JP2021018890A

JP2021018890A - ヒータおよびるつぼ

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Publication number: JP2021018890A
Application number: JP2019132931A
Authority: JP
Inventors: 後藤　孝; Takashi Goto; 孝後藤; 吉川　彰; Akira Yoshikawa; 彰吉川; 佐藤　浩樹; Hiroki Sato; 浩樹佐藤; 奥野　敦; Atsushi Okuno; 敦奥野
Original assignee: Tup Inc; Tohoku University NUC
Current assignee: Tup Inc; Tohoku University NUC
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-02-15

Abstract

【課題】加熱処理のコストを低減する。【解決手段】ヒータ１００は、発熱体１０１と、表面保護膜１０２と、合金層１０３とを備える。発熱体１０１は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａのいずれかまたはこれらの合金から構成されている。表面保護膜１０２は、発熱体１０１の表面を覆って形成されている。また、表面保護膜１０２は、ＩｒおよびＲｕのいずれかまたはこれらの合金から構成されている。合金層１０３は、発熱体１０１と表面保護膜１０２との間に形成され、発熱体１０１を構成する金属と表面保護膜１０２を構成する金属との合金から構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータおよびるつぼに関する。

最先端機能デバイス製造の過程では、多くの場合、高温かつクリーンな環境下での熱処理が必要とされる。例えば、発光ダイオード、有機ＥＬ（Electro Luminescence）デバイス、パワー半導体デバイスなど、次世代のエレクトロニクスを支える様々デバイス製造に用いられ、高温かつクリーンな環境を実現させるため、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗａ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属が、加熱処理で用いられるヒータの発熱体の材料として用いられている。

例えば、熱処理炉の内部には、上述した高融点金属から構成された棒状の発熱体が張り巡らされている。ところで、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａは、非常に酸化劣化しやすく反応性に富む金属である。このため、これら金属から構成される発熱体は、熱処理において、処理対象の材料の酸化・蒸発や、無機、金属蒸着材との反応による損耗のため、寿命が短くなる。一般的に、タングステンの発熱体は、公称寿命が１０００時間とされている。上述した発熱体の損耗により、使用中に徐々に到達温度が低下するため、歩留りの良い量産を維持するためには、例えば、３か月毎に、炉内の発熱体を全て交換することになり、コストの低減および量産性に限界が生じているのが現状である。

一方、酸化物単結晶は、現在様々な分野で応用されており、次世代スマート社会の普及・実現において、極めて重要な役割を担う。酸化物単結晶は、現在のエレクトロニクス分野、医療分野などには欠くことのできない機能性材料である。この酸化物結晶の育成には、一般的にイリジウム（Ｉｒ）などの貴金属（白金族）製のるつぼが使用されている（特許文献１参照）。Ｉｒなどの貴金属は、高価であり、Ｉｒなどの貴金属製のるつぼは、材料の低コスト化への大きな障壁となっていた。

特開２００９−００７２０３号公報

以上に説明したように、現在、最先端機能デバイスの製造で用いられる発熱体は、加熱処理における損耗のためコストの低減および量産性に限界が生じている。また、酸化物単結晶の製造で用いられるるつぼは、高価な貴金属から構成しているため、製造におけるコストの低減の大きな障害となっている。このように、従来の技術では、加熱処理のコストの低減が大きな課題となっている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、加熱処理のコストの低減を目的とする。

本発明に係るヒータは、モリブデン、タングステン、タンタルのいずれかまたはこれらの合金から構成された発熱体と、発熱体の表面を覆って形成され、イリジウムおよびルテニウムのいずれかまたはこれらの合金から構成された表面保護膜と、発熱体と表面保護膜との間に形成され、発熱体を構成する金属と表面保護膜を構成する金属との合金からなる合金層とを備える。

