JPS606915B2 - 炭化チタン単結晶の育成法 - Google Patents
炭化チタン単結晶の育成法Info
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- JPS606915B2 JPS606915B2 JP56156500A JP15650081A JPS606915B2 JP S606915 B2 JPS606915 B2 JP S606915B2 JP 56156500 A JP56156500 A JP 56156500A JP 15650081 A JP15650081 A JP 15650081A JP S606915 B2 JPS606915 B2 JP S606915B2
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/36—Carbides
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はフローティング・ゾーン法（以下ＦＺ法と言う
）による炭化チタン単結晶の育成法に関する。
）による炭化チタン単結晶の育成法に関する。
炭化チタンは極めて融点（３１０び○）が高く、また高
い硬度（ピッカース硬度３０００ｋｇ／側２）を有する
ので、各種の超硬工具としてまた表面保護材として広く
実用に供せられている。
い硬度（ピッカース硬度３０００ｋｇ／側２）を有する
ので、各種の超硬工具としてまた表面保護材として広く
実用に供せられている。
また高温でかなりの靭性を有し、かつ耐酸化性も比較的
良好であるので、高温構造材としても期待されている。
最近では電子材料への応用も検討され、仕事函数（３．
２＄ｖ）が低く、高温での蒸発が少なく、且つ化学的に
も安定であるので、電子ェミッター材、特にフィールド
・ェミツター材としての利用が検討されている。フィー
ルド・ェミッター材としてては単結晶が用いられ、超硬
材、高温構造材等の用途には通常焼綾体が用いられるが
、材料の特性を正しく把握するためには、充分特性づけ
られた結晶を用いることが重要である。従来の炭化チタ
ン単結晶の育成法としては、フラツクス法、気相法、ア
ークベルヌーィ法、ＦＺ法等が知られている。
良好であるので、高温構造材としても期待されている。
最近では電子材料への応用も検討され、仕事函数（３．
２＄ｖ）が低く、高温での蒸発が少なく、且つ化学的に
も安定であるので、電子ェミッター材、特にフィールド
・ェミツター材としての利用が検討されている。フィー
ルド・ェミッター材としてては単結晶が用いられ、超硬
材、高温構造材等の用途には通常焼綾体が用いられるが
、材料の特性を正しく把握するためには、充分特性づけ
られた結晶を用いることが重要である。従来の炭化チタ
ン単結晶の育成法としては、フラツクス法、気相法、ア
ークベルヌーィ法、ＦＺ法等が知られている。
その中でも大型の高純度単結晶を育成するには、Ｆ２矢
が適している。炭化チタンは広い不定比領域を持ってい
るので、通常のＦＺ法で単結晶榛を育成すると、始端部
から終端部にかけて炭素の濃度勾配が生じ、組成の均一
な単結晶棒が得られない欠点があった。この欠点をなく
するため、焼結体ロッド組成を希望する結晶組成とし、
融帯の組成を初期の形成時から希望する結晶組成と共存
する液相組成として融帯移動を行うことが試みられた。
この場合雰囲気を融帯からの蒸発による融帯組成が変化
しないように、高い雰囲気圧（例えば１疎気圧）を用い
て蒸発をおさえ、融帯移動中融帯組成を一定に保つこと
が必要であった。このような方法で育成された結晶樺は
多結晶体の厚さ約１肌の皮が常に存在し、中Ｄ部の結晶
部分も最大４度方位のずれたサブグレンよりなる品質の
悪いものしか得られない欠点があった。本発明は前記の
方法における如き欠点のない、良質で希望する均一組成
を持つ単結晶榛を得ることができる炭化チタンの単結晶
の育成方法を提供するにある。
が適している。炭化チタンは広い不定比領域を持ってい
るので、通常のＦＺ法で単結晶榛を育成すると、始端部
から終端部にかけて炭素の濃度勾配が生じ、組成の均一
な単結晶棒が得られない欠点があった。この欠点をなく
