JPS6138160B2 - - Google Patents

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JPS6138160B2
JPS6138160B2 JP1476480A JP1476480A JPS6138160B2 JP S6138160 B2 JPS6138160 B2 JP S6138160B2 JP 1476480 A JP1476480 A JP 1476480A JP 1476480 A JP1476480 A JP 1476480A JP S6138160 B2 JPS6138160 B2 JP S6138160B2
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JP
Japan
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copper
container
copper material
torr
temperature
Prior art date
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JP1476480A
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Japanese (ja)
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JPS56114892A (en
Inventor
Tokihiko Shidara
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Priority to EP81100997A priority patent/EP0034768B1/en
Priority to DE8181100997T priority patent/DE3167133D1/en
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は銅の単結晶材の製造方法に係り、とく
に工業的に再現性のよい製造方法を提供するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing a copper single crystal material, and particularly provides a method for producing a copper single crystal material with good industrial reproducibility.

銅材は工業的にきわめて広い分野で使用されて
いることはいうまでもない。その1つの分野に電
子管の電極材料として銅材が用いられており、と
くに電子管の陽極部材として熱伝導および電気伝
導性のすぐれたこの銅材が用いられている。例え
ばX線管の陽極構体はその1つで、この用途はと
くに高温にさらされたり、動作の継続のくり返し
のため昇温,冷却がはげしくくり返される。この
ため、電子管の使用中に陽極材に粒界クラツクを
生じたり、結晶粒の成長のために熱伝導性が劣化
する現象もある。このような用途では、本発明者
の研究の結果、銅の単結晶材の使用によりこれら
の不都合を完全に解消しうることが明らかになつ
た。しかしながら、銅の単結晶材を工業的に再現
性よく製造する方法は従来確立されていない。
It goes without saying that copper materials are used in a wide range of industrial fields. In one such field, copper material is used as an electrode material for electron tubes, and in particular, this copper material, which has excellent thermal conductivity and electrical conductivity, is used as an anode member of electron tubes. For example, the anode structure of an X-ray tube is one example, and this application is particularly exposed to high temperatures, and the temperature is repeatedly raised and cooled due to repeated operation. For this reason, during use of the electron tube, grain boundary cracks may occur in the anode material, and thermal conductivity may deteriorate due to the growth of crystal grains. As a result of research conducted by the present inventors, it has become clear that these disadvantages can be completely eliminated in such applications by using a copper single crystal material. However, no method has been established to industrially produce copper single crystal materials with good reproducibility.

本発明は以上のような要請に応えるもので、再
現性のよい銅単結晶材の製造方法を提供するもの
である。
The present invention meets the above-mentioned needs and provides a method for producing a copper single crystal material with good reproducibility.

すなわち、その要点は次の通りである。 That is, the main points are as follows.

第1に、水素のような高純度の還元性低圧ガス
雰囲気のもとで銅素材を還元純化することであ
る。
First, the copper material is reductively purified in an atmosphere of a high-purity reducing low-pressure gas such as hydrogen.

第2に、結晶核の形成速度が実質的に零になる
ように固化晶出時の過冷却を抑制するとともに結
晶成長速度を最大限に促進させるように溶融銅材
の固化晶出温度(1083℃)前後を5℃/分以下と
いう徐冷速度にする。
Second, the solidification and crystallization temperature of the molten copper material (1083 ℃) The slow cooling rate is set to 5℃/min or less.

第3に、大量生産に適するように銅素材を収容
する容器として内部空間の一部に凹みを有するも
のを使用し、しかもこの凹みを加熱炉内の温度降
下時に相対的に温度分布の一番低くなる位置に置
き、この部分から核発生、結晶成長するようにす
る。これによつてあたかもこの部分に種結晶を入
れて核としその上に銅液体を凝固させると同様の
条件をつくり出すことである。
Thirdly, in order to be suitable for mass production, we use a container that has a recess in a part of the internal space to house the copper material, and this recess is located at the top of the relative temperature distribution when the temperature in the heating furnace decreases. Place it in a low position so that nucleation and crystal growth occur from this part. This creates the same conditions as if a seed crystal were placed in this area to form a nucleus and the copper liquid was solidified on top of it.

