JP2005035154A

JP2005035154A - Ｙａｇの鋳込み成型方法

Info

Publication number: JP2005035154A
Application number: JP2003273929A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Isomura; 敬一郎磯村; Takayuki Ikeda; 隆之池田; Masataka Murata; 征隆村田
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】本発明は、成形型からの物質移動がなく、また、大型設備や、特別な高価な型を必要とせず、経済的なニアネット成形を実現できる方法を提供するものである。
【解決手段】第１の本発明は、平均粒径２μｍ以下で、かつ、純度９９％以上のＹＡＧ原料を含有するスラリーを、浸透Ｖプロセスを用いて成形することを特徴とするＹＡＧの鋳込み成型方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐プラズマ部材として用いられるＹＡＧの鋳込み成型方法に関する。

ＹＡＧ部材はその優れた耐プラズマ性から半導体装置用部材への適用が期待されている。従来、ＹＡＧ部材は、乾式プレス成形方法で成形され、脱脂後焼成されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ＹＡＧの原料価格は極めて高価な上に、乾式プレス成形では原料効率が極めて低く、製品化にとって大きな支障となる。そこで、原料効率の優れた方法として、ニアネット成形が期待されている。この方法は、成形の段階で、最終形状に近い形状に成形し、後工程における加工を最小限に抑えることによって、原料効率を向上させようとするものである。

従来の、ニアネット成形には、射出成形と鋳込み成形が知られているが、前者は形状の制約（大きさ＆厚み）が大きいうえに、型費用および設備費用が高価で、大量生産を前提とする製品以外に適用することは、製品価格において現実的でない。

一方、鋳込み成形は、安価な型費用および設備費用でかつ形状自由度が高く、少量多品種から量産品まで対応可能である。鋳込み成形は通常、原料と水などの溶媒からなる泥しょう（スラリー）をセッコウ型に流し込むことによって行われている。しかしながらセッコウ型ではセッコウ型から成形体へのＣａ成分の移動が生じてしまうため、成形体表面にＣａが存在することになり、Ｃａ成分を除去するために成形体表面を研削する必要があり、原料効率を下げてしまうという欠点がある。また、表面に付着しているＣａを除去するための研削の厚みもばらつき、Ｃａ除去の確認が困難である。
また、特に半導体製造装置に適用する部材においては、金属不純物の存在が、半導体にとって極めて重大な欠陥を引き起こすため、焼結体中に金属不純物の残留が生じるような製造プロセスは、不適切である。
特開平１０−２３６８７１号公報

本発明は、ＹＡＧ部材の成型方法における以上の問題点を解決するためになされたもので、成形型からの物質移動がないため、成形体ないし焼結体の汚染を引き起こすことなく、また、大型設備や、特別な高価な型を必要とせず、経済的なニアネット成形を実現できる方法を提供するものである。

第１の本発明は、平均粒径２μｍ以下で、かつ、純度９９％以上のＹＡＧ原料を含有するスラリーを、浸透Ｖプロセスを用いて成形することを特徴とするＹＡＧの鋳込み成型方法である。

前記第１の本発明においては、前記スラリーが、ＹＡＧ原料粒子、分散剤、バインダ及び水を含むものであることが好ましい。

第２の本発明は、平均粒径２μｍ以下で、かつ、純度９９％以上のＹＡＧ原料を含有するスラリーを作製する工程と、
前記スラリーの分散媒が浸透可能な遮蔽シートを、所望の成形体の形状を有する原型枠表面に減圧により添着する工程と、
該遮蔽シート表面に、粒子状充填材を配置し、該充填材を気密部材で被覆し、その内部を減圧して該充填材を圧縮固化し、該充填材に前記原型枠表面形状を転写して、複数の型を形成する工程と、
上記工程によって得られた複数の型を組み合わせて前記成形体の形状に近似するキャビティを形成する工程と、
前記キャビティ内部に前記スラリーを注入する工程と、
前記スラリーを前記型内において乾燥させる工程を備えたことを特徴とするＹＡＧの鋳込み成型方法である。

本発明によれば、成形型から成形体への物質移動がないため、成形体ないし焼結体の汚染を引き起こすことなく、また、大型設備や、特別な型を必要とせず、経済的なニアネット成形を実現できる方法を提供するものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明は、ＹＡＧ原料を含むスラリーを作製し、これをいわゆる浸透Ｖプロセスと呼ばれている鋳込み成形によってセラミックス成形体を作製し、焼成してＹＡＧ焼結体を製造するものである。以下、順次、スラリー原料、製造方法について説明する。

