JPH0578194A - グラフアイト結晶の作製方法 - Google Patents
グラフアイト結晶の作製方法Info
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- JPH0578194A JPH0578194A JP3240845A JP24084591A JPH0578194A JP H0578194 A JPH0578194 A JP H0578194A JP 3240845 A JP3240845 A JP 3240845A JP 24084591 A JP24084591 A JP 24084591A JP H0578194 A JPH0578194 A JP H0578194A
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- crystal
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】結晶性に優れた高品質のグラファイト結晶を、
結晶の大きさ、形状を簡便に制御しつつ、かつ、量産性
良く作製することのできるグラファイト結晶の作製方法
を提供すること。 【構成】上記目的は、炭素を母材として炭素を金属中に
溶解させ、金属中に溶解した炭素をグラファイト種結晶
上に析出させることによって達成することができる。 【効果】本発明方法を進展させることによって、グラフ
ァイトのエレクトロニクス産業分野への適用も可能とな
る。
結晶の大きさ、形状を簡便に制御しつつ、かつ、量産性
良く作製することのできるグラファイト結晶の作製方法
を提供すること。 【構成】上記目的は、炭素を母材として炭素を金属中に
溶解させ、金属中に溶解した炭素をグラファイト種結晶
上に析出させることによって達成することができる。 【効果】本発明方法を進展させることによって、グラフ
ァイトのエレクトロニクス産業分野への適用も可能とな
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、結晶性に優れた高品質
のグラファイト結晶を、結晶の大きさ、形状を簡便に制
御しつつ、かつ、量産性良く作製することのできるグラ
ファイト結晶の作製方法に関する。
のグラファイト結晶を、結晶の大きさ、形状を簡便に制
御しつつ、かつ、量産性良く作製することのできるグラ
ファイト結晶の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】グラファイトは黒鉛とも呼ばれ、無定形
炭素、ダイヤモンドと共に炭素の同素体の一つをなすも
ので、その結晶構造は図2に示す通りである。古くから
良く知られた物質であり、その優れた表面潤滑性を利用
して摺動部品の材料として、あるいは、優れた耐熱性を
利用して耐火物材料、原子炉材料として用いられ、さら
に、被膜は抵抗体などの回路材料として用いられてきて
いる。
炭素、ダイヤモンドと共に炭素の同素体の一つをなすも
ので、その結晶構造は図2に示す通りである。古くから
良く知られた物質であり、その優れた表面潤滑性を利用
して摺動部品の材料として、あるいは、優れた耐熱性を
利用して耐火物材料、原子炉材料として用いられ、さら
に、被膜は抵抗体などの回路材料として用いられてきて
いる。
【0003】しかし、これらの用途は集積回路、LSI な
どに代表されるエレクトロニクス産業の隆盛化前に開発
されたものであり、近年のマイクロエレクトロニクスに
用いられる電子材料の材料制御技術の水準から見ると、
前近代的な技術水準に止まっている状態にある。この理
由の一つは、炭素が古くから知られた材料でありなが
ら、高品質の結晶を得ることが難しいことにある。周期
律表からも想定されるように、炭素はIV族元素の中で最
も共有結合の強い元素であり、原子間の結合が強く、方
向性が強いことから原子の移動度が小さく安定な結晶格
子を組むために、個々の原子の移動が難しい。さらに、
Si、Ge などと異なり、溶融液化し、固化して結晶化さ
せようとしても、炭素は大気下では液化せず、昇温して
行くと昇華してしまい、数千気圧以上の極限条件下でし
か液化し得ないという厄介な性質を有している。このよ
うな炭素固有の性質から、高品質の結晶性炭素を得るこ
とが難しく、これまで、エレクトロニクス産業の主役と
なり得ていなかった。
どに代表されるエレクトロニクス産業の隆盛化前に開発
されたものであり、近年のマイクロエレクトロニクスに
用いられる電子材料の材料制御技術の水準から見ると、
前近代的な技術水準に止まっている状態にある。この理
由の一つは、炭素が古くから知られた材料でありなが
ら、高品質の結晶を得ることが難しいことにある。周期
律表からも想定されるように、炭素はIV族元素の中で最
も共有結合の強い元素であり、原子間の結合が強く、方
向性が強いことから原子の移動度が小さく安定な結晶格
子を組むために、個々の原子の移動が難しい。さらに、