以下図面を参照しながらその実施例を説明す
る。
Examples thereof will be described below with reference to the drawings.

第1図および第2図は本発明の方法を実施する
のに用いる装置の例である。この装置は、石英ベ
ルジヤーからなり内部を真空状態に減圧し且つ加
熱できる減圧加熱炉11が、その開口端部に気密
になるように配置されたパツキング12を介して
フランジ13上に載置されている。フランジ13
は排気導管14とバルブ15とを介して油回転ポ
ンプ16に接続されている。加熱炉11内には、
フランジ13上に載置された中空円筒の素焼台1
7を介して、グラフアイトのような難溶性金属か
らなる複数個の容器18がサークル状に設置され
ている。この容器18は上面がテーパ状に成形さ
れた底部壁18aと、円筒部18bとが一体に固
着されたものである。これによつて容器の内部空
間の底には最も凹んだテーパエツジ部18cが形
成される。素焼台17の上面には、ガス導入孔1
9があけてあり、また側面には数個の排気孔(図
示せず)が開けられている。排気導管14の底部
を貫通し、排気導管14内を通つて一端を素焼台
17内に突出開口したガス導入ノズル20を備
え、他端を微少リークバルブ21を介して高純度
水素ガス供給源22に接続した小導管23が設け
られている。加熱炉11の外周には高周波誘導加
熱用コイル24が巻かれており、これによつて炉
内が加熱される。
1 and 2 are examples of apparatus used to carry out the method of the invention. In this device, a vacuum heating furnace 11 made of a quartz bell gear and capable of reducing the internal pressure to a vacuum state and heating the furnace is placed on a flange 13 via a packing 12 that is airtightly arranged at the open end of the furnace. There is. Flange 13
is connected to an oil rotary pump 16 via an exhaust conduit 14 and a valve 15. Inside the heating furnace 11,
A hollow cylindrical bisque baking table 1 placed on a flange 13
A plurality of containers 18 made of a hardly soluble metal such as graphite are placed in a circle via 7 . This container 18 has a bottom wall 18a whose upper surface is tapered and a cylindrical portion 18b which are fixed together. As a result, the most concave tapered edge portion 18c is formed at the bottom of the internal space of the container. A gas introduction hole 1 is provided on the top surface of the bisque baking table 17.
9 and several exhaust holes (not shown) on the sides. A gas introduction nozzle 20 is provided which penetrates the bottom of the exhaust conduit 14 and has one end protruding into the bisque baking table 17 through the inside of the exhaust conduit 14, and the other end is connected to a high purity hydrogen gas supply source 22 via a minute leak valve 21. A small conduit 23 is provided which is connected to. A high-frequency induction heating coil 24 is wound around the outer periphery of the heating furnace 11, and the inside of the furnace is heated by this.

そこで、第3図に示すように各容器18内にブ
ロツク状の銅素材25を入れ、これを加熱炉11
内にサークル状に並らべる。このとき、各容器1
8は底面のテーパエツヂ部18cすなわち凹みの
先端部が各々外向きになるように配置する。すな
わち炉の中心に対して各容器すべてのエーパエツ
ヂ部18cが外側に向けられる。
Therefore, as shown in FIG.
Arrange them in a circle inside. At this time, each container 1
8 are arranged so that the tapered edge portions 18c on the bottom surface, that is, the tips of the recesses, respectively, face outward. That is, all the edge portions 18c of each container are directed outward with respect to the center of the furnace.

この状態にして油回転ポンプ16を作動させて
バルブ15を開らき、加熱炉内を10-1〜10-2トー
ル(Torr)に排気する。
In this state, the oil rotary pump 16 is operated, the valve 15 is opened, and the inside of the heating furnace is evacuated to 10 -1 to 10 -2 Torr.

