JP2004205164A - 非酸化物セラミックス焼結用焼成炉と非酸化物セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents
非酸化物セラミックス焼結用焼成炉と非酸化物セラミックス焼結体の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高温での焼成条件においても、炉体内壁に配設された断熱層に起因する焼結体の特性劣化を防止し、断熱層の寿命を維持できる非酸化物セラミックス焼結用焼成炉を提供する。
【解決手段】密閉可能な炉室２０と、炉室内に設置されたヒータ８と、炉室の内壁面を被覆する断熱層である炭素系多孔質層１３とを有する非酸化物セラミックス焼結用焼成炉１００において、断熱層の内側表面をカーボンコンポジット層１８で被覆した非酸化物セラミックス焼結用焼成炉である。
【選択図】 図１
【解決手段】密閉可能な炉室２０と、炉室内に設置されたヒータ８と、炉室の内壁面を被覆する断熱層である炭素系多孔質層１３とを有する非酸化物セラミックス焼結用焼成炉１００において、断熱層の内側表面をカーボンコンポジット層１８で被覆した非酸化物セラミックス焼結用焼成炉である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスの焼成炉に関し、特に非酸化物セラミックスの焼結に使用される焼成炉とその焼成炉を用いた非酸化物セラミックス焼結体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化珪素や窒化アルミニウム等の非酸化物セラミックは、難焼結性材料であり、焼成には、非酸化雰囲気で１７００℃以上の高温条件が必要となる。従来、これらの非酸化物セラミックスの焼結には、非酸化雰囲気下で高温加熱が可能であるグラファイトヒータを用いた焼成炉が用いられている。このような高温焼成炉では、通常、炉室の内壁面には炭素繊維マットからなる断熱層が配設されている。
【０００３】
炭素繊維マットは、炭素繊維を主成分とし、７０〜９５容量％の気孔を有する炭素系多孔質体のひとつであり、平均０．２ｇ/ｃｃ前後のかさ密度を有する極めて断熱性の高い材料である。しかし、その一方で、吸湿性が高いため、焼成炉内に残存する酸素や水分を容易に吸収してしまう。吸収された酸素や水分は、炭素繊維マットの炭素繊維を酸化し、炭素繊維の剥離を促すとともにＣＯやＣＯ２等のガスを発生させる。剥離した炭素繊維は、焼成炉内に飛散、浮遊し、被焼結製品に付着等することにより製品の歩留まりを下げる要因となるとともに、炭素繊維マットの断熱性を低下させる。
【０００４】
また、炭素繊維マットは、周囲の雰囲気の変化に応じて、ＣＯやＣＯ２等のガスや、吸収した水分や酸素を排出する。窒化珪素や窒化アルミニウムは、焼成の際に雰囲気ガス、すなわち焼成雰囲気中にＣＯガス等の還元ガスが存在すると、焼結促進のため添加されている酸化金属である焼結助剤の減耗が生じ、焼結体構造の脆弱化が生じたり、結晶中の不純物濃度の変化による電気的特性の変動が生じたりする。
【０００５】
そこで、このような炭素繊維マットから排出されるガス等に起因する歩留まりの低下や焼結品の特性劣化を改善するため、炭素繊維マットの表面に、保護層としてグラファイトシートを被覆した焼成炉が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
炭素繊維マット表面をグラファイトシートで被覆することにより、１７００℃〜１８００℃の温度で使用される窒化珪素の焼結用焼成炉においては、炭素繊維マットによる焼成雰囲気の汚染が低減され、炭素繊維マットの長寿命化が得られている。
【０００７】
【特許文献１】
特公平１−３５２７５号公報、１頁左段２行〜８行等。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化アルミニウムや炭化珪素などの非酸化物セラミックスでは、焼結に要する焼成温度が、窒化珪素の焼成温度を越える、より高温の条件が必要となる。
【０００９】
このような高温条件での焼成では、グラファイトシート自体の寿命が十分なものとはいえず、焼成中にグラファイトシートの剥離が生じ、なかの炭素繊維マットが露出することがあり、炭素繊維マットの保護層としての機能が不十分なものとなっていた。したがって、炭素繊維マットから排出されるガスの影響による焼結体の特性劣化や炭素繊維マットの寿命の短命化が生じていた。
【００１０】
本発明は、上述する従来の課題に鑑み、より高温での焼成条件においても、炉室内壁に配設された断熱層に起因する焼結体の特性劣化を防止し、断熱層の寿命を維持できる非酸化物セラミックス焼結用焼成炉を提供することである。また、断熱層に起因する焼結体の特性劣化を防止し、安定した品質を再現できる非セラミックス焼結体の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の特徴は、ヒータを備えた密閉可能な炉室と、炉室の内壁面に配設された炭素系多孔質層からなる断熱層と、その断熱層表面を被覆するカーボンコンポジット層とを有することである。
【００１２】
上記本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の特徴によれば、炉室内壁面を被覆する断熱層である炭素系多孔質層の表面に、保護層としてカーボンコンポジット層を備える。ここで使用されるカーボンコンポジット層は、従来、保護層として使用されていたグラファイトシートに比較し、高純度でより高い耐熱性を有し、さらに強靭性と柔軟性を有している。従って、窒化珪素の焼成温度よりさらに高い窒化アルミニウムや炭化珪素の焼成温度にも十分な耐久性を有するとともに、その強靭性と柔軟性により、より肉厚のカーボンコンポジットを保護層として炭素系多孔質層の湾曲する表面に添って、くまなく被覆させる加工を施すことができる。従って、より高温の焼成温度に対しても、良好な炭素系多孔質の保護機能を発揮できる。なお、上述するカーボンコンポジットは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚みを有することが好ましく、さらに、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みとすることが好ましい。また、比重が１．４ｇ/ｃｃ以上であることが好ましい。
【００１３】
なお、上記本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉は、ヒータとして、グラファイトヒータが使用されているものであってもよく、上記炭素多孔質材として、炭素繊維マットが使用されているものであってもよい。さらに、上記本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉は、炭化珪素、窒化アルミニウム、および窒化珪素の少なくともいずれかの焼結に使用されるものであってもよい。
【００１４】
本発明の非酸化物セラミックス焼結体の製造方法は、上述する本発明の特徴を有する非酸化物セラミックス焼結用焼成炉を用いて、不活性ガス雰囲気中で焼成することにより焼結体を作製する工程を有することを特徴とする。
【００１５】
上記本発明の製造方法によれば、上述する本発明の特徴を有する非酸化物セラミックス焼結用焼成炉を使用するため、カーボンコンポジット層により断熱層と炉室内の焼成雰囲気とが十分に遮断できるので、焼成雰囲気を清浄な状態に維持し、断熱層から排出されるガスの影響等を受けることなく、高純度で安定した品質の焼結体の量産が可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る非酸化物セラミックス焼結用の焼成炉１００の構成を示す装置断面図である。焼結用焼成炉であれば、適用される焼結方法に限定されることはないが、まず、ここでは、常圧焼結法で使用される焼成炉を例にとって説明する。
【００１７】
図１に示すように、非酸化物セラミックス焼結用焼成炉１００は、円筒部であるシリンダー１と、その上端と下端を塞ぐ上蓋２および下蓋４とで、密閉可能な炉室２０が構成されている。下蓋４は、着脱自在になっており、クランプ３で固定されている。シリンダー１、上蓋２および下蓋４は、それぞれ内部にウォータジャケットを備え、冷却水入口５および冷却水出口６を介して冷却水が内部を循環する構造を有している。
【００１８】