Si、Ge などと異なり、溶融液化し、固化して結晶化さ
せようとしても、炭素は大気下では液化せず、昇温して
行くと昇華してしまい、数千気圧以上の極限条件下でし
か液化し得ないという厄介な性質を有している。このよ
うな炭素固有の性質から、高品質の結晶性炭素を得るこ
とが難しく、これまで、エレクトロニクス産業の主役と
なり得ていなかった。
【0004】これに対し、熱分解黒鉛の結晶性は比較的
優れていると言われている。この物質は、ハイドロカー
ボン系のガスを高温に熱した基体上に導き、ガスを基体
上で熱的に分解して炭素を堆積させて得られるものであ
る。しかし、この場合には、グラファイト状の構造を有
する被膜を得ることはできるものの、その結晶性はエレ
クトロニクス産業の要求水準からみた場合に高品質のも
のとは言えず、エレクトロニクス材料としての用途に適
するものではない。
優れていると言われている。この物質は、ハイドロカー
ボン系のガスを高温に熱した基体上に導き、ガスを基体
上で熱的に分解して炭素を堆積させて得られるものであ
る。しかし、この場合には、グラファイト状の構造を有
する被膜を得ることはできるものの、その結晶性はエレ
クトロニクス産業の要求水準からみた場合に高品質のも
のとは言えず、エレクトロニクス材料としての用途に適
するものではない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来技術においては、グラファイトをエレクトロニクス用
材料として用いることについては種々の問題点があっ
た。しかし、図2の構造から推定されるように、グラフ
ァイトの特徴は強い異方性を示すことにある。すなわ
ち、ab軸二次元平面内での強い共有結合とc軸方向の
弱いファン・デル・ワールス結合とは対照的であり、こ
のことから、電気抵抗はab軸平面内の方がc軸方向よ
りも数桁小さく、また、熱伝導率はab軸平面内方向の
方がc軸方向よりも100倍程度大きくなる。高品質のグ
ラファイト結晶の作製において、これらの特徴的な物性
の制御が可能になれば、グラファイトの産業的応用は極
めて幅広いものとなりエレクトロニクス用材料技術に一
大変革をもたらすものとなる。
来技術においては、グラファイトをエレクトロニクス用
材料として用いることについては種々の問題点があっ
た。しかし、図2の構造から推定されるように、グラフ
ァイトの特徴は強い異方性を示すことにある。すなわ
ち、ab軸二次元平面内での強い共有結合とc軸方向の
弱いファン・デル・ワールス結合とは対照的であり、こ
のことから、電気抵抗はab軸平面内の方がc軸方向よ
りも数桁小さく、また、熱伝導率はab軸平面内方向の
方がc軸方向よりも100倍程度大きくなる。高品質のグ
ラファイト結晶の作製において、これらの特徴的な物性
の制御が可能になれば、グラファイトの産業的応用は極
めて幅広いものとなりエレクトロニクス用材料技術に一
大変革をもたらすものとなる。
【0006】このような状況から、現在、グラファイト
結晶の製造技術への関心が高まりつつあり、技術的な解
明、突破が待望されている状況にある。
結晶の製造技術への関心が高まりつつあり、技術的な解
明、突破が待望されている状況にある。
【0007】本発明の目的は、上記従来技術の有してい
た課題を解決して、結晶性に優れた高品質のグラファイ
ト結晶を、結晶の大きさ、形状を簡便に制御しつつ、か
つ、量産性良く作製することのできるグラファイト結晶
の作製方法を提供することにある。
た課題を解決して、結晶性に優れた高品質のグラファイ
ト結晶を、結晶の大きさ、形状を簡便に制御しつつ、か
つ、量産性良く作製することのできるグラファイト結晶
の作製方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は、炭素を母材
として炭素を金属中に溶解させ、金属中に溶解した炭素
をグラファイト種結晶上に析出させることによって達成
することができる。この内容をやや具体的に説明すれば
次の通りである。すなわち、まず、炭素母材と金属とを
接触させて該金属の融点以上に加熱すれば、溶融した金
属中に炭素原子を溶解させることが可能である。ここ
で、溶融金属の一方の端にグラファイト種結晶を配置
し、かつ、炭素母材‐金属‐種結晶の系に温度勾配をつ
け、炭素母材と金属との接触面を高温に、金属と種結晶
との接触面を比較的低温に保持することによって、金属
中で過飽和状態となった炭素原子が金属‐種結晶の接触
面で種結晶上に析出し、グラファイト単結晶として成長
させることができる。
として炭素を金属中に溶解させ、金属中に溶解した炭素
をグラファイト種結晶上に析出させることによって達成
することができる。この内容をやや具体的に説明すれば
次の通りである。すなわち、まず、炭素母材と金属とを
接触させて該金属の融点以上に加熱すれば、溶融した金
属中に炭素原子を溶解させることが可能である。ここ
