CN117836254A - 用于半导体加工室中的包含yag的uv活化红色陶瓷体 - Google Patents
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- C04B2235/9669—Resistance against chemicals, e.g. against molten glass or molten salts
Abstract
本文公开了一种烧结陶瓷体，该烧结陶瓷体包括至少一个层，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中该至少一个层包括至少一个表面，其中该至少一个表面包括孔径不超过5pm并且最大孔径为1.5pm的孔，占该孔的至少95％，其中该至少一个表面表现出50至77的L*值以及6至12的“a”值，其中该至少一个层具有500pm至2cm的厚度，并且其中该L*值和该“a”值在该至少一个表面上变化不超过10％。还公开了制备该烧结陶瓷体的方法。
Description
技术领域
本公开涉及耐腐蚀的烧结陶瓷体和由其形成的部件、生产该陶瓷的方法以及在半导体等离子体加工室内的用途。烧结陶瓷体表现出由50至77的L*值部分地限定的颜色。
背景技术
半导体加工需要使用卤素基气体以及氧气和其它气体与高电场和磁场的组合，以形成等离子体蚀刻环境。该等离子体蚀刻环境在真空室内产生，用于在半导体衬底上蚀刻材料。苛刻的等离子体蚀刻环境需要对室部件使用高度耐腐蚀的材料。这些室包括诸如盘或窗、衬垫、气体注射器、环和圆柱体的组成零件，这些组成零件将等离子体限制在正在加工的晶圆上。这些部件已经由在等离子体环境中提供腐蚀和冲蚀耐受性的材料形成，并且已经例如在US 5,798,016、US 5,911,852、US 6,123,791和US 6,352,611中有描述。然而，在等离子体加工室中使用的这些零件持续受到等离子体侵蚀，并因此在暴露于等离子体的室部件的表面上腐蚀、冲蚀和变粗糙。这种腐蚀和冲蚀通过将颗粒从部件表面释放到室中而促成晶圆级污染，从而导致半导体器件的成品率损失。
已知稀土氧化物，并且其中特别是钇铝石榴石YAG(Y3Al5O12，立方相)和相关的钇铝氧化物家族诸如YAP(AlYO3)和YAM(Y4Al2O9)具有广泛的技术和工业应用。由于诸如用于固态激光器的主体材料、透明装甲、弹道红外窗口材料及其机械、热和光学特征的组合之类的应用，具有立方结晶相的YAG已经受到很多关注。特别是对于激光应用，单晶YAG由于其容纳稀土掺杂剂的能力而成为理想的衬底，因此已经付出了很多努力来制造单晶YAG。除了光学应用之外，还已知YAG是非常化学惰性的并且表现出高的基于卤素的等离子体耐腐蚀性和耐冲蚀性。
将YAG基陶瓷烧结至在最终部件中需要最小残留孔隙率的高级应用所要求的高密度是具有挑战性的。对于涉及等离子体腐蚀的半导体应用，孔隙率加速了对室部件表面的化学侵蚀，并且当表面随着长期使用而降解时会产生颗粒。如本领域技术人员所熟悉的，除了降低的耐化学性之外，过度的孔隙率可对陶瓷的机械和热特性有害。YAG陶瓷的致密化通常需要在约1600℃和更高的高温下真空烧结延长的时间段，诸如8小时或更长，以实现>98％的理论密度。为了实现接近理论值的更高密度，在首先真空烧结至约98％密度或直接由粉末进行单轴热压(HP)之后，采用压力辅助致密化技术，诸如热等静压(HIP)。通常，高温和较长的烧结持续时间会导致过度的晶粒生长，从而不利地影响固体钇铝氧化物主体的机械强度。为了促进YAG陶瓷的致密化，通常使用烧结助剂，诸如二氧化硅(SiO2)。然而，烧结助剂的添加有效地降低了钇铝氧化物材料的耐腐蚀性和耐冲蚀性，并增加了在室中使用期间半导体器件水平上杂质污染的可能性。因此，高纯度、高密度的钇铝氧化物主体，特别是具有立方结晶相(YAG，Y3Al5O12)的主体是理想的。
已知将钇铝氧化物的膜或涂层沉积在由不同材料形成的基底或衬底的顶上，该不同材料更容易获得并且具有更好的机械和热特性。此类钇铝氧化物膜已经通过若干种方法制造。然而，这些方法在可产生的膜厚度方面受到限制，表现为在膜和衬底之间的粘附性较差，并且体积孔隙率水平较高，从而导致颗粒脱落到加工室中。
对于由钇铝氧化物的YAG相制造的致密部件，均匀的微结构是优选的，以在大面积上实现均匀的腐蚀特性。因此，期望获得高的相纯度，其中主体的大部分(>90体积％)由YAG和最少量的氧化铝、氧化钇、YAP或YAM的残余相组成。然而，100％多晶YAG钇铝氧化物陶瓷体的制造是非常具有挑战性的，并且因此可能存在微量(<1体积％)的次级氧化物相。根据已建立的氧化钇/氧化铝相图，YAG仅作为根据化学计量组成的线性化合物存在，并且因此YAG仅在非常窄的组成范围内形成于相纯烧结体中。与标称相组成的任何偏差或材料的起始相之间的不完全反应可导致最终产物中不期望的次级相。
制造由YAG制成的用于大尺寸耐腐蚀部件的陶瓷体的尝试迄今为止是不成功的。直径为约100mm及更大的固体、相纯和高化学纯度部件可在不破裂或开裂的情况下进行处理并用作室的一部分，但很难超出实验室规模来生产。如前所述的挑战主要可归因于烧结的困难和YAG的物理特性(包括高热膨胀和低热导率)。目前没有经济可行的方法来制造用于半导体蚀刻和沉积应用中的直径为约100mm至约625mm及更大的高纯度、结晶相纯YAG烧结体或部件。
另外，已知包括YAG层的等离子体室部件随着UV暴露而随时间推移改变颜色。颜色变化通常是不均匀的，并且可能导致最终用户的拒绝。着色的可能来源是在加工期间金属或含金属化合物从衬底层迁移到YAG层中。
因此，需要具有均匀和高密度、低孔隙率和高纯度的烧结陶瓷体，其包含YAG，提供在等离子体蚀刻和沉积条件下对腐蚀和冲蚀的增强的等离子体耐受性，不随UV暴露而改变的颜色均匀性，以及商业上合适的生产方法，特别适合于制造大尺寸的部件。
发明内容
为了满足这些和其它需要，并且鉴于其目的，本公开提供了多层烧结陶瓷体和用于制备具有改善的机械特性、电学特性和热特性以及能够被处理的大的多层烧结陶瓷体的方法的实施方案。
实施方案1.一种烧结陶瓷体，包括：至少一个层，所述至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中所述至少一个层包括至少一个表面，其中所述至少一个表面包括孔径不超过5μm的孔，其中所述至少一个表面表现出50至77的L*值以及6至12的a*值，其中所述至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中所述L*值和所述a*值在所述至少一个表面上变化不超过10％。
实施方案2.根据实施方案1所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层具有3至6的b*值。
实施方案3.根据实施方案2所述的烧结陶瓷体，其中所述b*值在所述至少一个表面上变化不超过15％。
实施方案4.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层包含15ppm至100ppm的锆。
实施方案5.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层的所述厚度为500μm至1cm。
实施方案6.根据实施方案4所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层的所述厚度为500μm至5mm。
实施方案7.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中在所述至少一个表面上，所述L*值变化不超过3％并且所述a*值变化不超过9％。
实施方案8.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶钇铝石榴石包括孔径不超过1.75μm的孔，占所有孔的至少97％或更多。
实施方案9.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中至少一种多晶钇铝石榴石具有不超过2μm的最大孔径，占所有孔的至少99％或更多。
实施方案10.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶钇铝石榴石具有0.1％至3％的体积孔隙率。
实施方案11.根据实施方案11所述的烧结陶瓷体，其中所述体积孔隙率为0.1％至2％。
实施方案12.根据实施方案11所述的烧结陶瓷体，其中所述体积孔隙率为0.1％至0.5％。
实施方案13.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶钇铝石榴石以93体积％至99.8体积％的量存在，不包括存在的任何Al2O3或锆。
实施方案14.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中多晶陶瓷体具有如通过ICPMS确定的50ppm或更少的痕量金属Na、Fe和Mg的杂质。
实施方案15.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述孔占据小于0.2％的表面积。
实施方案16.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述孔占据小于0.10％的表面积。
实施方案17.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有100mm至625mm的最大尺寸。
实施方案18.根据实施方案17所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有200mm至625mm的最大尺寸。
实施方案19.根据实施方案17或18所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至小于5％的密度变化。
实施方案20.根据实施方案19所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至3％的密度变化。
实施方案21.根据前述实施方案中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层包含至多0.5％的Al2O3。
实施方案22.一种用于制备烧结陶瓷体的方法，包括以下步骤：a)将氧化钇粉末、氧化铝粉末和含锆粉末组合以递送15ppm至500ppm的锆，从而制备第一粉末混合物；b)通过施加热以将所述第一粉末混合物的温度升高至煅烧温度并保持所述煅烧温度以进行煅烧来煅烧所述第一粉末混合物，以形成第一经煅烧的粉末混合物；c)将所述第一经煅烧的粉末混合物置于由烧结设备的工具组限定的体积内，以形成所述第一经煅烧的粉末混合物的至少一个层并在所述体积内产生真空条件；d)在加热到烧结温度的同时向所述第一经煅烧的粉末混合物的所述至少一个层施加压力并进行烧结以形成烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体包括所述至少一个层，所述至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆；e)降低所述烧结陶瓷体的所述温度；以及f)将所述烧结陶瓷体暴露于UV辐射1分钟至400分钟的时间段，其中所述第一经煅烧的粉末混合物具有150ppm或更少的总杂质含量，其中步骤a)中的所述氧化钇粉末和所述氧化铝粉末各自具有如根据ASTM C1274测量的约18m2/g或更小的比表面积，其中烧结陶瓷层包括至少一个层，所述至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中所述至少一个层包括至少一个表面，其中所述至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占所述孔的至少95％，其中所述至少一个表面表现出50至77的L*值和6至12的a*值，其中所述至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中所述L*值和所述a*值在所述至少一个表面上变化不超过10％。
