JP2008201670A - 非酸化物セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスの負担が少なく、一定品質の焼結体を提供できる脱脂工程と焼結工程が可能な焼成炉、およびその焼成炉を用いた製造方法を提供する。
【解決手段】密閉可能なチャンバと、チャンバ内に設けられ、ヒータを備えた加熱室と、チャンバに接続される第１の排気管と、それに接続される第１の真空ポンプと、加熱室に直接接続される第２の排気管と、それに接続される、排ガス中のバインダ成分を捕集する捕集装置と第２の真空ポンプとを有する焼成炉である。また、この焼成炉を用いて、脱脂工程と焼結工程とを連続に行う非酸化物セラミックス焼結体の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス等の焼結用焼成炉に関し、特に、脱脂工程と焼結工程の両工程を実施できる焼成炉、およびこの焼結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。

一般に、非酸化物セラミックス焼結体を作製する場合は、セラミックスの原料粉や焼結助剤とバインダとを混合し、種々の成形方法を用いて成形体を作製した後、成形体を脱脂用焼成炉に入れ、大気中で加熱して脱脂処理を行う。この後、バインダが除去された脱脂処理後の成形体を焼結用焼成炉に移し、そこで、不活性ガス中あるいは真空中で成形体を高温に焼成し、焼結体を得ている。このように、従来、焼成雰囲気および焼成温度の異なる脱脂工程と焼結工程は、それぞれ別々の焼成炉を用いて行われていた。

したがって、脱脂用焼成炉と、焼結用焼成炉の二つの設備が必要であるため、設備コストに負担がかかるとともに、各焼成炉への材料の搬入、搬出作業や、昇温、降温の温度管理に要する時間が製造コストの負担となっていた。

一方、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）用の焼成炉においては、このような設備コストの低減、および工程の短縮化を目的に、脱脂工程と焼結工程とを一つの炉で行える真空脱脂焼成炉が提案されており（特許文献１）、非酸化物セラミックス用の焼成炉においても、同様な目的で、脱脂工程と焼結工程とを一つの炉で行える焼成炉の使用が望まれている。

特公平６−４１６１０号公報。図１ 特開平９−４８６６８号公報。

例えば、半導体製造装置において基板の固定手段として使用されている静電チャックでは、窒化珪素、窒化アルミニウム等の非酸化物セラミックス焼結体が基材として使用されている。静電チャックの基板吸着特性には、セラミックス基材の体積抵抗率が大きく寄与し、この体積抵抗率には、セラミックス基材中の不純物の種類およびその含有量が影響するため、不純物含有量を高精度に調整することが必要である。したがって、焼結体中にバインダ成分が混入したり、これらの不純物濃度が場所により不均一であると、製品性能が阻害される。

また、半導体製造装置において基板の加熱手段として使用されているセラミックスヒータでも、窒化珪素、窒化アルミニウム等の非酸化物セラミックスがセラミックス基材として使用されているが、輻射熱量を増大させるため、あるいは顧客の嗜好にあった外形的美観を具える目的で、黒色化セラミックス基材を使用することが提案されている（特許文献２）。この特許文献２には、黒色化の方法として、窒化アルミニウム焼結体に５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍのカーボンを含有させる方法が開示されている。

このように、非酸化物セラミックス焼結体の製造方法では、設備コストの低減、および工程の短縮化を目的に脱脂工程と焼結工程とを連続して実施できる焼成炉を使用することが望まれる一方で、その用途に応じて非酸化物セラミックス焼結体中の不純物含有量を高精度に調整できる焼成炉を使用する必要がある。

しかしながら、特許文献１に開示されているような真空脱脂焼成炉の構成では、バインダ成分が排気管に付着しやすい。また、バインダ成分を含むガスを排気する配管と焼成炉内を真空排気する排気管が共通であるため、排気管に付着したバインダ成分が増加すると、これらの付着物からのガスの影響が無視できず、焼成炉内を所望の真空度が得られにくくなるため、配管のオーバホールが高い頻度で必要となる。さらに、焼成雰囲気中にバインダ成分が混入しやすいため、焼成条件が安定せず、上述するような不純物含有量の高精度な調整が困難であるとともに、所定の不純物含有量の焼結体を再現よく製造することも困難である。