上記ヒータの一構成例において、合金層は、発熱体を構成する金属と表面保護膜を構成する金属との組成比が、発熱体の側から表面保護膜の側にかけて変化している。

本発明に係るるつぼは、モリブデン、タングステン、タンタルのいずれかまたはこれらの合金から構成されたるつぼ本体と、るつぼ本体の表面を覆って形成され、イリジウムおよびルテニウムのいずれかまたはこれらの合金から構成された表面保護膜と、るつぼ本体と表面保護膜との間に形成され、るつぼ本体を構成する金属と表面保護膜を構成する金属との合金からなる合金層とを備える。

上記るつぼの一構成例において、合金層は、るつぼ本体を構成する金属と表面保護膜を構成する金属との組成比が、るつぼ本体の側から表面保護膜の側にかけて変化している。

以上説明したことにより、本発明によれば、加熱処理のコストの低減が低減できる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るヒータ１００の一部構成を示す断面図である。図２は、ヒータ１００が用いられる熱処理炉１１１の構成を示す写真である。図３は、本発明の実施の形態２に係るるつぼ２００の一部構成を示す断面図である。図４は、るつぼ２００を示す斜視図である。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１に係るヒータ１００について図１を参照して説明する。ヒータ１００は、発熱体１０１と、表面保護膜１０２と、合金層１０３とを備える。例えば、図２に示すように、棒状（ロッド状）のヒータ１００が、熱処理炉１１１の内周面に沿ってコイル状に布設されて用いられる。

発熱体１０１は、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）のいずれかまたはこれらの合金から構成されている。表面保護膜１０２は、発熱体１０１の表面を覆って形成されている。また、表面保護膜１０２は、イリジウム（Ｉｒ）およびルテニウム（Ｒｕ）のいずれかまたはこれらの合金から構成されている。合金層１０３は、発熱体１０１と表面保護膜１０２との間に形成され、発熱体１０１を構成する金属と表面保護膜１０２を構成する金属との合金から構成されている。

ここで、合金層１０３は、発熱体１０１を構成する金属と表面保護膜１０２を構成する金属との組成比が、発熱体１０１の側から表面保護膜１０２の側にかけて変化している。

ヒータの発熱体によく用いられるＭｏ、Ｗ、Ｔａは、大気中でも酸化が進行してしまうほど、酸化耐性が弱い。これに対し、白金族であるＩｒは、耐酸化性を持ち、数％程度の酸素雰囲気中であれば、２０００℃程度の高温化でも酸化せずに存在できる。従って、例えば、Ｍｏからなる発熱体１０１の表面を、Ｉｒからなる表面保護膜１０２で覆うことで、耐酸化性を大きく向上させることができる。

また、発熱体１０１と表面保護膜１０２との間に合金層１０３を備えるので、この種のヒータ１００として用いられる１８００℃程度の温度域においても、表面保護膜１０２が発熱体１０１より剥がれることが無く、安定して使用することができる。このように、実施の形態１によれば、ヒータ１００の寿命を大幅に長くすることが可能になり、ヒータ１００を用いた熱処理炉１１１は、メンテナンスフリーの実現が可能になる。

次に、表面保護膜１０２の形成方法について説明する。表面保護膜１０２は、よく知られた熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成することができる。ＣＶＤ法によれば、発熱体１０１の表面全域に対し、均一な表面保護膜１０２が形成できる。また、ＣＶＤ法によれば、表面保護膜１０２を成長させている過程で、合金層１０３を形成することができる。

例えば、イリジウム(ＩＩＩ)アセチルアセトナートなどの有機イリジウム化合物を原料とした熱ＣＶＤ法で、表面保護膜１０２が形成できる。例えば、成膜装置の成長炉内に、発熱体１０１を配置する。次に、成長炉を密閉状態とし、発熱体１０１を８９０〜１１００℃に加熱する。次に、キャリアガスとしてアルゴン、あるいは水素を添加したアルゴン、あるいは酸素を添加したアルゴンを用い、２００sccm程度で炉内に原料ガスを導入し、発熱体１０１の表面に、表面保護膜１０２を成長させる。なお、sccmは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示す。この処理を６０分程度継続することで、厚さ１００μｍ程度の表面保護膜１０２を形成することができる。また、この熱ＣＶＤ法による表面保護膜１０２の成長の過程で、合金層１０３が形成される。

