JPH10273393A - 六ホウ化カルシウム結晶の育成法 - Google Patents

六ホウ化カルシウム結晶の育成法

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JPH10273393A
JPH10273393A JP9495097A JP9495097A JPH10273393A JP H10273393 A JPH10273393 A JP H10273393A JP 9495097 A JP9495097 A JP 9495097A JP 9495097 A JP9495097 A JP 9495097A JP H10273393 A JPH10273393 A JP H10273393A
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茂樹 大谷
Yoshio Ishizawa
芳夫 石澤
Satoshi Takenouchi
智 竹之内
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Abstract

(57)【要約】 【課題】FZ法によって高純度な良質単結晶の六ホウ化
カルシウム単結晶を得ることである。 【解決手段】フローティング・ゾーン法による六ホウ化
カルシウム(CaB6)単結晶の育成法において、融帯
組成のB/Ca原子比を9より30に制御し、育成速度
を5cm/hから50cm/hとして育成することを特
徴とする六ホウ化カルシウム単結晶の育成法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フローティグ・ゾ
ーン法(以下、FZ法と略す)による六ホウ化カルシウ
ム(CaB6)単結晶の育成法に関する。
【0002】
【従来技術】六ホウ化カルシウムは融点が高く仕事関数
が低い(約2.8eV)ことから、その単結晶は長寿命
で高輝度な電子放射材料として期待される。この利用に
は、純度の高い高品質単結晶が必要である。従来、六ホ
ウ化カルシウム単結晶の育成はフラックス法により行わ
れ、2mm程度の結晶が育成されていた。高純度な六ホ
ウ化カルシウム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
が、まだその報告例がない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、FZ法
による六ホウ化カルシウム単結晶育成における問題点を
調べた結果、次のことが判明した。 (1)図1に示す相図からは、六ホウ化カルシウム焼結
棒を分解温度まで加熱すると、カルシウムが蒸発し組成
がホウ素過剰となることで融帯が形成されると予想され
るが、実際には、六ホウ化カルシウム焼結棒の加熱では
初期融帯が形成されないこと、また、 (2)育成中、蒸発が非常に激しく(たとえば、LaB
6結晶の育成に比較して200倍から300倍の蒸発速
度)、FZ法による結晶育成を困難にしていること、従
って、本発明者らは、これらの問題点について種々検討
した結果、(1)の点については初期融帯の組成を制御
することにより、(2)の点については原料焼結棒の不
純物制御と育成速度の高速化することにより解決できる
ことを見出し、本発明を完成したもので、本発明の目的
はFZ法によって高純度な良質単結晶の六ホウ化カルシ
ウム単結晶を得ることである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、フロー
ティング・ゾーン法による六ホウ化カルシウム(CaB
6)単結晶の育成法において、融帯組成のB/Ca原子
比を9より30に制御し、育成速度を5cm/hから5
0cm/hとして育成することを特徴とする六ホウ化カ
ルシウム単結晶の育成法である。
【0005】
【発明の実施の形態】以下に本発明を更に詳細に説明す
る。本発明におけるFZ法に使用される装置の一例を図
2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(3巻2段)、5は原料焼結棒、
6は融帯、7はCaB6結晶、8は結晶棒である。試料
の加熱は、高周波誘導加熱により行った。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に原料棒5を上方より送り込み、下方
より単結晶7を育成する。
【0006】本発明による単結晶育成法の手順を示す。
まず、水酸化カルシウム粉末とホウ素粉末を所定比(式
量比1:7)によく混合後、ラバープレス(2000K
