JPS62225886A

JPS62225886A - ルツボ

Info

Publication number: JPS62225886A
Application number: JP6726286A
Authority: JP
Inventors: 俊一郎田中; 光芳遠藤; 水野谷　信幸; 英樹佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1987-10-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は特定の金属及び単結晶材料とぬれないために前
記材料に不純物が混入することがなく、また熱伝導性及
び耐熱衝撃性が優れているようなルツボに関する。

（従来の技術）ルツボは、例えば融解、１焼、仮焼、焼結及び冶金など
の高温処理又は高温反応を行う際に用いられるものであ
り、処理を行う物質の性質や目的及び用途に応じて種々
の材質及び形状のものが知られている。

例えば銀、金、銅、錫、鉛などの金属材料を溶融処理す
るためのルツボとしては例えば白金、カーボン、窒化ホ
ウ素、アルミナ及び磁製ルツボが用いられている。しか
しながらこれらのルツボのうち白金ルツボは、非常に高
価であり、磁製ルツボは処理時において金属材料中に該
ルツボから不純物が混入することがある。

また、半導体の単結晶の引上げ操作には、ルツボとして
は例えば、シリカ、窒化ケイ素又は炭化ケイ素でコート
したグラファイトルツボが用いられている。しかしなが
らこれらのルツボは、上記と同様に不純物が混入すると
いう問題があり、また耐熱衝撃性などの点で十分ではな
く、このためにルツボが劣化しやすいことから、長期間
の使用が困難であるという問題がある。

また、従来のルツボはいずれも外部加熱式のルツボであ
るために、ルツボによる熱処理時には必ず加熱のための
器具の存在が不可欠であった。

このような問題点を解消するためには、ルツボの構成材
料が、溶融処理すべき処理材料に対してぬれることがな
く、さらに耐熱衝撃性が優れていることが必要である。

また、加熱のための器具を不要とし、効果的な加熱処理
を行うためには、ルツボの表面又は内部に発熱源を組み
込むことが望ましい。

このような問題を解消するに有効なルツボ材料としては
、各種金属とのぬれ性が悪く、しかも熱伝導性が良好で
あることから窒化アルミニウム（Ａ　Ｑ　Ｎ）に本願発
明者は着目した。このＡＱＮで直接加熱方式に適用でき
るルツボを構成する場合には、ＡＱＮルツボにメタライ
ズ層を設け、このメタライズ層に通電してその抵抗発熱
を発現させることが有効である。しかしながら従来の公
知の方法でＡＱＮセラミックス材上にメタライズ層を形
成する場合には、導電性材料のメタライズ法が下記のと
おり限定され、また形成されたメタライズ層にもいくつ
かの問題点があることからより加熱効率のよいルツボの
構成材料としての適用が困憇である。

すなわちＡＱＮセラミックス表面へのメタライズ法とし
ては、セラミックス表面に酸化物層（ＡＱ２０　、）を
形成したのち、直接鋼箔を接合するダイレクトボンドカ
ッパー法（ＤＢＣ法）；銅。

金、銀−パラジウ１１などを使用した厚膜法；などが知
られている。

しかしながら、上記の方法を適用してＡｆｉＮセラミッ
クス表面に形成された導電性メタライズ層は、いずれも
、特に高温においてＡｆｉＮセラミックスとの接着性が
悪く、発熱時にこのメタライズ層がＡＱＮセラミックス
から剥落することもあり、またろう付や高温はんだ付な
ど７００℃程度以上の温度で行う接合方法を適用して他
部材、例えば通電用の導線と接合することが困難であり
、また。

仮に接合することができたとしても、該導線が接合され
たＡＱＮセラミックスを高温で使用したときにメタライ
ズ層が表面から剥離してしまい、結果的に該導線の脱落
が生じてしまうのである。

（発明が解決しようとする問題点）上記したように従来用いられているルツボは、ルツボを
構成する材料と処理すべき金属材料等がぬれ性が良いた
めに、処理時において該金属材料中にルツボを構成する
材料に由来する不純物が混入することがあり、またルツ
ボの構成材料の耐熱衝撃性等が不充分であることから、
使用時に加えられる高温や温度変化によって劣化し易く
、ルツボとしての使用寿命が短いという問題がある。

したがって本発明は、処理すべき金属材料等とのぬれ性
が悪いために処理時において処理材料に不純物が混入す
ることがなく、また耐熱ｗＲ＠性が優れていることから
温度変化の激しい条件下においてもルツボが劣化するこ
とがなく、さらにルツボに設けられた導電性メタライズ
層に直接通電し、加熱できることから加熱用の器具を必
要としないルツボの提供を目的とする。

