JP2023502597A - プラズマ耐性酸化イットリウムアルミニウム体 - Google Patents
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Abstract
本明細書では、ＸＲＤ及び画像処理法を使用して測定して９０体積％～９９．９体積％の多結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）と、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～４％の体積多孔度とを含む焼結セラミック体が開示される。上記焼結セラミック体の総純度は９９．９９％以上、結晶粒径は０．３～８μｍであることができる。上記焼結セラミック体の製造方法も開示される。
Description
本開示は、結晶相純度が高い（＞９８体積％）の多結晶ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、ガーネット相）を含む、高純度、高密度であり、且つ体積多孔度が低い焼結セラミック体に関する。
本開示はまた、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ、ガーネット相）、ＹＡｌＯ３（ＹＡＰ、ペロブスカイト相）、及びＹ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ、単結晶相）を含む１種以上の形態のイットリウムアルミニウム酸化物、ならびに、任意選択で２体積％以下の量の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）及び／または酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）からなる、高純度、高密度であり、且つ体積多孔度が低い焼結セラミック体にも関する。
本開示はまた、相純度が高い（＞９８体積％）のＹ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ、ガーネット相）を含み、２体積％以下の量の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）相及び／または酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）相をさらに含む、高純度、高密度であり、且つ体積多孔度が低い焼結セラミック体にも関する。
高密度、低体積多孔度、及び高純度の上記特性は、プラズマエッチングチャンバーの部品として使用される場合、並外れた耐エッチング性につながる。さらに、本開示は、焼結セラミック体の製造方法を提供する。
半導体の加工は、プラズマエッチング環境を創り出すために、ハロゲン系ガスならびに酸素及び他のガスを高電界及び磁場と組み合わせて使用することを必要とする。このプラズマエッチング環境は、半導体基板上の材料をエッチングするための真空チャンバー内に生じさせる。過酷なプラズマエッチング環境では、チャンバーの部品に耐食性の高い材料を使用する必要がある。これらのチャンバーは、加工中のウェハ上にプラズマを閉じ込めるディスクまたはウィンドウ、ライナー、ガスインジェクター、リング、及びシリンダーなどの構成部品を備える。これらの部品は、プラズマ環境における腐食及び侵食に対する耐性を付与する材料から形成されており、例えば、ＵＳ５，７９８，０１６、ＵＳ５，９１１，８５２、ＵＳ６，１２３，７９１、及びＵＳ６，３５２，６１１に記載される。しかしながら、プラズマ加工チャンバーに使用されるこれらの部品はプラズマによって継続的に攻撃され、その結果、プラズマに曝露されるチャンバー部品の表面上で腐食、侵食、及び粗面化が生じる。この腐食及び侵食は、上記部品の表面からチャンバー中への粒子の放出を通じてウェハレベルの汚染の一因となり、その結果、半導体デバイスの歩留まりが低下する。
希土類酸化物、それらの中でも特にＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、ガーネット相）ならびにＹＡＧ、ＹＡＰ、及びＹＡＭなどのイットリウムアルミニウム酸化物のファミリーには、広範囲の技術的及び工業的用途があることが知られている。立方晶のガーネット結晶相を有するＹＡＧは、固体レーザーのホスト材料、透明装甲、防弾窓材料などの用途、ならびその優れた機械的、熱的、及び光学的特徴によって大きな注目を集めている。特にレーザー用途に関し、単結晶ＹＡＧが必要とされるため、単結晶ＹＡＧの製造に多大な労力が費やされてきた。ＹＡＧは、非常に化学的に不活性であり、ハロゲン系のプラズマによる腐食及び浸食に対する高い耐性を示すことも知られている。
しかしながら、希土類酸化物の使用、特に立方晶ガーネット（ＹＡＧ）結晶構造を有する酸化イットリウムアルミニウムの使用にはいくつかの欠点がある。
酸化イットリウムアルミニウムは、従来の方法で必要とされる高密度に焼結することが困難であり、その結果、最終的な部品にかなりの体積多孔性が残ることが知られている。残留多孔性、延いては密度の低下により、プラズマエッチングプロセス中に腐食が加速し、部品のエッチング性能が低下すると同時に、機械的強度も低下する。酸化イットリウムアルミニウムのファミリーを焼結するには、通常、例えば８時間以上といった長時間、約１６００℃以上の高温にすることが必要である。高温及び長い焼結時間は過大な結晶粒の成長につながり、固体酸化イットリウムアルミニウム体の機械的強度に悪影響を及ぼす。酸化イットリウムアルミニウム化合物、特にエッチングチャンバーの部品として使用する焼結体を形成するためのＹＡＧ組成物の化合物の緻密化を促進するために、焼結温度を下げるための焼結助剤が頻繁に使用される。しかしながら、焼結助剤を添加すると、酸化イットリウムアルミニウム材料の耐腐食性及び耐侵食性が実質的に低下し、且つチャンバー中での使用中に半導体デバイスレベルでの不純物汚染の可能性が高まる。したがって、酸化イットリウムアルミニウムの高純度高密度体、特に立方晶ガーネット結晶相（ＹＡＧ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）を有する高純度高密度体が望ましい。
酸化イットリウムアルミニウムのフィルムまたはコーティングを、酸化イットリウムアルミニウムよりも価格が低く、且つ強度が高い異なる材料で形成された基部または基材の上に蒸着することが知られている。かかる酸化イットリウムアルミニウムフィルムはいくつかの方法によって製造されている。しかしながら、これらの方法は、製造することができるフィルムの厚さに制限があり、フィルムと基材との間の接着が不十分であり、且つ体積多孔度が高いレベルであり、その結果、加工チャンバー中への脱粒が起こる。
半導体デバイスのジオメトリーがナノメートルスケールに縮小するにつれて、プロセスの歩留まりの低下を最小限に抑えるために温度制御がますます重要になる。この加工チャンバー内の温度の変動は、ナノメートルスケールの形体の重要な寸法の制御に影響を与え、デバイスの歩留まりに悪影響を及ぼす。チャンバーの部品向けに、例えば１×１０－４未満といった誘電損失が低い材料を選択することが、熱が発生し、その結果チャンバー内の温度が不均一になること防止するために望ましい場合がある。誘電損失は、とりわけ、当該材料における結晶粒径、純度、ならびにドーパント及び／または焼結助剤の使用による影響を受ける可能性がある。焼結助剤を使用すること及び焼結条件を拡大することによって、結晶粒径がより大きくなり、材料の純度がより低くなる場合があり、これらによって、業界で一般的な高周波チャンバープロセスへの適用に必要な低損失正接、大きな部品サイズの製造に必要な粒子発生の最小化及び高い機械的強度が得られない可能性がある。
特に、酸化イットリウムアルミニウムオキシド相のファミリーのＹＡＧ相の形成が、ＹＡＧ相の立方晶結晶構造及び、その結果としての等方性材料特性に起因して好ましい。そのため、その材料特性は結晶面または結晶方向に基づいて変化することがなく、したがって、立方晶のガーネット形態のＹＡＧは、その材料特性が一貫していること、及びその結果として、多くの用途、特に半導体加工チャンバー中の耐食性部品としての使用に適用される用途における性能が予測可能であるために、好ましい。但し、相純度が非常に高い（＞９０体積％）多結晶ＹＡＧ酸化イットリウムアルミニウムセラミック体の製造は困難であり、多くの場合に他の結晶相が存在する可能性がある。
確立されたイットリア／アルミナの状態図に従うＹＡＧは、化学量論的組成と一致した線化合物（ｌｉｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）として存在することができ、したがって、ＹＡＧは、非常に狭い組成範囲で相純度が高い焼結体で形成される。化学量論的ＹＡＧを形成するために必要な組成からの粉末バッチング（ｂａｔｃｈｉｎｇ）及び加工中に組成が変化することによって、焼結体中に他の結晶相が存在するようになり、これによって相純度が非常に高いＹＡＧの形成が困難になる場合がある。
フィルムまたはコーティングまたは焼結体として形成されたＹＡＧは、低密度及び多くの場合に混合相組成であることに起因して、硬度値が低い場合がある。これらの低い硬度値は、半導体の加工中にプロセスガスとして使用されるアルゴンなどの不活性プラズマガスの使用に由来する、部品表面のイオン衝撃による侵食またはスポーリングを起こしやすい材料につながる。
ＹＡＧなどの希土類酸化物から作製された、大寸法の耐食性部品向けのモノリシックな相純度が高いセラミック体を製造する試みは、限定的にしか成功してこなかった。破損または亀裂なしにチャンバーの部品として取扱い、且つ使用することができる、直径が約１００ｍｍ以上の、固体の、相純度が高く化学的純度が高い部品は、実験室規模を超えて製造することは困難である。これは、より大寸法のＹＡＧ体は通常低密度（例えば、ＹＡＧの理論密度の９５％以下）であることに起因する。ＹＡＧを含む、大きな、相純度が高い酸化イットリウムアルミニウム部品を調製するこれまでの試みは、高多孔度及びそれに対応する低密度、混合結晶相、破損、及び耐食性用途にそれらを使用するには低い品質という結果に終わっていた。現在、半導体のエッチング及び蒸着用途に使用するための、直径が約１００ｍｍ～６２２ｍｍ以上の、高純度の、結晶相純度が高いＹＡＧ焼結体または部品を製造する、経済的に実現可能な方法はない。
結果として、相純度が高いＹＡＧを含み、均一且つ高い密度、低多孔度、及び高純度を有し、プラズマエッチング及び蒸着条件下での腐食及び侵食に対するプラズマ耐性が向上した焼結セラミック体、ならびに工業的に好適な、特に大寸法の部品の製造に適した製造方法に対するニーズがある。
発明の概要
本明細書に開示されるさまざまな実施形態、態様、及び構成が、これらのニーズ及びその他のニーズに対処する。
本明細書に開示されるさまざまな実施形態、態様、及び構成が、これらのニーズ及びその他のニーズに対処する。
実施形態１． ＸＲＤ及び画像処理法を使用して測定して９０～９９．９体積％の多結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）と、
ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～４％の体積多孔度と
を含む焼結セラミック体。
ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～４％の体積多孔度と
を含む焼結セラミック体。
実施形態２． 上記体積多孔度が０．１～３％である、実施形態１に記載の焼結セラミック体。
実施形態３． 上記体積多孔度が０．１～２％である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４． 上記体積多孔度が０．１～１％である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態５． 上記体積多孔度が０．１～０．７５％である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態６． 上記体積多孔度が０．１～０．５％である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態７． ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～５ｕｍである細孔を含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態８． ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～４ｕｍである細孔を含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態９． ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～３ｕｍである細孔を含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１０． ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～２ｕｍである細孔を含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１１． ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～１ｕｍである細孔を含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１２． ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～０．７ｕｍである細孔を含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１３． 上記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９０～９９．８体積％の量で存在する、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１４． 上記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９０～９９．６体積％の量で存在する、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１５． 上記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９０～９９．４体積％の量で存在する、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１６． 上記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．９体積％の量で存在する、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１７． 上記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．８体積％の量で存在する、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１８． 上記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．６体積％の量で存在する、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態１９． 上記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．４体積％の量で存在する、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２０． ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度が９９．９９５％以上である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２１． 純度が９９．９９９％以上である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２２． ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した不純物含有量が、全焼結体の質量に対して５０ｐｐｍ以下である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２３． ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した総不純物含有量が、全焼結体の質量に対して２５ｐｐｍ以下である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２４． ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した総不純物含有量が、全焼結体の質量に対して１０ｐｐｍ以下である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２５． ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した総不純物含有量が、全焼結体の質量に対して５ｐｐｍ以下である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２６． 焼結助剤を含まない、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２７． ドーパントを含まない、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２８． 本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して測定して、上記焼結セラミック体の総質量に対して約１４ｐｐｍの量のシリカを含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態２９． ０．１～２体積％の量で存在する、酸化イットリウム及び酸化アルミニウム、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物をさらに含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３０． ０．１～１体積％の量で存在する、酸化イットリウム及び酸化アルミニウム、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物を含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３１． ０．１～２体積％の量で存在する、ＹＡＰ及びＹＡＭ、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相をさらに含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３２． ０．１～１体積％の量で存在する、ＹＡＰ及びＹＡＭ、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相をさらに含む、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３３． ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠し、０．２ｋｇｆの印加荷重を使用して測定し、８点の測定値から算出される平均硬度が１３．０～１５．０ＧＰａである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３４． ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠し、０．２ｋｇｆの印加荷重を使用して測定し、８点の測定値から算出される平均硬度が１３．５～１４．５ＧＰａである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３５． ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定した結晶粒径が０．４～８μｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３６． ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定したｄ９０結晶粒径が１．５～３．５μｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３７． ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定した平均結晶粒径が１～３μｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３８． ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定した平均結晶粒径が１～２．５μｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態３９． ＡＳＴＭ Ｃ１１６１－１３に準拠して測定した４点曲げ強さが３３５～４４０ＭＰａである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４０． ＡＳＴＭ Ｃｌ１６１－１３に準拠して測定し、２０点の測定値から算出される平均４点曲げ強さが３８７ＭＰａである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４１． ＡＳＴＭ Ｄ１５０に準拠して測定した、１ＭＨｚの周波数、周囲温度における誘電損失が１×１０－４未満である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４２． ＡＳＴＭ Ｄ１５０に準拠して測定した、１ＧＨｚの周波数、周囲温度における誘電損失が１×１０－４未満である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４３． ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準拠して測定した、周囲温度における体積抵抗率が４Ｅ＋１２～１０Ｅ＋１３オーム・ｃｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４４． ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準拠して測定した、３００℃における体積抵抗率が６Ｅ＋１１～１０Ｅ＋１２オーム・ｃｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４５． ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準拠して測定した、５００℃における体積抵抗率が約８Ｅ＋０９オーム・ｃｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４６． ＡＳＴＭ Ｄ１４９－０９に準拠して測定した、周囲温度における絶縁耐力が１１～１４．５ＭＶ／ｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４７． ＡＳＴＭ Ｄ１４９－０９に準拠して測定した、周囲温度における絶縁耐力が１１．５～１４．２ＭＶ／ｍである、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４８． ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．３．２節に準拠して測定した表面の算術平均高さ（Ｓａ）が約１２ｎｍ以下である、先行実施形態のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態４９． １０ミリトールの圧力、６００ボルトのバイアス、２０００ワットのＩＣＰ電力を有するエッチング方法であって、９０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のＣＦ４流速、３０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の酸素流速、２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のアルゴン流速を有する第１のエッチングステップ、ならびに１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の酸素流速及び２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のアルゴン流速を有する第２のエッチングステップをさらに含み、ステップ１及び２がそれぞれ３００秒間実施され、且つステップ１及び２が６時間の通算の期間繰り返される上記エッチング方法に曝露された場合に、表面の算術平均高さ（Ｓａ）が約２０ｎｍ以下である、実施形態４８に記載の焼結セラミック体。
実施形態５０． 焼結セラミック体の製造方法であって、
ａ．酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む粉末を混合して粉末混合物を作製するステップと、
ｂ．焼成温度に到達するように熱を印加し、且つ上記焼成温度を維持することによって上記粉末混合物を焼成して焼成を行い、焼成粉末混合物を形成するステップと、
ｃ．上記焼成粉末混合物を、焼結装置のツールセットによって画成される容積内に配置し、且つ上記容積内に真空条件をつくり出すステップと、
ｄ．焼結温度に加熱しながら、上記焼成粉末混合物に圧力を印加し、且つ焼結を行って上記焼結セラミック体を形成するステップと、
ｅ．上記焼結セラミック体の温度を下げるステップと
を含む、上記方法。
ａ．酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む粉末を混合して粉末混合物を作製するステップと、
ｂ．焼成温度に到達するように熱を印加し、且つ上記焼成温度を維持することによって上記粉末混合物を焼成して焼成を行い、焼成粉末混合物を形成するステップと、
ｃ．上記焼成粉末混合物を、焼結装置のツールセットによって画成される容積内に配置し、且つ上記容積内に真空条件をつくり出すステップと、
ｄ．焼結温度に加熱しながら、上記焼成粉末混合物に圧力を印加し、且つ焼結を行って上記焼結セラミック体を形成するステップと、
ｅ．上記焼結セラミック体の温度を下げるステップと
を含む、上記方法。
実施形態５１． ｆ．任意選択で、上記焼結セラミック体の温度を上昇させて焼鈍温度に到達するように熱を印加することによって上記焼結セラミック体を焼鈍して、焼鈍焼結セラミック体を形成するステップと、
ｇ．上記焼鈍焼結セラミック体の温度を下げるステップと
をさらに含む、実施形態５０に記載の方法。
ｇ．上記焼鈍焼結セラミック体の温度を下げるステップと
をさらに含む、実施形態５０に記載の方法。
実施形態５２． ｈ．上記焼結セラミック体を機械加工して、エッチングチャンバー内の、誘電体窓またはＲＦウィンドウ、フォーカスリング、ノズルまたはガスインジェクター、シャワーヘッド、ガス分配プレート、エッチングチャンバーライナー、プラズマ源アダプター、ガスインレットアダプター、ディフューザー、静電ウェハチャック、チャック、パック、ミキシングマニフォールド、イオンサプレッサーエレメント、フェイスプレート、アイソレーター、スペーサー、保護リング、及びデポジションリングなどの焼結セラミック部品を作製するステップをさらに含む、実施形態５０または５１に記載の方法。
実施形態５３． 上記圧力が１０～６０ＭＰａである、実施形態５０～５２のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５４． 上記圧力が１０～４０ＭＰａである、実施形態５０～５３のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５５． 上記圧力が１０～２０ＭＰａである、実施形態５０～５４のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５６． 上記圧力が１５～２０ＭＰａである、実施形態５０～５５のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５７． 上記焼結温度が１４００～１６５０℃である、実施形態５０～５６のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５８． 上記焼成粉末混合物が、Ｘ線回折を使用して測定して、酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む、実施形態５０～５７のいずれか１つに記載の方法。
実施形態５９． 上記焼成粉末混合物が、Ｘ線回折を使用して測定して、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、イットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ）、単斜晶系イットリウムアルミニウム（ＹＡＭ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相を含む、実施形態５０～５８のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６０． 上記焼成粉末混合物のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相の含有量が、Ｘ線回折を使用して測定して、約１０％以下である、実施形態５０～５９のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６１． 上記粉末混合物が結晶性である、実施形態５０～６０のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６２． 上記焼成粉末混合物のＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度が９９．９９５～９９．９９９９％である、実施形態５０～６１のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６３． 上記焼成粉末混合物のＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度が９９．９９９～９９．９９９９％である、実施形態５０～６２のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６４． 上記焼成粉末混合物の不純物含有量が、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定したすべての構成成分の含有量から算出した酸化物の総質量に対して２～１００ｐｐｍである、実施形態５０～６３のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６５． 上記焼成粉末混合物の不純物含有量が、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定したすべての構成成分の含有量から算出した酸化物の総質量に対して２～７５ｐｐｍである、実施形態５０～６４のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６６． 上記焼成粉末混合物の不純物含有量が、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定したすべての構成成分の含有量から算出した酸化物の総質量に対して２～５０ｐｐｍである、実施形態５０～６５のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６７． ＢＥＴ表面積分析法を使用して測定した上記焼成粉末混合物の比表面積が２～１２ｍ２／ｇである、実施形態５０～６６のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６８． ＢＥＴ表面積分析法を使用して測定した上記焼成粉末混合物の比表面積が２～１０ｍ２／ｇである、実施形態５０～６７のいずれか１つに記載の方法。
実施形態６９． 実施形態５０～６８のいずれか１つに記載の方法によって製造された焼結セラミック体。
実施形態７０． 最大寸法が１００ｍｍ～６２２ｍｍである、実施形態６９に記載の焼結セラミック体。
実施形態７１． 最大寸法が２００～６２２ｍｍである、実施形態７０に記載の焼結セラミック体。
実施形態７２． 最大寸法が４００～６２２ｍｍである、実施形態７１に記載の焼結セラミック体。
実施形態７３． 最大寸法が１００～５７５ｍｍである、実施形態７２に記載の焼結セラミック体。
実施形態７４． 最大寸法が２００～５７５ｍｍである、実施形態７３に記載の焼結セラミック体。
実施形態７５． 最大寸法にわたって測定した密度の変動が０．２％～５％未満である、実施形態６９～７４のいずれか１つに記載の焼結セラミック体。
実施形態７６． 最大寸法にわたって測定した密度の変動が０．２～３％である、実施形態７５に記載の焼結セラミック体。
これ以降、特定の実施形態を詳細に参照する。特定の実施形態の例は添付の図面に示されている。本開示は、これらの特定の実施に関連して説明が行われることになるが、本開示をかかる特定の実施形態に限定することを意図するものではないことは理解されよう。むしろ、添付の特許請求の範囲によって規定される趣旨及び範囲内に含まれ得る代替物、改変、及び等価物をカバーすることが意図される。以下の説明においては、開示される実施形態が完全に理解されるように、多くの特定の詳細が記載されている。本開示は、これらの特定の詳細の一部またはすべてを用いることなく実施することもできる。
定義
本出願において、用語「酸化イットリウムアルミニウム」とは、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ；イットリウムアルミニウムガーネット／立方晶相）、ＹＡｌＯ３（ＹＡＰ；イットリウムアルミニウムペロブスカイト相）、及びＹ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ；イットリウムアルミニウム単斜晶相）、ならびにこれらの組み合わせを含む、酸化イットリウムアルミニウムの結晶相の形態の少なくとも１種を意味すると理解される。本明細書では、用語ＹＡＧとＹＡＧ相とは同義で使用される。
本出願において、用語「酸化イットリウムアルミニウム」とは、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ；イットリウムアルミニウムガーネット／立方晶相）、ＹＡｌＯ３（ＹＡＰ；イットリウムアルミニウムペロブスカイト相）、及びＹ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ；イットリウムアルミニウム単斜晶相）、ならびにこれらの組み合わせを含む、酸化イットリウムアルミニウムの結晶相の形態の少なくとも１種を意味すると理解される。本明細書では、用語ＹＡＧとＹＡＧ相とは同義で使用される。
本明細書では、用語「アルミナ」とは、Ａｌ２Ｏ３を含む酸化アルミニウムであると理解され、用語「イットリア」とは、Ｙ２Ｏ３を含む酸化イットリウムであると理解される。
本明細書では、用語「半導体ウェハ」、「ウェハ」、「基板」、及び「ウェハ基板」は同義で使用される。半導体デバイス業界で使用されるウェハまたは基板の直径は、通常２００ｍｍ、または３００ｍｍ、または４５０ｍｍである。
本明細書では、用語「焼結セラミック体」は、「焼結する」、「体」、または「焼結体」と同義であり、焼成粉末混合物が、該混合物からモノリシック体を創り出す圧力及び熱処理プロセスに供された際に、上記焼成粉末混合物から形成される固体セラミック物品をいう。
本明細書では、用語「ナノ粉末」とは、比表面積が２０ｍ２／ｇ以上である粉末を包含することを意図する。
本明細書では、用語「周囲温度」とは、２２℃～２５℃の温度範囲をいう。
本明細書では、用語「純度」とは、ａ）粉末混合物を形成することができる出発物質、ｂ）処理及び焼成後の粉末混合物、及びｃ）本明細書に開示の焼結セラミック体中に、様々な汚染物質及び／または不純物が存在しないことをいう。１００％に近いより高い純度とは、Ｙ、Ａｌ、及びＯ、ならびに任意選択でドーパント及び／または焼結助剤のみからなる、意図する材料組成のみから構成される、本質的に汚染物質または不純物を有していない材料を表す。
本明細書では、用語「不純物」とは、Ｙ、Ａｌ、及びＯ、ならびに任意選択でドーパント及び／または焼結助剤からなる出発物質それ自体以外の不純物を含む、ａ）粉末混合物を形成することができる出発物質、ｂ）処理後の粉末混合物及び／または焼成粉末混合物、ならびにｃ）焼結セラミック体中に存在する化合物／汚染物質をいう。不純物は、出発粉末物質、処理／混合後の粉末混合物及び／もしくは焼成粉末混合物中に、または焼結中に存在する可能性があり、ｐｐｍとして報告され、より低いｐｐｍレベルがより低い不純物含有量に対応する。本明細書で報告される不純物及び／または全不純物はＳｉＯ２の形態でのＳｉを含まない。純度から不純物への換算は、当業者であれば既知であるが、１重量％が１０，０００ｐｐｍに等しいことを用いて行うことができる。
本明細書で使用される用語「ドーパント」には、出発物質の酸化イットリウム及び酸化アルミニウムは、それらが焼結セラミック体中に残留する可能性がある程度の場合は含まれない。本明細書で定義されるドーパントが、例えば焼結セラミック体において、特定の電気的特性、機械的特性、光学的特性、または結晶粒径の変更などの他の特性を得るために、出発粉末または粉末混合物に意図的に添加される化合物であるという点で、不純物はドーパントとは異なる。
