JP4871878B2 - 多量の金属を放出できるアルカリ金属の分配システム - Google Patents

Description

本発明は、多量の金属を放出できるアルカリ金属の分配システムに関する。

長期間、アルカリ金属は電子工学の分野で使用されている。特に、過去には、アルカリ金属は、感光性表面、例えば、装置の内壁に金属蒸気を凝着させることで得られるイメージ増幅器または光電子増倍管の製造に使用された。

アルカリ金属の大気ガスおよび湿度に対する高反応性のために、一般的に、工業で使用される蒸発源は、純粋な金属ではなく、室温の空気中で、還元剤との混合物中で安定なアルカリ金属の化合物である。最も一般的に用いられているアルカリ金属化合物は、クロム酸塩 Ｍ₂ＣｒＯ₄であるが、モリブデン酸塩 Ｍ₂ＭｏＯ₄、タングステン酸塩 Ｍ₂ＷＯ₄、ニオブ酸塩 ＭＮｂＯ₃、タンタル酸塩 ＭＴａＯ₃、チタン酸塩 Ｍ₂ＴｉＯ₃および同様の塩（式中、Ｍはあらゆるアルカリ金属を示す）である：アルミニウム、シリコン、または、アルミニウムもしくは１以上の遷移元素を有するチタンもしくはジルコニウムベースのゲッタ（getter）合金が還元剤として使用される。アルカリ金属化合物と還元剤との接触を有利にするために、好ましくは両者が、好ましくは５００マイクロメータ（μｍ）未満の粒度の粉の形態で使用され、アルカリ金属化合物と還元剤との重量比は１０：１〜１：１０である。このタイプの混合物は、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６に記載されている。

通常これらの混合物は、例えば、特許文献３、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１および特許文献１２に示される、固形粒子が保持でき、しかしアルカリ金属蒸気透過性の表面を少なくとも１部分有する適切な分配装置中で使用される。これらの分配装置は、通常、金属の容器で形成され、その中には、分配される混合物のルースパウダーまたはペレットが入っている。混合物の加熱は、分配装置の壁を直接、電流が流れることで成され、そして粉末またはペレットとの接触で熱を放散する。

これらの特許で開示された分配装置は、数十ミリグラムまでの少量のアルカリ金属の放出に適切である（例えば、混合物の２つのペレットを含む特許文献１２に記載の分配装置を参照）。これらの分配装置の放出方式は、含有する混合物を一度反応温度にまで加熱し、アルカリ金属を短時間の間に完全に放出し、その結果、分配装置を空にするものである。これらの作用特性は、イメージ増幅器または光電子増倍管で通常使用される薄いアルカリ金属層の形成に適している。

近年、ＯＬＥＤ（「有機発光ディスプレイ」を表す）スクリーンにおいて、アルカリ金属、特にリチウムとセシウムの新しい利用分野が見つけられた。該利用の重要性のため、以下の参考文献は、特にこのために記載されたものであるが、本発明は、より一般的な適用範囲のものである。ＯＬＥＤの機能の原理は、２列の電極間に挿入された異なった有機材料の多層中の電子と電子空孔（または「空孔」）との再結合である。ＯＬＥＤの構造および作用の詳細な説明は、例えば、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５および特許文献１６に記載されている。ＯＬＥＤの構造のための、少量の電子供与体金属、特にアルカリ金属類の添加は、これらのスクリーンのエネルギー消費を減少させる。特許文献１６は、１以上の有機多層へのドーパントとしてのこれらの金属の使用を記載する。一方、特許文献１７は、一列の電極（陰極）と隣接する有機質層との間の非常に薄い層（５ナノメートル未満）の形成のためのこれらの金属の使用について記載する。
デポジションチャンバー内で金属を蒸発させることによって、有機多層の形成およびアルカリ金属の添加の両方が成される。デポジションチャンバーでは、基板は、蒸気の凝結および所望の薄層の形成がされ得る温度で保たれる。

通常の利用とは異なり、ＯＬＥＤの場合は、１年あたり何千万単位という非常に大きいスケールでの製造が見込まれる。この数に達するように、連続生産（チャンバーの洗浄および蒸発源の交換のための中断は別として）の利用が必要である。またアルカリ金属分配装置は、以前、必要とされたよりも、はるかに長期間、例えば、約１週間の連続サイクル、作動できなければならない。