（作用）本発明のルツボの構成材料である非酸化物系セラミック
スとしては、例えばＡＱＮセラミックス及び窒化ケイ素
（ｓｘａＮ４）セラミックスを挙げることができる。こ
れらのルツボ材料となるセラミックスは常法により原料
粉末を成形し、焼成することによって得ることができる
が、ルツボ形状に成形するためには、例えばスリップキ
ャスティング法を適用することができる。またその製造
時には原料粉末に例えば酸化イツトリウム（ｙ２ｏ、）
、酸化カルシウム（Ｃａｂ）、フッ化イツトリウム（Ｙ
Ｆ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ，）。

酸化アルミニウム（ＡＱ２０３）　、酸化ランタン（Ｌ
ａ、Ｏ）及び酸化セリウム（Ｃｅ　Ｏ）からなる群から
選ばれる１種以上の焼結助剤を原料粉末に添加、混合し
て行うことができる。またこのような非酸化物系セラミ
ックスは、その熱伝導率が５０Ｗ／ｍ、に以上であるも
のが望ましい。

本発明のルツボは、その外部表面に、又はその肉厚部分
に内臓された形で導電性メタライズ層が形成されるが、
このメタライズ層は最終的に次記（Ａ）〜（Ｃ）の構成
相を有する。

（Ａ）（ａ）モリブデン、タングステン及びタンタルか
らなる群から選ばれる少なくとも１種；並びに（ｂ）周期律表の第■族元素（Ｂ、ＡＱ、５ｅｔＧａ、
　Ｉ　ｎ、　Ｔｉ１ｌ）　、第ＩＶａ族元素（’ｒｉ、
ｚｒ。

Ｈｆ）、希土類元素（Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ。

Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈａ。

Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）及びアクチノイド元素（Ａ　
ｃ　＋　Ｔ　ｈ　ｓ　Ｐ　ａ　＋　Ｕ　ｒ　Ｎ　ｐ　ｅ
　Ｐ　ｕ　ｔ　Ａ　ｍ　＊　ＣｍｅＢｋ、　Ｃｆ、　Ｅ
ｓ、　Ｆｍ、　Ｍｄ、　Ｎｏ、　Ｌｒ）からなる群から
選ばれる少なくとも１種；の組合せからなる構成相であ
り、これらは構成相中において（ａ）群及び（ｂ）群の
元素は、例えば各元素単体で、または各元素を含む化合
物もしくは固溶体から選ばれた２種以上の混合体として
存在する。

このうち化合物としてはこれらの元素の酸化物、窒化物
、炭化物、酸窒化物、炭窒化部、炭酸化物、炭酸窒化物
、ホウ化物、ケイ化物などを挙げることができる。この
ような化合物において、（ａ）群の元素を含有する化合
物の場合は、（ａ）群の元素の他に（ｂ）群の元素の少
なくとも１種を含有する複合化合物であってもよく、も
ちろんこの反対の組合せでもよい。また、固体溶体にあ
ってもこれと同様である。

導電メタライズ相の構成相においては（ａ）群に属する
元素と（ｂ）群に属する元素との構成比は特に限定され
るものではなく、使用する元素の種類または組合せによ
って適宜設定すればよいが、例えば（ａ）群に属する元
素の合計と（ｂ）群に虜する元素の合計との比が、原子
比で９０：１０〜１０　：　９０程度に設定されること
が望ましい。

このような（ａ）及び（ｂ）群から選ばれた元素該元素
を含む化合物は、後述するメタライズ層用原料ペースト
中に総量で全体の５重量％以上含有されていることが好
ましい。

（Ｂ）周期律表の第ＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）
の少なくとも１種を必須成分として含有する合金から構
成されており、また該構成層の一部又は全部が共晶合金
から構成されている。

この合金層において、第ＩＶａ族元素は、１種または２
種以上が組み合わされて含有されている。

この場合にこれらの元素は１例えば各元素単体または各
元素を含む化合物もしくは固溶体として。

またはこれらの単体、化合物および固溶体から選ばれた
混合体として存在する。このうち化合物としては、チタ
ン等の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、
炭酸化物、炭酸窒化物、ホウ化物、ケイ化物等を挙げる
ことができる。この合金層において、チタン等以外の合
金成分としては特に制限されるものではないが、状態図
上共晶を生成し、生じた液相により非酸化物系セラミッ
クスとのぬれ性を促進させる系が好ましい。例えば。