で、溶融金属の一方の端にグラファイト種結晶を配置
し、かつ、炭素母材‐金属‐種結晶の系に温度勾配をつ
け、炭素母材と金属との接触面を高温に、金属と種結晶
との接触面を比較的低温に保持することによって、金属
中で過飽和状態となった炭素原子が金属‐種結晶の接触
面で種結晶上に析出し、グラファイト単結晶として成長
させることができる。
【0009】
【作用】上記炭素母材‐金属‐種結晶の系を十分に加熱
し、かつ、必要な温度勾配を制御性良く実現し、さら
に、不純物混入による汚染を生じることのない熱源とし
ては、レーザ光線を用いることが好ましい。また、上記
の方法を用いる場合加熱温度は少なくとも1000℃以上と
する必要があるが、このような高温を温度勾配をつけて
実現する熱源としては、CO2レーザのような大出力レー
ザが最適である。
し、かつ、必要な温度勾配を制御性良く実現し、さら
に、不純物混入による汚染を生じることのない熱源とし
ては、レーザ光線を用いることが好ましい。また、上記
の方法を用いる場合加熱温度は少なくとも1000℃以上と
する必要があるが、このような高温を温度勾配をつけて
実現する熱源としては、CO2レーザのような大出力レー
ザが最適である。
【0010】また、上記の炭素母材‐金属‐種結晶系の
加熱に際しては、母材と種結晶とを対向させ、その間に
金属を配置し、母材と種結晶との位置関係を制御しなが
らこれらを移動させることによって、種結晶上に成長す
るグラファイト結晶の形状と大きさとを制御することが
可能となる。
加熱に際しては、母材と種結晶とを対向させ、その間に
金属を配置し、母材と種結晶との位置関係を制御しなが
らこれらを移動させることによって、種結晶上に成長す
るグラファイト結晶の形状と大きさとを制御することが
可能となる。
【0011】
【実施例】以下、本発明グラファイト結晶の作製方法に
ついて、実施例によって具体的に説明する。
ついて、実施例によって具体的に説明する。
【0012】
【実施例1】図1は本発明方法の実施に用いたグラファ
イト結晶作製装置の要部の構成を示した図で、炭素母材
6上に金属塊4を載せ、該金属塊4上にさらに種結晶3
を載せた構成からなっていることを示す。なお、本実施
例においては、金属塊4として高純度の鉄(Fe)を用い
た。
イト結晶作製装置の要部の構成を示した図で、炭素母材
6上に金属塊4を載せ、該金属塊4上にさらに種結晶3
を載せた構成からなっていることを示す。なお、本実施
例においては、金属塊4として高純度の鉄(Fe)を用い
た。
【0013】上記の構成において、CO2レーザからの高
出力レーザ光5を外周部から照射し、レーザ光強度が炭
素母材6と金属塊4との接触部で最高となるように調整
した。ここで、レーザ光強度は10kW/cm2とし、金属が融
解し温度勾配が一様となった時点で種結晶3の速度を1
mm/hr、炭素母材6の速度を0.5mm/hrで上方に移動させ
た。
出力レーザ光5を外周部から照射し、レーザ光強度が炭
素母材6と金属塊4との接触部で最高となるように調整
した。ここで、レーザ光強度は10kW/cm2とし、金属が融
解し温度勾配が一様となった時点で種結晶3の速度を1
mm/hr、炭素母材6の速度を0.5mm/hrで上方に移動させ
た。
【0014】上記の操作を10時間行った後停止し、冷却
した後種結晶を取り出したところ、種結晶3上に直径約
1mm、長さ約10mmのグラファイトが成長していることが
確認された。また、該グラファイトの結晶性をX線回折
と電子線回折によって調べたところ、極めて高品質の単
結晶であることが確認された。また、得られた結晶の組
成分析を行ったところ、結晶表面に若干のFe の混入が
認められるのみで、極めて高純度のグラファイト結晶が
得られていることが判り、CO2レーザによる加熱が汚染
を生じさせることのない熱源として働いていることが確
認された。
した後種結晶を取り出したところ、種結晶3上に直径約
1mm、長さ約10mmのグラファイトが成長していることが
確認された。また、該グラファイトの結晶性をX線回折
と電子線回折によって調べたところ、極めて高品質の単
結晶であることが確認された。また、得られた結晶の組
成分析を行ったところ、結晶表面に若干のFe の混入が
認められるのみで、極めて高純度のグラファイト結晶が
得られていることが判り、CO2レーザによる加熱が汚染
を生じさせることのない熱源として働いていることが確
認された。
【0015】なお、熱計算によれば、結晶成長中の温度
は炭素母材‐金属接触面で約1800℃、金属‐種結晶接触
面で約1550℃であり、温度差による炭素の溶解度の差
は、本発明の目的に対して十分であったものと推察され
る。
は炭素母材‐金属接触面で約1800℃、金属‐種結晶接触
面で約1550℃であり、温度差による炭素の溶解度の差
は、本発明の目的に対して十分であったものと推察され
る。
【0016】
【実施例2】実施例1の場合と同じ装置を用い、実施例