实施方案23.根据实施方案22所述的方法，还包括以下步骤：g)通过施加热以将所述烧结陶瓷体的所述温度升高达到退火温度并进行退火来对所述烧结陶瓷体进行退火；h)降低经退火的多层烧结陶瓷体的所述温度；以及i)任选地对所述烧结陶瓷体或经退火的烧结陶瓷体进行机械加工，以在等离子体加工室中产生以下形状的多层烧结陶瓷部件：介电窗、RF窗、聚焦环、工艺环、沉积环、喷嘴或气体注射器、喷头、气体分配板、蚀刻室衬里、等离子体源适配器、气体入口适配器、扩散器、静电晶圆吸盘(ESC)、吸盘、圆盘、离子抑制器元件、面板、隔离器、间隔件和/或保护环。
实施方案24.根据实施方案22或23所述的方法，其中所述工具组包括：石墨模具，所述石墨模具具有一定体积、内壁、第一开口和第二开口；以及与所述模具可操作地联接的第一冲头和第二冲头，其中所述第一冲头和所述第二冲头中的每一者均具有外壁，所述外壁限定的直径小于所述模具的所述内壁的直径，从而当所述第一冲头和所述第二冲头中的至少一者在所述模具的所述体积内移动时在所述第一冲头和所述第二冲头中的每一者与所述模具的所述内壁之间产生间隙。
实施方案25.根据实施方案24所述的方法，其中所述模具的所述内壁与所述第一冲头和所述第二冲头中的每一者的所述外壁之间的所述间隙是10μm至100μm的距离。
实施方案26.根据实施方案22至25中的一项所述的方法，其中所述烧结温度为1000℃至1500℃。
实施方案27.根据实施方案22至26中任一项所述的方法，其中所述烧结温度为1000℃至1300℃。
实施方案28.根据实施方案22至27中任一项所述的方法，其中在加热到所述烧结温度的同时对所述经煅烧的粉末混合物施加5MPa至59MPa的压力。
实施方案29.根据实施方案28所述的方法，其中所述压力为5MPa至40MPa。
实施方案30.根据实施方案29所述的方法，其中所述压力为5MPa至20MPa。
实施方案31.根据实施方案22至30中任一项所述的方法，其中在加热到所述烧结温度的同时对所述经煅烧的粉末混合物施加小于50MPa的压力。
实施方案32.根据实施方案22至31中任一项所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有100mm至625mm的最大尺寸。
实施方案33.根据实施方案32所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有200mm至625mm的最大尺寸。
实施方案34.根据实施方案22至33中任一项所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至小于5％的密度变化。
实施方案35.根据实施方案34所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至3％的密度变化。
实施方案36.根据实施方案22至35中任一项所述的方法，其中所述至少一个表面表现出3至6的b*值。
实施方案37.根据实施方案36所述的方法，其中所述b*值在所述至少一个表面上变化不超过15％。
实施方案38.根据实施方案14所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶陶瓷体具有如通过ICPMS确定的5ppm或更少的痕量金属Na、Fe和Mg的杂质。
本发明的实施方案可单独使用或彼此组合使用。
附图说明
图1描绘了双组分氧化钇/氧化铝相图的相图，示出了YAG(Y3Al5O12)、YAP(YAlO3)和YAM(Y4Al2O9)的钇铝氧化物相以及形成它们所需的摩尔比例和温度；
图2A是根据实施例2制备的烧结陶瓷体的抛光表面的10,000X下的SEM显微照片；并且
图2B是根据实施例2制备的烧结陶瓷体的抛光表面的10,000X下的SEM显微照片。
具体实施方式
现在将详细参考具体实施方案。虽然将结合这些具体实施方式来描述本公开，但是应当理解，这并不旨在将本公开限于这些具体实施方案。相反，它旨在涵盖可包括在由所附权利要求限定的实质和范围内的替代方案、修改方案和等效方案。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对所公开实施方案的透彻理解。可在没有这些具体细节中的一些具体细节或全部具体细节的情况下实践本公开。
半导体蚀刻和沉积反应器需要具有对加工所必需的含卤素等离子体的腐蚀和冲蚀具有高耐受性的表面的反应器部件。这些表面优选地最大程度减少颗粒从部件表面释放到室中。另外，室部件必须具有足够的机械强度以便处理和使用，尤其是在大的(直径>100mm，例如100mm至625mm)部件尺寸时。烧结陶瓷体可被机械加工成烧结部件，并且因此，必须能够在大尺寸时处理和机械加工，同时提供耐腐蚀性、低颗粒产生和高机械强度。如本文所公开的烧结陶瓷体包括至少一个层，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中至少一个层包括至少一个表面，其中至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占孔的至少95％，其中至少一个表面表现出50至77的L*值以及6至12的a*值，其中至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中L*值和a*值在至少一个表面上变化不超过10％。这些材料具有优异的耐腐蚀性和耐冲蚀性。这些材料的使用产生半导体等离子体加工室部件，该部件具有当经受基于卤素的等离子体蚀刻和沉积条件时提供相比于其它材料改善的等离子体耐受性的表面。
定义
如本文所用，术语“钇铝氧化物”应理解为意指钇铝氧化物的结晶相形式中的至少一种形式，包括Y3Al5O12(YAG，钇铝石榴石/立方相)，YAlO3(YAP，钇铝钙钛矿相)和Y4Al2O9(YAM，钇铝单斜晶相)和这些的组合。术语“YAG”和“YAG相”在本文中可互换使用。
如本文所用，术语“烧结陶瓷体”是指单层或多层体。如果是多层体，则该术语是指通过施加压力和热将一种或多于一种粉末混合物共压实而形成的整体、整体的烧结陶瓷制品，其产生整体、致密的多层烧结陶瓷体。可将该整体多层烧结陶瓷体机械加工成在等离子体加工应用中可用作室部件的整体、多层烧结陶瓷部件。如本文所用，术语“共压实”是指至少两种疏松粉末材料置于模具内并且经受压力以形成粉末压块的过程。粉末压块不含粘合剂、分散剂以及形成本领域中常见的生坯或成形体或带所需的其它类似有机物。
“整体”或“一体”意指单个件或单个一体式零件，其本身是完整的而没有附加件，即，该零件是与另一零件形成为一个单元的一个单片件。
如在本文件中使用的术语“基本上”是表示近似的描述性术语，并且意指“在程度上相当大”或“在很大程度上但不完全是指定的”，并且旨在避免指定参数的严格数值边界。
如本文所用，术语“烧结陶瓷部件”或“多层烧结陶瓷部件”是指在将陶瓷形成为用于如本文所公开的半导体加工室中的所需部件的特定形状的机械加工步骤之后的单层烧结陶瓷体、多层烧结陶瓷体或耐腐蚀陶瓷。
如本文所用，术语“粉末混合物”意指在烧结过程之前混合在一起的一种以上的起始粉末，在烧结步骤之后这些粉末由此形成多层烧结陶瓷体的至少一个层。
当应用于陶瓷的热处理时，术语“退火”在本文中应理解为意指在空气中对所公开的多层烧结陶瓷体进行热处理以减轻应力和/或使化学计量归一化。
如本文所用，术语“工具组”是可至少包括模具和至少两个冲头的工具组。当完全组装时，工具组限定了用于放置所公开的粉末混合物的体积。
如本文所用，术语“相”应理解为意指具有特定晶体结构的烧结陶瓷体的不同结晶区域、部分或层。
如本文所用，“固溶体”被定义为具有相同晶格结构的不同元素的混合物。晶格内的混合物可以是取代的，其中一个起始晶体的原子取代另一个起始晶体的原子，或者是填隙的，其中原子占据晶格中通常空的位置。
如本文所用，术语“纳米粉末”旨在涵盖比表面积大于20m2/g的那些粉末。
如本文所用，术语“相”应理解为意指具有特定晶体结构的烧结陶瓷体的不同结晶区域、部分或层。
如本文所用，术语“层”应理解为意指一定厚度的材料，通常为数个中的一个。该材料可以是例如陶瓷粉末、粉末混合物、经煅烧的粉末混合物或烧结区域或烧结部分。
如本文所用，“环境温度”是指约22℃至25℃的温度范围。
如本文所用，术语“纯度”是指a)在可形成粉末混合物的起始材料中，b)在加工后的粉末混合物(或经煅烧的粉末混合物)中，以及c)在如本文所公开的多层烧结陶瓷体或部件中不存在各种污染物。更高的纯度(接近100％)表示基本上没有污染物或杂质，或具有非常低量的污染物或杂质的材料，该材料实质上包含所公开的起始粉末中存在的材料组合物。
如本文所用，术语“杂质”是指存在于粉末或烧结陶瓷中的除预期化合物本身以外的那些化合物/污染物。杂质可存在于起始粉末、粉末混合物、加工后的粉末混合物和烧结陶瓷体中。使用ICPMS方法测定如本文所公开的烧结体的粉末、粉末混合物及第一层和第二层的杂质含量。
如本文所用，术语“掺杂剂”是添加到本体材料中以在陶瓷材料中产生所需特性(例如，改变电特性)的物质。通常，如果使用的话，掺杂剂以低浓度存在，即>0.002重量％至<0.05重量％。
杂质与掺杂剂的不同之处在于，如本文所定义的掺杂剂是有意添加到起始粉末或粉末混合物中以在多层烧结陶瓷体中实现某些电学、机械、光学或其它特性诸如粒度改性的那些化合物。
如本文所用的术语“烧结助剂”是指在烧结过程中增强致密化并从而降低孔隙率的化合物，诸如二氧化硅(SiO2)、氧化锂(Li2O)、氟化锂(LiF)、氧化镁(MgO)和/或氧化钙(CaO)。存在于起始粉末中的Hf和Y以及它们保留在烧结陶瓷中的程度不包含如本文所定义的烧结助剂、杂质或掺杂剂。
如本文所用，与如本文所公开的数字或特征结合使用的术语“大约”和“约”允许正负10％的差异。
以下详细描述假定本公开在作为在半导体晶圆衬底上制造器件的一部分所必需的设备(诸如蚀刻室或沉积室)内实施。然而，本发明不限于此。工件可以具有各种形状、尺寸和材料。除了半导体晶圆加工之外，可利用本发明的实施方案的其它工件包括各种制品，诸如精细特征尺寸无机电路板、磁记录介质、磁记录传感器、反射镜、光学元件、微机械器件等。
在半导体器件的加工期间，在蚀刻室内使用耐腐蚀零件或室部件，并将其暴露于引起颗粒释放到蚀刻室内的苛刻腐蚀环境中，由于晶圆级污染而导致成品率损失。本文所公开的烧结陶瓷体和相关部件通过下文将描述的特定材料特性和特征来提供改善的等离子体耐蚀刻性和增强的在半导体加工室内清洁的能力。
YAG
在实施方案中，本文公开了一种烧结陶瓷体，其包括至少一个层，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中至少一个层包括至少一个表面，其中至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占该孔的至少95％，其中至少一个表面表现出50至77的L*值以及6至12的a*值，其中至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中L*值和a*值在至少一个表面上变化不超过10％。在实施方案中，烧结陶瓷体具有0.1％至4％的体积孔隙率，如根据ASTM B962-17进行的密度测量所计算的。
烧结陶瓷体包括至少一个层，并且因此在一些实施方案中为单层烧结陶瓷体，其包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，并且具有本文所公开的特性。在其它实施方案中，烧结陶瓷体是多层烧结陶瓷体，其包括至少一个层，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，并且具有本文所公开的特性。在多层实施方案中，包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆并且具有本文所公开的特性的至少一个层优选地是外层，因此它最终在使用中可以是暴露于等离子体加工室中的等离子体的表面。第二层可以是任何合适的材料，诸如氧化锆增韧氧化铝或氧化钇。