本発明の目的は、焼結体中のカーボン含有量を、再現よく調整できる非酸化物セラミックス焼結体の製造方法を提供することである。

本発明に係る非酸化物セラミックス焼結体の製造方法は、密閉可能なチャンバと、チャンバ内に設けられ、ヒータを備えた加熱室と、チャンバ又は加熱室に接続される第１の排気管と、第１の排気管に接続される第１の真空ポンプと、加熱室に直接接続される第２の排気管と、第２の排気管に接続され、排ガス中のバインダ成分を捕集する捕集装置と、捕集装置を介して第２の排気管に接続される第２の真空ポンプと、チャンバ又は加熱室に接続され、チャンバ内に不活性ガスを供給するガス供給管と、チャンバ内の圧力をモニターする圧力計と、チャンバ内の圧力に応じて、チャンバ内への不活性ガスの供給量を調整するガス流量制御装置と、加熱室と捕集装置との間の第２の排気管を加熱する加熱手段と、捕集装置と第２の真空ポンプとを介して第２の排気管に接続され、排ガス中の有機成分を燃焼する燃焼装置と、加熱室内に載置される被焼結材を一軸方向に加圧する加圧機構とを有する焼成炉のチャンバ内にバインダを含む非酸化物セラミックス成形体を導入し、チャンバ内を減圧する、減圧工程と、チャンバ内に不活性ガスを導入し、不活性ガス雰囲気の減圧条件下で、非酸化物セラミックス成形体をバインダの熱分解に必要な温度に加熱する、脱脂工程と、不活性ガス雰囲気の減圧条件下で、脱脂後の非酸化物セラミックス成形体を焼結に必要な焼成温度にまで加熱する、昇温工程と、不活性ガス雰囲気の大気圧より高い加圧条件下で、非酸化物セラミックスを焼成温度で焼成する、焼結工程とを有する。

以上に説明するように、本発明に係る非酸化物セラミックス焼結体の製造方法によれば、脱脂工程と焼結工程と連続に行うことができるため製造コストを大幅に低減することができるとともに、清浄な焼成雰囲気を再現できるためバインダの残留成分であるカーボン量を精度良く調整でき、安定した品質の焼結体を再現よく製造できる。

本実施の形態に係る焼成炉は、脱脂工程と焼結工程とを連続に実施できる焼成炉であり、バインダ成分を含む排ガス用の排気管と真空排気用の排気管を備えた焼成炉である。以下、図１を参照し、本実施の形態に係る焼成炉の構成について説明する。なお、ここではホットプレス焼結用焼成炉の例を挙げて説明するが、焼成炉の種類に限定はなく、加圧機構のない常圧焼結用焼成炉であってもよい。

図１に示すように、本実施の形態に係る焼成炉は、密閉可能なチャンバ１０とこのチャンバ１０内に設置された加熱室１２とを有する。加熱室１２は、カーボンコンポジット板で被覆された炭素繊維マット等の断熱材で囲まれており、その内側に例えば２０００℃以上の加熱が可能なグラファイト等のヒータ１４が配置されている。なお、加熱室１２は完全な密閉状態ではなく、雰囲気圧力はチャンバ１０と等しい値を示す。チャンバ１０の外壁には冷却水配管が設けられており、冷却水の循環により冷却されている。

チャンバ１０外部に設置された架台１６には、上下一軸方向の加圧が可能な加圧機構１８が固定されており、加熱室１２の中央には、この加圧機構に接続された上ラム１８ａと下ラム１８ｂが配置されている。未焼結材であるバインダを含むセラミックス成形体は、モールド４０内にセットされ、下ラム１８ｂの台座に載置される。