するため、焼結体ロッド組成を希望する結晶組成とし、
融帯の組成を初期の形成時から希望する結晶組成と共存
する液相組成として融帯移動を行うことが試みられた。
この場合雰囲気を融帯からの蒸発による融帯組成が変化
しないように、高い雰囲気圧（例えば１疎気圧）を用い
て蒸発をおさえ、融帯移動中融帯組成を一定に保つこと
が必要であった。このような方法で育成された結晶樺は
多結晶体の厚さ約１肌の皮が常に存在し、中Ｄ部の結晶
部分も最大４度方位のずれたサブグレンよりなる品質の
悪いものしか得られない欠点があった。本発明は前記の
方法における如き欠点のない、良質で希望する均一組成
を持つ単結晶榛を得ることができる炭化チタンの単結晶
の育成方法を提供するにある。
本発明者らは前記目的を達成すべく研究の結果、育成中
の結晶棒の周囲を冷却している雰囲気の圧力を０．１〜
７気圧に下げて単結晶の育成を試み、この場合、雰囲気
圧が低いため、融帯からの蒸発による組成変化が生ずる
が、それを打消すように、糠結体ロッド‘こ得ようとす
る炭化チタン単結晶の組成に炭素あるいはチタン金属（
または酸化物）を添付して焼結したものを使用し、育成
中融帯の組成を常に得ようとする単結晶と共存する液相
組成となるようにして育成したところ、結晶棒の周囲に
殆んど多結晶体の皮は存在ず、結晶榛全体が結晶性のよ
い単結晶であり、またエッチビット密度の測定から、５
×１『／のと、従来の値の半分にすることができること
を知見し得た。
の結晶棒の周囲を冷却している雰囲気の圧力を０．１〜
７気圧に下げて単結晶の育成を試み、この場合、雰囲気
圧が低いため、融帯からの蒸発による組成変化が生ずる
が、それを打消すように、糠結体ロッド‘こ得ようとす
る炭化チタン単結晶の組成に炭素あるいはチタン金属（
または酸化物）を添付して焼結したものを使用し、育成
中融帯の組成を常に得ようとする単結晶と共存する液相
組成となるようにして育成したところ、結晶棒の周囲に
殆んど多結晶体の皮は存在ず、結晶榛全体が結晶性のよ
い単結晶であり、またエッチビット密度の測定から、５
×１『／のと、従来の値の半分にすることができること
を知見し得た。
この知見に基いて本発明を完成した。本発明の方法に用
いるＦＺ法を図面に基いて説明する。
いるＦＺ法を図面に基いて説明する。
第１図は本発明の方法に用いるＦＺ法の装置の概念図で
ある。装置としては「例えばＡＤＬ社製の高圧タイプの
結晶育成炉が用いられる。第１図において、１はシャフ
ト、２はホルダー、３は焼結体ロッド、４はＴＩＣ結晶
榛、５は融帯、６はＲＦコイルである。長さ１０〜２０
ｃｍの焼結体ロッド３の端をＲＦコイルから高周波を発
生させて誘導加熱溶融させて融帯５を形成し、ホルダー
２に保持された暁結体ロッド３をゆっくり移動させて結
晶を育成させる。
ある。装置としては「例えばＡＤＬ社製の高圧タイプの
結晶育成炉が用いられる。第１図において、１はシャフ
ト、２はホルダー、３は焼結体ロッド、４はＴＩＣ結晶
榛、５は融帯、６はＲＦコイルである。長さ１０〜２０
ｃｍの焼結体ロッド３の端をＲＦコイルから高周波を発
生させて誘導加熱溶融させて融帯５を形成し、ホルダー
２に保持された暁結体ロッド３をゆっくり移動させて結
晶を育成させる。
この時の融帯５の移動速度は０．２〜１０肌／ｈが適当
である。移動方向は上下いずれの方向でもよい。雰囲気
はアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが使用される。こ
れは組成成分の蒸発の抑制と、ＲＦコイル間及びコィル
ルと試料間の放電の抑制の作用をする。本発明において
は、雰囲気圧を０．１〜７気圧に保つ、これにより圧力
が低いと蒸発が非常に激しくなり融帯移動が困難となり
、またこれより高いと育成された結晶棒の温度勾配が大
きくなり過ぎ、サブグレンよりなる単結晶となる。融帯
の組成は得ようとする単結晶と共存する液相組成を相図
より求めてその組成とする。
である。移動方向は上下いずれの方向でもよい。雰囲気
はアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが使用される。こ