在实施方案中，通过使用如本文所公开的材料和方法，烧结陶瓷体包括包含多晶YAG的至少一个层，该多晶YAG的量为立方晶体结构的90体积％至99.6体积％，优选地90体积至99.4体积％，优选地95体积％至99.6体积％，优选地95体积％至99.4体积％。在某些实施方案中，如本文所公开的烧结陶瓷体可包含95体积％至99.6体积％的YAG立方晶相和0.01％至5％的氧化铝相。如本文所公开的YAG立方晶相的体积值不包括任何含Al2O3和锆的化合物。如本文所公开的烧结陶瓷体的实施方案是多晶的，并且因此烧结陶瓷体可包括两种或更多种晶体而没有限制。烧结陶瓷体可包含量为0.1％至4％，优选地0.1％至3％，优选地0.1％至2％，优选地0.1％至1％，优选地0.1％至0.5％的体积孔隙率，其中如果孔隙率小于2％，则体积孔隙率由根据ASTM B962-17或ASTM B311-17进行的密度测量来计算。
在另一个实施方案中，本文公开了一种烧结陶瓷体，其包括包含组成为Y3Al5O12的钇铝石榴石(YAG)的至少一个层，该YAG包含90体积％至99.8体积％的立方晶体结构和量为0.2体积％至10体积％、优选地0.2体积％至8体积％、优选地0.2体积％至5体积％、优选地0.2体积％至3体积％、优选地0.2体积％至2体积％的氧化铝，并且优选地0.2体积％至1体积％的氧化铝。
在实施方案中，烧结陶瓷体的至少一个层包含至少一种形式的多晶钇铝氧化物，其量按体积计为70％至100％(如通过x射线衍射确定的)，体积孔隙率为0.1％至小于5％(如通过根据ASTM B962-17进行的密度测量计算的)，纯度大于99.99％(如通过ICPMS方法测量的)，并且硬度为至少1200HV(如根据ASTM标准C1327测量的)。在实施方案中，烧结陶瓷体的至少一个层包含至少一种多晶钇铝氧化物相或钇铝氧化物相的组合，在具体实施方案中包括钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)相、钇铝钙钛矿YAlO3(YAP)和钇铝单斜晶Y4Al2O9(YAM)以及它们的组合。在优选的实施方案中，烧结陶瓷体包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)。
在实施方案中，如本文所公开的烧结陶瓷体的至少一个层可包含约100％的YAG、YAP或YAM的钇铝氧化物中的任一者的单晶相。在其它实施方案中，烧结陶瓷体可包含如本文所公开的钇铝氧化物的两种或更多种离散或连续相的基质或复合结构。在另外的实施方案中，烧结陶瓷体可包含少量氧化铝和/或氧化钇相，其中大部分为钇铝氧化物YAG、YAP和YAM中的任一者或组合。
作为指导，图1描绘了氧化钇/氧化铝双组分相图。水平轴对应于氧化钇和氧化铝的以摩尔百分比计的混合物比例，而垂直轴是以摄氏度计的温度。水平轴的左侧对应于100％氧化铝，而右侧对应于100％氧化钇。图1的相图示出了其中形成YAG、YAP和YAM的钇铝氧化物相的区域以及产生这些形式所必需的摩尔组成和温度的条件。YAG的形成可能需要精确的粉末配料和仔细的加工，以便保持化学计量，并且因此形成包含37.5摩尔％氧化钇和62.5摩尔％氧化铝的相纯YAG的烧结陶瓷体。
颜色
本文所公开的烧结陶瓷体的至少一个层包含15ppm至500ppm的锆作为掺杂剂，并且具有至少一个表面，该至少一个表面在暴露于UV辐射后表现出50至77的L*值、6至12的a*值和3至6的b*值。不希望受特定理论的束缚，据信YAG相提供了锆原子作为固溶体渗透到其中的主体基质。因此，锆的上限是直到锆不再以固溶体形式并形成分离相的量。当至少一个表面暴露于UV辐射时，在该范围下端的锆优选地足以赋予YAG基质均匀的红色。添加(即掺杂)锆的目的是一旦烧结陶瓷体暴露于如下详述的UV辐射，就实现均匀的颜色变为红色。在实施方案中，锆可以15ppm至500ppm、15ppm至100ppm、15ppm至250ppm、50ppm至250ppm、50ppm至225ppm、50ppm至200ppm、50ppm至175ppm、50ppm至150ppm、50ppm至150ppm、50ppm至125ppm、50ppm至100ppm、以及50ppm至75ppm的量存在。
上述量的锆可以作为氧化物、氯化物、硝酸盐或任何其它抗衡离子添加。优选地，锆作为氧化物添加。
“颜色”使用1976CIELAB颜色空间(由国际照明委员会定义的标准ISO 11664-4)来描述：这将颜色折合到亮度/暗度变量L*(对其而言纯黑为0且全白为100)以及描述物体的色调的其它参数a*和b*。通常，将具有大于65且小于82的L*并且小于5的a*和b*的绝对值的物体认为是白色。均匀性和亮度可通过肉眼视觉评估或优选地使用可商购获得的仪器诸如FRU WR-18色度计测量，作为一个非限制性示例，使用CIELAB L*a*b*标度测量。CIELAB L*a*b*值在本文中也可互换地称为CIE Lab值或L*、a*、b*值。“a*”的值是指某些变换的颜色空间中的红-绿坐标，通常用作样本和标准参考颜色之间“a*”的差值。如果“a*”为正，则存在的红色比绿色更多；如果“a*”为负，则存在的绿色比红色更多。a*的值通常与b*一起用作色度或色度色差的一部分。“b*”的值是指某些颜色空间中的黄-蓝坐标，通常用作样本与标准参考颜色之间“b*”的差值，通常与“a*”一起使用或作为色度差的一部分。通常，如果“b*”为正，则存在的黄色比蓝色更多；如果“b*”为负，则存在的蓝色比黄色更多。
本文所公开的烧结陶瓷体的至少一个层具有至少一个表面，该至少一个表面在暴露于UV辐射后表现出50至77(在一些实施方案中为50至60)的L*值，6至12的a*值，以及3至6的b*值。在暴露于UV辐射后产生的“颜色”是均匀的，因为L*和a*值的变化不超过10％，并且在一些实施方案中不超过3.0％，并且在其它实施方案中不超过1.5％；并且b*值在至少一个表面上变化不超过15％，在一些实施方案中变化不超过7％，优选地变化不超过3％。在一个实施方案中，在至少一个表面上，L*值变化不超过3％并且a*值变化不超过9％。表1和表2示出根据本文公开的过程制备的具有50ppm掺杂锆的着色22英寸(558.8mm)(2,452cm2)YAG片(表1)与根据本文公开的过程制备的由于锆从氧化锆增韧铝的下层迁移而具有不均匀分布的ppm的锆的22英寸YAG片的颜色均匀性的差异。换句话说，表1和表2的样品两者均是两层烧结陶瓷体，每个烧结陶瓷体具有氧化锆增韧铝的衬底层和包含YAG的顶层，然而，表1的样品包括有意掺杂有50ppm锆的YAG层，而表2的样品的YAG层没有，但在制造过程期间通过迁移而具有一些锆。
颜色均匀性不仅对于化学和物理均匀性的感知是重要的，而且对于发射率的均匀性也是重要的，因为较暗的区域将比较亮的区域更多地吸收热，从而产生热点，该热点在使用期间可能导致裂缝形成。
表1-均匀颜色实施例
表2-非均匀颜色实施例
表1的样品的YAG层具有99.9％的相对密度，并且表2的样品的YAG层具有99.8％的相对密度，因此，表2的样品的YAG层比表1的样品的YAG层更多孔。
孔隙率和密度
本文所公开的烧结陶瓷体的至少一个层是非常致密的，并且相应地具有非常小的孔分布，使得至少一个表面包括孔径不超过5μm的孔。在实施方案中，对于至少95％的孔，孔具有1.5μm的最大孔径。
为了评估包含多晶YAG的至少一个第一层的晶粒尺寸，根据ASTM标准El 12-2010“Standard Test Method for Determining Average Grain Size”中所述的Heyn线性截距程序执行线性截距晶粒尺寸测量。进行晶粒尺寸测量(如表3中所列)，并且在25次重复中测得1.1μm至6.3μm的平均晶粒尺寸。还在包含YAG的至少一个第一层的表面上测得2μm至7.7μm的最大和最小晶粒尺寸。整体多层烧结陶瓷体可具有如下晶粒尺寸的表面：例如最大晶粒尺寸为约8μm及更小，优选最大晶粒尺寸为6μm及更小。在实施方案中，整体多层烧结陶瓷体可具有如下平均晶粒尺寸的表面：0.4μm至6.5μm，优选地0.4μm至5μm，优选地0.4μm至3μm，优选地0.8μm至6.5μm，优选地0.8μm至5μm，优选地0.8μm至3μm，优选地1μm至7μm，优选地1μm至6.5μm。
表3
根据ASTM B962-17和ASTM B311-17(当孔隙率水平为2％及更小时)使用阿基米德浮力法进行密度测量。所报告的密度值和标准偏差是5次或更多次测量的平均值。使用如本文所公开的方法测量可商购获得YAG单晶样品的密度。使用如本文所公开的方法测量可商购获得散装YAG单晶样品的密度。在5次测量中获得4.56g/cc的阿基米德密度，并取该值作为如本文所用的YAG的理论密度。如本文实施方案中公开的包含至少一层相纯YAG和包含至多1重量％过量氧化铝的另外相纯YAG的烧结陶瓷体可具有例如4.374g/cc至4.556g/cc、4.419g/cc至4.556g/cc、4.465g/cc至4.556g/cc、4.510g/cc至4.556g/cc和4.533g/cc至4.556g/cc的密度，或以YAG理论密度的百分比计为96％至99.999％、97％至99.999％、98％至99.999％、99％至99.999％和99.5％至99.999％。对应体积孔隙率(Vp)可以是0.010％至小于5％、0.010％至4％、0.010％至3％、0.010％至3％、0.010％至2％、0.010％至1％，优选地小于1％，优选地小于0.5％，如本文所公开而进行的密度测量中计算的。在其中陶瓷烧结体包括包含约16体积％的稳定的氧化锆和部分稳定的氧化锆中的至少一种(且余量部分为氧化铝)的至少一个第二层的实施方案中，在类似条件下测量密度并且计算出密度为约4.32g/cc。使用体积混合规则计算包含约16体积％的氧化锆的ZTA的理论密度，并且测得密度为4.32并被作为包含约16体积％的氧化锆的至少一个第二层的理论密度。因此，多层烧结陶瓷体的包含约16体积％的氧化锆的至少一个第二层的理论密度百分比为理论密度的99％至100％，优选地99.5％至100％，优选地约100％。根据该实施方案公开的多层烧结陶瓷体的理论密度％(也表示为相对密度，RD)大于包含至少一个第一层和至少一个第二层的整体多层烧结陶瓷体的理论密度的99％，优选99％至100％，优选99.5％至100％，优选约100％。
给定材料的相对密度(RD)定义为样品的测量密度与相同材料的报告理论密度的比率，如以下公式所示。体积孔隙率(Vp)由密度测量值计算如下：
其中ρ样品是根据ASTM B962-17测量的(阿基米德)密度，ρ理论是报告的理论密度，并且RD是相对分数密度。使用该计算，从如本文所公开的烧结陶瓷体的测量密度值计算出0.1％至5％及更小的孔隙率水平。因此，在实施方案中，如本文所公开的包含至少一种钇铝氧化物石榴石相的烧结陶瓷体在烧结陶瓷体中包含量为0.1％至5％、优选地0.1％至4％、优选地0.1％至3％、优选地0.1％至2％、优选地0.1％至1％的体积孔隙率，如从对应密度计算的。
这些密度、纯度和孔隙率水平可提供对由等离子体蚀刻和沉积加工导致的冲蚀和腐蚀作用的增强的耐受性。所公开的方法和材料在制备大尺寸的陶瓷烧结体中特别有用，例如最大尺寸为200mm至约625mm。陶瓷烧结体的高密度以及由此高机械强度还提供了提高的可处理性，尤其是在大尺寸下。成功制造烧结钇铝氧化物主体，并且尤其是由在本文所公开的范围内、在最长尺寸(约200mm至约625mm)上的相纯YAG形成的主体可通过控制在至少一个最长尺寸的密度变化来实现。期望96％和更大的平均密度，密度变化为0.2％至小于5％及更小，优选地4％及更小，优选地3％及更小，优选地2％及更小，并且优选地1％及更小，如在最大尺寸上测量的，由此最大尺寸可以是例如100mm至625mm，优选地100mm至622mm，优选地100mm至575mm，优选地200mm至625mm，优选地200mm至510mm，优选地400mm至625mm，并且优选地500mm至625mm。低于YAG理论密度的95％的低密度可能具有较低的强度，从而具有较高的孔隙率，超过5％，这导致破裂和较差的可处理性。
除了高密度之外，所公开的陶瓷烧结体在最大尺寸上的密度变化可影响特别是在大尺寸(>100mm)下处理、机械加工和用作陶瓷烧结部件的能力。在如本文所公开的陶瓷烧结体的若干示例的最大尺寸上测量密度。
