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WO2010001796A1 - 希土類元素ホウ化物部材およびその製造方法 - Google Patents

希土類元素ホウ化物部材およびその製造方法 Download PDF

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WO2010001796A1
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lab
present
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boride
rare earth
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忠弘 大見
哲也 後藤
幹郎 小西
和人 安藤
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Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
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Tohoku University NUC
Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J61/04Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06Main electrodes
    • H01J61/067Main electrodes for low-pressure discharge lamps
    • H01J61/0675Main electrodes for low-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode

Definitions

  • the present invention relates to a member formed of a rare earth element boride and a manufacturing method thereof, and more particularly to a LaB 6 member and a manufacturing method thereof.
  • members formed of rare earth element borides such as LaB 6 , YB 6 , GdB 6 , and CeB 6 have high emission efficiency over a long period of time with high durability and low current operation.
  • it is used as an emitter of a cold cathode fluorescent lamp constituting a liquid crystal backlight light source.
  • the emitter made of the rare earth boride is formed by pouring, drying, and sintering a cylindrical cup. That is, the rare earth element boride member is usually formed by sintering.
  • Patent Document 2 a rare-earth boride film having high brightness, high efficiency, and long life in Patent Document 2 by forming a rare-earth boride film, particularly a LaB 6 film, on an electrode member by sputtering. It was proposed that a cathode body could be obtained as a chemical member. Thus, when sputtering a rare earth boride member, a sputtering target member is required.
  • the sintered member has a large number of pores and the density is about 80% by volume. (That is, the porosity is about 20%), and it has been found that a large amount of oxygen derived from air and moisture and carbon derived from organic matter taken into the pores are contained.
  • the sputtered film contains a large amount of contaminants (organic matter and moisture).
  • contaminants in the sputtered film can be removed.
  • a LaB 6 film having a low resistance and work function could be obtained.
  • the LaB 6 target member cannot reduce contaminants in the sputtered film unless it is subjected to heat treatment at 800 ° C. before use to remove moisture and organic matter.
  • heat treatment at 800 ° C. before use to remove moisture and organic matter.
  • the surface of the target member is oxidized, and oxide is also formed on the surface of the pores. More specifically, when a target member having an oxidized surface is sputtered, even if the oxide on the surface of the target member can be removed by the first void sputtering, the sputtering proceeds and oxygen from the oxide on the void surface Or adhering organic substances are taken into the sputtered film and eventually contaminated with oxygen or carbon. Therefore, even if the target member is heat-treated before use, a low work function cannot be obtained unless the substrate is sputtered at a high temperature and the sputtered film is annealed at a high temperature.
  • Such a conventional problem has been found to be caused by a large number of pores inside the rare earth boride member, in particular, the LaB 6 member, and the present invention aims to solve such a problem.
  • a member which is substantially composed of a boride of a rare earth element and has a porosity of 8% by volume or less, preferably 7% by volume or less.
  • the rare earth element boride contains LaB 6 .
  • a member having a porosity of 1% by volume or less is obtained.
  • a member characterized in that there is substantially no hole on the surface and inside is obtained.
  • the member is any one of a sputtering target member, a cathode body member, and an electrode member. A member is obtained.
  • a sixth aspect of the present invention comprises the steps of molding a powder consisting essentially of LaB 6, and a step of compressing while heating the molded body produced in about ⁇ at hot pressing, LaB 6 LaB 6 member manufacturing method characterized by obtaining a member is obtained.
  • the step of compressing while heating is performed at a temperature of 1800 ° C. or higher and a pressure of 30 MPa or higher. A method is obtained.
  • the method according to the sixth or seventh aspect further comprising a step of performing isotropic compression with a high-pressure gas while heating after the step of compressing while heating.
  • the step of performing isotropic compression is performed at a temperature of 1850 ° C. or higher and a pressure of 150 MPa or higher. The manufacturing method is obtained.
  • the LaB 6 member is any one of a sputtering target member, a cathode member, and an electrode member. method of manufacturing a LaB 6 member according to any one of is obtained.
