JP2004292267A - アルミナ焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミナの持つ機械的特性を大きく低下させることなく静電気を適度な速度で逃がすことが可能な静電気除去作用を有する半導電性アルミナ焼結体を提供する。
【解決手段】Ａｌ_２Ｏ_３を９０〜９６重量％に対し、導電性付与剤として、ＴｉＯ_２を４〜１０重量％含有させ、成形後の成形体を常圧での水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガス雰囲気での還元焼成を行い「１０^５〜１０^１０Ω・ｃｍ」の体積固有抵抗値を有する半導電性アルミナ焼結体を形成する。
【選択図】特になし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度を維持しながら半導電性を有するアルミナ焼結体に関するものであり、具体的には、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程で使用する治工具や、画像形成装置に用いられる分離爪などの静電気除去作用を必要とする用途に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造部品材料として使用されているアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とするセラミック焼結体は、高強度でかつ高硬度を有するとともに、耐熱性や耐食性に優れることから、様々な分野で使用されているが、特に優れた機械的強度や摺動特性が要求されるような用途ではアルミナ焼結体が用いられている。
【０００３】
ところで、アルミナ焼結体は高絶縁材料であるため、半導体製造装置等で使用される搬送アーム、あるいはプリンタなどの画像形成装置において使用される分離爪、磁気ヘッドのラップ加工用修正リングやＤＬＣコーティング用治具・イオンミリング加工用治具・組立て治具など、静電気の除去作用が必要とされる用途に使用するには、アルミナ焼結体の体積固有抵抗値を「１０^５〜１０^１０Ω・ｃｍ」とする必要があり、その為、アルミナ焼結体に導電性付与剤を含有させ、抵抗値を小さくすることが試みられている。
【０００４】
例えば、導電性アルミナとして、Ａｌ_２Ｏ_３を主体とし、これに導電性付与剤としてＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒの金属酸化物のうち少なくとも１種以上を含有してなり、体積固有抵抗値を「１０^５〜１０^９Ω・ｃｍ」とした半導電性アルミナ焼結体が開示されている。 （例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２５４１６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記半導電性アルミナ焼結体では導電性付与剤として、利用しているＦｅ，Ｃｏ，Ｃｒの金属は、半導体並びに電子部品などの製造における不純物成分として、懸念されている金属であり、前記製造における製造装置や治工具類などへ、不純物が混入する可能性がある恐れがあった。
【０００７】
本発明の目的は、半導体並びに電子部品などの製造に関る製造装置や治工具類への上記不純物混入の影響のない素材を利用し、かつ、アルミナ焼結体のもつ機械的特性を大きく低下させることなく、静電気を適度な速度で逃がすことが可能なアルミナ焼結体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記課題に鑑み、本発明のアルミナ焼結体は、Ａｌ_２Ｏ_３ を９０〜９６重量％と、導電性付与剤として、ＴｉＯ_２を４〜１０重量％含有とを少なくとも含有し、体積固有抵抗値が１０^５〜１０^１０ Ω・ｃｍであることを特徴とするアルミナ焼結体とする。
【０００９】
即ち、本発明のアルミナ焼結体は、導電性付与剤として、半導体や電子部品に悪影響を及ぼさないＴｉＯ_２を含有させることにより、これらの導電性付与剤がＡｌ_２Ｏ_３に固溶して、その固溶粒子が粒結合を構成し、アルミナのもつ機械的物性を大きく低下させることなく焼結体の体積固有抵抗値を１０^５〜１０^１０ Ω・ｃｍの静電気を適度な速度で逃がすことができる半導電性を持たせることができることを見出したものである。また、アルミナ焼結体は、主として、固溶粒子で構成されるので、物性値としても安定したものが得られる。Ｔｉは、半導体や電子部品の製造プロセスの周辺機器として広く利用される金属でもある。
【００１０】
その為、静電気を適度な速度で逃がすことができるため、アルミナ焼結体と当接する物体が電気的な影響を受け易いものであっても、破壊することなく静電気を除去することができる。
【００１１】
また、Ａｌ_２Ｏ_３を９０〜９６重量％と、導電性付与剤として、ＴｉＯ_２を４〜１０重量％とを有する原料を用いて成形する工程と、成形後の成形体を還元焼成する工程とを有し、前記還元焼成後の焼結体の体積固有抵抗値が１０^５〜１０^１０ Ω・ｃｍであることを特徴とするアルミナ焼結体の製造方法とする。