れは組成成分の蒸発の抑制と、ＲＦコイル間及びコィル
ルと試料間の放電の抑制の作用をする。本発明において
は、雰囲気圧を０．１〜７気圧に保つ、これにより圧力
が低いと蒸発が非常に激しくなり融帯移動が困難となり
、またこれより高いと育成された結晶棒の温度勾配が大
きくなり過ぎ、サブグレンよりなる単結晶となる。融帯
の組成は得ようとする単結晶と共存する液相組成を相図
より求めてその組成とする。
暁結体ロッドの組成は各種の組成を持つロッドを使用し
トその都度融帯組成をその液相組成としてＦＺ法を行い
、得られる結晶組成からその組成を選べばよい。
トその都度融帯組成をその液相組成としてＦＺ法を行い
、得られる結晶組成からその組成を選べばよい。
但し「この場合、得ようとする炭化チタン単結晶の組成
に溶融時に融帯から蒸発するチタンおよび炭素成分を加
えたものとする。本発明におけるＦＺ法を行う方法とし
ては、（１’ 暁綾体ロッドを２分し、下部に原料の焼
鯖体ロッド、上部に融帯組成ロッドとしト先ず上部の融
帯組成ロッドを溶かして融帯を生成させ、焼結体ロッド
を上方に向って移動させる方法。また上「下のロッドを
逆に設け「下方に向って移動させる方法。｛２） 上下
に焼結体ロッドを設け「その間に融帯組成ロッドまたは
溶かすと融帯組成になる量の炭素板と金属チタンをはさ
み、先ず融帯部分を溶かした後、焼結体ロッドを上下い
ずれかの方向に移動させる方法。
に溶融時に融帯から蒸発するチタンおよび炭素成分を加
えたものとする。本発明におけるＦＺ法を行う方法とし
ては、（１’ 暁綾体ロッドを２分し、下部に原料の焼
鯖体ロッド、上部に融帯組成ロッドとしト先ず上部の融
帯組成ロッドを溶かして融帯を生成させ、焼結体ロッド
を上方に向って移動させる方法。また上「下のロッドを
逆に設け「下方に向って移動させる方法。｛２） 上下
に焼結体ロッドを設け「その間に融帯組成ロッドまたは
溶かすと融帯組成になる量の炭素板と金属チタンをはさ
み、先ず融帯部分を溶かした後、焼結体ロッドを上下い
ずれかの方向に移動させる方法。
（３｝ 通常のＦ２去を行うと、融帯移動を行うにつれ
、融帯組成が「その共存液相組成に近づいて行く。
、融帯組成が「その共存液相組成に近づいて行く。
そのため、十分融帯移動を行い、融帯組成が共存液相組
成に一致した時、融帯部分を固化させて、これを用いて
‘１｝の方法により一瞬にして、融帯を形成する組成の
結晶を育成する方法。が挙げられる。
成に一致した時、融帯部分を固化させて、これを用いて
‘１｝の方法により一瞬にして、融帯を形成する組成の
結晶を育成する方法。が挙げられる。
結晶の育成条件は上下のシャフトに回転を与えることに
より融帯の鷹枠を促進し「 ゾ−ンパスを容易にするこ
とができる。
より融帯の鷹枠を促進し「 ゾ−ンパスを容易にするこ
とができる。
本発明において使用する暁結体ロッドは炭化チタンが広
い不定比領域を持つため、種々の組成のものを用意する
。
い不定比領域を持つため、種々の組成のものを用意する
。
例えば市販の炭化チタン粉末に、チタン金属あるいは発
光分光分析用カーボンを混合することにより目的の組成
の暁給体ロッドを作ることができる。原料純度は高い方
が好ましく、通常９塁重量％以上、好ましくは９塁重量
％以上のものがよい。そして平均粒径１０以下であるこ
とが好ましい。暁結体ロッドの形状は、角柱（例えば１
０×１０×２０仇肋３ 、１５×１５×１０仇吻３ ）
、円柱（例えば、１０４×１５仇肋３ ）等を通常使用
するが、任意の形状でよい。
光分光分析用カーボンを混合することにより目的の組成
の暁給体ロッドを作ることができる。原料純度は高い方
が好ましく、通常９塁重量％以上、好ましくは９塁重量
％以上のものがよい。そして平均粒径１０以下であるこ
とが好ましい。暁結体ロッドの形状は、角柱（例えば１
０×１０×２０仇肋３ 、１５×１５×１０仇吻３ ）
、円柱（例えば、１０４×１５仇肋３ ）等を通常使用
するが、任意の形状でよい。
成形方法としては、均一な密度の成形体を得るため、ラ
バープレスを用いるのが好ましい。成形圧は通常ｌｔ／
めである。次に成形体を暁結する。
バープレスを用いるのが好ましい。成形圧は通常ｌｔ／