次に油回転ポンプ16を作動させたまま、微少
リークバルブ21を開らき、水素を導入し、炉内
を数トール乃至数10トール、例えば8〜10トール
(Torr)に調整する。かくして水素ガスは炉内の
不純ガスを置換洗浄し、油回転ポンプ16によつ
て排出される循環経路がつくられる。
Next, with the oil rotary pump 16 operating, the minute leak valve 21 is opened, hydrogen is introduced, and the inside of the furnace is adjusted to several Torr to several tens of Torr, for example, 8 to 10 Torr. In this way, a circulation path is created in which the hydrogen gas displaces and cleans the impure gas in the furnace and is discharged by the oil rotary pump 16.

次に第4図に示す温度上昇ステツプにしたがつ
て加熱コイルで炉内を加熱する。この工程は、図
中に示すように大別して3つの領域に区分でき
る。
Next, the inside of the furnace is heated with a heating coil according to the temperature raising steps shown in FIG. This process can be roughly divided into three areas as shown in the figure.

領域Aは、予備脱ガス工程であり、容器18内
を800〜900℃に保持し、容器および銅素材25の
還元清浄化をはかる工程である。これは各々の表
面部分の不純物を除去できるように充分時間をと
る。これは、後述する領域Cでの固化晶出時の核
の形成速度を助長しやすい不純物の種発生を抑制
するうえで重要である。
Region A is a preliminary degassing step, in which the inside of the container 18 is maintained at 800 to 900° C., and the container and the copper material 25 are cleaned by reduction. This allows sufficient time to remove impurities from each surface area. This is important in suppressing the generation of impurity seeds that tend to accelerate the formation rate of nuclei during solidification and crystallization in region C, which will be described later.

次に領域Bに移行する。この工程は、容器や銅
素材が清浄になつたところで加熱温度を融点以
上、好ましくは1200〜1300℃に上げる。これによ
つて、銅材から激しくガス放出が起こるが、5〜
10分間水素ガス導入を継続する。溶融した銅材の
中の酸素を溶解した水素ガスによつて積極的に水
として除去できる。このあと、水素導入を止め
る。これによつて銅材に溶解していた水素は速や
かに炉外へ排出される。水素を排出した状態は約
10-2Torr以下の真空圧にする。
Next, move to area B. In this step, once the container and copper material are clean, the heating temperature is raised to above the melting point, preferably 1200 to 1300°C. This causes intense gas release from the copper material, but 5~
Continue introducing hydrogen gas for 10 minutes. Oxygen in the molten copper material can be actively removed as water using dissolved hydrogen gas. After this, stop introducing hydrogen. As a result, the hydrogen dissolved in the copper material is quickly discharged out of the furnace. The state with hydrogen discharged is approx.
Make the vacuum pressure less than 10 -2 Torr.

次に領域Cに移行する。この工程は単結晶を得
る徐冷工程である。この工程ではとくに過冷却を
なくし、核発生速度を実質的に零にし、なおかつ
結晶成長を促進させる。本発明者の実験によれ
ば、この工程では銅の固化晶出温度(1083℃)の
前後の温度領域を5℃/分以下の下降温度速度で
徐冷することが単結晶を再現性よく、しかも工業
的に十分量産性ある方法として重要であることを
確認した。この徐冷速度は、高周波加熱コイルに
供給する高周波電力を徐々に下げることで容易に
制御できる。
Next, move to area C. This step is a slow cooling step to obtain a single crystal. In particular, this process eliminates supercooling, reduces the nucleation rate to substantially zero, and promotes crystal growth. According to the inventor's experiments, in this process, slow cooling in the temperature range around the solidification and crystallization temperature of copper (1083°C) at a temperature decreasing rate of 5°C/min or less produces a single crystal with good reproducibility. Moreover, it was confirmed that this method is important as a method that can be industrially mass-produced. This slow cooling rate can be easily controlled by gradually lowering the high frequency power supplied to the high frequency heating coil.