本明細書で使用される用語「焼結助剤」とは、ジルコニア、カルシア、シリカ、またはマグネシアなどの添加剤をいい、上記添加剤は、焼結プロセス中に、緻密化を向上させ、延いては多孔度を低下させる。
本明細書において、ｐｐｍで報告される場合のすべての値は、本明細書に開示の粉末、及び／または本焼結セラミック体の実施形態などの、測定対象の材料の総質量を基準とする。
本明細書では、用語「焼結セラミック部品」とは、本明細書に開示の半導体加工チャンバー中で使用するための特定の部品の形状を形成するための機械加工ステップ後の焼結セラミック体をいう。
本明細書では、用語「粉末混合物」とは、焼結ステップの後に、該焼結ステップによって「焼結セラミック体」に形成される、互いに混合された２種以上の出発粉末を意味する。上記「粉末混合物」に対して焼成を実施して、本明細書に開示の「焼成粉末混合物」を形成してもよい。
本明細書では、用語「ツールセット（ｔｏｏｌ ｓｅｔ）」とは、少なくともダイ及び少なくとも２つのパンチ、ならびに任意選択で追加のスペーサーを含んでいてもよいツールセットである。完全に組み立てられると、上記ツールセットは、開示される粉末混合物または焼成粉末混合物を配置するための容積を画成する。
本明細書で使用される用語「相」は、特定の結晶構造を有する焼結セラミック体の結晶領域を意味すると理解される。
熱処理プロセスに関して使用される場合の用語「焼成」は、本明細書では、例えば、水分及び／もしくは表面不純物を除去するために、結晶化度を高めるために、ならびに／またはいくつかの実施形態において、粉末表面積を低減するために、空気中の粉末あるいは粉末混合物に対して実施されてもよい熱処理ステップを意味すると理解される。
セラミックの熱処理に適用される場合の用語「焼鈍」とは、本明細書では、応力を緩和し、及び／または化学量論を正常化するために、開示されるセラミック焼結体に対して空気中で実施される熱処理を意味すると理解される。
本明細書では、数値に関連して使用される用語「約」は、プラスまたはマイナス１０％の変動を許容する。用語「実質的に」及び「約」は、本明細書では、任意の定量的比較、値、測定値、または他の表現に起因する場合がある固有の不確実性の程度を表すために利用することができる。これらの用語は、対象となる主題の基本的な機能を変化させることなく、定量的表現が記載された基準から変化することができる幅の程度を表すためにも、本明細書において使用される。
装置／スパークプラズマ焼結ツール
本明細書では、内壁及び外壁を備える側壁を備えるダイであって、上記内壁の直径が、少なくとも１種のセラミック粉末を受け入れることができる内容積を画成する上記ダイと、
作動可能に上記ダイに結合した上部パンチ及び下部パンチであって、該上部パンチ及び下部パンチのそれぞれがダイの内壁の直径よりも小さい直径を画成する外壁を有し、それによって、上部パンチ及び下部パンチの少なくとも一方がダイの内容積内で移動する際に、上部パンチ及び下部パンチのそれぞれとダイの内壁との間に間隙を生み出す上記上部パンチ及び下部パンチと
を備え、但し、上記間隙の幅が１０μｍ～１００μｍであり、上記少なくとも１種のセラミック粉末のＡＳＴＭ Ｃ１２７４に準拠して測定した比表面積（ＳＳＡ）が１～１８ｍ／ｇである、スパークプラズマ焼結（ＳＰＳ）ツールが開示される。
本明細書では、内壁及び外壁を備える側壁を備えるダイであって、上記内壁の直径が、少なくとも１種のセラミック粉末を受け入れることができる内容積を画成する上記ダイと、
作動可能に上記ダイに結合した上部パンチ及び下部パンチであって、該上部パンチ及び下部パンチのそれぞれがダイの内壁の直径よりも小さい直径を画成する外壁を有し、それによって、上部パンチ及び下部パンチの少なくとも一方がダイの内容積内で移動する際に、上部パンチ及び下部パンチのそれぞれとダイの内壁との間に間隙を生み出す上記上部パンチ及び下部パンチと
を備え、但し、上記間隙の幅が１０μｍ～１００μｍであり、上記少なくとも１種のセラミック粉末のＡＳＴＭ Ｃ１２７４に準拠して測定した比表面積（ＳＳＡ）が１～１８ｍ／ｇである、スパークプラズマ焼結（ＳＰＳ）ツールが開示される。
図１は、本明細書に開示の、セラミック粉末を焼結して大きな焼結セラミック体を製造するために使用される、簡略化されたダイ／パンチ装置を備えるＳＰＳツール１を示す。通常、上記ダイ／パンチ装置は、当業者であれば認識しようが、真空チャンバー（図示せず）内に存在する。図１を参照すると、スパークプラズマ焼結ツール１は、少なくとも１種のセラミック粉末５を受け入れることができる内容積を画成する直径を有する内壁８を備える側壁を備えるダイシステム２を備える。
引き続き図１を参照すると、スパークプラズマ焼結ツール１は、作動可能にダイシステム２に結合した上部パンチ４及び下部パンチ４’であって、該上部パンチ４及び下部パンチ４’のそれぞれが、ダイシステム２の内壁８の直径よりも小さい直径を画成する外壁１１を有し、それによって、上部パンチ４及び下部パンチ４’のそれぞれの少なくとも一方がダイシステム２の内容積内で移動する際に、上部パンチ４及び下部パンチ４’のそれぞれとダイシステム２の内壁８との間に間隙３を生み出す上記上部パンチ４及び下部パンチ４’を備える。
上記ダイシステム２ならびに上部パンチ４及び下部パンチ４’は、少なくとも１種のグラファイト材料を含んでいてもよい。特定の実施形態において、本明細書に開示のグラファイト材料（複数可）は、少なくとも１種の等方性グラファイト材料を含んでいてもよい。他の実施形態において、本明細書に開示のグラファイト材料（複数可）は、例えば炭素－炭素複合材料、及び等方性グラファイト材料のマトリクス中に、炭素などの他の導電性材料の繊維、粒子、またはシートもしくはメッシュもしくはラミネートを含むグラファイト材料などの、少なくとも１種の強化グラファイト材料を含んでいてもよい。他の実施形態において、上記ダイならびに上部及び下部パンチは、これらの等方性グラファイト材料及び強化グラファイト材料の組み合わせを含んでいてもよい。
例えば、ダイ６及びパンチ４及び４’などの、上記ツールの一部またはすべての部品に使用されるグラファイト材料は、約５％～約２０％、約５％～約１７％、約５％～約１３％、約５％～約１０％、５％～約８％、約８％～約２０％、約１２％～２０％、約１５％～約２０％、約１１％～約２０％、約５％～１５％、６％～約１３％、好ましくは約７％～約１２％の多孔度を示す多孔性グラファイト材料を含んでいてもよい。
上記グラファイト材料の平均細孔径（ｐｏｒｅ ｓｉｚｅ）（細孔径（ｐｏｒｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ））は、０．４～５．０μｍ、好ましくは１．０～４．０μｍであることが好ましく、上記グラファイト材料は、表面細孔径が最大で３０μｍ、好ましくは最大で２０μｍ、好ましくは最大で１０μｍの細孔を含むことが好ましい。表面細孔径が１０～３０μｍの細孔が存在できることがより好ましい。
本明細書に開示のツールに使用されるグラファイト材料の平均結晶粒径は、０．０５ｍｍ未満、好ましくは０．０４ｍｍ未満、好ましくは０．０３ｍｍ未満、好ましくは０．０２８ｍｍ未満、好ましくは０．０２５ｍｍ未満、好ましくは０．０２ｍｍ未満、好ましくは０．０１８ｍｍ未満、好ましくは０．０１５ｍｍ未満、好ましくは０．０１０ｍｍ未満であってよい。
本明細書に開示のツールに使用されるグラファイト材料の平均結晶粒径は、０．００１ｍｍ超、好ましくは０．００３ｍｍ超、好ましくは０．００６ｍｍ超、好ましくは０．００８ｍｍ超、好ましくは０．０１０ｍｍ超、好ましくは０．０１２ｍｍ超、好ましくは０．０１４ｍｍ超、好ましくは０．０２０ｍｍ超、好ましくは０．０２５ｍｍ超、好ましくは０．０３０ｍｍ超であってよい。
本明細書に開示のツールに使用されるグラファイト材料の密度は、１．４５ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは１．５０ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは１．５５ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは１．６０ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは１．６５ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは１．７０ｇ／ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは１．７５ｇ／ｃｍ３以上であってよい。
本明細書に開示のツールに使用されるグラファイト材料の密度は、１．９０ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは１．８５ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは１．８０／ｃｍ３以下であってよい。
実施形態において、上記グラファイト材料の約４００～約１４００℃の温度範囲にわたる熱膨張係数（ＣＴＥ）は、３．３×１０－６／℃以上、３．５×１０－６／℃以上、３．７×１０－６／℃以上、４．０×１０－６／℃以上、４．２×１０－６／℃以上、４．４×１０－６／℃以上、４．６×１０－６／℃以上、４．８×１０－６／℃以上である。
実施形態において、上記グラファイト材料の約４００～約１４００℃の温度範囲にわたる熱膨張係数（ＣＴＥ）は、７．０×１０－６／℃以下、好ましくは６．０×１０－６／℃以下、好ましくは５．０×１０－６／℃以下、好ましくは４．８×１０－６／℃以下、好ましくは４．６×１０－６／℃以下であってよい。
表１に本明細書に開示の例示的なグラファイト材料の特性を掲載する。
上記ダイシステム２は、ダイ６と、任意選択で但し好ましくは、図２Ａ～２Ｃの実施形態に示すダイの内壁上に配置された少なくとも１つの導電性箔７を備える。上記ダイの内壁上の導電性箔の数は限定されず、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０個の導電性箔が、ダイ６と上部パンチ４及び下部パンチ４’のそれぞれとの間に円周方向のライナーとして設置され、それによって、ダイシステム２の内壁８（存在する場合、少なくとも１つの導電性箔を備える）と、上記上部パンチ及び下部パンチのそれぞれの外壁１１が間隙３を画成する。上記少なくとも１つの導電性箔７は、本明細書に開示の方法に係る温度範囲内で安定である、グラファイト、ニオブ、ニッケル、モリブデン、白金、及び他の延性のある導電性材料、ならびにそれらの組み合わせを含んでいてもよい。
特定の実施形態において、上記導電性箔は、以下の特徴の１つ以上を有する、本明細書に開示の可撓性且つ圧縮性のグラファイト箔を含んでいてもよい。
・９９重量％を超える、好ましくは９９．２重量％を超える、より好ましくは９９．４重量％を超える、より好ましくは９９．６重量％を超える、より好ましくは９９．８重量％を超える、より好ましくは９９．９重量％を超える、より好ましくは９９．９９重量％を超える、より好ましくは９９．９９９重量％を超える炭素含有量；
・５００ｐｐｍ未満、好ましくは４００ｐｐｍ未満、より好ましくは３００ｐｐｍ未満、より好ましくは２００ｐｐｍ未満、より好ましくは１００ｐｐｍ未満、より好ましくは５０ｐｐｍ未満、より好ましくは１０ｐｐｍ未満、好ましくは５ｐｐｍ未満、より好ましくは３ｐｐｍ未満である不純物；
・４．０～６．０ＭＰａ、好ましくは４．２～５．８ＭＰａ、より好ましくは４．４～５．６ＭＰａの範囲の引張強さ；及び
・好ましくは、１．０～１．２ｇ／ｃｃ、好ましくは１．０２～１．１８ｇ／ｃｃ、より好ましくは１．０４～１．１６ｇ／ｃｃ、より好ましくは１．０６～１．１６ｇ／ｃｃの範囲の嵩密度。
・９９重量％を超える、好ましくは９９．２重量％を超える、より好ましくは９９．４重量％を超える、より好ましくは９９．６重量％を超える、より好ましくは９９．８重量％を超える、より好ましくは９９．９重量％を超える、より好ましくは９９．９９重量％を超える、より好ましくは９９．９９９重量％を超える炭素含有量；
・５００ｐｐｍ未満、好ましくは４００ｐｐｍ未満、より好ましくは３００ｐｐｍ未満、より好ましくは２００ｐｐｍ未満、より好ましくは１００ｐｐｍ未満、より好ましくは５０ｐｐｍ未満、より好ましくは１０ｐｐｍ未満、好ましくは５ｐｐｍ未満、より好ましくは３ｐｐｍ未満である不純物；
・４．０～６．０ＭＰａ、好ましくは４．２～５．８ＭＰａ、より好ましくは４．４～５．６ＭＰａの範囲の引張強さ；及び
・好ましくは、１．０～１．２ｇ／ｃｃ、好ましくは１．０２～１．１８ｇ／ｃｃ、より好ましくは１．０４～１．１６ｇ／ｃｃ、より好ましくは１．０６～１．１６ｇ／ｃｃの範囲の嵩密度。
実施形態において、上記少なくとも１つの箔は、通常グラファイトを含む。特定の実施形態において、上記ダイシステムの一部としての上記少なくとも１つの箔は、ダイの表面と上部パンチ及び下部パンチのそれぞれとの間の円周方向のライナーを構成する。
上記グラファイト箔は、焼結中の粉末全体にわたる温度分布を改善することができる。表２に、Ｎｅｏｇｒａｆ Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）、Ｓｉｇｒａｆｌｅｘ（登録商標）グラファイト箔、及びＴｏｙｏ Ｔａｎｓｏ Ｐｅｒｍａ－Ｆｏｉｌ（登録商標）などの、本明細書に開示の実施形態に係る例示的なグラファイト箔の特性を掲載する。
ここで図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃを参照すると、グラファイト箔の配置の実施形態を伴うＳＰＳツールセットが示される。セラミック粉末５は、上部パンチ４及び下部パンチ４’の少なくとも一方の間に配置され、間隙３は、上部パンチ及び下部パンチのそれぞれの外壁１１とダイシステム２の内壁８との間に示されている。図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、それぞれ１～３層の導電性箔７及びダイシステム２の一部としてのダイ６を示す。したがって、上記間隙は、ダイシステム２の内壁８から上部パンチ及び下部パンチのそれぞれの外壁１１にわたっている。間隙距離は、加熱及び焼結の前ならびに／または加熱及び焼結中に上記粉末を脱気することができ、同時にパンチとダイの間のオーミック接触を維持して、加熱及び焼結中のセラミック粉末全体にわたる温度分布を改善することができるように整えられる。
上記グラファイト箔の厚さは、例えば、０．０２５～０．２６０ｍｍ、好ましくは０．０２５～０．２００ｍｍ、好ましくは０．０２５～０．１７５ｍｍ、好ましくは０．０２５～０．１５０ｍｍ、好ましくは０．０２５～０．１２５ｍｍ、好ましくは０．０３５～０．２００ｍｍ、好ましくは０．０４５～０．２００ｍｍ、好ましくは０．０５５～０．２００ｍｍであってよい。
間隙３の距離は、上部パンチ４及び下部パンチ４’に最も近接した箔７の内側に面した表面から、上部及び下部パンチのそれぞれの外壁１１までで測定される。間隙３の距離の好ましい範囲は、１０～１００μｍ、１０～８０μｍ、１０～７０μｍ、１０～６０μｍ、好ましくは１０～５０μｍ、３０～７０μｍ、２０～６０μｍ、３０～６０μｍである。
さらに、ダイシステム２の内壁８と、上部パンチ４及び下部パンチ４’のそれぞれの外壁１１との間での間隙３の幅は、一方では、予熱プロセス、加熱プロセス、及び焼結プロセス中の粉末の脱気が十分に促進され、他方では、ジュール加熱または抵抗加熱のための十分な電気的接触、延いては焼結が達成されるように、当業者が決定することができる。間隙３の距離が１０μｍ未満の場合、上記ダイシステムの内部容積内で上部パンチ及び下部パンチの少なくとも一方を移動させ、それによりツールセットを組み立てるのに必要な力により、ツールセットに損傷が生じる場合がある。さらに、間隙３が１０ｕｍ未満の場合、セラミック粉末５内の吸着ガス、有機物、湿気等の排出ができなくなる可能性があり、そのことにより製造中の処理時間が長くなり、焼結セラミック体中に多孔性が残留し、延いては焼結セラミック体の密度が低下する可能性がある。間隙３の幅が７０μｍを超えると、本明細書に開示の、高抵抗率（例えば、室温において約１×１０＋１０オーム・ｃｍ以上）を有する、酸化物及び／または窒化物セラミックを含む酸化物セラミック、ならびに非導電性混合金属酸化物などの絶縁材料を焼結する場合、局所的な過熱が発生し、焼結中にツールセット内に温度勾配が生じる可能性がある。結果として、高い抵抗率（したがって低い導電率）を有する非導電性セラミック粉末から大寸法の焼結セラミック体を形成するためには、１０～７０ｕｍの間隙が好ましい。したがって、いくつかの実施形態において、酸化物または窒化物セラミックを含むセラミック粉末を焼結する場合の、ダイシステム２の内壁８と上部パンチ及び下部パンチのそれぞれの外壁１１との間の間隙３の距離は、好ましくは１０～７０μｍ、好ましくは１０～６０μｍ、好ましくは１０～５０μｍ、好ましくは１０～４０μｍ、好ましくは２０～７０μｍ、好ましくは３０～７０μｍ、好ましくは４０～７０μｍ、好ましくは５０～７０ｕｍ、できれば３０～６０μｍである。特定の理論に拘束されることを意図するものではないが、焼結中のダイシステム２の内壁８と上部パンチ及び下部パンチのそれぞれの外壁１１との間の間隙の距離によって、予備焼結プロセス及び焼結プロセス中の有機物、水分、吸着分子などの粉末からの脱気が促進されると考えられる。これによって、高密度且つ低体積多孔度であり、密度の変動が小さく、機械的特性が改善された大型の焼結セラミック体が得られ、その結果、この焼結セラミック体は、破損することなく容易に取り扱うことができる。本明細書に開示されるようにして製造されたＹＡＧを含む焼結セラミック体の寸法は、該焼結セラミック体の最大寸法について言えば、１００ｍｍ～６１０ｍｍまたはそれ以上とすることができる。
実際には、上部パンチ４及び下部パンチ４’は、必ずしも中心軸の周りに完璧に整列しているとは限らない。図３Ａ及び図３Ｂはツールセット１の平面図であり、上部パンチ４及び下部パンチ４’、間隙３、任意の数の導電性箔７、及びダイシステム２の、中心軸９の周りの配置を示している。図３Ａに示す実施形態において、上記間隙は中心軸９に関して軸対称であってもよい。図３Ｂに示す他の実施形態において、上記間隙は中心軸９に関して非対称であってもよい。本明細書に開示の酸化物及び／または窒化物セラミックを焼結する場合は、間隙３は１０ｕｍ～７０ｕｍの距離にわたっていてもよく、本明細書に開示の非酸化物セラミックを焼結する場合は、図に示す軸対称及び非対称の実施形態の両方において、１０ｕｍ～１００ｕｍの距離にわたっていてもよい。
間隙の非対称性性能は、ある範囲の温度にわたって絶対的な半径方向のＣＴＥ偏差の分析を行うことによって測定することができる。例えば、図４は、本明細書に開示の装置のパンチ及びダイとして使用される２種の等方性グラファイト材料（Ａ及びＢ）の、１２００℃における平均ＣＴＥからの半径方向の偏差を示す。図４は、広い温度範囲にわたって所望の間隙を維持することが可能な材料であるためには、例えば室温～２０００℃で、ｘ－ｙ面における半径方向の偏差が、最大で０．３×１０－６を超える幅で変化してはならないことを示している。材料Ｂはｘ－ｙ面において許容できないＣＴＥの拡大を示す一方、材料Ａは温度範囲全体を通じて許容できるＣＴＥの拡大を示した。図５は、当該温度範囲にわたる、図４の両方の材料のｘ－ｙ面にわたる、ａ）グラファイト材料のＣＴＥのｐｐｍで表した標準偏差、及びｂ）ＣＴＥの絶対値での変動（デルタ）（最低値から最高値まで）を示す。図６は、４００～１４００℃におけるグラファイト材料Ａ及びＢの熱膨張係数の変動を示している。
一実施形態に従って使用される特定のツールセットの設計の利点は、純度が非常に高く、密度が高く且つ均一であり、体積多孔度が低く、それらによって、本開示に係る焼結プロセス、特にＳＰＳプロセスにおける破損の傾向が低下した、大型のセラミック体を提供するための全体的な技術的効果につながる可能性がある。したがって、ツールセットに関して開示されるすべての特徴は、１００ｍｍを超える寸法の焼結セラミック体の製品にも適用される。
本明細書に開示のツールセットを使用することにより、焼結する粉末の温度分布をより均一にすること、及び密度が非常に高く（所与の材料の理論密度の９８％を超える）且つ均一であり（最大寸法にわたって変動が４％未満）、それによって破損の傾向が低下した焼結セラミック体、特に、最大寸法が例えば１００ｍｍ及び／または２００ｍｍを超える大寸法の焼結セラミック体を製造することが可能になる。
本開示のツールセットは、スペーサーエレメント、シム、ライナー、及び他のツールセット部品をさらに含んでいてもよい。一般的には、かかる部品は、本明細書に開示の特性を有する少なくとも１種のグラファイト材料から製造される。
組成
以下の詳細な説明は、本開示が、半導体ウェハ基板の製造の一部として必要なエッチングチャンバーまたは蒸着チャンバーなどの装置内で実施されることを前提としている。但し、本発明はそのように限定はされない。加工物は、さまざまな形状、サイズ、及び材料のものであってよい。半導体ウェハの加工に加えて、本発明を利用することができる他の加工物としては、微細な形体サイズの無機回路基板、磁気記録媒体、磁気記録センサー、ミラー、光学素子、マイクロメカニカルデバイスなどのさまざまな物品が挙げられる。
以下の詳細な説明は、本開示が、半導体ウェハ基板の製造の一部として必要なエッチングチャンバーまたは蒸着チャンバーなどの装置内で実施されることを前提としている。但し、本発明はそのように限定はされない。加工物は、さまざまな形状、サイズ、及び材料のものであってよい。半導体ウェハの加工に加えて、本発明を利用することができる他の加工物としては、微細な形体サイズの無機回路基板、磁気記録媒体、磁気記録センサー、ミラー、光学素子、マイクロメカニカルデバイスなどのさまざまな物品が挙げられる。
半導体デバイスの加工中、耐食性部品またはチャンバー部品はエッチングチャンバー及び／または蒸着チャンバー内で使用され、過酷な環境に曝露され、その環境によってエッチングチャンバー及び／または蒸着チャンバー中への粒子の放出が起こり、その結果ウェハレベルの汚染に起因して歩留まりが低下する。本焼結セラミック体及び該セラミック体から製造された部品は、以下に説明する特定の材料特性及び特徴によって、プラズマエッチング耐性が向上し、且つ半導体加工チャンバー内で清浄化される能力が高められる。
一実施形態において、本明細書では、９０体積％～９９．９体積％の多結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）と、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～４％の体積多孔度とを含む焼結セラミック体が開示される。実施形態において、本焼結セラミック体は、本明細書に開示の材料及び方法を使用することにより、９０～９９．８体積％、好ましくは９０～９９．６体積％、好ましくは９０～９９．４体積％、好ましくは９３～９９．９体積％、好ましくは９３～９９．８体積％、好ましくは９３～９９．６体積％、好ましくは９３～９９．４体積％の量の、立方晶構造のＹＡＧを含んでいてもよい。本焼結セラミック体は、０．１～３％、好ましくは０．１～２％、好ましくは０．１～１％、好ましくは０．１～０．７５％、好ましくは０．１～０．５％の量の体積多孔度を含んでいてもよい。
別の実施形態において、本明細書では、９０～９９．９体積％の多結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）と、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～４％の体積多孔度とを含み、０．１～２体積％、好ましくは０．１～１．５体積％、好ましくは０．１～１体積％、好ましくは０．１～０．８体積％、好ましくは０．１～０．６体積％、好ましくは０．１～０．４体積％の量で存在する、酸化イットリウム及び酸化アルミニウム、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物をさらに含む焼結セラミック体が開示される。
さらなる実施形態において、本明細書では、９０～９９．８体積％の量の、少なくとも１種の形態の多結晶酸化イットリウムアルミニウム、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～５％未満の体積多孔度、ＩＣＰＭＳ法によって測定した９９．９９％を超える純度、及びＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠して測定した少なくとも１２００ＨＶの硬度を含む焼結セラミック体が開示される。本焼結セラミック体は、少なくとも１種の多結晶酸化イットリウムアルミニウム相または、特定の実施形態において、イットリウムアルミニウムガーネット Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）相、イットリウムアルミニウムペロブスカイト ＹＡｌＯ３（ＹＡＰ）、及び単斜晶系イットリウムアルミニウム Ｙ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）、ならびにそれらの組み合わせを含む酸化イットリウムアルミニウムの組み合わせを含む。
エッチングまたは蒸着プロセスに関連する半導体加工反応器は、半導体加工に必要な反応性プラズマによる化学的腐食に対して高い耐性を有する材料から製造されたチャンバー部品を要する。これらのプラズマまたはプロセスガスは、Ｏ２、Ｆ、Ｃｌ２、ＨＢｒ、ＢＣｌ３、ＣＣｌ４、Ｎ２、ＮＦ３、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、Ｃ２Ｈ４、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２などのさまざまなハロゲン、酸素、及び窒素系の化学物質で構成される。本明細書に開示の耐食性材料を使用することにより、使用中の化学的腐食及び劣化を低減される。さらに、非常に高純度の焼結セラミック体などのチャンバー構成材料を提供することによって、腐食または侵食の開始部位と作用する可能性がある不純物の少ない、均一に耐食性のある焼結セラミック体が提供される。チャンバー部品として使用するための材料には、侵食または剥離に対する高い耐性も求められる。侵食または剥離は、Ａｒなどの不活性プラズマガスを使用することによるコンポーネント部品表面のイオン衝撃に由来する場合がある。硬度の値が高いこれらの材料は、該材料の硬度値が向上することによってイオン衝撃に対する耐性、延いては侵食に対する耐性がより大きくなることに起因して、部品としての使用に好ましい可能性がある。さらに、微細なスケールで分布した多孔度が最小の高密度材料から製造される部品では、エッチング及び蒸着プロセス中の腐食ならびに侵食に対する耐性がより大きくなる可能性がある。結果として、好ましいチャンバー部品は、プラズマエッチング、蒸着、及びチャンバー洗浄プロセス中の高い耐侵食性及び耐食性を有する材料から製造されたものであってよい。この腐食及び侵食に対する耐性によって、半導体加工中に部品表面からエッチングチャンバーまたは蒸着チャンバー中に粒子が放出されることが防止される。かかる粒子の加工チャンバー中への放出または脱粒は、ウェハ汚染、半導体プロセスのふらつき（ｄｒｉｆｔ）、及び半導体デバイスレベルの歩留まり低下の一因となる。
さらに、チャンバー部品は、部品の設置、取り外し、洗浄に、及び加工チャンバー内での使用中に必要とされる取扱い性のために、十分な曲げ強さ及び剛性を有している必要がある。高い機械的強度により、破損、亀裂、欠け落ちを生じることなく、本焼結セラミック体に微細なジオメトリーの複雑な形体を機械加工することが可能になる。曲げ強さまたは剛性は、最先端のプロセスツールにおいて使用される大きな部品サイズで特に重要になる。直径約２００～６２２ｍｍ以上のチャンバーウィンドウなどの一部の部品用途においては、真空条件下での使用中に当該ウィンドウに大きな応力がかかり、高強度且つ高剛性の耐食性材料を選択する必要がある。
プラズマプロセスの一部としてイオン衝撃が発生する半導体加工チャンバー用途で使用する場合、使用中の侵食に耐えるために、セラミック焼結体から形成されたチャンバー部品の高度が高いことが好ましい。高い硬度値によって、特定の部品の形態に機械加工する際に、焼結体の表面で欠け落ち、剥離、または損傷を生じることなく、焼結セラミック体に微細な形体を創出する能力が可能になる。
半導体チャンバー部品には、プラズマ生成効率を向上させるために、特にプラズマ加工チャンバーで使用される１ＭＨｚ～２０ＧＨｚの高周波で、誘電損失が可能な限り低い材料が好ましい。誘電損失がより高いこれらの部品の材料におけるマイクロ波のエネルギーの吸収により発生する熱によって、部品上に不均一な加熱及び大きな熱ストレスが生じ、使用中の熱ストレスと機械的ストレスの組み合わせによって、製品設計及び製品の複雑さが制限される場合がある。
上述の要件を満たすために、本明細書に開示の焼結セラミック体は、酸化イットリウムアルミニウムの形態の１種または複数種の組み合わせを含む焼結セラミック体から製造することができる。上記酸化イットリウムアルミニウムの形態としては、組成Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）の立方晶ガーネット相、組成ＹＡｌＯ３（ＹＡＰ）のペロブスカイト相、及び組成Ｙ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）を有する単斜晶相が挙げられる。
本明細書に開示の、高い化学的耐食性及び耐侵食性を必要とする半導体エッチング及び蒸着用途で使用するために、実施形態において、本焼結セラミック体は、好ましくは本明細書に開示のＸ線回折（ＸＲＤ）、走査型電子顕微鏡画像化技法、及び画像処理ソフトウェアの組み合わせを使用して測定して、９０体積％～９９．９体積％、好ましくは９０体積％～９９．８体積％、好ましくは９０体積％～９９．６体積％、好ましくは９０体積％～９９．４体積％、好ましくは９３～９９．９体積％、好ましくは９３～９９．８体積％、９３～９９．６体積％、好ましくは９３～９９．４体積％の量のＹＡＧ結晶相を含むことが好ましい。本明細書に開示の焼結セラミック体は、好ましくは多結晶性であり、したがって、本焼結セラミック体は複数の結晶を含んでいてもよい。但し、これに限定はされない。
本明細書に開示の、高い化学的耐食性及び耐侵食性を必要とする半導体エッチング及び蒸着用途で使用するための他の実施形態において、本焼結セラミック体は、９０体積％～９９．８体積％、好ましくは９０～９９．６体積％、好ましくは９０～９９．４体積％の量のＹＡＧ相、ならびに、本明細書に開示のＸ線回折、走査型電子顕微鏡画像解析技術、及び画像処理ソフトウェアの組み合わせを使用して測定して０．１～２体積％の量で存在する、酸化イトリウム及び酸化アルミニウム、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物を含むことが好ましい。本明細書に開示のＹＡＧ及び酸化アルミニウムを含む焼結セラミック体は好ましくは多結晶性であり、したがって、該焼結セラミック体は２種以上の結晶を含んでいてもよい。但し、これに限定はされない。
一実施形態において、本明細書に開示の焼結セラミック体は、約９９．８体積％の、ＹＡＧ、ＹＡＰ、またはＹＡＭの酸化イットリウムアルミニウムのいずれか１種の単結晶相を含んでいてもよい。他の実施形態において、本焼結セラミック体は、本明細書に開示の酸化イットリウムアルミニウムの２種以上の離散相もしくは連続相のマトリクスまたは複合体構造を含んでいてもよい。さらなる実施形態において、本焼結セラミック体は、酸化イットリウムアルミニウムＹＡＧ、ＹＡＰ、及びＹＡＭのいずれか１種または組み合わせ、好ましくはＹＡＧ結晶相の主相と共に、酸化アルミニウム及び／または酸化イットリウムの少量成分相を含んでいてもよい。
いくつかの実施形態において、本明細書に開示の焼結セラミック体は、９０～９９．６体積％の立方晶相、ＹＡＧを含んでいてもよい。特定の実施形態において、本明細書に開示の焼結セラミック体は、９９～９９．８体積％のＹＡＧの立方晶相と、０．２～１％の酸化アルミニウム相を含んでいてもよい。本明細書に開示の焼結セラミック体のすべての実施形態は、好ましくは多結晶であり、したがって、本焼結セラミック体は２種以上の結晶を含んでいてもよい。但し、これに限定はされない。
目安として、図７は酸化イットリウム／酸化アルミニウムの２成分状態図を示す。横軸はイットリアとアルミナのモルパーセントでの混合比に対応し、縦軸は摂氏で表した温度である。横軸の左側は１００％のアルミナに相当し、右側は１００％のイットリアに相当する。図７の状態図は、ＹＡＧ、ＹＡＰ、及びＹＡＭの酸化イットリウムアルミニウム相が形成される領域、ならびにそれらの形態が生成するために必要なモル組成及び温度の条件を示している。ＹＡＧを形成するには、化学量論を維持し、且つそのようにして、３７．５モル％の酸化イットリウム及び６２．５モル％の酸化アルミニウムの、相純度が高いＹＡＧを含む焼結セラミック体を形成するための慎重な組成制御を必要とする場合がある。
本明細書に開示の方法に従って製造された焼結セラミック体、及び該焼結体から作製された焼結セラミック部品は、好ましくは高密度を有する。密度測定は、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠したアルキメデス浮力法を使用して実施した。上記密度測定は、水などの既知の密度の液体を補助として使用し、且つ空気中でも試料を秤量し、以下の式：
に従って実施した。
式中、Ａ＝空気中での試料の重量、Ｂ＝液体中での試料の重量、Ｄａ＝空気の密度（０．００１２ｇ／ｃｃ）、及びＤｌ＝液体の密度である。この計算を使用して、密度を本明細書に開示されるように高精度で測定することができる。
報告された密度値及び標準偏差は、５点の測定値にわたる平均値である。市販のＹＡＧの単結晶試料の密度を、本明細書に開示の方法を使用して測定した。５点の測定値にわたる４．５５６ｇ／ｃｃのアルキメデス密度が得られ、この値を本明細書で使用するＹＡＧの理論密度と見なす。本明細書の実施形態に開示される、相純度が高いＹＡＧを、該ＹＡＧの相の最大で９９．８体積％の量で含むセラミック焼結体、及び最大で１体積％の過剰なアルミナを含むＹＡＧを含むセラミック焼結体の密度は、例えば、４．３７４～４．５５６ｇ／ｃｃ、４．４１９～４．５５６ｇ／ｃｃ、４．４６５～４．５５６ｇ／ｃｃ、４．５１０～４．５５６ｇ／ｃｃ、４．５３３～４．５５６ｇ／ｃｃであるか、またはＹＡＧの理論密度に対する割合で、９６～９９．９９９％、９７～９９．９９９％、９８～９９．９９９％、９９～９９．９９９％、９９．５～９９．９９９％であってよい。相当する体積多孔度（Ｖｐ）は、本明細書に開示の規格に準拠して実施した密度測定から算出して、０．０１０～５％未満、０．０１０～４％、０．０１０～３％、０．０１０～３％、０．０１０～２％、０．０１０～１％、好ましくは１％未満、好ましくは０．５％未満であってよい。所与の材料の相対密度（ＲＤ）は、以下の式に示すように、同一材料について報告された理論密度に対する当該試料の実測密度の比率として定義される。体積多孔度（Ｖｐ）は、密度の測定値から以下、すなわち、
（式中、ρ試料はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して測定した（アルキメデス）密度であり、ρ理論は本明細書に開示の測定した理論密度であり、ＲＤは相対的比率での密度である）のように算出される。この計算を使用して、本明細書に開示のセラミック焼結体の測定した密度値から、０．１～５％以下の割合で示した多孔度レベルが算出された。したがって、実施形態において、本明細書に開示の酸化イットリウムアルミニウムＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、表３に掲載される焼結セラミック体中に、０．１～５％、好ましくは０．１～４％、好ましくは０．１～３％、好ましくは０．１～２％、好ましくは０．１～１％の量の体積多孔度を含む。
本明細書に開示のセラミック焼結体の結晶相及び画像に基づく多孔度の測定は、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像処理ソフトウェアの使用の組み合わせを使用して実施した。ＸＲＤは、約±５体積％の範囲の結晶相の同定が可能なＰＡＮａｎｌｙｔｉｃａｌ Ａｅｒｉｓ ＸＲＤ型を使用して実施した。したがって、本明細書に開示のセラミック焼結体のＸＲＤは、最大で約９５体積％の相純度を測定することができる。より高い精度、例えば、最大で約９９．８体積％の相純度を測定するために、ＳＥＭ画像を、当業者に公知の後方散乱検出（ＢＳＤ）法を使用して撮影した。ＢＳＤを使用すると、ＹＡＧ相は灰色に見え、結晶粒の配向に応じて多少変化し、酸化アルミニウム相は黒色に見え、酸化イットリウム相は白色に見え、多孔性（存在する場合）も黒色に見える。試料５１２について、ＢＳＤ法を使用して５０００倍で画像を撮影し、図２６のａ）に示す、ＹＡＧ相、アルミナ相、及びイットリア相、ならびに存在する任意の多孔性を同定した。