チャンバ１０には、真空排気用の真空排気管（第１の排気管）２０が接続されており、さらに、この真空排気管２０には、メカニカルブースターポンプ２２、ロータリーポンプ２４等の一以上の排気ポンプに接続されている。加熱室１２を含むチャンバ１０内は、ロータリーポンプ２４およびさらにそれよりも高真空用のポンプであるメカニカルブースターポンプ２２により、高真空雰囲気にすることができる。なお、使用する排気用ポンプの種類および数には特に限定がなく、ロータリーポンプのみを使用することも可能である。また、メカニカルブースターポンプ２２の代わりに拡散ポンプ等を使用することもできる。なお、真空排気管２０は、チャンバ１０ではなく加熱室１２に接続されていてもよい。

一方、チャンバ１０には、チャンバ内の圧力をモニターする圧力センサー５４が設置されている。また、チャンバ１０には、不活性ガス導入管が接続されており、例えば窒素（Ｎ2）ガス等の不活性ガスがマスフローコントローラ５０を介してチャンバ内に導入される。

チャンバ内への不活性ガスの導入は、チャンバ縦方向における中央から下部の位置に、複数の不活性ガス導入管を円周方向に均等に配置し、各導入管より等量の不活性ガスを導入することが好ましい。こうすることにより、成形体からの脱バインダを均一にむら無くできる。なお、不活性ガス導入管は、チャンバ１０でなく加熱室１２に接続してもよい。この場合も、脱バインダを均一にむら無く行うためには、加熱室下方の円周方向に均等に複数の不活性ガス導入管を配設することが好ましい。

マスフローコントローラの流量値は、自動制御回路を備えた調節計５２によって、圧力センサー５４でのモニター値に応じ、チャンバ１０内の圧力が一定になるよう調整される。

さらに、チャンバ１０にはＣＯ濃度計５６が設置されている。このＣＯ濃度計５６によれば、チャンバ内のＣＯ濃度をモニターできるため、特に脱脂工程における脱バインダ処理に伴うＣＯ濃度の変化をモニターできる。したがって、所望の脱バインダ状態を得るための脱バインダ処理時間を正確に調整することが可能になる。なお、上記ＣＯ濃度のモニターのためには、数％以下のＣＯ濃度測定が可能なＣＯ濃度計５６を使用することが好ましい。

本実施の形態に係る焼成炉は、さらに、上述する真空排気管２０とは別に、加熱室１２内に直結された、バインダ成分を含む排ガスの専用排気管である、脱脂用排気管３０（第２の排気管）を有している。脱脂用排気管３０は、バインダ成分を捕集するコールドトラップ３２に接続されており、さらに、その下流でロータリーポンプ２４に接続されている。真空排気管２０と脱脂用排気管３０には、それぞれ電磁開閉弁２１と３３が備えられており、脱脂工程では、電磁開閉弁２１を閉じ、電磁開閉弁３３を開け、脱脂用排気管３０を介して排気し、それ以外の工程では、電磁開閉弁２１を開け、電磁開閉弁３３を閉じ、真空排気管２０を介して排気される。

また、加熱室１２からコールドトラップ３２に至る脱脂用排気管３０部分については、周囲にバンドヒータ３１等の加熱手段を付設し、配管内を高温に維持し、バインダ成分の凝結を防止している。

コールドトラップ３２内では、チラー３４で冷却された液が循環し、コールドトラップ３２内を通過する排ガスを冷却し、排ガス中に含まれるバインダ成分を液化し、捕集する。

コールドトラップ３２は、排気管３０ａでロータリーポンプ２４に接続されている。なお、コールドトラップ３２により、排ガス中の大部分のバインダ成分は捕集されるため、バインダ成分の混入によるロータリーポンプ２４のオイルの汚染はほとんど生じない。

ロータリーポンプ２４の排気管は、ロータリーポンプ２４から排出されるオイルミストを捕集するオイルミストトラップ３６を介して、排ガス燃焼装置３８に接続されている。コールドトラップ３２で捕集できず、排ガス中に微量に残ったバインダ成分は、この排ガス燃焼装置３８により外部から供給される大気との反応で燃焼される。こうして、排ガスは有機臭を完全に取り除いた後、外部に排気される。