除了高密度之外，高硬度值还可在用作等离子体室部件期间提供增强的耐冲蚀性。因此，根据ASTM标准C1327“Standard Test Method for Vickers IndentationHardness of Advanced Ceramics”进行维氏硬度测量。用于所有硬度测量的测试设备是Wilson显微硬度计VH1202型。对于如本文所公开的陶瓷烧结体，可获得的硬度值为至少1200HV、优选地至少1400HV、优选地至少1800HV、优选地至少2000HV、1300HV至1600HV、1300HV至1500HV、1300HV至1450HV、1300HV至1400HV、1400HV至1600HV、1450HV至1600HV、1450HV至1550HV。使用本领域已知的维氏硬度法可获得的测量值被转化为GPa的SI单位。对于如本文所公开的陶瓷烧结体，可获得的硬度值为12.75GPa至15.69GPa、12.75GPa至14.71GPa、12.75GPa至14.22GPa、12.75GPa至13.73GPa、13.73GPa至15.69GPa、14.22GPa至15.69GPa，优选地14.22GPa至15.20GPa。这些高硬度值可有助于在半导体蚀刻过程期间增强对离子轰击的耐受性并且在使用过程中减少冲蚀，从而在将陶瓷烧结体机械加工成具有精细尺度特征的陶瓷烧结部件时提供延长的寿命。
在一个实施方案中，如根据ASTM标准C1327测量的，对于使用0.2kgf的施加负载的八个样品，本文公开的烧结陶瓷体具有13.0GPa至15.0GPa的平均硬度。在另一个实施方案中，如根据ASTM标准C1327测量的，对于使用0.2kgf的施加负载的八个样品，本文公开的陶瓷烧结体具有约13.5GPa至14.5GPa的平均硬度。
已知机械强度性质随着晶粒尺寸的减小而改善。为了评估晶粒尺寸，根据ASTM标准El 12-2010“Standard Test Method for Determining Average Grain Size”中所述的Heyn线性截距程序执行线性截距晶粒尺寸测量。晶粒尺寸也可通过SEM测量。为了满足在作为200mm至625mm的大部件的反应室中使用的高挠曲强度和刚性的要求，陶瓷烧结体的细晶粒尺寸可为例如约10μm及更小的最大晶粒尺寸、优选地8μm及更小的最大晶粒尺寸、优选地5μm及更小的平均晶粒尺寸、优选地3μm及更小、优选地2μm及更小、优选地1.5μm及更小、优选地1.0μm及更小、优选地0.5μm至8μm的平均晶粒尺寸，优选地1μm至5μm的晶粒尺寸。
相对于使用ICPMS方法测量的包含多晶YAG和15ppm至500ppm锆的至少一个第一层的总质量，包含90体积％至99.8体积％多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm锆的至少一个层可具有小于100ppm，优选地小于75ppm、小于50ppm，优选地小于25ppm，优选地小于15ppm，优选地小于10ppm，优选地小于8ppm，优选地小于5ppm，优选地5ppm至30ppm，以及优选地5ppm至20ppm的总杂质含量。本文所公开的总杂质含量不包括二氧化硅形式的Si。
使用如本文所公开的ICP-MS方法识别较轻元素的存在的检测限高于较重元素的报告限。换句话讲，与例如从Li到Al的那些较轻元素(例如以低至0.7ppm的精度检测)相比，诸如Sc和更高的较重元素以更高的精度(例如低至0.06ppm)检测。因此，包含诸如从Li到Al的较轻元素的那些粉末的杂质含量可测定为约0.7ppm及更大，并且从Sc(钪)到U(铀)的较重元素的杂质含量可测定为约0.06ppm及更大。使用如本文所公开的ICPMS方法，可以检测低至约14ppm的量的二氧化硅，而可以鉴定1.4ppm及更大的量的K(钾)和Ca(钙)。可以低至0.14ppm的量精确地检测铁。
如本文所公开的，包括至少一个层的烧结陶瓷体可以是单层烧结陶瓷体，或者它可以是多层烧结陶瓷体的一层，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中至少一个层包括至少一个表面，其中至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占孔的至少95％，其中至少一个表面表现出50至77的L*值以及6至12的a*值，其中至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中L*值和a*值在至少一个表面上变化不超过10％。
如果多层烧结陶瓷体包括一个或多个附加层，则该一个或多个附加层可以是例如以下中的一者或多者：(i)氧化铝，其中氧化铝包含稳定的氧化锆和部分稳定的氧化锆中的至少一者；(ii)附加YAG层；(iii)氧化钇；以及(iv)氧化铝。
在一些实施方案中，如使用如本文所公开的ICPMS方法测量的，各自相对于具有100％纯度的材料，包含YAG的至少一个第一层可以具有99.99％及更高、优选地99.995％及更高(不包括Al2O3和含锆化合物)的纯度。
由陶瓷烧结体形成的耐腐蚀部件的上述特性通过调整以下各项实现：氧化钇和氧化铝粉末的纯度、粉末的组合、粉末的煅烧、氧化钇和氧化铝粉末的压力、氧化钇和氧化铝粉末的温度、粉末烧结的持续时间、在任选的退火步骤期间陶瓷烧结体/陶瓷烧结部件的温度以及任选的退火步骤的持续时间。本文所公开的方法适用于使用可扩展的制造过程生产陶瓷烧结体，特别是那些大尺寸的陶瓷烧结体。
制备方法
本文所公开的烧结陶瓷体的制备可通过使用压力辅助烧结来实现，例如火花等离子体烧结(SPS)，也称为场辅助烧结技术(FAST)或直流烧结(DCS)。这些直流烧结和相关技术采用直流电加热导电模具构造或工具组，从而加热待烧结的材料。这种加热方式允许应用非常高的加热和冷却速率，从而增强致密化机制而不是促进晶粒生长的扩散机制，这可有助于制备具有非常细的晶粒尺寸的烧结陶瓷体，并将原始粉末的固有特性转移到接近或完全致密的产品中。如本文所公开的直流压力辅助方法利用优选非脉冲的、连续的直流电来加热所公开的工具组。
本文公开了一种用于制备如上文所公开的烧结陶瓷体的方法，该烧结陶瓷体包括至少一个层，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中至少一个层包括至少一个表面，其中至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占孔的至少95％，其中至少一个表面表现出50至77的L*值以及6至12的a*值，其中至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中L*值和a*值在至少一个表面上变化不超过10％。该方法包括以下步骤：a)将氧化钇粉末、氧化铝粉末和含锆粉末组合以递送15ppm至500ppm的锆，从而制备第一粉末混合物；b)通过施加热以将第一粉末混合物的温度升高至煅烧温度并保持该煅烧温度以进行煅烧来煅烧第一粉末混合物，以形成第一经煅烧的粉末混合物；c)将第一经煅烧的粉末混合物置于由烧结设备的工具组限定的体积内，以形成第一经煅烧的粉末混合物的至少一个层并在该体积内产生真空条件；d)在加热到烧结温度的同时向第一经煅烧的粉末混合物的至少一个层施加压力并进行烧结以形成烧结陶瓷体，该烧结陶瓷体包括至少一个层，至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆；e)降低烧结陶瓷体的温度；以及f)将烧结陶瓷体暴露于UV辐射1分钟至200分钟的时间段，其中第一经煅烧的粉末混合物具有150ppm或更少的总杂质含量，其中步骤a)中的氧化钇粉末和氧化铝粉末各自具有如根据ASTM C1274测量的约18m2/g或更小的比表面积，其中至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中至少一个层包括至少一个表面，其中至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占孔的至少95％，其中至少一个表面表现出50至77的L*值和6至12的a*值，其中至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中L*值和a*值在至少一个表面上变化不超过10％。以下附加步骤是任选的；通过施加热以使陶瓷烧结体的温度升高达到退火温度来对陶瓷烧结体进行退火，以形成经退火的陶瓷烧结体；降低经退火的陶瓷烧结体的温度；以及对陶瓷烧结体或经退火的陶瓷烧结体进行机械加工，以在蚀刻室中产生陶瓷烧结部件，诸如介电窗或RF窗、聚焦环、喷嘴或气体注射器、喷头、气体分配板、蚀刻室衬里、等离子体源适配器、气体入口适配器、扩散器、电子晶圆吸盘、吸盘、圆盘、混合歧管、离子抑制器元件、面板、隔离器、间隔件和/或保护环。
本文所公开的方法提供了陶瓷烧结体和部件的制备，该陶瓷烧结体和部件包括氧化钇(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)、组成为Y3Al5O12的钇铝石榴石(YAG)、组成为YAlO3的钇铝钙钛矿(YAP)和组成为Y4Al2O9的钇铝单斜晶(YAM)以及它们的组合。
在实施方案中，本文公开的方法提供了陶瓷烧结体的制备，该陶瓷烧结体包含石榴石立方晶体结构的YAG，其量为立方晶体结构的90体积％至99.5体积％，优选地为立方晶体结构的90体积％至99体积％，优选地为立方晶体结构的95体积％至99.5体积％，优选地为立方晶体结构的95体积％至99体积％。在另选实施方案中，在包含YAG的陶瓷烧结体中可以存在量为0.1体积％至5体积％、0.1体积％至3体积％、0.1体积％至2体积％、0.1体积％至1体积％、优选地小于1体积％的Al2O3相。
使用如本文所公开的材料和方法，可以在不使用烧结助剂的情况下实现所公开的陶瓷烧结体的高密度，例如相纯YAG的理论密度的96％、98％、99.5％及更大。因此，在实施方案中，包含YAG的陶瓷烧结体基本上不含或不含烧结助剂(不包括如本文所述用作掺杂剂的锆化合物)。
在实施方案中，包含90体积％至99.8体积％的多晶YAG的陶瓷烧结体可包含超过化学计量YAG的过量氧化钇和/或氧化铝，其可从过程中保留或可在粉末配料和制备期间有意添加。因此，过量的氧化钇和/或氧化铝在它们可能保留在陶瓷烧结体中的程度上不被认为是掺杂剂或烧结助剂。
在实施方案中，所公开的工艺提供了具有高(>98％)密度、高纯度和低孔隙率的大于99体积％立方晶体结构的高相纯YAG的制备。在另选实施方案中，所公开的工艺提供了95体积％及更高的高相纯YAG立方晶体结构与5体积％及更少的氧化铝第二结晶相的制备，烧结体也具有高密度、高纯度和低孔隙率。在另外的实施方案中，所公开的工艺提供了具有高纯度、高密度和低孔隙率的钇铝石榴石、Y3Al5O12(YAG)、钇铝钙钛矿YAlO3(YAP)和/或钇铝单斜晶Y4Al2O9(YAM)以及它们的组合的混合相和/或相纯陶瓷烧结体的制备。所公开的陶瓷烧结体特别适用于等离子体加工设备中，诸如半导体制造设备。此类零件或构件可包括窗、喷嘴、气体注射器、喷头、(蚀刻)室衬里、混合歧管、晶圆支撑件、电子晶圆吸盘和各种环如聚焦环和保护环，以及其它部件。
本文公开的方法的步骤a)包括将氧化钇粉末、氧化铝粉末和含锆粉末组合以递送15ppm至500ppm的锆，从而制备第一粉末混合物。用于形成耐腐蚀陶瓷烧结体和后续部件的氧化铝和氧化钇的起始粉末材料优选地是高纯度的可商购获得的粉末。然而，可以使用其它氧化物粉末，例如由化学合成方法和相关方法生产的那些。d50定义为中值并表示一半群体位于该点以上且一半位于该点以下的值。类似地，90％的分布低于d90，并且10％的群体低于d10。
根据本发明的一个实施方案的用作起始材料的氧化钇粉末的d10粒度优选地为1μm至7μm、优选地1μm至6μm、优选地1μm至5μm、优选地2μm至7μm、优选地3μm至7μm、优选地4μm至7μm，以及优选地5μm至7μm。
根据本发明的一个实施方案的用作起始材料的氧化钇粉末的d50粒度优选地为3μm至11μm、优选地3μm至9.5μm、优选地3μm至8.5μm、优选地3μm至7.5μm、优选地4μm至11μm、优选地5μm至11μm、优选地6μm至11μm，以及优选地7μm至11μm。