炉室２０は、ガス供給口１５およびガス排気管１４を備えており、炉室２０内を窒素ガス等の不活性ガス雰囲気に調整することができる。また、炉室２０内の温度管理のため、熱電対１６と炉内の様子を監視するためのサイトホール１７とを備えている。
【００１９】
炉室２０内の中央には、ロッド１１で支持されたテーブル１０があり、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の、焼結させるべき非酸化物成形体は、サヤ１２の中に設置されテーブルの上に載置される。なお、焼成する対象は、成形体に限られず、未焼結の粉体、顆粒体、あるいは半焼結品等であってもよい。
【００２０】
また、炉室２０内には、中央に設置するサヤ１２の中に成形体を設置し周囲を囲むように、ヒータ支持部材７によって支持された棒状のグラファイトヒータ８が複数本均等に配置されており、ヒータ端子９を介して外部から電力が供給される。さらに、炉室２０内壁面は、ほぼくまなく、断熱層である炭素繊維マット１３で被覆されており、外部と熱的に遮断されている。なお、この炭素繊維マット１３は、断熱性を有する炭素系多孔質材であれば、炭素繊維マット以外のものを使用することもできる。
【００２１】
本実施の形態に係る焼成炉１００は、この炭素繊維マット１３である断熱層の内側表面を、カーボンコンポジット層１８でほぼ完全に被覆していることを主たる特徴として有するものである。カーボンコンポジットとは、「Ｃ/Ｃコンポジット」あるいは「Ｃ／Ｃ複合材料」とも呼ばれる炭素繊維強化炭素複合材料をいい、炭素繊維を平織、朱子織などの織布にして、熱硬化樹脂や熱可塑樹脂あるいはコールタールピッチ等を含浸させて、固相あるいは液相で炭化させた後、さらに高温で熱処理を行う工程を複数回繰り返すことで作製された板状体である。
【００２２】
カーボンコンポジット層１８は、炭素繊維マット１３とサヤ１２の中に設置される成形体の焼結特性に影響を与える炉室２０内の焼成雰囲気とを遮断する。よって、炭素繊維マット１３から排出される酸素、ＣＯ、水分等の焼成雰囲気に対する不純物ガスが炉室２０内に拡散するのを防ぐ。従って、炭素繊維マット１３からの排出ガスの影響による焼成雰囲気の変化を抑制できるので、焼成条件を安定に維持することができる。また、炭素繊維マット１３に対しては、サヤ１２を炉室２０から出し入れする際などに炉室２０内に入る水分や酸素の吸収を抑制するとともに、カーボンコンポジット層１８の断熱効果と雰囲気遮断効果により、高温で発生する酸素、ＣＯ、ハイドロカーボン等のガスと炭素繊維との反応を抑制する。従って、炭素繊維マットの寿命を延ばす。
【００２３】
また、カーボンコンポジット層１８は、高純度で緻密であるため、耐熱性が従来使用されていたグラファイトシートに較べ高い。従って、窒化アルミニウムや炭化珪素の焼結に必要な１８００℃より高温の焼成条件においても炭素繊維マットの保護層としての機能を十分に果たし、焼成雰囲気と炭素繊維マット１３との間を遮断する効果が極めて高い。従って、炭素繊維マット１３の寿命を延命し、炉室内の焼成雰囲気を安定にできる。
【００２４】
一方、円筒状の炉室２０の内壁面に配設された炭素繊維マットの内側表面をカーボンコンポジット層１８で被覆するためには、曲面部を持つ炭素繊維マット表面に沿ってカーボンコンポジット層１８を張り付ける作業が必要であるが、この際に、カーボンコンポジット層１８に引張り力がかかるため、破断等が生じないよう、ある程度の強靭性と柔軟性が必要となる。この点、従来のグラファイトシートでは、厚みが０．４ｍｍを越えると、破断が生じやすくなり加工性が低下するため使用することができなかった。
【００２５】
これに対し、本実施の形態で保護層として使用するカーボンコンポジット層１８の場合は、炭素繊維を織り込んだ構造を有するため、柔軟性と強靭性を合わせ持ち、厚み０．５ｍｍ以上のものでも厚み３ｍｍ以下であれば、加工性が良好であり、炭素繊維マット１３の表面に無理なく張り付けることができる。
【００２６】
保護層の厚みは、厚いほど炉室２０のガス雰囲気と炭素繊維マット１３との間の雰囲気を遮断する効果が高まるため、０．５ｍｍ〜３ｍｍの厚みを有するカーボンコンポジット層１８を使用することで、厚みが０．４ｍｍ以下の従来のグラファイトシートより明らかに高い雰囲気遮断効果を得ることができる。従って、炭素繊維マット１３によるガスの吸収と排出に伴う焼成雰囲気の変動をより確実に防止でき、安定した品質の焼結体の製造を可能にする。なお、カーボンコンポジット層１８の厚みは０．５ｍｍ〜３ｍｍが好ましいが、作業性と経済性および必要とされる雰囲気遮断効果を考慮すると、１ｍｍ〜２ｍｍの厚みとすることが実用的である。
【００２７】
また、カーボンコンポジット層１８の雰囲気遮断効果は、厚みとともにカーボンコンポジットの緻密性にも影響される。カーボンコンポジットの緻密性は、比重の値に対応しており、比重が１．４ｇ/ｃｃ以上、より好ましくは１．６ｇ/ｃｃ以上であれば、緻密性が高く、良好な雰囲気遮断効果を得ることができる。
【００２８】
なお、カーボンコンポジット層１８で炉室２０の内壁に配設された炭素繊維マット１３表面を被覆するには、例えば帯状のカーボンコンポジットシートに一定間隔で予めネジ穴若しくはピン穴を設けておき、炭素繊維マット１３の表面にカーボン製のネジやピンを用いて、ネジ止めやピン止めで固定していく方法を採用できる。
【００２９】
次に、図１に示す焼成炉を使用した非酸化セラミックス焼結体の製造方法について説明する。
【００３０】
窒化珪素の焼結体を作製する場合は、窒化珪素粉体とＭｇＯや、Ａｌ2Ｏ3およびＣｅＯ2等の焼結助剤紛を混合し、スラリーもしくは混合粉を作製し、一軸加圧成形、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）、スリップキャスト、押し出し成形、射出成形等の種々の成形方法を使用して成形体を形成する。その後、この成形体を大気中で加熱し、バインダーを飛ばした後に、図１に示す焼成炉１００のテーブル１０上にあるサヤ１２の中に成形体を設置し、炉室２０を密閉し、炉室２０内を不活性ガス、例えば窒素雰囲気とする。焼成温度を１７００℃〜１８００℃に上げ、その温度で約１時間〜数時間保持して焼結を行う。
【００３１】
図１に示す本実施の形態に係る焼成炉１００を使用すれば、カーボンコンポジット層１８で炭素繊維マット１３表面を保護しているため、炭素繊維マット１３から排出される酸素、水蒸気およびＣＯガス等の影響を大幅に低減させることができる。焼成雰囲気へのＣＯガスの混入が抑制されるため、ＣＯガスと金属酸化物である焼結助剤との還元反応による焼結助剤の消失を抑えることができる。従って、焼結助剤の消失による焼結体表面層の脆弱化を防止し、表面層の強度を改善し、耐摩擦性、耐衝撃性に優れた窒化珪素焼結体を提供できる。
【００３２】
また、窒化アルミニウムの焼結体を作製する場合は、例えば予め、窒化アルミニウム粉体、焼結助剤であるイットリアを混合し、スラリーもしくは混合粉を作製し、一軸加圧成形、ＣＩＰ、スリップキャスト、押し出し成形、射出成形等の種々の成形方法を使用して成形体を形成する。その後、この成形体を大気中で加熱し、バインダーを飛ばした後に、図１に示す焼成炉のテーブル１０上にあるサヤ１２の中に成形体を設置し、炉室２０を密閉し、炉室２０内を不活性ガス、例えば窒素雰囲気とし、焼成温度を１８００℃〜１９００℃に上げ、その温度で約２時間〜６時間保持して焼結を行う。
【００３３】
図１に示す本実施の形態に係る焼成炉１００を使用すれば、焼成雰囲気中への酸素、水蒸気、およびＣＯガスの拡散を抑制できるため、上述する窒化珪素の場合と同様に、焼結助剤であるイットリアとＣＯガスとの還元反応による焼結助剤の消失による表面層の脆弱化を防止し、耐摩擦性、耐衝撃性に優れた窒化アルミニウムを提供できる。
【００３４】
さらに、焼成雰囲気中への酸素や水分の混入を防止できるため、窒化アルミニウム結晶粒中への酸素混入量の変動を抑制できる。窒化アルミニウム結晶中への酸素混入量の変動は、ドナー濃度の変化をもたらすため、体積抵抗率の変動が生じるが、本実施の形態に係る焼成炉を使用すれば、焼結体への酸素混入量の変動を防止できるので、特に電気的特性を結晶粒内抵抗で制御するタイプの窒化アルミニウム焼結体では、安定した抵抗値を持つ窒化アルミニウムを再現性よく製造できる。
【００３５】
