JP2022142810A - 成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形用の型の変形強度を向上して粉末材料の密度ムラを防ぎ、粉末材料を均等に加圧して高品質の成形体を製造する。
【解決手段】底面部及び該底面部の周囲から立ち上がる側面部を備え、上端に開口部を有する段ボール製型枠を準備する型枠準備工程と、型枠内に開口部から粉末材料を充填する材料充填工程と、粉末材料を充填した型枠の開口部に段ボール製蓋体を被せて型を構築する型組立工程と、型の外周囲に真空パックを施して密封状態とする真空パック形成工程と、真空パックを施した型を冷間等方圧加圧法により加圧する加圧工程とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、粉末材料を等方圧加圧法により加圧して、スパッタリングターゲット等に用いられる成形体を製造する方法に関する。

粉末材料からスパッタリングターゲットを製作する場合には、粉末材料を加圧して成形体を製造し、その成形体を焼成することが行われる。この場合、高密度の成形体を得るための成形方法として、冷間等方圧加工法（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ法）が用いられることが多い。冷間等方圧加工法では、変形抵抗の少ない材料で形成された成形型の中に粉末材料が密封され、この成形型の周囲より流体圧が加えられることで、成形体表面が一様の加圧力を受けて、方向性なく圧縮成形される。

このような冷間等方圧加工法（以下、ＣＩＰ法と称す）により成形体を成形する製造方法として、例えば、特許文献１が開示されている。この成形体の製造方法では、成形型がウレタンゴム、シリコーンゴム、アメゴム、天然ゴムから選択されるゴム材料で形成され、この成形型の中にセラミックス粉末とバインダとからなる粉末材料が充填される。そして、ＣＩＰ法により、成形型の周囲に等方的に圧力を加えるように成形体を製造している。

特開２０１７－４７５５３号公報

しかしながら、特許文献１のように、成形型をゴム材料とした場合には、粉末材料を充填したときに、成形型の側面が膨らんだり、底面がたわむなどの変形が生じることがある。そして、その変形時に粉末材料が成形型内で偏って配置されるなどにより、充填密度にムラが発生することがある。この密度ムラにより、ＣＩＰ法で成形加工した後に成形体が変形したり、また、成形後の成形体を焼結したときに割れが生じて、所定の品質の製品が得られない可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、成形用の型の変形強度を向上して粉末材料の密度ムラを防ぎ、粉末材料を均等に加圧して高品質の成形体を製造することを目的とする。

本発明の成形体の製造方法は、底面部及び該底面部の周囲から立ち上がる側面部を備え、上端に開口部を有する段ボール製型枠を準備する型枠準備工程と、前記型枠内に前記開口部から粉末材料を充填する材料充填工程と、前記粉末材料を充填した前記型枠の前記開口部に段ボール製蓋体を被せて型を構築する型組立工程と、前記型の外周囲に真空パックを施して密封状態とする真空パック形成工程と、前記真空パックを施した前記型を等方圧加圧法により加圧する加圧工程とを備える。

本実施形態における型枠及び蓋体を構成する段ボールは、ライナと波形の中芯とを一体化したトラス構造の断面を有している。このため、型の面方向に直交する方向の外力に対する変形強度が高く、粉末材料を充填したときに加わる力を分散して変形を抑えることができる。その反面、面方向に沿う外力に対して容易に変形させることができる。したがって、この段ボール製の型枠及び蓋体を用いることにより、材料充填工程での型枠等の変形を防止し、型内での粉末材料の移動を抑制して密度ムラを防ぐことができる。この状態で真空パック形成工程で密封状態とすることで、型の保形性を維持して粉末材料を均一な充填状態に保ち、加圧工程時には、粉末材料に追従するように収縮変形して、粉末材料全体に均等に力を加えることができ、均一な密度の成形体を製造することができる。

成形体の製造方法において、前記加圧工程では、真空パックされた前記型の前記底面部の外底面と前記蓋体の上面とに硬質材料で形成した補強板を当接させた状態で加圧するとよい。

補強工程を施すことにより、真空パックされた型を補強板で補強してその形状を保持でき、反りや変形をより確実に抑えて高精度な成形体を製造することができる。

また、前記材料充填工程では、前記型枠の内面を離型紙で覆った状態で前記粉末材料を充填するとよい。型枠の内面を離型紙で覆った後に粉末材料を充填することにより、加圧工程の後に型から成形体が取り出しやすくなり、成形体の割れや欠けの発生をより確実に防止することができる。