アルミナを含む黒色領域と多孔性を含む黒色領域とを区別するために、ＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェアを使用して上記ＢＳＤ画像を白黒閾値処理し、図２６のｂ）に同一の領域として示されている、多孔性またはアルミナのいずれかを含む可能性のある上記ＢＳＤ画像中の黒色領域を強調した。ＩｍａｇｅＪは、米国国立衛生研究所（ＮＩＨ）において開発され、科学的な多次元画像の画像処理のためのＪａｖａベースのパブリックドメイン画像処理及び画像解析プログラムである。本明細書に開示の測定に使用されるＢＳＤ検出器は、トポグラフィーの形体を測定するさらなる能力を有し、それにより、表面多孔性などの表面トポグラフィーにおける任意の偏差を強調する。ＢＳＤ検出器のトポグラフィーモードを使用して、トポグラフィー画像を、セラミック焼結体の図２６のａ）に示すものと同一の領域の表面にわたって、５０００倍で撮影し、そのトポグラフィー画像を２７ａ）に示す。ＩｍａｇｅＪでトポグラフィー画像を閾値処理した後には、表面多孔性を含む領域が図２７のｂ）に示すように強調された。その後、図２７のｂ）のトポグラフィー画像内の表面多孔性を含む領域を、図２６のｂ）のＢＳＤ画像におけるアルミナ及び／または多孔性を含む領域から差し引いて、試料５１２に対応する焼結セラミック体中のアルミナ相を含む面積の割合、延いては体積の割合を得た。複数のＳＥＭ画像化モードのこれらの解析ツールとＩｍａｇｅＪ解析の併用により、約±０．１体積％の信頼性での相純度の測定を行うことができる。開示される方法を使用して、試料５１２が、約０．１～約０．２体積％のアルミナ相、約０．１～約０．２体積％の多孔度、及び約９９．６～約９９．８体積％のＹＡＧ相を含むことが測定された。上記イットリア相は、本明細書に開示の相の測定方法を使用すると、０．０１％以下の面積に基づく量で存在し、これは信頼限界を下回っており、したがって酸化イットリウム相は相対的な相の量に含めなかった。表３に、本明細書に開示の焼結セラミック体の結晶相純度及び体積多孔度を掲載する。したがって、それぞれ体積％で、９０～９９．９％、好ましくは９０～９９．８％、好ましくは９０～９９．７％、好ましくは９０～９９．６％、好ましくは９３～９９．８体積％、好ましくは９３～９９．７％、好ましくは９３～９９．６％の量のＹＡＧ相を含む焼成セラミック体を、本明細書に開示の材料及び方法を使用して形成することができる。ＩｍａｇｅＪ解析法を、焼結セラミック体中の細孔径と細孔面積の相対量を評価するためにも使用した。図２８のａ）及びｂ）は、ＹＡＧを含む焼結セラミック体の表面の面積に基づく細孔／多孔度の測定値を示す。図２８のａ）は、縦軸に７つのＳＥＭ画像のそれぞれの細孔または多孔度（細孔面積）を含む表面積の割合を示し、横軸は、ミクロンで表した所与の細孔面積の割合に対応する細孔径を表す。本明細書に開示のＩｍａｇｅＪソフトウェア法を使用し、７つのＳＥＭ画像にわたって細孔径及び総細孔面積を測定した。画像を５０００倍で撮影し、それぞれの総面積は約５３．７ｕｍ×５３．７ｕｍで、これは約２８８５ｕｍ２の単一画像の測定面積に相当していた。上記総細孔面積を上記単一画像の測定面積と共に使用して、細孔面積の割合を得た。７つの画像のいずれか１つの内の領域は、総表面積に対する割合で、約０．０００５～約０．０１２％、好ましくは約０．０００５～約０．０１１％、好ましくは約０．０００５～約０．０１０５％の多孔性を含んでいた。
図２８のｂ）は、ｍｍ２で表した図２８のａ）の７つの画像の総面積のそれぞれにわたって正規化し、割合で表した、ｕｍ２で表した多孔性を含む面積の累積値（累積細孔面積）を、横軸上のそれぞれの孔径に対して対数目盛で示している。ＹＡＧを含む本焼結セラミック体は、約２～約８００ｕｍ２／ｍｍ２、好ましくは約２～約６００ｕｍ２／ｍｍ２、好ましくは約２～約４００ｕｍ２／ｍｍ２、好ましくは約２～約３００ｕｍ２／ｍｍ２の累積細孔面積率を含んでいてもよい。図２８ｂ）は、それぞれの細孔径に対する、割合で表した多孔性を含む面積の合計を示す。本ＹＡＧ焼結セラミック体内の解析した７つの画像を通じて、０．６ｕｍを超える細孔径の細孔は測定されなかった。したがって、本明細書に開示の焼結セラミック体では、それぞれの面積が約５４ｕｍ×５４ｕｍの７つの画像にわたって、１ｕｍ未満の細孔径に相当する多孔性を含む表面の割合は非常に低く（０．１面積％未満）、そのため、プラズマ加工チャンバー中で使用するための焼結セラミック体の耐食性且つ耐侵食性の表面、延いては耐食性且つ耐侵食性の塊が提供される。
図２９のａ）は、熱エッチングプロセス後のＹＡＧを含む焼結セラミック体のＳＥＭ顕微鏡写真を示し、小さな寸法の少数の細孔を示している。本明細書に開示のＹＡＧ焼結セラミック体は、径が５ｕｍ以下であり、サブミクロンスケールまで低下した、０．１ｕｍ～５ｕｍまでも小さてよい細孔を含んでいてもよい。本明細書に開示の実施形態によれば、ＹＡＧを含む焼結セラミック体は、最大径が０．１～５ｕｍ、好ましくは０．１～４ｕｍ、好ましくは０．１～３ｕｍ、好ましくは０．１～２ｕｍ、好ましくは０．１～１ｕｍ、好ましくは０．１～０．６ｕｍであってもよい細孔を含んでいてもよい。
図２９のｂ）は、図２８の７つのＳＥＭ顕微鏡写真のそれぞれについて、割合で表した、全画像領域にわたる多孔性を含む面積の合計を示す。すべての画像にわたって、割合で表した多孔度は、０．００１～０．０３％、好ましくは０．００１～０．０２５％、好ましくは０．００１～０．０２％、好ましくは０．００１～０．０１５％、好ましくは０．００１～０．０１０％であった。したがって、本明細書に開示の焼結セラミック体の多孔性を含む表面の割合は、約５４ｕｍ×５４ｕｍの面積の画像にわたって非常に低く（面積で１％未満）、したがって、プラズマ加工チャンバー中で使用するための焼結セラミック体の耐食性且つ耐侵食性の表面、延いては耐食性且つ耐侵食性の塊が提供される。
これらの密度、相純度、及び多孔度レベルによって、プラズマエッチング及び蒸着加工から生じる侵食ならびに腐食の影響に対する耐性の向上の相乗効果を得ることができる。開示される方法及び材料は、例えば、２００～６２２ｍｍの最大寸法からの大寸法のセラミック焼結体の製造において特に有用である。本焼結セラミック体の上記の高密度、延いては高い機械的強度により、特に大寸法における取扱い性が向上する。焼結酸化イットリウムアルミニウム体、特に、最長（約２００～６２２ｍｍ）の寸法にわたって本明細書に開示の範囲で相純度が高いＹＡＧから形成される焼結酸化イットリウムアルミニウム体は、少なくとも１つの最長の寸法にわたる密度の変動を制御することによって、うまく製造することが可能になる場合がある。最大寸法にわたって密度の変動が５％以下、好ましくは４％以下、好ましくは３％以下、好ましくは２％以下、好ましくは１％以下で、平均密度が９６％以上であることが望ましく、それにより、上記最大寸法は、例えば、約６２２ｍｍ以下、好ましくは５７５ｍｍ以下、好ましくは５２５ｍｍ以下、好ましくは１００～６２２ｍｍ、好ましくは１００～５７５ｍｍ、好ましくは２００～６２２ｍｍ、好ましくは２００～５１０ｍｍ、好ましくは４００～６２２ｍｍ、好ましくは５００～６２２ｍｍとすることができる。ＹＡＧの理論密度の９５％未満の低密度の場合、強度が低く、延いては多孔度が５％を超えてより高くなる場合があり、その結果、破損及び取扱い性の低下が生じる。表３に、本明細書に開示のセラミック焼結体の実施形態の密度、理論密度に対する割合、結晶相、割合で表した体積多孔度を掲載する。表３に係る結晶相は、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及びＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェア、ならびに本明細書に開示の方法を使用するそれらの組み合わせによって測定した。本明細書に開示のセラミック焼結体の密度は、４．３７８ｇ／ｃｃ～４．５５０ｇ／ｃｃの範囲である。試料は、９３体積％～９９．８体積％の量で存在するＹＡＧ相を含んでいた。
高密度であることに加えて、開示される焼結セラミック体の最大寸法にわたる密度の変動は、特に大（１００ｍｍを超える）寸法における取扱い性、機械加工性、及び焼結セラミック部品としての使用に強い影響を及ぼす場合がある。本明細書に開示のセラミック焼結体のいくつかの例の最大寸法にわたって、密度を測定した。表３に測定した密度及び密度の変動、ならびに体積多孔度の結果を掲載する。
高密度に加えて、高い硬度値により、プラズマチャンバ部品としての使用中の侵食に対する耐性がさらに向上する可能性がある。そのため、ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｖｉｃｋｅｒｓ Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ」に準拠してビッカース硬度の測定を行った。すべての硬度測定に使用した試験装置はＷｉｌｓｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｔｅｓｔｅｒ Ｍｏｄｅｌ ＶＨ１２０２であった。本明細書に開示の焼結セラミック体については、少なくとも１２００ＨＶ、好ましくは少なくとも１４００ＨＶ、好ましくは少なくとも１８００ＨＶ、好ましくは少なくとも２０００ＨＶ、１３００～１６００ＨＶ、１３００～１５００ＨＶ、１３００～１４５０ＨＶ、１３００～１４００ＨＶ、１４００～１６００ＨＶ、１４５０及び１６００ＨＶから、１４５０及び１５５０ＨＶからの硬度値を得ることができる。当技術分野で公知のビッカース硬度法を使用して実施した測定をＧＰａのＳＩ単位に変換した。本明細書に開示の焼結セラミック体に関し、１２．７５～１５．６９ＧＰａ、１２．７５～１４．７１ＧＰａ、１２．７５～１４．２２ＧＰａ、１２．７５～１３．７３ＧＰａ、１３．７３及び１５．６９ＧＰａから、１４．２２及び１５．６９ＧＰａから、好ましくは１４．２２及び１５．２０ＧＰａからの硬度値を得ることができる。これらの高い硬度値は、半導体エッチングプロセス中のイオン衝撃に対する耐性の向上及び使用中の侵食の低減に寄与することができ、本焼結セラミック体が微細なスケールの形体を有する焼結セラミック部品へと機械加工される場合に、寿命が延長される。表４に、本明細書に開示のセラミック焼結体の硬度値を掲載する。試料５１４、５１９、及び５３１については２ｋｇｆのロードセル／印加荷重を、試料５０６については０．０２５ｋｇｆの荷重を使用し、８回の試験の繰り返しの平均値を報告する。
一実施形態において、本明細書に開示の焼結セラミック体の平均硬度は、ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠して測定し、０．２ｋｇｆの印加荷重を使用し、８回の試験の繰り返しから算出して、１３．０～１５．０ＧＰａである。別の実施形態において、本明細書に開示の焼結セラミック体の平均硬度は、ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠して測定し、０．２ｋｇｆの印加荷重を使用し、８回の試験の繰り返しから算出して、約１３．５～１４．５ＧＰａである。他の実施形態において、本焼結セラミック体の平均硬度は、０．０２５ｋｇｆの印加荷重を使用し、８回の試験の繰り返しから算出して、約１４．８ＧＰａであってもよい。
機械的強度特性は結晶粒径の低下と共に向上することが知られている。結晶粒径を評価するために、線形切片結晶粒径測定を、ＡＳＴＭ規格Ｅｌ１２－２０１０、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ａｖｅｒａｇｅ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｚｅ」に記載のＨｅｙｎ線形切片手順に準拠して実施した。結晶粒径は、図２０の実施例１に示すようにＳＥＭによっても測定することができ、図２０は結晶粒径が約８ｕｍ以下であることを示している。２００～６２２ｍｍの大きな部品として反応器チャンバー中で使用するための高曲げ強さ且つ高剛性の要件を満たすためには、本焼結セラミック体の結晶粒径は、例えば、最大結晶粒径で約８ｕｍ以下、好ましくは最大結晶粒径で６ｕｍ以下、好ましくは０．４～８ｕｍ、好ましくは０．４～６ｕｍ、好ましくは０．４～３ｕｍ、好ましくは０．８～８ｕｍ、好ましくは１～８ｕｍ、好ましくは３～８ｕｍ、好ましくは５～８ｕｍ、好ましくは０．８～３ｕｍ、好ましくは１～２．５ｕｍであってよい。表５に、本明細書の実施形態に開示の焼結セラミック体に対する結晶粒径測定の結果を掲載する。
これらの結晶粒径によって、ＡＳＴＭ Ｃ１１６１－１８に準拠して測定した４点曲げ強さが、３００ＭＰＡ以下、好ましくは３５０ＭＰＡ以下、好ましくは４００ＭＰＡ以下、好ましくは３００～４５０ＭＰａ、好ましくは３００～４００ＭＰａ、好ましくは３５０～４５０ＭＰａ、好ましくは３７５～４２５ＭＰａの焼結セラミック体を得ることができる。表６に、開示される試料００６の焼結セラミック体の、機械加工したＢ型試験棒を使用した４点曲げ強さの測定値を掲載する。径が約２０ｕｍ以上の過大な結晶粒になると、曲げ強さの値が低い（例えば２００ＭＰａ未満などの）セラミック焼結体が得られる可能性があり、上記の低強度により、上記セラミック焼結体はエッチングチャンバー部品及び蒸着チャンバー部品、特に大寸法の上記部品としての使用に不適となる場合がある。そのため、セラミック焼結体の平均結晶粒径が約１０ｕｍ未満であることが望ましい。
周波数が高くなると、誘電損失の低い材料を提供することも重要になる。本明細書に開示のセラミック焼結体は、１ＭＨｚ～１ＧＨｚの周波数範囲にわたって、約５×１０－３～１×１０－４以下の特定の用途特異的な範囲内で調整することができる。出発粉末の純度などの材料特性、及び例えば、本焼結セラミック体中のシリカ含有量は誘電損失に影響を与える場合がある。実施形態において、シリカ含有量を低下させることによって、記載した耐食性及び誘電損失の要件を満たす焼結セラミック体が得られる場合がある。本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態は、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して検出されるシリカの形態でのＳｉが少ない。表７に掲載される焼結セラミック体が含むシリカの量は、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用したＳｉの検出限界の１４ｐｐｍ、及び恐らくそれを下回る量である。表７の焼結セラミック体中にはＩＣＰＭＳを使用してシリカは検出されておらず、したがって、該焼結セラミック体は、すべての構成成分の含有量から計算される焼結体の総質量を基準として、約１４ｐｐｍの検出限界以上の量のシリカを含む可能性がある。さらに、誘電損失は結晶粒径及び結晶粒径分布の影響を受ける可能性がある。結晶粒径が微細になることで誘電損失が低下し、延いては、より高い周波数での使用時の加熱が低減される可能性がある。これらの材料特性は、半導体加工チャンバー内の特定のコンポーネントの用途に応じて特定の損の失値を満たすように、材料合成を通じて調整することができる。表７は、本明細書に開示の焼結セラミック体の、ＡＳＴＭ Ｄ１５０Ｍに準拠して測定した、１ＭＨｚ及び１ＧＨｚにおける誘電特性の誘電率及び誘電損失、ならびにＡＳＴＭ Ｄ１４９－０９に準拠して測定した絶縁耐力を開示する。
一実施形態において、本明細書に開示の焼結セラミック体の、ＡＳＴＭ Ｄ１５０に準拠して測定した、周囲温度、１ＭＨｚの周波数における誘電損失は、５．５×１０－３、好ましくは１×１０－４未満である。別の実施形態において、本明細書に開示の焼結セラミック体の、ＡＳＴＭ Ｄ１５０に準拠して測定した、周囲温度、１ＧＨｚの周波数における誘電損失は、１×１０－４未満である。
表７に掲載される絶縁耐力は、本焼結セラミック体の全体または該焼結セラミック体の少なくとも一部に高電圧が印加される可能性がある用途にとって重要になる。例えば、製造中に半導体基板の正確な位置を維持するために非常に高い電圧が必要とされる静電チャック用途における焼結セラミック体としての使用では、本焼結セラミック体を通じた絶縁破壊及び関連する導電を防止するために、該焼結セラミック体が高い絶縁耐力を有することが求められる。実施形態において、本明細書に開示の多結晶焼結セラミック体の絶縁耐力は、１１ＭＶ／ｍを超えてもよく、１２ＭＶ／ｍを超えてもよく、１２．５ＭＶ／ｍを超えてもよい。別の実施形態において、本明細書に開示の多結晶焼結セラミック体の絶縁耐力は、１５ＭＶ／ｍ未満であってもよく、１４．５ＭＶ／ｍ未満であってもよく、１４ＭＶ／ｍ未満であってもよい。さらなる実施形態において、本明細書に開示の多結晶焼結セラミック体の絶縁耐力は、１０～１５ＭＶ／ｍであってもよく、１１～１５ＭＶ／ｍであってもよく、１２～１５ＭＶ／ｍであってもよく、１１～１４．５ＭＶ／ｍであってもよい。
ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準拠して測定した体積抵抗率を表８に掲載する。周囲温度における約１×１０＋１２～約１０×１０＋１３の高体積抵抗率を有するそれらのセラミック焼結体は、該セラミック焼結体を使用して、それらから、ウェハチャック、ＲＦウィンドウまたは誘電体窓、シャワーヘッド、及び高い体積抵抗率が求められるその他の部品として有用な焼結セラミック部品を形成すると好ましい場合がある。本明細書に開示の多結晶焼結セラミック体３００℃における体積抵抗率は、１×１０＋１１～５×１０＋１２であってよく、５００℃における体積抵抗率は、１×１０＋９～５×１０＋９であってよい。
酸化イットリウムアルミニウムのファミリーなどの希土類酸化物耐食性材料は、公知のエアロゾルまたはプラズマスプレー技法によりフィルムまたはコーティングとして塗布される場合、通常、高い（概略５％～５０％の）レベルの多孔度、延いては低密度を示す。さらに、これらのフィルムまたはスプレーコーティングは、基板材料と該希土類酸化物コーティングとの間の界面接着が不十分である場合がある。上記酸化イットリウムアルミニウムファミリーの少なくとも１種を含み、好ましくは、多孔度のレベルが低い、９９体積％以上の立方晶ＹＡＧ相を含む単斜晶系焼結セラミック体は、プラズマエッチング及び蒸着用途において性能が改善され、半導体加工システムに求められるレベルの広範な清浄化を促進する。これにより、部品の寿命が延長され、プロセスの安定性がより大きくなり、洗浄及び維持管理のためのチャンバーの運転停止期間が短縮される可能性がある。本明細書では、多孔度が最小限であるほぼ高密度または完全に高密度の固体焼結セラミック体が開示される。この多孔度が最小限であることにより、エッチングプロセス及び蒸着プロセス中に本焼結セラミック体の表面に汚染物質が捕捉されることが防止されることによって、粒子の発生を低減することが可能になる場合がある。それに対応して、多孔性を含む表面の面積の割合が小さいことが、小さな径の多孔性及び制御された細孔径分布と相まって、本焼結セラミック体にとって有利である場合がある。本明細書に開示の耐食性焼結セラミック体の密度は非常に高くてもよく、例えば、９７％を超え、９８％を超え、好ましくは９９％を超え、好ましくは９９．５％を超えていてもよく、それに対応して、上記焼結セラミック体における体積多孔度は低くてもよく、３％未満、２％未満、好ましくは１％未満、好ましくは０．５％未満であってもよく、これらにより、図２８のａ）及びｂ）、ならびに図２９のａ）及びｂ）に示すように、表面の多孔性の領域の制御、細孔の頻度、及び微細な寸法／小径の多孔性によって耐エッチング性が向上する。図２８のａ）及びｂ）はそれぞれ、本明細書に開示の焼結セラミック体の、割合で表した多孔度及び割合で表した多孔性の面積の累積値を示す。すべての画像を通じて、１ｕｍを超える細孔は測定されなかった。図２９のａ）は、小さい（約１ｕｍ以下）寸法の非常に少数の細孔を含むＹＡＧ焼結セラミック体の表面を示す。５４ｕｍ×５４ｕｍの表面積にわたって約２２個の細孔が計測された。
酸化イットリウムアルミニウムのファミリーの結晶相は、公知の最も耐エッチング性の高い材料の１つである場合があり、出発物質として高純度の出発物質を使用し、非常に高純度、低体積多孔度、及び高密度の焼結セラミック体を製造することにより、焼結セラミック部品に耐エッチング性が付与される。但し、高純度の酸化イットリウムアルミニウムには、半導体エッチングチャンバーに使用するために必要とされる高密度に焼結するという課題がある。高い（９８％、９９％、または９９．５％を超える）密度を達成するためには、多くの場合焼結助剤が必要となることから、焼結温度が高い上記形態の酸化イットリウムアルミニウムの材料特性とプラズマエッチング耐性には、必要な高い純度を維持しながら、高密度／低多孔度に焼結するという課題が生じる。この高純度であることが、純度の低い粉末から製造された部品を他の形態で化学的に攻撃し、表面を粗面化し、且つエッチングする可能性のあるハロゲン系ガス状種によって、焼結セラミック体の表面が粗面化されることを防止する可能性がある。
耐食性及び耐侵食性ならびに化学的な不活性を改善するために、出発酸化物粉末の純度は非常に高くてもよく、この高い純度は、本明細書に開示の方法によって維持することができ、それによって焼結酸化イットリウムアルミニウム体及びそれらから形成される関連する部品の純度を高くすることができる。
酸化イットリウム出発粉末の総純度は、１００％の酸化イットリウムを含む粉末を基準として、９９．９９％を超え、好ましくは９９．９９９％を超え、好ましくは９９．９９９５％を超え、好ましくは９９．９９９９％を超えていてもよい。
酸化アルミニウム出発粉末の総純度は、１００％の酸化アルミニウムを含む粉末を基準として、９９．９９％より高く、好ましくは９９．９９５％より高く、好ましくは９９．９９９％より高く、好ましくは９９．９９９５％より高くてもよい。
本明細書に開示の粉末混合物及び／または焼成粉末混合物の総純度は、それぞれ１００％純度のイットリアとアルミナとを含む粉末混合物を基準として、９９．９９％より高く、好ましくは９９．９９５％より高く、好ましくは９９．９９９％より高く、好ましくは９９．９９９５％より高く、好ましくは約９９．９９９９％より高くてもよい。
本明細書に開示の多結晶焼結セラミック体の総純度は、本明細書に開示の粉末混合物から形成されたものとして、９９．９９％より高く、好ましくは９９．９９５％より高く、好ましくは９９．９９９５％より高くてもよい。混合にジルコニア媒体が使用される実施形態においては、ジルコニアが焼結セラミック体中に存在していてもよく、該焼結体中に存在するジルコニアは、焼結助剤としての使用に由来するものであってもよい。
焼結酸化イットリウムアルミニウム体、特にＹＡＧ結晶相を含む焼結酸化イットリウムアルミニウム体及びそれらから製造された部品は、出発物質の特性、粉末処理、ならびに以下に開示する製造方法の複合効果から生じる可能性がある、好ましい材料特性の組み合わせを示す場合がある。
製造方法
本焼結セラミック体の製造は、直流焼結及び関連する技法と組み合わせた加圧支援焼結を使用することによって実現することができ、上記方法は、直流を使用して導電性ダイ構成またはツールセットを加熱し、それにより材料を焼結させる。この加熱方法が、非常に高い加熱速度及び冷却速度の適用を可能にし、結晶粒成長を促進する拡散機構よりも緻密化機構を増進させ、これが、非常に微細な結晶粒径のセラミック焼結体の製造を容易にすることができ、元の粉末の固有の特性を、それらの粉末の略または完全に緻密化された生成物に移転させる。本明細書で使用される直流焼結技法は、粉末の固結及び緻密化を容易にするための非パルス化直流電流を含んでいた。
本焼結セラミック体の製造は、直流焼結及び関連する技法と組み合わせた加圧支援焼結を使用することによって実現することができ、上記方法は、直流を使用して導電性ダイ構成またはツールセットを加熱し、それにより材料を焼結させる。この加熱方法が、非常に高い加熱速度及び冷却速度の適用を可能にし、結晶粒成長を促進する拡散機構よりも緻密化機構を増進させ、これが、非常に微細な結晶粒径のセラミック焼結体の製造を容易にすることができ、元の粉末の固有の特性を、それらの粉末の略または完全に緻密化された生成物に移転させる。本明細書で使用される直流焼結技法は、粉末の固結及び緻密化を容易にするための非パルス化直流電流を含んでいた。
焼結セラミック体は、焼結セラミック体の製造方法であって、ａ）酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む粉末を混合して粉末混合物を作製するステップと、ｂ）焼成温度まで熱を印加し、且つ上記焼成温度を維持することによって上記粉末混合物を焼成して焼成を行い、焼成粉末混合物を形成するステップと、ｃ）上記焼成粉末混合物を、焼結装置のツールセットによって画成される容積内に配置し、且つ上記容積内に真空条件をつくり出すステップと、ｄ）焼結温度に加熱しながら、上記焼成粉末混合物に圧力を印加し、且つ焼結を行って上記焼結セラミック体を形成するステップと、ｅ）上記焼結セラミック体の温度を下げるステップとを含む、上記方法によって製造することができる。以下のさらなるステップ、すなわち、ｆ）上記焼結セラミック体の温度を上昇させて焼鈍温度に到達するように熱を印加することによって上記焼結セラミック体を焼鈍して、焼鈍焼結セラミック体を形成するステップ、ｇ）上記焼鈍焼結セラミック体の温度を下げるステップ、及びｈ）上記焼結セラミック体または上記焼鈍焼結セラミック体を機械加工して、エッチングチャンバー内の、誘電体窓またはＲＦウィンドウ、フォーカスリング、ノズルまたはガスインジェクター、シャワーヘッド、ガス分配プレート、エッチングチャンバーライナー、プラズマ源アダプター、ガスインレットアダプター、ディフューザー、静電ウェハチャック、チャック、パック、ミキシングマニフォールド、イオンサプレッサーエレメント、フェイスプレート、アイソレーター、スペーサー、及び／または保護リングなどの焼結セラミック部品を作製するステップは任意選択である。
上記焼結セラミック体から形成される耐食性焼結部品の上述の特性は、酸化イトリウム及び酸化アルミニウムの粉末の純度、上記粉末の混合、上記粉末の焼成、圧力を適応させることによって達成される。上記酸化イットリウム及び酸化アルミニウムの粉末に印加される圧力、上記酸化イトリウム及び酸化アルミニウムの粉末の温度、上記粉末の焼結の継続時間、任意選択の焼鈍ステップ中の上記焼結セラミック体／焼結セラミック部品の温度、ならびに上記任意選択の焼鈍ステップの継続時間を適合させることによって実現される。本明細書に開示の方法は、規模拡大可能な製造プロセスを使用した、セラミック焼結体、特に大寸法のセラミック焼結体の製造に好適である。
本明細書に開示の方法は、好ましくは、９０～９９．９体積％の、組成Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を含み、これに代わる実施形態において、９０～９９．８体積％のＹＡＧと、約０．２～３体積％の量のイットリア及びアルミナの少なくとも１種の結晶相とを含む焼結セラミック体ならびに焼結部品の製造を提供し、いくつかの実施形態において、上記セラミック焼結体及び焼結部品は、組成ＹＡｌＯ３のイットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ）及び／または組成Ｙ４Ａｌ２Ｏ９の単斜晶系イットリウムアルミニウム（ＹＡＭ）をさらに含んでいてもよい。
実施形態において、上述のセラミック焼結体は、それぞれが出発酸化物粉末の総質量を基準とした重量で表して、０．０００１％以上、好ましくは０．０００５％以上、好ましくは０．００１０％以上、好ましくは０．００２５％以上の量の、任意選択の、Ｓｃ、Ｌａ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕ、ならびにそれらの酸化物及び組み合わせからなる群より選択される希土類酸化物のドーパントを含んで製造されてもよく、上記任意選択のドーパントは、上記出発粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物中に添加することができる。さらなる実施形態において、上述のセラミック焼結体は、出発酸化物粉末の総質量を基準とした重量で表して、０．０００１％以上、好ましくは０．０００５％以上、好ましくは０．００１０重量％以上、好ましくは０．００２５％以上の量の、任意選択の、ＬｉＦの形態のＬｉのドーパントを含んで製造されてもよく、上記ＬｉＦの形態のＬｉは、上記出発粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物中に添加することができる。
実施形態において、上述のセラミック焼結体は、それぞれが出発酸化物粉末の総質量を基準とした重量で表して、０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下、好ましくは０．０１％以下、好ましくは０．００７５％以下、好ましくは０．００５０％以下、好ましくは０．００２５％以下の量の、任意選択の、Ｓｃ、Ｌａ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕ、ならびにそれらの酸化物及び組み合わせからなる群より選択される希土類酸化物のドーパントを含んで製造されてもよく、上記任意選択のドーパントは、上記出発粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物中に添加することができる。さらなる実施形態において、上述のセラミック焼結体は、出発酸化物粉末の総質量を基準とした重量で表して、０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下、好ましくは０．０１重量％以下、好ましくは０．００７５％、好ましくは０．００５０％以下、好ましくは０．００２５％以下の量の、任意選択の、ＬｉＦのドーパントを含んで製造されてもよく、上記ＬｉＦの形態のＬｉは、上記出発粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物中に添加することができる。
いくつかの実施形態において、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を含む出発粉末を、開示した範囲の任意選択のドーパント及び／または焼結助剤と組み合わせてステップａで使用してもよい。
本明細書に開示の代替の実施形態において、上述のセラミック焼結体は、上述のドーパントの少なくとも１種またはすべてを用いずに製造してもよい。特に、化学的不活性ならびに腐食及び侵食に対する耐性を要する半導体チャンバー用途については、本焼結セラミック体はドーパントを含まないことが好ましい場合がある。したがって、特定の実施形態において、本焼結セラミック体は、上述のドーパントの少なくとも１種もしくはすべてを実質的に含まないか、または含まない。
本明細書に開示の多結晶焼結セラミック体の製造においては、必要に応じて焼結助剤を使用してもよいが、それらは必須ではなく任意選択である。特定の実施形態において、上述のＹＡＧ焼結セラミック体は、ジルコニア、カルシア、マグネシア、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される焼結助剤を含んでいてもよい。これらの焼結助剤は、それぞれが出発酸化物粉末の総質量を基準とした重量で表して、０．０００２％以上、好ましくは０．０００５％以上、好ましくは０．００１０重量％以上、好ましくは０．００２５％以上の量で添加されてもよい。特定の実施形態において、シリカの形態のＳｉも、任意選択で焼結助剤として使用されてもよく、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）の形態で添加されてもよい。本明細書に開示されるＩＣＰＭＳ法を使用して、ＳｉＯ２の形態のＳｉが、約１４ｐｐｍ以上のレベルで検出されてもよく、したがって、焼結助剤としてのシリカは、それぞれが出発酸化物粉末の総質量を基準として、０．００１４％以上、好ましくは０．００２５％以上、好ましくは０．００５０重量％以上、好ましくは０．００７５％以上の量で存在してもよい。
特定の実施形態において、上述のＹＡＧ焼結セラミック体は、ジルコニア、カルシア、マグネシア、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される任意選択の焼結助剤を含んでいてもよい。上記任意選択の焼結助剤は、それぞれが出発酸化物粉末の総質量を基準とした重量で表して、０．０５％以下、好ましくは０．０３％以下、好ましくは０．０１％以下、好ましくは０．００７５％以下、好ましくは０．００５０％以下、好ましくは０．００２５％以下の量で存在してもよく、上記任意選択のドーパントは、上記出発粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物中に添加することができる。
シリカの場合、シリカは任意選択で、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）の形態で添加してもよい。上記シリカは、それぞれが出発酸化物粉末の総質量を基準とした重量で表して、０．０５％未満、好ましくは０．０３％未満、好ましくは０．０２％未満、好ましくは＜０．０１％未満、好ましくは０．０５０％未満、好ましくは０．０２５％未満の量で添加されてもよく、シリカは、上記出発粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物中に添加することができる。
本明細書に開示の材料及び方法を使用して、高密度、例えば、相純度が高いＹＡＧの理論密度の９６％以上を、焼結助剤を使用することなく開示される焼結セラミック体に対して達成することができる。化学的不活性ならびに腐食及び侵食に対する耐性を要する特定の用途については、本焼結セラミック体に、焼結助剤の少なくとも１種、またはすべてが含まれていないことが好ましい場合がある。したがって、実施形態において、本焼結セラミック体は、上述の焼結助剤の少なくとも１種、もしくはすべてを実質的に含まないか、または含まない。さらなる実施形態において、本焼結セラミック体は、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定された、焼結セラミック体の総質量に対して約１４ｐｐｍの量のＳｉＯ２の形態のＳｉを含んでいてもよい。
実施形態において、９０体積％～９９．８体積％の多結晶ＹＡＧを含む焼結セラミック体は、化学量論的ＹＡＧのイットリア及び／またはアルミナを超える過剰なイットリア及び／またはアルミナを含んでいてもよく、上記過剰なイットリア及び／またはアルミナは、プロセスに由来するものであってもよく、または粉末バッチング及び製造中に意図的に添加されてもよい。したがって、上記過剰なイットリア及び／またはアルミナは、それらが本焼結セラミック体中に残留する可能性のある程度では、ドーパントまたは焼結助剤とは見なされない。
一実施形態に係る焼結セラミック体及び焼結セラミック部品の特性は、特に、ステップａ）粉末の混合、及びｂ）焼結前の上記粉末混合物の焼成、ステップａ）で使用される出発粉末の酸化イットリウム、酸化アルミニウム、及び該当する場合はイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末の純度、粒径及び表面積、ステップａ）で使用される出発物質の表面積及び均一性、ステップｄ）における粉末混合物に対する圧力、ステップｄ）における粉末混合物の焼結温度、ステップｄ）の粉末混合物の焼結時間、ステップｆ）における任意選択の焼鈍ステップ中の焼結セラミック体または部品の温度、ならびにステップｆ）における任意選択の焼鈍ステップの継続時間を適合化することによって実現される。実施形態において、開示されるプロセスは、密度が高い（９８％を超える）、純度が高い、且つ多孔度が低い、立方晶構造の相純度が非常に高い（９９体積％を超える）ＹＡＧの製造を提供する。これに代わる実施形態において、開示されるプロセスは、立方晶構造の相純度が非常に高く（９５体積％以上）、アルミナの第２の結晶相が５体積％以下であるＹＡＧの製造を提供し、上記焼結体も密度が高く、純度が高く、且つ多孔度が低い。さらなる実施形態において、上記開示されるプロセスは、好ましくは、純度が高く、密度が高く、且つ多孔度が低い、イットリウムアルミニウムガーネット、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）、イットリウムアルミニウムペロブスカイトＹＡｌＯ３（ＹＡＰ）、及び／または単斜晶系イットリウムアルミニウムＹ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）、ならびにそれらの組み合わせの混合相ならびに／あるいは相純度が高いセラミック焼結体の製造を提供する。開示される焼結セラミック体は、半導体製造装置などのプラズマ加工装置での使用に特に好適である。かかる部品または部材としては、とりわけ、窓、ノズル、ガスインジェクター、シャワーヘッド、（エッチング）チャンバーライナー、ミキシングマニフォールド、ウェハサポート、ならびにフォーカスリング及び保護リングなどの種々のリングを挙げることができる。
本明細書に開示の方法のステップａ）は、酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む粉末を混合して粉末混合物を作製することを含む。耐食性焼結セラミック体及びそれに続いて部品を形成するための酸化アルミニウム及び酸化イットリウム（または、特定の実施形態において、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末）の出発粉末物質は、好ましくは高純度の市販の粉末である。但し、他の酸化物粉末、例えば、化学合成プロセス及び関連する方法から製造された酸化物粉末を使用することもできる。出発粉末の、比表面積（ＳＳＡ）及び粒径などの粉末の特徴を測定した。以下に開示するように、ｄ５０は中央値として定義され、当該集団の半数がこの点よりも上に存在し、半数がこの点の下に存在する値を表す。同様に、ｄ９０よりも下に当該の分布の９０パーセントが位置し、当該集団の１０パーセントがｄ１０よりも下に位置する。
本発明の一実施形態に係る出発物質として使用される酸化イットリウム粉末のｄ１０粒径は、好ましくは１～７μｍ、好ましくは１～６μｍ、好ましくは１～５μｍ、好ましくは２～７μｍ、好ましくは３～７μｍ、好ましくは４～７μｍ、好ましくは５～７μｍである。
本発明の一実施形態に係る出発物質として使用される酸化イットリウム粉末のｄ５０粒径は、好ましくは３～１１μｍ、好ましくは３～９．５μｍ、好ましくは３～８．５μｍ、好ましくは３～７．５μｍ、好ましくは４～１１μｍ、好ましくは５～１１μｍ、好ましくは６～１１μｍ、好ましくは７～１１μｍである。
本発明の一実施形態に係る出発物質として使用される酸化イットリウム粉末のｄ９０粒径は、好ましくは６～２０μｍ、好ましくは６～１８μｍ、好ましくは６～１６μｍ、好ましくは８～２０μｍ、好ましくは１０～２０μｍ、好ましくは１５～２０μｍ、好ましくは８～１８μｍ、好ましくは１０～１８μｍである。
上記酸化イットリウム粉末の比表面積（ＳＳＡ）は、通常０．７５～１２ｍ２／ｇ、好ましくは０．７５～１０ｍ２／ｇ、好ましくは０．７５～８ｍ２／ｇ、好ましくは０．７５～６ｍ２／ｇ、好ましくは０．７５～４ｍ２／ｇ、好ましくは０．７５～２ｍ２／ｇ、好ましくは１～６ｍ２／ｇ、好ましくは１～４ｍ２／ｇ、好ましくは２～１０ｍ２／ｇ、好ましくは４～１０ｍ２／ｇ、好ましくは６～１０ｍ２／ｇ、好ましくは１～４ｍ２／ｇである。