銀、金、銅、モリブデン、ニッケル等を挙げることがで
きる。合金層において、第ＩＶａ族元素は上記の銀等の
合金成分元素と合金を形成してもよく、または合金を形
成せずに上記の合金成分元素の少なくとも二種からなる
合金中に分散した状態またはクラッド状態で存在してい
てもよい。このうち、合金層の少なくとも一部が共晶合
金であると、得られた合金層は、より低温で非酸化物系
セラミックスと良好にぬれるためさらに好ましい。この
ような共晶合金の具体例としては、ＡｇとＣｕまたはＭ
　ｏ　−Ｎ　ｉとＡｇとＣｕとをそれぞれ共晶合金にな
るように組合せたものを挙げることができる。

これらのうち、ＡｇとＣｕと用いた場合は、形成された
合金層において両者は必ず共晶合金として存在する。こ
のような合金層中で、第ＩＶａ族元素のうち少なくとも
１種が占める割合は、特に制限されるものではないが、
通常０．０５〜２０重量％、好ましくは０．１〜５重量
％である。

（Ｃ）　（ａ）モリブデン、タングステン及びタンタル
からなる群より選ばれる少なくとも１種；並びに（ｂ）
非酸化物系セラミックスを製造する際に使用した焼結助
剤を構成する元素の少なくとも１種；を成分元素として
含有している構成相である。

（ａ）群のモリブデン、タングステン及びタンタルは、
１種または２種以上が組み合わされてメタライズ層に含
まれている。この場合にこれらの元素は、例えば各元素
単体または各元素を含む化合物もしくは固溶体として、
またはこれらの単体、化合物および固溶体から選ばれた
２種以上の混合体として存在する。このうち化合物とし
ては、チタン等の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、
炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化物、ホウ化物、ケイ化物
等を挙げることができる。

（ｂ）群の非酸化物系セラミックスを製造する際に使用
した焼結助剤を構成する元素とは、前述した焼結助剤を
構成する元素と同じものである。このメタライズ層には
、最終的に非酸化物系セラミックスの製造時に使用した
焼結助剤を構成する元素と同じ元素を少なくとも１種含
有していればよく、したがって後述するメタライズ層を
形成するためのペースト状物には単体または同じ元素を
有する化合物またはこれらの混合物を含有させることも
できる。例えば、非酸化物系セラミックスの製造時に焼
結助剤として酸化イツトリウムを使用した場合は、メタ
ライズ層用原料ペーストには、イツトリウム単体、フッ
化イツトリウムおよび酸化イツトリウム等を含有させる
ことができる。メタライズ層に含有される焼結助剤を構
成する元素は、３〜５０重量％、好ましくは１０〜２０
重量％である。

本発明のルツボは上記（Ａ）〜（Ｃ）の構成相を有する
導電性メタライズ層を、例えば（イ）その外部表面に有
しているか、又は（ロ）その外部表面と内部表面の間、
つまりルツボの肉厚部に内臓しているものである。（イ
）の型のルツボは、ルツボ形状に成形した非酸化物系セ
ラミックスの外部表面にそのままメタライズ層を形成す
ることによって得ることができる。またメタライズ層の
形成時にはルツボ形状に成形したグリーンセラミックス
に後述するメタライズ層用のペーストを塗布し、ルツボ
の焼結と同時にペーストをメタライズ化する、いわゆる
同時焼結法も適用できる。

（ロ）の型のルツボは、（イ）の型のルツボの導電性メ
タライズ層が形・成された外部表面を、さらに非酸化物
系セラミックス層で被覆することによって得ることがで
きる。また、本発明のルツボは。

導電性メタライズ層を、その外部表面及び肉厚部分に有
する型のルツボにすることもできる。

次に、導電性メタライズ層の形成方法について説明する
。すなわち導電性メタライズ層は、それを構成すべき原
料粉末をエチルセルロース、ニトロセルロース等をテル
ピネオール、テトラリン等の有機溶媒に溶解させた媒体
と共に添加混合し、ペース１〜を調製し、これを非酸化
物系セラミックスまたはその原料粉末の成形体の表面に
塗布して乾燥したのち加熱処理することによって行う。