なお、脱脂用排気管３０を含む脱脂用排気系統と真空排気管２０を含む真空用排気系統を完全に独立にし、それぞれに別のロータリーポンプを備えることも可能であるが、図１に示すように、ロータリーポンプ２４およびその下流の排気系統を共通にすることも可能であり、設備コストを低減する上でも好ましい。

以上に説明する本実施の形態に係る焼成炉によれば、脱脂工程中は、加熱室１２に直結された脱脂用排気管３０を用いて排気を行うため、真空排気管２０やメカニカルブースター２２等の真空用ポンプがバインダ成分で汚染されるのを防ぐことができる。

また、脱脂用排気管３０を介して排気されるバインダ成分を含む排ガスは、コールドトラップ３２でバインダ成分を捕集した後にロータリーポンプ２４を通過するので、ロータリーポンプのオイルの汚染も防止できる。さらに、加熱室１２からコールドトラップ３２に至る脱脂用排気管３０を加熱しているため、脱脂用排気管３０へのバインダ成分の付着を防止することができる。従って、このような本実施の形態に係る焼成炉によれば、バインダ成分による配管やポンプの汚染が少なく、オーバホールの頻度を大幅に低減できるため、メンテナンスコストを抑制することができる。

一方、真空排気管２０やチャンバ１０内壁へのバインダ成分の付着がほとんど生じないため、バインダ成分による焼成雰囲気の汚染がなく、一定の品質の焼成体を再現よく製造することが可能になる。

なお、脱脂用排気管３０は、バインダの滞留を防止する目的で傾斜を設けると更に良い。また、脱脂用排気管３０の加熱室１２への接続箇所は加熱室１２を縦方向に見て中心部、円周方向に見て２個所以上で等配に接続した方が更に好ましい。このような構成とすることにより、成形体からの脱バインダ処理をむらなく均一に進行できるため、焼結体の色むら対策として有効である。

また、図示しないが、さらに、上記真空排気管２０と別に、チャンバ１０とメカニカルブースター２２との間に補助真空排気管を設けても良い。例えばこの補助真空排気管の配管径を、真空排気管２０よりも細くすることにより、排気速度を低減できるので、被加熱物が粉末状の場合には、補助真空排気管でゆっくりと排気することにより、急激な排気による粉末の飛散を防止できる。

次に、上述した本実施の形態に係る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ついて説明する。なお、ここでは、窒化アルミニウムを例にとり、まず、バインダ成分を微量残留させた、黒色窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。

窒化アルミニウム粉体、焼結助剤であるイットリア及びバインダを混合し、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、バインダを含む成形体を作製する。成形体の形状は限定されないが、例えば径２００mm〜３５０mm、厚み約１０mmの円盤状の成形体を作製する。また、バインダの種類は、限定されないが、例えば、ポリメタクリル酸アルキル等のアクリル系のバインダを使用する。

次に、バインダを含んだ窒化アルミニウム成形体をモールド４０にセットし、これを図１に示す加熱室１２内の下ラム１８ｂの台座に載置する。モールドには図示しない上パンチ、下パンチ、スリーブ、スペーサーなどが付帯されており成形体を複数枚セット可能になっている。成形体の脱バインダを効率よく均一に行うため、上パンチ、下パンチに側面にガス溝を設けたり、成形体とスリーブの界面にＣクロスなどのカーボンの多孔体を用いたりしてもよい。

チャンバ１０を密閉し、真空排気用排気系統を用いてチャンバ１０内を減圧にする。即ち、脱脂用排気管３０にある電磁開閉弁３３を閉じ、真空排気管２０の電磁開閉弁２１を開いて、まず、ロータリーポンプ２４を使用して、チャンバ１０内を予備排気する。排気状態が安定したら、メカニカルブースターポンプ２２による排気を開始し、メカニカルブースターポンプ２２とロータリーポンプ２４の２台のポンプによりチャンバ１０内を排気する。こうして、チャンバ１０および加熱室１２内を約０．０６Ｔｏｒｒ（８Ｐａ）程度まで減圧する。この減圧操作により、チャンバ１０および加熱室１２に付着した水分や酸素がガス化し、排気されるとともに、成形体中に残る水分等も一部蒸発し、排気される。