上記酸化イットリウム出発物質の純度は、それぞれ酸化イットリウム出発物質の総質量を基準として、好ましくは９９．９９％より高く、好ましくは９９．９９５％より高く、好ましくは９９．９９９％より高く、より好ましくは９９．９９９５％より高く、より好ましくは９９．９９９９％より高い。これは、１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、好ましくは２５ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下、より好ましくは約１ｐｐｍ、好ましくは１～１００ｐｐｍ、好ましくは１～５０ｐｐｍ、好ましくは１～２５ｐｐｍ、好ましくは１～１０ｐｐｍ、好ましくは１～５ｐｐｍの不純物レベルに相当する。
本発明の一実施形態に係る出発物質として使用される酸化アルミニウム粉末のｄ１０粒径は、好ましくは０．０５～４μｍ、好ましくは０．０５～３μｍ、好ましくは０．０５～２μｍ、好ましくは０．０５～１μｍ、好ましくは０．０５～０．７５μｍ、好ましくは０．０５～０．５μｍ、好ましくは０．２～４μｍ、好ましくは０．２～３μｍ、好ましくは０．２～２μｍ、好ましくは０．２～１μｍ、好ましくは０．４～４μｍ、好ましくは０．４～３μｍ、好ましくは０．４～２μｍ、好ましくは０．４～１μｍ、好ましくは０．７５～２μｍ、好ましくは０．７５～３μｍ、好ましくは１～３μｍ、好ましくは２～３μｍである。
一実施形態に係る出発物質として使用される酸化アルミニウム粉末のｄ５０粒径は、通常、０．１５～８μｍ、好ましくは０．１５～５μｍ、好ましくは０．１５～３μｍ、好ましくは０．１５～１μｍ、好ましくは０．１５～０．５μｍ、好ましくは１～８μｍ、好ましくは１～６μｍ、好ましくは１～４μｍ、好ましくは２～６μｍ、好ましくは３～８μｍ、好ましくは４～８μｍ、好ましくは５～８μｍ、好ましくは３．５～６．５μｍである。
本発明の一実施形態に係る出発物質として使用される酸化アルミニウム粉末のｄ９０粒径は、０．３５～６０ｕｍ、好ましくは０．３５～１０ｕｍ、好ましくは０．３５～５μｍ、好ましくは０．３５～３μｍ、好ましくは０．３５～１μｍ、好ましくは０．３５～０．７５μｍ、好ましくは３～８０ｕｍ、好ましくは３～６０μｍ、好ましくは３～４０μｍ、好ましくは３～２０μｍ、好ましくは１０～６０μｍ、好ましくは１０～４０μｍ、好ましくは１０～３０μｍ、好ましくは１０～２０μｍ、好ましくは３０～６０μｍ、好ましくは１５～６０μｍ、好ましくは４０～６０μｍ、好ましくは６～１５μｍである。
上記酸化アルミニウム粉末の比表面積は、通常３～１８ｍ２／ｇ、好ましくは３～１６ｍ２／ｇ、好ましくは３～１４ｍ２／ｇ、好ましくは３～１２ｍ２／ｇ、好ましくは３～１０ｍ２／ｇ、好ましくは３～６ｍ２／ｇ、好ましくは６～１８ｍ２／ｇ、好ましくは６～１４ｍ２／ｇ、好ましくは８～１８ｍ２／ｇ、好ましくは１０～１８ｍ２／ｇ、好ましくは８～１０ｍ２／ｇ、好ましくは４～９ｍ２／ｇ、好ましくは５～１０ｍ２／ｇ、好ましくは６～８ｍ２／ｇである。
上記酸化アルミニウム出発物質のＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度は、通常９９．９９％より高く、好ましくは９９．９９５％より高く、好ましくは９９．９９９％より高く、好ましくは９９．９９９５％より高い。それに対応して、上記アルミナ粉末の不純物含有量は、それぞれ酸化アルミニウム出発物質の総質量を基準として、１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、好ましくは２５ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下、より好ましくは５ｐｐｍ以下であってよい。
本明細書に開示のイットリア及びアルミナの出発粉末は好ましくは結晶性であり、それにより、長距離にわたる結晶学的秩序を有する。本明細書に開示の例示的な結晶性酸化イットリウム及び酸化アルミニウム出発粉末のＸ線回折パターンを、それぞれ図１５のａ）及びｂ）に示す。実施形態において、図１５のｂ）に示す酸化アルミニウム粉末は、好ましくは８０～少なくとも９５体積％のアルファアルミナ結晶相、好ましくは９０～少なくとも９５体積％のアルファアルミナ結晶相、好ましくは約９５体積％のアルファアルミナ結晶相を含んでいてもよい。
イットリア及びアルミナの出発粉末のいずれかまたは両方に、当業者に公知の方法に従って、ふるい分け、転倒混合、配合、粉砕などを行ってもよい。いくつかの実施形態において、上記イットリア及び／またはアルミナの出発粉末を、任意選択で、本明細書に開示の粉末特性を得るために、当業者に公知の方法に従って焼成してもよい。
ナノ粉末などの比表面積（ＳＳＡ）が大きい出発粉末、粉末混合物、及び焼成粉末混合物、例えばＳＳＡが２０ｍ２／ｇを超えるナノ粉末では、ツールセットに粉末を充填する際の取扱い性、粉末の混合（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）／混合（ｍｉｘｉｎｇ）中の均一な粒子の分散及び混合の達成、ならびに本明細書に開示されるインシチュでの反応性焼結法に際してのＹＡＧ相の形成に問題が生じる。本明細書に開示の方法に係る出発粉末はイットリア及びアルミナを含み、好ましくは、その比表面積は本明細書において規定されるナノ粉末の比表面積よりも小さい。当業者に公知の体積混合律及び本明細書に開示されるイットリア及びアルミナ出発粉末の範囲を使用して、上記粉末混合物（焼成前）のＳＳＡは、好ましくは約１ｍ２／ｇ～約１３ｍ２／ｇ、好ましくは約２ｍ２／ｇ～約１０ｍ２／ｇ、好ましくは約３ｍ２／ｇ～約８ｍ２／ｇである。イットリア及びアルミナの出発粉末の表面積が本明細書に開示される範囲内であることによって、その後に、焼結中のインシチュでの反応を十分に駆動して、ＹＡＧ相を優先的に形成することができる範囲内の比表面積を有する焼成粉末混合物が容易に形成される。上記イットリア及びアルミナの出発粉末のＳＳＡは、好ましくは０．７５～１８ｍ２／ｇである。実施形態において、本明細書に開示の方法に係る出発粉末、粉末混合物、及び焼成粉末混合物の比表面積（ＳＳＡ）は、本明細書で定義されるナノ粉末のＳＳＡよりも小さく、したがって、上記出発粉末、粉末混合物、及び焼成粉末混合物は、本明細書で定義されるナノ粉末を実質的に含まないか、または含まない。
比表面積が約０．５ｍ２／ｇ未満である出発粉末では、凝集の問題が生じ、混合して本明細書に開示の粉末混合物を形成するために、より高いエネルギー及びより長い混合時間を要する場合がある。上記酸化イットリウム及び酸化アルミニウムの出発粉末の粒径分布及び比表面積が本明細書に開示されるものであることにより、本明細書に開示の方法のステップａ）粉末の混合中の取扱い性は十分となり、且つ混合も完全になる。
実施形態において、出発物質／粉末として使用される上記イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末のｄ５０粒径は、通常３～１０μｍ、好ましくは４～９μｍ、より好ましくは５～８μｍである。上記イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末の比表面積は、通常３～１０ｍ２／ｇ、好ましくは３～８ｍ２／ｇ、より好ましくは４～６ｍ２／ｇである。上記イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末の出発物質の純度は、通常９９．９９％より高く、好ましくは９９．９９９％より高い。
特定の実施形態において、９９体積％を超える相純度のＹＡＧ焼結体の形成は、出発粉末のイットリア及びアルミナ粒子の径の分布、純度、表面積、混合ステップ及び焼成ステップによって影響を受ける可能性がある。
表９に、開示された、ＹＡＧを含む焼結体を形成するための出発粉末の特性を掲載する。上記出発粉末、粉末混合物、及び焼成粉末混合物の粒径は、１０ｎｍ～５ｍｍの粒径を測定することができるＨｏｒｉｂａ ＬＡ－９６０型レーザー散乱粒径分布アナライザーを使用して測定した。上記出発粉末、粉末混合物、及び焼成粉末混合物の比表面積は、ほとんどの試料について、０．０１～２０００ｍ２／ｇの比表面積にわたって１０％以下の精度で測定することができるＨｏｒｉｂａ ＢＥＴ表面積アナライザーＳＡ－９６０１型を使用して測定した。
実施形態において、９０体積％～９９．８体積％の多結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）ガーネット立方晶相（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）を含む本焼結セラミック体は、３７．５モル％の酸化イットリウムと６２．５モル％の酸化アルミニウムとの化学量論的粉末混合物から形成することができる。“Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ ｉｎ Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２” Ｐａｔｅｌ ｅｔ ａｌ， ２００８， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９３， １９１９０２ （２００８）で報告された研究は、ＹＡＧ相を形成するための相ドメインの幅の変動が０．１モル％以下である可能性があることを示している。したがって、化学量論的ＹＡＧ（３７．５％のアルミナ／６２．５％のイットリア）の相ドメインの幅からのずれが０．１モル％以下の場合は、相純度が高い酸化イットリウムアルミニウムガーネットが形成している可能性がある。したがって、実施形態において、９９体積％を超える量のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）ガーネット立方晶相（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）を含む焼結セラミック体は、３７．４～３７．６モル％の酸化イットリウムと６２．６～６２．４モル％の酸化アルミニウムの比率の粉末混合物へと配合された出発粉末から形成することができる。粉末混合物を、約４２．９～４３．４重量％のアルミナと５７．１～５６．６重量％のイットリアから形成して、最大で９９．９体積％のＹＡＧを形成することができる。実施形態において、イットリア及び／またはアルミナの過剰な出発物質を、所望の通りに粉末混合物に含めてもよい。任意選択で、ドーパント及び／または焼結助剤を上記粉末混合物に添加してもよい。
上述の酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む出発粉末を混合して粉末混合物を作製することは、湿式または乾式のボール（軸回転）ミリング、湿式または乾式の転倒（前方への転倒、すなわち垂直）混合、ジェットミリング、及びこれらの組み合わせの粉末製造技法を使用して実施することができる。
乾式条件を使用し、好ましい実施形態において、ＹＡＧ相を形成するための相対量で秤量してもよい出発粉末を、混合中に上記出発粉末の純度を維持するために高純度（９９．９％を超える）アルミナ媒体を使用して、ボールミル粉砕するかまたは転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）／転倒（ｔｕｍｂｌｅ）混合してもよい。他の実施形態において、硬い凝集物を解砕するためにジルコニア媒体を使用してもよい。上記高純度アルミナ媒体を、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して試験し、純度が９９．９～約９９．９９％であることが判明した。ジルコニア媒体を使用すると、焼結セラミック体中に微量の、例えば１００ｐｐｍ未満のジルコニアが混入する場合がある。したがって、特定の実施形態において、本明細書では、すべての構成成分の含有量から計算した酸化物の総質量を基準として、１～１００ｐｐｍ、好ましくは１～５０ｐｐｍ、好ましくは１０～１００ｐｐｍ、好ましくは１０～５０ｐｐｍ、より好ましくは２０～４０ｐｐｍの量のジルコニアを有する、相純度が高いＹＡＧを含む焼結セラミック体が開示される。乾式ボールミル粉砕を実施するために使用される媒体の寸法の範囲は、例えば直径５～１５ｍｍであってよく、該媒体は粉末の重量の約５０～約１００％の充填量で加えられる。乾式転倒混合を実施するために使用される媒体は、大きな寸法（直径約２０～４０ｍｍ）の少なくとも１種の媒体エレメントを備えていてもよい。乾式ボールミル粉砕及び／または乾式転倒混合は、１２～４８時間、好ましくは１６～４８時間、好ましくは１６～２４時間、好ましくは１８～２２時間の期間実施してもよい。乾式ボールミル粉砕または転倒粉砕プロセスは、それぞれ直径約２００ｍｍの容器の場合に、５０～２５０ＲＰＭ、好ましくは７５～２００ＲＰＭ、好ましくは７５～１５０ＲＰＭ、好ましくは１００～１２５ＲＰＭのＲＰＭを使用してもよい。ＲＰＭは、使用目的に対して選択された容器の寸法に応じて変化する場合があり、したがって、直径が２００ｍｍを超える容器は、当業者に公知の通り、それに対応してより低いＲＰＭとしてもよい。乾式転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）／転倒（ｔｕｍｂｌｅ）混合は、１０～３０ｒｐｍ、好ましくは約２０ＲＰＭのＲＰＭで実施してもよい。乾式ボールミル粉砕及び／または転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）／転倒（ｔｕｍｂｌｅ）粉砕／混合の後に、上記粉末混合物を、任意選択で、繰り返しまたは順序に関して制限を受けることなく、例えば４５～４００ｕｍの開口部を有していてもよい任意の数のメッシュを使用してふるい分けし、配合してもよい。
湿式ボールミル粉砕または湿式転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）／転倒（ｔｕｍｂｌｅ）混合は、好ましい実施形態において、ＹＡＧ相を形成する相対量で秤量してもよい出発粉末を、エタノール、メタノール、及び他のアルコールなどの種々の溶媒中に懸濁させ、スラリーを形成することによって実施することができる。いずれのプロセスにおける上記スラリーも、粉砕または混合中に、２５～７５重量％、好ましくは４０～７５重量％、好ましくは５０～７５重量％の粉末充填量で形成することができる。湿式ボールミル粉砕または転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）／転倒（ｔｕｍｂｌｅ）混合は、移動度の上昇により粉末の分散を改善し、熱処理または焼成前の微細なスケールで均一に混合を行うことができる。実施形態において、任意選択で、分散剤を、例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）及びポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ならびに当業者に公知の他の分散剤などの任意の数の市販の分散剤を使用して、上記スラリーに添加してもよい。上記分散剤は、任意選択で、粉末重量に対して０．０５～０．２％、好ましくは粉末重量に対して０．０５～０．１％の量で添加することができる。湿式ボール混合または湿式転倒（ｔｕｍｂｌｅ）／転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）混合のいずれかの場合の媒体充填量は、粉末重量に対して３０～１００％、好ましくは粉末重量に対して３０～７５％、好ましくは粉末重量に対して３０～６０％の充填量で変化させてもよい。湿式ボールミル粉砕または転倒混合は、８～４８時間、好ましくは１２～４８時間、好ましくは１６～４８時間、好ましくは８～３６時間、好ましくは８～２４時間、好ましくは１６～２４時間、好ましくは１２～２４時間の期間実施してもよい。ボールミル粉砕は、それぞれ直径約２００ｍｍの容器の場合に、５０～２５０ＲＰＭ、好ましくは７５～２００ＲＰＭ、好ましくは７５～１５０ＲＰＭ、好ましくは１００～１２５ＲＰＭのＲＰＭを使用してもよい。ＲＰＭは、使用目的に対して選択された容器の寸法に応じて変化する場合があり、直径が２００ｍｍを超える容器は、当業者に公知の通り、それに対応してより低いＲＰＭとしてもよい。湿式転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）／転倒（ｔｕｍｂｌｅ）混合は、１０～３０ｒｐｍ、好ましくは約２０ＲＰＭのＲＰＭで実施してもよい。湿式ボールミル粉砕及び／または湿式転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）／転倒（ｔｕｍｂｌｅ）混合の後に、上記粉末混合物を、任意選択で、繰り返しまたは順序に関して制限を受けることなく、例えば４５～４００ｕｍの開口部を有していてもよい任意の数のメッシュを使用してふるい分けし、配合してもよい。
当業者に公知のジェットミリングプロセスを使用して、上記粉末を完全に混合して、粒径分布の狭い粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物を形成することもできる。ジェットミリングは、不活性ガスまたは空気のいずれかの高速ジェットを使用して、粉砕媒体または混合媒体を使用せずに、出発粉末及び／または粉末混合物及び／または焼成粉末混合物の粒子を衝突させ、したがって、粉砕される粉末の初期純度を維持する。チャンバーは、より大きな粒子の径を優先的に小さくすることができるように設計されていてもよく、これにより、最終的な粉末、粉末混合物、または焼成粉末混合物の粒径分布を狭くすることができる。粉末は、処理前の機械の設定で決定された所望の粒径に達したところでジェットミリングチャンバーを出る。本明細書に開示の出発粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物は、独立にであるか、または本明細書に開示の粉末粉砕／混合プロセスのいずれかもしくはすべてとの組み合わせであるかを問わず、約１００ｐｓｉの圧力においてジェットミリングに供されてもよい。ジェットミリング後に、上記粉末または粉末混合物を、任意選択で、繰り返しまたは順序に関して制限を受けることなく、例えば４５～４００ｕｍの開口部を有していてもよい任意の数のメッシュを使用してふるい分けし、配合してもよい。
湿式もしくは乾式ボールミル粉砕、湿式もしくは乾式転倒（ｔｕｍｂｌｅ）／転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）混合、及び／またはジェットミリングの使用は、粒子及び凝集物を解砕し、粒子の移動度の上昇により分散を改善し、微細なスケールで混合を行う高エネルギープロセスであり、該プロセスによって、焼成前及び後に均一な粉末混合物を提供することができる。上述の粉末製造方法は、独立にまたは互いに組み合わせて使用することができる。摩擦粉砕、高剪断混合、遊星粉砕、及び当業者に公知の他の手順のさらなる粉末製造手順も、独立にであるか、または本明細書に開示の上記粉末混合／粉砕方法との組み合わせであるかを問わず、用いることができる。
湿式の混合または粉砕プロセスが使用される場合、当該スラリーは、当業者に公知の、乾燥するスラリーの容積に応じて１～４時間の期間の、例えば、約４０℃～９０℃の温度での回転蒸発法によって乾燥してもよい。他の実施形態において、上記スラリーは、当業者に公知の噴霧乾燥技法を使用して乾燥してもよい。乾燥後に、上記粉末混合物を、任意選択で、繰り返しまたは順序に関して制限を受けることなく、例えば４５～４００ｕｍの開口部を有するメッシュを使用してふるい分けしてもよい。上述の粉末製造技法は、単独でまたはそれらの任意の組み合わせで使用することができる。
乾燥後に、ステップａの粉末混合物の表面積は、２～１７ｍ２／ｇ、２～１４ｍ２／ｇ、２～１２ｍ２／ｇ、２～１０ｍ２／ｇ、４～１７ｍ２／ｇ、６～１７ｍ２／ｇ、８～１７ｍ２／ｇ、１０～１７ｍ２／ｇ、４～１２ｍ２／ｇ、４～１０ｍ２／ｇ、５～８ｍ２／ｇであってもよい。
上記粉末混合物の純度は、高純度の粉砕媒体、例えば純度９９．９９％以上の酸化アルミニウム媒体を使用することにより、出発物質の純度から、混合／粉砕した後でも維持することができる。実施形態において、酸化ジルコニウム粉砕媒体を使用することが好ましい場合があり、それにより酸化ジルコニウムが、１５～１００ｐｐｍ、１５～７５ｐｐｍ、好ましくは１５～６０ｐｐｍ、好ましくは２０～３０ｐｐｍの量で焼結セラミック体中に残留する程度まで導入される場合がある。
本明細書に開示の方法のステップｂ）は、上記粉末混合物を焼成温度に加熱し、且つ上記焼成温度をある期間維持して焼成粉末混合物を形成することを含む。本明細書に開示される焼成は、酸素を含有する環境中、周囲圧力下で実施してもよい。但し、他の圧力及び焼成環境を使用してもよい。
水分を除去し、焼結前に上記粉末混合物の表面状態が均一であることを確保するために焼成を実施してもよい。特定の実施形態において、表面積を低減するために焼成を実施してもよい。他の実施形態において、焼成によって出発粉末の表面積は低下しない。
熱処理ステップによる粉末混合物の焼成は、６００℃～１１００℃、好ましくは６００～１０５０℃、好ましくは６００～１０００℃、好ましくは７００～１１００℃、好ましくは８００～１１００℃、好ましくは８００～１０５０℃、好ましくは９００～１１００℃、好ましくは１０００～１１００℃の温度で実施してもよい。焼成は、酸素を含有する環境において、４～１２時間、好ましくは４～１０時間、好ましくは４～８時間、好ましくは６～１２時間、好ましくは４～６時間実施してもよい。上記粉末混合物及び／または焼成粉末混合物を、任意選択で、例えば４５～４００ｕｍの開口部を有するメッシュを使用してふるい分けしてもよく、公知の方法によって実施して、繰り返しまたは順序に関して制限を受けることなく、転倒混合し且つ／または混合し且つ／または配合しても、それらの組み合わせを行ってもよい。転倒混合及び／または配合及び／または混合は、本明細書に開示の高純度（９９．９％を超える）アルミナ媒体、ジルコニア媒体を使用して、または公知の方法に従って媒体を使用せずに、上記粉末混合物及び／または焼成粉末混合物に対して実施してもよい。
焼結時に優先的にＹＡＧ相を形成する比率で配合した焼成粉末混合物のｄ１０粒径は、好ましくは０．０６～４μｍ、好ましくは０．０８～４μｍ、好ましくは０．１～４μｍ、好ましくは０．２～４μｍ、好ましくは０．３～４μｍ、好ましくは０．４～４μｍ、好ましくは０．０８～３μｍ、好ましくは０．０８～２μｍ、好ましくは０．０８～１μｍ、好ましくは０．５～３μｍ、好ましくは１～２μｍ、好ましくは１～３μｍであってよい。
上記焼成粉末混合物のｄ５０粒径は、０．７～５０μｍ、好ましくは１～４０μｍ、好ましくは１～３０μｍ、好ましくは１～２０μｍ、好ましくは１～１０μｍ、好ましくは１～５μｍ、好ましくは５～５０μｍ、好ましくは１０～５０μｍ、好ましくは２０～５０μｍ、好ましくは３０～５０μｍ、好ましくは３～８μｍ、好ましくは５～１０μｍ、好ましくは６～１５μｍで変化してもよい。
上記焼成粉末混合物のｄ９０粒径は、好ましくは１０～３５０μｍ、好ましくは１０～３００μｍ、好ましくは１０～２５０μｍ、好ましくは１０～２００μｍ、好ましくは１０～１７５μｍ、好ましくは１０～１５０μｍ、好ましくは１０～１００μｍ、好ましくは１０～７５μｍ、好ましくは１０～５０μｍ、好ましくは１０～４０μｍ、好ましくは１０～３０μｍ、好ましくは１５～４５μｍ、好ましくは２０～４０μｍ、好ましくは２０～３５０μｍ、好ましくは４０～３５０μｍ、好ましくは６０～３５０μｍ、好ましくは１００～３５０μｍ、好ましくは１５０～３５０μｍ、好ましくは２００～３５０μｍ、好ましくは１２～３３０ｕｍ、好ましくは１００～３３０μｍ、好ましくは１００～２５０μｍであってよい。
特定の実施形態において、本明細書に開示の焼成条件により、ＹＡＰ、ＹＡＭ、及びＹＡＧ、ならびにそれらの組み合わせの１種以上の結晶相が形成され、且つ／または上記粉末混合物が凝集し、したがって粒径または凝集体の径が広範囲になる場合がある。したがって、実施形態において、本明細書で言及する粒径は単一の粒子を含んでいてもよく、他の実施形態において、本明細書で言及する粒径は複数の粒子を含む凝集体、または本明細書に開示されるレーザー粒径検出方法を使用して、単一の大きな粒子として測定される場合がある多数の粒子の凝集を含んでいてもよい。単一の粒子または多数の粒子の凝集体のいずれかまたは両方を含む粒子は、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、イットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ）、単斜晶系イットリウムアルミニウム（ＹＡＭ）、ＹＡＧ（ガーネット）相、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相を含んでいてもよい。他の実施形態において、本明細書に開示の低温焼成条件は、出発物質と比較して粒径分布に影響を及ぼさない場合があり、粒径分布は出発粉末物質と同一範囲内であるかまたは出発粉末物質に類似する。ロット間の変動及び焼成中の伝熱の管理も粒径分布の拡大の一因となる場合がある。本明細書に開示の出発粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、本明細書に開示の混合／粉砕プロセスのいずれか１つまたは組み合わせに供してもよい。したがって、広範囲の粒径分布は、本明細書に開示の焼成条件及び焼成プロセスに由来する場合がある。
上記出発粉末の比表面積（ＳＳＡ）は、当業者に公知のＢＥＴ法を使用して測定することができる。上記焼成粉末混合物の比表面積は、２～１２ｍ２／ｇ、好ましくは２～１０ｍ２／ｇ、好ましくは２～８ｍ２／ｇ、好ましくは２～６ｍ２／ｇ、好ましくは４～１２ｍ２／ｇ、好ましくは６～１２ｍ２／ｇ、好ましくは８～１２ｍ２／ｇ、好ましくは４～１０ｍ２／ｇ、好ましくは６～１０ｍ２／ｇ、好ましくは８～１０ｍ２／ｇ、好ましくは３～９ｍ２／ｇ、好ましくは２～８ｍ２／ｇ、好ましくは４～８ｍ２／ｇ、好ましくは４～６ｍ２／ｇであってよい。
表１０は、本明細書に開示され、ＹＡＧを含む焼結セラミック体を形成するために使用される軸混合法または転倒（ｔｕｍｂｌｅ）／転倒（ｅｎｄ ｏｖｅｒ ｅｎｄ）混合法のいずれかを使用し、湿式ボールミル粉砕プロセスによって作製された焼成粉末混合物に関する、本明細書に開示のレーザー粒径法及びＢＥＴ法ならびに装置によって測定した粒径及び比表面積（ＳＳＡ）特性の範囲を掲載する。
粉末２８６中のジルコニアは、塩化ジルコニルの添加によって得られ、ジルコニア粉末６１５は、実施例１５に記載のジルコニア媒体を使用する混合プロセスの結果であった。
本明細書に開示の焼成粉末混合物及びセラミック焼結体の相の同定は、約±５％の範囲の結晶相の同定が可能なＰＡＮａｎｌｙｔｉｃａｌ Ａｅｒｉｓ型ＸＲＤを使用して実施した。実施形態において、焼成条件の温度及び継続時間に応じて、焼成により、出発粉末から存在する酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む焼成粉末混合物を得ることができる。他の実施形態において、より高温の焼成条件により、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、及びＹＡＭ（単斜晶系）相からなる群より選択される少なくとも１種の結晶相を含む焼成粉末混合物を得ることができる。他の実施形態において、より高温の焼成条件により、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、ＹＡＭ（単斜晶系）相、及びＹＡＰ相からなる群より選択される少なくとも１種の結晶相を含む焼成粉末混合物を得ることができる。これに代わる実施形態において、より高温の焼成条件により、ＹＡＭ（単斜晶系）相及びＹＡＰ（ペロブスカイト）相からなる群より選択される少なくとも１種の結晶相を含む焼成粉末混合物を得ることができ、さらなる実施形態において、より高温の焼成条件により、ＹＡＰ（ペロブスカイト）相及び／またはＹＡＧ（ガーネット）相を含む焼成粉末混合物を得ることができ、ここで、上記ＹＡＧ相は、１０体積％未満、好ましくは８体積％未満、好ましくは５体積％未満の量で存在していてもよい。酸化アルミニウム、イットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ）、単斜晶系イットリウムアルミニウム（ＹＡＭ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１つ種の結晶相を含んでいてもよい。他の実施形態において、上記焼成粉末混合物は、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、イットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ）、単斜晶系イットリウムアルミニウム（ＹＡＭ）、及びＹＡＧ（ガーネット）相からなる群より選択される少なくとも１種の結晶相を含んでいてもよく、ここで、上記ＹＡＧ相は、１０体積％未満、好ましくは８体積％未満、好ましくは５体積％未満の量で存在していてもよい。上記粉末混合物の焼成により、好ましくは結晶性であり、本明細書に開示の１種以上の結晶相を含む焼成粉末混合物が生成することとなる。
表１１に、本明細書に開示の好ましい実施形態に係る焼成条件、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって測定した結晶相、及び焼成粉末混合物の純度を掲載する。本明細書に開示するすべての純度測定値は、特定の元素の報告限界を超える値で測定されたものであり、Ａｇｉｌｅｎｔ ７９００ ＩＣＰ－ＭＳ Ｇ８４０３型のＩＣＰ－ＭＳを使用して実施した。本明細書に開示のＩＣＰＭＳを使用した、原子量がＳｃ以下の元素などのより軽い元素の存在を検出するための報告限界は、より重い元素の報告限界（約０．１４ｐｐｍ以下である場合が多い）よりも一般に高く、約１．４ｐｐｍ以下である。特に、Ｓｉを検出するために本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用する場合は、約１４ｐｐｍ以上の信頼範囲内で同法を実施することができる。したがって、上記出発粉末、粉末混合物、焼成粉末混合物、及び焼結セラミック体は、約１４ｐｐｍの量のシリカを含んでいてよい。シリカの形態のＳｉは、本明細書に開示の出発粉末、焼成粉末混合物、及び焼結セラミック体の純度または不純物含有量には含めず、Ｓｉが検出されない場合であっても、上記Ｓｉは約１４ｐｐｍ以上であると見なすことができる。
本明細書の開示によれば、９０体積％を超える量のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体は、開示される焼成粉末混合物の粒径分布、純度、及び／または表面積の特性の組み合わせを目的として、焼結ステップ中のインシチュでの反応性焼結によって形成させてもよい。特定の実施形態において、上記焼成粉末混合物は、１０体積％未満のＹＡＧ、好ましくは８体積％未満のＹＡＧ、好ましくは５体積％未満のＹＡＧを含むことが好ましい場合があり、他の実施形態において、本明細書では、ＹＡＧ相を含まないか、または実質的に含まない焼成粉末混合物が開示される。他の実施形態において、上記焼成粉末混合物の比表面積は２ｍ２／ｇを超えることが好ましい場合がある。他の実施形態において、本明細書に開示されるインシチュでの反応性相焼結プロセスによって、ＹＡＧを含む焼結セラミック体を形成するためには、上記焼成粉末混合物が、比表面積が２ｍ２／ｇ以上であるＹＡＧ相を含まないことが好ましい。表１２に、本開示によれば好ましくない焼成粉末混合物の特性を掲載する。
本明細書に開示の方法を使用して、焼成粉末混合物１２７を１５００℃及び３０ＭＰａの圧力で３０分間焼結して、１５０ｍｍの最大寸法のＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠したアルキメデス法を使用して、５回の繰り返しにわたり平均密度が３．８９５ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論密度の８５．５％に相当していた。
焼成粉末混合物０９２－１を１５５０℃及び３０ＭＰａの圧力で３０分間焼結して、１５０ｍｍの最大寸法のＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠したアルキメデス法を使用して、５回の繰り返しにわたり平均密度が４．０９４ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論密度の８９．９％に相当していた。
焼成粉末混合物１２５－１を１５００℃及び３０ＭＰａの圧力で３０分間焼結して、１５０ｍｍの最大寸法のＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠したアルキメデス法を使用して、５回の繰り返しにわたり平均密度が４．４００ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論密度の９６．５％に相当していた。したがって、表１２の焼成粉末混合物の特性、特にＳＳＡの減少、及びそれによる焼結の駆動力の低下によって、本明細書に開示の、プラズマ加工チャンバー中の耐食性焼結セラミック部品として使用するための要件を満たすには許容されない可能性がある低密度の焼結セラミック体が生成した。
したがって、本明細書に開示の焼成粉末混合物は、２～１２ｍ２／ｇ、好ましくは２～１０ｍ２／ｇの比表面積を有し、且つ、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、ＹＡＰ、ＹＡＭ及び、ＹＡＧであって、該ＹＡＧ相がＸＲＤによって測定して約１０体積％未満の量で存在する上記ＹＡＧ、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相をさらに含んでいてもよい。
本明細書に開示の方法のステップｃ）は、焼結装置のツールセットによって画成される容積内に上記焼成粉末混合物を配置し、上記容積内に真空条件をつくり出すことを含む。一実施形態に係るプロセスで使用される焼結装置は、通常、容積と第１及び第２の開口部とを有し、第１及び第２のパンチをさらに備える円筒形のグラファイトダイであるグラファイトダイを少なくとも備えるツールセットを備える。上記第１のパンチを上記ダイの第１の開口部内に移動させ、上記焼成粉末混合物を上記ダイの第２の開口部内に配置し、第２のパンチをダイの第２の開口部内に移動させ、それにより焼成粉末混合物を焼結装置の上記ツールセットによって画成される容積内に配置する。少なくとも１種の焼成粉末混合物を焼結装置のダイ中に充填してもよい。当業者に公知の真空条件が、ツールセットによって画成された容積内に確立される。通常の真空条件としては、１０－２～１０－３トールの圧力が挙げられる。上記真空は、主に空気を除去してグラファイトを燃焼から保護し、空気の大部分を粉末から除去するために印加される。本明細書に開示の方法は、拡張可能であり、且つ工業的製造方法に適合するセラミック焼結体及び／または焼結セラミック部品の製造方法を提供する。この方法は、焼結助剤、焼結前の未処理体の冷圧、成形、または機械加工を必要とせずに、市販の粉末であり且つ／または化学合成技法から製造された、平均粒径分布がミクロンサイズである粉末を利用する。
開示される方法のステップｄ）は、焼結温度に加熱しながら上記焼成粉末混合物に圧力を印加し、焼結を実施して焼結セラミック体を形成することを含み、ステップｅ）は、焼結装置への熱源を除去し、上記焼結セラミック体を冷却することによって、上記焼結セラミック体の温度を下げることを含む。圧力が、５ＭＰａ～６０ＭＰａ、好ましくは５ＭＰａ～４０ＭＰａ、好ましくは５ＭＰａ～２０ＭＰａ、好ましくは５ＭＰａ～１５ＭＰａ、好ましくは１０ＭＰａ～６０ＭＰａ、好ましくは１０ＭＰａ～４０ＭＰａ、好ましくは１０ＭＰａ～３０ＭＰａ、好ましくは１０ＭＰａ～２０ＭＰａ、好ましくは１３ＭＰａ～１８ＭＰａ、好ましくは１５ＭＰａ～６０ＭＰａ、好ましくは１５ＭＰａ～４０ＭＰａ、好ましくは１５ＭＰａ～３０ＭＰａ、好ましくは２０～４０ＭＰａの範囲にわたって、ツールセットによって画成された容積内に配置された焼成粉末混合物に対して印加される。上記圧力はダイ中の粉末混合物に対して軸方向に印加される。
好ましい実施形態において、上記粉末混合物は、焼結装置のパンチ及びダイによって直接加熱される。上記ダイは、抵抗加熱／ジュール加熱を促進する、グラファイトなどの導電性材料から構成されてもよい。焼結装置及び手順はＵＳ２０１０／０１５６００８Ａ１に開示され、上記特許文献は本明細書に援用される。
本開示にかかる焼結装置の温度は、通常、該装置のグラファイトダイ内で測定される。それにより、上記温度は、処理される焼成粉末混合物に可能な限り近接したところで測定し、その結果、示された温度が、焼結される焼成粉末混合物内で実際に実現されることが好ましい。
ダイ中に供給される粉末混合物に対する上記熱の印加により、１０００～１７００℃、好ましくは１２００～１７００℃、好ましくは１４００～１７００℃、好ましくは１５００～１７００℃、より好ましくは１６００～１７００℃、好ましくは１４００～１６５０℃、好ましくは１５００～１６５０℃、好ましくは１４００～１６００℃、好ましくは１５００～１６００℃の焼結温度に容易に達する。焼結は、通常、０．５～１８０分、好ましくは０．５～１２０分、好ましくは０．５～１００分、好ましくは０．５～８０分、好ましくは０．５～６０分、好ましくは０．５～４０分、好ましくは０．５～２０分、好ましくは５～１２０分、好ましくは１０～１２０分、好ましくは２０～１２０分、好ましくは４０～１２０分、好ましくは６０～１２０分、好ましくは８０～１００分、好ましくは８５０～９５分、好ましくは１５～４５分の等温時間で実現することができる。特定の実施形態において、焼結は、等温時間ゼロで実現することができ、焼結温度に達すると、本明細書に開示される冷却速度が開始される。プロセスステップｅ）において、上記焼結セラミック体は、熱源の除去によって受動的に冷却される。焼結セラミック体を容易に取り扱える温度に到達するまで、及び任意選択の焼鈍プロセスの開始まで、自然対流が起こる。