この場合に使用する原料粉末としては、導電性メタライ
ズ層が上記（Ａ）の構成相を有する場合は、（ａ）群及
び（ｂ）群の各金属元素単体；これらの合金；これらの
化合物；またはこれらのうちから選ばれる２種以上の混
合物を用いることができる。この化合物としては、例え
ば酸化物、窒化物、炭化物、ケイ化物、ホウ化物、酸窒
化物、炭窒化物、ホウ窒化物、ケイ窒化物、水素化物、
塩化物、フッ化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸塩、亜硝酸
塩、硫酸塩、亜硫酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、亜リン酸
塩、炭酸塩、シュウ酸塩、塩素酸塩、ケイ酸塩、水酸化
物、アンモニウム塩、あるいは焼成して導電性となる無
機化合物もしくは有機化合物（例えば、アルコキシド、
ゾル−ゲル）などを使用することができる。上記（Ｂ）
の構成相を有する場合は、第ＩＶａ族元素及び構成相を
形成すべき成分として併用可能な、金属元素１例えば銀
、金、銅、モリブデン、ニッケル等の各々単体又はこれ
らの化合物を使用することができる。この場合の化合物
としては、上記（Ａ）の場合と同様のものを使用するこ
とができる。また、上記（Ｃ）の構成相を有する場合は
、（ａ）群及び（ｂ）群の各元素単体；これらの合金；
もしくはこれらの化合物；又はこれらのうちから選ばれ
る２種以上の混合物を用いることができる。この場合に
、化合物としては、上記（Ａ）の場合と同様のものを使
用することができる。

原料粉末ペーストの塗布は、例えば第１図の破線で示す
ようなパターンになるように連続的に行う。塗布後、該
ペーストを乾燥させたのち加熱処理を行うが、この場合
の処理条件は、使用するセラミックス材料や、メタライ
ズ層を構成すべき成分元素の種類及び組合せによっても
異なるが、通常は１０００〜１８００℃程度である。ま
た雰囲気ガスとしては、窒素ガス、ドライホーミングガ
ス、ウェットホーミングガスなどを使用することができ
、処理時間は０．５〜２時間程度に設定することが好ま
しい。

この導電性メタライズ層は、２以上に分離した形で、す
なわち使用時に各々独立して電流が通じるような形でも
形成することができる。メタライズ層の線幅及び厚さは
その抵抗に関連して適宜決定することができるが、メタ
ライズ層の末端、すなわち導線との接続部分は、より大
きな抵抗を必要とするために、前記接続部以外のメタラ
イズ層よりも、その線幅（面積）が広いこと及び厚さが
大きいことが望ましい。

次いで導電性メタライズ層に、必要に応じそニッケルめ
っきを施し、さらにアニールしたのち、その両末端部分
に導線をろう付することによって本発明のルツボを得る
ことができる。また、本発明のルツボは、実用に際して
は非酸化物系セラミックスからなる本体の外表面を適当
な保温材で被包した形にすることもできる。

（実施例）実施例１第１図及び第２図で示されるようなルツボを製造した。

第１図はルツボの概略斜視図を表し、第２図は概略断面
図を表す。

ルツボの構成材料としてＡｆｌＮまたはＳＬ、Ｎ４セラ
ミツクスを用い、スリップキャスティング法により成形
した。導電性メタライズ層は、モリブデン酸リチウムと
二酸化チタンを重量比で３：２の割合で混合して得た混
合粉末を、ニトロセルロース及びテルピネオールからな
る媒体と共に混練してペーストを得、これをルツボの外
部表面に。

第１図の破線で示すようなパターンに塗布して乾燥した
のち加熱処理を行うことによって形成した。

加熱処理は、窒素ガス雰囲気中において、１１００’Ｃ
で１時間行った。また、形成された導電性メタライズ層
の線幅は０．５〜２ｍｍ、厚さは５〜１５μｍ。

及び長さは２〜４ｍであった。その後、メタライズ層上
に約１〜５μｍの厚さでニッケルめっきを施し、次いで
ホーミングガス中において８００℃でアニールしたのち
、該メタライズ層の両末端を導線とろう付してルツボを
得た。なお、このルツボは実用に際しては、その外部を
第３図に示すように保温材で被包した。

実施例２導性メタライズ層を構成すべき原料粉末として、チタン
、銀及び銅をそれぞれ重量％で２．０％、７１．０％及
び２７．０％含有する混合粉末を用いた以外は、実施例
１と同様にしてルツボを得た。なお、メタライズ層の構
成相において、上記銀と銅は共晶合金を形成していた。

実施例３ＡＱＮ又はＳｉ、Ｎ、セラミックス材の製造時に焼結助
剤としてＹ２Ｏ３を用い、導電性メタライズ層を構成す
べき原料として、モリブデン６５％及びＹ２Ｏ，とＹＦ
３の混合物３５重量％からなる粉末を用いた以外は実施
例１と同様にしてルツボを得た。