根据本发明的一个实施方案的用作起始材料的氧化钇粉末的d90粒度优选地为6μm至20μm、优选地6μm至18μm、优选地6μm至16μm、优选地8μm至20μm、优选地10μm至20μm、优选地15μm至20μm、优选地8μm至18μm，以及优选地10μm至18μm。
氧化钇粉末优选地具有0.75m2/g至12m2/g、优选地0.75m2/g至10m2/g、优选地0.75m2/g至8m2/g、优选地0.75m2/g至6m2/g、优选地0.75m2/g至4m2/g、优选地0.75m2/g至2m2/g、优选地1m2/g至6m2/g、优选地1m2/g至4m2/g、优选地2m2/g至10m2/g、优选地4m2/g至10m2/g、优选地6m2/g至10m2/g，以及优选地1m2/g至4m2/g的比表面积(SSA)。
氧化钇起始材料的纯度优选地高于99.99％、优选地高于99.995％、优选地高于99.999％、更优选地高于99.9995％以及更优选地高于99.9999％。这对应于100ppm及更低、优选地50ppm及更低、优选地25ppm及更低、优选地10ppm及更低、更优选地约1ppm、优选地1ppm至100ppm、优选地1ppm至50ppm、优选地1ppm至25ppm、优选地1ppm至10ppm，以及优选地1ppm至5ppm的杂质含量。
根据本发明的一个实施方案的用作起始材料的氧化铝粉末的d10粒度优选地为0.05μm至4μm、优选地0.05μm至3μm、优选地0.05μm至2μm、优选地0.05μm至1μm、优选地0.05μm至0.75μm、优选地0.05μm至0.5μm、优选地0.2μm至4μm、优选地0.2μm至3μm、优选地0.2μm至2μm、优选地0.2μm至1μm、优选地0.4μm至4μm、优选地0.4μm至3μm、优选地0.4μm至2μm、优选地0.4μm至1μm、优选地0.75μm至2μm、优选地0.75μm至3μm、优选地1μm至3μm，以及优选地2μm至3μm。
根据本发明的一个实施方案的用作起始材料的氧化铝粉末的d50粒度通常为0.15μm至8μm、优选地0.15μm至5μm、优选地0.15μm至3μm、优选地0.15μm至1μm、优选地0.15μm至0.5μm、优选地1μm至8μm、优选地1μm至6μm、优选地1μm至4μm、优选地2μm至6μm、优选地3μm至8μm、优选地4μm至8μm、优选地5μm至8μm，以及优选地3.5μm至6.5μm。
根据本发明的一个实施方案的用作起始材料的氧化铝粉末的d90粒度为0.50μm至75μm、优选地0.35μm至10μm、优选地0.35μm至5μm、优选地0.35μm至3μm、优选地0.35μm至1μm、优选地0.35μm至0.75μm、优选地3μm至80μm、优选地3μm至60μm、优选地3μm至40μm、优选地3μm至20μm、优选地10μm至60μm、优选地10μm至40μm、优选地10μm至30μm、优选地10μm至20μm、优选地30μm至60μm、优选地15μm至60μm、优选地40μm至60μm，以及优选地6μm至15μm。
氧化铝粉末通常具有3m2/g至18m2/g、优选地3m2/g至16m2/g、优选地3m2/g至14m2/g、优选地3m2/g至12m2/g、优选地3m2/g至10m2/g、优选地3m2/g至6m2/g、优选地6m2/g至18m2/g、优选地6m2/g至14m2/g、优选地8m2/g至18m2/g、优选地10m2/g至18m2/g、优选地8m2/g至10m2/g、优选地4m2/g至9m2/g、优选地5m2/g至10m2/g，以及优选地6m2/g至8m2/g的比表面积。
如使用ICPMS方法所测量，氧化铝起始材料的纯度通常高于99.99％、优选高于99.995％、优选高于99.999％，以及优选高于99.9995％。相应地，氧化铝粉末的杂质含量可为100ppm及更低、优选50ppm及更低、优选25ppm及更低、优选10ppm及更低并且更优选5ppm及更低。
在实施方案中，氧化铝粉末可包含80体积％至100体积％的α氧化铝结晶相、优选地90体积％至100体积％的α氧化铝结晶相，并且优选地95体积％至100体积％的α氧化铝结晶相。
表4列出了所公开的形成包含YAG的烧结体的起始材料的特性。使用能够测量10nm至5mm的粒度的Horiba型号LA-960激光散射粒度分布分析仪测量起始粉末、粉末混合物和经煅烧的粉末混合物的粒度。使用Horiba BET表面积分析仪型号SA-9601测量起始粉末、粉末混合物和经煅烧的粉末混合物的比表面积，该分析仪能够测量0.01m2/g至2000m2/g的比表面积，对于大多数样品具有10％及更低的精度。
表4
| d10(um) | d50(um) | d90(um) | SSA(m2/g) | |
| 氧化钇 | 1至7 | 3至11 | 6至20 | 0.75至12 |
| 氧化铝 | 0.05至4 | 0.15至8 | 0.50至75 | 3至18 |
向氧化钇和氧化铝粉末中添加包含锆化合物的掺杂剂，优选地以粉末形式。锆化合物包括例如锆氧化物(氧化锆)、氯化锆、硝酸锆或锆的任何其它抗衡离子。在优选实施方案中，锆作为氧化锆氧化物添加，并且氧化锆可以用例如氧化钇稳定化。掺杂剂锆化合物的量应足以递送量为15ppm至500ppm、15ppm至350ppm、15ppm至250ppm、15ppm至200ppm、15ppm至100ppm、15ppm至50ppm、50ppm至225ppm、50ppm至200ppm、50ppm至175ppm、50ppm至150ppm、50ppm至150ppm、50ppm至125ppm、50ppm至100ppm以及50ppm至75ppm的锆。作为指导，表5提供了实现锆的特定目标浓度所需的氧化锆掺杂剂的量。
表5
| 目标Zr掺杂剂含量 | PPM ZrO2 | 所使用的YSZ粉末的重量％ |
| 25ppm Zr | 100 | 0.0105 |
| 50ppm Zr | 200 | 0.0210 |
| 100ppm Zr | 400 | 0.0420 |
| 500ppm Zr | 2000 | 0.2100 |
| YSZ＝97摩尔％ZrO2+3摩尔％Y2O3 |
对于其中锆掺杂剂化合物是氧化锆的实施方案，氧化锆粉末可具有d10为0.08μm至0.20μm、d50为0.3μm至0.7μm并且d90为0.9μm至5μm的粒度分布。用作根据本发明的一个实施方案的混合物的起始材料的氧化锆粉末的平均粒径可以为0.3μm至1μm。
氧化锆粉末通常具有如根据ASTM C1274测量的1m2/g至16m2/g、优选2m2/g至14m2/g、优选4m2/g至12m2/g并且更优选5m2/g至9m2/g的比表面积(SSA)。
氧化锆粉末起始材料的纯度优选地高于99.8％、优选地高于99.9％、优选地高于99.95％、优选地高于99.975％、优选地高于99.99％，以及优选地高于99.995％。这对应于如使用本文所公开的ICPMS(电感耦合等离子体质谱法)方法测量的2000μm及更低、优选地1000ppm及更低、优选地500ppm及更低、优选地250ppm及更低、优选地100ppm及更低、优选地50ppm及更低并且优选地25ppm至150ppm的总杂质含量。如在许多可商购获得的氧化锆粉末中常见的，如本文所公开的实施方案中所用的氧化锆通常包含约2重量％至5重量％的低量的Hf。
在其它实施方案中，可以优选的是粉末混合物不含比表面积为约2m2/g及更大的YAG相，以便通过如本文所公开的原位、反应相烧结工艺形成包含YAG的多层烧结陶瓷体的至少一个第一层。本文所公开的所有纯度测量是在特定元素的报告限以上测量的，并且使用来自Agilent 7900ICP-MS型号G8403，一种四极质谱系统的ICPMS来完成。使用如本文所公开的ICP-MS方法识别较轻元素的存在的检测限高于较重元素的报告限。
在实施方案中，包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的氧化锆的烧结陶瓷体可由37.5摩尔％氧化钇和62.5摩尔％氧化铝的化学计量粉末混合物形成。报告于“Mechanisms of nonstoichiometry in Y3AI5O12”，Patel等人，2008,Appl.Phys.Lett.93,191902(2008)中的研究表明相域的宽度可以具有0.1摩尔％及更小的变化。因此，与化学计量的YAG(37.5％氧化铝/62.5％氧化钇)的0.1摩尔％及更小的偏差可能导致形成相纯的钇铝氧化物石榴石。因此，在实施方案中，包含大于99体积％的量的钇铝石榴石(YAG)石榴石立方相(Y3Al5O12)的陶瓷烧结体可由以37.4摩尔％至37.6摩尔％氧化钇与62.6摩尔％和62.4摩尔％氧化铝的比率组合成粉末混合物的起始粉末形成。按重量计，粉末混合物可由约42.9％至43.4％的氧化铝和57.1％至56.6％的氧化钇形成。
组合上述包含氧化钇、氧化铝和锆化合物掺杂剂的起始粉末以制备第一粉末混合物可使用湿式或干式球磨(轴向旋转)、湿式或干式翻滚(上下颠倒或竖直)混合以及这些的组合的粉末制备技术来进行。
为了在混合期间保持起始粉末的纯度，可以使用高纯度(>99.99％)氧化铝介质来完成在干燥条件下的球磨或上下颠倒翻滚混合。使用ICPMS方法测试本文所用的高纯度氧化铝介质，并且发现其纯度为99.997％。用于干球或翻滚混合的介质负载可在大尺寸(约30mm)介质元件至按粉末重量计约50％的介质载量之间变化。干磨或混合可以使用50RPM至200RPM、优选地75RPM至150RPM、优选地100RPM至125RPM的RPM进行12小时至48小时、优选地16小时至48小时、优选地24小时至48小时的持续时间。
湿式球磨或翻滚混合可通过将起始粉末悬浮在各种溶剂诸如乙醇、甲醇和其它醇和/或水中以形成浆料来进行。浆料都可以形成为在研磨或混合期间具有按粉末重量计5％至50％、优选按粉末重量计10％至40％、优选按粉末重量计20％至40％的粉末载量。湿法混合或研磨通过增加流动性来改善粉末的分散，从而在热处理或煅烧之前产生精细尺度、均匀的混合。在特定实施方案中，可任选地使用许多可商购获得的分散剂(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP))向浆料中添加分散剂。分散剂可任选地以按粉末重量计零(无分散剂)至0.2％、优选按粉末重量计0％至0.1％的量添加。介质负载量可以从在研磨期间不使用介质变化到按粉末重量计50％及更高，优选地按粉末重量计40％至100％、优选地按粉末重量计60％至100％、优选地按粉末重量计50％至80％的载量的介质。湿式球磨或翻滚混合可以进行8小时至48小时、优选地12小时至48小时、优选地16小时至48小时、优选地8小时至36小时、优选地8小时至24小时、优选地8小时至12小时的持续时间。对于直径至多约200mm的容器，球磨可使用50RPM至200RPM、优选地75RPM至150RPM、优选地100RPM至125RPM的RPM。上下颠倒翻滚混合可以在10rpm至30rpm、优选地约20rpm的RPM下进行。
本领域技术人员已知的喷射研磨工艺也可用于彻底混合粉末以形成具有窄粒度分布的粉末、粉末混合物或经煅烧的粉末混合物。喷射研磨使用惰性气体或空气的高速喷射来碰撞起始粉末和/或粉末混合物和/或经煅烧的粉末混合物的颗粒，而不使用研磨或混合介质，从而保持待研磨粉末的初始纯度。如本文所公开的起始粉末、粉末混合物和/或经煅烧的粉末混合物可以在约100psi的压力处进行喷射研磨，无论是单独地或与如本文所公开的粉末研磨/混合方法中的任一种或全部组合。在喷射研磨之后，粉末或粉末混合物可以任选地使用可以具有例如45μm至400μm的开口的任何数量的筛网进行筛分，并共混，但不限于重复或顺序。
使用湿球磨、翻滚混合和/或喷射研磨是高能过程，其分解颗粒和附聚物，通过增加的颗粒流动性来改善分散，并且可以提供精细尺度的混合，从而在煅烧之前提供均匀的粉末混合物。也可以应用碾磨、高剪切混合、行星式研磨的附加粉末制备过程，以及本领域技术人员已知的其它过程。浆料可以通过旋转蒸发方法干燥。在其它实施方案中，可以使用本领域已知的喷雾干燥技术来干燥浆料。在干燥之前或之后，可使用具有例如35μm至75μm的开口的筛网来筛分粉末混合物。上述粉末制备技术可单独使用或以它们的任意组合使用。
