JPS5929290B2 - 溶解方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、溶解された物質に、イオン化して加速され
た物質を圧入することにより、イオン化して加速された
物質の運動エネルギーを併用し、溶解された物質を精製
するようにした溶解力法に関する。

通常、物質の溶解力法としては、高真空中または低ガス
圧領域において、溶解しようとする物質を溶融温度また
はそれ以上に加熱してその物質を溶解し、吸蔵ガスのガ
ス抜きや不純物の放出などを行ない、高純度の物質を得
る真空溶解法が用いられている。

また、たとえばＡｒなとの不活性ガスを導入して溶解し
ようとする物質の蒸発量を制御し、あるいはＮ２などの
還元性ガスを導入して酸化物を除去し、または逆に、０
□、Ｎ２などの反応性ガスを導入して酸化物、窒化物な
どを生成するなど、ガスの特性を利用するガス導入法が
用いられている。

そしてこれらの方法は、主として熱エネルギーの利用を
基調とするものであるが、この熱エネルギーを運動エネ
ルギーの観点から見ると、ｋＴ／ｅキＴ／１．１６ Ｘ
１０’の式から明らかなように、溶解しようとする物
質の溶解るつぼの温度Ｔを２３００°にとしても、０．
２ｅＶにしかならず、電荷ｅをもったイオンに０．２Ｖ
の加速電圧を印加した場合に相当するエネルギーに過ぎ
ない。

なおｋはボルツマン定数である。

一方、固体表面へのイオンの注入においては、数１０Ｋ
ｅｖ〜数１００ＫｅＶの運動エネルギーをもったイオン
でも、固体表面層数μｍまでにしか達せず、極く固体表
面の処理にしか用いられない。

この発明は、前記諸点に留意し、溶解された物質に、イ
オン化して加速された物質を圧入することにより、従来
の熱エネ）（／ギー利用の場合に比し、数１００Ｖ〜数
１０ＫＶの加速電圧を印加した場合、前記熱エネルギー
利用の溶解法の数１００万度〜数憶度の温度相当の運動
エネルギーを溶解された物質に与えたことになり、実現
不可能な高温下でしか期待できないような反応を、実現
可能な条件のもとて実行できる。

さらに、イオン注入の場合に比し、溶解し液状化された
物質にイオン化された物質が注入されるため、注入層の
深さが深くなるのみでなく、液状化した物質が流動し、
るつぼ表面に絶えず物質の新しい面が露出して順次注入
され、溶解し処理しようとする物質全部が、運動エネル
ギーをもった高速粒子により処理される。

その上、イオン化して加速された物質の溶解された物質
の表面への圧入は、機械的に見ると、液相表面からの加
圧効果をもたらし、機械的に加圧しようとするときのよ
うに、治工具を溶解液の温度以上に加熱する必要もなく
、無接触で電気的に加圧することができ、溶解物質の加
圧凝縮による結晶組成に大きな影響を与えることができ
る。

つぎにこの発明の溶解力法を、その実施例を示した図面
とともに、詳細に説明する。

まず第１図は、比較的高級な溶解方法を示し、Ｆｅ、Ｃ
ｄ、Ｚｎなどの金属、Ｇｄ、Ｃｏなどの磁性材料、Ｓｉ
、Ｇｅなどの半導体材料、その他絶縁材料、有機材料な
どの溶解しようとする物質１が、高真空（１０−１０〜
１０−’Ｔｏｒｒ ）中においてるつぼ２内で液状にな
るよう、金属あるいは磁性材料の場合には、高周波電源
３からの電力が導入される高周波コイル４により高周波
加熱される。

このるつぼ２の加熱は、溶解しようとする物質１が半導
体材料、絶縁材料、有機材料の場合には、るつぼ２に直
接低電圧、大電流を加えてもよく、またるつぼ２の外側
に電子放射用フィラメントを設け、るつぼ２に正の高電
圧を印加してもよい。

なお、これらの加熱手段は、金属あるいは磁性材料にも
適用し得ることは勿論である。

−力、るつぼ２と同一高真空の容器内に設けられたイオ
ン源５により、所要のイオンが生成される。

すなわち、イオン生成外囲器６により形成されるイオン
生成室７に連通した蒸気化室８に、溶解しようとする物
質１と同種または異種のイオン化しようとする物質９が
装填され、蒸気化室８の外周に設けられた加熱ヒータ１
０により蒸気化室８が加熱され、蒸気化室８の一部に押
入された熱電対１１により、蒸気化室８の温度が調整さ
れ、イオン化しようとする物質９が、蒸気圧１０−３〜
１０”−ＩＴｏｒｒ程度に蒸気化され、イオン生成室７
に送り込まれる。

図示のイオン源５は、通常冷陰極ＰＩＧ形イオン源と呼
ばれる形式を用いた例を示し、イオン生成室７内に放電
用陽極１２が設けられるとともに、外囲器６の一部に突
起状の冷陰極１３が形成され、放電用陽極１２と冷陰極
１３間に放電用電圧Ｖｄが印加され、蒸気化された物質
９がイオン化される。