g/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、六ホウ化カ
ルシウムを合成する。得られた試料を粉砕した後、再び
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。
【0007】得られた原料焼結棒5を上軸2にホルダー
3を介してセットし、下軸2’には初期融帯形成用の結
晶棒8をホルダー3’を介してセットする。それら上下
の結晶棒の間に初期融帯組成制御用のホウ素結晶体円盤
を挟む。つぎに、初期融帯形成用の焼結棒8の上端を加
熱し、ホウ素円盤および原料焼結棒の下端の温度を熱伝
導により昇温させたのち、ホウ素円盤周辺を溶融させ融
帯6を形成する。その後、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。このとき、下軸2’の移
動速度、すなわち、結晶育成速度は、育成中に常に一定
に保持する。その範囲は5〜50cm/h、好ましく
は、10cm/h以上30cm/h以下である。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、
育成中の蒸発による損失と原料棒の密度の低さ(相対密
度60%)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。雰囲気としては、
数気圧のヘリウムガスを用いる。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、育成時の融帯
からの蒸発を抑制するため、および、育成の高速化を促
進するためである。
【0008】実際の結晶育成に際し生じた主な問題点は
次に記すように解決し、六ホウ化カルシウム結晶の育成
を行った。 1)試料加熱について:六ホウ化カルシウムは半導体で
あるために、室温状態からの高周波加熱による試料加熱
は困難である。従って、下軸にセットする焼結棒(図2
の8)に、室温の状態で電気伝導性をもたせ加熱可能な
ように、作製に際し炭素を添加した。焼結棒中に0.5
wt%以上の炭素を含有させることで、電気抵抗値が約
数オーム以下となり、室温からの高周波誘導加熱を可能
にし、初期加熱の問題は解決した。通常、0.5から
0.6wt%の炭素を含有する焼結棒を用いた。
【0009】2)初期融帯の形成について:図1に示す
相図からは、六ホウ化カルシウム焼結棒を分解温度まで
加熱すると、カルシウムが蒸発により失われ組成がホウ
素過剰となることで融帯が形成されるように予測される
が、実際には、六ホウ化カルシウム焼結棒の加熱では初
期融帯の形成が不可能であつた。焼結棒の密度が低いこ
と、および、カルシウムの蒸発が固相ではそれほど促進
されないことによると思われる。この問題は、上下焼結
棒の間にホウ素焼結体円盤を挟むことで解決した。即
ち、加熱初期は下にセットした焼結棒が加熱され、その
熱でホウ素円盤及び上軸にセットした原料焼結棒(図2
の5)の下端が伝導により昇温し、加熱可能になる。さ
らに、ホウ素円盤とその部分を加熱することにより、初
期融帯が形成される。その際、ホウ素円盤の厚い場合に
は、上軸の原料焼結棒の下端が昇温せず、初期融帯の形
成が困難になる。通常、1cm程度の直径を持つ結晶を
育成する場合、0.2〜0.3g程度(厚み3mm程
度)のホウ素円盤を挟み、初期融帯の組成がB/Ca=
9程度になるようにすると、融帯が形成する。しかして
融帯組成(B/Ca)が結晶育成中9から増加し30迄
の範囲において、良質な結晶が得られる。このときの初
期融帯の組成は9である。融帯組成が30以上の領域で
は含有物が増加して実際的ではない。なお、ここで良質
な結晶とは基礎物性を測定するには十分な品質をもつこ
とを意味する。溶融の際、半導体である六ホウ化カルシ
ウムの電気抵抗が急激に下がり、加熱効率が急激に良く
なる。そのため、高周波電源の出力を瞬時に2/3程度
に下げる必要がある。さもないと、溶融部分が多くなり
過ぎ、融帯の落下を引き起こし、以後の結晶育成が不可
能となる。
【0010】3)育成中の蒸発について:育成中の問題
として、蒸発がある。蒸発速度は、たとえば、FZ法に
より育成されるLaB6結晶の場合に比較して200倍
から300倍激しく、このことが融帯移動を困難にす
る。蒸発物は、金属カルシウムと六ホウ化カルシウムよ
り成っている。蒸発した金属カルシウムはコイルに付着
し、コイルの一巻一巻の間を短結して、放電を引き起こ
す。従って、出発物質として水酸化カルシウムを用いる
ことにより合成したホウ化カルシウムを用いると、2w