先行技術の分配装置は、これらの要件を満たすことができない。さらに、その規模を単純に大きくすることは、実際には役に立たない。

実際、先行技術の分配装置について、一定の幾何学的形状に従って規模を増加させると、壁と直接接触する分配混合物の比率を減少させるであろう。その結果、分配装置の規模が大きくなると、壁との熱接触が良好な混合物の比率が、より少なくなる。その上、壁から比較的遠い混合物の部分は、他の混合物を介して熱を受けるので、これらの混合物の低い熱伝導率特性のために効率が悪くなる。

さらに、前述の混合物を使用するときに金属放出時間の拡大が必要である場合、時間経過による容器中のアルカリ金属残量の減少とのバランスをとるために、温度を連続的に上昇させる必要がある。これまで使われてきた小さい分配装置の使用では、深刻な問題は起きない。逆もまた同様に、分配装置の規模の拡大は、その壁の温度の上昇によるプロセスチャンバー内のより大きな熱放散を意味する。これらのチャンバーでは、通常、蒸着された材料の量の調節は、チャンバー内に適宜、配置された石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）と呼ばれる装置によって工程の間中モニターされる。ＱＣＭの実際のセンサー素子は、石英結晶で構成される。石英結晶の基本的な振動数は、蒸着した物質の重量の関数として変化する。一定の印加された電場で、時間による振動数の変化を測定することで、水晶上に蒸着した材料の重さを測定すること、および蒸着される材料の密度に関する知見を通して、蒸着厚さの時間による変化を測定することは可能である。多量の熱を放射することで、大きなサイズのアルカリ分配装置は放射によっても石英結晶を加熱し、その結果、その温度を上昇させる。また、振動数は後者のパラメータに依存するので、蒸着厚さの測定に干渉が起こり、そのため、工程管理における正確さは失われる。
イギリス国特許第７１５２８４号明細書 米国特許第２１１７７３５号明細書 米国特許第３５７８８３４号明細書 米国特許第３６５８７１３号明細書 米国特許第６７５３６４８号明細書 国際出願番号ＰＣＴ／ＩＴ２００５／０００５０９明細書 米国特許第３５７９４５９号明細書 米国特許第３５９８３８４号明細書 米国特許第３６３６３０２号明細書 米国特許第３６６３１２１号明細書 米国特許第４２３３９３６号明細書 日本国特許出願４−２５９７４４号明細書 欧州特許出願第８４５９２４号明細書 欧州特許出願第９４９６９６号明細書 日本国特許出願９−０７８０５８号明細書 米国特許第６０１３３８４号明細書 米国特許出願第６２５５７７４号明細書

本発明の目的は、公知の分配装置の問題点を排したアルカリ金属分配システムを提供することである。特に本発明の目的は、蒸発チャンバー内では熱放射を制限し、約１週間の間ほぼ一定の放出量で多量の金属を放出することができるアルカリ金属分配装置を提供することである。

本発明によれば、以下を含むアルカリ金属分配システムによって、目的は達成された。
・１以上の第一開口部（１３）を備える金属容器（１１）を含み、
１以上のアルカリ金属化合物と１以上の還元性化合物との混合物（１５）であって、ルースパウダーの形態または該パウダーのペレットの形態をとることができる混合物を内部に有するアルカリ金属分配装置；並びに
・前記第一開口部に面する１以上の第二開口部（１４）を備え、
前記容器に接触しないで、前記容器を包囲する金属シールド（１２）であって、前記容器を加熱するための電気的貫通接続経路用の側面開口部を前記容器が有する場合は、該側面開口部を包囲しない金属シールド。