このような電気的特性の安定化は、例えば、半導体製造装置において、基板の固定に使用される静電チャックのセラミックス基材等のように、セラミックス基材の体積抵抗率が吸着特性に大きな影響を与える場合に重要である。従って、本実施の形態に係る焼成炉を使用して、静電チャックのセラミックス基材となる窒化アルミニウム焼結体を製造すれば、特性の安定した静電チャックを提供できる。
【００３６】
さらに、炭化珪素の焼結体を作製する場合も、窒化アルミニウムや窒化珪素と同様な方法で、焼結助剤としてＢ4Ｃを用いて成形体を形成し、その後、この成形体を大気中で加熱し、バインダーを飛ばした後に、図１に示す焼成炉のテーブル１０上に載置し、炉室２０を密閉し、炉室２０内を不活性ガス、例えば窒素雰囲気とし、焼成温度を２０００℃〜２２００℃に上げ、その温度で約１時間〜５時間保持し、焼結を行う。
【００３７】
こうして、図１に示す焼成炉１００では、焼成雰囲気中への酸素や水分の混入を防止できるため、炭化珪素と酸素あるいは水分との酸化反応による、酸化珪素（ＳｉＯ2）の生成を抑制できる。炭化珪素は、窒化アルミニウムと同様に、半導体的性質を示し、結晶中の不純物であるＳｉＯ2量の変動により体積抵抗率が変化するが、図１に示す焼成炉で焼結を行う場合には、電気特性の安定した焼結体を生産することができる。
【００３８】
また、図１に示す焼成炉１００を用いて、サイアロンの焼結体を作製することもできる。この場合は、窒化珪素、窒化アルミニウムの粉末ベースに、アルミナ、イットリアなどを焼結助剤として添加し、混合した粉体を使用して成形体を作製し、窒化珪素とほぼ同様に１７００℃〜１８００℃の焼成温度で焼結を行う。
【００３９】
さらに、上述する窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、サイアロンのうちニ種以上の非酸化物セラミックスを含む複合材（コンポジット）の焼結体を作製することもできる。この場合の焼成条件は、コンポジットされる材料種と材料比に応じて定める。
【００４０】
上述するように、本実施の形態に係る図１に示す焼成炉１００は、種々の非酸化物セラミックス材の焼結用焼成炉として使用することができるが、特に、窒化アルミニウムや炭化珪素の焼結に必要な高温条件においては、従来のグラファイトシートを用いた保護層では剥離が生じ、炭素繊維マットの保護層として、グラファイトシート自体が十分な耐久性を維持できないため、カーボンコンポジット層１８を炭素繊維マット１３の保護層として用いた図１に示す焼成炉１００の使用が有効となる。
【００４１】
図２は、本実施の形態の焼成炉の別の態様を示す、非酸化物セラミックス焼結用焼成炉２００の構造を示す装置断面図である。基本的な構成は図１に示す焼成炉１００と同様であるが、図２の示す焼成炉２００においては、炉室３０が、底部を有する円筒型シリンダー１と着脱可能な上蓋２とで構成されており、サヤ１２の中に設置された成形体は、上蓋２から吊り下げられたロッド１１によって支持されたテーブル１０上に載置される。
【００４２】
焼成炉２００の場合も、炉室２０内壁面全面が、断熱層である炭素繊維マット１３で被覆されており、その表面を、厚み約０．５ｍｍ〜３ｍｍ、より好ましくは厚み１ｍｍ〜２ｍｍのカーボンコンポジット層１８でほぼ完全に被覆している。従って、高温での酸化ガスとの反応による炭素繊維マット１３からの炭素繊維の剥離を抑制できるため、炭素繊維マット１３の寿命を延ばすことができる。また、炭素繊維マット１３からの排出ガスの影響による焼成雰囲気の変動を抑制できるため、焼成雰囲気を安定に保ち、品質の安定した焼結体を提供できる。
【００４３】
図１および図２には、常圧焼成法で使用する焼成炉の例を示したが、焼成炉の種類はこれに限られるものではなく、焼結のための焼成に使用される炉であり、炉室の内壁に炭素系多孔質材の炭素繊維マットを備えるものであれば適用できる。従って、炉室内に上下一軸方向の加圧機構を備えたホットプレス装置にも適用できる。
【００４４】
図３は、ホットプレス装置の炉室内に装備される、加圧機構の一部を示すものである。炉室の構成は、図１に示す構造と同様なものが使用できる。なお、炉室の上部および下部に上下加圧機構が設置されるため、炉室側面に、成形体を出し入れする開閉可能な蓋を備えることが好ましい。
【００４５】
図３に示すように、ホットプレス装置の場合は、上下加圧機構のヘッド部である上ラム２１と下ラム２２で、成形体２７を挟みこむとともに、試料側面は円筒形の型部材で支持する。この円筒形の型部材は、円錐台形状のものを二分割または三分割したスリーブ２４Ａ、２４Ｂとその外周囲を囲む円筒状の型材２３とで構成される。
【００４６】
成形体２７は、上ラム２１、下ラム２２およびスリーブ２４に直接接するのではなく、スペーサ２５を介して支持される。なお、スペーサ２５と成形体２０との間、成形体２７とスリーブ２４Ａおよび２４Ｂとの間には、焼成中の成形体から排出される成分を吸収するカーボン材質のフェルトやクロスからなる吸収体２６を備えることが好ましい。なお、焼成対象品は、成形体に限られず、未焼結の粉体、顆粒体、あるいは半焼結品等であってもよい。
【００４７】
図４は、ホットプレス装置の炉室内に装備される、別の加圧機構の構成例を示すものである。ここでは、図３に示すものと同様に、上下加圧機構のヘッド部である上ラム２１と下ラム２２で、成形体２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃに加圧がかけられるとともに、試料側面は、スリーブ２４Ａ、２４Ｂとその外周囲を囲む円筒状の型材２３とで支持される。なお、図４に示す加圧機構では、上ラム２１と下ラム２２との間にスペーサ２５と吸収体２６とを介して複数の未焼結体である成形体２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃが、多段に積層できるため、量産が可能な構造である。
【００４８】
ホットプレス装置の場合も、加圧機構を除いては、炉室の基本的な構造は、図１に示す常圧焼結用焼成炉の場合と基本的に同様であり、炉室の内壁面に炭素繊維マットからなる炭素繊維マットが敷き詰められており、その表面を厚み０．５ｍｍ〜３ｍｍ、より好ましくは、厚みは１ｍｍ〜２ｍｍのカーボンコンポジット層からなる保護層で被覆している。
【００４９】
従って、図１あるいは図２に示す焼成炉の場合と同様に、図３あるいは図４の加圧機構を備えたホットプレス装置の場合も、炭素繊維マット内壁面がカーボンコンポジット層によって覆われ、炭素繊維マットと焼成雰囲気とが良好に遮断されている。従って、安定した焼成雰囲気を提供できるため、良質な焼結品を再現性よく提供できる。また、カーボンコンポジット自体が高寿命であり、高温条件での使用においても剥離することなく炭素繊維マットの保護層として、繰り返し使用でき、炭素繊維マットの寿命をさらに改善できる。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。なお、各実施例および比較例の条件および結果は表１に示した。
【００５１】
（実施例１）
実施例１の焼成炉は、図４に示す加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの全面に、厚み１ｍｍ、比重１．４ｇ/ｃｃの板状のカーボンコンポジットを張り付けた。具体的には、３０ｃｍ幅、長さ１００ｃｍのカーボンコンポジットにネジ穴を形成し、カーボン製ネジを用いて炭素繊維マットの内壁面にネジ止めし、炭素繊維マット全面を覆った。
【００５２】
このホットプレス装置を用いて、窒化アルミニウム成形体の焼成を行った。なお、この窒化アルミニウム成形体は、以下の方法で製造した。即ち、まず窒化アルミニウムの粉末９５質量％に焼結助剤であるイットリアを５質量％添加し、さらにイソプロピルアルコールを加え、スラリーを作製した。次に、このスラリーを窒素雰囲気のクローズドタイプの噴霧式乾燥機を用いて乾燥し、平均粒径６０μｍの造粒顆粒を作製した。得られた顆粒をΦ２００ｍｍの金型に充填し、２００ｋｇ/ｃｍ２の圧力で一軸加圧成形を行い、Φ２００ｍｍ×厚み２０ｍｍの円盤状の成形体を得た。
【００５３】
こうして得られた円盤状の窒化アルミニウム成形体をホットプレス装置の炉室内にある図４に示す加圧機構の下ラム２２の上に、カーボン性スペーサ２５とカーボンフェルトからなる吸収体２６とを介して載置した。さらに、スペーサ２５と吸収体２６とを介して３枚の窒化アルミニウム成形体を段詰めし、成形体の周囲にスリーブ２４Ａ、２４Ｂと型材２３とを配置した。