次に、窒素ガスをマスフローコントローラ５０を介してチャンバ１０内に供給し、チャンバ１０内圧力を約１５Ｔｏｒｒ（２×１０³Ｐａ）に調整する。このチャンバ１０内圧力の調整は、圧力センサー５４でチャンバ内圧力をモニターし、この値に基づいて、制御機能を有する調節計５２で、マスフローコントローラ５０の窒素流量設定値をコントロールする。チャンバ１０内の圧力が約１５Ｔｏｒｒ（２×１０³Ｐａ）程度に安定したら、脱脂工程を開始する。

脱脂工程では、成形体中のバインダの分解温度に応じ、加熱室１２内の成形体を５００℃〜６００℃に昇温し、チャンバ１０内を約１５Ｔｏｒｒ（２×１０³Ｐａ）の窒素雰囲気に維持した状態で脱バインダ処理を行う。この間に分解しガス化したバインダの分解生成物（バインダ成分）は、加熱室１２に直結されている脱脂用排気管３０を介してロータリーポンプ２４により排気される。排気されたバインダ成分はコールドトラップ３２で大部分が液化され、捕集される。

図２は、バインダ成分の蒸気圧曲線のデータ例を示すグラフである。例えば、バインダとしてポリメタクリル酸アルキルを使用した場合、熱分解により、ｎ−ブチルメタクリレート、ｉ−ブチルメタクリレート等のバインダ成分ガスが発生する。これらのバインダ成分が、脱脂用排気管３０内で凝結せず、しかもコールドトラップ３２で効率良く捕集するためには、図２に示す各成分の蒸気圧曲線を参考に、コールドトラップ３２の温度および脱脂用排気管３０の加熱温度を決定する。例えば、図２のグラフを参考にすれば、脱脂用排気管２０内の圧力が１５Ｔｏｒｒ（２×１０³Ｐａ）である場合、上述するいずれのバインダ成分も凝結しないようにするためには、脱脂用排気管３０内温度を約６０℃以上に設定することが好ましい。一方、これらのバインダ成分をコールドトラップ３２で捕集するには、これらのバインダ成分の蒸気圧をできるだけ低減できる温度、例えば１５℃以下、より好ましくは液体窒素温度等に冷却する。

なお、コールドトラップ３２で捕集されずに、残ったバインダ成分については、排ガス燃焼装置３８によって燃焼されるため、最終的に外部に排出されるガスには、有機成分による臭気は残らない。

脱バインダ処理時間は、通常より短く１時間〜数時間とする。正確な処理時間の調整は、チャンバ１０に設置されたＣＯ濃度計５６を用いて行う。脱バインダ処理の開始に伴い、バインダの分解によりチャンバ１０内のＣＯ濃度が上昇し、やがて飽和する。さらに進行するとＣＯ濃度が減少し、脱バインダが終了する。したがって、チャンバ１０内のＣＯ濃度をＣＯ濃度計５６によりモニターすることにより、脱バインダの進行状態を正確に把握することができる。例えば完全に脱バインダが終了した時点のＣＯ濃度より、やや高めの濃度、例えば０．０１〜１vol％に達したところで、脱バインダ処理を終了させる。すなわち、加熱室の温度を脱バインダ条件である５００〜６００℃の保持過程を終了し、焼成温度である１６００〜１９００℃へと昇温過程へ移行する。こうして、成形体に一定量のバインダ成分を残留させるために必要な脱バインダ処理時間を正確に調整できる。

脱脂工程が終了したら、排気ラインを必要に応じて高真空用ラインに切り替える。すなわち、脱脂用排気管３０の電磁開閉弁３３を閉じ、以降は、真空排気管２０の電磁開閉弁２１を必要に応じ開閉操作する。