  • a member with less impurities such as organic matter, oxygen, and carbon when sputtering is performed using as a target, a member with less impurities such as organic matter, oxygen, and carbon can be obtained.
  • FIG. 1 it is a diagram illustrating an example of a hot press furnace for pressing the LaB 6 moldings.
  • A a temperature of 1800 ° C.
  • the LaB 6 moldings by hot pressing furnace shows an SEM image when the 1 hour pressed at a pressure of 40 MPa
  • (b) is a 1800 ° C.
  • the LaB 6 moldings by hot press furnace It is a figure which shows the SEM image at the time of pressing at temperature and the pressure of 30 Mpa for 1 hour. It is a graph which shows the relative density of the hot press body at the time of using the hot press furnace of FIG.
  • the LaB 6 hot-pressed body according to an embodiment of the present invention shows a mass spectrum when heated to 400 ° C..
  • the LaB 6 hot-pressed body according to an embodiment of the present invention shows a mass spectrum when heated to 800 ° C..
  • 4 is a SEM image of a member obtained by HIP processing a LaB 6 hot press body at a temperature of 1800 ° C. and a pressure of 150 MPa for 1 hour according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is an SEM image of a member obtained by HIP processing a LaB 6 hot press body at a temperature of 1850 ° C. and a pressure of 150 MPa for 1 hour according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a SEM photograph showing the state of the LaB 6 member before performing the process according to the present invention.
  • an SEM image ( ⁇ 2000) of a sintered body obtained by sintering LaB 6 powder having a purity of 99% by volume is shown.
  • a large number of pores are formed on the surface of the sintered body.
  • the temperature of this sintered body was raised with the temperature rise profile shown in FIG. That is, after holding at room temperature for 10 hours, the temperature was raised to 800 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and kept at a temperature of 800 ° C. for 30 minutes.
  • API-MS measurement was performed while flowing high purity Ar gas during this temperature rise, a large amount of contaminants was observed at 400 ° C. as shown by the mass spectrum in FIG.
  • the present invention is based on the novel finding of a large amount of contaminants inherent in conventional LaB 6 sintered body according to the holes of a conventional LaB 6 sintered body (due to the relative density is low), the sintered body We propose to reduce vacancies, i.e., porosity, and techniques.
  • LaB 6 sintered body the present invention is not limited to LaB 6 members which are sintered.
  • the hot press furnace used in the embodiment of the present invention includes a heat introduction member 12 and a heater 14 in a furnace wall, a gas introduction system for introducing argon gas into the furnace, and an exhaust system capable of exhausting the inside of the furnace by a pump.
  • a die (die) 16 made of carbon is provided in the furnace, the die 16 is supported by a die receiving base 18, and a punch 22 is provided above the die 16.
  • the LaB 6 shaped body 20 disposed in the die 16 is pressed by a hydraulic pressure by the punch 22 and the die support 18.
  • FIG. 8 an SEM image of the hot press body is shown. As is clear from FIG. 8, the number of vacancies on the surface of the LaB 6 hot press body is greatly reduced.
  • the relative density of the LaB 6 hot press body after hot pressing is shown.
  • the horizontal axis of the figure indicates the temperature (° C.), the pressure (MPa), and the hot press time (hour) during hot pressing, and the vertical axis indicates the relative density.
  • the relative density is 92 to 95% (the porosity is 8 to 5%) at a hot press temperature of 1,800 ° C. or higher and a pressure of 30 MPa or higher.
  • the porosity is preferably 7% by volume or less, more preferably 1% by volume or less.
  • mass spectra are shown when the LaB6 hot press body after hot pressing is heat-treated at 400 ° C. and 800 ° C., and the contaminants are greatly reduced at any temperature. I understand.
  • a LaB 6 hot-pressed body after hot pressing a LaB 6 member with less contaminants can be formed compared to a conventionally used target.
  • the LaB 6 hot pressed body was subjected to HIP (Hot Isostatic Pressing) treatment.
  • HIP treatment can reduce pores by utilizing the synergistic effect of temperature and (isotropic) pressure from all directions.