【００５４】
炉室の蓋を閉じ、炉室内を１．５気圧の窒素雰囲気とし、最高温度１９００℃、２００ｋｇ/ｃｍ２で成形体に一軸方向の圧力を加えつつ、４時間その状態を保持した。こうして窒化アルミニウムの焼結体を得た。上述する焼成工程を繰り返した。
【００５５】
カーボンコンポジットが減肉し、炭素織布が露出してくると焼成炉雰囲気と炭素繊維マットと間の遮断効果が急激に低下する。また、カーボンコンポジットの浮き上がりが生じると、その領域に炭素繊維マットと間に間隙ができ、炉内温度の均一性が維持できなくなる。そこで、カーボンコンポジット板が減肉し、炭素織布が露出するか、もしくは浮き上がりが生じた時点を、カーボンコンポジットの寿命とした。この結果、２００回の焼成回数で寿命に至ることが確認された。
【００５６】
（実施例２）
実施例２の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み０．５ｍｍ、比重１．４ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００５７】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、１００回の焼成回数で寿命に至った。
【００５８】
（実施例３）
実施例３の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み１．０ｍｍ、比重１．６ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００５９】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、３００回の焼成回数で寿命に至った。
【００６０】
（実施例４）
実施例４の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み２．０ｍｍ、比重１．８ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００６１】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、５００回の焼成回数で寿命に至った。
【００６２】
（実施例５）
実施例５の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み０．３ｍｍ、比重１．４ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００６３】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、５０回の焼成回数で寿命に至った。
【００６４】
（比較例１）
比較例１の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面に、従来使用されていた厚み０．２ｍｍ、比重１．２ｇ／ｃｃ、灰分０．３質量％のグラファイトシートをグラファイト系接着剤で溶着し、炭素繊維マットの内側表面全面を覆った。
【００６５】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、グラファイトシートの寿命を測定した。なお、グラファイトシートについては、炭素繊維マットから剥がれ落ちたときを寿命とした。その結果、１０回の焼成回数で寿命に至った。
【００６６】
（比較例２）
比較例１の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に装着されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面に、厚み０．４ｍｍ、比重１．２ｇ／ｃｃ、灰分０．１質量％のグラファイトシートをグラファイト系接着剤で溶着し、炭素繊維マットの内側表面全面を覆った。
【００６７】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、グラファイトシートの寿命を測定した。その結果、３０回の焼成回数で寿命に至った。
【００６８】
【表１】
（まとめ）
１９００℃の焼成温度条件での焼成炉の使用に際して、炭素繊維マットの保護層として、グラファイトシートを使用した比較例１および比較例２に較べ、カーボンコンポジット層を使用した実施例１〜実施例５の場合は、いずれも保護層寿命が大幅に延命した。
【００６９】
また、カーボンコンポジット層を使用した場合において、厚みが厚い程寿命が伸びる傾向があり、厚みが０．５ｍｍ以上になると、グラファイトシートに対する寿命の優位性が顕著に生じた。
【００７０】
さらに、炭素繊維マットの保護層として、カーボンコンポジットを使用する場合において、同じ厚みのカーボンコンポジットを使用する場合は、より比重の大きいカーボンコンポジットの方が寿命延命効果は高かった。
【００７１】
以上、実施の形態および実施例に沿って本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉および非酸化物セラミックス焼結体の製造方法について説明したが、本発明は、これらの実施の形態および実施例の記載に限定されるものでないことは明らかである。種々の改良および変更が可能なことは当業者には明らかである。
【００７２】
【発明の効果】
以上に説明するように、本発明の非酸化セラミックス焼結用焼成炉によれば、カーボンコンポジット層が、高温で焼結が必要なセラミックスを焼成する場合にも、断熱層の保護層として長期間十分に機能し、断熱層の劣化を防止し、断熱層の長寿命化に寄与する。従って、装置のメンテナンスコストを大幅に削減できる。
【００７３】
また、本発明の非酸化セラミックス焼結体の製造方法によれば、本発明の焼成炉を使用するため、カーボンコンポジット層の存在により、断熱層である炭素系多孔質層から排出される酸素や水あるいはＣＯガス等の混入のない、清浄な焼成雰囲気を維持できるため、焼結体の表面層の変質や不純物濃度の変動に伴う特性変化が抑制され、表面強度が高く、安定した特性の焼結体を再現よく作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の構造を示す装置断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る別の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の構造を示す装置断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るさらに別の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の炉室に備えられる加圧機構のヘッド部の構造を示す装置断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るさらに別の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の炉室に備えられる加圧機構のヘッド部の別の構造を示す装置断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダー
２ 上蓋
３ クランプ
４ 下蓋
５ 冷却水入口
６ 冷却水出口
７ ヒータ支持部材
８ グラファイトヒータ
９ ヒータ端子
１０ テーブル
１１ ロッド
１２ サヤ
１３ 炭素繊維マット
１４ 排気口
１５ 不活性ガス供給口
１６ 熱電対
１７ サイトホール
１８ カーボンコンポジット層
２０、３０ 炉室
２１ 上ラム
２２ 下ラム
２３ 型材
２４Ａ、２４Ｂ スリーブ
２５ スペーサ
２６ 吸収体
２７ 成形体
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスの焼成炉に関し、特に非酸化物セラミックスの焼結に使用される焼成炉とその焼成炉を用いた非酸化物セラミックス焼結体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化珪素や窒化アルミニウム等の非酸化物セラミックは、難焼結性材料であり、焼成には、非酸化雰囲気で１７００℃以上の高温条件が必要となる。従来、これらの非酸化物セラミックスの焼結には、非酸化雰囲気下で高温加熱が可能であるグラファイトヒータを用いた焼成炉が用いられている。このような高温焼成炉では、通常、炉室の内壁面には炭素繊維マットからなる断熱層が配設されている。