なお、焼成炉を自動運転する場合は、ＣＯ濃度計５６から出力される電気信号を、図示しない自動制御装置に転送し、そこで、ＣＯ濃度をモニターして、予め設定したＣＯ濃度、例えばこの場合は０．０１〜１vol％に達したら、ヒータ１４の出力を自動的に上昇させ、５００℃〜６００℃の保持過程から１６００℃〜１９００℃の焼成過程への昇温過程へと移行操作を行うようにする。また、この移行操作に伴い、排気ラインの切り替えおよび、後述するチャンバ内圧力調整操作も同時に連動して行うように設定しておくことが好ましい。

続いて、チャンバ１０内に窒素ガスを導入し、チャンバ内を１．５気圧（１．５２×１０⁵Ｐａ）の加圧状態に調整する。この加圧状態を維持したまま、加熱室１２内を窒化アルミニウムの焼結のために必要な焼成温度である１６００℃〜１９００℃まで昇温する。このようにチャンバ１０内の圧力を１．５気圧の高い圧力状態に維持することにより窒化アルミニウム中に微量残ったバインダのガス化の進行が抑制され、バインダ成分であるカーボンを焼結体中に残留させることができる。

加熱室１２が１６００℃〜１９００℃に達したら、加圧機構１８の上ラム１８ａと下ラム１８ｂとを稼動させ、上下の一軸方向にモールド４０内に載置した成形体を、例えば２００〜３００ｋｇ/ｃｍ²で加圧する。こうして、１６００℃〜１９００℃、２００〜３００ｋｇ/ｃｍ²の条件で約１時間〜３時間ホットプレス焼結を行う。

焼結が終了したら、上ラム１８ａと下ラム１８ｂによる加圧を解除し、加熱室１２内を冷却し、チャンバ１０内を大気圧に戻し、焼結体を取り出す。

上述する製造方法によれば、脱脂工程において、ＣＯ濃度計５６を用いて、チャンバ内のＣＯ濃度を正確にモニターすることにより所定量のバインダを成形体中に残留させるよう、脱バインダ処理時間を調整するとともに、脱脂工程後、チャンバ１０内を加圧状態で維持し、焼結温度まで昇温し、焼成を行うことにより窒化アルミニウム焼結体中のカーボン量を例えば約８００ｐｐｍ程度残留させた黒色窒化アルミニウムを得ることができる。

黒色窒化アルミニウム焼結体の製造方法には、金属紛やカーボン紛を添加させる方法等もあるが、上述するようなバインダ成分を残留させる方法によれば、バインダの持つ良好な分散性により、バインダが均一に窒化アルミニウム成形体中に混合されているため、焼結後に得られた窒化アルミニウム焼結体においても、バインダの残留成分であるカーボンを焼結体中に均一に残留させることができる。従って、場所による色調むらのない良好な黒色焼結体である窒化アルミニウムを製造することができる。

こうして得られた黒色窒化アルミニウム焼結体は、輻射熱量を増大させる効果を持つため、セラミックスヒータの基材として、あるいは顧客の嗜好にあった外形的美観を提供する種々のセラミックス基材として使用できる。

さらに、上述する図１に示す焼成炉によれば、脱脂用排気管３０やチャンバ１０に、バインダ成分の付着が生じない。従って、従来のように、排気管やチャンバに付着したバインダ成分による焼成雰囲気の汚染等の問題が生じず、再現性が良好な窒化アルミニウムの焼結体を製造することができる。

次に、別の窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。ここでは、焼結体中にバインダ成分を残留させない、すなわちカーボンをほとんど含有しない白色もしくは灰白色の窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。

黒色焼結体を作製する上述の方法の場合と同様に、バインダを含んだままの窒化アルミニウム成形体をモールド４０内にセットし、真空排気管２０を介してチャンバ１０内を約０．０６Ｔｏｒｒ（８Ｐａ）程度に到達するまで減圧する。この後、排気ラインを真空排気管２０から脱脂用排気管３０に切り替え、脱脂工程を開始する。