在干燥之后，步骤a)的粉末混合物的表面积可以为2m2/g至17m2/g、2m2/g至14m2/g、2m2/g至12m2/g、2m2/g至10m2/g、4m2/g至17m2/g、6m2/g至17m2/g、8m2/g至17m2/g、10m2/g至17m2/g、4m2/g至12m2/g、4m2/g至10m2/g，以及5m2/g至8m2/g。
此时，如果要形成多层烧结陶瓷体，则要形成第二粉末混合物。第二粉末混合物可包含例如组合氧化铝粉末和氧化锆粉末，其中氧化锆粉末包括部分稳定的和稳定的氧化锆粉末中的至少一者，以制备如2021年6月29日提交的美国专利申请序列号63/216,356中所述的第二粉末混合物，该申请的内容以引用方式并入本文。
本文公开的方法的步骤b)包括将第一粉末混合物(和任何附加粉末混合物)加热到煅烧温度并维持煅烧温度持续一定持续时间以形成第一经煅烧的粉末混合物(本文也称为“经煅烧的粉末混合物”)。如本文所公开的煅烧可在含氧环境中在环境压力下进行，但是可使用其它压力和煅烧环境。
在烧结之前，可以进行煅烧以去除水分并确保粉末混合物的表面状态是均匀的。在某些实施方案中，可以进行煅烧以减少表面积。在其它实施方案中，煅烧不会导致起始粉末表面积的减少。
根据热处理步骤的煅烧可以在600℃至1100℃、优选地600℃至1000℃、优选地600℃至900℃、优选地700℃至1100℃、优选地800℃至1100℃、优选地800℃至1000℃，以及优选地850℃至950℃的温度下进行。煅烧可在含氧环境中进行4小时至12小时、优选地4小时至10小时、优选地4小时至8小时、优选地6小时至12小时、优选地4小时至6小时的持续时间。在煅烧后，经煅烧的粉末混合物可以通过例如具有45μm至400μm开口的网筛进行筛分，并且/或者根据已知方法进行翻滚和/或共混以形成经煅烧的粉末混合物。
待形成YAG相的经煅烧的粉末混合物可具有优选地0.06μm至4μm、优选地0.08μm至4μm、优选地0.1μm至4μm、优选地0.2μm至4μm、优选地0.3μm至4μm、优选地0.4μm至4μm、优选地0.08μm至3μm、优选地0.08μm至2μm、优选地0.08μm至1μm、优选地0.5μm至3μm、优选地1μm至2μm，以及优选地1μm至3μm的d10粒度。
经煅烧的粉末混合物的d50粒度可在0.7μm变至50μm，优选地1μm至0μm，优选地1μm至30μm，优选地1μm至20μm，优选地1μm至10μm，优选地1μm变至5μm，优选地5μm至50μm，优选地10μm至50μm，优选地20μm至50μm，优选地30μm至50μm，优选3μm至8μm，优选地5μm至10μm，以及优选地6μm至15μm之间变化。
经煅烧的粉末混合物的d90粒度可为优选地10μm至350μm、优选地10μm至300μm、优选地10μm至250μm、优选地10μm至200μm、优选地10μm至175μm、优选地10μm至150μm、优选地10μm至100μm、优选地10μm至75μm、优选地10μm至50μm、优选地10μm至40μm、优选地10μm至30μm、优选地15μm至45μm、优选地20μm至40μm、优选地20μm至350μm、优选地40μm至350μm、优选地60μm至350μm、优选地100μm至350μm、优选地150μm至350μm、优选地200μm至350μm、优选地12μm至330μm，优选地100μm至330μm，以及优选地100μm至250μm。
在某些实施方案中，如本文所公开的煅烧条件可导致YAP、YAM和YAG以及它们的组合的结晶相中的一种或多种结晶相的形成，和/或粉末混合物的附聚，并且因此可导致宽范围的颗粒或附聚物尺寸。因此，在一些实施方案中，本文所指的粒度可包括单个颗粒，并且在其它实施方案中，本文所指的粒度可包括包含多于一个颗粒的附聚物或多个颗粒的附聚物，其可使用如本文所公开的激光粒度检测方法作为单个大颗粒来测量。包含单个颗粒或多个颗粒的附聚物中的任一者或两者的颗粒可以包含选自由以下组成的组的至少一种结晶相：氧化钇、氧化铝、钇铝钙钛矿(YAP)、钇铝单斜晶(YAM)和YAG(石榴石)相以及它们的组合。在其它实施方案中，如本文所公开的较低温度的煅烧条件可不影响相对于起始材料的粒度分布，并且粒度分布在与起始粉末材料相同或类似的范围内。在煅烧期间批次间的变化和热传递的管理也可有助于加宽的粒度分布。如本文所公开的起始粉末、粉末混合物和/或经煅烧的粉末混合物可以经受如本文所公开的混合/研磨过程的任何一者或组合。因此，宽范围的粒度分布可由如本文所公开的煅烧条件和过程产生。
如根据ASTM C1274测量的，经煅烧的粉末混合物可具有约1m2/g至约18m2/g、优选地约1m2/g至约14m2/g、优选地约1m2/g至约10m2/g、优选地约1m2/g至约8m2/g、优选地约2m2/g至约18m2/g、优选地约2m2/g至约14m2/g、优选地约2m2/g至约10m2/g、优选地约3m2/g至约9m2/g、优选地约3m2/g至约6m2/g的比表面积(SSA)。
经煅烧的粉末混合物可具有相对于经煅烧的粉末混合物的质量为5ppm至200ppm、优选地5ppm至150ppm、优选地小于100ppm、优选地小于50ppm、优选地小于25ppm、优选地小于15ppm、优选地10ppm至100ppm、优选地10ppm至80ppm、优选地10ppm至60ppm、优选地10ppm至40ppm、优选地20ppm至80ppm，以及优选地30ppm至60ppm的总杂质含量。
表6示出根据本公开的在形成为多晶YAG层之前的典型经煅烧的粉末混合物的ICPMS纯度结果。
表6
*N/A表示形成粉末混合物的起始粉末中存在的元素。
在一个实施方案中，烧结陶瓷体包含多晶钇铝石榴石，如通过ICPMS确定的，该多晶钇铝石榴石具有50ppm或更少的痕量金属Na、Fe和Mg的杂质。在另一个实施方案中，烧结陶瓷体包含多晶钇铝石榴石，如通过ICPMS确定的，该多晶钇铝石榴石具有5ppm或更少的痕量金属Na、Fe和Mg的杂质。在又一个实施方案中，烧结陶瓷体包含多晶钇铝石榴石，如通过ICPMS确定的，该多晶钇铝石榴石具有50ppm或更少的痕量元素Li、Na、Mg、K、Ca、B、P、Fe、Cu、Cr、Zn、In、Sn和Sb(总计)的纯度。
本文所公开的方法的步骤c)包括将经煅烧的粉末混合物设置在由烧结设备的工具组限定的体积内，以形成第一经煅烧的粉末混合物的至少一个层并在该体积内产生真空条件。在如本文所公开的工艺中使用的火花等离子体烧结(SPS)设备包括至少一个石墨模具，该石墨模具通常为圆柱形石墨模具。在石墨模具中，将第一经煅烧的粉末混合物设置在两个石墨冲头之间。在其中形成多层烧结陶瓷体的实施方案中，顺序地添加经煅烧的粉末混合物以对应于期望的烧结材料层。
在优选实施方案中，SPS工具包括模具，该模具包括侧壁，该侧壁包括内壁和外壁，其中该内壁具有限定能够接收至少一种陶瓷粉末的内部体积的直径；以及与模具可操作地联接的上冲头和下冲头，其中上冲头和下冲头中的每一个具有外壁，该外壁限定的直径小于模具的内壁的直径，由此当上冲头和下冲头中的至少一个在模具的内部体积内移动时，在上冲头和下冲头中的每一个与模具的内壁之间限定间隙，其中间隙为10μm至100μm宽。在一些实施方案中，间隙为10μm至70μm宽。优选地，模具和冲头由石墨制成。此类SPS工具公开于2020年10月3日提交的美国临时专利申请序列63/087,204中，该专利申请以引用方式并入本文。
在实施方案中，可以将一种或多种(对于多层实施方案)经煅烧的粉末混合物设置在石墨模具内(对于多层实施方案顺序地)。如本领域技术人员已知的真空条件在由模具所包围的冲头之间的粉末内建立。典型的真空条件包括10-2托至10-3托的压力。施加真空主要是为了去除空气以防止石墨燃烧并从粉末混合物中去除大部分空气。在多层实施方案中，粉末混合物放置的顺序可以根据需要颠倒或重复，以实现多层烧结陶瓷体和由其形成的部件的期望结构。在此类实施方案中，多层第一经煅烧的粉末混合物和第二经煅烧的粉末混合物在烧结期间置于石墨模具内时是邻接的，并且之后经烧结以形成第一邻接层和第二邻接层。
本文公开的方法的步骤d)包括向经煅烧的粉末混合物的至少一个层施加压力，同时加热到烧结温度并进行烧结以形成包括至少一个层的烧结陶瓷体，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，并且步骤e)包括通过例如移除烧结设备的热源以冷却陶瓷烧结体来降低烧结陶瓷体的温度。
压力可被施加到设置在石墨冲头之间的经煅烧的粉末混合物，并且增加到5MPa至100MPa、优选地5MPa至60MPa、优选地5MPa至40MPa、优选地5MPa至20MPa、优选地5MPa至15MPa、优选地10MPa至60MPa、优选地10MPa至40MPa、优选地10MPa至30MPa、优选地10MPa至20MPa、优选地13MPa至18MPa、优选地15MPa至60MPa、优选地15MPa至40MPa、优选地15MPa至30MPa，以及优选地20MPa至40MPa的压力。压力被轴向施加在模具中的粉末混合物上。
在优选的实施方案中，粉末混合物由烧结设备的冲头和模具直接加热。模具可包含诸如石墨的导电材料，这有助于电阻/焦耳加热。根据本发明的烧结设备的温度通常在该设备的石墨模具内测量。因此，优选在尽可能接近被加工的经煅烧的粉末混合物处测量温度，以便在待烧结的经煅烧的粉末混合物内确实实现所指示的温度。
对设置在模具中的经煅烧的粉末混合物和/或分层粉末混合物施加热有利于实现以下烧结温度：1000℃至1700℃、优选地1200℃至1700℃、优选地1400℃至1700℃、优选地1500℃至1700℃、更优选地1600℃至1700℃、优选地1200℃至1600℃、优选地1200℃至1400℃、优选地1400℃至1600℃、优选地1500℃至1600℃。烧结通常可以用以下等温时间来实现：0.5分钟至180分钟、优选地0.5分钟至120分钟、优选地0.5分钟至100分钟、优选地0.5分钟至80分钟、优选地0.5分钟至60分钟、优选地0.5分钟至40分钟、优选地0.5分钟至20分钟、优选地0.5分钟至10分钟、优选地0.5分钟至5分钟、优选地5分钟至120分钟、优选地10分钟至120分钟、优选地20分钟至120分钟、优选地40分钟至120分钟、优选地60分钟至120分钟、优选地80分钟至100分钟、优选地100分钟至120分钟、优选地30分钟至60分钟、优选地15分钟至45分钟。在某些实施方案中，可以在等温时间为零的情况下实现烧结，并且在达到烧结温度时，开始如本文所公开的冷却速率。在烧结过程中，通常会发生体积减小，使得陶瓷烧结体的体积可以是设置在烧结设备的工具组中的起始粉末体积的大约三分之一。通过如本文所公开的粉末混合物的粒度分布、纯度和/或表面积的组合特性，多晶YAG优选地在烧结步骤期间通过反应性烧结原位形成。
在一个实施方案中，压力和温度的施加顺序可根据本公开而变化，这意味着可以首先施加指示的压力，然后施加热以达到期望的温度。此外，在其它实施方案中，还可以首先施加指示的热量以达到期望的温度并且此后施加指示的压力。在根据本公开的第三实施方案中，温度和压力可同时施加到待烧结的经煅烧的粉末混合物并升高，直到达到指示值。
感应或辐射加热方法也可用于加热烧结设备并间接加热工具组中的经煅烧的粉末混合物。
与其它烧结技术相比，不需要烧结助剂(但是如果需要可以使用它们)。另外，高纯度起始粉末对于最佳蚀刻性能是理想的。如本文所公开的，缺乏烧结助剂并使用纯度为99.99％至约99.9999％的高纯度起始材料使得能够制造高纯度、高密度/低孔隙率的陶瓷烧结体，该陶瓷烧结体提供改善的耐蚀刻性，以用作半导体蚀刻室中的陶瓷烧结部件。
在本发明的一个实施方案中，工艺步骤d)还可包括预烧结步骤，该预烧结步骤具有0.1℃/min至100℃/min、0.1℃/min至50℃/min、0.1℃/min至25℃/min、优选地0.5℃/min至50℃/min、优选地0.5℃/min至25℃/min、优选地0.5℃/min至10℃/min、优选地0.5℃/min至5℃/min、优选地0.75℃/min至25℃/min、优选地1℃/min至10℃/min、优选地1℃/min至5℃/min的特定升温斜率，直至达到特定的预烧结时间。