【０００３】
炭素繊維マットは、炭素繊維を主成分とし、７０〜９５容量％の気孔を有する炭素系多孔質体のひとつであり、平均０．２ｇ/ｃｃ前後のかさ密度を有する極めて断熱性の高い材料である。しかし、その一方で、吸湿性が高いため、焼成炉内に残存する酸素や水分を容易に吸収してしまう。吸収された酸素や水分は、炭素繊維マットの炭素繊維を酸化し、炭素繊維の剥離を促すとともにＣＯやＣＯ２等のガスを発生させる。剥離した炭素繊維は、焼成炉内に飛散、浮遊し、被焼結製品に付着等することにより製品の歩留まりを下げる要因となるとともに、炭素繊維マットの断熱性を低下させる。
【０００４】
また、炭素繊維マットは、周囲の雰囲気の変化に応じて、ＣＯやＣＯ２等のガスや、吸収した水分や酸素を排出する。窒化珪素や窒化アルミニウムは、焼成の際に雰囲気ガス、すなわち焼成雰囲気中にＣＯガス等の還元ガスが存在すると、焼結促進のため添加されている酸化金属である焼結助剤の減耗が生じ、焼結体構造の脆弱化が生じたり、結晶中の不純物濃度の変化による電気的特性の変動が生じたりする。
【０００５】
そこで、このような炭素繊維マットから排出されるガス等に起因する歩留まりの低下や焼結品の特性劣化を改善するため、炭素繊維マットの表面に、保護層としてグラファイトシートを被覆した焼成炉が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
炭素繊維マット表面をグラファイトシートで被覆することにより、１７００℃〜１８００℃の温度で使用される窒化珪素の焼結用焼成炉においては、炭素繊維マットによる焼成雰囲気の汚染が低減され、炭素繊維マットの長寿命化が得られている。
【０００７】
【特許文献１】
特公平１−３５２７５号公報、１頁左段２行〜８行等。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化アルミニウムや炭化珪素などの非酸化物セラミックスでは、焼結に要する焼成温度が、窒化珪素の焼成温度を越える、より高温の条件が必要となる。
【０００９】
このような高温条件での焼成では、グラファイトシート自体の寿命が十分なものとはいえず、焼成中にグラファイトシートの剥離が生じ、なかの炭素繊維マットが露出することがあり、炭素繊維マットの保護層としての機能が不十分なものとなっていた。したがって、炭素繊維マットから排出されるガスの影響による焼結体の特性劣化や炭素繊維マットの寿命の短命化が生じていた。
【００１０】
本発明は、上述する従来の課題に鑑み、より高温での焼成条件においても、炉室内壁に配設された断熱層に起因する焼結体の特性劣化を防止し、断熱層の寿命を維持できる非酸化物セラミックス焼結用焼成炉を提供することである。また、断熱層に起因する焼結体の特性劣化を防止し、安定した品質を再現できる非セラミックス焼結体の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の特徴は、ヒータを備えた密閉可能な炉室と、炉室の内壁面に配設された炭素系多孔質層からなる断熱層と、その断熱層表面を被覆するカーボンコンポジット層とを有することである。
【００１２】
上記本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の特徴によれば、炉室内壁面を被覆する断熱層である炭素系多孔質層の表面に、保護層としてカーボンコンポジット層を備える。ここで使用されるカーボンコンポジット層は、従来、保護層として使用されていたグラファイトシートに比較し、高純度でより高い耐熱性を有し、さらに強靭性と柔軟性を有している。従って、窒化珪素の焼成温度よりさらに高い窒化アルミニウムや炭化珪素の焼成温度にも十分な耐久性を有するとともに、その強靭性と柔軟性により、より肉厚のカーボンコンポジットを保護層として炭素系多孔質層の湾曲する表面に添って、くまなく被覆させる加工を施すことができる。従って、より高温の焼成温度に対しても、良好な炭素系多孔質の保護機能を発揮できる。なお、上述するカーボンコンポジットは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚みを有することが好ましく、さらに、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みとすることが好ましい。また、比重が１．４ｇ/ｃｃ以上であることが好ましい。
【００１３】
なお、上記本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉は、ヒータとして、グラファイトヒータが使用されているものであってもよく、上記炭素多孔質材として、炭素繊維マットが使用されているものであってもよい。さらに、上記本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉は、炭化珪素、窒化アルミニウム、および窒化珪素の少なくともいずれかの焼結に使用されるものであってもよい。
【００１４】
本発明の非酸化物セラミックス焼結体の製造方法は、上述する本発明の特徴を有する非酸化物セラミックス焼結用焼成炉を用いて、不活性ガス雰囲気中で焼成することにより焼結体を作製する工程を有することを特徴とする。
【００１５】
上記本発明の製造方法によれば、上述する本発明の特徴を有する非酸化物セラミックス焼結用焼成炉を使用するため、カーボンコンポジット層により断熱層と炉室内の焼成雰囲気とが十分に遮断できるので、焼成雰囲気を清浄な状態に維持し、断熱層から排出されるガスの影響等を受けることなく、高純度で安定した品質の焼結体の量産が可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る非酸化物セラミックス焼結用の焼成炉１００の構成を示す装置断面図である。焼結用焼成炉であれば、適用される焼結方法に限定されることはないが、まず、ここでは、常圧焼結法で使用される焼成炉を例にとって説明する。
【００１７】
図１に示すように、非酸化物セラミックス焼結用焼成炉１００は、円筒部であるシリンダー１と、その上端と下端を塞ぐ上蓋２および下蓋４とで、密閉可能な炉室２０が構成されている。下蓋４は、着脱自在になっており、クランプ３で固定されている。シリンダー１、上蓋２および下蓋４は、それぞれ内部にウォータジャケットを備え、冷却水入口５および冷却水出口６を介して冷却水が内部を循環する構造を有している。
【００１８】
炉室２０は、ガス供給口１５およびガス排気管１４を備えており、炉室２０内を窒素ガス等の不活性ガス雰囲気に調整することができる。また、炉室２０内の温度管理のため、熱電対１６と炉内の様子を監視するためのサイトホール１７とを備えている。
【００１９】
炉室２０内の中央には、ロッド１１で支持されたテーブル１０があり、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の、焼結させるべき非酸化物成形体は、サヤ１２の中に設置されテーブルの上に載置される。なお、焼成する対象は、成形体に限られず、未焼結の粉体、顆粒体、あるいは半焼結品等であってもよい。
【００２０】
また、炉室２０内には、中央に設置するサヤ１２の中に成形体を設置し周囲を囲むように、ヒータ支持部材７によって支持された棒状のグラファイトヒータ８が複数本均等に配置されており、ヒータ端子９を介して外部から電力が供給される。さらに、炉室２０内壁面は、ほぼくまなく、断熱層である炭素繊維マット１３で被覆されており、外部と熱的に遮断されている。なお、この炭素繊維マット１３は、断熱性を有する炭素系多孔質材であれば、炭素繊維マット以外のものを使用することもできる。
【００２１】
本実施の形態に係る焼成炉１００は、この炭素繊維マット１３である断熱層の内側表面を、カーボンコンポジット層１８でほぼ完全に被覆していることを主たる特徴として有するものである。カーボンコンポジットとは、「Ｃ/Ｃコンポジット」あるいは「Ｃ／Ｃ複合材料」とも呼ばれる炭素繊維強化炭素複合材料をいい、炭素繊維を平織、朱子織などの織布にして、熱硬化樹脂や熱可塑樹脂あるいはコールタールピッチ等を含浸させて、固相あるいは液相で炭化させた後、さらに高温で熱処理を行う工程を複数回繰り返すことで作製された板状体である。
【００２２】