本発明は以下の図面を参照して記載される：
図１は、本発明のシステムの好適な実施例の部分的破断図を示す：そして、
図２は、図１のシステムの断面図を示す。

本発明の容器はどんな形態をも取ることができる。例えば、容器は断面が台形の細長い形態（当該技術分野では「ボート」として公知の形態）をとることができ、また、特に加熱用の電気端子との接続に役立つように、末端を伸長することができる。このタイプの容器は、例えば本願出願人の米国特許第６７５３６４８号に記載される。この場合は、シールドは、容器末端の伸長に対応する開口部を有し得る容器の少なくとも広い方の表面を囲む。さらに詳細に以下で議論するように、少なくとも第一および第二の開口部部分のシールドの形態は、簡便な製造、隙間の形成の回避および熱変形による容器とシールドとの接触の回避の要求を満たしながら、容器とシールド間の距離が可能な限りわずかな形態となっている。

シールドの主な機能の１つは、容器内の温度を均一化することであり、その結果、従来の分配装置に存在する、アルカリ金属の分配用混合物中の重大な温度勾配についての問題点を最小限に減らし、その時間内の放出をより一定にする。このために、容器とシールドの両者は円形の断面を有する筒状の形であることが好ましい。この構成は図１および２に示される。本発明のシステム（１０）は、容器（１１）およびシールド（１２）を含む。容器（１１）は、開口部（１３）を備える：図１および２では、３つの開口部（１３）タイプが存在するケースを示すが（図１では、ひとつがシールド（１２）に隠れている）、開口部をひとつ（この場合には、一般に長さの中央にある）、または、開口部をより多く備える容器であってもよい。シールド（１２）は、容器の開口部（１３）に対応する開口部（１４）を備える：図１では、開口部（１３）および開口部（１４）の両者は、円形の形態で示されるが、それらは、他の形態、例えば細長いスリットであってもよい。該容器中には、前述のアルカリ金属化合物と還元性化合物との混合物（１５）が、ルースパウダーまたは圧縮されたペレットの形態で存在する。容器（１１）は、側壁（１６）で末端が閉じられ、それは本管の筒状の壁に溶着でき、または前記筒状の壁に挿入された「プラグ」の形態をとることができる。通常、この側壁（１６）は、電源（図示せず）端末との接続のための素子（１７）（図面では、壁の突起部として示す）を備える。容器（１１）とシールド（１２）は、熱絶縁スペーサを用いて所望の距離を保つ。熱絶縁スペーサは、一般にセラミックであり、例えばシステムの各末端あたり３つ、互いに軸対称に１２０°の間をとって配置される（これらのスペーサの１つが図１に示され、２つが図２に示される）。最終的に、シールド自体は、容器、素子（１７）または電気的貫通接続（図示せず）には接触させないで、しかしできるだけそれらの近くで、側壁に組み込むか、または接続できる（図面には図示せず）。これらの側壁は、システムの側面を通過して多量のアルカリ金属蒸気が損失することを避ける目的を有するが、同時に、内側の容器または電気的貫通接続には、後者の部品が熱膨張によって自由に動くことを可能とするために、接触してはならない（これらの部品に固定されることはなおさらである）。

前述のように、構造上および作用上の要件にもよるが、シールドと容器の間の距離は可能な限り小さくする。容器（１１）の非常に近くにシールドを保持する第一の利点は、いわゆる「形態係数（view factor）」、すなわち容器（１１）から外部への放射（つまり、工程チャンバーに存在する他の素子の過熱）を低減させることである。言い換えれば、容器（１１）とシールドが、近くあればあるほど、断熱性の関数が良くなる。一方、無制限にはシールドを容器の近くに持って来ることはできない：第一には構造上の問題（例えば、非常に薄い厚さのセラミックの使用可能性）のため；第二には、シールドと容器が使用される間、どのような場合でも熱循環による変形を受けるので、これらの２つの素子が近接しすぎているとこれらは接触し、シールドが伝導で加熱され、それ自体が放射過熱の一次的な熱源となるからである；最後に、蒸着チャンバー内での製造工程が始動する前に、すべての構成部品を除去しなければならない。シールドと容器の間の間隔が狭すぎると、それらの除去が非常に難しくなるであろう。これらの逆の必要条件の結果、シールド（１２）と容器（１１）の距離の適切な値は０．５〜５ミリメートルである。