前記成形体は、スパッタリングターゲット用成形体とすることができる。密度のムラや変形を抑えて品質にばらつきのないスパッタリングターゲットに適した高品質の成形体を安定して製造できる。
そして、そのスパッタリング成形体に焼結工程を施して、必要な仕上げ工程を施すことにより、スパッタリングターゲットが製造される。

成形体の製造方法の一つの実施態様として、前記型枠は、前記底面部が四角形に形成されるとともに、該底面部の各辺から立ち上がる四つの前記側面部を有しており、前記蓋体は、前記側面部の上に載置される四角形状に形成されている。

この型枠により平板状の成形体を製造することができ、平板状であっても、段ボールの優れた剛性により型の変形を防止して、内部の粉末材料の移動を抑制し、密度ムラや割れ、角部の欠け、反り等のない均質な成形体を製造することができる。

成形体の製造方法の他の一つの実施態様として、前記型枠は、前記底面部の周囲から立ち上がる前記側面部が筒状に形成されるとともに、該側面部の内側にリング状空間をあけて柱状の芯材が前記底面部上に設けられており、前記充填工程では、前記芯材と前記側面部との間の前記リング状空間に粉末材料を充填する。この製造方法では筒状の成形体を製造することができる。

本発明によれば、成形用の型を段ボールで形成することで変形強度を高め、粉末材料の密度ムラを防ぎ、粉末材料を均等に加圧して高品質の成形体を製造することができる。しかも、段ボールにより型を作製するので、その取扱いも容易で、安価に製造することができる。

本発明の第１実施形態の製造方法によって製造されるスパッタリングターゲットを示す斜視図である。 第１実施形態の型を示す分解斜視図である。 図１の型枠及び蓋体に用いられている段ボールを示す断面図である。 型枠内に粉末材料を充填して蓋体を装着する状態を示す斜視図である。 型に真空パックを施した状態を示す斜視図である。 真空パック品に補強版を配置する状態を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態の製造方法で製造されるスパッタリングターゲットを示す斜視図である。 第２実施形態の型を示す分解斜視図である。 型枠に粉末材料を充填して蓋体を装着する状態を示す斜視図である。 真空パック品に補強板を配置する状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の製造方法で製造されるスパッタリングターゲットを示している。このスパッタリングターゲット１は、金属、あるいは酸化物、炭化物、窒化物等のセラミックス、もしくはこれらの混合物により形成されている。例えば、Ｃｕ、ＺｎＯ、ＣｕＧａ、ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３－ＳｎＯ_２）、ＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_４）、ＡＺＯ（Ａｌ_２Ｏ_３-ＺｎＯ）、ＺｒＯ_２－ＳｉＯ_２－Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｃｒ－ＣｒＯ_２、Ｔａ－ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＧａＮ、ＳｉＣなどが用いられる。
また、図１に示す例では、平面視が正方形の平板状に形成されている。大きいものでは、例えば６００ｍｍ×３００ｍｍの平面サイズを有する。

このスパッタリングターゲット１は、段ボールで形成した型２１内に粉末材料２を充填し、真空パックした後、加圧することにより、圧粉体である成形体を製造し、その後、焼結工程、後加工工程を経て製造される。
成形体の製造工程は、型枠準備工程、材料充填工程、型組立工程、真空パック工程、加圧工程の順に実施される。

型２１は、図２に示すように、段ボール製の型枠２２と、同じく段ボール製の蓋体２３と、必要に応じて設けられる離型紙２４とを備えている。型枠２２は、正方形状の底面部２５と、底面部２５の各辺から立ち上がる四つの側面部２６と、開口部２７とを有し、上方を開口した箱状に形成されている。蓋体２３は、その型枠２２の側面部２６の上端に載置し得る正方形状に形成され、型枠２２の開口部２７を閉塞する。

これら型枠２２及び蓋体２３を構成する段ボール３１は、図３に示すように、ライナ３２と中芯３３とを一体化したトラス構造の断面を有している。ライナ３２は段ボール３１の表裏に用いられる板紙であり、中芯３３は波形に形成された板紙である。ＪＩＳ規格では、段ボール３１は、Ａフルート、Ｂフルート、Ｃフルート、Ｅフルート、Ｆフルート、Ｇフルートが規定され、Ｇに近づくほど細かい波形となる。いずれも中芯３３が波板状に形成されていることから、内部が三角形を連ねたトラス構造に形成されており、外部より面方向と直交する方向に力が加わったときには、このトラス構造により力が分散されて剛性が確保される。一方、面方向に沿って外力が作用したときには、中芯を折りたたむように容易に変形することができる。