めである。次に成形体を暁結する。
焼結は通常１５００〜２０００℃で０．３〜６時間行う
。焼結雰囲気としては、真空、不活性ガス下で行い、使
用する焼結炉はどのようなものでもよいが、高周波譲導
加熱炉が便利である。このような条件下で得られる焼結
体ロッドの密度は６０〜８０％である。なお、暁結工程
で凝結体の化学組成が多少ずれるのが普通であるから、
厳密に制御するには焼結体の組成分析を行い、配合組成
と暁給組成との対応をつけておくことが好ましい。本発
明の方法によると、不活性ガス雰囲気圧が０．１〜７気
圧と低いため、融帯からの蒸発が起るが、焼結体ロッド
の組成を得ようとする炭化チタンの単結晶組成より、熔
融する際に蒸発する量の炭素及びチタンを加えているた
め、融帯移動の間、得ようとする単結晶の組成に保持し
得られ、かつ育成される結晶棒の温度勾配も小さく、良
質の単結晶が得られる。
。焼結雰囲気としては、真空、不活性ガス下で行い、使
用する焼結炉はどのようなものでもよいが、高周波譲導
加熱炉が便利である。このような条件下で得られる焼結
体ロッドの密度は６０〜８０％である。なお、暁結工程
で凝結体の化学組成が多少ずれるのが普通であるから、
厳密に制御するには焼結体の組成分析を行い、配合組成
と暁給組成との対応をつけておくことが好ましい。本発
明の方法によると、不活性ガス雰囲気圧が０．１〜７気
圧と低いため、融帯からの蒸発が起るが、焼結体ロッド
の組成を得ようとする炭化チタンの単結晶組成より、熔
融する際に蒸発する量の炭素及びチタンを加えているた
め、融帯移動の間、得ようとする単結晶の組成に保持し
得られ、かつ育成される結晶棒の温度勾配も小さく、良
質の単結晶が得られる。
しかも、得られる炭化チタン単結晶の組成が始端部、中
央部、終端部においても変化がなく、均一な組成のもの
が容易に得られ、また希望する組成を有する良質、大型
の結晶が得られる優れた効果を奏し得られる。＜実施例
＞ 組成Ｃ／Ｔｉ＝０．９６を有する単結晶棒を得るために
、ヘリウム雰囲気下３気圧、育成速度０．５伽／ｈ、上
下のシャフトはそれぞれ駅ＰＭ．の条件において、融帯
移動を試みた。
央部、終端部においても変化がなく、均一な組成のもの
が容易に得られ、また希望する組成を有する良質、大型
の結晶が得られる優れた効果を奏し得られる。＜実施例
＞ 組成Ｃ／Ｔｉ＝０．９６を有する単結晶棒を得るために
、ヘリウム雰囲気下３気圧、育成速度０．５伽／ｈ、上
下のシャフトはそれぞれ駅ＰＭ．の条件において、融帯
移動を試みた。
融帯の組成は、育成中常に、相図よりＣ／Ｔｉ＝１．３
に保つ必要がある。
に保つ必要がある。
初期形成の時からその組成とするため、上下にセットさ
れた暁結体ロッドの間に、約０．１夕の黒鉛円板をはさ
み、その部分を溶かす事により、融帯を形成した。暁結
体ロッドの組成は、融帯からの優先的な炭素の蒸発のた
め、希望する結晶組成（Ｃ／Ｔｉ＝０．９６）より、炭
素をより含んだ組成にする必要がある。
れた暁結体ロッドの間に、約０．１夕の黒鉛円板をはさ
み、その部分を溶かす事により、融帯を形成した。暁結
体ロッドの組成は、融帯からの優先的な炭素の蒸発のた
め、希望する結晶組成（Ｃ／Ｔｉ＝０．９６）より、炭
素をより含んだ組成にする必要がある。
その量を決めるため、Ｃ／Ｔｉ＝０．９６の焼結体ロッ
ドを用い先の条件下で、予備実験を行ったところ、Ｃ／
Ｔｊ＝０．９境組成を持つ結晶が定常的に得られる事が
わかつた。この事よりＣ／Ｔｉ＝０．９６組成を持つ結
晶を得るために、Ｃ／Ｔｉ＝０．９８（＝０．９６十（
０．９６一０．９４））組成を持つ隣結体ロッドを用い
、結晶を育成した。得られた結晶棒は、直径約１肌、長
さ６肌であった。分析の結果、遊離炭素は全く存在せず
、始端部、中央部、終機部の結合炭素は、それぞれ１９
．４４，１９．３９，１９．３笹重量％であった。組成
にして、Ｃ／Ｔｉ＝０．９６２，０．９５９，０．９５
９であった。さらに、結晶棒の周辺部と中心部を分析し
た所、それぞれＣ／Ｔｉ＝０．９６４，０．９５７であ
り、得られる結晶健全体が殆んど均一な組成であること
がわかった。なお、得られた結晶棒には、多結晶体の皮
は存在せず、非常に良質の単結晶であった。