【００１２】
本発明によれば、半導体や電子部品に悪影響を及ぼさないＴｉＯ_２を添加物として利用し、還元焼成を行うことで、抵抗値を適正範囲に調整でき、アルミナ焼結体は黒色系に変化するため、例えば、治工具としては製造工程で製品との区別が容易である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に説明する。
【００１４】
主体をなすＡｌ_２Ｏ_３ は、α結晶まで粉砕した微粒低ソーダアルミナとし、成形時の充填密度と焼結嵩密度を大きくするアルミナを使用する。
【００１５】
具体的には、平均粒径が２．５μｍ以下、α結晶粒径が２．５μｍ以下の微粒低ソーダアルミナを用いて、前述の如く成形充填密度と焼成嵩密度を大きくすることで、導電性付与剤を含有したことによる強度低下を抑え、曲げ強度２５０ＭＰａ以上、ビッカース硬度１３ＧＰａ以上の高硬度を実現することができる。ＡＬ２Ｏ３の含有量は、導電性付与剤であるＴｉＯ２の含有量によって決まり、後述するようにＴｉＯ２の添加量が、４〜１０重量％となることから、Ａｌ_２Ｏ_３としては、９０〜９６重量％とする。ＴｉＯ２が１０重量％より多いと体積固有抵抗値が１０^５Ω・ｃｍ未満となり、４重量％より少ないと体積固有抵抗値が１０^１１Ω・ｃｍ台となって、静電気除去対策の点で望ましくない。
【００１６】
その為、このアルミナ焼結体により半導体製造装置等で使用される薄肉の搬送アーム、あるいはプリンタなどの画像形成装置において使用される分離爪、磁気ヘッドのラップ加工用修正リング・ＤＬＣコーティング用治具・イオンミリング加工用治具・組立て治具などを形成するならば、短期間で摩耗したり破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。
【００１７】
次に、導電性付与剤であるＴｉＯ_２の含有量としては、４〜１０重量％、好ましくは５〜７重量％とすることで、静電気除去の必要な体積固有抵抗値範囲を有するアルミナ焼結体を提供できる。
【００１８】
上記導電性付与剤の含有量が４重量％未満となると、抵抗値を下げる効果が小さく、逆に、１０重量％より多くなると、抵抗値が「１０^５ Ω・ｃｍ未満」となり、静電気が一気に逃げ易くなるために、大気摩擦による超高電圧の放電が発生する恐れがあるとともに、焼結体の機械的特性（曲げ強度、硬度など）が大きく低下するため、アルミナ本来の機械的特性を発揮できなくなる。 また、原料粉末中や製造工程中において、ＭｎＯ，ＳｉＯ_２ ，Ｎａ，Ｆｅ等が不純物として混入する恐れがあるが、これらは６．０重量％以下の範囲であれば含有していても良い。
【００１９】
一方、このような半導電性アルミナ焼結体を製造するには、平均粒子径が２．５μｍ以下・α結晶粒径も２．５μｍ以下のＡｌ_２Ｏ_３粉末および導電性付与剤として平均粒径が３μｍ以下のＴｉＯ_２ を用いて調合し、ＭｇＣＯ_３もしくはＣａＣＯ_３等の焼結助剤を微量含有させ、これらを湿式で混合を行い化成品バインダーを添加の後、スプレードライヤー等で乾燥造粒して顆粒を製作する。
【００２０】
そして、乾式による原料粉末や湿式による顆粒を型内に充填し、メカプレス成形法やラバープレス成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形するか、あるいは湿式による泥漿を押出成形法や射出成形法、テープ成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形したのち、還元雰囲気中にて最高温度域で２〜４時間程度焼成する。この時、焼成温度が１５００℃未満であると完全に焼結させることができず、１６００℃より高くなるとシンターオーバーとなるために、いずれもアルミナ焼結体の強度や硬度を高めることができない。その為、１５００〜１６００℃の温度で焼成することが重要である。
【００２１】
次に、水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガス雰囲気での還元焼成では、公知の焼成手段によりアルミナの焼成台板上へ成形体を置き、常圧（大気圧）にて１５００〜１６００℃の温度で焼成することが重要である。なお、還元焼成の雰囲気としては、真空、アルゴン（Ａｒ）などでも構わない。
【００２２】
このような条件にて製作すれば、曲げ強度２５０ＭＰａ以上、ビッカース（Ｈｖ）硬度１３ＧＰａ以上を有するとともに、常温にて「１０^５〜１０^１０Ω・ｃｍ」の体積固有抵抗値を有するアルミナ焼結体を得ることができる。
【００２３】
次に、焼結体の製造方法について、実施例を基に説明する。
平均粒子径２〜２．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末に対し、導電性付与剤としてＴｉＯ_２粉末を７重量％添加し、さらにバインダーと溶媒を加えて混練乾燥することにより顆粒を製作した。そして、この顆粒を金型中に充填してメカプレス成形法により１．０ｔｏｎ／ｃｍ２ のプレス圧にて所定の形状に成形し、しかるのち、１５６０℃の還元雰囲気中にて２時間程度焼成を行うことでアルミナ焼結体を得た。