カーボンコンポジット層１８は、炭素繊維マット１３とサヤ１２の中に設置される成形体の焼結特性に影響を与える炉室２０内の焼成雰囲気とを遮断する。よって、炭素繊維マット１３から排出される酸素、ＣＯ、水分等の焼成雰囲気に対する不純物ガスが炉室２０内に拡散するのを防ぐ。従って、炭素繊維マット１３からの排出ガスの影響による焼成雰囲気の変化を抑制できるので、焼成条件を安定に維持することができる。また、炭素繊維マット１３に対しては、サヤ１２を炉室２０から出し入れする際などに炉室２０内に入る水分や酸素の吸収を抑制するとともに、カーボンコンポジット層１８の断熱効果と雰囲気遮断効果により、高温で発生する酸素、ＣＯ、ハイドロカーボン等のガスと炭素繊維との反応を抑制する。従って、炭素繊維マットの寿命を延ばす。
【００２３】
また、カーボンコンポジット層１８は、高純度で緻密であるため、耐熱性が従来使用されていたグラファイトシートに較べ高い。従って、窒化アルミニウムや炭化珪素の焼結に必要な１８００℃より高温の焼成条件においても炭素繊維マットの保護層としての機能を十分に果たし、焼成雰囲気と炭素繊維マット１３との間を遮断する効果が極めて高い。従って、炭素繊維マット１３の寿命を延命し、炉室内の焼成雰囲気を安定にできる。
【００２４】
一方、円筒状の炉室２０の内壁面に配設された炭素繊維マットの内側表面をカーボンコンポジット層１８で被覆するためには、曲面部を持つ炭素繊維マット表面に沿ってカーボンコンポジット層１８を張り付ける作業が必要であるが、この際に、カーボンコンポジット層１８に引張り力がかかるため、破断等が生じないよう、ある程度の強靭性と柔軟性が必要となる。この点、従来のグラファイトシートでは、厚みが０．４ｍｍを越えると、破断が生じやすくなり加工性が低下するため使用することができなかった。
【００２５】
これに対し、本実施の形態で保護層として使用するカーボンコンポジット層１８の場合は、炭素繊維を織り込んだ構造を有するため、柔軟性と強靭性を合わせ持ち、厚み０．５ｍｍ以上のものでも厚み３ｍｍ以下であれば、加工性が良好であり、炭素繊維マット１３の表面に無理なく張り付けることができる。
【００２６】
保護層の厚みは、厚いほど炉室２０のガス雰囲気と炭素繊維マット１３との間の雰囲気を遮断する効果が高まるため、０．５ｍｍ〜３ｍｍの厚みを有するカーボンコンポジット層１８を使用することで、厚みが０．４ｍｍ以下の従来のグラファイトシートより明らかに高い雰囲気遮断効果を得ることができる。従って、炭素繊維マット１３によるガスの吸収と排出に伴う焼成雰囲気の変動をより確実に防止でき、安定した品質の焼結体の製造を可能にする。なお、カーボンコンポジット層１８の厚みは０．５ｍｍ〜３ｍｍが好ましいが、作業性と経済性および必要とされる雰囲気遮断効果を考慮すると、１ｍｍ〜２ｍｍの厚みとすることが実用的である。
【００２７】
また、カーボンコンポジット層１８の雰囲気遮断効果は、厚みとともにカーボンコンポジットの緻密性にも影響される。カーボンコンポジットの緻密性は、比重の値に対応しており、比重が１．４ｇ/ｃｃ以上、より好ましくは１．６ｇ/ｃｃ以上であれば、緻密性が高く、良好な雰囲気遮断効果を得ることができる。
【００２８】
なお、カーボンコンポジット層１８で炉室２０の内壁に配設された炭素繊維マット１３表面を被覆するには、例えば帯状のカーボンコンポジットシートに一定間隔で予めネジ穴若しくはピン穴を設けておき、炭素繊維マット１３の表面にカーボン製のネジやピンを用いて、ネジ止めやピン止めで固定していく方法を採用できる。
【００２９】
次に、図１に示す焼成炉を使用した非酸化セラミックス焼結体の製造方法について説明する。
【００３０】
窒化珪素の焼結体を作製する場合は、窒化珪素粉体とＭｇＯや、Ａｌ2Ｏ3およびＣｅＯ2等の焼結助剤紛を混合し、スラリーもしくは混合粉を作製し、一軸加圧成形、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）、スリップキャスト、押し出し成形、射出成形等の種々の成形方法を使用して成形体を形成する。その後、この成形体を大気中で加熱し、バインダーを飛ばした後に、図１に示す焼成炉１００のテーブル１０上にあるサヤ１２の中に成形体を設置し、炉室２０を密閉し、炉室２０内を不活性ガス、例えば窒素雰囲気とする。焼成温度を１７００℃〜１８００℃に上げ、その温度で約１時間〜数時間保持して焼結を行う。
【００３１】
図１に示す本実施の形態に係る焼成炉１００を使用すれば、カーボンコンポジット層１８で炭素繊維マット１３表面を保護しているため、炭素繊維マット１３から排出される酸素、水蒸気およびＣＯガス等の影響を大幅に低減させることができる。焼成雰囲気へのＣＯガスの混入が抑制されるため、ＣＯガスと金属酸化物である焼結助剤との還元反応による焼結助剤の消失を抑えることができる。従って、焼結助剤の消失による焼結体表面層の脆弱化を防止し、表面層の強度を改善し、耐摩擦性、耐衝撃性に優れた窒化珪素焼結体を提供できる。
【００３２】
また、窒化アルミニウムの焼結体を作製する場合は、例えば予め、窒化アルミニウム粉体、焼結助剤であるイットリアを混合し、スラリーもしくは混合粉を作製し、一軸加圧成形、ＣＩＰ、スリップキャスト、押し出し成形、射出成形等の種々の成形方法を使用して成形体を形成する。その後、この成形体を大気中で加熱し、バインダーを飛ばした後に、図１に示す焼成炉のテーブル１０上にあるサヤ１２の中に成形体を設置し、炉室２０を密閉し、炉室２０内を不活性ガス、例えば窒素雰囲気とし、焼成温度を１８００℃〜１９００℃に上げ、その温度で約２時間〜６時間保持して焼結を行う。
【００３３】
図１に示す本実施の形態に係る焼成炉１００を使用すれば、焼成雰囲気中への酸素、水蒸気、およびＣＯガスの拡散を抑制できるため、上述する窒化珪素の場合と同様に、焼結助剤であるイットリアとＣＯガスとの還元反応による焼結助剤の消失による表面層の脆弱化を防止し、耐摩擦性、耐衝撃性に優れた窒化アルミニウムを提供できる。
【００３４】
さらに、焼成雰囲気中への酸素や水分の混入を防止できるため、窒化アルミニウム結晶粒中への酸素混入量の変動を抑制できる。窒化アルミニウム結晶中への酸素混入量の変動は、ドナー濃度の変化をもたらすため、体積抵抗率の変動が生じるが、本実施の形態に係る焼成炉を使用すれば、焼結体への酸素混入量の変動を防止できるので、特に電気的特性を結晶粒内抵抗で制御するタイプの窒化アルミニウム焼結体では、安定した抵抗値を持つ窒化アルミニウムを再現性よく製造できる。
【００３５】
このような電気的特性の安定化は、例えば、半導体製造装置において、基板の固定に使用される静電チャックのセラミックス基材等のように、セラミックス基材の体積抵抗率が吸着特性に大きな影響を与える場合に重要である。従って、本実施の形態に係る焼成炉を使用して、静電チャックのセラミックス基材となる窒化アルミニウム焼結体を製造すれば、特性の安定した静電チャックを提供できる。
【００３６】
さらに、炭化珪素の焼結体を作製する場合も、窒化アルミニウムや窒化珪素と同様な方法で、焼結助剤としてＢ4Ｃを用いて成形体を形成し、その後、この成形体を大気中で加熱し、バインダーを飛ばした後に、図１に示す焼成炉のテーブル１０上に載置し、炉室２０を密閉し、炉室２０内を不活性ガス、例えば窒素雰囲気とし、焼成温度を２０００℃〜２２００℃に上げ、その温度で約１時間〜５時間保持し、焼結を行う。
【００３７】
こうして、図１に示す焼成炉１００では、焼成雰囲気中への酸素や水分の混入を防止できるため、炭化珪素と酸素あるいは水分との酸化反応による、酸化珪素（ＳｉＯ2）の生成を抑制できる。炭化珪素は、窒化アルミニウムと同様に、半導体的性質を示し、結晶中の不純物であるＳｉＯ2量の変動により体積抵抗率が変化するが、図１に示す焼成炉で焼結を行う場合には、電気特性の安定した焼結体を生産することができる。
【００３８】
また、図１に示す焼成炉１００を用いて、サイアロンの焼結体を作製することもできる。この場合は、窒化珪素、窒化アルミニウムの粉末ベースに、アルミナ、イットリアなどを焼結助剤として添加し、混合した粉体を使用して成形体を作製し、窒化珪素とほぼ同様に１７００℃〜１８００℃の焼成温度で焼結を行う。
【００３９】
さらに、上述する窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、サイアロンのうちニ種以上の非酸化物セラミックスを含む複合材（コンポジット）の焼結体を作製することもできる。この場合の焼成条件は、コンポジットされる材料種と材料比に応じて定める。
