JP5106387B2 - 単結晶金属成長方法並びにその装置 - Google Patents

Description

【関連特許分野】
【０００１】
本特許出願は２００５年５月１２日提出の共同保留暫定米国出願連続番号第６０／６８０，２７３号に対する優先権を請求するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般に結晶成長、特に、金属に関する単結晶成長の方法とその装置に関するものである。尚、さらに詳細には、本発明は塑性歪化による大単結晶金属成長のための方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
多結晶金属は結晶境界の存在による限定された高温クリープ抵抗および低温脆性を有することが多い。これと対照的に、単結晶金属には結晶境界による良好な機械特性がある。従って、多くの用途向けに、単結晶金属が多結晶金属よりも好まれる。
【０００４】
単結晶金属生成用の現状技術は主に次の５つの基本処理の１つに基づいている。
（ａ）様々な蒸着処理による低速成長薄膜単結晶（半導体工業で現在採用されている）
（ｂ）種結晶が採用される溶融金属による低速成長バルク単結晶（すなわち、チョコラルスキ法、ブリッジマン法あるいはチョコラルスキおよびブリッジマン法の変型）
（ｃ）帯域溶融による低速生成バルク単結晶（凝固に続く多結晶金属の局在化溶融を実行する移動加熱帯域が採用される浮遊帯域法としても知られる）
（ｄ）加熱帯域が多結晶金属に沿って通過して局部的に再結晶、結晶成長および単結晶の境界移動を生じさせる、帯域焼鈍によって生ずるバルク単結晶
（ｅ）低温変形が次に続くとともに１８００℃を越える温度での焼鈍がさらに続く酸化物生成要素を伴う合金により生成される耐火性金属バルク単結晶
【０００５】
上述の処理のすべては一般的に極めてゆっくりした生成速度であるとともに、処理（ｂ）から（ｅ）までのような大単結晶を生むことのできるこれらの処理に関して、通常、極高温が生成中に必要とされる。従って、より速い生成速度でかつ上述の処理におけるものよりも低温において大単結晶金属が生成されるための改善方法が提供されることが望ましい。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の好ましい実施態様によると、金属試料の多結晶形態は非酸化環境で、当初、加熱される。最小塑性歪が、その後、加熱金属試料内部で選定された結晶粒の成長を発生させるために、加熱金属試料に加えられる。引き続き大単結晶金属となる選定された結晶粒の成長を伝播させるために加熱金属試料に追加の塑性歪が加えられる。
【０００７】
本発明のあらゆる特色と利点は以降の文面による詳細説明の中で明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
さて図面および特に図１を参照すると、本発明の好ましい実施態様による大単結晶金属の成長装置の図解が描かれている。示されるように、金属試料１１は熱源１２ａと１２ｂ間に位置する。さらに金属試料１１の両末端は金属試料１１への塑性歪の付加の可能な機械装置（図示されず）に固定される。金属試料１１は再結晶あるいは加工された状態のどちらかにある多結晶試料であるのが好ましい。金属試料１１は、シート、棒、板、線、管等の多様な形態であってよい。金属試料１１は高純度かあるいは商用純度のものであるかあるいは合金添加物が含まれてよい。
【０００９】
次に図２を参照すると、本発明の好ましい実施態様による図１の装置が利用された大単結晶金属成長方法に関する高度論理流れ図が例示されている。当初、金属試料１１は区分２１に示されるように金属試料１１の融点温度のおよそ６０％（すなわち、０．６の相同温度）以上まで熱源１２ａと１２ｂによって加熱される。金属試料１１の加熱はさまざまな加熱手段によって達成可能である。たとえば、金属試料１１は、輻射熱伝達、伝導熱伝達、あるいは対流熱伝達を通じて熱源１２ａと１２ｂによって加熱可能である。金属試料１１はまた輻射加熱（例えば、赤外線ランプによる）、誘導加熱、あるいは直接抵抗加熱（金属試料１１を通過する電流による）によっても加熱可能である。金属試料１１の加熱は、真空、不活性ガスあるいは減圧雰囲気といった様々な非酸化環境で行われてもよい。
【００１０】
その後、区分２２に書かれているように最小初期塑性歪が加熱金属試料１１に機械装置によって加えられる。最小初期塑性歪が金属試料１１内選定された結晶粒の成長開始に必要とされる。最小初期塑性歪量は温度、マイクロストラクチャおよび金属試料１１の合金組成の関数である。最小初期塑性歪の範囲はおよそ４％から４０％の間にあるのが好ましい。