  • FIG. 12 shows the surface enlargement of a LaB 6 hot-pressed body (density 93.5%) hot-pressed at 1,800 ° C. and 40 MPa. In this state, there are still some pores. This was processed in a HIP processing furnace at 1800 ° C. and 1850 ° C. for 1 hour at 150 MPa. Pressurization was performed using high-purity Ar gas. The results are shown in FIGS. 13 and 14, respectively. LaB 6 member treated at 1,800 ° C. has some pores, but LaB 6 member treated at 1850 ° C. has almost no voids. As a result, the density of the LaB 6 member shown in FIG. 14 was about 100% (99% or more).
  • the rare earth element boride member such as LaB 6 according to the present invention can be applied not only to a target member used for sputtering but also to form a cathode member of a cold cathode fluorescent lamp and other electrode members. Furthermore, the present invention can realize a LaB 6 thin film having a low work function without performing heat treatment. The present invention can be applied not only to LaB 6 but also to other rare earth boride elements (eg, LaB 4, YB 6 , GdB 6 , CeB 6 ) and the like.
  • rare earth boride elements eg, LaB 4, YB 6 , GdB 6 , CeB 6
  • Heat Insulating Material 14 Heater 16 Dies 18 Die Base 20 LaB 6 Sintered Body 22 Punch

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Abstract

 希土類ホウ化物、特に、LaBの焼結体は汚染物質が大量に内在し、スパッタッ部材等に適さないことが判明した。 従来のLaB焼結体の汚染は空孔が大量に存在するためであるとの新しい知見に基づき、LaB成形体をホットプレス炉でプレスした後、更に、HIP処理することにより、空孔を減少させ、空隙率が7体積%以下、好ましくは1体積%以下にすることにより、汚染物質の少ない部材を形成できる。

Description

希土類元素ホウ化物部材およびその製造方法
 本発明は、希土類元素ホウ化物によって形成された部材およびその製造方法に関し、特に、LaB部材およびその製造方法に関する。
 一般に、LaB,YB,GdB,CeB等の希土類元素ホウ化物によって形成された部材は、耐久性が高く且つ低電流動作で長期間に亘って高い発光効率を有しているため、特許文献1に示されているように、液晶バックライト光源を構成する冷陰極蛍光ランプのエミッタとして利用されている。また、特許文献1では、上記希土類ホウ化物からなるエミッタを円筒状カップに流し塗り、乾燥、焼結することによって形成している。即ち、希土類元素ホウ化物部材は、通常、焼結によって形成するのが普通である。
 一方、本発明者等は、先に、特許文献2において、希土類ホウ化物膜、特に、LaB膜を電極部材上にスパッタリングによって形成することにより、高輝度、高効率、及び長寿命の希土類ホウ化物部材として陰極体が得られることを提案した。このように、希土類ホウ化物部材をスパッタリングする場合、スパッタリング用ターゲット部材が必要である。