【００４０】
上述するように、本実施の形態に係る図１に示す焼成炉１００は、種々の非酸化物セラミックス材の焼結用焼成炉として使用することができるが、特に、窒化アルミニウムや炭化珪素の焼結に必要な高温条件においては、従来のグラファイトシートを用いた保護層では剥離が生じ、炭素繊維マットの保護層として、グラファイトシート自体が十分な耐久性を維持できないため、カーボンコンポジット層１８を炭素繊維マット１３の保護層として用いた図１に示す焼成炉１００の使用が有効となる。
【００４１】
図２は、本実施の形態の焼成炉の別の態様を示す、非酸化物セラミックス焼結用焼成炉２００の構造を示す装置断面図である。基本的な構成は図１に示す焼成炉１００と同様であるが、図２の示す焼成炉２００においては、炉室３０が、底部を有する円筒型シリンダー１と着脱可能な上蓋２とで構成されており、サヤ１２の中に設置された成形体は、上蓋２から吊り下げられたロッド１１によって支持されたテーブル１０上に載置される。
【００４２】
焼成炉２００の場合も、炉室２０内壁面全面が、断熱層である炭素繊維マット１３で被覆されており、その表面を、厚み約０．５ｍｍ〜３ｍｍ、より好ましくは厚み１ｍｍ〜２ｍｍのカーボンコンポジット層１８でほぼ完全に被覆している。従って、高温での酸化ガスとの反応による炭素繊維マット１３からの炭素繊維の剥離を抑制できるため、炭素繊維マット１３の寿命を延ばすことができる。また、炭素繊維マット１３からの排出ガスの影響による焼成雰囲気の変動を抑制できるため、焼成雰囲気を安定に保ち、品質の安定した焼結体を提供できる。
【００４３】
図１および図２には、常圧焼成法で使用する焼成炉の例を示したが、焼成炉の種類はこれに限られるものではなく、焼結のための焼成に使用される炉であり、炉室の内壁に炭素系多孔質材の炭素繊維マットを備えるものであれば適用できる。従って、炉室内に上下一軸方向の加圧機構を備えたホットプレス装置にも適用できる。
【００４４】
図３は、ホットプレス装置の炉室内に装備される、加圧機構の一部を示すものである。炉室の構成は、図１に示す構造と同様なものが使用できる。なお、炉室の上部および下部に上下加圧機構が設置されるため、炉室側面に、成形体を出し入れする開閉可能な蓋を備えることが好ましい。
【００４５】
図３に示すように、ホットプレス装置の場合は、上下加圧機構のヘッド部である上ラム２１と下ラム２２で、成形体２７を挟みこむとともに、試料側面は円筒形の型部材で支持する。この円筒形の型部材は、円錐台形状のものを二分割または三分割したスリーブ２４Ａ、２４Ｂとその外周囲を囲む円筒状の型材２３とで構成される。
【００４６】
成形体２７は、上ラム２１、下ラム２２およびスリーブ２４に直接接するのではなく、スペーサ２５を介して支持される。なお、スペーサ２５と成形体２０との間、成形体２７とスリーブ２４Ａおよび２４Ｂとの間には、焼成中の成形体から排出される成分を吸収するカーボン材質のフェルトやクロスからなる吸収体２６を備えることが好ましい。なお、焼成対象品は、成形体に限られず、未焼結の粉体、顆粒体、あるいは半焼結品等であってもよい。
【００４７】
図４は、ホットプレス装置の炉室内に装備される、別の加圧機構の構成例を示すものである。ここでは、図３に示すものと同様に、上下加圧機構のヘッド部である上ラム２１と下ラム２２で、成形体２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃに加圧がかけられるとともに、試料側面は、スリーブ２４Ａ、２４Ｂとその外周囲を囲む円筒状の型材２３とで支持される。なお、図４に示す加圧機構では、上ラム２１と下ラム２２との間にスペーサ２５と吸収体２６とを介して複数の未焼結体である成形体２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃが、多段に積層できるため、量産が可能な構造である。
【００４８】
ホットプレス装置の場合も、加圧機構を除いては、炉室の基本的な構造は、図１に示す常圧焼結用焼成炉の場合と基本的に同様であり、炉室の内壁面に炭素繊維マットからなる炭素繊維マットが敷き詰められており、その表面を厚み０．５ｍｍ〜３ｍｍ、より好ましくは、厚みは１ｍｍ〜２ｍｍのカーボンコンポジット層からなる保護層で被覆している。
【００４９】
従って、図１あるいは図２に示す焼成炉の場合と同様に、図３あるいは図４の加圧機構を備えたホットプレス装置の場合も、炭素繊維マット内壁面がカーボンコンポジット層によって覆われ、炭素繊維マットと焼成雰囲気とが良好に遮断されている。従って、安定した焼成雰囲気を提供できるため、良質な焼結品を再現性よく提供できる。また、カーボンコンポジット自体が高寿命であり、高温条件での使用においても剥離することなく炭素繊維マットの保護層として、繰り返し使用でき、炭素繊維マットの寿命をさらに改善できる。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。なお、各実施例および比較例の条件および結果は表１に示した。
【００５１】
（実施例１）
実施例１の焼成炉は、図４に示す加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの全面に、厚み１ｍｍ、比重１．４ｇ/ｃｃの板状のカーボンコンポジットを張り付けた。具体的には、３０ｃｍ幅、長さ１００ｃｍのカーボンコンポジットにネジ穴を形成し、カーボン製ネジを用いて炭素繊維マットの内壁面にネジ止めし、炭素繊維マット全面を覆った。
【００５２】
このホットプレス装置を用いて、窒化アルミニウム成形体の焼成を行った。なお、この窒化アルミニウム成形体は、以下の方法で製造した。即ち、まず窒化アルミニウムの粉末９５質量％に焼結助剤であるイットリアを５質量％添加し、さらにイソプロピルアルコールを加え、スラリーを作製した。次に、このスラリーを窒素雰囲気のクローズドタイプの噴霧式乾燥機を用いて乾燥し、平均粒径６０μｍの造粒顆粒を作製した。得られた顆粒をΦ２００ｍｍの金型に充填し、２００ｋｇ/ｃｍ２の圧力で一軸加圧成形を行い、Φ２００ｍｍ×厚み２０ｍｍの円盤状の成形体を得た。
【００５３】
こうして得られた円盤状の窒化アルミニウム成形体をホットプレス装置の炉室内にある図４に示す加圧機構の下ラム２２の上に、カーボン性スペーサ２５とカーボンフェルトからなる吸収体２６とを介して載置した。さらに、スペーサ２５と吸収体２６とを介して３枚の窒化アルミニウム成形体を段詰めし、成形体の周囲にスリーブ２４Ａ、２４Ｂと型材２３とを配置した。
【００５４】
炉室の蓋を閉じ、炉室内を１．５気圧の窒素雰囲気とし、最高温度１９００℃、２００ｋｇ/ｃｍ２で成形体に一軸方向の圧力を加えつつ、４時間その状態を保持した。こうして窒化アルミニウムの焼結体を得た。上述する焼成工程を繰り返した。
【００５５】
カーボンコンポジットが減肉し、炭素織布が露出してくると焼成炉雰囲気と炭素繊維マットと間の遮断効果が急激に低下する。また、カーボンコンポジットの浮き上がりが生じると、その領域に炭素繊維マットと間に間隙ができ、炉内温度の均一性が維持できなくなる。そこで、カーボンコンポジット板が減肉し、炭素織布が露出するか、もしくは浮き上がりが生じた時点を、カーボンコンポジットの寿命とした。この結果、２００回の焼成回数で寿命に至ることが確認された。
【００５６】
（実施例２）
実施例２の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み０．５ｍｍ、比重１．４ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００５７】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、１００回の焼成回数で寿命に至った。
【００５８】
（実施例３）
実施例３の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み１．０ｍｍ、比重１．６ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００５９】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、３００回の焼成回数で寿命に至った。
【００６０】
（実施例４）