【００１１】
区分２３に示されるように、その後引き続き、追加の塑性歪が、選定された結晶粒の成長を伝播させて大きな単結晶を生成するために加熱金属試料１１に加えられる。追加の塑性歪は処理される多結晶試料を消費するための選定された結晶粒の成長面の駆動に必要とされる。追加の塑性歪速度は幅広く変動しうるが真歪速度で１０^−５ｓ^−１を越え１０^−１ｓ^−１未満であるのが好ましい。
【００１２】
機械装置により制御された方法での加熱金属試料１１の歪化が可能となる。塑性歪化を起こす金属試料１１に必要な応力は所望される歪速度、温度、マイクロストラクチャおよび金属試料１１の合金組成次第で変化する。
【００１３】
塑性歪はまた金属試料１１が所望の速度で歪化されるように金属試料１１の両末端に変位を加えることによっても発生させることが可能である。他端より速い速度で金属試料１１の片端を変位させることによって、処理領域を通して試料材料を連続的に供給することが可能である。
このように処理することによって、成長面が金属試料１１の長さに沿って動かされて長単結晶の生成が可能となる。
【００１４】
次に図３を参照すると、本発明の好ましい実施態様による単結晶金属試料の成長用マイクロストラクチャ処理が図により例示されている。選定された単一結晶粒（すなわち結晶）は高温時に塑性歪化状態にある試料の幅と厚みを消費する。単一結晶粒の境界（すなわち、成長面）はその後金属試料の長さに沿って進行すると同時に多結晶材料を消費する。成長面の動きは高温での塑性歪化によって駆動される。背後に残される材料が以前選定された結晶粒だったものから成長した単結晶である。前述したように、選定された結晶粒の成長面の駆動に必要な追加の歪量は温度、マイクロストラクチャならびに金属試料の合金組成の関数である。
【００１５】
最終的な単結晶に成長する結晶粒の選定は多数の機構を通じて行われる。最も単純なものは、多結晶試料内部において都合よく配向した単一結晶粒は周囲の結晶粒よりも速い速度で成長するという自然選定プロセスである。この自然選定プロセスは多結晶試料における結晶学上のテクスチャの発達によって影響されうる。選定された向きの種結晶に多結晶試料を溶接することなどによって多結晶試料に付着された種結晶は、そこから単結晶金属が成長する選定された結晶粒として作用しうる。最終的な単結晶金属の結晶学上の向きは単結晶金属の成長した選定された結晶粒によって制御される。
【００１６】
単結晶金属の生成は選定された結晶粒の成長面が一旦、金属試料の所望の長さを越えると完了する。生成単結晶は処理中に塑性変形し得るので、該生成単結晶にはいくらかの転位密度、および亜結晶粒のようないくらかの転位構造が含まれうる。この欠点は単結晶の所望特性の大半にはそれほどは影響しないであろう。多くの欠点は高温時の焼鈍によって除去可能である。
【００１７】
本発明の方法は秒あたり１．０×１Ｏ^−６から１．０×１０^−４までの真歪速度で機械的に歪をかけながら１４００℃から１８００℃の間の高温で加熱されたシート形態の商業純度のモリブデンを利用して首尾よく示された。上述の温度範囲で、かつ上述の歪速度範囲内で行われる度重なるテストにおいて多結晶モリブデンシートからの単結晶成長が４％から４０％の間の蓄積歪の後に生じた。
【００１８】
図４を参照すると、本発明の好ましい実施態様による１×１０^−４ｓ^−１の塑性真歪速度で１６４０℃において処理されたモリブデンシート試料のマイクロストラクチャ写真が描かれている。示される通り、モリブデンシート試料は、平均粒子直径７０μｍ未満の結晶粒を有する多結晶シートから成長した大単結晶（およそ幅５ミリ長さ１５ミリ）を生成した。単結晶（左側の）はより幅の広い多結晶領域（右側で）で終わる。シート形態のモリブデンだけが本発明を例示するために利用されたが、専門技術者により本発明の方法は任意の他の形態の別の金属にも適用できるものと理解される。
【００１９】
これまで述べられたように、本発明は大単結晶金属成長の方法ならびにその装置を提供する。本発明の方法により従来設備を利用してコスト効率よい大単結晶金属の製造が可能となる。本発明の方法には現状製造技術を越えた単純さとスピードの利点がある。本発明の方法によりまた他の既存処理よりも低温のバルク単結晶製造も可能となる。
【００２０】
本発明が好ましい実施態様を参照して特に示されかつ説明されたけれども、技術専門家によって本発明の精神や範囲から逸脱することなく形態や詳細に関する様々な変更がなされうることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