焼結中には通常体積減少が起こり、その結果、焼結セラミック体は、焼結装置のツールセット中に配置されたときの出発粉末混合物の体積の約３分の１の体積を含む場合がある。
一実施形態における圧力及び温度の印加の順序は本開示に従って変化してもよく、このことは、最初に開示される範囲内の圧力を印加し、その後に所望の温度を実現するための熱を印加することが可能であることを意味する。さらに、他の実施形態において、最初に示された熱を印加して所望の温度を実現し、その後に示された圧力を印加することも可能である。本開示に係る第３の実施形態において、温度及び圧力は、焼結される焼成粉末混合物に同時に印加され、温度及び圧力の示された値に達するまで上昇させる。いくつかの実施形態において、上記印加される圧力は、本明細書に開示の焼結温度までの少なくとも１つの温度まで上記焼成粉末混合物を加熱しながら、変化させてもよい。
誘導加熱法または放射加熱法を使用して焼結装置を加熱し、且つツールセット中の上記焼成粉末混合物を間接的に加熱することもできる。
他の焼結技法とは対照的に、焼結前の試料の調製、すなわち、焼結前の未処理体の冷圧または成形による必要はなく、焼成粉末混合物は、焼結装置のツールセットによって画成される容積中に直接配置される。この粉末混合物の取扱い工程数が少なくなることにより、最終的な焼結セラミック体の純度をより高くすることができる。
他の焼結技術とはさらに対照的に、焼結助剤は不要である（但し、必要な場合には焼結助剤を使用することもできる）。さらに、最適なエッチング性能を得るには、高純度の出発粉末が望ましい。焼結助剤を使用しないこと、及び本明細書に開示される９９．９９％～約９９．９９９９％の純度の高純度出発物質を使用することによって、高純度、高密度／低多孔度の焼結セラミック体の製造が可能になり、これにより半導体エッチングチャンバー中の焼結セラミック部品として使用するためのエッチング耐性が改善される。
本発明の一実施形態において、プロセスステップｄ）は、０．１℃／分～１００℃／分、０．１℃／分～５０℃／分、０．１℃／分～２５℃／分、好ましくは０．５℃／分～５０℃／分、好ましくは０．５～２５℃／分、好ましくは０．５～１０℃／分、好ましくは０．５℃／分～５℃／分、好ましくは１～１０℃／分、好ましくは１～５℃／分、好ましくは２～５℃／分の少なくとも１つの昇温勾配での、特定の予備焼結時間に達するまでの予備焼結ステップをさらに含んでいてもよい。
本発明のさらなる実施形態において、プロセスステップｄは、０．１５～３０ＭＰａ／分、０．１５～２０ＭＰａ／分、０．１５～１０ＭＰａ／分、０．１５～５ＭＰａ／分、０．２５～２０ＭＰａ／分、０．３５ＭＰａ／分～２０ＭＰａ／分、０．５ＭＰａ／分～２０ＭＰａ／分、０．７５ＭＰａ／分～２０ＭＰａ／分、１ＭＰａ／分～２０ＭＰａ／分、５ＭＰａ／分～２０ＭＰａ／分、好ましくは０．１５～５ＭＰａ／分、好ましくは０．１５～１ＭＰａ／分、好ましくは０．１５～０．５ＭＰａ／分の少なくとも１つの昇圧勾配での、特定の予備焼結時間に達するまでの予備焼結ステップをさらに含んでいてもよい。
別の実施形態において、プロセスステップｄ）は、上述の少なくとも１つの昇温勾配及び上述の少なくとも１つの昇圧勾配での予備焼結ステップをさらに含んでいてもよい。
本方法は、一実施形態において、プロセスステップｄ）の終了時に、当業者に公知の真空条件下での加工チャンバーの自然冷却（非強制冷却）による焼結セラミック体の冷却であるステップｅ）をさらに含んでいてもよい。プロセスステップｅ）に係るさらなる実施形態において、上記焼結セラミック体を、不活性ガス、例えば、１バールのアルゴン、窒素、もしくはヘリウム、または任意の不活性ガスを用い、強制対流下で冷却してもよい。１バールを超えるまたは下回る他のガス圧も使用することができる。さらなる実施形態において、上記焼結セラミック体は、アルゴン、窒素、またはヘリウムのいずれか１種から選択されるガスを使用し、静的条件下で冷却される。上記冷却ステップを開始するために、焼結ステップｄ）の終了時に、焼結装置に、延いては焼結セラミック体に供給されていた電力及び圧力が取り除かれ、その後ステップｅ）に従って冷却が行われる。本明細書に開示の焼結セラミック体の冷却速度は、０．５～２０℃／分、１～１０℃／分、好ましくは１～８℃／分、好ましくは１～５℃／分、好ましくは２～１０℃／分で、好ましくは２～８℃／分、好ましくは２～５℃／分であってよい。
本明細書に開示の方法のステップｆ）は、任意選択で、熱を印加して焼結セラミック体の温度を上昇させ、焼鈍温度に到達させることによって焼結セラミック体を焼鈍する（または、実施形態において、任意選択で焼結セラミック部品を焼鈍する）ことを含み、ステップｇ）は、焼鈍焼結セラミック体（または焼鈍焼結セラミック部品）の温度を下げることを含む。ステップｆ）は任意選択であり、焼結セラミック体、または本明細書に開示の機械加工プロセス後の、焼結セラミック体から形成された焼結セラミック部品に対して実施することができる。実施形態において、焼鈍は、焼結装置に対して外部の炉中で、または焼結装置自体の中で、該装置から取り出すことなく実施してもよい。
本明細書に開示の実施形態に係る焼鈍の目的のために、上記焼結セラミック体を、プロセスステップｅ）に従って冷却した後に焼結装置から取り出してもよく、且つ、焼鈍のプロセスステップを炉などの別個の装置中で実施してもよい。
この焼鈍により焼結体の化学的及び物理的特性が改善される。上記焼鈍のステップは、ガラス、セラミック、及び金属の焼鈍に使用される従来の方法によって実施することができ、焼鈍温度と焼鈍継続させる期間の選択によって、改善の程度を選択することができる。
実施形態において、焼結セラミック体を焼鈍する上記任意選択のステップｆ）は、０．５℃／分～２０℃／分、好ましくは０．５℃／分～２５℃／分、より好ましくは０．５℃／分～１０℃／分、より好ましくは０．５℃／分～５℃／分、より好ましくは１℃／分～５０℃／分、より好ましくは３℃／分～５０℃／分、より好ましくは５℃／分～５０℃／分、より好ましくは２５℃／分～５０℃／分、好ましくは１℃／分～１０℃／分、好ましくは２℃／分～１０℃／分、好ましくは２℃／分～５℃／分の加熱速度で実施される。
実施形態において、焼結セラミック体を焼鈍する上記任意選択のステップｆ）は、約９００～約１６００℃、好ましくは約１１００～約１６００℃、好ましくは約１３００～約１６００℃、好ましくは約９００～約１５００℃、好ましくは約９００～約１４００℃、好ましくは約１４００～約１６００℃の温度で実施される。
実施形態において、焼結セラミック体を焼鈍する上記任意選択のステップｆ）は、０．５℃／分～２０℃／分、好ましくは０．５℃／分～２５℃／分、より好ましくは０．５℃／分～１０℃／分、より好ましくは０．５℃／分～５℃／分、より好ましくは１℃／分～５０℃／分、より好ましくは３℃／分～５０℃／分、より好ましくは５℃／分～５０℃／分、より好ましくは２５℃／分～５０℃／分、好ましくは１℃／分～１０℃／分、好ましくは２℃／分～１０℃／分、好ましくは２℃／分～５℃／分の冷却速度で実施される。
焼結セラミック体の焼鈍を実施する上記任意選択のステップｆ）は、結晶構造中の酸素空孔を化学量論比に戻るように修復することを意図する。上記任意選択の焼鈍は、上記焼鈍温度で、１～２４時間、好ましくは１～１８時間、好ましくは１～１６時間、好ましくは１～８時間、好ましくは４～２４時間、好ましくは８～２４時間、好ましくは１２～２４時間、好ましくは４～１２時間、好ましくは６～１０時間実施してもよい。
焼結セラミック体を焼鈍する上記任意選択のステップｆ）は、酸化性雰囲気中で実施してもよく、この酸化性雰囲気により、上記焼鈍プロセスは、反射率（ａｌｂｅｄｏ）を増加させ、応力を低減し、機械的取扱い性を改善し且つ多孔度を低下させることができる。上記任意選択の焼鈍ステップは空気中で実施してもよい。
上記の一実施形態に係る加圧及び通電支援プロセスは、大型焼結ＹＡＧ体の製造に使用するのに好適である。開示されるプロセスは、粉末を迅速に圧密化且つ緻密化し、焼結セラミック体において約１０ｕｍ未満の最大結晶粒径を保持し、且つ理論値の９６％を超える高く均一な密度及び４％未満の体積多孔度を、最大寸法にわたる最小限（５％未満）の密度の変動と共に達成する。密度の変動を低減することにより、取扱い性が向上し、且つ焼結セラミック体の全体的な応力を低下させることができる。この微細な結晶粒径、均一且つ高い密度の組み合わせにより、半導体加工チャンバー中の部品としての機械加工、取扱い、及び使用に好適な、大寸法の高強度焼結ＹＡＧ体が提供される。
焼結セラミック体を焼鈍する上記任意選択のプロセスステップｆ）が実施された後に、焼結セラミック体、及び場合により、焼鈍焼結セラミック体の温度がプロセスステップｇ）に従って周囲温度に下げられ、上記焼結且つ任意選択で焼鈍セラミック体は、焼鈍ステップが焼結装置に対して外部で行われた場合は炉から取り出されるか、または焼鈍ステップｆ）が焼結装置中で行われた場合は該焼結装置から取り出されるかのいずれかである。表１３に、本明細書に開示の例示的なセラミック焼結体の一連のプロセス条件及び試料サイズを掲載する。
本明細書に開示の材料及び方法に従って製造されたセラミック焼結体の純度は非常に高い。本焼結セラミック体の純度は上記焼成粉末混合物の純度とほぼ同一とすることができる。表１４に、ＩＣＰＭＳ法によって測定した、本明細書に開示の焼成粉末混合物及びそれから形成された対応するセラミック焼結体のｐｐｍで表した不純物及びパーセントで表した純度を掲載する。
本明細書に開示の粉末、粉末混合物、及び焼結セラミック体の不純物含有量／純度を測定するために使用されるＩＣＰＭＳ法は、原子番号に基づく異なる報告限界で、重量に基づき個々の元素を測定する。一般に、本明細書に開示のＩＣＰＭＳを使用してより軽い元素の存在を検出するための報告限界は、より重い元素の報告限界よりも高い。換言すると、Ｓｃ以上の元素などのより重い元素は、特により低濃度で、より軽い元素よりも高い精度で検出される。Ｓｃ～Ｕの元素については、報告限界は０．０００７ｐｐｍ未満～０．２０４ｐｐｍ未満で変化する。Ｌｉ～Ｃａなどのより軽い元素（但しＳｉを除く）については、報告限界は０．０００７ｐｐｍ未満～１．４ｐｐｍで変化する。上記粉末、粉末混合物、及び焼結セラミック体中に存在する可能性のあるＳｉＯ２の形態のＳｉは、本明細書に開示されるＩＣＰＭＳ法を使用して、１４ｐｐｍ以上の量で正確に報告することができる。但し、本明細書に開示の出発粉末、焼成粉末混合物、及び／またはセラミック焼結体中にＳｉは検出されなかった。それぞれの元素の報告限界を超える量で検出されたこれらの元素は、ｐｐｍで表される総不純物含有量及び関連する純度（％）として報告される。ＳｉＯ２の形態のＳｉは、報告限界が高いため、総不純物含有量には含めておらず、したがって、本明細書では別個に報告する。実施形態において、本明細書に開示の出発粉末、焼成粉末混合物、及び／またはセラミック焼結体のシリカ含有量は、全ての構成成分の含有量から計算される上記出発粉末、焼成粉末混合物、及び／またはセラミック焼結体の総質量を基準として、例えば約１４ｐｐｍ以上と低い場合がある。したがって、特定の実施形態において、上記出発粉末、焼成粉末混合物、及び／またはセラミック焼結体は約１４ｐｐｍの量のシリカを含む。
いくつかのプロセスパラメータを、灰色、白、赤、及びそれらの組み合わせであってよい、目視で容易に分る色を有する焼結セラミック体を形成するように調整してもよい。実施形態において、開示される焼鈍プロセスの前または後の焼結セラミック体は、表面上及び全体的に色が均一であってよく、上述の色のうちの１色を含んでいてもよい。他の実施形態において、上記焼結セラミック体は表面上及び全体にわたって色が変化してもよく、上述の色のうちの２色以上を含んでいてもよい。任意選択の焼鈍ステップの前の焼結したままの状態の焼結体は、外観全体が灰色であってよい表面及びバルク／内部を有していてもよく、密度がＹＡＧの理論密度の９９％を超えていてもよい。例えば、本明細書に開示の焼結セラミック体試料３２２は、目視検査においてバルク内及び試料の表面上で灰色を示す。白色の焼結セラミック体を製造するためには、加熱速度、焼鈍温度及び時間の焼鈍条件を変化させて、表面上及び全体にわたって目視で白色に見える焼結セラミック体を形成してもよい。例えば、白色の焼結セラミック体を形成する特定の実施形態において、約１５００℃の温度で８～２４時間の継続時間での焼鈍が必要とされる場合があり、その結果、ＹＡＧの理論密度の９７～９９％の密度が得られる。表１３に示す、１５５０℃で８時間アニールした焼結セラミック体試料２７２－５は、バルク内及び試料の表面上で白色を示し、密度は４．４３３ｇ／ｃｃ、すなわちＹＡＧの理論密度の約９７．３％である。これに代わる実施形態において、焼結セラミック体中に過剰なアルミナ（約０．３～１体積％の量で）が存在することによって、白色の焼結セラミック体を生成することができ、これは、１１００～１４００℃の温度で６～１０時間の期間焼鈍した後に、本明細書に開示される焼結セラミック体試料３２２－１に係る、密度が４．５３１ｇ／ｃｃ、すなわちＹＡＧの理論密度の９９．４５１％である、白色焼結体を生成することができる。他の実施形態において、上記出発粉末に添加された、及び／またはジルコニア粉砕媒体を使用することに由来する、２０～１００ｐｐｍの量のジルコニアが存在するによって、焼結したままの状態で赤みがかった色の、密度が理論密度の９８～９９．５％の焼結セラミック体を生成することができる。例えば、焼結セラミック体試料２９８は、約５０ｐｐｍのジルコニアを含んで製造され、表面上及びバルク内で赤色を示し、密度が４．５４０ｇ／ｃｃ、すなわちＹＡＧの理論密度の９９．６４９％であった。焼結セラミック体中に存在することができる程度の過剰なアルミナ（約０．１～３体積％、好ましくは０．１～１体積％の量で）によって、本明細書に開示の焼結を行ったままの状態であるか焼鈍プロセスの後であるかを問わず、該セラミック体の表面上及びバルク内が均一な色であり、密度がＹＡＧの理論密度の９８．５～９９．５％である、焼結セラミック体を提供することができる。これらの及び類似の実施形態の密度及び試料調製を、それぞれ表１１及び１３に掲載する。
本明細書に開示の方法のステップｈ）は、上記焼結セラミック体を機械加工し、またはいくつかの実施形態において、任意選択の焼鈍プロセスの後に上記焼結セラミック体を機械加工して、エッチングチャンバー内の、誘電体窓またはＲＦウィンドウ、フォーカスリング、ノズルまたはガスインジェクター、シャワーヘッド、ガス分配プレート、エッチングチャンバーライナー、プラズマ源アダプター、ガスインレットアダプター、ディフューザー、静電ウェハチャック、チャック、パック、ミキシングマニフォールド、イオンサプレッサーエレメント、フェイスプレート、アイソレーター、スペーサー、保護リング、及びデポジションリングなどの焼結セラミック部品を形成することを含み、本明細書に開示の焼結セラミック体から耐食性部品を機械加工するための公知の方法に従って実施することができる。実施形態において、本焼結セラミック体から形成される本焼結セラミック部品は、好ましくは、組成Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）のイットリウムアルミニウムガーネットを含んでいてもよく、さらなる実施形態において、本焼結セラミック体は、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、組成ＹＡｌＯ３（ＹＡＰ）のイットリウムアルミニウムペロブスカイト、組成Ｙ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）の単斜晶系イットリウムアルミニウム、及びそれらの組み合わせをさらに含んでいてもよい。
特定の実施形態において、上記焼結セラミック体から形成される焼結セラミック部品の相純度は最大で９９．９体積％であり、化学的純度９９．９９％を超えることができる。これに代わる実施形態において、上記焼結セラミック部品は、相純度が９７～９９．８体積％であるＹＡＧを含んでいてもよく、０．２～３体積％の酸化アルミニウム相をさらに含んでいてもよい。本耐食性焼結セラミック部品は、本明細書に開示のセラミック焼結体の上述の実施形態のいずれかから形成することができる。
半導体エッチングチャンバーに必要とされる耐食性の焼結セラミック部品は、本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態から作製することができ、該部品としては、他の形状もある中で、ＲＦウィンドウまたは誘電体窓、ノズルまたはインジェクター、シャワーヘッド、（エッチング）チャンバーライナー、ミキシングマニフォールド、ウェハサポート、静電ウェハチャック、ならびにフォーカスリング及び保護リングなどの種々のリングを挙げることができる。したがって、密度、体積多孔度、硬度、純度、結晶粒径、強度などの特性は、焼結セラミック体から、該焼結セラミック体から形成される焼結セラミック部品に移転される。
本焼結セラミック体／部品は、プラズマエッチングチャンバー中で使用するための大きなセラミック体サイズの製造が可能になるのに十分な機械的特性を有することができる。本明細書に開示の部品のサイズは、それぞれ焼結体の最大寸法に関して、２００ｍｍ～６２２ｍｍ、好ましくは３００～６２２ｍｍ、好ましくは３５０～６２２ｍｍ、好ましくは４００～６２２ｍｍ、より好ましくは４５０～６２２ｍｍ、より好ましくは５００ｍｍ～６２２ｍｍ、好ましくは１００～６０５ｍｍ、好ましくは２００～６０５ｍｍ、好ましくは５５０～６２２ｍｍであってもよい。機械的強度を評価するために、試料００６を公知の技法に従って研磨し、４点強さ試験用のＢ型試験棒を調製した。１５００℃の温度、３０ＭＰａの圧力、３０分間の期間の焼結、続いて空気中、１４００℃、８時間の期間の焼鈍を使用して試料６を調製した。本明細書に開示の方法を使用した密度が、４．５４５すなわち理論密度の９９．７７％（０．２３％の多孔度に相当）と測定された。表６に高い強度値が報告されており、これらは、本明細書に開示のセラミック焼結体が、本明細書に開示のチャンバー部品を製造するのに十分な機械的強度を有することになることを示している。
本明細書に開示の方法は、結晶相純度、化学的純度、密度及び密度の変動、機械的強度、延いては耐食性焼結セラミック部品、特に、例えば最大の形体のサイズにわたる、２００ｍｍを超える寸法のセラミック体用の上記部品の取扱い性に対する制御を改善し、且つ上記耐食性焼結セラミック部品の格子中の酸素空孔を低減する。表１５に、本明細書に開示の例示的なＹＡＧセラミック焼結体の、最大寸法／サイズ、５回の測定にわたる平均密度、ＹＡＧの理論密度に対する割合、割合で表した密度の変動、及び体積多孔度を掲載する。
性能
エッチングを、以下に記載されるように、本明細書に開示の方法に従って調製したＹＡＧを含む耐食性焼結セラミック体上で実施した。
エッチングを、以下に記載されるように、本明細書に開示の方法に従って調製したＹＡＧを含む耐食性焼結セラミック体上で実施した。
エッチング手順：
エッチング性能を評価するために、６ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの寸法の実施例１の試料５１９の焼結セラミック体からなる試料を、ヒートシンクコンパウンドを使用してｃ面サファイアウェハ上に取り付けた。表面品質は、エッチングプロセスの前後にＳａ、Ｓｚ、及びＳｄｒを測定することによって評価した。
エッチング性能を評価するために、６ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの寸法の実施例１の試料５１９の焼結セラミック体からなる試料を、ヒートシンクコンパウンドを使用してｃ面サファイアウェハ上に取り付けた。表面品質は、エッチングプロセスの前後にＳａ、Ｓｚ、及びＳｄｒを測定することによって評価した。
業界の標準装置であるＰｌａｓｍａ－Ｔｈｅｒｍ Ｖｅｒｓａｌｉｎｅ ＤＥＳＣ ＰＤＣ Ｄｅｅｐ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｅｔｃｈを使用してドライエッチングプロセスを実施した。エッチングは、合計の期間が６時間の２ステッププロセスを使用して完了した。エッチング方法は、１０ミリトールの圧力、６００ボルトのバイアス、及び２０００ワットのＩＣＰ電力で実施した。エッチング法は、ＣＦ４流速が９０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、酸素流速が３０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、アルゴン流速が２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の第１のエッチングステップと、酸素流速が１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）及びアルゴン流速が２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の第２のエッチングステップで実施し、第１及び第２のステップをそれぞれ３００秒間実施し、合計６時間の期間繰り返す。
試料の性能を評価するために上記試験で使用したエッチング条件は、性能を識別するために、開示された材料を極端なエッチング条件に供するように選択した。エッチングプロセスの前と後の両方における本明細書に開示の焼結セラミック体の表面は、加工チャンバー中での粒子生成と相関する可能性がある。したがって、概括的には表面粗さを低減することが有益である。上記焼結セラミック体に対して、Ｓａ（算術平均高さ）、Ｓｚ（最大高さ）、及びＳｄｒ（界面の展開面積比）のパラメータを測定した。耐食性材料によって表面粗さが小さくなることで、チャンバー中への汚染粒子の放出が低減され、同様に、エッチング後に表面粗さがより大きいことが、粒子生成及びウェハ上への放出の一因となる可能性があるという点において、一般に、プラズマエッチングプロセス後の表面粗さは、チャンバーでの粒子生成に影響を与える可能性がある。さらに、Ｓａ、Ｓｚ、及びＳｄｒの表面粗さの値がより低いことで示される表面のより高い平滑性によって、本明細書に開示のチャンバー部品をより容易に半導体グレードレベルまでクリーン化することが可能になる。
表面粗さの測定
表面粗さ測定は、クラス１のクリーンルーム中で、周囲条件下、Ｋｅｙｅｎｃｅ ３Ｄレーザー走査型共焦点デジタル顕微鏡ＶＫ－Ｘ２５０Ｘ型を使用して実施した。上記顕微鏡は、２．８Ｈｚの固有振動数のＴＭＣ ＴａｂｌｅＴｏｐ ＣＳＰパッシブ卓上型除振台上に設置されている。この非接触システムは、レーザー光線及び光学センサーを使用して、反射光の強度によって表面を分析する。この顕微鏡は、ｘ方向に１，０２４データポイント、ｙ方向に７８６データポイント、計７８６，４３２データポイントを取得する。所定の走査が完了したところで、対物レンズがｚ方向に設定されたピッチで移動し、走査間で強度を比較して焦点を決定する。ＩＳＯ ２５１７８ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｘｔｕｒｅ （Ａｒｅａｌ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）は、この顕微鏡が準拠する表面粗さの分析に関係する国際的規格を収集したものである。
表面粗さ測定は、クラス１のクリーンルーム中で、周囲条件下、Ｋｅｙｅｎｃｅ ３Ｄレーザー走査型共焦点デジタル顕微鏡ＶＫ－Ｘ２５０Ｘ型を使用して実施した。上記顕微鏡は、２．８Ｈｚの固有振動数のＴＭＣ ＴａｂｌｅＴｏｐ ＣＳＰパッシブ卓上型除振台上に設置されている。この非接触システムは、レーザー光線及び光学センサーを使用して、反射光の強度によって表面を分析する。この顕微鏡は、ｘ方向に１，０２４データポイント、ｙ方向に７８６データポイント、計７８６，４３２データポイントを取得する。所定の走査が完了したところで、対物レンズがｚ方向に設定されたピッチで移動し、走査間で強度を比較して焦点を決定する。ＩＳＯ ２５１７８ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｘｔｕｒｅ （Ａｒｅａｌ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）は、この顕微鏡が準拠する表面粗さの分析に関係する国際的規格を収集したものである。
試料の詳細な画像を捕捉するために、上記共焦点顕微鏡を使用し、５０倍の倍率で試料の表面をレーザー走査した。粗さは、７つに分割されたブロックのプロファイルで得られた。ラムダ カイ（λ）は測定サンプリング長を表すが、これをＩＳＯ規格４２８８：Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ （ＧＰＳ） －－ Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ： Ｐｒｏｆｉｌｅ ｍｅｔｈｏｄ －－ Ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅに準拠して、ライン読み取り（ｌｉｎｅ ｒｅａｄｉｎｇ）が７つの中央ブロックの５つの測定点に制限されるように調整した。
当業者に公知のＲａは、ＩＳＯ ４２８７：１９９７ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ （ＧＰＳ） －－ Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ： Ｐｒｏｆｉｌｅ ｍｅｔｈｏｄに準拠した２Ｄプロファイルの算術平均粗さを表す。これは表面と接触する機械式スタイラスに基づいて線形プロファイルを作成する。
Ｓａはレーザー法を使用した３Ｄ測定表面にわたる高さの差を表す一方、Ｒａは２Ｄ線形プロファイル走査にわたる高さの差を表す。
Ｒａはスタイラス先端の形状によって制限を受け、そのため、微細な形体の細部が損なわれる、山及び谷が歪む可能性がある。これは、微細なサブミクロンの形体を測定する際に問題になり、Ｒａ値をＳａ値と比較して使用する場合の制限である。
測定する焼結セラミック体のエッチングされた領域及びエッチングされていない領域内の範囲を選択した。領域は、典型的な試料表面を最も代表するように選択され、これらを使用してＳａ、Ｓｚ、及びＳｄｒを算出した。
Ｓａは、焼結セラミック体の表面のユーザーが規定した範囲にわたって計算した平均粗さ値を表す。Ｓｚは、焼結セラミック体の表面のユーザーが規定した領域にわたる、山から谷までの最大の距離を表す。Ｓｄｒは、「界面の展開面積比」として定義される計算される数値であり、完全に平坦な表面の表面積を超える実際の表面積の増加の比例式である。平坦な表面にはＳｄｒ＝０が割り当てられ、この値は表面の傾斜と共に増加する。数値が大きいほど表面積の増加が大きいことに対応する。これにより、試料の表面積の増加の程度を数値で比較することができる。これは、平坦な範囲と比較して、テクスチャまたは表面形体に起因して増加する表面積を表す。
表面粗さの特徴であるＳａ、Ｓｚ、及びＳｄｒは、基礎となる技術分野において周知のパラメータであり、例えば、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．３．２節に記載される。
本開示は、エッチングされていない範囲に、１５ｎｍ未満、より好ましくは１３ｎｍ未満、より好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは８ｎｍ未満、好ましくは２～１５ｎｍ、好ましくは２～１０ｎｍ、好ましくは２～８ｎｍ、好ましくは２～５ｎｍの算術平均高さＳａ、好ましくは、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．１．７．節、算術平均高さ、Ｓａに準拠した３ｎｍの平均Ｓａを与える、エッチングまたは蒸着プロセスの前に耐食性の研磨された表面を有する、特定の焼結セラミック体及び／またはそれから作製された部品に関する。
本開示は、５．０μｍ未満、好ましくは４．０μｍ未満、好ましくは３．５μｍ未満、好ましくは２．５μｍ未満、好ましくは２μｍ未満、好ましくは１．５μｍ未満、好ましくは０．３～５ｕｍ、好ましくは０．３～４ｕｍ、好ましくは０．３～３ｕｍ、好ましくは０．３～２ｕｍ、好ましくは０．３～１ｕｍ、好ましくは０．３～０．５ｕｍの最大高さＳｚ、好ましくは、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．１．６．節、最大高さ、Ｓｚに準拠した０．４ｕｍの平均Ｓｚを与える、エッチングまたは蒸着プロセスの前に耐食性表面を有する、特定の焼結セラミック体及び／またはそれから作製された部品に関する。
本開示は、１５００×１０－５未満、より好ましくは１２００×１０－５未満、より好ましくは１０００×１０－５未満、より好ましくは８００×１０－５未満、より好ましくは６００×１０－５未満、より好ましくは４００×１０－５未満、好ましくは１５～４００×１０－５、好ましくは１５～２００×１０－５、好ましくは１５～１００×１０－５、好ましくは２５～２００×１０－５、好ましくは２５～１００×１０－５、好ましくは２５～５０×１０－５の、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．３．２．節、界面の展開面積比、Ｓｄｒに準拠した界面の展開面積比、Ｓｄｒを与える、エッチングまたは蒸着プロセスの前に耐食性表面を有する、特定の焼結セラミック体及び／またはそれから作製された部品に関する。
本開示は、２５ｎｍ未満、２０ｎｍ未満、より好ましくは１８ｎｍ未満、より好ましくは１６ｎｍ未満、より好ましくは１４ｎｍ未満、より好ましくは１２ｎｍ未満の、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．１．７．節、算術平均高さ、Ｓａに準拠した算術平均高さ、Ｓａを与える、本明細書に開示のエッチングプロセスの後に耐食性の研磨された表面を有する、特定の焼結セラミック体及び／またはそれから作製された部品に関する。
本開示は、４．８μｍ未満、より好ましくは、３．８μｍ、最も好ましくは３．２μｍ未満、より好ましくは２．５μｍ未満、より好ましくは２μｍ未満、より好ましくは１．５μｍ未満の、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．１．６．節、最大高さ、Ｓｚに準拠した最大高さ、Ｓｚを与える、本明細書に開示のエッチングまたは蒸着プロセスの後に耐食性表面を有する、特定の焼結セラミック体及び／またはそれから作製された部品に関する。
本開示は、３０００×１０－５未満、好ましくは２５００×１０－５未満、より好ましくは２０００×１０－５未満、より好ましくは１５００×１０－５未満、より好ましくは１０００×１０－５未満、より好ましくは８００×１０－５未満の、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．３．２．節、界面の展開面積比、Ｓｄｒに準拠した界面の展開面積比、Ｓｄｒを与える、を与える、本明細書に開示のエッチングまたは蒸着プロセスの後に耐食性表面を有する、特定の焼結セラミック体及び／またはそれから作製された部品に関する。
表１６には、本明細書に開示の実施例１４の試料４３２に対応する焼結セラミック体の表面粗さ測定値を掲載する。
一実施形態において、９０体積％～９９．８体積％の多結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）と、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～４％の体積多孔度とを含む上記本焼結セラミック体は、１０ミリトールの圧力、６００ボルトのバイアス、２０００ワットのＩＣＰ電力を有するエッチング方法であって、９０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のＣＦ４流速、３０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の酸素流速、２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のアルゴン流速を有する第１のエッチングステップ、ならびに１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の酸素流速及び２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のアルゴン流速を有する第２のエッチングステップをさらに含み、ステップ１及び２がそれぞれ３００秒間実施され、且つステップ１及び２が６時間の通算の期間繰り返される上記エッチング方法に曝露された場合にエッチングされていない範囲における算術平均高さ（Ｓａ）が１５ｎｍ以下であり、エッチングされた領域における算術平均高さ（Ｓａ）が約２０ｎｍ以下である。一実施形態において、上記焼結セラミック体のエッチングされていない範囲における算術平均高さ（Ｓａ）は１２ｎｍ以下であり、エッチングされた範囲における算術平均高さ（Ｓａ）は１６ｎｍ以下である。別の実施形態において、上記焼結セラミック体のエッチングされていない範囲における算術平均高さ（Ｓａ）は１０ｎｍ以下であり、エッチングされた範囲における算術平均高さ（Ｓａ）は１２ｎｍ以下である。
本明細書に開示の実施形態は、図３０及び３１に示す例示的なプラズマ加工チャンバー中での使用に適合した多結晶焼結セラミック体及びそれから製造された部品を含む。
本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態を、任意且つ特定の焼結セラミック体に組み合わせてもよい。したがって、本明細書に開示の２つ以上の特性を組み合わせて、例えば実施形態に概説するように、本焼結セラミック体をより詳細に説明することができる。
本明細書に開示の焼結セラミック体及び関連する耐食性焼結部品においては、エッチングプロセス及び蒸着プロセスにおける挙動が改善され且つ取扱い性が改善され、半導体エッチングチャンバー及び蒸着チャンバー用の部品を製造するための材料として使用することができる。
本酸化イットリウムアルミニウム材料、特にＹＡＧ相を含み、実施形態によっては酸化アルミニウム相をさらに含む、今日までにエッチングチャンバー／蒸着チャンバー部品としての使用が提案されている上記材料には、すでに上述したように、過酷な腐食性且つ侵食性の条件下で粒子が生成し、これが加工する製品を汚染するという問題をかかえている。さらに、酸化イットリウムアルミニウムを含み、高純度で且つ１００ｍｍ～６２２ｍｍの大寸法の、固体で相純度が高い部品、特に相純度が高い（約９９％以上）イットリウムアルミニウムガーネット立方晶相（ＹＡＧ）を含む実施形態を製造することは困難であることが知られている。上記ＹＡＧ相だけでなく、他の相も存在する場合がよくあり、上記他の相により、該相が存在する体積含有量の程度に応じて、焼成セラミック体の腐食及び浸食に対する耐性が低下する可能性がある。
これとは対照的に、本開示は、相純度、密度及び密度の変動、多孔度、化学的純度、強度、硬度、表面状態、及び取扱い性に焦点を合わせた耐食性焼結体、ならびに、それから形成される、プラズマエッチングチャンバー及び／または蒸着チャンバー中で使用するための部品の製造方法を提供する。本開示によれば、酸化イットリウムアルミニウム材料、特にＹＡＧ相から形成される焼結セラミック体の焼結体純度、硬度、及び機械的強度に加えて、上記密度及び結晶相の特性が、エッチング安定性に対して重要な影響を及ぼす可能性があることが判定された。高い相純度（９９体積％を超える）のＹＡＧ、高純度、低多孔度、及び高密度の特性の組み合わせによって、本明細書に開示のプラズマ加工チャンバー中の部品として使用された場合に、本焼結セラミック体において、腐食及び侵食に対する耐性の向上の相乗効果が得られる。
図３０に示すように、本明細書に開示の技術の実施形態は、「加工システム」とも呼ばれる半導体エッチングプロセスで使用するように構成することができる、プラズマ加工システム９５００で使用するための部品として有用であることができる。加工システム９５００は、実施形態において、遠隔プラズマ領域を備えていてもよい。この遠隔プラズマ領域は、遠隔プラズマ源（「ＲＰＳ」）とも呼ばれる遠隔ＲＦ源／マッチングネットワーク９５０２を備えていてもよい。
加工システム９５００は、耐食性チャンバーライナー（図示せず）、真空源、及びその上に基板とも呼ばれるウェハ５０が支持されるチャックまたは静電チャック（「ＥＳＣ」）９５０９を有する真空チャンバー９５５０を備えていてもよい。カバーリングまたは電極カバー９５１４、上部シールドリング９５１２、及びシールドリング９５１３がウェハ５０及びパック９５０９を取り囲む。上部プレート／窓／蓋９５０７が真空チャンバー９５５０の上面壁を形成する。シャワーヘッド９５１７は上面壁を形成するか、または真空チャンバー９６５０の上面壁の下に設置される。上板／窓／蓋９５０７、ガス分配システム９５０６、シャワーヘッド９５１７、カバーリングまたは電極カバー９５１４、トップシールドリング９５１２、シールドリング９５１３、チャンバーライナー（図示せず）、ならびにチャックまたはＥＳＣ９５０８及びパック９５０９の全体または一部を、本明細書に開示される焼結セラミック体の実施形態から作製することができる。
シャワーヘッド９５１７の表面の一部がシールドリング９７１２で覆われていてもよい。シャワーヘッド９５１７の表面の一部、特にシャワーヘッド９５１７の表面の半径方向の側面が、上部シールドリング９７１０で覆われていてもよい。シールドリング９７１２、シャワーヘッド９５１７、及びトップシールドリング９７１０の全体または一部が、本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態から作製されたものであってもよい。