さらに、外囲器６の外側にマグネット１４が設けられ、
イオン生成室７内の電子にらせん運動を与え、イオン化
効率を向上させる。

なお、冷陰極１３の代りに、外囲器６より独立した熱陰
極フィラメントを設けるようにしてもよい。

そして、イオン生成室７内でイオン化された物質９は、
外囲器６の一部に形成されたイオン引き出し孔１５から
引き出され、その外側に設けられイオン加速電圧Ｖａの
印加されたイオン引き出し電極１６により加速される。

さらに、イオン引き出し電極１６の外側に適当な電圧の
印加されたイオンビーム形成用集束系１７が設けられ、
この集束系１７によりイオンが集束されてイオンビーム
１８が形成され、質量分離器１９に送り込まれる。

この質量分離器１９の入口には、適宜イオンビームスリ
ット２０が設けられ、イオンビーム１８の大きさを適当
に保持している。

そして、質量分離器１９を構成するマグネットにより、
イオンビーム１８の運動方向に対し直角方向に磁界が加
えられ、イオンビーム１８が図示のように偏向される。

この場合、イオンビーム１８の偏向感度が、イオンを構
成する物質によって異なるので、質量分離器１９により
生ずる磁界を適当に調整し、必要なイオンのみを純粋に
取り出し分析する。

そして、質量分離器１９により分析されたイオンビーム
１８が、前記るつぼ２内の液状の物質１の表面に射突さ
れる。

この結果、前記のように、イオンビーム１８の運動エネ
ルギーによって機械的な加圧と同じ効果が発生し、物質
１の結晶組織に影響を与え、あるいはイオン注入効果に
よって結晶組成を制御でき、同時に液状の物質１の表面
が絶えず流動しているため、その物質１の全部に一様に
効果を及ぼすことができる。

なお前記操作中、各種のガス状物質を高真空領域におい
て連続あるいは交互に導入し、化学的に活性化して化学
反応を促進することも可能である。

たとえば、金属間化合物の中の遷移金属硅化物を作る場
合について、その代表例として、Ｆｅ。

Ｓｉの合成の場合を説明する。

るつぼ２にＦｅを装填して溶解し、イオン生成室７に連
通ずる蒸気化室８にＳｉを装填し蒸気化してイオン化し
、イオン引き出し電極１６に印加されたイオン加速電圧
５〜ｌ０ＫＶで加速し、集束系１７、質量分離器１９を
経て、Ｓｉのイオンビーム１８としてるつぼ２内の液状
のＦｅの物質１の表面に射突する。

一般に、２つ以上の物質を合成する場合には、それらの
成分物質を同一るつぼで溶解し、状態図から定められる
特定の組成のものしか合成できない。

ところで、Ｆｅ、Ｓｉの場合は、Ｆｅ５ｉ（ε型）。

Ｆ ｅｓ ｉ２ （Ｉ’ｍ ）が化学量論的に平衡状態
を保ち得る。

しかし、本発明の方法によると、熱平衡状態を運動エネ
ルギの助けをかりて外すことができるので、化学量論的
な平衡状態を変えることができる。

さらに、前記したように、０２またはＮ２などの反応性
ガスを同時に導入することが可能であるから、Ｆｅ、Ｓ
ｉの場合、０□を１０−４〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒ程度の酸
素雰囲気を導入し、Ｆｅ、Ｓｉに０□の不純物順位を作
ることも可能である。

その上、従来の溶融法で作成したε型ＦｅＳｉは、ゼー
ベツクコーエフィンシエント（熱伝変換効率をあられす
係数）αの値が、４０μＶ／ｄｅｇであるのに対し、こ
の発明の方法によると、１０ＭＶ／ｄｅｇとなり、従来
得られなかった高変換効率が得られる。

また、従来の溶融法では、合成物質が多結晶を示し、ア
モルファス構造にすることは困難である。

しかし、この発明の方法によると、Ｆｅの溶融点のごく
近傍で実施することができ、急冷が可能であるため、ア
モルファス構造で０゜を不純物としてドーピングしたＦ
ｅＳｉを作ることができ、前記のような高変換効率が得
られる。

つぎに、磁性材料として、ＧｄＣｏ２の場合について説
明する。

一般には、ＧｄとＣｏを１つのるつぼの中でとかして磁
性材料を作るが、その場合は、多結晶の構造のものしか
できない。

また、Ｇｄの融点が１３１２℃、Ｃｏの融点が１４９５
℃であるから、少なくとも１４９５℃以上にせねばなら
ず、したがって急冷が困難であり、かつ、高温度に保持
するための装置も複雑になる。

しかし、この発明の方法によると、融点の低いＧｄをる
つぼで溶解し、Ｃｏをイオン化してＧｄの表面に照射で
きるため、必ずしもるつぼの温度を１４９５℃以上にす
る必要がなく、比較的低い温度で、かつ、状態図で定め
られる化学量論的な平衡状態から逸脱した組成のものを
、アモルファスの状態で作ることが可能である。