約900℃以下の固化晶出後は、領域Dで示す如
さく窒素ガスによる急冷をおこなう。これによつ
て工程の短縮をはかる。こうして銅の単結晶材を
得る。
After solidification and crystallization at about 900° C. or lower, rapid cooling is performed using nitrogen gas as shown in region D. This will shorten the process. In this way, a copper single crystal material is obtained.

本発明により得られた銅の単結晶材は、化学エ
ツチング、X線回析、ラウエ写真像のいずれにお
いても単結晶構造を立証できた。以上のような例
で、直径38mm,長さ100mmの銅単結晶材を一度に
10本得た。
The single crystal structure of the copper single crystal material obtained according to the present invention was confirmed by chemical etching, X-ray diffraction, and Laue photographic images. In the above example, a copper single crystal material with a diameter of 38 mm and a length of 100 mm is processed at once.
I got 10 pieces.

なお、上述の水素導入圧力は陽極材料への酸化
性ガスのとび込み防止及び還元雰囲気の作成のた
めには少なくても数Torrは必要である。又油回
転ポンプの安全動作、水素の消費量及び溶融して
いる銅材への不純ガスによる巣の発生防止等を考
慮すれば、上限水素圧力は、数10Torrにとどめ
るのが好ましい。
Note that the hydrogen introduction pressure described above is required to be at least several Torr in order to prevent oxidizing gas from penetrating into the anode material and to create a reducing atmosphere. Furthermore, in consideration of the safe operation of the oil rotary pump, the amount of hydrogen consumed, and the prevention of cavities caused by impure gas in the molten copper material, it is preferable that the upper limit hydrogen pressure is kept at several tens of Torr.

又上述の徐冷速度は、ゆるやかであるほど良好
であるが、工業的見地すなわち大量生産の見地か
らは5℃/分以下が単結晶化の上限である。
The slower the slow cooling rate, the better; however, from an industrial standpoint, ie, from the standpoint of mass production, the upper limit for single crystallization is 5° C./min or less.

そして、容器内にテーパエツヂ部すなわち凹み
を形成して、しかもこのエツジ部を炉の外側に向
けて配置して製造することにより一層再現性のよ
い方法となる。すなわち、徐冷工程において円筒
状加熱炉および誘導加熱により温度を下げるので
中央部にくらべて周辺の方がわずかではあるが熱
放散のため早く温度降下し、しかもテーパエツヂ
部が熱容量としても他の部分より小さいため最も
早く温度降下しここに核の発生生場所を限定する
ことができる。このため、固化晶出がこの部分か
らはじまり、全体に進行して単結晶構造が確実に
得られる。
A method with even better reproducibility can be obtained by forming a tapered edge, that is, a recess, in the container and arranging this edge toward the outside of the furnace. In other words, in the slow cooling process, the temperature is lowered using a cylindrical heating furnace and induction heating, so the temperature decreases faster at the periphery than at the center due to heat dissipation, although the temperature is lower at the periphery than at the center. Because it is smaller, the temperature drops the quickest, making it possible to limit the location where nuclei can occur. Therefore, solidification and crystallization starts from this portion and progresses throughout, ensuring that a single crystal structure is obtained.

第5図乃至第7図に示す実施例は、銅素材を収
容するための容器18として、内側底部の隅に1
つの穴状の凹み18cを形成したものを用いる場
合である。すなわちこの容器18は平担な底に凹
み18cを形成しこの凹み18cを加熱炉11内
に装着したときすべて外方向に向けて配置する。
これを用いた場合も前述の実施例のテーパエツヂ
部に本実施例の凹みが対応し、溶融銅材は容器の
凹み部分から晶出しはじめ全体に進行して単結晶
が得られる。
In the embodiment shown in FIGS. 5 to 7, a container 18 for containing a copper material is provided, and a container 18 is provided at the inner bottom corner.
This is a case where one in which two hole-shaped recesses 18c are formed is used. That is, this container 18 has a recess 18c formed in its flat bottom, and when installed in the heating furnace 11, all the recesses 18c are arranged facing outward.
Even when this is used, the concave portion of this embodiment corresponds to the taper edge portion of the previous embodiment, and the molten copper material begins to crystallize from the concave portion of the container and progresses throughout the container to obtain a single crystal.