【００２４】
また、上記アルミナ焼結体を曲げ強度測定片「３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ」の角柱状に切削したあと、表面を中心線平均粗さ０．３ａ以下に研削して試料を作製し、この試料をＪＩＳ Ｒ１６０１に基づく３点曲げ試験により曲げ強度を測定したところ、曲げ強度２６１ＭＰａを有していた。 なお、曲げ強度は以下の計算式にて求めた。
Ｐ：最大荷重［Ｋｇｆ］ Ｌ：支持ロール中心間距離［ｃｍ］
ｗ：試験片の幅［ｃｍ］ ｔ：試験片の厚さ［ｃｍ］ Ｓ：曲げ強度［Ｋｇｆ／ｃｍ^２］
Ｓ ＝ ３×Ｐ×Ｌ／２×ｗ×（ｔ）^２
【００２５】
また、上記と同じ原料にて別の試料を用意し、曲げ強度とビッカース硬度（Ｈｖ）を測定したところ、曲げ強度で２６１Ｍｐａ、ビッカース硬度（Ｈｖ）で１４．５ＧＰａを有しており、さらに別の試料にて体積固有抵抗値を測定したところ、２．０×１０^７ Ω・ｃｍであった。
【００２６】
そこで、静電気の除去具合を見るために、「５０．８ｍｍ×５０．８ｍｍ×５ｍｍ」の角状板をしたアルミナ焼結体を用意し、一方端に１０００Ｖの電圧を印加し、他方端における電圧値が１００Ｖとなるまでの降下時間を測定したところ、０．１〜２０秒の時間を要し、大気摩擦による放電を生じることなく適度な速度で静電気を逃がすことができ良好であった。
【００２７】
上記実施形態におけるアルミナ焼結体において、導電性付与剤であるＴｉＯ_２の含有量を変化させた時の機械的特性（曲げ強度、、ビッカース硬度）と、電気的特性（体積抵抗値）について測定した。なお、機械的特性及び電気的特性については前記実施形態と同様の方法にて測定した。
【００２８】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００２９】
【表１】

【００３０】
この結果、ＴｉＯ_２ の含有量が３重量％以下である試料は、アルミナの持つ優れた機械的特性を有していたものの、体積固有抵抗値が１０^１１Ω・ｃｍ以上と絶縁性が高いために、静電気の除去効果が得られなかった。
【００３１】
また、ＴｉＯ_２の含有量が１１重量％の試料では、機械的特性の低下が見られたものの、曲げ強度２４２ＭＰａ、ビッカース硬度（Ｈｖ）１３．２ＧＰａを有していた。しかしながら、ＴｉＯ_２ の含有量が多すぎるために、体積固有抵抗値が１０^４Ω・ｃｍ台にまで低下した結果、静電気が一気に逃げてしまうといった問題があった。
【００３２】
これに対し、ＴｉＯ_２の含有量が４〜１０重量％の範囲にある試料は、いずれも曲げ強度２５０ＭＰａ以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）１３ＧＰａ以上と優れた機械的特性を有していた。
【００３３】
しかも、表面及び固有体積抵抗値を「１０^５ 〜１０^１０Ω・ｃｍ」とすることができるため、静電気を適度な速度で逃がすことができ、優れた静電気除去効果も有していた。
【００３４】
この結果、導電性付与剤であるＴｉＯ_２を４〜１０重量％の範囲で含有量すれば、アルミナの持つ機械的特性を大きく低下させることなく、優れた静電気除去効果を有する半導電性アルミナ焼結体が得られることが判る。
【００３５】
尚、何れの試料も黒色系の色を呈していた。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導電性アルミナ焼結体は、導電性付与剤として、ＴｉＯ_２を４〜１０重量％とからなり、その体積固有抵抗値を「１０^５〜１０^１０Ω・ｃｍ」としたことから、不純物として悪影響を及ぼす添加金属を含まず、アルミナの持つ機械的特性を大きく低下させることなく、静電気を適度な速度で逃がすことができる。その為、この半導電性アルミナ焼結体により、半導体製造装置で使用される搬送アーム、あるいはプリンタなどの画像形成装置において使用される分離爪、磁気ヘッドのラップ加工用修正リングやＤＬＣコーティング用治具・イオンミリング加工用治具・組立て治具など、静電気による悪影響を受けることがなく、また、短期間で摩耗したり、破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。

Claims (2)

1. Ａｌ_２Ｏ_３ を９０〜９６重量％と、導電性付与剤として、ＴｉＯ_２を４〜１０重量％含有とを少なくとも含有し、体積固有抵抗値が１０^５〜１０^１０ Ω・ｃｍであることを特徴とするアルミナ焼結体。
2. Ａｌ_２Ｏ_３ を９０〜９６重量％と、導電性付与剤として、ＴｉＯ_２を４〜１０重量％とを有する原料を用いて成形する工程と、成形後の成形体を還元焼成する工程とを有し、前記還元焼成後の焼結体の体積固有抵抗値が１０^５〜１０^１０ Ω・ｃｍであることを特徴とするアルミナ焼結体の製造方法。