t%程度の酸素不純物を含有する焼結棒が得られる。そ
れを原料焼結棒として用いることで、蒸発物中のカルシ
ウム金属が水酸化カルシウムと酸化カルシウムとなり、
金属カルシウムとしての蒸発がなくなり、放電の問題は
解決する。また、原料焼結物中の酸素不純物は、初期加
熱のため焼結棒8に添加した炭素不純物を除くのに有効
である。依然として多い蒸発物は高周波コイルに多量に
付着する。付着した蒸発物が、コイル内径を小さく、融
帯に接触することで結晶育成を不可能にする。通常より
内径の大きなコイルを用いる対策にも限度がある。なぜ
ならば、半導体試料であるので加熱効率が良くないため
である。従って、育成には内径16〜18mmのワーク
コイルを使用して育成を行う。結局、育成速度を速くす
ることで対処する。50cm/hの速度においては6c
m程度の長さの結晶が得られるが、結晶はインクリュウ
ジョンを含有している。30cm/hの速度では得られ
る結晶はインクリュウジョンをほとんど含有せず、長さ
5cmの結晶を得た。育成速度をさらに下げ、5cm/
hの育成速度で長さ1cm弱の結晶を得た。融帯を保持
できる時間が、せいぜい15分から20分であるためで
ある。したがって、結晶育成が可能な速度は、5cm/
hから50cm/h、好ましくは、10cm/hから3
0cm/hである。
【0011】得られた結晶棒は、直径約1cmで5×3
×20〜30mm3程度の結晶粒よりなっていた。これ
は、高周波電源の周波数(200kHz)が低すぎたた
め、加熱電力が試料内部に入り、結晶成長界面が凹型と
なったためである。分析の結果、融帯組成はB/Ca原
子比で30、結晶組成は6.0であった。金属不純物、
酸素、窒素不純物は検出されず、炭素不純物は40pp
mであった。以上の記述は、高周波加熱によるFZ法に
おける結晶育成であるが、他の加熱方法による六ホウ化
カルシウム結晶の育成にも融帯の保持や移動等の条件が
同じであることから、高周波加熱以外の加熱方法による
結晶育成にも適応できる。
【0012】
【実施例及び比較例】
実施例 水酸化カルシウム粉末とホウ素粉末を、両者の式量比
(B/Ca(OH)2)が7になるように混合した後、
直径10mmのゴム袋に詰め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、
1700℃で加熱し、六ホウ化カルシウムを合成した。
それを粉砕し、再び直径10mmのゴム袋に詰め円柱形
に成形した。これに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、1700
℃で加熱し、直径9mm、長さ15cm程度の焼結棒を
お得た。密度は約60%であった。酸素不純物は2.4
wt%であった。
【0013】この焼結棒を図2に示すFZ育成炉の上軸
にホルダーを介し固定し、下軸には六ホウ化カルシウム
焼結体(炭素不純物0.53wt%)を固定した。上下
焼結体の間にホウ素焼結体円盤0.25gをはさむ。育
成炉に6気圧のヘリウムを充填した後、高周波コイル
(内径16mm、3巻2段)によりホウ素焼結体の周辺
部を溶かし初期融帯を形成し、30cm/hの速度で下
方に移動させ、全長5cm、直径1cmの単結晶を育成
した。融帯組成はB/Ca=30、結晶組成はB/Ca
=6.0であった。結晶は、厚さ1mmの多結晶の皮で
囲まれるが、良質な単結晶であった。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
良質な六ホウ化カルシウム単結晶が高速に育成すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Ca−B系相図。L1,L2−融液、G−気
体。太い実線は、安定に良質結晶が得られる融帯組成領
域を示す。
【図2】本発明に用いられた単結晶育成装置の一例を示
す説明図である。
【符号の説明】
1 上軸駆動部 1’ 下軸駆動部 2 上軸
2’ 下軸 3,3’ ホルダー 4 ワークコイル 5
原料焼結棒 6 融帯 7 CaB6結晶 8 焼結棒

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フローティング・ゾーン法による六ホウ
    化カルシウム(CaB6)単結晶の育成法において、融
    帯組成のB/Ca原子比を9より30に制御し、育成速
    度を5cm/hから50cm/hとして育成することを
    特徴とする六ホウ化カルシウム単結晶の育成法。
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