例えば、発熱体１０１が、Ｍｏから構成され、Ｉｒからなる表面保護膜１０２を成長する場合、合金層１０３は、ＭｏとＩｒとの合金から構成される。また、熱ＣＶＤ法による表面保護膜１０２の成長の過程で形成される合金層１０３は、発熱体１０１の側から表面保護膜１０２の側にかけて変化している。例えば、合金層１０３は、発熱体１０１の側から表面保護膜１０２の側にかけて、Ｍｏの組成比が徐々に減少し、Ｉｒの組成比が徐々に増加する。

例えば、表面保護膜１０２を厚さ１００μｍ程度に成長させる条件により、厚さ５０μｍ程度の合金層１０３が形成される。表面保護膜１０２を厚さ１００μｍ程度に形成し、また合金層１０３が厚さ５０μｍ程度に形成されていれば、例えば、１８００〜２０００℃程度の温度域においても、表面保護膜１０２が発熱体１０１より剥がれることがない。

以上に説明したように、本発明に係るヒータによれば、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａのいずれかまたはこれらの合金から構成した発熱体の表面を、ＩｒおよびＲｕのいずれかまたはこれらの合金からなる表面保護膜で覆い、これらの間には、合金層が形成されているようにしたので、加熱処理のコストが低減できるようになる。

［実施の形態２］
以下、本発明の実施の形態２に係るるつぼ２００について図３を参照して説明する。るつぼ２００は、るつぼ本体２０１と、表面保護膜２０２と、合金層２０３とを備える。るつぼ２００は、例えば、図３に示すように、円筒形とされている。

るつぼ本体２０１は、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）のいずれかまたはこれらの合金から構成されている。表面保護膜２０２は、るつぼ本体２０１の表面を覆って形成されている。また、表面保護膜２０２は、イリジウム（Ｉｒ）およびルテニウム（Ｒｕ）のいずれかまたはこれらの合金から構成されている。合金層２０３は、るつぼ本体２０１と表面保護膜２０２との間に形成され、るつぼ本体２０１を構成する金属と表面保護膜２０２を構成する金属との合金から構成されている。

ここで、合金層２０３は、るつぼ本体２０１を構成する金属と表面保護膜２０２を構成する金属との組成比が、るつぼ本体２０１の側から表面保護膜２０２の側にかけて変化している。

融点が２０００℃程度と高い、機能性酸化物単結晶の育成に用いられるるつぼの材料としては、主にＩｒが用いられる。しかしながら、貴金属であるＩｒは、地金が６０００円／ｇ程度と高価である。このため、開口径１００ｍｍ、深さ１００ｍｍ程度のるつぼで、１３００万円程度になっている。これに対し、例えばＭｏは、地金が３円／ｇと桁違いに安価である。しかしながら、Ｍｏは、耐酸化性が劣るため、酸化物単結晶育成用のるつぼの材料としては用いることができない。

これら問題に対し、実施の形態２によれば、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａなどによるるつぼ本体２０１の表面を、ＩｒやＲｕからなる表面保護膜２０２で覆うので、耐酸化性が向上し、酸化物単結晶育成に用いることが可能となる。また、るつぼ本体２０１と表面保護膜２０２との間に合金層２０３を備えるので、機能性酸化物単結晶の育成温度（２０００℃程度）においても、表面保護膜２０２がるつぼ本体２０１より剥がれることが無く、安定して使用することができる。

次に、表面保護膜２０２の形成方法について説明する。表面保護膜２０２は、よく知られた熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成することができる。ＣＶＤ法によれば、るつぼ本体２０１の表面全域に対し、均一な表面保護膜２０２が形成できる。また、ＣＶＤ法によれば、表面保護膜２０２を成長させている過程で、合金層２０３を形成することができる。