遠隔プラズマ源９５０２は、処理するウェハ５０を収容するチャンバー９５５０の窓９５７０の外側に備えられる。遠隔プラズマ領域は、ガス供給システム９５０６を介して真空チャンバー９５５０と流体連通していてもよい。チャンバー９５５０中では、処理ガスをチャンバー９５５０に供給し、高周波電力をプラズマ源に供給することによって反応性プラズマを発生させることができる。このようにして発生させた反応性プラズマを使用することにより、ウェハ５０上に所定のプラズマ加工が行われる。加工システム９５００の高周波アンテナには、所定のパターンを有する平面アンテナが広く使用されている。
図３１に示すように、本明細書に開示の技術の実施形態は、「加工システム」とも呼ばれる半導体蒸着プロセスにおける使用向けに構成されていてもよい、プラズマ加工システム９６００で使用するための部品として有用であることができる。加工システム９６００は、真空チャンバー９６５０、真空源、及び、その上に半導体基板とも呼ばれるウェハ５０が支持されるパック９６０９を備える。上記加工システムは、真空チャンバー９６５０の内部にプロセスガスを供給するためのガス供給システム９６１６と流体連通するノズルまたはインジェクター９６１４をさらに備えていてもよい。チャンバー９６５０の上面壁９７００は、中央ガスインジェクター（ノズルとも呼ばれる）９６１４を受けるように構成された中央開口部を備えていてもよい。特定の実施形態において、チャンバーの上面壁９７００は、インジェクター９６１４を収容する中央開口部で構成されるＲＦウィンドウまたは誘電体窓を備えていてもよい。ＲＦエネルギー源は上記プロセスガスをプラズマ状態へと活性化して、基板５０を加工する。ＲＦウィンドウまたは誘電体窓９７００、ガス供給システム９６１６、及び中央ガスインジェクター９６１４を備える上面壁の実施形態は、全体または一部が本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態から作製されたものであってよい。
システム９６００は、ウェハ５０を保持するように設計された静電チャック９６０８をさらに備えていてもよい。上記チャック９６０８は、ウェハ５０を支持するためのパック９６０９を備えていてもよい。パック９６０９の支持面の一部がデポジションリング９６１５で覆われていてもよい。デポジションシールドまたはデポジションリングアセンブリなどのデポジションリング９６１５の他の名称は同意語と解釈され、本明細書では同義で使用することができる。デポジションリング９６１５は、全体または一部が、本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態から作製されたものであってよい。
上記パック９６０９は、全体がまたは一部が本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態から形成されたものであってよく、パック９６０９の支持面に近接したパック内に配置されたチャック電極を有していてもよく、パック９６０９上に配置された場合にウェハ５０を静電的に保持する。チャック９６０８は、パック９６０９を支持するためのリング様の広がりを有する基部９６１１と、上記基部とパックの間に、パック９６０９と基部９６１１との間に間隙が形成されるように、基部とパックとの間に配置され、基部の上方にパックを支持するシャフト９６１０であって、パック９６０９の周縁部に近接するパックを支持する上記シャフト９６１０とを備えていてもよい。チャック９６０８、パック９６０９、及びデポジションリング９６１５は、全体がまたは一部が、本明細書に開示の焼結セラミック体の実施形態から作製されたものであってよい。
特定の実施形態において、相純度が高いＹＡＧから構成される、ならびにそれに代わる実施形態において、ＹＡＧ、ＹＡＰ、ＹＡＭ、及びそれらの組み合わせの少なくとも１種の相から構成される上述の焼結セラミック体は、焼結体の最大寸法に関して、１００ｍｍ～６２２ｍｍの寸法の大きな耐食性部品の製造に適したものであることができる。本明細書に記載の大きな部品の寸法は、チャンバー部品を製造することができる焼結セラミック体の密度、密度の均一性、及び硬度の増加させることによって可能にすることができる。
本明細書では、実施形態において、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む、他の実施形態においては、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相及び酸化アルミニウムを含む、他の実施形態においては、ＹＡＧ、ＹＡＰ、及びＹＡＭを含む酸化イットリウムアルミニウムの少なくとも１種の形態、及び任意選択で酸化イットリウム及び／または酸化アルミニウムの少量の相、ならびにそれらの組み合わせを含む、ハロゲン系プラズマエッチング条件に供された際にならびに蒸着条件下で、他の材料に対して向上したプラズマ腐食及び侵食に対する耐性を示す焼結セラミック体を提供する、焼結セラミック体の半導体加工チャンバーにおける使用が開示される。
本明細書に開示の焼結セラミック体は、表面上及び焼結セラミック体全体の両方に酸化アルミニウム相を有していてもよい。したがって、実施形態において、上記焼結セラミック体は、焼結セラミック体全体に分布する酸化アルミニウム相をさらに含む、本明細書に開示のプロセスに従って製造されたＹＡＧを含む一体型焼結セラミック体を含んでいてもよい。換言すれば、表面上で測定された構造は、ＹＡＧを含み、実施形態において酸化アルミニウムをさらに含む、バルクの焼結セラミック体の塊内の構造を代表する。したがって、本明細書では、図２２のａ）及びｂ）に示す、約９９．６体積％の量のガーネット結晶構造（ＹＡＧ）及び約０．４体積％の量の酸化アルミニウム相を有する酸化イットリウムアルミニウムを含む焼結セラミック体が開示される。
すべての例の測定は明細書に記載のように実施した。表１３及び１５は、例示的な焼結セラミック体の例のプロセス条件及び特性を開示する。表１４は、焼結セラミック体の例に関してＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度を開示する。
比較例１（５６２）：
比表面積が４．３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．４μｍ、ｄ５０粒径が９μｍ、及びｄ９０粒径が５０μｍの市販のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末（Ｓｈｉｎ－Ｅｔｓｕ ロットＲＹＡＧ－ＯＣＸ－１０２）を、１４５０℃、３０ＭＰａの圧力、真空下で３０分間焼結して、焼結体を形成した。図８は、上記焼結体におけるＳＥＭの結果であり、イットリア（白色領域）、ＹＡＰ及び／またはＹＡＭ（それぞれが画像の淡灰色の領域によって示される）、及びアルミナ（黒色領域）の相を示す。ＹＡＧはＳＥＭ画像の暗灰色の領域によって表される。粉末組成の制御が不十分であり、且つ粉末処理中に出発粉末の混合が不十分であると、焼結時にこの例で明らかな結晶混合相が発生することとなろう。粉末のバッチング及び混合の条件は不明であった。少なくとも１０００倍の倍率のＳＥＭによる微細構造の分析から、組成の不均一性と混合相領域の存在が明らかである。上記焼結セラミック体の純度は９９．９９～９９．９９５％であり、鉄のレベルは１１～１８ｐｐｍであり、チタン汚染も見られた。これらの不均一な微細構造及び汚染元素、ならびにそれらのそれぞれの量により、半導体のエッチング及び蒸着用途での使用中の性能が許容できないものとなる可能性がある。
比表面積が４．３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．４μｍ、ｄ５０粒径が９μｍ、及びｄ９０粒径が５０μｍの市販のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）粉末（Ｓｈｉｎ－Ｅｔｓｕ ロットＲＹＡＧ－ＯＣＸ－１０２）を、１４５０℃、３０ＭＰａの圧力、真空下で３０分間焼結して、焼結体を形成した。図８は、上記焼結体におけるＳＥＭの結果であり、イットリア（白色領域）、ＹＡＰ及び／またはＹＡＭ（それぞれが画像の淡灰色の領域によって示される）、及びアルミナ（黒色領域）の相を示す。ＹＡＧはＳＥＭ画像の暗灰色の領域によって表される。粉末組成の制御が不十分であり、且つ粉末処理中に出発粉末の混合が不十分であると、焼結時にこの例で明らかな結晶混合相が発生することとなろう。粉末のバッチング及び混合の条件は不明であった。少なくとも１０００倍の倍率のＳＥＭによる微細構造の分析から、組成の不均一性と混合相領域の存在が明らかである。上記焼結セラミック体の純度は９９．９９～９９．９９５％であり、鉄のレベルは１１～１８ｐｐｍであり、チタン汚染も見られた。これらの不均一な微細構造及び汚染元素、ならびにそれらのそれぞれの量により、半導体のエッチング及び蒸着用途での使用中の性能が許容できないものとなる可能性がある。
図９は、図８の比較材料を形成するために使用した市販の出発粉末のＸ線回折の結果であり、１００％のＹＡＧ相を示している。
比較例２（５９２）：
比表面積が７．３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１５μｍ、ｄ５０粒径が３．５μｍ、及びｄ９０粒径が６４μｍの、市販のイットリアとアルミナの粉末混合物を、１４５０℃、３０ＭＰａの圧力、真空下で３０分間焼結して、直径１００ｍｍの焼結体を形成した。上記粉末には、７ｐｐｍの鉄汚染物を含む４８ｐｐｍの総不純物が含まれていた。図１０はＳＥＭの結果であり、粉末組成の不均一性及び／または不十分な混合に起因する、イットリア、ＹＡＰ及び／またはＹＡＭ（それぞれが画像の明るい領域によって示されている）、ならびにアルミナ（黒色領域）の多数の相を示している。ＹＡＧは、このＳＥＭ画像において主として灰色の領域で表される一方、イットリア領域は白色で表示され、酸化アルミニウム領域は黒色で表示される。粉末処理中の不十分な組成制御により、焼結時に混合結晶相が生成することとなる。粉末のバッチング及び混合の条件は不明であった。１０００倍以上の倍率のＳＥＭによる微細構造の分析から、組成の不均一性と混合相領域の存在が示されている。これらの不均一な微細構造及び汚染元素、ならびにそれらのそれぞれの量により、半導体のエッチング及び蒸着用途での使用中の性能が許容できないものとなる可能性がある。
比表面積が７．３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１５μｍ、ｄ５０粒径が３．５μｍ、及びｄ９０粒径が６４μｍの、市販のイットリアとアルミナの粉末混合物を、１４５０℃、３０ＭＰａの圧力、真空下で３０分間焼結して、直径１００ｍｍの焼結体を形成した。上記粉末には、７ｐｐｍの鉄汚染物を含む４８ｐｐｍの総不純物が含まれていた。図１０はＳＥＭの結果であり、粉末組成の不均一性及び／または不十分な混合に起因する、イットリア、ＹＡＰ及び／またはＹＡＭ（それぞれが画像の明るい領域によって示されている）、ならびにアルミナ（黒色領域）の多数の相を示している。ＹＡＧは、このＳＥＭ画像において主として灰色の領域で表される一方、イットリア領域は白色で表示され、酸化アルミニウム領域は黒色で表示される。粉末処理中の不十分な組成制御により、焼結時に混合結晶相が生成することとなる。粉末のバッチング及び混合の条件は不明であった。１０００倍以上の倍率のＳＥＭによる微細構造の分析から、組成の不均一性と混合相領域の存在が示されている。これらの不均一な微細構造及び汚染元素、ならびにそれらのそれぞれの量により、半導体のエッチング及び蒸着用途での使用中の性能が許容できないものとなる可能性がある。
図１１は、ＥＤＳによって確認した、約７８％のＹＡＧ（暗灰色領域）、約１３％のＹＡＰまたはＹＡＭ（淡灰色領域）、イットリアを含む可能性のある白色領域、及び約１０％のアルミナ（黒色領域）を含む焼結セラミック体の１０００倍及び５０００倍でのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。混合は、粉末重量で約５％の充填率の３Ｎ純度（９９．９％）のアルミナ媒体を使用して、約４時間の期間行った。出発物質由来のアルミナが不均一に分布して存在することにより、ガーネット構造を有する相純度の高い酸化イットリウムアルミニウムを形成するためには、混合プロセスの改善が必要である場合があることが示されている可能性がある。
図１２は、図１１の焼結セラミック体のＸ線回折の結果を示しており、約７８％のＹＡＧ（灰色領域）、約１３％のＹＡＰ（淡灰色領域）、及び約１０％のアルミナ（黒色領域）の複数の相を含む焼結体であることが確認される。
比較例３（試料０９４／粉末０９２－２）：
比表面積が６～８ｍ２／ｇ、ｄ１０平均粒径が２～４μｍ、ｄ５０平均粒径が４．５μｍ～６．５μｍであり、及びｄ９０平均粒径が７～９μｍのイットリアの粉末と、比表面積が２２～２４ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０８～０．１５μｍ、ｄ５０粒径が０．６５～１．０μｍ、及びｄ９０粒径が２．５～５μｍのアルミナの粉末を、約５０重量％の高純度アルミナ媒体（９９．９％以上）及びエタノールと共に混合して、粉末重量で約４０体積％のスラリーを形成した。ボールミル粉砕を約１２０ＲＰＭで１２時間の期間実施し、その後、当業者に公知の方法を使用して粉末を乾燥した。空気中、１２００℃で８時間焼成したところで、図１８のパターンｅ）に係るＸ線回折が、この焼成粉末混合物がＹＡＧを含むことを示し、この粉末混合物の比表面積は０．２５ｍ２／ｇであると測定された。この焼成粉末混合物を、真空下、３０ＭＰａの圧力、１５００℃で３０分間焼結し、その後空気中、１４００℃で８時間焼鈍して、直径１５０ｍｍの焼結体を形成した。本明細書に開示の密度測定を実施し、平均密度が４．２４５ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９３．２％に相当し、体積多孔度は６．８％であった。粉末特性及び焼結に対する駆動力の低下に起因するこの密度及び多孔度により、半導体加工用途における使用中の、取扱い上の問題及び許容できない性能が生じる可能性がある。
比表面積が６～８ｍ２／ｇ、ｄ１０平均粒径が２～４μｍ、ｄ５０平均粒径が４．５μｍ～６．５μｍであり、及びｄ９０平均粒径が７～９μｍのイットリアの粉末と、比表面積が２２～２４ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０８～０．１５μｍ、ｄ５０粒径が０．６５～１．０μｍ、及びｄ９０粒径が２．５～５μｍのアルミナの粉末を、約５０重量％の高純度アルミナ媒体（９９．９％以上）及びエタノールと共に混合して、粉末重量で約４０体積％のスラリーを形成した。ボールミル粉砕を約１２０ＲＰＭで１２時間の期間実施し、その後、当業者に公知の方法を使用して粉末を乾燥した。空気中、１２００℃で８時間焼成したところで、図１８のパターンｅ）に係るＸ線回折が、この焼成粉末混合物がＹＡＧを含むことを示し、この粉末混合物の比表面積は０．２５ｍ２／ｇであると測定された。この焼成粉末混合物を、真空下、３０ＭＰａの圧力、１５００℃で３０分間焼結し、その後空気中、１４００℃で８時間焼鈍して、直径１５０ｍｍの焼結体を形成した。本明細書に開示の密度測定を実施し、平均密度が４．２４５ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９３．２％に相当し、体積多孔度は６．８％であった。粉末特性及び焼結に対する駆動力の低下に起因するこの密度及び多孔度により、半導体加工用途における使用中の、取扱い上の問題及び許容できない性能が生じる可能性がある。
図１８は、ｃ）１０００℃／８時間（粉末０９２－３）、ｄ）１１００℃／８時間（粉末０９２－１）、ｅ）１２００℃／８時間（粉末０９２－２）ｆ）１１００℃／８時間（粉末１２５－１）、及びｇ）１１００℃／８時間（粉末１２７－１）の一連の焼成粉末混合物の焼成条件全体にわたるＸ線回折の結果を示す。図示する粉末ｃ）に関して、イットリア及びアルミナの出発粉末由来の結晶相が焼成後に存在し、粉末の比表面積は７～８ｍ２／ｇである。粉末ｄ）は主としてＹＡＰ結晶相を含み、このＹＡＧ結晶相が存在する量は、図１８のｄ）中の矢印によって示されるＸＲＤによって測定して、１０体積％未満、好ましくは５体積％未満である。粉末ｄ）について、比表面積は２．５～３．５ｍ２／ｇと測定された。粉末ｅ）は、比表面積が約０．２５ｍ２／ｇであるＹＡＧ相を含む。粉末ｆ）は、比表面積が約１ｍ２／ｇであるＹＡＰ相とＹＡＧ相の混合物を含む。粉末ｇ）は、比表面積が約０．０１ｍ２／ｇであるＹＡＧ相を含む。上記比表面積ならびにｃ）及びｄ）のＸ線回折パターンを有する焼成粉末混合物が好ましい。
相純度の高いＹＡＧを含む焼結セラミック体は、本明細書に開示の焼成粉末混合物を使用したインシチュでの反応性焼結プロセスによって形成することができる。このインシチュ／反応相焼結の駆動力は、本明細書に開示のいくつかの結晶相の存在、特に焼成粉末混合物中のＹＡＧ相の量、及び／または焼成粉末混合物の比表面積によって影響を受ける可能性がある。したがって、特定の実施形態において、上記焼成粉末混合物は、イットリウムアルミニウムガーネット相（ＹＡＧ）を実質的に含まないか、または含まない。他の実施形態において、上記焼成粉末混合物のＹＡＧ相の含有量は、ＸＲＤを使用して測定して１０体積％未満、好ましくは５体積％未満である。特定の実施形態において、上記焼成粉末混合物の比表面積は、２ｍ２／ｇを超え、好ましくは４ｍ２／ｇを超え、好ましくは２～１２ｍ２／ｇ、好ましくは３～１０ｍ２／ｇ、好ましくは４～６ｍ２／ｇであってよい。他の実施形態において、上記焼成粉末のイットリウムアルミニウムガーネット相（ＹＡＧ）の含有量は、１０体積％未満、好ましくは５体積％未満であり、比表面積は２～約１０ｍ２／ｇである。
実施例１（試料５１９）：乾式混合
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が１６～１８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物を垂直転倒（ｔｕｍｂｌｅ）（転倒（ｅｎｄ ｏｖｅｒ ｅｎｄ））混合機に移した。単一の直径３０ｍｍのジルコニア媒体を使用し、約２０ＲＰＭで乾式混合プロセスを実施した。１２時間の乾式混合後に、粉末を混合機から取り出した。その後、１０００℃で８時間焼成を行った。ＢＥＴ比表面積は４．５～５．５ｇ／ｃｃと測定された。焼成粉末混合物の純度は９９．９９９６％であり、不純物は約４ｐｐｍであった。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１のＸＲＤは、実施例１に係る焼結セラミック体では９９％以上のＹＡＧ相が形成されていることを示す。この焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１０μｍ及び約３．４０μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約４９８×１０－５のＳｄｒ値も測定された。ドライエッチング試験をＰｌａｓｍａ－Ｔｈｅｒｍ Ｖｅｒｓａｌｉｎｅ ＤＥＳＣ ＰＤＣ Ｄｅｅｐ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｅｔｃｈを使用して実施した。エッチング方法は、１０ミリトールの圧力、６００ボルトのバイアス、及び２０００ワットのＩＣＰ電力で実施した。エッチング法は、ＣＦ４流速が９０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、酸素流速が３０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、アルゴン流速が２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の第１のエッチングステップと、酸素流速が１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）及びアルゴン流速が２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の第２のエッチングステップで実施し、第１及び第２のステップをそれぞれ３００秒間実施し、合計６時間の期間繰り返す。エッチング後に、約０．０１６μｍのＳａ値及び約３．２μｍのＳｚ値が測定され、かいじされるエッチングプロセス後に、約６８１×１０－５のＳｄｒ値が測定された。表３、４、５、１３、１４、及び１５に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例１の多結晶セラミック焼結体の結果を要約する。
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が１６～１８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物を垂直転倒（ｔｕｍｂｌｅ）（転倒（ｅｎｄ ｏｖｅｒ ｅｎｄ））混合機に移した。単一の直径３０ｍｍのジルコニア媒体を使用し、約２０ＲＰＭで乾式混合プロセスを実施した。１２時間の乾式混合後に、粉末を混合機から取り出した。その後、１０００℃で８時間焼成を行った。ＢＥＴ比表面積は４．５～５．５ｇ／ｃｃと測定された。焼成粉末混合物の純度は９９．９９９６％であり、不純物は約４ｐｐｍであった。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１のＸＲＤは、実施例１に係る焼結セラミック体では９９％以上のＹＡＧ相が形成されていることを示す。この焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１０μｍ及び約３．４０μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約４９８×１０－５のＳｄｒ値も測定された。ドライエッチング試験をＰｌａｓｍａ－Ｔｈｅｒｍ Ｖｅｒｓａｌｉｎｅ ＤＥＳＣ ＰＤＣ Ｄｅｅｐ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｅｔｃｈを使用して実施した。エッチング方法は、１０ミリトールの圧力、６００ボルトのバイアス、及び２０００ワットのＩＣＰ電力で実施した。エッチング法は、ＣＦ４流速が９０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、酸素流速が３０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、アルゴン流速が２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の第１のエッチングステップと、酸素流速が１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）及びアルゴン流速が２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の第２のエッチングステップで実施し、第１及び第２のステップをそれぞれ３００秒間実施し、合計６時間の期間繰り返す。エッチング後に、約０．０１６μｍのＳａ値及び約３．２μｍのＳｚ値が測定され、かいじされるエッチングプロセス後に、約６８１×１０－５のＳｄｒ値が測定された。表３、４、５、１３、１４、及び１５に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例１の多結晶セラミック焼結体の結果を要約する。
実施例２（試料５２９）：湿式混合
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が６～８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物を垂直（転倒（ｅｎｄ ｏｖｅｒ ｅｎｄ））混合機に移した。上記転倒混合機中の粉末混合物にエタノールを添加し、粉末重量で５０％のスラリーを形成した。単一の直径３０ｍｍの媒体を使用し、約２０ＲＰＭで湿式混合プロセスを実施した。１２時間の湿式混合後に、上記粉末混合物を含むスラリーを混合機から取り出し、回転蒸発器を使用してエタノールを抜き出した。その後、１０００℃で８時間焼成を行った。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物の純度は９９．９９５６％であり、不純物は約４４ｐｐｍであった。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１の上記焼結セラミック体のＸＲＤは、９３％のＹＡＧ相及び７％のＹＡＰを示す。ＹＡＰ相の理論密度は５．３５ｇ／ｃｃであると報告されており、したがって混合相試料の全体の密度は、理論密度が４．５５６ｇ／ｃｃである純粋なＹＡＧの密度よりも高くなる可能性がある。この焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１０μｍ及び約３．７５μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約７２０×１０－５のＳｄｒ値も測定された。表３及び１３に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例２のセラミック焼結体の結果を要約する。
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が６～８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物を垂直（転倒（ｅｎｄ ｏｖｅｒ ｅｎｄ））混合機に移した。上記転倒混合機中の粉末混合物にエタノールを添加し、粉末重量で５０％のスラリーを形成した。単一の直径３０ｍｍの媒体を使用し、約２０ＲＰＭで湿式混合プロセスを実施した。１２時間の湿式混合後に、上記粉末混合物を含むスラリーを混合機から取り出し、回転蒸発器を使用してエタノールを抜き出した。その後、１０００℃で８時間焼成を行った。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物の純度は９９．９９５６％であり、不純物は約４４ｐｐｍであった。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１の上記焼結セラミック体のＸＲＤは、９３％のＹＡＧ相及び７％のＹＡＰを示す。ＹＡＰ相の理論密度は５．３５ｇ／ｃｃであると報告されており、したがって混合相試料の全体の密度は、理論密度が４．５５６ｇ／ｃｃである純粋なＹＡＧの密度よりも高くなる可能性がある。この焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１０μｍ及び約３．７５μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約７２０×１０－５のＳｄｒ値も測定された。表３及び１３に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例２のセラミック焼結体の結果を要約する。
実施例３（試料５３１）：湿式ボールミル粉砕
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が６～８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物をボールミル粉砕用の容器に移した。約５０重量％充填のアルミナ媒体及び約５０重量％のエタノールを上記容器に加え、スラリーを形成し、混合を促進した。水平軸周りの転がり動作を用いたボールミル粉砕を１２時間の期間行い、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。上記粉末混合物を１０００℃で８時間焼成した。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物の純度は９９．９９６８％であり、不純物は約３３ｐｐｍであった。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１の上記焼結セラミック体のＸＲＤは、９５％のＹＡＧ相及び５％のＹＡＰを示す。ＹＡＰ相の理論密度は５．３５ｇ／ｃｃであると報告されており、したがって混合相試料の全体の密度は、理論密度が４．５５６ｇ／ｃｃである純粋なＹＡＧの密度よりも高くなる可能性がある。上記多結晶焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１０μｍ及び約３．９μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約８８５×１０－５のＳｄｒ値も測定された。表３、４、５、１３、及び１５に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例３のセラミック焼結体の結果を要約する。
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が６～８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物をボールミル粉砕用の容器に移した。約５０重量％充填のアルミナ媒体及び約５０重量％のエタノールを上記容器に加え、スラリーを形成し、混合を促進した。水平軸周りの転がり動作を用いたボールミル粉砕を１２時間の期間行い、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。上記粉末混合物を１０００℃で８時間焼成した。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物の純度は９９．９９６８％であり、不純物は約３３ｐｐｍであった。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１の上記焼結セラミック体のＸＲＤは、９５％のＹＡＧ相及び５％のＹＡＰを示す。ＹＡＰ相の理論密度は５．３５ｇ／ｃｃであると報告されており、したがって混合相試料の全体の密度は、理論密度が４．５５６ｇ／ｃｃである純粋なＹＡＧの密度よりも高くなる可能性がある。上記多結晶焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１０μｍ及び約３．９μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約８８５×１０－５のＳｄｒ値も測定された。表３、４、５、１３、及び１５に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例３のセラミック焼結体の結果を要約する。
実施例４（試料５１４）：湿式ボールミル粉砕
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が１６～１８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物をボールミル粉砕用の容器に移した。約５０重量％充填のアルミナ媒体及び約５０重量％のエタノールを上記容器に加え、スラリーを形成し、混合を促進した。他の例において、ボールミル粉砕を、イットリア媒体またはジルコニウム媒体のみ使用し、水を用いてまたは乾式条件下で実施してもよい。水平軸周りの転がり動作を用いたボールミル粉砕を１２時間の期間行い、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。上記粉末混合物を１０００℃で４時間焼成した。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１に示すように、X線回折を使用して、上記焼結セラミック体中に少なくとも９９％のＹＡＧ相が見出された。上記多結晶焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１２μｍ及び約３．６３μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約１１３８×１０－５のＳｄｒ値も測定された。表３、４、１３、１４、及び１５に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例４のセラミック焼結体の結果を要約する。
表面積が６～８ｍ２／ｇのイットリアの粉末及び表面積が１６～１８ｍ２／ｇのアルミナの粉末を秤量及び配合して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比の粉末混合物を作製した。次いで、この粉末混合物をボールミル粉砕用の容器に移した。約５０重量％充填のアルミナ媒体及び約５０重量％のエタノールを上記容器に加え、スラリーを形成し、混合を促進した。他の例において、ボールミル粉砕を、イットリア媒体またはジルコニウム媒体のみ使用し、水を用いてまたは乾式条件下で実施してもよい。水平軸周りの転がり動作を用いたボールミル粉砕を１２時間の期間行い、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。上記粉末混合物を１０００℃で４時間焼成した。この粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。次に、上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の方法に従って、真空下、１４５０℃の温度、３０ＭＰａの圧力で３０分間の期間焼結した。図２１に示すように、X線回折を使用して、上記焼結セラミック体中に少なくとも９９％のＹＡＧ相が見出された。上記多結晶焼結セラミック体を当技術分野で公知の方法に従って研磨し、本明細書に開示の方法及び装置を使用して表面粗さの測定を実施した。それぞれ約０．０１２μｍ及び約３．６３μｍのＳａ及びＳｚの値が測定された。約１１３８×１０－５のＳｄｒ値も測定された。表３、４、１３、１４、及び１５に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例４のセラミック焼結体の結果を要約する。
図１９は、実施例２、３、及び４に係る、本明細書に開示の少なくとも１種の酸化イットリウムアルミニウムを含む焼結セラミック体の１０００倍のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。上記ＹＡＧ相は暗灰色に見え、ＹＡＰまたはＹＡＭの相は淡灰色に見え、酸化アルミニウム及び多孔性は黒色に見える。図に示すように、実施例２は、約９３％のＹＡＧ相（暗灰色領域）及び約７％のＹＡＰ相（淡灰色領域）、ＸＲＤ検出限界未満のレベルの酸化アルミニウム（黒色領域）、ならびに密度測定値から計算して約１％の体積多孔度（黒色領域）を示す一方、実施例３は、約９５％のＹＡＧ相、約５％のＹＡＰ相、ＸＲＤ検出限界未満のレベルの酸化アルミニウム（黒色領域）、及び密度測定値から計算して約０．９５％の体積多孔度（黒色領域）を示す。実施例４では、９９％以上のＹＡＧ相の形成が確認され、体積多孔度は約０．１５体積％である。
図２０は、実施例１、２、３、及び４に係る、本明細書に開示の少なくとも１種の酸化アルミニウムイットリウムを含む焼結セラミック体の５０００倍の顕微鏡写真を示す。図に示すように、実施例１は、９９％の、結晶粒径が約８ｕｍ以下のＹＡＧの形成を示し、実施例２は、約９３％のＹＡＧ相と約７％のＹＡＰ相（淡色領域）を示す一方、実施例３は、約９５％のＹＡＧ相と約５％のＹＡＰ相（淡色領域）を示し、実施例４では、約９９％のＹＡＧ相の形成が確認される。実施例１を示す図２０は、最大結晶粒径が約８μｍ以下の微細構造をさらに示す。
図２１は、本明細書に開示の図２０の実施例１～４のセラミック焼結体のＸ線回折結果を示す。実施例１及び４は、約９９％のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体の形成を示す。実施例２及び３は、ＹＡＧならびにそれぞれ７％及び５％のＹＡＰ相を含む。
実施例５：（試料３９９、粉末３５９－０９）ＹＡＧ多結晶焼結セラミック体、低温焼成
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３～４μｍ、ｄ５０粒径が６．５～７．５μｍ、及びｄ９０粒径が１１．５～１３μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５．７５～６．７５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２～３．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼成粉末混合物を形成して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末の重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり作用を使用するボールミル粉砕を１６時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、８５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は４～５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．１５～０．２５μｍ、ｄ５０粒径は５～７μｍ、及びｄ９０粒径は１８～２２μｍであることが測定された。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相及びアルミナ相のみが存在することが確認された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１６００℃、２０ＭＰａの圧力で１２０分間焼結し、その後、空気中、１４００℃で８時間焼鈍して、最大寸法５７２ｍｍの多結晶焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．４５８ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９７．８５９％及び密度測定値から算出した２．１４１％の体積多孔度に相当する。表３及び１３に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例５の焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３～４μｍ、ｄ５０粒径が６．５～７．５μｍ、及びｄ９０粒径が１１．５～１３μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５．７５～６．７５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２～３．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼成粉末混合物を形成して、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末の重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり作用を使用するボールミル粉砕を１６時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、８５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は４～５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．１５～０．２５μｍ、ｄ５０粒径は５～７μｍ、及びｄ９０粒径は１８～２２μｍであることが測定された。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相及びアルミナ相のみが存在することが確認された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１６００℃、２０ＭＰａの圧力で１２０分間焼結し、その後、空気中、１４００℃で８時間焼鈍して、最大寸法５７２ｍｍの多結晶焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．４５８ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９７．８５９％及び密度測定値から算出した２．１４１％の体積多孔度に相当する。表３及び１３に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例５の焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