本実施形態に使用する段ボール３１としては、後述する真空パック形成工程後まで強度が保たれる程度であればよく、Ｅフルートが使用される。Ｅフルートは、図３に示すように、両面ライナ３２の間に、波形の段の数が３０ｃｍの範囲で９３±５個の中芯３３が配置され、ライナ３２及び中芯３３を合わせた厚さが約１．５ｍｍに規定される。

離型紙２４は、例えば防湿紙や普通紙などからなり、型枠２２及び蓋体２３の内面を覆うように設けられる。図２に示す例では、複数枚の半透明の離型紙２４を組み合わせて型枠２２の内面を覆い、また、充填された粉末材料の上面にも重ね得る大きさに設定されている。この離型紙２４を型枠２２及び蓋体２３の内面を覆うように設けることにより、成形後の圧粉体である成形体が離型しやすくなり、成形体の欠け等が防止される。成形体に欠け等が生じ難い場合は、離型紙２４は使用しなくてもよい。

（型枠準備工程）
まず、型枠準備工程において、前述の型枠（段ボール製型枠）２２を用意する。必要に応じて、底面部２５と側面部２６との角部、側面部２６どうしの角部の外面にテープ等を貼り付けて補強してもよい。
次に、型枠２２の内面に離型紙２４を配置する。

（材料充填工程）
次に、型枠２２の開口部２７まで粉末材料Ｐを充填する。この粉末材料Ｐは、金属粉末材料、酸化物粉末、又は窒化物粉末等からなり、酸化物粉末や窒化物粉末からなる場合は、原料粉末にバインダー等が混合される。
例えば、酸化物粉末としてＺｎＯ粉末は、メディアミルとしてはボールミル、バスケットミル、ビーズミル等を用いられ、分散材としてポリカルボン酸、ナフタレン、スルホン酸等を用い、水を溶剤として湿式粉砕混合により、粒径（Ｄ５０）が０．１～５０μｍ、純度９９％以上の粉末に作製される。このＺｎＯの原料粉末にバインダーとしてポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、アクリル系樹脂を混合し、スプレードライ方式により２５０μｍ以下に分級される。
金属性の粉末材料は、例えばＣｕ粉末の場合は乾式混合機により作製することができる。

（型組立工程）
粉末材料Ｐを型枠２２の開口部２７まで充填した後、図４に示すように、その上に離型紙２４及び蓋体２３を被せることで開口部２７を閉塞し、型２１を構成する。
（真空パック工程）
続いて、内部に粉末材料Ｐが充填された型２１の外側を覆うように樹脂フィルム３５により真空パックを施す。これにより、型２１の内部が密封された状態となり、真空引きにより粉末材料Ｐ中の空隙がほぼなくなることから、硬い真空パック品３６が形成される。この真空パック品３６は、図５に示すように、型２１の外形に合わせた平板状となり、硬く固まっているため、保形性が良く、持ち運び等の取り扱いも容易である。

（加圧工程）
図６に示すように、真空パック品３６の両面に、硬質材料からなる補強板３７を当接状態に配置し、これらをゴムバンドやバネ等で結束することにより、両補強板３７によって真空パック品３６を挟持した状態に保持する。補強板３７は例えばアルミニウム合金、塩化ビニール等により形成され、真空パック品３６を挟持することで、反りの発生が防止される。補強板３７はアルミニウム合金以外の金属材料、塩化ビニール以外の樹脂材料、あるいは金属、樹脂以外の材料によって形成されていてもよい。

そして、この補強板３７によって補強された真空パック品３６は、冷間等方圧加圧法により加圧されることで、粉末材料Ｐが一体に圧縮成形され、成形体に形成される。
冷間等方圧加圧法においては、真空パック品３６が加圧されることから、体積比で例えば７０％～８０％程度の大きさに収縮する。このとき、型２１を構成している段ボールは粉末材料Ｐとともに収縮する。特にＥフルートの段ボールの場合、薄いために収縮もしやすく、粉末材料Ｐの収縮に追従するように収縮することにより、型２１内での粉末材料Ｐの偏りが抑制され、密度ムラのない均質な成形体を得ることができる。また、粉末材料Ｐの収縮に追従することから、局部的に応力集中することが抑制され、欠けや割れの発生も防止される。