このように容器の内部室間の底部の一部にテー
パエツヂ部あるいは第5図乃至第7図のような穴
状の凹みを形成したものを用い、しかもこれを加
熱炉の外側すなわち温度降下の際に最も温度分布
の低くなるところに向けて位置させ徐冷すること
により、再現性よく銅の単結晶体を得ることがで
きる。
In this way, a tapered edge part or a hole-shaped recess as shown in Figs. A single crystal of copper can be obtained with good reproducibility by positioning it toward the point where the temperature distribution is lowest and slowly cooling it.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の方法の実施に用いる装置の例
を示す縦断面図、第2図はその横断面図、第3図
はその要部縦断面図、第4図は温度制御図、第5
図は他の実施例、第6図は第5図の6―6におけ
る横断面図、第7図は第2図に対応する概略断面
図である。 11…加熱炉、16…排気ポンプ、18…容
器、18c…凹み(テーパエツヂ部)、22…ガ
ス源、24…加熱コイル、25…銅素材。
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing an example of an apparatus used to carry out the method of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view thereof, FIG. 5
The figures show another embodiment, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line 6--6 in FIG. 5, and FIG. 7 is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 2. DESCRIPTION OF SYMBOLS 11... Heating furnace, 16... Exhaust pump, 18... Container, 18c... Recess (taper edge part), 22... Gas source, 24... Heating coil, 25... Copper material.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 減圧加熱炉内に銅素材を収容した容器を配置
し、低圧還元ガス雰囲気下で銅素材を加熱する工
程と、この工程の次に銅素材を溶融するとともに
上記還元ガスを排出する工程と、この工程ののち
銅の固化晶出温度前後の温度領域を5℃/分以下
の下降温度速度で徐冷する工程とを具備する銅の
単結晶材の製造方法。 2 低圧還元ガス雰囲気を、数トール(Torr)
乃至数10トール(Torr)の圧力範囲とした特許
請求の範囲第1項記載の製造方法。 3 銅素材を収容する容器として、内部空間の一
部に凹みを有する容器を用いる特許請求の範囲第
1項記載の製造方法。 4 銅素材を収容する容器を減圧加熱炉内にサー
クル状に配置するとともに、各容器の凹みを炉の
外方に向けて配置する特許請求の範囲第1項記載
の製造方法。
[Scope of Claims] 1. A step of placing a container containing a copper material in a reduced pressure heating furnace and heating the copper material in a low pressure reducing gas atmosphere, and following this step, melting the copper material and heating the copper material with the reducing gas. A method for producing a copper single crystal material, comprising the steps of: discharging the copper; and, after this step, slowly cooling the temperature in a temperature range around the solidification and crystallization temperature of copper at a temperature decreasing rate of 5° C./min or less. 2 Set the low pressure reducing gas atmosphere to several torr (Torr).
The manufacturing method according to claim 1, wherein the pressure range is from several tens of Torr to several tens of Torr. 3. The manufacturing method according to claim 1, wherein a container having a recess in a part of the internal space is used as the container for accommodating the copper material. 4. The manufacturing method according to claim 1, wherein the containers containing the copper material are arranged in a circle in a reduced-pressure heating furnace, and the recesses of each container are directed toward the outside of the furnace.
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EP81100997A EP0034768B1 (en) 1980-02-12 1981-02-12 Method for manufacturing an anode of an x-ray tube
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