実施例６：（試料１９５、粉末１９４－２）ＹＡＧ多結晶焼結セラミック体、高温焼成
比表面積が４．５～６ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２～３μｍ、ｄ５０粒径が４～７μｍ、及びｄ９０粒径が７～８μｍのイットリウムの粉末と、比表面積が５．５～６．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２～３．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼成粉末混合物を形成し、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０００℃で１０時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は４～５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．７５～２μｍ、ｄ５０粒径は２６～３２μｍ、及びｄ９０粒径は２２０～２４０μｍであることが測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相、アルミナ相、及びＹＡＭ（単斜晶系イットリウムアルミニウムモノクリニック）相が存在することが確認された。上記焼成粉末混合物を、真空下、１５００℃、２０ＭＰａの圧力で３０分間焼結し、その後、空気中、１５００℃で８時間焼鈍して、１５０ｍｍの寸法の焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．４９２ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９８．６０４％及び密度測定値から算出した１．３９６％の体積多孔度に相当する。ＳＥＭの結果は、上記多結晶焼結セラミック体中にＹＡＧ相のみが存在することを示す均一な微細構造を示した。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例６の焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
比表面積が４．５～６ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２～３μｍ、ｄ５０粒径が４～７μｍ、及びｄ９０粒径が７～８μｍのイットリウムの粉末と、比表面積が５．５～６．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２～３．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼成粉末混合物を形成し、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０００℃で１０時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は４～５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．７５～２μｍ、ｄ５０粒径は２６～３２μｍ、及びｄ９０粒径は２２０～２４０μｍであることが測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相、アルミナ相、及びＹＡＭ（単斜晶系イットリウムアルミニウムモノクリニック）相が存在することが確認された。上記焼成粉末混合物を、真空下、１５００℃、２０ＭＰａの圧力で３０分間焼結し、その後、空気中、１５００℃で８時間焼鈍して、１５０ｍｍの寸法の焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．４９２ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９８．６０４％及び密度測定値から算出した１．３９６％の体積多孔度に相当する。ＳＥＭの結果は、上記多結晶焼結セラミック体中にＹＡＧ相のみが存在することを示す均一な微細構造を示した。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る実施例６の焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
実施例７：（試料９３／粉末０９２－１）ＹＡＧ多結晶焼結セラミック体、高温焼成
比表面積が６～８ｍ２／ｇ、ｄ１０平均粒径が１．５～３．５μｍ、ｄ５０平均粒径が４．５μｍ～６．５μｍ、ｄ９０平均粒径が６．５～８．５μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５～７ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．５μｍ、ｄ５０粒径が２～６μｍ、及びｄ９０粒径が１５～４０μｍのアルミナ粉末を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１１００℃で８時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は２．５～３．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は１．５～３．５μｍの、ｄ５０粒径は１０～１３μｍ、及びｄ９０粒径は１８０～２２０μｍであることが測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。表１１に掲載され、図１８のパターンｄ）に係るＸ線回折により、上記焼成粉末混合物中にＹＡＰ相と、約１０体積％以下のＹＡＧ（矢印の表示で示すイットリウムアルミニウムガーネット相）が存在することが確認された。上記焼成粉末混合物を、真空下、１５００℃、３０ＭＰａの圧力で３０分間焼結して、１５０ｍｍの寸法の焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．５４４ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９９．７３０％及び密度測定値から算出した０．２７０％の体積多孔度に相当する。ＳＥＭの結果は、上記多結晶焼結セラミック体中にＹＡＧ相のみが存在することを示す均一な微細構造を示した。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末混合物の結果を要約する。
比表面積が６～８ｍ２／ｇ、ｄ１０平均粒径が１．５～３．５μｍ、ｄ５０平均粒径が４．５μｍ～６．５μｍ、ｄ９０平均粒径が６．５～８．５μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５～７ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．５μｍ、ｄ５０粒径が２～６μｍ、及びｄ９０粒径が１５～４０μｍのアルミナ粉末を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１１００℃で８時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は２．５～３．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は１．５～３．５μｍの、ｄ５０粒径は１０～１３μｍ、及びｄ９０粒径は１８０～２２０μｍであることが測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。表１１に掲載され、図１８のパターンｄ）に係るＸ線回折により、上記焼成粉末混合物中にＹＡＰ相と、約１０体積％以下のＹＡＧ（矢印の表示で示すイットリウムアルミニウムガーネット相）が存在することが確認された。上記焼成粉末混合物を、真空下、１５００℃、３０ＭＰａの圧力で３０分間焼結して、１５０ｍｍの寸法の焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．５４４ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９９．７３０％及び密度測定値から算出した０．２７０％の体積多孔度に相当する。ＳＥＭの結果は、上記多結晶焼結セラミック体中にＹＡＧ相のみが存在することを示す均一な微細構造を示した。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末混合物の結果を要約する。
実施例８：（試料２５８）ＹＡＧ多結晶焼結セラミック体
比表面積が４．５～６ｍ２／ｇのイットリアの粉末と、比表面積が３．５～５ｍ２／ｇのアルミナの粉末を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０００℃で１０時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は７～８ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．７５～１．７５μｍ、ｄ５０粒径は９０～１１０μｍ、及びｄ９０粒径は２４０～２８０μｍであることが測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１５５０℃、２０ＭＰａの圧力で６０分間焼結して、最大寸法４０６ｍｍの円盤状の焼結セラミック体を形成した。密度測定を、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して、焼結体の最大寸法に沿って採取した９つの試料について実施し、１３５回の測定にわたり平均密度が４．５４２ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９９．７０％及び密度測定値から算出した０．３％の平均体積多孔度に相当する。密度は４．５２６～４．５５３ｇ／ｃｃ（またはＹＡＧの理論値の９９．３３５～９９．９３６％）の多結晶焼結セラミック体の最大寸法によって異なることが分かり、密度変動は約０．６０１％であると決定された。多結晶焼結セラミック体は、３１ｍｍの厚さを有し、厚さにわたる密度変動は、最大寸法に沿って採取した９つの試料のそれぞれの上部、中央部及び下部の密度を測定することによって決定され、厚さにわたる密度は、０．３％以下変化するように測定された。本明細書に開示の方法を使用して、密度測定値の精度は、本明細書に開示の方法を使用して、約０．１％とすることができ、したがって、焼結セラミック体の厚さにわたる密度の変動は、約０．１～０．３％であってよい。ＳＥＭの結果は、上記多結晶焼結セラミック体中にＹＡＧ相のみが存在することを示す均一な微細構造を示した。図２４のａ）の１０００倍及びｂ）の５０００倍のＳＥＭ画像により、上記焼結セラミック体の約９９体積％以上の量のＹＡＧ相（暗灰色）が存在することを示す、高密度で均一な微細構造が明らかになっている。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末混合物の結果を要約する。さらなる試料を、この実施例に従って焼結し、空気中、１２００℃で８時間焼鈍したところ、本明細書に開示の方法を使用した平均密度がＹＡＧの理論値の９９．７３％であった。さらなる試料を、この実施例に従って焼結し、空気中、１１００℃で８時間焼鈍したところ、本明細書に開示の方法を使用した平均密度がＹＡＧの理論値の９９．７５％であった。
比表面積が４．５～６ｍ２／ｇのイットリアの粉末と、比表面積が３．５～５ｍ２／ｇのアルミナの粉末を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０００℃で１０時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は７～８ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．７５～１．７５μｍ、ｄ５０粒径は９０～１１０μｍ、及びｄ９０粒径は２４０～２８０μｍであることが測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１５５０℃、２０ＭＰａの圧力で６０分間焼結して、最大寸法４０６ｍｍの円盤状の焼結セラミック体を形成した。密度測定を、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して、焼結体の最大寸法に沿って採取した９つの試料について実施し、１３５回の測定にわたり平均密度が４．５４２ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９９．７０％及び密度測定値から算出した０．３％の平均体積多孔度に相当する。密度は４．５２６～４．５５３ｇ／ｃｃ（またはＹＡＧの理論値の９９．３３５～９９．９３６％）の多結晶焼結セラミック体の最大寸法によって異なることが分かり、密度変動は約０．６０１％であると決定された。多結晶焼結セラミック体は、３１ｍｍの厚さを有し、厚さにわたる密度変動は、最大寸法に沿って採取した９つの試料のそれぞれの上部、中央部及び下部の密度を測定することによって決定され、厚さにわたる密度は、０．３％以下変化するように測定された。本明細書に開示の方法を使用して、密度測定値の精度は、本明細書に開示の方法を使用して、約０．１％とすることができ、したがって、焼結セラミック体の厚さにわたる密度の変動は、約０．１～０．３％であってよい。ＳＥＭの結果は、上記多結晶焼結セラミック体中にＹＡＧ相のみが存在することを示す均一な微細構造を示した。図２４のａ）の１０００倍及びｂ）の５０００倍のＳＥＭ画像により、上記焼結セラミック体の約９９体積％以上の量のＹＡＧ相（暗灰色）が存在することを示す、高密度で均一な微細構造が明らかになっている。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末混合物の結果を要約する。さらなる試料を、この実施例に従って焼結し、空気中、１２００℃で８時間焼鈍したところ、本明細書に開示の方法を使用した平均密度がＹＡＧの理論値の９９．７３％であった。さらなる試料を、この実施例に従って焼結し、空気中、１１００℃で８時間焼鈍したところ、本明細書に開示の方法を使用した平均密度がＹＡＧの理論値の９９．７５％であった。
実施例９：（試料４０８／粉末３５９－０６）低圧で形成されたＹＡＧ多結晶焼結セラミック体
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３～４μｍ、ｄ５０粒径が６．５～７．５μｍ、及びｄ９０粒径が１１．５～１３μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５．７５～６．７５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２～３．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼結時に０．５体積％の過剰な酸化アルミニウムを含むイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、８５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は３．５～４．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．３～０．６μｍ、ｄ５０粒径は８～１１μｍ、及びｄ９０粒径は２０～２４μｍであることが測定された。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相及びアルミナ相のみが存在することが確認された。上記焼成粉末混合物のＩＣＰＭＳにより、約１７ｐｐｍの不純物が測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１６００℃、１５ＭＰａの圧力で９０分間焼結し、その後空気中、１４００℃で８時間焼鈍して、多結晶焼結セラミック体中に残留程度の過剰なアルミナを含むＹＡＧを含む、最大寸法５７２ｍｍの多結晶焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．３７８ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９６．０８８％及び密度測定値から算出した３．９１２％の体積多孔度に相当する。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３～４μｍ、ｄ５０粒径が６．５～７．５μｍ、及びｄ９０粒径が１１．５～１３μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５．７５～６．７５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２～３．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼結時に０．５体積％の過剰な酸化アルミニウムを含むイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり動作を使用するボールミル粉砕を１２時間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、８５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は３．５～４．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．３～０．６μｍ、ｄ５０粒径は８～１１μｍ、及びｄ９０粒径は２０～２４μｍであることが測定された。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相及びアルミナ相のみが存在することが確認された。上記焼成粉末混合物のＩＣＰＭＳにより、約１７ｐｐｍの不純物が測定された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１６００℃、１５ＭＰａの圧力で９０分間焼結し、その後空気中、１４００℃で８時間焼鈍して、多結晶焼結セラミック体中に残留程度の過剰なアルミナを含むＹＡＧを含む、最大寸法５７２ｍｍの多結晶焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．３７８ｇ／ｃｃと測定され、これは、ＹＡＧの理論密度の９６．０８８％及び密度測定値から算出した３．９１２％の体積多孔度に相当する。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
実施例１０：（試料３９５、３５９－１１）ＹＡＧ多結晶焼結セラミック体
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３～４μｍ、ｄ５０粒径が６．５～７．５μｍ、及びｄ９０粒径が１１．５～１３μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５．７５～６．７５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．３μｍ、ｄ５０粒径が２．５～５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり作用を使用するボールミル粉砕を１６時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、８５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は４～５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．１５～０．２５μｍ、ｄ５０粒径は５～７μｍ、及びｄ９０粒径は１８～２４μｍであることが測定された。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相及びアルミナ相のみが存在することが確認された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１６００℃、２０ＭＰａの圧力で９０分間焼結し、その後１４００℃で８時間焼鈍して、最大寸法５７２ｍｍの多結晶焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．３８９ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論密度の９６．３３４％及び密度測定値から算出した３．６５６％の体積多孔度に相当する。密度変動が最大寸法にわたって測定され、１．７１２％であることが分かった。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３～４μｍ、ｄ５０粒径が６．５～７．５μｍ、及びｄ９０粒径が１１．５～１３μｍのイットリアの粉末と、比表面積が５．７５～６．７５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１０～０．３μｍ、ｄ５０粒径が２．５～５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～３０μｍのアルミナの粉末を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９９％を超える）を粉末重量に対して５０％の充填量で添加し、エタノールを添加して約４０体積％のスラリーを形成した。水平軸周りの転がり作用を使用するボールミル粉砕を１６時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、８５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は４～５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．１５～０．２５μｍ、ｄ５０粒径は５～７μｍ、及びｄ９０粒径は１８～２４μｍであることが測定された。表１１によれば、Ｘ線回折により、上記焼成粉末混合物中にはイットリア相及びアルミナ相のみが存在することが確認された。上記粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、真空下、１６００℃、２０ＭＰａの圧力で９０分間焼結し、その後１４００℃で８時間焼鈍して、最大寸法５７２ｍｍの多結晶焼結セラミック体を形成した。密度測定はＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、５回の測定にわたり平均密度が４．３８９ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論密度の９６．３３４％及び密度測定値から算出した３．６５６％の体積多孔度に相当する。密度変動が最大寸法にわたって測定され、１．７１２％であることが分かった。表３、１０、１１、１３、及び１４に、本明細書に開示の実施形態に係る焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
実施例１１：（試料５０６、粉末２０２６１）；最大寸法６２２ｍｍの多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．５～４．５μｍ、ｄ５０粒径が６～８μｍ、及びｄ９０粒径が１１～１３μｍのイットリアの粉末（平均純度９９．９９８０％、平均不純物約２１ｐｐｍ）と、比表面積が６．５～８．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．７５～１．５μｍ、ｄ５０粒径が２～５μｍ、及びｄ９０粒径が１８～２４μｍのアルミナ粉末（純度９９．９９９４％、不純物約６ｐｐｍ）を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９％以上）を粉末重量に対して約６０％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約３５％の量で添加して、スラリーを形成した。当業者に公知のボールミル粉砕を約２０時間の期間実施し、その後公知の方法に従って、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを、６０～７５℃の温度で約３時間抜き出した。空気中、１０５０℃で６時間焼成したところで、表１０に掲載されるように、焼成粉末混合物の比表面積は３．５～５．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は１～３．５μｍ、ｄ５０粒径は５～８μｍ、及びｄ９０粒径／凝集体径は１３０～１６０μｍであることが測定された。特定の実施形態において、本明細書に開示の焼成条件により、上記粉末混合物が凝集する可能性があり、したがって、粒径分布がより大きく変動する可能性がある。したがって、実施形態において、本明細書で言及する粒径は単一の粒子を含んでいてもよく、他の実施形態において、本明細書で言及する粒径は複数の粒子を含む凝集体、または本明細書に開示されるレーザー粒径検出方法を使用して、単一の大きな粒子として測定される場合がある多数の粒子の凝集を含んでいてもよい。Ｘ線回折により、焼成粉末混合物に存在するイットリア、アルミナ、及びＹＡＭ相が確認された。上記焼成粉末混合物の純度は、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して測定した出発粉末の純度とほぼ同一であり、したがって、高純度（９９．９９９％以上）の焼結セラミック体を上記焼成粉末混合物から形成することができる。ＳｉＯ２の形態のＳｉに関する、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用する場合の検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルのシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。但し、出発粉末及び焼成粉末混合物中に、ＩＣＰＭＳを使用してシリカは検出されなかった。表１１に、焼成条件、焼成粉末の相、及び粉末の純度を掲載する。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、転倒混合、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。上記容積内の焼成粉末混合物を５℃／分で８００℃に加熱し、その温度で５ＭＰａの圧力を印加し、次いで、約２～約３℃／分の加熱速度で熱を印加すると同時に、約０．２～約０．２５ＭＰａ／分の速度で圧力を印加し、１６５０℃及び１５ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを６０分間維持して、最大寸法６２２ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。粉砕プロセス中に高純度のアルミナ媒体を使用することにより、焼結セラミック体に残留する程度までの、約０．１体積％以下の量の過剰なアルミナが温存在する場合がある。密度測定は、試料の半径を横切って切断した試料について、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、密度の結果を図２５のｂに示す。半径に沿った６ヶ所でそれぞれ５回の測定を行い、平均密度が４．５４６ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論値の９９．７８３％、且つ０．２１７％の体積多孔度に相当する。半径全体にわたる密度はＹＡＧの理論値の９９．７～９９．９％であった。図２５のｂ）に示す密度の変動は、半径に沿った最高密度の測定値と比較して測定し、密度の最大の変動は０．２０８％と測定された。上記焼成粉末混合物の焼結中に、圧力及び温度を半径方向に対称な構成で印加する。したがって、高密度（ＹＡＧの理論値の９９％以上）及び最小の密度の変動（０．２１％以下）などの特性は、上記焼結セラミック体の半径全体にわたって、且つそれに対応して、直径または最大寸法全体にわたっても維持される。したがって、本明細書では、焼結セラミック体であって、該焼結セラミック体の直径全体にわたって、平均密度が４．５４６ｇ／ｃｃ、密度の範囲がＹＡＧの理論密度の９９．７～９９．９％、平均体積多孔度が０．２１７％、最大の密度変動が０．２０８％以下である、上記焼結セラミック体が開示される。
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．５～４．５μｍ、ｄ５０粒径が６～８μｍ、及びｄ９０粒径が１１～１３μｍのイットリアの粉末（平均純度９９．９９８０％、平均不純物約２１ｐｐｍ）と、比表面積が６．５～８．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．７５～１．５μｍ、ｄ５０粒径が２～５μｍ、及びｄ９０粒径が１８～２４μｍのアルミナ粉末（純度９９．９９９４％、不純物約６ｐｐｍ）を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９％以上）を粉末重量に対して約６０％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約３５％の量で添加して、スラリーを形成した。当業者に公知のボールミル粉砕を約２０時間の期間実施し、その後公知の方法に従って、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを、６０～７５℃の温度で約３時間抜き出した。空気中、１０５０℃で６時間焼成したところで、表１０に掲載されるように、焼成粉末混合物の比表面積は３．５～５．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は１～３．５μｍ、ｄ５０粒径は５～８μｍ、及びｄ９０粒径／凝集体径は１３０～１６０μｍであることが測定された。特定の実施形態において、本明細書に開示の焼成条件により、上記粉末混合物が凝集する可能性があり、したがって、粒径分布がより大きく変動する可能性がある。したがって、実施形態において、本明細書で言及する粒径は単一の粒子を含んでいてもよく、他の実施形態において、本明細書で言及する粒径は複数の粒子を含む凝集体、または本明細書に開示されるレーザー粒径検出方法を使用して、単一の大きな粒子として測定される場合がある多数の粒子の凝集を含んでいてもよい。Ｘ線回折により、焼成粉末混合物に存在するイットリア、アルミナ、及びＹＡＭ相が確認された。上記焼成粉末混合物の純度は、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して測定した出発粉末の純度とほぼ同一であり、したがって、高純度（９９．９９９％以上）の焼結セラミック体を上記焼成粉末混合物から形成することができる。ＳｉＯ２の形態のＳｉに関する、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用する場合の検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルのシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。但し、出発粉末及び焼成粉末混合物中に、ＩＣＰＭＳを使用してシリカは検出されなかった。表１１に、焼成条件、焼成粉末の相、及び粉末の純度を掲載する。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、転倒混合、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。上記容積内の焼成粉末混合物を５℃／分で８００℃に加熱し、その温度で５ＭＰａの圧力を印加し、次いで、約２～約３℃／分の加熱速度で熱を印加すると同時に、約０．２～約０．２５ＭＰａ／分の速度で圧力を印加し、１６５０℃及び１５ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを６０分間維持して、最大寸法６２２ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。粉砕プロセス中に高純度のアルミナ媒体を使用することにより、焼結セラミック体に残留する程度までの、約０．１体積％以下の量の過剰なアルミナが温存在する場合がある。密度測定は、試料の半径を横切って切断した試料について、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、密度の結果を図２５のｂに示す。半径に沿った６ヶ所でそれぞれ５回の測定を行い、平均密度が４．５４６ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論値の９９．７８３％、且つ０．２１７％の体積多孔度に相当する。半径全体にわたる密度はＹＡＧの理論値の９９．７～９９．９％であった。図２５のｂ）に示す密度の変動は、半径に沿った最高密度の測定値と比較して測定し、密度の最大の変動は０．２０８％と測定された。上記焼成粉末混合物の焼結中に、圧力及び温度を半径方向に対称な構成で印加する。したがって、高密度（ＹＡＧの理論値の９９％以上）及び最小の密度の変動（０．２１％以下）などの特性は、上記焼結セラミック体の半径全体にわたって、且つそれに対応して、直径または最大寸法全体にわたっても維持される。したがって、本明細書では、焼結セラミック体であって、該焼結セラミック体の直径全体にわたって、平均密度が４．５４６ｇ／ｃｃ、密度の範囲がＹＡＧの理論密度の９９．７～９９．９％、平均体積多孔度が０．２１７％、最大の密度変動が０．２０８％以下である、上記焼結セラミック体が開示される。
当業者に公知のヘイン直線切断法を使用して５０００倍のＳＥＭ画像を結晶粒径に関して解析し、２５回の繰り返し測定にわたる平均結晶粒径は６．２μｍ、標準偏差は０．７１μｍと測定された。表３に掲載するように、最大結晶粒径及び最小結晶粒径もそれぞれ７．７ｕｍ及び５．０ｕｍと測定された。硬度測定は、ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠し、０．０２５ｋｇｆのロードセルを使用して実施し、平均硬度は約１４．８ＧＰａと測定され、この平均値は８回の測定から算出され、最大及び最小硬度値はそれぞれ１６ＧＰａ及び１２．７ＧＰａであった。
試料５０６の結晶相純度の測定は、実施例１１に開示の方法に従って、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像処理ソフトウェアの使用の組み合わせを使用して実施した。ＸＲＤによって、試料５０６が少なくとも９５体積％の量のＹＡＧを含むことが確認された。ＸＲＤ、ＳＥＭ、及び画像処理ソフトウェアの組み合わせにより、約±０．１体積％の範囲の相純度で測定することができる。アルキメデス密度の測定、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像解析ソフトウェアの開示する方法を使用して、試料５０６には、約０．３体積％のアルミナ相、約０．２％の体積多孔度、及び約９９．５体積％のＹＡＧ相が含まれていた。ＳＥＭ及びＩｍａｇｅＪ処理を使用して、０．１ｕｍの最小細孔径を測定することができる。本明細書に開示の焼結セラミック体について、ＳＥＭ画像化及び開示する画像処理方法を使用して、最大細孔径は１．７ｕｍと測定された。したがって、本明細書に開示の実施形態によれば、ＹＡＧを含む上記焼結セラミック体は、最大径が０．１～５ｕｍ、好ましくは０．１～４ｕｍ、好ましくは０．１～３ｕｍ、好ましくは０．１～２ｕｍ、好ましくは０．１～１．７ｕｍであってよい細孔を含んでいてもよい。