［スラリー原料］
本発明においては、前記ＹＡＧ材料を鋳込み成形する際に、原料成分を水性のスラリーとする。このスラリーは、ＹＡＧ原料粉末を、水性分散媒中に分散させるが、その際に、バインダ及びスラリーを安定させるための分散剤などを添加して用いることができる。

（ＹＡＧ材料）
本発明で用いているＹＡＧは、酸化イットリウムと酸化アルミニウムの複合酸化物焼結体であり、３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３の構造を有するものであるが、本発明においては、この化合物に、不可避的に微量の元素が含有されているものであっても差し支えない。また、ＹＡＧとして、本発明の趣旨を損なわない限り、上記組成にとらわれず、類似の物質にも本発明を適用することができる。

また、ＹＡＧ原料粉末の平均粒径は、２μｍ以下であることが望ましい。ＹＡＧ原料の平均粒径が、２μｍを超えると、製造される焼結体が緻密化されず、耐プラズマ性および曲げ強度が低下し、好ましくない。

ＹＡＧ原料粉末は、９９％以上の純度が好ましい。９９％を下回ると半導体装置用部材に使用すると不純物成分が半導体ウェハ表面に異物として付着したり、半導体ウェハに金属などの不純物汚染を引き起こしたりしてしまい、好ましくない。

本発明で用いるスラリーを構成するＹＡＧ原料は、ＹＡＧの微粉末であってもよいし、Ｙ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３の混合粉末であって、焼成工程において反応してＹＡＧを生成するようにしてもよい。

このＹＡＧ原料粉末の配合比は、スラリーに対して６５〜８５重量％の範囲が好ましい。ＹＡＧ配合比が、上記範囲を下回った場合、鋳込み成形した成形体の密度が低下し、焼結体の強度低下につながる。一方、配合比が上記範囲を上回った場合、スラリーが不安定となり、沈降を起こしやすく、均一な組成の成形体を得ることが困難となる。

（バインダ）
バインダは、スラリーを用いて成形した成形体を焼成する間、その形状を維持するためのものであり、セラミックス成形体の焼成後、半導体素子にとって不純物となる金属元素などの成分を残留しないものが好ましい。具体的には、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂などを用いることができる。このバインダは、スラリー中のセラミックス原料粉末に対して、０．５〜６重量％の範囲で用いることが好ましい。バインダ量が上記範囲を下回った場合、鋳込み成形によって得られるセラミックス成形体の強度が低下し、その後の工程における取り扱いが困難になる。一方、バインダ量が上記範囲を上回った場合、得られる焼結体の密度が低下し、焼結体の強度が低下する。

（分散剤）
分散剤としては、ポリカルボン酸、ポリアクリル酸、スルホン酸などが使用できる。これらは、スラリー中のセラミックス原料粉末に対して０．５〜２．０重量％の範囲で用いることができる。分散剤の配合量が上記範囲を下回った場合、スラリーが不安定になり、セラミックス原料粉末が沈降して均一な成形体を得ることができなくなる。一方、分散剤の配合量が上記範囲を上回った場合、得られる焼結体の密度が低下し、強度が不充分で実用的ではない。

（その他の添加剤）
その他、セラミック粉末を含有するスラリーを作成するために用いられている添加剤は、本発明においても採用することができる。これらの添加剤としては、焼結助剤、レオロジー改良剤、潤滑剤、消泡剤、可塑化剤などが挙げられる。これらの添加剤の添加量は、セラミック原料粉末に対して、５重量％以下の量が好ましい。

［製造方法］
本実施の形態の焼結体の製造方法は、まず、ＹＡＧ原料粉末を含有するスラリーを形成する工程、このスラリーを型に鋳込み成形する鋳込み工程、および得られる成形体を焼成して焼結体を作成する工程を備えている。以下順次この工程に従って本実施の形態の製造方法を説明する。

（スラリー作成工程）
本実施の形態のスラリーの作成は以下の通り行うことができる。すなわち、先ず水に、分散剤を添加しボールミル等の攪拌混合手段を用いて混合し、これにＹＡＧ原料粉末を加えて攪拌機で混合した後、さらにバインダを添加し攪拌混合して、ＹＡＧ原料が分散した流し込み用スラリーを作る。得られたスラリーは、その後、脱泡処理することが、鋳込み成形した成形体中に気泡が混在することを防止するために好ましい。脱泡処理は、スラリーを減圧化に静置し、スラリー中に存在する気体を除去することによって行うことができる。