1の場合の金属塊 Fe に代えて、ニッケル(Ni)及びコバ
ルト(Co)及びこれらの合金を用いて同様の実験を行っ
た。これらの金属はそれぞれ融点が異なるため、レーザ
光強度を変えて実験を行う必要があるが、実施例1の場
合と同様に、極めて高品質、高純度のグラファイト結晶
を得ることができた。
1の場合の金属塊 Fe に代えて、ニッケル(Ni)及びコバ
ルト(Co)及びこれらの合金を用いて同様の実験を行っ
た。これらの金属はそれぞれ融点が異なるため、レーザ
光強度を変えて実験を行う必要があるが、実施例1の場
合と同様に、極めて高品質、高純度のグラファイト結晶
を得ることができた。
【0017】
【実施例3】実施例1と同様内容の実験において、炭素
母材の移動速度を0.1〜1mm/hrの範囲、種結晶の移動速
度を0.4〜4mm/hrの範囲で変えて実験を行ったところ、
得られたグラファイト単結晶の外径は種結晶と炭素母材
との移動速度の比の平方根に依存すること、また、炭素
母材外径を2mmとし、上記速度比を1:4に固定した場
合に、上述の速度範囲で、直径約1mmのグラファイト単
結晶が得られ、その再現性も良いことがわかった。従っ
て、本発明の方法により、条件の設定によって設計通り
の大きさの単結晶が得られることがわかる。
母材の移動速度を0.1〜1mm/hrの範囲、種結晶の移動速
度を0.4〜4mm/hrの範囲で変えて実験を行ったところ、
得られたグラファイト単結晶の外径は種結晶と炭素母材
との移動速度の比の平方根に依存すること、また、炭素
母材外径を2mmとし、上記速度比を1:4に固定した場
合に、上述の速度範囲で、直径約1mmのグラファイト単
結晶が得られ、その再現性も良いことがわかった。従っ
て、本発明の方法により、条件の設定によって設計通り
の大きさの単結晶が得られることがわかる。
【0018】以上の実施例においては熱源として CO2レ
ーザを用いた場合の例について説明したが、光源として
は、大出力で連続発振が可能なものであれば、ルビーレ
ーザ等他のレーザを用いても、本質的に変わることな
く、同様の結果を得ることができる。
ーザを用いた場合の例について説明したが、光源として
は、大出力で連続発振が可能なものであれば、ルビーレ
ーザ等他のレーザを用いても、本質的に変わることな
く、同様の結果を得ることができる。
【0019】また、上記方法によって作製したグラファ
イト結晶の物性を測定したところ、電気抵抗、熱伝導率
ともにab軸面内方向とc軸方向とで極めて大きな異方
性のあることが確認された。
イト結晶の物性を測定したところ、電気抵抗、熱伝導率
ともにab軸面内方向とc軸方向とで極めて大きな異方
性のあることが確認された。
【0020】
【発明の効果】以上述べてきたように、グラファイト結
晶の作製方法を本発明構成の方法とすることによって、
従来技術の有していた課題を解決して、結晶性に優れた
高品質のグラファイト結晶を、結晶の大きさ、形状を簡
便に制御しつつ、かつ、量産性良く作製することのでき
る方法を提供することができた。
晶の作製方法を本発明構成の方法とすることによって、
従来技術の有していた課題を解決して、結晶性に優れた
高品質のグラファイト結晶を、結晶の大きさ、形状を簡
便に制御しつつ、かつ、量産性良く作製することのでき
る方法を提供することができた。
【0021】また、本発明の方法の実施に用いる装置の
構成は原理的に簡便なものであり、装置技術の進歩によ
って、制御性やコストの面からみて、量産可能な装置と
して発展させることが可能であり、本発明のグラファイ
ト作製方法は量産化の見通しのつけやすい方法で、今後
エレクトロニクス産業の分野のプロセスにも適用可能で
ある。
構成は原理的に簡便なものであり、装置技術の進歩によ
って、制御性やコストの面からみて、量産可能な装置と
して発展させることが可能であり、本発明のグラファイ
ト作製方法は量産化の見通しのつけやすい方法で、今後
エレクトロニクス産業の分野のプロセスにも適用可能で
ある。
【図1】本発明方法の実施に用いたグラファイト作製装
置の要部の構成を示す図。
置の要部の構成を示す図。
【図2】グラファイト結晶の結晶構造を示す図。
1…支持棒、2…熱絶縁体、3…種結晶、4…金属塊、
5…レーザ光、6…炭素母材、7…金属塊支持棒。
5…レーザ光、6…炭素母材、7…金属塊支持棒。
Claims (5)
- 【請求項1】炭素を母材として炭素を金属中に溶解させ
た後、金属中に溶解した炭素をグラファイト種結晶上に
析出させることを特徴とするグラファイト結晶の作製方
法。 - 【請求項2】上記炭素を溶解させる金属として、鉄(F
e)、ニッケル(Ni)あるいはコバルト(Co)等の遷移金属あ
るいはそれらの合金を用いることを特徴とする請求項1
記載のグラファイト結晶の作製方法。 - 【請求項3】上記炭素母材、金属、グラファイト種結晶
を加熱する熱源としてレーザ光線を用いることを特徴と