付録の図面と関連して読まれる場合に、例示的実施態様に関する以降の詳細説明が参照されることによって本発明自体は、好ましい利用形態、さらには目的ならびにその利点とも合わせて、最もよく理解されよう。
【００２２】
【図１】本発明の好ましい実施態様による大単結晶金属成長装置の図解図
【図２】本発明の好ましい実施態様による図１の装置を採用する大単結晶金属成長方法の高度論理流れ図
【図３】本発明の好ましい実施態様による単結晶金属試料成長マイクロストラクチャ処理の図解図
【図４】本発明の好ましい実施態様により生成されるモリブデン板試料のマイクロストラクチャ写真

Claims (18)

1. 非酸化環境における多結晶金属試料の加熱；
   前記加熱された多結晶金属試料の結晶粒の成長を開始するための前記加熱された多結晶金属試料への前記加熱された多結晶金属試料の末端を変位させることによる第１の塑性歪の付加；ならびに、
   単結晶金属形成のために前記結晶粒の成長を伝播させるための前記加熱された金属試料への前記加熱された多結晶金属試料の第１の末端を前記加熱された多結晶金属試料の第２の末端よりも速く変位させることによる第２の塑性歪の付加
   が含まれる単結晶金属成長方法。
2. 前記多結晶金属試料がモリブデン、タングステン、ニオブあるいはタンタルの群から選定される耐火性金属を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記多結晶金属試料が合金添加物含有の耐火性金属を含む請求項１に記載の方法。
4. 前記多結晶金属試料が、Ｔ_ｍを前記多結晶金属試料の融点とする場合に、０．５５Ｔ _ｍ （℃）から０．８Ｔ_ｍ （℃）間で加熱される請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の塑性歪と第２の塑性歪の少なくとも１つが、引張、圧縮、せん断、あるいはこれらの組み合わせである請求項１に記載の方法。
6. 前記結晶粒が、再結晶マイクロストラクチャ、テクスチャ処理マイクロストラクチャあるいは種結晶から選定される請求項１に記載の方法。
7. 連続的な方法で前記多結晶金属試料の単結晶を製造するために、前記多結晶金属試料を加熱帯域の中を通過させること、あるいは、前記多結晶金属試料に沿って加熱帯域を通過させることを、前記第１の塑性歪及び第２の塑性歪の付加中にさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 前記多結晶金属試料がモリブデンを含むと同時に前記第１の塑性歪が１４００℃から１８００℃の間の温度で４％を越える大きさである請求項１に記載の方法。
9. 非酸化環境において多結晶金属試料を加熱するように構成された加熱源、ならびに、
   前記加熱された多結晶金属試料の結晶粒成長を開始するために前記加熱された多結晶金属試料に対して前記加熱された多結晶金属試料の末端を変位させることによって第１の塑性歪を付加するように、および、単結晶金属を形成するために前記結晶粒成長を伝播させるために前記加熱された多結晶金属試料に対して前記加熱された多結晶金属試料の第１の末端を前記加熱された多結晶金属試料の第２の末端よりも速く変位させることによって第２の塑性歪を付加するように構成された機械装置
   が含まれる単結晶金属成長装置。
10. 前記非酸化環境が真空、不活性ガスあるいは減圧雰囲気である請求項９に記載の装置。
11. 前記加熱源が、輻射、伝導あるいは対流によって前記多結晶金属試料に熱を与えるように構成されている請求項９に記載の装置。
12. 前記加熱源が、赤外線ランプによる輻射加熱、誘導加熱、又は、前記多結晶金属試料中に電流を流すことによる直接抵抗加熱を提供するように構成されている請求項９に記載の装置。
13. 前記末端を変位させることが、前記多結晶金属試料の第１の末端を前記多結晶金属試料の第２の末端よりも速く変位させることを含む、請求項１に記載の方法。
14. 単結晶金属を形成するための前記結晶粒の成長が、前記多結晶金属試料の第１の末端から前記多結晶金属試料の第２の末端まで伝播される、請求項１に記載の方法。
15. 前記成長が、単結晶金属を形成するために多結晶金属試料を消費する、請求項１に記載の方法。
16. 前記第１の塑性歪が、４％と４０％の間である、請求項１に記載の方法。
17. 前記第２の塑性歪の真歪速度が、１０^−５ｓ^−１と１０^−１ｓ^−１の間である、請求項
    １に記載の方法。
18. 前記機械装置が、第１の引張歪を前記多結晶金属試料の第１の末端に付加し、第２の引張歪を第２の末端に付加するように構成され、該第１及び第２の引張歪が反対方向に付加される、請求項９に記載の装置。