（容器の）開口部（１３）および（シールドの）開口部（１４）は、通常、同軸に配列される。開口部（１４）と開口部（１３）とのサイズの比率は、シールドと分配装置の間の距離、およびアルカリ金属が蒸発する基板に対する分配システムの位置によって決定される。一般に開口部（１４）のサイズ（開口部が円形の場合の直径）は、開口部（１３）のサイズの約２〜１０倍である。本発明のシステムが意図する工程の標準的な圧力では、アルカリ金属蒸気は分子レジームの中で動き、この条件において開口部（１４）の寸法を小さくしすぎると（例えば、開口部（１３）の寸法と同一にすると）金属蒸気ビームが集中し過ぎる結果、均一な蒸着を得ることが難しくなる。逆もまた同様であり、開口部（１４）の寸法が大きすぎると、工程チャンバーの不要な部分に、不要なアルカリ金属蒸着を形成するであろう。

前述のＱＣＭマイクロバランスの加熱の問題を回避、または少なくとも低減するために、シールドは、低い放射熱放散率の材料で作られなければならない。そのため、磨かれたステンレス（オーステナイト系、マルテンサイト系およびフェライト）、任意にコーティングされたステンレス（例えば、ニッケルめっき鋼）、Ｎｉ−Ｃｒベースの非鉄合金および銀またはタンタル等の純金属が使用できる。容器（１１）の製造には、同じ材料を使用できる。容器およびシールドに同じ材料を使用すると仮定すると、好ましくは、容器（１１）およびシールド（１２）の両者の外側表面は、放射による熱放散を最小にするために磨かれる（任意にニッケルでメッキされる）。

本発明と同様の金属の蒸発システムが、米国特許第５１８２５６７号に記載されている。しかし、この特許のシステムでは、シールドは内側の容器から溶解金属の小滴の流出を避けるための本質的な機能を有するが、温度の均一性を高める機能が適当ではない。このケースでは、溶融状態のバスから金属蒸気（特にアルミニウム）が蒸発するので、本質的に、バスは既に高温で温度が均一という特徴を有するからである。使用におけるこの相違の結果、米国特許第５１８２５６７号のシールドは、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化けい素、またはほう化チタン等のセラミック材料（これらは、特に、非常に高い熱伝導率を有するので、本発明のシールドの外部に対する断熱性機能を達成できなかった）で作られている。さらにまた、異なる意図の用途のために、引用した米国特許のシールドは、好ましくは、下の部分に大きな開口部を有すが、容器（１１）内で混合物の温度均一化の有効な効果を得ることができる本発明において、これはむしろ好ましくない。

本発明のシステムの好適な実施例の部分的破断図を示す。 図１のシステムの断面図を示す。

符号の説明

１０ システム
１１ 容器
１２ シールド
１３ 開口部
１４ 開口部
１５ 混合物
１６ 側壁
１７ 素子

Claims (6)

1. ・１以上の第一開口部（１３）を備える金属容器（１１）を含み、
   １以上のアルカリ金属化合物と１以上の還元性化合物との混合物（１５）であって、ルースパウダーの形態または該パウダーのペレットの形態をとることができる混合物を内部に有するアルカリ金属分配装置；並びに
   ・前記第一開口部に面する１以上の第二開口部（１４）を備え、
   前記容器に接触しないで、前記容器を包囲する金属シールド（１２）であって、前記容器を加熱するための電気的貫通接続経路用の側面開口部を前記容器が有する場合は、該側面開口部を包囲しない金属シールド
   を含み、
   前記第二開口部（１４）が前記第一開口部（１３）の２〜１０倍の寸法であり、かつ前記容器と前記シールドとの距離が０．５〜５ｍｍであることを特徴とするアルカリ金属分配システム（１０）。
2. 前記容器および前記のシールドの断面が円形である請求項１に記載のシステム。
3. 前記容器と前記シールドとの距離がセラミック製である熱絶縁スペーサ（１８）によって所望の距離に保たれている請求項１に記載のシステム。
4. 前記シールドが、ステンレス鋼、Ｎｉ−Ｃｒベースの非鉄合金、銀およびタンタルから選択される材料で作られる請求項１に記載のシステム。
5. 前記ステンレス鋼が、磨かれた、および／またはニッケルめっきでコーティングされたステンレス鋼である請求項４に記載のシステム。
6. 前記容器が前記シールドを作製した材料と同じ材料で作製された請求項１に記載のシステム。

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