冷間等方圧加圧がなされた後、圧力を開放し、型２１から成形体（この場合、ＣＩＰ成形体）が取り出される。型２１は収縮しているので、１回の冷間等方圧加圧ごとに使い捨てとなる。型２１から取り出した成形体は、表面を洗浄して汚れ等が取り除かれ、スパッタリングターゲット用成形体となる。

（焼結工程）
次いで、スパッタリングターゲット用成形体を焼結炉（図示略）内に投入して、窒素ガス、不活性ガス、あるいは還元ガス等の雰囲気下で加熱され、焼結されることにより、焼結体が製造される。
（後加工工程）
その後、焼結体の表面を研削するなどにより、反りやしわを除去し、所望の厚さのスパッタリングターゲット１を作製する。

上述したように、この製造方法は、等方圧加圧工程前に、段ボールで作製した型２１内に粉末材料Ｐを充填した上で真空パックしているので、型２１内で粉末材料Ｐが移動して、型２１内で偏って配置されたり、型２１の側面部２６が膨らんだり、撓み等が生じることが抑制され、密度ムラを抑えて、均質な成形体を得ることができる。
また、その真空パック品３６を補強板３７で補強して等方圧加圧しているので、加圧作業時の変形も防止することができ、高品質のスパッタリングターゲット用成形体を製造することができる。

なお、枠体２２の底面部２４及び蓋体２３を正方形に形成したが、正方形以外にも、長方形等の四角形、円形等の形状とすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態で製造される成形体は、図７に示す円筒形スパッタリングターゲット１１のための成形体である。
この実施形態で用いられる型４１は、図８に示すように、段ボール製の型枠４２及び蓋体４３と、柱状の芯材４４とから構成される。

型枠４２は、円板状の底面部４５と、その周囲から立ち上がる円筒状の側面部４６とにより、上部が開口部４７とされた有底円筒状の容器として構成されている。芯材４４は、Ｓ４５Ｃ（炭素鋼）、ＳＵＳなどのＦｅよりも硬質の金属材料により中実に設けられ、型枠４２の側面部４６により構成される円柱よりも小さい半径で、側面部４６と同じ高さの円柱状に形成される。さらに、芯材４４の外周面には、離型性を良くするために硬質Ｃｒめっき皮膜などの離型材皮膜が形成される。

そして、まず型枠準備工程において、型枠４２の側面部４６により囲まれた空間の中心部に芯材４４を側面部４６と同心状に配置する。これにより、側面部４６と芯材４４との間にリング状の充填用空間が形成される。また、必要に応じて、型枠４２の内面に離型紙を設けてもよい。
次に、図９に示すように、この型枠４２と芯材４４との間のリング状の充填用空間内に粉末材料Ｐを充填し（材料充填工程）、蓋体４３により開口部２７を閉塞する（型組立工程）。その後、この粉末材料Ｐが充填された型４１の全面を樹脂フィルム５１で被覆するように真空パックする（真空パック工程）。

次いで、真空パック品５２において型枠４２の底面部４５の裏面と蓋体４３の表面とを円板状の硬質の補強板４９で挟み込むようにして型４１を補強する。補強後、第１実施形態と同様、冷間等方圧加圧法による加圧工程が実施される。この加圧工程において、粉末材料Ｐが収縮する際に型枠４２及び蓋体４３がその収縮に追従するように収縮することにより、粉末材料Ｐの偏りが抑制され、密度ムラのない均質な成形体（この場合、ＣＩＰ成形体）を得ることができる。また、粉末材料Ｐの収縮に型枠４２等が追従することから、局部的に応力集中することが抑制され、欠けや割れの発生も防止される。

冷間等方圧加圧がなされた後、圧力を開放し、型４１から成形体が取り出される。このとき、段ボール製の型枠４２は容易にばらすことができる。成形体は、収縮により芯材４４の外周面を圧迫しているが、芯材４４の外周面に離型性皮膜が形成されていることから、軸方向に力を加えて離脱することができる。型４１をばらした後、洗浄することで、円筒状のスパッタリングターゲット用成形体が形成される。
その後、スパッタリングターゲット用成形体を所定の条件で焼結し（焼結工程）、後加工工程を経て、スパッタリングターゲット１１が製造される。