以上のように、融点の高い成分物質まで加熱する必要が
ないこと、融点の低い成分物質に合わせて動作条件が得
られること、急冷が容易であるため従来多結晶構造しか
得られなかったものがアモルファス構造として得られる
ことなどが、この発明の大きな特色である。

また、この発明は、種々の物質の組合わせに適用でき、
たとえばＴｉＺｒの場合には、Ｚｒの融点１８６０℃に
対してＴｉの融点１６８０℃が基準になるなど、適用範
囲が広い。

つぎに、有機金属の合成においても、この発明はきわめ
て有利である。

すなわち、一般に、有機物は融点が低く、これと結合す
る金属の融点が高い場合が多い。

この場合、有機物質を液状にし、金属元素をイオン化し
て化学的組成や構造を制御することが可能である。

たとえば、ジメチルジンク（ＣＨ３）２ Ｚ ｎ ％
Ｆリメチルガリウム（ＣＨ３）３ Ｇａなどがその例
としてあげられる。

前記第１図の説明は、液状の物質１の表面にイオンを圧
入するに際し、極めて厳密にイオンを選別する高級な方
法であるが、第２図に示すような簡単な溶解力法を用い
ることもできる。

すなわち、第２図においては、第１図）こ示すイオンビ
ーム形成用集束系１Ｔや質量分離器１９を用いなく、か
つ溶解しようとする物質１の溶解に電子銃２゛１を用い
、電子銃２１から得られた電子ビーム２２を直接るつぼ
２内の溶解しようとする物質１の表面に照射し、溶解す
る。

この電子ビーム２２の電力は、溶解しようとする物質１
の種類、量によって異なるが、たとえば３０に■加速、
数１００ｍＡ程度のものを用いる。

電力、イオン化しようとする物質９のイオン化も、第１
図の場合と異なり、密閉形のるつぼ２３にイオン化しよ
うとする物質９を装填し、加熱する。

この加熱は、図示の場合、るつぼ２３の外壁に電力供給
端子２４．２５を形成し、この両端子２４．２５間に低
電圧５〜１０■、大電流数１０ＯＡを流して加熱する場
合を示し、このほか、電子衝撃形加熱法、高同波加熱法
、これらの併用加熱法を用いてもよい。

そして、るつぼ２３内において加熱され蒸気化された物
質９は、るつぼ２３に１個または複数個形成された噴射
ノズル２６から噴射される。

この噴射ノズル２６の外側には、イオン化用電子放出フ
ィラメント２７、電子加速陽極２８、遮蔽電極２９から
なるイオン化用電極３０が設けられ、電子放出フィラメ
ント２７からのイオン化用電子３１に、電子加速陽極２
８により運動エネルギーが与えられ、蒸気化された物質
９の一部または大部がイオン化され、イオン化物質蒸気
３２となり、さらに加速電極３３ないしは遮蔽電極２９
に加えられた電圧により加速され、イオン化されてない
中性のままの噴射蒸気きともに、前記液状の物質１の表
面に圧入する。

なお、電子銃２１の電子ビーム２２に加速エネルギーを
与えるため、電子銃２１の加速電極にるつぼ２に対し負
の高圧を印加し、一方イオン化し加速する側にるつぼ２
に対し正の高圧を印加しなければならないため、電子銃
２１とイオン化用電極３０との間に、遮蔽用の隔壁３４
を設けることが望ましい。

また、第２図の工程は、図示１点鎖線の外囲器３５内に
おいて行なわ札第１図の場合と同様、必要に応じて各種
のガス状物質を、高真空領域中にガス導入孔３６から適
当な圧力で、連続あるいは断続して導入するようにして
もよい。

また、第１図および第２図において、イオン化して加速
され溶解された物質に圧入される物質は、常温で固体の
ものについて説明したが、気体状物質を用いてもよいこ
とは勿論である。

さらに、イオン化された物質は、十〇の電荷をもったい
わゆる正イオンについて説明したが、−〇の負イオンに
よっても同一の効果を有し、この場合、イオン加速電圧
として正の高電圧を用いればよい。

以上のように、この発明の溶解力法によると、溶解され
た物質に、イオン化して加速された物質を圧入すること
により、イオン化して加速された物質の運動エネルギー
が併用され、従来の金属溶解法では得られ難い結晶組織
ないしは組成の制御あるいは化合物合成を、簡単に行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の溶解方法の実施例を示し、第１図は
１実施例、第２図は他の実施例の説明図である。 １・・・・・・溶解しようとする物質。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 真空または低ガス圧領域において、溶解しようとす
   る物質を直流または交流電力あるいは高周波または電子
   ビーム照射等により加熱溶解し、前記溶解された物質に
   、イオン化して加速された前記物質と同種または異種の
   物質を圧入することを特徴とする溶解力法。