在本发明的另一个实施方案中，工艺步骤d)还可包括具有0.50MPa/min至30MPa/min、优选地0.75MPa/min至20MPa/min、更优选地1MPa/min至10MPa/min的特定加压斜率的预烧结步骤，直到达到特定的预烧结时间。
在工艺步骤d)结束时，该方法还包括步骤e)，在本领域技术人员已知的真空条件下，根据加工室的自然冷却(非强制性冷却)来降低烧结陶瓷体的温度。在根据工艺步骤e)的另外的实施方案中，陶瓷烧结体可在惰性气体对流下冷却，例如在1巴的氩气或氮气下。也可以使用大于或小于1巴的其它气体压力。在另一个实施方案中，陶瓷烧结体在强制对流条件下在氧气环境中冷却。为了开始冷却步骤，在烧结步骤d结束时，移除施加到烧结设备上的电源，并移除施加到陶瓷烧结体上的压力，然后根据步骤e)进行冷却。如本文公开的陶瓷烧结体的冷却速率可以为0.5℃/分钟至20℃/分钟、1℃/分钟至10℃/分钟、优选地1℃/分钟至8℃/分钟、优选地1℃/分钟至5℃/分钟、优选地2℃/分钟至10℃/分钟、优选地2℃/分钟至8℃/分钟、优选地2℃/分钟至5℃/分钟。在工艺步骤d)结束时，烧结陶瓷体的颜色通常非常深，即其L*值<30。
任选地但优选地，如本文所公开的方法包括以下步骤：通过施加热以将烧结陶瓷体的温度升高达到退火温度进行退火来对烧结陶瓷体(或由其形成的部件)进行退火；以及降低经退火的烧结陶瓷体(或由其形成的部件)的温度。在根据如本文所公开的实施方案的任选退火步骤中，多层烧结陶瓷体可经受约900℃至约1800℃、优选地约1250℃至约1700℃、优选地约1300℃至约1650℃并且优选地约1400℃至约1600℃的温度。
在实施方案中，烧结陶瓷体的任选退火可以0.5℃/min至50℃/min、优选地0.5℃/min至25℃/min、更优选地0.5℃/min至10℃/min，以及更优选地0.5℃/min至5℃/min、更优选地1℃/min至50℃/min、更优选地3℃/min至50℃/min、更优选地5℃/min至50℃/min、更优选地25℃/min至50℃/min、优选地1℃/min至10℃/min、优选地2℃/min至10℃/min，以及优选地2℃/min至5℃/min的加热和/或冷却速率进行。
任选的退火步骤的持续时间可为1小时至24小时、优选地1小时至18小时、优选地1小时至16小时、优选地1小时至8小时、优选地4小时至24小时、优选地8小时至24小时、优选的12小时至24小时、优选地4小时至12小时，以及优选地6小时至10小时。
在一个实施方案中，根据本公开的任选的退火可在烧结工艺之后在烧结设备内进行。任选的退火工艺可优选在诸如强制对流或空气中之类的氧化条件下进行。退火通过减少用于化学计量校正的氧空位和降低烧结体或部件中的应力而导致烧结陶瓷体或由其制造的部件的化学特性和物理特性的细化。对耐腐蚀的烧结部件进行退火的任选工艺步骤在氧化气氛中进行，由此退火工艺可以提供增加的反射率、改善的机械处理和降低的孔隙率。在进行对多层烧结陶瓷体退火的任选工艺步骤之后，通过移除热源，将烧结陶瓷体(并且在一些情况下是经退火的多层烧结陶瓷体)的温度降低至环境温度。在工艺步骤e)结束时，经退火的烧结陶瓷体通常由于氧化而颜色更浅，即其L*值将介于70和85之间。表7中示出了示例，其中在根据本文所公开的方法制备的22英寸圆形部件(2,452cm2)的经退火的YAG层上进行颜色测量。对部件进行五次测量，并且每种颜色变量的平均值和标准偏差示于表7中。
表7：退火后的颜色
| L* | a* | b* | |
| 1 | 72.16 | -0.66 | -0.3 |
| 2 | 69.79 | -0.65 | -0.4 |
| 3 | 75.14 | -0.59 | -0.23 |
| 4 | 71.81 | -0.65 | -0.44 |
| 5 | 74.76 | -0.67 | -0.66 |
| 平均值 | 72.73 | -0.644 | -0.314 |
| 标准偏差 | 1.987153 | 0.028 | 0.296351 |
本文公开的方法的步骤f)是将烧结陶瓷体暴露于UV辐射1分钟至400分钟的时间段。UV暴露步骤的目的是活化掺杂的锆以赋予烧结陶瓷体红色。UV辐射暴露的时间长度应该由赋予烧结陶瓷体的红色的均匀性和强度确定。总暴露时间将取决于用于辐射烧结陶瓷体的UV灯的强度。
在优选的实施方案中，通过UV灯，诸如Heraeus Noblelight Hammer Mark IILH10灯系统，使用H+灯泡和R500反射器在距烧结陶瓷体3英寸的距离处递送UV辐射约6小时的暴露时间段。
在工艺步骤f)结束时，烧结陶瓷体包括至少一个层，该至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中至少一个层包括至少一个表面，其中至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占该孔的至少95％，其中至少一个表面表现出50至77且优选地50至60的L*值、6至12的a*值以及3至6的b*值，其中至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中L*值和a*值在至少一个表面上变化不超过10％。
上述工艺适于生产如本文所公开的烧结陶瓷体，其最大尺寸为例如100mm至约625mm、优选地100mm至622mm、优选地200mm至约625mm、优选地300mm至约625mm、优选地400mm至约625mm、优选地500mm至约625mm、优选地300mm至622mm、优选地400mm至622mm，以及优选地500mm至622mm。尽管尺寸大，但根据本文公开的方法生产的烧结陶瓷体具有均匀的密度，高达YAG理论值的99.5％。烧结陶瓷体形成为例如直径为最大尺寸的圆盘形状。所公开的工艺提供快速的粉末固结和致密化，在烧结陶瓷体中保持约10μm及更小的最大晶粒尺寸，并且在在最大尺寸上在至少一个第一层内实现高密度和低孔隙率。细晶粒尺寸、高密度以及CTE匹配的这种组合提供了大尺寸的高强度烧结陶瓷体，其适于机械加工、处理以及用作半导体等离子体加工室中的部件。
如本文所公开的方法的步骤j)包括对烧结陶瓷体(或经退火的烧结陶瓷体)进行机械加工以形成窗、盖、介电窗、RF窗、环、聚焦环、加工艺环、沉积环、喷嘴、喷射器、气体喷射器、淋喷头、气体分配板、扩散器、离子抑制器元件、吸盘、静电晶圆吸盘(ESC)和圆盘的形状的烧结陶瓷部件。可视需要进行如本领域技术人员已知的机械加工、钻孔、镗孔、研磨、精研、抛光等以将烧结陶瓷体形成为用于等离子体加工室中的预定形状的部件。如本文所公开的组成范围内的粉末混合物的使用可通过使用CTE匹配的层来提供具有改善的机械加工性的烧结陶瓷体，从而在所公开的方法的机械加工步骤期间减小应力。
将参考以下实施例更详细地说明本文所公开的方法和组合物，但应理解，不认为它限于此。
实施例
包括以下实施例以更清楚地展示本公开的总体性质。这些实施例是本公开的示例性而非限制性的。
使用所公开的设备和方法进行所有实施例的测量。使用Agilent 7900ICP-MS型号G8403的ICP-MS来进行纯度测量。使用Horiba BET表面积分析仪型号SA-9601来测量粉末和粉末混合物的比表面积(SSA)。根据ASTM C1274进行比表面积测量。使用能够测量10nm至5mm的粒度的Horiba型号LA-960激光散射粒度分布分析仪来测量粒度。对于所有实施例，并且考虑到最小化污染的需要，所用原料中不希望的元素的总浓度为至多1原子％。
以下实施例中制备的烧结陶瓷体是圆形的并且具有620mm的直径。
实施例1 YAG-无掺杂剂
将比表面积为4.5m2/g至6m2/g、d10粒度为2.0μm至3.5μm、d50粒度为4.0μm至6.5μm且d90粒度为6.5μm至10μm的氧化钇粉末(纯度99.9984％，杂质相对于质量为约16ppm)与比表面积为6m2/g至8m2/g、d10粒度为0.075μm至0.2μm、d50粒度为2.5μm至5.5μm且d90粒度为15μm至22μm的氧化铝粉末(纯度99.9995％％，杂质相对于质量为约5ppm)按一定摩尔比合并以形成粉末混合物，该粉末混合物在烧结时反应以形成包含立方钇铝石榴石(YAG)相的陶瓷烧结体。以相对于粉末重量约60％的载量添加高纯度氧化铝介质(≥99.9％，如通过ICPMS测量的)，并且以按乙醇和粉末的合并重量计约35％的量添加乙醇以形成浆料。本领域技术人员已知的翻滚混合或上下颠倒混合进行20小时的持续时间，然后根据已知方法使用旋转蒸发从粉末混合物中提取乙醇。在空气中在1050℃下煅烧6小时后，经煅烧的粉末混合物被测量为具有4m2/g至6m2/g的比表面积。根据本领域技术人员已知的方法，可在不同的工艺步骤中将粉末、粉末混合物和/或经煅烧的粉末混合物使用45μm至400μm的孔径筛分、煅烧、共混和/或研磨。使用如本文所公开的ICPMS方法测量纯度，经测量，相对于由所有组分计算的氧化物的总质量，经煅烧的粉末混合物的总杂质含量为约5ppm，这对应于约99.9995％的纯度。氧化钇和氧化铝的起始粉末以及如本文所公开的经煅烧的粉末混合物的纯度极限和杂质含量不包括Si。如本文公开的，使用ICPMS方法测量的Si纯度的检测限为约14ppm，因此氧化钇和氧化铝的起始粉末以及经煅烧的粉末混合物可以包含检测水平为约14ppm的二氧化硅形式的Si。将经煅烧的粉末混合物设置在由如本文所公开的烧结设备的工具组限定的体积内，并在该体积内产生10-2托至10-3托的真空条件。施加5MPa的压力，并将该体积内的经煅烧的粉末混合物以约10℃/分钟的速率从环境温度加热至800℃，然后压力以约0.4MPa/分钟至约0.6MPa/分钟的速率斜升，并且温度如前所述继续斜升以达到1600℃和15MPa的烧结条件，持续60分钟，从而形成最大尺寸为150mm的圆盘形状的多晶YAG烧结陶瓷体。根据ASTM B962-17对烧结态和经退火的样品进行密度测量。在5次测量中平均密度为4.549g/cc。这分别对应于YAG的理论密度(本文报告为4.556g/cc)的99.854％和对应体积孔隙率0.146％，如从密度测量计算的。经加工的样品具有深灰色陶瓷的外观，当为了光穿透而研磨得较薄时具有轻微的透明度。使用1℃/分钟-5℃/分钟的加热速率至1400℃，然后在1400℃下将样品氧化8小时，从而产生半透明的白色材料。
实施例2 Zr掺杂
将比表面积为4.5m2/g至6m2/g、d10粒度为2.0μm至3.5μm、d50粒度为4.0μm至6.5μm且d90粒度为6.5μm至10μm的氧化钇粉末(纯度99.9984％，杂质相对于质量为约16ppm)与比表面积为6m2/g至8m2/g、d10粒度为0.075μm至0.2μm、d50粒度为2.5μm至5.5μm且d90粒度为15μm至22μm的氧化铝粉末(纯度99.9995％％，杂质相对于质量为约5ppm)按一定摩尔比合并以形成粉末混合物，该粉末混合物在烧结时反应以形成包含立方钇铝石榴石(YAG)相的陶瓷烧结体。以相对于粉末重量约60％的载量添加高纯度氧化铝介质(≥99.9％，如通过ICPMS测量的)，并且以按乙醇和粉末的合并重量计约35％的量添加乙醇以形成浆料。另外，将氧化钇稳定的氧化锆粉末以适当的掺杂剂含量置于混合物中(纯度约99.9954％，杂质相对于质量为约46ppm，并且不计稳定的氧化锆中常见的典型的钇和铪杂质)，该粉末具有6.0μm m2/g至8.0μm m2/g的比表面积、0.075μm至0.2μm的d10粒度、0.25μm至0.45μm的d50粒度和1.0μm至2.0μm的d90粒度。本领域技术人员已知的翻滚混合或上下颠倒混合进行20小时的持续时间，然后根据已知方法使用旋转蒸发从粉末混合物中提取乙醇。在空气中在1050℃下煅烧6小时后，经煅烧的粉末混合物被测量为具有4m2/g至6m2/g的比表面积。根据本领域技术人员已知的方法，可在不同的工艺步骤中将粉末、粉末混合物和/或经煅烧的粉末混合物使用45μm至400μm的孔径筛分、煅烧、共混和/或研磨。使用如本文所公开的ICPMS方法测量纯度，经测量，相对于由所有组分计算的氧化物的总质量，经煅烧的粉末混合物的总杂质含量为约5ppm，这对应于约99.9995％的纯度。氧化钇和氧化铝的起始粉末以及如本文所公开的经煅烧的粉末混合物的纯度极限和杂质含量不包括Si。如本文公开的，使用ICPMS方法测量的Si的纯度的检测限为约14ppm，因此氧化钇和氧化铝的起始粉末以及经煅烧的粉末混合物可以包含检测水平为约14ppm的二氧化硅形式的Si。将经煅烧的粉末混合物设置在由如本文所公开的SPS烧结设备的工具组限定的体积内，并在该体积内产生10-2托至10-3托的真空条件。施加5MPa的压力，并将该体积内的经煅烧的粉末混合物以约10℃/分钟的速率从环境温度加热至800℃，然后压力以约0.4MPa/分钟至约0.6MPa/分钟的速率斜升，并且温度如前所述继续斜升以达到1600℃和15MPa的烧结条件，持续60分钟，从而形成最大尺寸为150mm的圆盘形状的多晶YAG烧结陶瓷体。根据ASTM B962-17对烧结态和经退火的样品进行密度测量。在5次测量中平均密度为4.549g/cc。这分别对应于YAG的理论密度(本文报告为4.556g/cc)的99.854％和对应体积孔隙率0.146％，如从密度测量计算的。经加工的样品具有暗红/黑色陶瓷的外观，当为了光穿透而研磨得较薄时具有轻微的透明度。使用1℃/分钟-5℃/分钟的加热速率至1400℃，然后在1400℃下将样品氧化8小时，从而产生半透明的白色材料。