本発明の製造方法の実施例として両面段ボールのＥフルートを用い、比較例としてゴム材料を用いて、これらの各材料により第１実施形態の平板状成形体用、第２実施形態の円筒状成形体用の型をそれぞれ構築した。ゴム材料を用いた型は、型枠と同じ形状のゴム製の型枠に粉末材料を充填した後、そのゴム製の型枠にゴム製の蓋体を接着して構成される。円筒状成形体用の型には、Ｓ４５Ｃ製の芯材の外周面に硬質Ｃｒめっき皮膜を形成した。

粉末材料としては、酸化物材料として、粒径（Ｄ５０）が０．１～５０μｍ、純度９９％以上のＺｎＯ粉末、金属材料として、粒径（Ｄ５０）が０．１～５０μｍ、純度９９％以上のＣｕ粉末を用いた。
ＺｎＯ粉末は、ボールミルを用い、分散材としてポリカルボン酸を用い、水を溶剤として湿式粉砕混合により作製した。このＺｎＯ粉末にバインダーとしてポリビニルアルコールを用い、スプレードライ方式により２５０μｍ以下に分級した。
Ｃｕ粉末は乾式混合機により作製した。

ＺｎＯ粉末のＣＩＰ法による加圧工程は、１００ＭＰａ以上の圧力を付与した。その後、５５０℃まで昇温速度２０℃／ｈｒ程度で徐々に昇温させながら脱脂した後、２００℃／ｈｒの昇温速度で１３００℃まで昇温し、その温度に５ｈｒ保持することで焼成した。

Ｃｕ粉末のＣＩＰによる加圧工程は、１００ＭＰａ以上の圧力を付与した。その後、窒素雰囲気で２００℃／ｈｒの昇温速度で９５０℃まで昇温し、その温度に５ｈｒ保持することで焼成した。

これらの成形体について焼成工程で割れの有無を調べた。
その結果を表１に示す。

この表から明らかなようにゴム型を用いた例では成形体に割れが認められたが、段ボールを用いた型においては割れが認められなかった。

１，１１ スパッタリングターゲット
２２ 型枠
２３ 蓋体
２４ 離型紙
２５ 底面部
２６ 側面部
２７ 開口部
３１ 段ボール
３２ ライナ
３３ 中芯
３５ 樹脂フィルム
３６ 真空パック品
３７ 補強板
４２ 型枠
４３ 蓋体
４４ 芯材
４５ 底面部
４６ 側面部
４７ 開口部
４９ 補強板
５１ 樹脂フィルム
５２ 真空パック品

Claims (6)

1. 底面部及び該底面部の周囲から立ち上がる側面部を備え、上端に開口部を有する段ボール製型枠を準備する型枠準備工程と、前記型枠内に前記開口部から粉末材料を充填する材料充填工程と、前記粉末材料を充填した前記型枠の前記開口部に段ボール製蓋体を被せて型を構築する型組立工程と、前記型の外周囲に真空パックを施して密封状態とする真空パック形成工程と、前記真空パックを施した前記型を冷間等方圧加圧法により加圧する加圧工程とを備えることを特徴とする成形体の製造方法。
2. 前記加圧工程では、真空パックされた前記型の前記底面部の外底面と前記蓋体の上面とに硬質材料で形成した補強板を当接させた状態で加圧することを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法。
3. 前記材料充填工程では、前記型枠の内面を離型紙で覆った状態で前記粉末材料を充填することを特徴とする請求項１又は２に記載の成形体の製造方法。
4. 前記型枠は、前記底面部が四角形に形成されるとともに、該底面部の各辺から立ち上がる四つの前記側面部を有しており、前記蓋体は、前記側面部の上に載置される四角形に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の成形体の製造方法。
5. 前記型枠は、前記底面部の周囲から立ち上がる前記側面部が筒状に形成されるとともに、該側面部の内側にリング状空間をあけて柱状の芯材が前記底面部上に設けられており、前記充填工程では、前記芯材と前記側面部との間の前記リング状空間に粉末材料を充填することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の成形体の製造方法。
6. 前記成形体は、スパッタリングターゲット用成形体であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の成形体の製造方法。

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