例えば、イリジウム(ＩＩＩ)アセチルアセトナートなどの有機イリジウム化合物を原料とした熱ＣＶＤ法で、表面保護膜２０２が形成できる。例えば、成膜装置の成長炉内に、るつぼ本体２０１を配置する。次に、成長炉を密閉状態とし、るつぼ本体２０１を８９０〜１１００℃に加熱する。次に、キャリアガスとしてアルゴン、あるいは水素を添加したアルゴン、あるいは酸素を添加したアルゴンを用い、２００sccm程度で炉内に原料ガスを導入し、るつぼ本体２０１の表面に、表面保護膜２０２を成長させる。なお、sccmは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示す。この処理を６０分程度継続することで、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の表面保護膜２０２を形成することができる。また、この熱ＣＶＤ法による表面保護膜２０２の成長の過程で、合金層２０３が形成される。

例えば、るつぼ本体２０１が、Ｍｏから構成され、Ｉｒからなる表面保護膜２０２を成長する場合、合金層２０３は、ＭｏとＩｒとの合金から構成される。また、熱ＣＶＤ法による表面保護膜２０２の成長の過程で形成される合金層２０３は、るつぼ本体２０１の側から表面保護膜２０２の側にかけて変化している。例えば、合金層２０３は、るつぼ本体２０１の側から表面保護膜２０２の側にかけて、Ｍｏの組成比が徐々に減少し、Ｉｒの組成比が徐々に増加する。

例えば、表面保護膜２０２を厚さ１００μｍ程度に成長させる条件により、厚さ５０μｍ程度の合金層２０３が形成される。表面保護膜２０２を厚さ１００μｍ程度に形成し、また合金層２０３が厚さ５０μｍ程度に形成されていれば、例えば、１８００〜２０００℃程度の温度域においても、表面保護膜２０２がるつぼ本体２０１より剥がれることがない。

以上に説明したように、本発明に係るるつぼによれば、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａのいずれかまたはこれらの合金から構成したるつぼ本体の表面を、ＩｒおよびＲｕのいずれかまたはこれらの合金からなる表面保護膜で覆い、これらの間には、合金層が形成されているようにしたので、加熱処理のコストが低減できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１００…ヒータ、１０１…発熱体、１０２…表面保護膜、１０３…合金層、１１１…熱処理炉、２００…るつぼ、２０１…るつぼ本体、２０２…表面保護膜、２０３…合金層。

Claims

モリブデン、タングステン、タンタルのいずれかまたはこれらの合金から構成された発熱体と、
前記発熱体の表面を覆って形成され、イリジウムおよびルテニウムのいずれかまたはこれらの合金から構成された表面保護膜と、
前記発熱体と前記表面保護膜との間に形成され、前記発熱体を構成する金属と前記表面保護膜を構成する金属との合金からなる合金層と
を備えるヒータ。
請求項１記載のヒータにおいて、
前記合金層は、前記発熱体を構成する金属と前記表面保護膜を構成する金属との組成比が、前記発熱体の側から前記表面保護膜の側にかけて変化していることを特徴とするヒータ。
モリブデン、タングステン、タンタルのいずれかまたはこれらの合金から構成されたるつぼ本体と、
前記るつぼ本体の表面を覆って形成され、イリジウムおよびルテニウムのいずれかまたはこれらの合金から構成された表面保護膜と、
前記るつぼ本体と前記表面保護膜との間に形成され、前記るつぼ本体を構成する金属と前記表面保護膜を構成する金属との合金からなる合金層と
を備えるるつぼ。
請求項３記載のるつぼにおいて、
前記合金層は、前記るつぼ本体を構成する金属と前記表面保護膜を構成する金属との組成比が、前記るつぼ本体の側から前記表面保護膜の側にかけて変化していることを特徴とするるつぼ。