对于具有和不具有掺杂锆的样品，用UV灯(Heraeus Noblelight Hammer Mark IILH10灯系统，使用H+灯泡和R500反射器)在距烧结陶瓷体3英寸的距离处进行UV辐射步骤约6小时的暴露时间段。结果示于表8中。根据上述实施例1制备样品144，根据实施例2制备样品135、149和142，然而，具有不同量的掺杂锆。样品144(0ppm Zr)具有轻微的颜色变化响应，其中与135样品的强红色相比，它获得轻微的粉红色。
表8-结果
实施例3：孔隙率测量
根据实施例2的方法制备两个烧结陶瓷体(标记为210和219)(掺杂有50ppm的锆)。对表面进行抛光，并且通过使用从Phenom XL扫描电子显微镜以10,000x放大倍率获得的SEM图像(图2A和图2B)来测量样品表面上的孔隙率水平。将图像输入ImageJ软件中进行分析。ImageJ由美国国立卫生研究院(NIH)开发，是一个基于Java的公共领域图像处理和分析程序，用于科学多维图像的图像处理。
使用如本文所公开的ImageJ软件方法在7个SEM图像上测量孔径。样品210表现出1.01μm的最大孔径，并且样品219表现出0.94μm的最大孔径。
已经描述了如本文所公开的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本文所公开的实施方案的实质和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其它实施方案在以下权利要求的范围内。
Claims (38)
1.一种烧结陶瓷体，包括：
至少一个层，所述至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中所述至少一个层包括至少一个表面，其中所述至少一个表面包括孔径不超过5μm的孔，其中所述至少一个表面表现出50至77的L*值以及6至12的a*值，其中所述至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中所述L*值和所述a*值在所述至少一个表面上变化不超过10％。
2.根据权利要求1所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层具有3至6的b*值。
3.根据权利要求2所述的烧结陶瓷体，其中所述b*值在所述至少一个表面上变化不超过15％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层包含15ppm至100ppm的锆。
5.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层的所述厚度为500μm至1cm。
6.根据权利要求4所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层的所述厚度为500μm至5mm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中在所述至少一个表面上，所述L*值变化不超过3％并且所述a*值变化不超过9％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶钇铝石榴石包括孔径不超过1.75μm的孔，占所有孔的至少97％或更多。
9.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中至少一种多晶钇铝石榴石具有不超过2μm的最大孔径，占所有孔的至少99％或更多。
10.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶钇铝石榴石具有0.1％至3％的体积孔隙率。
11.根据权利要求11所述的烧结陶瓷体，其中所述体积孔隙率为0.1％至2％。
12.根据权利要求11所述的烧结陶瓷体，其中所述体积孔隙率为0.1％至0.5％。
13.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶钇铝石榴石以93体积％至99.8体积％的量存在，不包括存在的任何Al2O3或锆。
14.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中多晶陶瓷体具有如通过ICPMS确定的50ppm或更少的痕量金属Na、Fe和Mg的杂质。
15.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述孔占据小于0.2％的表面积。
16.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述孔占据小于0.10％的表面积。
17.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有100mm至625mm的最大尺寸。
18.根据权利要求17所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有200mm至625mm的最大尺寸。
19.根据权利要求17或18所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至小于5％的密度变化。
20.根据权利要求19所述的烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至3％的密度变化。
21.根据前述权利要求中任一项所述的烧结陶瓷体，其中所述至少一个层包含至多0.5％的Al2O3。
22.一种用于制备烧结陶瓷体的方法，包括以下步骤：
a.将氧化钇粉末、氧化铝粉末和含锆粉末组合以递送15ppm至500ppm的锆，从而制备第一粉末混合物；
b.通过施加热以将所述第一粉末混合物的温度升高至煅烧温度并保持所述煅烧温度以进行煅烧来煅烧所述第一粉末混合物，以形成第一经煅烧的粉末混合物；
c.将所述第一经煅烧的粉末混合物置于由烧结设备的工具组限定的体积内，以形成所述第一经煅烧的粉末混合物的至少一个层并在所述体积内产生真空条件；
d.在加热到烧结温度的同时向所述第一经煅烧的粉末混合物的所述至少一个层施加压力并进行烧结以形成烧结陶瓷体，所述烧结陶瓷体包括所述至少一个层，所述至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆；
e.降低所述烧结陶瓷体的所述温度；以及
f.将所述烧结陶瓷体暴露于UV辐射1分钟至400分钟的时间段，
其中所述第一经煅烧的粉末混合物具有150ppm或更少的总杂质含量，其中步骤a)中的所述氧化钇粉末和所述氧化铝粉末各自具有如根据ASTM C1274测量的约18m2/g或更小的比表面积，其中烧结陶瓷层包括至少一个层，所述至少一个层包含90体积％至99.8体积％的多晶钇铝石榴石(YAG)和15ppm至500ppm的锆，其中所述至少一个层包括至少一个表面，其中所述至少一个表面包括孔径不超过5μm并且最大孔径为1.5μm的孔，占所述孔的至少95％，其中所述至少一个表面表现出50至77的L*值和6至12的a*值，其中所述至少一个层具有500μm至2cm的厚度，并且其中所述L*值和所述a*
值在所述至少一个表面上变化不超过10％。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤：
g.通过施加热以将所述烧结陶瓷体的所述温度升高达到退火温度并进行退火来对所述烧结陶瓷体进行退火；
h.降低经退火的多层烧结陶瓷体的所述温度；以及
i.任选地对所述烧结陶瓷体或经退火的烧结陶瓷体进行机械加工，以在等离子体加工室中产生以下形状的多层烧结陶瓷部件：介电窗、RF窗、聚焦环、工艺环、沉积环、喷嘴或气体注射器、喷头、气体分配板、蚀刻室衬里、等离子体源适配器、气体入口适配器、扩散器、静电晶圆吸盘(ESC)、吸盘、圆盘、离子抑制器元件、面板、隔离器、间隔件和/或保护环。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中所述工具组包括：石墨模具，所述石墨模具具有一定体积、内壁、第一开口和第二开口；以及与所述模具可操作地联接的第一冲头和第二冲头，其中所述第一冲头和所述第二冲头中的每一者均具有外壁，所述外壁限定的直径小于所述模具的所述内壁的直径，从而当所述第一冲头和所述第二
冲头中的至少一者在所述模具的所述体积内移动时在所述第一冲头和所述第二冲头中的每一者与所述模具的所述内壁之间产生间隙。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述模具的所述内壁与所述第一冲头和所述第二冲头中的每一者的所述外壁之间的所述间隙是10μm至100μm的距离。
26.根据权利要求22至25中的一项所述的方法，其中所述烧结温度为1000℃至1500℃。
27.根据权利要求22至26中任一项所述的方法，其中所述烧结温度为1000℃至1300℃。
28.根据权利要求22至27中任一项所述的方法，其中在加热到所述烧结温度的同时对所述经煅烧的粉末混合物施加5MPa至59MPa的压力。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述压力为5MPa至40MPa。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述压力为5MPa至20MPa。
31.根据权利要求22至30中任一项所述的方法，其中在加热到所述烧结温度的同时对所述经煅烧的粉末混合物施加小于50MPa的压力。
32.根据权利要求22至31中任一项所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有100mm至625mm的最大尺寸。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有200mm至625mm的最大尺寸。
34.根据权利要求22至33中任一项所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至小于5％的密度变化。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述烧结陶瓷体具有如在所述最大尺寸上测量的0.2％至3％的密度变化。
36.根据权利要求22至35中任一项所述的方法，其中所述至少一个表面表现出3至6的b*值。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述b*值在所述至少一个表面上变化不超过15％。
38.根据权利要求14所述的烧结陶瓷体，其中所述多晶陶瓷体具有如通过ICPMS确定的5ppm或更少的痕量金属Na、Fe和Mg的杂质。
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