する請求項1及び2記載のグラファイト結晶の作製方
法。 - 【請求項4】上記グラファイト種結晶上へのグラファイ
トの析出に際して、炭素母材とグラファイト種結晶とを
対向させ、それらの間に金属を配置した構成とし、炭素
母材とグラファイト種結晶の双方または何れか一方を移
動させ、その移動速度を調節することによって析出グラ
ファイト結晶の大きさを制御することを特徴とする請求
項1、2及び3記載のグラファイト結晶の作製方法。 - 【請求項5】上記レーザ光線の光線源として CO2レーザ
を用いることを特徴とする請求項3、4記載のグラファ
イト結晶の作製方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3240845A JPH0578194A (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | グラフアイト結晶の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3240845A JPH0578194A (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | グラフアイト結晶の作製方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0578194A true JPH0578194A (ja) | 1993-03-30 |
Family
ID=17065565
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3240845A Pending JPH0578194A (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | グラフアイト結晶の作製方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0578194A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6420701B1 (en) | 1997-07-23 | 2002-07-16 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of determining average crystallite size of material and apparatus and method for preparing thin film of the material |
FR2956124A1 (fr) * | 2010-02-08 | 2011-08-12 | Centre Nat Rech Scient | Procede de fabrication de graphite monocristallin |
JP2011168448A (ja) * | 2010-02-19 | 2011-09-01 | Fuji Electric Co Ltd | グラフェン膜の製造方法 |
JP2012236745A (ja) * | 2011-05-12 | 2012-12-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 炭素薄膜の作製方法 |
-
1991
- 1991-09-20 JP JP3240845A patent/JPH0578194A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6420701B1 (en) | 1997-07-23 | 2002-07-16 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of determining average crystallite size of material and apparatus and method for preparing thin film of the material |
FR2956124A1 (fr) * | 2010-02-08 | 2011-08-12 | Centre Nat Rech Scient | Procede de fabrication de graphite monocristallin |
JP2011168448A (ja) * | 2010-02-19 | 2011-09-01 | Fuji Electric Co Ltd | グラフェン膜の製造方法 |
JP2012236745A (ja) * | 2011-05-12 | 2012-12-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 炭素薄膜の作製方法 |
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