 いずれにしても、仕事関数が低いという特徴のためにターゲット部材、陰極体部材、電極部材その他の部材に使われる希土類ホウ化物部材、特に、LaB部材は、一般に、高純度粉末を焼結して作られている。
 しかしながら、本発明者等の実験によれば、純度99体積%の希土類ホウ化物粉末をターゲットとして使用して、スパッタリングを行った場合、良好なスパッタ膜が得られないことが判明した。即ち、スパッタされた膜に有機物、水分等の汚染物が大量に含まれていることが判った。
特開平10-144255号公報 特願2007-239219号
 本発明者等の研究によれば、希土類ホウ化物、特に、LaB粉末の純度が99体積%であっても、焼結部材には多数の孔が開いていて、体積で密度は80%程度(即ち、空隙率が20%程度)であり、空気や水分起因の酸素や、孔に取り込まれた有機物起因の炭素が大量に含まれていることを見出した。
 このようなLaB部材をスパッタのターゲットに使うと、スパッタされた膜に大量の汚染物(有機物や水分)が含まれることになる。スパッタ成膜の際に基板を高温にし、且つ、スパッタされた膜を高純度Arガス中で600~800℃の高温アニールすることにより、スパッタされた膜中の汚染物を除去することができ、これによって、抵抗および仕事関数が低いLaB膜を得ることができた。
 換言すれば、LaBターゲット部材は、使用前に800℃の熱処理を行って、水分や有機物を除去しなければ、スパッタ膜中の汚染物を低減できない。このように、熱処理されたターゲット部材を使用しても、X線光電子分光法で評価した結果、内部には酸素・カーボンが5%程度存在し、一度大気に触れると再汚染されてしまうと云う現象が見出された。
 これは、ターゲット部材表面は酸化されているので、空孔の表面にも酸化物が形成されているためであると考えられる。具体的に説明すると、表面が酸化されたターゲット部材がスパッタされると、最初の空スパッタでターゲット部材表面の酸化物は除去できても、スパッタが進行して空孔表面の酸化物からの酸素や付着有機物がスパッタ膜にとりこまれて、結局は酸素や炭素で汚染されてしまうことになる。したがって、ターゲット部材を使用前に熱処理したとしても、基板を高温にしてスパッタし、且つ、スパッタ膜を高温でアニールしなければ、低い仕事関数は得られない。
 このような余分な工程はコスト高を招くし、有機ELのように基板を高温にすることが出来ない場合もある。
 このような従来の問題は、希土類ホウ化物部材、特に、LaB部材の内部に空孔が多いことが原因であることを見出し、本発明はこのような問題を解決することを目的とする。
 本発明の第1の態様によれば、実質的に希土類元素のホウ化物からなり、空隙率が8体積%以下、好ましくは7体積%以下であることを特徴とする部材が得られる。
 本発明の第2の態様によれば、第1の態様に記載された部材において、前記希土類元素のホウ化物がLaBを含むことを特徴とする部材が得られる。
 本発明の第3の態様によれば、第1又は2の態様に記載された部材において、空隙率が1体積%以下であることを特徴とする部材が得られる。
 本発明の第4の態様によれば、第1乃至第3のいずれか一の態様に記載された部材において、表面および内部に孔が実質的に無いことを特徴とする部材が得られる。
 本発明の第5の態様によれば、スパッタリング用ターゲット部材、陰極体用部材、及び電極用部材のいずれか一つの部材であることを特徴とする第1乃至4の態様のいずれかに記載の部材が得られる。
 本発明の第6の態様によれば、実質的にLaBからなる粉末を成形する工程と、該工程で生じた成形体をホットプレスにて加熱しつつ圧縮する工程とを有し、LaB部材を得ることを特徴とするLaB部材の製造方法が得られる。
 本発明の第7の態様によれば、前記加熱しつつ圧縮する工程は、温度が1800℃以上、圧力が30MPa以上で行われることを特徴とする第6の態様に記載のLaB部材の製造方法が得られる。
 本発明の第8の態様によれば、前記加熱しつつ圧縮する工程の後に、加熱しつつ高圧気体にて等方性の圧縮を行う工程を有することを特徴とする第6又は第7の態様に記載のLaB部材の製造方法が得られる。
 本発明の第9の態様によれば、前記等方性の圧縮を行う工程は、温度が1850℃以上、圧力が150MPa以上で行われることを特徴とする第8の態様に記載のLaB部材の製造方法が得られる。
