離を、０．５ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した。

実施例４
二側面に設けた溝同士を端部で連結し、幅０．５ｍｍ、長さ６０４ｍｍの一筆書き形状の溝としたこと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した（図２参照）。

実施例５
直方体の上面及び下面にキャビティを形成させることなく溝を設けたこと以外は、実施例１と同様にしてボートを製造した（図３参照）。

実施例６
二側面に設ける溝加工をサンドブラストで行ったこと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した。

実施例７
二側面に設ける溝加工をウオータージェットで行ったこと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した。

実施例８
溝同士の辺間距離を２．５ｍｍで本数を３本としたこと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した。

比較例１
二側面のいずれにも溝を形成させなかったこと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した。

比較例２〜６
二側面に設けた溝において、幅を０．１ｍｍにした（比較例２）、幅が１．５ｍｍで本数を４本にした（比較例３）、深さを０．０５ｍｍにした（比較例４）、深さを２．０ｍｍにした（比較例５）、長さを４０ｍｍにした（比較例６）こと以外は、実施例１と同様にして両面キャビティボートを製造した。

以上の両面キャビティボート又はボートについて、以下の特性を測定した。それらの結果を表１に示した。

（１）相対密度：実測密度と理論密度から算出した。
（２）比抵抗：室温抵抗は市販機（アドバンテスト社製マルチメーター「型式ＲＳ６５５２」）を用いて測定した。１５００℃比抵抗はボート両端をクランプで電極につなぎ、キャビティ中央部の温度が１５００℃になる電圧を測定し、そのときの電圧と電流から算出した。

（３）飛散物の数：ボートの上方２００ｍｍの所に、縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ×厚み０．５ｍｍのステンレス製平板を配置し、以下の条件でＡｌ蒸発を行った後、ステンレス製平板表面に付着した０．３ｍｍ以上の飛散物の数を光学顕微鏡にて計測し、その全個数をステンレス製平板１ｃｍ平方あたりの個数に換算した。
［Ａｌ蒸発］
まず、１０^−２Ｐａ以下の真空下、１６００℃に加熱されたボートの上面に、１０ｇ／分の供給速度でＡｌ線を２分間供給してから室温まで冷却した（操作１）。ついで、Ａｌ線の供給を１時間としたこと以外は、操作１と同一条件にしてＡｌの蒸発を行い室温まで冷却した（操作２）。この操作２を６サイクル行ってからボートをひっくり返し、ボート下面を用いて上記操作１と同一条件でＡｌ蒸発を行った。

（４）下面の堆積スラッジの付着面積率：上記Ａｌ蒸発試験で上面を使用した後の下面について、堆積スラッジに覆われていない清浄面の面積を画像解析によって求め、次式よって堆積スラッジ付着面積率を求めた。
堆積スラッジ付着面積率＝（下面の全面積−清浄面の面積率）／下面の全面積

実施例と比較例の対比から、本発明のボートは、飛散物の数が著しく低減されることがわかる。

実施例１によって製造された両面キャビティボート。（Ａ）が斜視図、（Ｂ）が（Ａ）の中心部における縦断面図。 実施例４によって製造された両面キャビティボート。（Ａ）が斜視図、（Ｂ）が（Ａ）の中心部における縦断面図。 実施例５によって製造されたボート。（Ａ）が斜視図、（Ｂ）が（Ａ）の中心部における縦断面図。

符号の説明

１ ボートの上面
２ ボートの下面
３、４ ボートの側面

Claims (5)

1. 直方体形状の導電性セラミックス焼結体から構成された金属蒸発発熱体の通電方向となる二側面に、幅０．２〜１．０ｍｍ、深さ０．１〜１．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ以上の溝を通電方向と平行方向に１本以上設けてなる金属蒸発発熱体。
2. 二側面のそれぞれの側面に設けられた溝の本数が２本以上であり、溝同士の辺間距離、すなわち隣接する溝同士の距離であって溝幅を含まない距離が０．５〜１．５ｍｍである請求項１に記載の金属蒸発発熱体。
3. 請求項１又は２の金属蒸発発熱体の上面及び下面の少なくとも一方にキャビティを設けてなる金属蒸発発熱体。
4. 請求項１〜３のいずれかの金属蒸発発熱体の上面及び下面の少なくとも一方に溝を１本以上設けてなる金属蒸発発熱体。
5. 上面及び下面の少なくとも一方に設けられた少なくとも一方のキャビティの底面に溝を１本以上設けてなる請求項３又は４に記載の金属蒸発発熱体。