実施例４の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み２．０ｍｍ、比重１．８ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００６１】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、５００回の焼成回数で寿命に至った。
【００６２】
（実施例５）
実施例５の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面全面を、厚み０．３ｍｍ、比重１．４ｇ/ｃｃのカーボンコンポジット層で覆った。
【００６３】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、カーボンコンポジットの寿命を測定した。その結果、５０回の焼成回数で寿命に至った。
【００６４】
（比較例１）
比較例１の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に配設されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面に、従来使用されていた厚み０．２ｍｍ、比重１．２ｇ／ｃｃ、灰分０．３質量％のグラファイトシートをグラファイト系接着剤で溶着し、炭素繊維マットの内側表面全面を覆った。
【００６５】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、グラファイトシートの寿命を測定した。なお、グラファイトシートについては、炭素繊維マットから剥がれ落ちたときを寿命とした。その結果、１０回の焼成回数で寿命に至った。
【００６６】
（比較例２）
比較例１の焼成炉は、実施例１と同様な加圧機構を有するホットプレス装置において、炉室の内壁面に装着されたフェルト質の炭素繊維マットの内側表面に、厚み０．４ｍｍ、比重１．２ｇ／ｃｃ、灰分０．１質量％のグラファイトシートをグラファイト系接着剤で溶着し、炭素繊維マットの内側表面全面を覆った。
【００６７】
実施例１と同様な条件で、窒化アルミニウムの焼成工程を繰り返し、グラファイトシートの寿命を測定した。その結果、３０回の焼成回数で寿命に至った。
【００６８】
【表１】
１９００℃の焼成温度条件での焼成炉の使用に際して、炭素繊維マットの保護層として、グラファイトシートを使用した比較例１および比較例２に較べ、カーボンコンポジット層を使用した実施例１〜実施例５の場合は、いずれも保護層寿命が大幅に延命した。
【００６９】
また、カーボンコンポジット層を使用した場合において、厚みが厚い程寿命が伸びる傾向があり、厚みが０．５ｍｍ以上になると、グラファイトシートに対する寿命の優位性が顕著に生じた。
【００７０】
さらに、炭素繊維マットの保護層として、カーボンコンポジットを使用する場合において、同じ厚みのカーボンコンポジットを使用する場合は、より比重の大きいカーボンコンポジットの方が寿命延命効果は高かった。
【００７１】
以上、実施の形態および実施例に沿って本発明の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉および非酸化物セラミックス焼結体の製造方法について説明したが、本発明は、これらの実施の形態および実施例の記載に限定されるものでないことは明らかである。種々の改良および変更が可能なことは当業者には明らかである。
【００７２】
【発明の効果】
以上に説明するように、本発明の非酸化セラミックス焼結用焼成炉によれば、カーボンコンポジット層が、高温で焼結が必要なセラミックスを焼成する場合にも、断熱層の保護層として長期間十分に機能し、断熱層の劣化を防止し、断熱層の長寿命化に寄与する。従って、装置のメンテナンスコストを大幅に削減できる。
【００７３】
また、本発明の非酸化セラミックス焼結体の製造方法によれば、本発明の焼成炉を使用するため、カーボンコンポジット層の存在により、断熱層である炭素系多孔質層から排出される酸素や水あるいはＣＯガス等の混入のない、清浄な焼成雰囲気を維持できるため、焼結体の表面層の変質や不純物濃度の変動に伴う特性変化が抑制され、表面強度が高く、安定した特性の焼結体を再現よく作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の構造を示す装置断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る別の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の構造を示す装置断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るさらに別の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の炉室に備えられる加圧機構のヘッド部の構造を示す装置断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るさらに別の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉の炉室に備えられる加圧機構のヘッド部の別の構造を示す装置断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダー
２ 上蓋
３ クランプ
４ 下蓋
５ 冷却水入口
６ 冷却水出口
７ ヒータ支持部材
８ グラファイトヒータ
９ ヒータ端子
１０ テーブル
１１ ロッド
１２ サヤ
１３ 炭素繊維マット
１４ 排気口
１５ 不活性ガス供給口
１６ 熱電対
１７ サイトホール
１８ カーボンコンポジット層
２０、３０ 炉室
２１ 上ラム
２２ 下ラム
２３ 型材
２４Ａ、２４Ｂ スリーブ
２５ スペーサ
２６ 吸収体
２７ 成形体
Claims (9)
- ヒータを備えた密閉可能な炉室と、
前記炉室の内壁面に配設された炭素系多孔質層からなる断熱層と、
前記断熱層の内側表面を被覆するカーボンコンポジット層と
を有する非酸化物セラミックス焼結用焼成炉。 - 前記カーボンコンポジット層は、
０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉。 - 前記カーボンコンポジット層は、
１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉。 - 前記ヒータは、グラファイトヒータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉。
- 前記炭素多孔質層は、炭素繊維マットであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉。
- 前記カーボンコンポジット層は、比重１．４ｇ/ｃｃ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉。
- 炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、サイアロンからなる群より選択される単一の非酸化物セラミックス、もしくは前記群より選択される少なくとも二種以上の非酸化物セラミックスを含むコンポジット材の焼結に使用されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の非酸化物セラミックス焼結用焼成炉。
- ヒータを備えた密閉可能な炉室と、前記炉室の内壁面に配設された炭素系多孔質層からなる断熱層と、前記断熱層表面を被覆するカーボンコンポジット層とを有する焼成炉を用いて、不活性ガス雰囲気で焼成することにより焼結体を作製することを特徴とする非酸化物セラミックス焼結体の製造方法。
- 前記非酸化物セラミックス焼結体は、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、サイアロンからなる群より選択される単一の非酸化物セラミックス、もしくは前記群より選択される少なくとも二種以上の非酸化物セラミックスを含むコンポジット材の焼結体である請求項８に記載の非酸化物セラミックス焼結体の製造方法。
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2002
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