 本発明の第10の態様によれば、前記LaB部材は、スパッタリング用ターゲット部材、陰極体用部材、及び電極用部材のいずれか一つの部材であることを特徴とする第6乃至9の態様のいずれか一つに記載のLaB部材の製造方法が得られる。
 本発明では、ターゲットとして用いてスパッタリングを行った場合、有機物、酸素、及び炭素等の不純物の少ない部材を得ることができる。
従来のLaB部材のSEM画像を示す図である。 従来のLaB焼結体を熱処理した場合の昇温プロファイルを示すグラフである。 従来のLaB焼結体を400℃まで加熱処理した場合のマススペクトルを示す図である。 従来のLaB焼結体を800℃まで加熱処理した場合のマススペクトルを示す図である。 熱処理された従来のLaB焼結体を再度大気に曝露して400℃まで加熱した場合におけるマススペクトルを示す図である。 熱処理された従来のLaB6焼結体を再度大気に曝露して800℃まで加熱した場合におけるマススペクトルを示す図である。 本発明の実施例において、LaB成形体をプレスするホットプレス炉の一例を示す図である。 (a)はホットプレス炉でLaB成形体を1800℃の温度、40MPaの圧力で1時間プレスした場合のSEM画像を示す図、(b)はホットプレス炉でLaB成形体を1800℃の温度、30MPaの圧力で1時間プレスした場合のSEM画像を示す図である。 図7のホットプレス炉を使用した場合におけるホットプレス体の相対密度を示すグラフである。 本発明の実施例によるLaBホットプレス体を400℃まで加熱した場合のマススペクトルを示す図である。 本発明の実施例によるLaBホットプレス体を800℃まで加熱した場合のマススペクトルを示す図である。 本発明の実施例によるLaBホットプレス体のSEM画像を示す図である。 本発明の実施例により、LaBホットプレス体を更に1800℃の温度、150MPaの圧力で1時間、HIP処理した部材のSEM画像である。 本発明の実施例により、LaBホットプレス体を更に1850℃の温度、150MPaの圧力で1時間、HIP処理した部材のSEM画像である。
 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。尚、ここでは、希土類ホウ化物として、LaBを用いた場合についてのみ説明するが、本発明は何等これに限定されるものでは無い。
 図1は、本発明に係る処理を行なう前におけるLaB部材の状態を示すSEM写真である。この例では、純度99体積%のLaB粉末を焼結した焼結体のSEM画像(×2000)が示されている。図示されているように、焼結体の表面には、多数の空孔が形成されている。この焼結体を図2に示す昇温プロファイルにて昇温した。即ち、室温で10時間保持した後、5℃/minの昇温速度で800℃まで昇温し、800℃の温度に30分間保持した。この昇温中、高純度Arガスを流してAPI-MS測定を行うと、400℃では図3のマススペクトルで示すように大量の汚染物質が観測された。
 一方、図4に示すように、800℃、30分維持で汚染は減るが、このように、熱処理された焼結体を大気暴露して400℃まで加熱して再度測定すると、図5に示すように、また、汚染物質に伴うスペクトルが現われ、再度、汚染されていることが判る。この状態で、800℃の温度で再高温処理を行なうと、図6のように、再高温処理で汚染物質の量を減少させることができる。
 本発明は、従来のLaB焼結体に内在する大量の汚染物質が従来のLaB焼結体の空孔による(相対密度が低いことによる)との新規な知見に基づき、焼結体の空孔、即ち、空隙率を減少させることならびにその手法を提案する。尚、本発明の実施例では、LaB焼結体について説明するが、本発明は焼結されたLaB部材には限定されない。
 図7を参照すると、本発明の実施例で使用したホットプレス炉が示されている。図示されたホットプレス炉は、炉壁内に、断熱材12及びヒーター14を配置し、当該炉内にアルゴンガスを導入するガス導入系と、ポンプによって炉内を排気できる排気系を備えている。また、炉内には、カーボンによって形成された型(ダイス)16が設けられ、当該ダイス16はダイス受け台18によって支持され、ダイス16上部にはパンチ22が設けられている。ダイス16内に配置されたLaBの成形体20は、パンチ22とダイス受け台18とにより、油圧によりプレスされる。
 このホットプレス炉により、1,800℃、1時間、30または40MPaの圧力でLaBの成形体をプレスし、ホットプレス体を得た。
 図8を参照すると、ホットプレス体のSEM画像が示されている。図8からも明らかな通り、LaBホットプレス体の表面における空孔が大幅に減少している。