脱脂工程では、成形体中のバインダの分解温度に応じ、加熱室１２内の成形体を５００℃〜６００℃に昇温し、チャンバ１０内を約０．６Ｔｏｒｒ（８０Ｐａ）に調整し、上述した黒色焼結体の製造条件に較べ、十分に長い約３時間以上脱バインダ処理を行う。具体的には、ＣＯ濃度計５６により脱バインダ処理中のチャンバ１０内のＣＯ濃度をモニターし、ＣＯ濃度が例えば０．１vol%以下に達するまで、脱バインダ処理を行う。

この間、分解しガス化したバインダ成分は脱脂用排気管３０を介してロータリーポンプ２４により排気される。排気されたバインダ成分はコールドトラップ３２により捕集され、コールドトラップ３２を通過した排ガスは、さらに、ロータリーポンプ２４を経て、外部に排気される。なお、コールドトラップ３２で捕集されずに、排ガス中に残ったバインダ成分は、排ガス燃焼装置３８によって燃焼される。

脱脂工程が終了したら、排気系ラインを高真空用ラインに切り替える。すなわち、脱脂用排気管３０の電磁開閉弁３３を閉じ、真空排気管２０の電磁開閉弁２１を開き、チャンバ１０内が０．０６Ｔｏｒｒ（８Ｐａ）程度の真空度に達するまで、メカニカルブースターポンプ２２およびロータリーポンプ２４を用いて排気を行う。この真空度を維持したまま、加熱室１２内を窒化アルミニウムの焼結のための焼成温度である１６００℃〜１９００℃まで昇温する。このように、脱脂工程後チャンバ内を減圧状態に保って焼成温度まで昇温させることで、脱脂工程で成型体中に残留した少量のバインダ成分もほぼ完全にガス化する。

加熱室１２が１６００℃〜１９００℃に達したら、窒素をチャンバ１０内に導入し、１．５気圧（１．５２×１０⁵Ｐａ）の加圧状態とする。加圧機構１８の上ラム１８ａと下ラム１８ｂとを稼動させ、モールド４０内に載置した成形体を、例えば２００〜３００ｋｇ/ｃｍ²で上下一軸方向に加圧し、ホットプレス焼成を約１時間〜３時間行う。焼結が終了したら、上ラム１８ａと下ラム１８ｂによる加圧を解除し、加熱室１２内を冷却し、チャンバ内を大気圧に戻し、焼結体を取り出す。

こうして、バインダの残量成分がほとんど残留しない窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。上述した黒色焼結体の製造方法の場合と同様に、上述する図１に示す焼成炉によれば、脱脂用排気管３０と真空排気管２０とを別々に設けており、しかも脱脂用排気管３０やチャンバ１０内にバインダ成分の凝結が生じない。従って、従来のように、排気管に付着したバインダ成分による焼成雰囲気の汚染等の問題が生じず、再現性が良好な白色または灰白色の窒化アルミニウムの焼結体を製造することができる。

なお、上述する製造方法を使用してセラミックスヒータを作製する場合は、窒化アルミニウムの成形体中に、例えば、抵抗発熱体として、モリブデン（Ｍｏ）等の高耐熱性の金属ワイヤを埋設する。また、静電チャックを作製する場合は、窒化アルミニウム成形体中に電極として、メッシュ状のＭｏ電極を埋設するとよい。

セラミックスヒータや静電チャックのように、セラミックス焼結体内に金属体を埋設する場合は、一旦金属体を成形体中に埋設した後は、大気中でのバインダ除去は、金属の酸化を招くため好ましくない。しかし、図１に示す焼成炉を用いた上述する製造方法によれば、脱脂工程から焼成工程まで不活性雰囲気中で進行するので、電極の酸化を防止することもできる。

以上、図１に示す焼成炉を用いた窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明したが、上述する焼成炉は、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等あるいは、これらの複数の非酸化物セラミックスのコンポジット等、種々の非酸化物セラミックスの焼結用焼成炉として使用することができる。

例えば、窒化珪素焼結体を作製する場合には、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、種々の成形方法を用いてバインダを含む成形体を作製する。その後、このバインダを含む成形体を図１に示す焼成炉内の加熱室１２に載置し、上述する方法と同様な手順で脱脂および焼結を行う。焼結工程における、焼成温度および焼成時間は、１７００℃〜１８００℃、約１時間〜数時間とするとよい。