ドを用い先の条件下で、予備実験を行ったところ、Ｃ／
Ｔｊ＝０．９境組成を持つ結晶が定常的に得られる事が
わかつた。この事よりＣ／Ｔｉ＝０．９６組成を持つ結
晶を得るために、Ｃ／Ｔｉ＝０．９８（＝０．９６十（
０．９６一０．９４））組成を持つ隣結体ロッドを用い
、結晶を育成した。得られた結晶棒は、直径約１肌、長
さ６肌であった。分析の結果、遊離炭素は全く存在せず
、始端部、中央部、終機部の結合炭素は、それぞれ１９
．４４，１９．３９，１９．３笹重量％であった。組成
にして、Ｃ／Ｔｉ＝０．９６２，０．９５９，０．９５
９であった。さらに、結晶棒の周辺部と中心部を分析し
た所、それぞれＣ／Ｔｉ＝０．９６４，０．９５７であ
り、得られる結晶健全体が殆んど均一な組成であること
がわかった。なお、得られた結晶棒には、多結晶体の皮
は存在せず、非常に良質の単結晶であった。
第１図はＦＺ法の概念図。
１：シャフト、２：ホルダー、３：焼結体ロッド、４：
ＴＩＣ結晶棒、５：融帯、６：ＲＦコィノレ。 髪ー図
ＴＩＣ結晶棒、５：融帯、６：ＲＦコィノレ。 髪ー図
Claims (1)
- １ 焼結体ロツドの両端をホルダーで支持し、不活性ガ
ス雰囲気下で焼結体ロツドを移動しつつ高周波等の加熱
源で加熱する所謂フローテイング・ゾーン法により炭化
チタン単結晶を育成する方法において、雰囲気下を０．
１〜７気圧とし、焼結体ロツドの組成を得ようとする炭
化チタン単結晶の組成に溶融時に融帯から蒸発するチタ
ンあるいは炭素の成分を加えたものとし、且つ融帯部に
得ようとする炭化チタン単結晶の固相成分と共存する液
相成分からなる融帯を形成させるようにして育成するこ
とを特徴とする炭化チタン単結晶の育成法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56156500A JPS606915B2 (ja) | 1981-10-01 | 1981-10-01 | 炭化チタン単結晶の育成法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56156500A JPS606915B2 (ja) | 1981-10-01 | 1981-10-01 | 炭化チタン単結晶の育成法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5860699A JPS5860699A (ja) | 1983-04-11 |
| JPS606915B2 true JPS606915B2 (ja) | 1985-02-21 |
Family
ID=15629114
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56156500A Expired JPS606915B2 (ja) | 1981-10-01 | 1981-10-01 | 炭化チタン単結晶の育成法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS606915B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6117471A (ja) * | 1984-07-05 | 1986-01-25 | 三菱マテリアル株式会社 | 炭窒化チタン材の製造方法 |
| EP1088912A1 (fr) | 1999-09-28 | 2001-04-04 | Forschungsverbund Berlin e.V. | Croissance en solution dans une zone flottante de cristaux d'un composé ou d'un alliage |
-
1981
- 1981-10-01 JP JP56156500A patent/JPS606915B2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5860699A (ja) | 1983-04-11 |
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