 図9を参照すると、ホットプレス後のLaBホットプレス体の相対密度が示されている。図の横軸は、ホットプレス時の温度(℃)、圧力(MPa)、およびホットプレス時間(hour)を示し、縦軸は相対密度を示している。図からも明らかな通り、ホットプレスの温度1,800℃以上、圧力30MPa以上で、相対密度が92~95%(空隙率8~5%)になっているのがわかる。なお、本発明において、空隙率は、好ましくは7体積%以下、より好ましくは1体積%以下である。
 図10および11を参照すると、ホットプレス後のLaB6ホットプレス体を400℃及び800℃で熱処理した場合におけるマススペクトルが示されており、いずれの温度においても汚染物質が大幅に減少していることが判る。ホットプレス後のLaBホットプレス体を使用することによって、従来用いられているターゲットに比較して汚染物質の少ないLaB部材を構成できる。
 本発明では、更に空孔を減少させるために、LaBのホットプレス体をHIP(Hot Isostatic Pressing)処理した。HIP処理は温度と全方向からの(等方的)圧力の相乗効果を利用して空孔を減少させることができる。
 図12は、1,800℃、40MPaでホットプレスしたLaBホットプレス体(密度93.5%)の表面拡大を示し、この状態では、未だ空孔が若干存在している。これを150MPaで1時間、1800℃および1850℃で、HIP処理炉で処理した。加圧は高純度Arガスを用いて行った。その結果を図13および14にそれぞれ示す。1,800℃処理したLaB部材は若干空孔が存在しているが、1850℃処理のLaB部材は空孔がほとんど無くなっている。この結果、図14に示されたLaB部材の密度は約100%(99%以上)であった。また、不純物成分としてはカーボンが0.1%以下、酸素は1.6%まで低減された。この酸素は、焼結材料であるLaB膜粉末に含まれている成分であり、材料粉末を高純度化することでさらに酸素を低減することが可能である。このターゲットを用いて低仕事関数(3eV以下)の薄膜を、室温で成膜して成膜後の熱処理無しで実現することができた。
 本発明によるLaB等の希土類元素ホウ化物部材は、スパッタリングに用いられるターゲット部材に適用できるだけでなく、冷陰極蛍光ランプの陰極部材、その他の電極部材を形成するのにも適用できる。更に、本発明は、熱処理を行うことなく、低仕事関数を有するLaB薄膜を実現できる。また、本発明は、LaBだけでなく、他の希土類ホウ化物元素(例えば、LaB4,YB,GdB,CeB)等にも適用できる。
 12     断熱材
 14     ヒーター
 16     ダイス
 18     ダイス受け台
 20     LaB焼結体
 22     パンチ

Claims (10)

  1.  実質的に希土類元素のホウ化物からなり、空隙率が8体積%以下であることを特徴とする部材。
  2.  請求項1に記載された部材において、前記希土類元素のホウ化物は、LaBを含むことを特徴とする部材。
  3.  請求項1又は2に記載された部材において、前記空隙率が1体積%以下であることを特徴とする部材。
  4.  請求項1乃至3の内のいずれか一項に記載された部材において、表面および内部に孔が実質的に無いことを特徴とする部材。
  5.  前記部材は、スパッタリング用ターゲット部材、陰極体用部材、及び電極用部材のいずれか一つの部材であることを特徴とする部材。
  6.  実質的にLaBからなる粉末を成形する工程と、該工程で生じた成形体をホットプレスにて加熱しつつ圧縮する工程とを有し、LaB部材を得ることを特徴とするLaB部材の製造方法。
  7.  前記加熱しつつ圧縮する工程は、温度が1800℃以上、圧力が30MPa以上で行われることを特徴とする請求項6に記載のLaB部材の製造方法。
  8.  前記加熱しつつ圧縮する工程の後に、加熱しつつ高圧気体にて等方性の圧縮を行う工程を有することを特徴とする請求項6又は7に記載のLaB部材の製造方法。
  9.  前記等方性の圧縮を行う工程は、温度が1850℃以上、圧力が150MPa以上で行われることを特徴とする請求項8に記載のLaB部材の製造方法。
  10.  前記LaB部材はスパッタリング用ターゲット部材、陰極体用部材、及び電極用部材のいずれか一つの部材に用いられることを特徴とする請求項6乃至9の内のいずれか1項に記載のLaB部材の製造方法。
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