また、サイアロンの焼結体を作製する場合には、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナもしくは二酸化珪素の各粉末およびバインダを加えて、種々の方法を用いて成形体を作製し、窒化珪素と同様な焼成条件を用いて焼結を行う。

さらに、炭化珪素の焼結体を作製する場合は、炭化珪素に焼結助剤であるＢ_４Ｃを用いてバインダを含む成形体を作製し、その後、このバインダを含む成形体を図１に示す焼成炉内の加熱室１２に載置し、上述する方法と同様な手順で脱脂および焼成を行う。焼成温度および焼成時間は、２０００℃〜２２００℃、約１時間〜５時間とする。

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。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。

なお、上述する例では、成形体を脱脂および焼結させているが、成形体に限らず、バインダを含む粒状体の脱脂および焼結するために本発明の焼成炉を使用することもできる。さらに、本発明の焼成炉は、金属粉や金属成型体の焼結にも使用できる。焼成炉のヒータおよび加熱室の断熱材として耐酸性の材料を使用すれば、酸化物セラミックスの焼結体の製造に使用することも可能である。

本発明の実施の形態に係る焼成炉を示す概略構成図である。 バインダ成分の蒸気圧曲線を示すグラフである。

符号の説明

１０ チャンバ
１２ 加熱室
１４ ヒータ
１６ 架台
１８ 圧力機構
１８ａ 上ラム
１８ｂ 下ラム
２０ 真空排気管
２１ 電磁開閉弁
２２ メカニカルブースターポンプ
２４ ロータリーポンプ
３１、３１ａ 脱脂用排気管
３２ コールドトラップ
３４ チラー
３６ オイルミストトラップ
３８ 排ガス燃焼装置
４０ モールド
５０ マスフローコントローラ
５２ 調節計
５４ 圧力センサー

Claims (3)

1. 密閉可能なチャンバと、チャンバ内に設けられ、ヒータを備えた加熱室と、チャンバ又は加熱室に接続される第１の排気管と、第１の排気管に接続される第１の真空ポンプと、加熱室に直接接続される第２の排気管と、第２の排気管に接続され、排ガス中のバインダ成分を捕集する捕集装置と、捕集装置を介して第２の排気管に接続される第２の真空ポンプと、チャンバ又は加熱室に接続され、チャンバ内に不活性ガスを供給するガス供給管と、チャンバ内の圧力をモニターする圧力計と、チャンバ内の圧力に応じて、チャンバ内への前記不活性ガスの供給量を調整するガス流量制御装置と、加熱室と捕集装置との間の前記第２の排気管を加熱する加熱手段と、捕集装置と前記第２の真空ポンプとを介して第２の排気管に接続され、排ガス中の有機成分を燃焼する燃焼装置と、加熱室内に載置される被焼結材を一軸方向に加圧する加圧機構とを有する焼成炉のチャンバ内にバインダを含む非酸化物セラミックス成形体を導入し、チャンバ内を減圧する、減圧工程と、
   チャンバ内に不活性ガスを導入し、不活性ガス雰囲気の減圧条件下で、非酸化物セラミックス成形体をバインダの熱分解に必要な温度に加熱する、脱脂工程と、
   不活性ガス雰囲気の減圧条件下で、脱脂後の非酸化物セラミックス成形体を焼結に必要な焼成温度にまで加熱する、昇温工程と、
   不活性ガス雰囲気の大気圧より高い加圧条件下で、前記非酸化物セラミックスを前記焼成温度で焼成する、焼結工程と
   を有し、脱脂工程と焼結工程を同一チャンバ内で連続して行う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。
2. 脱脂工程後にチャンバ内圧力を大気圧より高くして焼成温度まで昇温し、チャンバ内圧力が大気圧より高い状態で焼成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体の製造方法。
3. 脱脂工程後もチャンバ内圧力を減圧状態とし、減圧下で焼成温度まで昇温し、焼成温度に到達後チャンバ内圧力を大気圧より高くして焼成することを特徴とする請求項２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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