この工程で得られるスラリーの粘度は、１０〜２０００ｃｐｓの範囲が好ましい。スラリー粘度が上記範囲を下回ることは、スラリー中の固形分濃度が低いことであり、成形体の密度が低下し、焼結体の強度が不充分となる。一方、スラリー粘度が、上記範囲を上回った場合、鋳込み成形が困難となる。

本発明における鋳込み成形用スラリーは、成形することができれば、特にスラリー濃度、分散剤、バインダ種、混合条件を限定するものではない。

（鋳込み成形工程）
本実施の形態の鋳込み成型方法は、いわゆる浸透Ｖプロセスを採用するものであるが、以下、そのプロセスを、浸透Ｖプロセスの工程を説明するための工程図である図１を用いて説明する。

まず、所望の形状の原型となる原型枠１０を準備する（図１（ａ））。この原型枠１０は、内部が中空１０ｂとなっている中空枠体部１０ａと、模型部１０ｃとからなっており、この模型部１０ｃは、所望の形状を有する成形体を模したもので、成形体を上型と下型とで成形するように、成形体を２分割、もしくはそれ以上の分割数に分割した形状を有している。また、中空枠体部１０ａは、その内部を図示しない減圧装置によって減圧し、模型部１０ｃを負圧に維持できるように、中空枠体部１０ａ及び模型部１０ｃの所要箇所には、通気孔１０ｄが形成されている。

次に、この原型枠１０の模型部１０ｃ上に、遮蔽シート１１を配置し、中空枠体部１０ａを、図示しない減圧装置によって減圧（Ｐ１）することにより、遮蔽シート１１を模型部１０ｃ上に添着する（図１（ｂ））。

次に、遮蔽シート１１の端部に、造形枠体１２を配置し、遮蔽シート１１と造形枠体１２とで形成される空間に、粒子状充填材１３を充填する。そして、粒子状充填材１３表面に被覆シート１４でカバーし、造形枠体１２の側面から図示しない減圧装置を用いて減圧（Ｐ２）し、粒子状充填材１３を圧縮固化し、模型部１０ｃの形状を模写する（図１（ｃ））。

次に、原型枠１０ａの減圧（Ｐ１）を解除し、遮蔽シート１１と造形枠体１２及び被覆シート１４によって形成されている空間内に配置されている模型部１０ｃの外観形状を模写している充填材１３から、原型枠１０を離間させて、所望の形状を有する成形体の上型１５及び下型１６を作製する。こうして形成された上型１５と下型１６を結合し、所望の成形体の形状を備えたキャビティ１７を形成している（図１（ｄ））。このキャビティ１７には、スラリー通路１８を介して、スラリー貯蔵層１９に結合されている。このスラリー貯蔵槽に貯蔵されているスラリーが、スラリー通路１８を経由して、キャビティ１７内に注入され、キャビティ１７内でスラリーが固化するまで、静置され、成形体１９が形成される。

次に、充填材１３が充填されている空間の減圧（Ｐ２）を解除し、スラリーが固化成形された成形体１９の周囲から、造形枠体１２及び被覆シート１４を取り外して、充填材１３を除去し、固化した成形体１９と、その表面に接着している遮蔽シート１１からなる固化体を取り出す（図１（ｅ））。

上記工程において、遮蔽シート１１は、スラリーの分散媒が浸透可能な材料で作成されており、模型部１０ｃの形状に忠実に添着するように、可撓性と伸展性を有する材料が好ましい。具体的には、ポリビニルアルコールフィルムのような、親水性の樹脂フィルムを用いることができる。
また、充填材材料としては、平均粒径範囲１〜１０μｍの無機質の粒子を用いることができるが、スラリーの分散媒である水分の透過を抑止しないために、撥水性表面を有していない無機質粒子を用いることが好ましい。

（焼成工程）
次いで、上記鋳込み成形工程で得られたスラリーが固化した成形体２０と、その表面に密着している遮蔽シート１１とからなる固化体を、脱脂した後、焼成する。前記遮蔽シートは、脱脂工程において焼失し、残存することはない。
本実施の形態において、ＹＡＧの焼成温度は１７１０〜１８５０℃の範囲が好ましい。１７００℃以下では焼結体の密度が、４．９未満のものしか得られず、不十分である。一方、１８５０℃を超えると、焼成炉材をより耐熱性の優れたものにする必要があるが、それに見合った特性改善を期待できず経済的でない。