実施例４ＡＱＮ粉末を用いて第３図で示されるようなルツボをス
リップキャスティング法を適用して成形し、その後その
外部表面に実施例１と同様の原料ペーストを塗布して乾
燥させたのち、同時焼結法を適用して、ＡＱＮ粉末の焼
成とメタライズ層の形成を行った。同時焼結は、窒素ガ
ス雰囲気中において、１８００℃で２時間行った。その
後、スリップキャスティング法を適用して、該メタライ
ズ層を被包するようにＡｕＮ粉末を積層し、１８００℃
で２時間焼成した。次いで、メタライズ層の両末端を２
〜３μｍ厚にニッケルめっきしたのち導線とろう付して
ルツボを得た。なお、このルツボは実用に際して、ルツ
ボの外部を第３図で示すように保温材で被包した。

実施例１〜３のを用いて銀の溶融試験を行い。

実施例４のルツボを用いてＧａＰ、ＧａＡｓ及び工ｎＳ
ｎの溶融試験を行った。このルツボは熱伝導性が良好で
あるために、１００ｖの通電で、２分後に６００℃まで
昇温し、またルツボの内表面において温度むらがないた
めに該金属等が均一な状態で溶融した。さらに溶融物中
にはＥＤＸによる測定の結果、不純物の混入がほとんど
なく、特に、ＧａＰ等を用いた場合は不純物の混入がほ
とんどなかった。また、これらのルツボは、長期間に亘
って繰り返し使用した場合においても、ルツボにひび割
れ等の損傷は生じなかった。なお、この溶融試験におい
ては、ルツボの移動に用いるルツボばさみとして、第４
図で示すようにルツボばさみの先端部のルツボを挟持す
る部分（斜線部分）がＡ悲Ｎセラミックス又は５１３Ｎ
４セラミツクス材からなるものを用いた。この先端部の
セラミックス材と、ルツボばさみの金属製の本体は、実
施例１〜４で用いた導電性メタライズ層を構成すべき原
料ペーストをその接合部分３に塗布し、加熱処理するこ
とによって接合されている。このルツボばさみを用いた
場合は、加熱されたルツボを挟持した際にルツボ内の溶
融物と接触したとしても、その溶融物とぬれることがな
く、また不純物の混入することもないために、とのルツ
ボばさみは本発明のルツボ用として好ましいものである
。

［発明の効果］以上に説明したとおり本発明のルツボは、特定の溶融材
料とぬれることがないために、実用時において該材料中
にルツボの構成材料に由来する不純物が混入することが
少ない６また、本発明のルツボは熱伝導性及び耐熱衝撃
性が優れており。

例えば銀、金、銅、錫、鉛等及びＧ　ａ　Ｐ、Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ、Ｉ　ｎＳｎ等の溶融用のルツボとして極めて有
用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のルツボの概略斜視図を表し；第２図は
実施例１〜３のルツボの概略断面図を表し；第３図は実
施例４のルツボの概略断面図を表し；及び第４図は、溶
融試験時に用いたルツボばさみの概略斜視図を表す。第１図 Σ５２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（ｉ）非酸化物系セラミックスから構成されてい
る本体；及び（ｉｉ）該セラミックス表面又はその内部に形成された
導電性メタライズ層；からなることを特徴とするルツボ。
（２）非酸化物系セラミックスが窒化アルミニウムから
なる特許請求の範囲第（１）項記載のルツボ。
（３）導電性メタライズ層が、（イ）モリブデン、タングステン及びタンタルからなる
群より選ばれる少なくとも１種；並びに（ロ）周期律表
の第III族元素、第IVａ族元素、希土類元素及びアクチ
ノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも１種；を構成相の成分元素として含有している特許請求の範囲
第（１）項記載のルツボ。
（４）導電性メタライズ層が、周期律表の第IVａ族元素
を必須成分として含有する合金層からなり、該合金層の
全部又は１部が共晶合金である特許請求の範囲第（１）
項記載のルツボ。
（５）導電性メタライズ層が、（イ）モリブデン、タングステン及びタンタルからなる
群より選ばれる少なくとも１種；並びに（ロ）非酸化物
系セラミックスを製造する際に使用した焼結助剤を構成
する元素の少なくとも１種；を構成相の成分元素として
含有している特許請求の範囲第（１）項記載のルツボ。