焼成時間は、０．５〜８時間の間で選択することができる。焼成時間が上記範囲を下回った場合、強度が不充分となる。一方、焼成時間がこれより長いと、経済的に不都合である。一般的に、低温で焼成する場合には、長時間の焼成が必要である。

ＹＡＧの焼成は、不活性ガス雰囲気で焼成すればよいが、経済性を考慮すれば純水素雰囲気が最も好ましい。本発明において水素ガス雰囲気中で焼成することにより、焼成炉材としてＭｏ台板やタングステンヒータを用いることができ、１７００℃以上での焼成が可能となる。

焼成は用途に応じて緻密化を制御すればよいが、部材として健全な強度を発現するためには１７００℃以上が必要で、好ましくは１７６０℃以上である。
焼成雰囲気も大気に限定するものでない。

［焼結体］
上記本実施の形態において記載した方法によれば、かさ密度が、４．５ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ焼結体中のＹＡＧの平均結晶粒径が、３０〜６００μｍであるＹＡＧ焼結体を得ることができる。また、所望の成形体寸法との差は、０．５〜２％程度であり、ニアネット成形として十分満足できる範囲である。さらに、その表面にＣａなどの不要成分が付着、ないし、含有されることもなく、焼結体表面の不純物成分除去工程は不要である。

（実施例１）
純度９９．９％、平均粒径１μｍのＹＡＧ原料１００重量部に対して、純水２６重量部、分散剤としてポリカルボン酸を０．５重量部混合、ボールミル５時間で粘度１００ｃｐｓのスラリーを得た。このスラリーにバインダとしてアクリルポリマー３重量部添加し、浸透Ｖプロセスにより１００×ｌ００×ｌ０ｔの成形体を作成し、該成形体を大気中１７５０℃で焼成した。
焼結体密度は４．５２ｇ／ｃｍ^３であった。該焼結体の純度分析を行った結果、Ｃａは５ｐｐｍ未満であった。

（実施例２〜５）
純度９９．９％、平均粒径０．６、１．０、１．５、２．０μｍのＹＡＧ原料１００重量部に対して純水２０重量部、分散剤としてポリアクリル酸を、０．８重量部加えて１０時間ボールミル混合した後に、真空脱泡し、浸透Ｖプロセスにより外径φ５００ｍｍ、内径φ４００ｍｍ、厚み１５ｍｍのリング形状を成形した。いずれも成形でき、該成形体を大気中１７８０℃で焼成した。
焼結体密度はいずれも４．５４ｇ／ｃｍ^３であった。

図１は、本発明の鋳込み成形のプロセスを説明するための工程図である。

符号の説明

１０…原型枠
１０ａ…中空枠体部
１０ｂ…中空
１０ｃ…模型部
１０ｄ…通気孔
１１…遮蔽シート
１２…造形枠体
１３…粒子状充填材
１４…被覆シート
１５…上型
１６…下型
１７…キャビティ
１８…スラリー通路
１９…スラリー貯蔵層
２０…成形体

Claims

平均粒径２μｍ以下で、かつ、純度９９％以上のＹＡＧ原料を含有するスラリーを、浸透Ｖプロセスを用いて成形することを特徴とするＹＡＧの鋳込み成型方法。
前記スラリーが、ＹＡＧ原料粒子、分散剤、バインダ及び水を含むものであることを特徴とする請求項１記載のＹＡＧの鋳込み成型方法。
平均粒径２μｍ以下で、かつ、純度９９％以上のＹＡＧ原料を含有するスラリーを作製する工程と、
前記スラリーの分散媒が浸透可能な遮蔽シートを、所望の成形体の形状を有する原型枠表面に減圧により添着する工程と、
該遮蔽シート表面に、粒子状充填材を配置し、該充填材を気密部材で被覆し、その内部を減圧して該充填材を圧縮固化し、該充填材に前記原型枠表面形状を転写して、複数の型を形成する工程と、
上記工程によって得られた複数の型を組み合わせて前記成形体の形状に近似するキャビティを形成する工程と、
前記キャビティ内部に前記スラリーを注入する工程と、
前記スラリーを前記型内において乾燥させる工程を備えたことを特徴とするＹＡＧの鋳込み成型方法。