試料５０６に係る焼結セラミック体は、本明細書に開示のプロセスに従って製造された一体型焼結セラミック体を含んでいてもよく、したがって、表面上及び結セラミック体全体に分布したＹＡＧ相、酸化アルミニウム相、及び体積多孔度を含んでいてもよい。換言すれば、表面上で測定された構造は、ＹＡＧを含み、実施形態において酸化アルミニウムをさらに含むバルクの焼結セラミック体の塊内の構造を代表する。したがって、それぞれ体積で表して、９０～９９．７％、好ましくは９０～９９．５％、好ましくは９０～９９．３％、好ましくは９５～９９．７％、好ましくは９５～９９．５％、好ましくは９５～９９．３の量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、本明細書に開示の材料及び方法を使用して形成することができる。さらなる実施形態において、指定される量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、０．１～０．３体積％の量の多孔度、及び０．２～０．４体積％の量の酸化アルミニウムをさらに含んでいてもよい。
表３、４、５、１３、及び１５に、本明細書に開示の実施形態にかかる焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
実施例１２：（試料５１２、５１２－１、粉末５０５－１）；多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体
比表面積が０．７５～２ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３．５～６．５μｍ、ｄ５０粒径が７．５～１０．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～２０μｍのイットリアの粉末（１００％純粋なイットリアに対して純度約９９．９９９２％）と、比表面積が５～７ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が１～３μｍ、ｄ５０粒径が３．５～６．５μｍ、及びｄ９０粒径が５０～７０μｍのアルミナの粉末（１００％純粋なアルミナに対して純度約９９．９９９８％）を、焼結時に立方晶系イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を含むセラミック焼結体を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳ法で測定して９９．９％以上）を粉末重量に対して約１００％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約４０％の量で添加してスラリーを形成した。１リットルの容器中で、水平軸周りの１５０ｒｐｍでの軸転がり作用を使用するボールミル粉砕を２０時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は１～４μｍ、ｄ５０粒径は３．５～６．５μｍ、及びｄ９０粒径は７５～９５μｍであることが測定された。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、当業者に公知の方法に従って種々のプロセスステップで、４５～４００ｕｍの開口径を使用したふるい分け、焼成、配合、及び／または粉砕を行ってもよい。本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して純度を測定し、すべての構成成分から計算した酸化物の総質量を基準として、上記焼成粉末混合物の総不純物含有量が約５ｐｐｍと測定され、これは９９．９９９５％の純度に相当した。本明細書に開示のイットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物の純度限界及び不純物含有量はＳｉを含んでいない。本明細書に開示の、Ｓｉに関する純度を測定するためのＩＣＰＭＳ法を使用する検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルでシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後約０．４～約０．６ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、温度の上昇は先程開示したものを継続し、１５００℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。試料５１２－１は同一の条件に従って焼結し、その後炉内で、空気中、１４００℃で８時間焼鈍した。密度測定は、焼結したままの試料及び焼鈍した試料に対して、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した。焼結したままの試料（５１２）及び焼鈍した試料（５１２－１）のそれぞれについて、５回の測定にわたって平均化を行い、４．５４７ｇ／ｃｃ及び４．５４２ｇ／ｃｃの密度が得られた。これは、本明細書に開示の密度測定値から算出して、ＹＡＧの理論密度のそれぞれ９９．８１％及び９９．７０％に相当し、それぞれ０．１９％及び０．３０％の体積多孔度に相当する。表１、８、９、及び１１に、本明細書に開示の実施形態に係る、焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。試料５１２の結晶相純度の測定は、本明細書に開示のＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像処理ソフトウェアの使用の組み合わせを使用して実施した。ＸＲＤは、約±５％の範囲の結晶相の同定が可能なＰＡＮａｎｌｙｔｉｃａｌ Ａｅｒｉｓ型ＸＲＤを使用して実施し、したがって試料５１２は、ＸＲＤを使用して約９５体積％の上限までＹＡＧを含むと測定された。より高い精度、例えば、最大で約９９．８体積％の相純度を測定するために、ＳＥＭ画像を、当業者に公知の後方散乱検出（ＢＳＤ）法を使用して撮影した。ＢＳＤを使用すると、ＹＡＧ相は灰色に見え、結晶粒の配向に応じて多少変化し、酸化アルミニウム相は黒色に見え、酸化イットリウム相は白色に見え、多孔性（存在する場合）も黒色に見える。試料５１２について、当業者に公知のＢＳＤ法を使用して５０００倍で画像を撮影し、図２０のａ）に示す、ＹＡＧ相、アルミナ相、及びイットリア相、ならびに存在する任意の多孔性を同定した。アルミナを含む黒色領域と多孔性を含む黒色領域とを区別するために、ＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェアを使用して上記ＢＳＤ画像を白黒閾値処理し、図２０のｂ）に同一の領域として示されている、多孔性またはアルミナのいずれかを含む可能性のある領域を強調した。ＩｍａｇｅＪは、米国国立衛生研究所（ＮＩＨ）において開発され、科学的な多次元画像の画像処理のためのＪａｖａベースのパブリックドメイン画像処理及び画像解析プログラムである。本明細書に開示の測定に使用されるＢＳＤ検出器は、トポグラフィーの形体を測定するさらなる能力を有し、それにより、多孔性などの表面トポグラフィーにおける任意の偏差を強調する。ＢＳＤ検出器のトポグラフィーモードを使用して、画像を、図２０のａ）の試料５１２のセラミック焼結体の同一の領域の表面全体にわたって５０００倍で撮影し、そのトポグラフィー画像を図２１のａ）に示す。ＩｍａｇｅＪで閾値処理した後には、多孔性を含む領域が図２１のｂ）に示すように強調された。その後、図２１のｂ）のトポグラフィー画像内の多孔性を含む領域を、図２０のｂ）のＢＳＤ画像におけるアルミナ及び／または多孔性を含む領域から差し引いて、試料５１２に対応する焼結セラミック体中のアルミナ相を含む面積の割合、延いては体積の割合を得た。これらの解析ツールと方法の併用により、約±０．１体積％の範囲で相純度の測定を行うことができる。開示されるアルキメデス密度測定方法、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像解析ソフトウェアを使用して、試料５１２が、約０．２体積％のアルミナ相、約０．１９％の体積多孔度、及び約９９．６体積％のＹＡＧ相を含む可能性がある。表１に、本明細書に開示の焼結セラミック体の結晶相純度及び体積多孔度を掲載する。試料５１２に係る焼結セラミック体は、本明細書に開示のプロセスに従って製造された一体型焼結セラミック体を含んでいてもよく、したがって、上記焼結セラミック体の表面上及び焼結セラミック体全体にわたって分布した、ＹＡＧ相、酸化アルミニウム相、及び体積多孔度を含んでいてもよい。換言すると、表面上で測定される構造は、バルクの焼結セラミック体の塊内の構造を代表している。したがって、それぞれ体積で表して、９０～９９．８％、好ましくは９０～９９．６％、好ましくは９０～９９．４％、好ましくは９５～９９．８体積％、好ましくは９５～９９．６％、好ましくは９５～９９．４％の量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、本明細書に開示の材料及び方法を使用して形成することができる。測定の変動を考慮すると、本明細書で指定される量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、０．１～０．３体積％の量の多孔度、及び０．１～０．３体積％の量の酸化アルミニウムをさらに含んでいてもよい。図２６、２７、ならびに表３、１０、１１、及び１３は、上記焼成粉末混合物及び焼結セラミック体の特性を開示する。
比表面積が０．７５～２ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が３．５～６．５μｍ、ｄ５０粒径が７．５～１０．５μｍ、及びｄ９０粒径が１５～２０μｍのイットリアの粉末（１００％純粋なイットリアに対して純度約９９．９９９２％）と、比表面積が５～７ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が１～３μｍ、ｄ５０粒径が３．５～６．５μｍ、及びｄ９０粒径が５０～７０μｍのアルミナの粉末（１００％純粋なアルミナに対して純度約９９．９９９８％）を、焼結時に立方晶系イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を含むセラミック焼結体を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳ法で測定して９９．９％以上）を粉末重量に対して約１００％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約４０％の量で添加してスラリーを形成した。１リットルの容器中で、水平軸周りの１５０ｒｐｍでの軸転がり作用を使用するボールミル粉砕を２０時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０５０℃で６時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は１～４μｍ、ｄ５０粒径は３．５～６．５μｍ、及びｄ９０粒径は７５～９５μｍであることが測定された。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、当業者に公知の方法に従って種々のプロセスステップで、４５～４００ｕｍの開口径を使用したふるい分け、焼成、配合、及び／または粉砕を行ってもよい。本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して純度を測定し、すべての構成成分から計算した酸化物の総質量を基準として、上記焼成粉末混合物の総不純物含有量が約５ｐｐｍと測定され、これは９９．９９９５％の純度に相当した。本明細書に開示のイットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物の純度限界及び不純物含有量はＳｉを含んでいない。本明細書に開示の、Ｓｉに関する純度を測定するためのＩＣＰＭＳ法を使用する検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルでシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後約０．４～約０．６ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、温度の上昇は先程開示したものを継続し、１５００℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。試料５１２－１は同一の条件に従って焼結し、その後炉内で、空気中、１４００℃で８時間焼鈍した。密度測定は、焼結したままの試料及び焼鈍した試料に対して、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した。焼結したままの試料（５１２）及び焼鈍した試料（５１２－１）のそれぞれについて、５回の測定にわたって平均化を行い、４．５４７ｇ／ｃｃ及び４．５４２ｇ／ｃｃの密度が得られた。これは、本明細書に開示の密度測定値から算出して、ＹＡＧの理論密度のそれぞれ９９．８１％及び９９．７０％に相当し、それぞれ０．１９％及び０．３０％の体積多孔度に相当する。表１、８、９、及び１１に、本明細書に開示の実施形態に係る、焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。試料５１２の結晶相純度の測定は、本明細書に開示のＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像処理ソフトウェアの使用の組み合わせを使用して実施した。ＸＲＤは、約±５％の範囲の結晶相の同定が可能なＰＡＮａｎｌｙｔｉｃａｌ Ａｅｒｉｓ型ＸＲＤを使用して実施し、したがって試料５１２は、ＸＲＤを使用して約９５体積％の上限までＹＡＧを含むと測定された。より高い精度、例えば、最大で約９９．８体積％の相純度を測定するために、ＳＥＭ画像を、当業者に公知の後方散乱検出（ＢＳＤ）法を使用して撮影した。ＢＳＤを使用すると、ＹＡＧ相は灰色に見え、結晶粒の配向に応じて多少変化し、酸化アルミニウム相は黒色に見え、酸化イットリウム相は白色に見え、多孔性（存在する場合）も黒色に見える。試料５１２について、当業者に公知のＢＳＤ法を使用して５０００倍で画像を撮影し、図２０のａ）に示す、ＹＡＧ相、アルミナ相、及びイットリア相、ならびに存在する任意の多孔性を同定した。アルミナを含む黒色領域と多孔性を含む黒色領域とを区別するために、ＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェアを使用して上記ＢＳＤ画像を白黒閾値処理し、図２０のｂ）に同一の領域として示されている、多孔性またはアルミナのいずれかを含む可能性のある領域を強調した。ＩｍａｇｅＪは、米国国立衛生研究所（ＮＩＨ）において開発され、科学的な多次元画像の画像処理のためのＪａｖａベースのパブリックドメイン画像処理及び画像解析プログラムである。本明細書に開示の測定に使用されるＢＳＤ検出器は、トポグラフィーの形体を測定するさらなる能力を有し、それにより、多孔性などの表面トポグラフィーにおける任意の偏差を強調する。ＢＳＤ検出器のトポグラフィーモードを使用して、画像を、図２０のａ）の試料５１２のセラミック焼結体の同一の領域の表面全体にわたって５０００倍で撮影し、そのトポグラフィー画像を図２１のａ）に示す。ＩｍａｇｅＪで閾値処理した後には、多孔性を含む領域が図２１のｂ）に示すように強調された。その後、図２１のｂ）のトポグラフィー画像内の多孔性を含む領域を、図２０のｂ）のＢＳＤ画像におけるアルミナ及び／または多孔性を含む領域から差し引いて、試料５１２に対応する焼結セラミック体中のアルミナ相を含む面積の割合、延いては体積の割合を得た。これらの解析ツールと方法の併用により、約±０．１体積％の範囲で相純度の測定を行うことができる。開示されるアルキメデス密度測定方法、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像解析ソフトウェアを使用して、試料５１２が、約０．２体積％のアルミナ相、約０．１９％の体積多孔度、及び約９９．６体積％のＹＡＧ相を含む可能性がある。表１に、本明細書に開示の焼結セラミック体の結晶相純度及び体積多孔度を掲載する。試料５１２に係る焼結セラミック体は、本明細書に開示のプロセスに従って製造された一体型焼結セラミック体を含んでいてもよく、したがって、上記焼結セラミック体の表面上及び焼結セラミック体全体にわたって分布した、ＹＡＧ相、酸化アルミニウム相、及び体積多孔度を含んでいてもよい。換言すると、表面上で測定される構造は、バルクの焼結セラミック体の塊内の構造を代表している。したがって、それぞれ体積で表して、９０～９９．８％、好ましくは９０～９９．６％、好ましくは９０～９９．４％、好ましくは９５～９９．８体積％、好ましくは９５～９９．６％、好ましくは９５～９９．４％の量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、本明細書に開示の材料及び方法を使用して形成することができる。測定の変動を考慮すると、本明細書で指定される量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、０．１～０．３体積％の量の多孔度、及び０．１～０．３体積％の量の酸化アルミニウムをさらに含んでいてもよい。図２６、２７、ならびに表３、１０、１１、及び１３は、上記焼成粉末混合物及び焼結セラミック体の特性を開示する。
実施例１３：（試料２７２、２７２－５、粉末２００９９）；多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体
比表面積が４．５～６ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．０～３．５μｍ、ｄ５０粒径が４．０～６．５μｍ、及びｄ９０粒径が６．５～１０μｍのイットリアの粉末（全酸化物を基準として、純度約９９．９９８４％、不純物約１６ｐｐｍ）と、比表面積が６～８ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０７５～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２．５～５．５μｍ、及びｄ９０粒径１５～２２μｍのアルミナの粉末（全酸化物を基準として、純度約９９．９９９５％、不純物約５ｐｐｍ）を、焼結時に立方晶系イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含むセラミック焼結体を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９％以上）を、粉末重量に対して約６０％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約３５％の量で添加してスラリーを形成した。ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）の分散剤を、スラリーの総重量を基準として約０．０７重量％で添加した。当業者に公知の転倒（ｔｕｎｂｌｅ）または転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）混合を１２時間の期間実施し、その後回転蒸発器を使用し、公知方法に従って粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０００℃で１０時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積を測定し、４～５ｍ２／ｇとなった。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、当業者に公知の方法に従って種々のプロセスステップで、４５～４００ｕｍの開口径を使用したふるい分け、焼成、配合、及び／または粉砕を行ってもよい。本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して純度を測定し、すべての構成成分から計算した酸化物の総質量を基準として、上記焼成粉末混合物の総不純物含有量が約５ｐｐｍと測定され、これは約９９．９９９５％の純度に相当した。本明細書に開示のイットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物の純度限界及び不純物含有量はＳｉを含んでいない。本明細書に開示の、Ｓｉに関する純度を測定するためのＩＣＰＭＳ法を使用する検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルでシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後約０．４～約０．６ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、温度の上昇は上記のものを継続し、１４５０℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを４５分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。試料２７２－５は同一の条件下で焼結し、その後炉内で、空気中、１５５０℃で８時間焼鈍した。密度測定は、焼結したままの試料及び焼鈍した試料に対して、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した。焼結したままの試料（２７２）及び焼鈍した試料（２７２－５）のそれぞれについて、５回の測定にわたって平均化を行い、４．５４９ｇ／ｃｃ及び４．４３３ｇ／ｃｃの密度が得られた。これらは、ＹＡＧの理論密度（本明細書で４．５５６ｇ／ｃｃと報告）のそれぞれ９９．８５４％及び９７．３００％に相当し、それぞれ０．１４６％及び２．７０％の体積多孔度に相当する。この実施例に係る焼結セラミック体の目視による見掛けの色は、焼鈍の違いに起因する可能性のある体積多孔度及び細孔径分布によって影響を受けている可能性がある。多孔性が存在することは、当業者に公知のミー散乱理論に従って光散乱の一因となる。高密度、未焼鈍の試料２７２は、体積多孔度レベルがより低く、それによって光の散乱がより小さいことに起因する可能性がある灰色に見える。これと比較して、体積多孔度レベルがより高い焼鈍した試料２７２－５の入射光の散乱はより大きく、目視での検査時に白色に見える。
比表面積が４．５～６ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．０～３．５μｍ、ｄ５０粒径が４．０～６．５μｍ、及びｄ９０粒径が６．５～１０μｍのイットリアの粉末（全酸化物を基準として、純度約９９．９９８４％、不純物約１６ｐｐｍ）と、比表面積が６～８ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０７５～０．２μｍ、ｄ５０粒径が２．５～５．５μｍ、及びｄ９０粒径１５～２２μｍのアルミナの粉末（全酸化物を基準として、純度約９９．９９９５％、不純物約５ｐｐｍ）を、焼結時に立方晶系イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含むセラミック焼結体を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９％以上）を、粉末重量に対して約６０％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約３５％の量で添加してスラリーを形成した。ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）の分散剤を、スラリーの総重量を基準として約０．０７重量％で添加した。当業者に公知の転倒（ｔｕｎｂｌｅ）または転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）混合を１２時間の期間実施し、その後回転蒸発器を使用し、公知方法に従って粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１０００℃で１０時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積を測定し、４～５ｍ２／ｇとなった。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、当業者に公知の方法に従って種々のプロセスステップで、４５～４００ｕｍの開口径を使用したふるい分け、焼成、配合、及び／または粉砕を行ってもよい。本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して純度を測定し、すべての構成成分から計算した酸化物の総質量を基準として、上記焼成粉末混合物の総不純物含有量が約５ｐｐｍと測定され、これは約９９．９９９５％の純度に相当した。本明細書に開示のイットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物の純度限界及び不純物含有量はＳｉを含んでいない。本明細書に開示の、Ｓｉに関する純度を測定するためのＩＣＰＭＳ法を使用する検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルでシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後約０．４～約０．６ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、温度の上昇は上記のものを継続し、１４５０℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを４５分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。試料２７２－５は同一の条件下で焼結し、その後炉内で、空気中、１５５０℃で８時間焼鈍した。密度測定は、焼結したままの試料及び焼鈍した試料に対して、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した。焼結したままの試料（２７２）及び焼鈍した試料（２７２－５）のそれぞれについて、５回の測定にわたって平均化を行い、４．５４９ｇ／ｃｃ及び４．４３３ｇ／ｃｃの密度が得られた。これらは、ＹＡＧの理論密度（本明細書で４．５５６ｇ／ｃｃと報告）のそれぞれ９９．８５４％及び９７．３００％に相当し、それぞれ０．１４６％及び２．７０％の体積多孔度に相当する。この実施例に係る焼結セラミック体の目視による見掛けの色は、焼鈍の違いに起因する可能性のある体積多孔度及び細孔径分布によって影響を受けている可能性がある。多孔性が存在することは、当業者に公知のミー散乱理論に従って光散乱の一因となる。高密度、未焼鈍の試料２７２は、体積多孔度レベルがより低く、それによって光の散乱がより小さいことに起因する可能性がある灰色に見える。これと比較して、体積多孔度レベルがより高い焼鈍した試料２７２－５の入射光の散乱はより大きく、目視での検査時に白色に見える。
試料２７２及び２７２－５に係る焼結セラミック体は、本明細書に開示のプロセスに従って製造された一体型焼結セラミック体を含んでいてもよく、したがって、ＹＡＧ相、酸化アルミニウム相、ならびに表面上及び焼結セラミック体全体に分布した体積多孔性を含んでいてもよい。換言すれば、表面上で測定される構造は、ＹＡＧを含み、実施形態において酸化アルミニウムをさらに含むバルクの焼結セラミック体の塊内の構造を代表する。本実施例に従って形成した試料２７２は、約０．３体積％の量の酸化アルミニウム、約０．１５体積％の量の体積多孔度、及び約９９．５５体積％の量のＹＡＧ相を含んでいてもよい。本実施例に従って形成した試料２７２－５は、約０．３体積％の量の酸化アルミニウム、約２．７５体積％の量の体積多孔度、及び約９７．００体積％の量のＹＡＧ相を含んでいてもよい。
表３、１０、１１、及び１３に、上記焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
実施例１４：（試料４３２、粉末３９８－２）多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．５～４．５μｍ、ｄ５０粒径が６～８μｍ、及びｄ９０粒径が１１～１３μｍのイットリアの粉末（平均純度９９．９８８０％、平均不純物約２１ｐｐｍ）と、比表面積が６．５～８．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１～０．２μｍ、ｄ５０粒径が１～３μｍ、及びｄ９０粒径が１３～２０μｍのアルミナ粉末（純度９９．９９９４％、不純物約６ｐｐｍ）を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９％以上）を、粉末重量に対して約６０％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約３５％の量で添加してスラリーを形成した。当業者に公知の軸方向に回転するボールミル粉砕を約２０時間の期間実施し、その後公知の方法に従って、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを、６０～７５℃の温度で約３時間抜き出した。空気中、９５０℃で４時間焼成したところで、焼成粉末混合物をふるい分けし、比表面積が５～７ｍ２／ｇであることが測定された。Ｘ線回折により、焼成粉末混合物中にイットリア相及びアルミナ相が存在することが確認された。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、焼成、転倒混合、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。上記容積内の焼成粉末混合物を３℃／分で８００℃に加熱し、その温度で５ＭＰａの圧力を印加し、次いで、約１～約３℃／分の加熱速度で熱を印加すると同時に、約０．２～約０．３ＭＰａ／分の速度で圧力を印加し、１５００℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。
比表面積が２～３ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．５～４．５μｍ、ｄ５０粒径が６～８μｍ、及びｄ９０粒径が１１～１３μｍのイットリアの粉末（平均純度９９．９８８０％、平均不純物約２１ｐｐｍ）と、比表面積が６．５～８．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．１～０．２μｍ、ｄ５０粒径が１～３μｍ、及びｄ９０粒径が１３～２０μｍのアルミナ粉末（純度９９．９９９４％、不純物約６ｐｐｍ）を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９％以上）を、粉末重量に対して約６０％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約３５％の量で添加してスラリーを形成した。当業者に公知の軸方向に回転するボールミル粉砕を約２０時間の期間実施し、その後公知の方法に従って、回転蒸発器を使用して粉末混合物からエタノールを、６０～７５℃の温度で約３時間抜き出した。空気中、９５０℃で４時間焼成したところで、焼成粉末混合物をふるい分けし、比表面積が５～７ｍ２／ｇであることが測定された。Ｘ線回折により、焼成粉末混合物中にイットリア相及びアルミナ相が存在することが確認された。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、焼成、転倒混合、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。上記容積内の焼成粉末混合物を３℃／分で８００℃に加熱し、その温度で５ＭＰａの圧力を印加し、次いで、約１～約３℃／分の加熱速度で熱を印加すると同時に、約０．２～約０．３ＭＰａ／分の速度で圧力を印加し、１５００℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。
面積に基づく多孔度及び細孔径の測定を、画像処理のためのＩｍａｇｅＪソフトウェアと組み合わせたＳＥＭ画像化を使用して、試料４３２に対して実施した。ＳＥＭ画像を、当業者に公知の後方散乱検出（ＢＳＤ）法を使用して撮影した。ＢＳＤを使用すると、ＹＡＧ相は灰色に見え、結晶粒の配向に応じて多少変化し、酸化イットリウム相は白色に見え、多孔性（存在する場合）は黒色に見える。試料４３２にかかる本明細書に開示の焼結セラミック体は、ＹＡＧ結晶相を含み、表面上及び全体の両方に多孔性及び／または細孔をさらに含む一体型焼結セラミック体であってよい。したがって、結晶相、細孔径及び頻度、ならびに表面上で測定された多孔度／細孔面積などの特徴は、バルクの焼結セラミック体内の特徴を代表する。ＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェアを使用して上記ＢＳＤ画像を白黒閾値処理し、多孔性を含む可能性のあるＢＳＤ画像中の黒色領域を強調した。ＩｍａｇｅＪは、米国国立衛生研究所（ＮＩＨ）において開発され、科学的な多次元画像の画像処理のためのＪａｖａベースのパブリックドメイン画像処理及び画像解析プログラムである。ＩｍａｇｅＪソフトウェアを使用して、多孔性を含む表面積を計算した。図２２のａ）及びｂ）は、試料４３２の焼結セラミック体の表面の面積に基づく細孔／多孔度測定を示す。図２２のａ）は、垂直軸と水平軸上の試料表面から撮影し、所与の細孔面積の割合に寄与する、ミクロンで表した対応する細孔径を表す、７つのＳＥＭ画像のそれぞれについての細孔または多孔度（細孔面積）を含む表面積の割合を示す。細孔径及び総細孔面積を、本明細書に開示のＩｍａｇｅＪソフトウェア法を使用して、７つのＳＥＭ画像にわたって測定した。画像を５０００倍で撮影し、それぞれの総面積は約５３．７ｕｍ×５３．７ｕｍであり、単一の画像の測定面積は約２８８５ｕｍ２に相当していた。総細孔面積を単一の画像の測定面積と共に使用して、細孔面積の割合に到達した。７つの画像のいずれか１つ内の面積は、約０．０００５～約０．０１２％、好ましくは約０．０００５～約０．０１１％、好ましくは約０．０００５～約０．０１０５％の総表面積に対する多孔度の割合を含んでいた。
図２２のｂ）は、図２２のａ）の７つの画像の総面積のそれぞれにわたって正規化し、割合で表し単位がｕｍ２／ｍｍ２の、多孔性を含む面積の累積値（累積細孔面積）を、横軸上のそれぞれの孔径に対して対数目盛で示している。ＹＡＧを含む試料４３２は、約２～約８００ｕｍ２／ｍｍ２、好ましくは約２～約６００ｕｍ２／ｍｍ２、好ましくは約２～約４００ｕｍ２／ｍｍ２、好ましくは約２～約３００ｕｍ２／ｍｍ２の累積細孔面積率を含んでいてもよい。本ＹＡＧ焼結セラミック体内の解析した７つの画像を通じて、約０．６ｕｍを超える細孔径の細孔は測定されなかった。したがって、本明細書に開示のＹＡＧ焼結セラミック体は、表面にわたって及び全体を通じて、細孔径が１ｕｍ以下であってもよい細孔を含んでいてもよい。
図２３のａ）は、当技術分野で公知のとおりに実施される熱エッチングプロセス後のＹＡＧを含む焼結セラミック体のＳＥＭ顕微鏡写真を示し、小さな寸法の少数の細孔を表面上に、且つそれにより該焼結体内に示す。本明細書に開示のＹＡＧ焼結セラミック体は、径が、５ｕｍ以下であり、サブミクロンスケールまで低下した、約０．１ｕｍまでも小さてよい細孔を含んでいてもよい。図２３のａ）に示す焼結セラミック体の表面は、約２８８４ｕｍ２の表面積全体にわたって約２０個の細孔を含む。本明細書に開示の実施形態によれば、ＹＡＧを含む焼結セラミック体は、最大径が０．１～５ｕｍ、好ましくは０．１～４ｕｍ、好ましくは０．１～３ｕｍ、好ましくは０．１～２ｕｍ、好ましくは０．１～１ｕｍ、好ましくは０．１～０．６ｕｍであってもよい細孔を含んでいてもよい。本明細書に開示のさらなる実施形態によれば、ＹＡＧを含む上記焼結セラミック体は、約２８８５ｕｍ２の表面にわたって、約２０個の細孔、好ましくは３～２５個の細孔、好ましくは３～２０個の細孔、好ましくは３～１５個の細孔、好ましくは５～２５個の細孔、好ましくは５～２０の細孔、好ましくは５～１５個の細孔、好ましくは５～１０個の細孔の頻度を有していてもよい細孔を含んでいてもよい。
図２３のｂ）は、図２２の試料４３２に関する７つのＳＥＭ顕微鏡写真のそれぞれについて、多孔性を含む総面積の割合の合計を示す。すべての画像にわたり、総多孔度の割合は０．００１～０．０３％、好ましくは０．００１～０．０２５％、好ましくは０．００１～０．０２％、好ましくは０．００１～０．０１５％、好ましくは０．００１～０．０１０％であった。したがって、約５４ｕｍ×５４ｕｍの表面積にわたって、本明細書に開示の焼結セラミック体は、非常に低い（面積で１％未満）割合で多孔性を含む表面を有することができ、したがって、プラズマ加工チャンバー中で使用するための焼結セラミック体の耐食性及び耐侵食性の表面、延いては塊提供する。
試料４３２に対して、Ｓａ、Ｓｚ、及びＳｄｒの表面粗さ測定を、ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２の４．１．７．節、算術平均高さＳａ、４．１．６．節、最大高さＳｚ、及び４．３．２．節、界面の展開面積比Ｓｄｒに準拠して実施した。表面粗さ測定は、クラス１のクリーンルーム中で、周囲条件下、Ｋｅｙｅｎｃｅ ３Ｄレーザー走査型共焦点デジタル顕微鏡ＶＫ－Ｘ２５０Ｘ型を使用して実施した。上記顕微鏡は、２．８Ｈｚの固有振動数のＴＭＣ ＴａｂｌｅＴｏｐ ＣＳＰパッシブ卓上型除振台上に設置されている。この非接触システムは、レーザー光線及び光学センサーを使用して、反射光の強度によって表面を分析する。この顕微鏡は、ｘ方向に１，０２４データポイント、ｙ方向に７８６データポイント、計７８６，４３２データポイントを取得する。所定の走査が完了したところで、対物レンズがｚ方向に設定されたピッチで移動し、走査間で強度を比較して焦点を決定する。
本明細書に開示の方法に従い、研磨した表面全体にわたって、２～１５ｎｍ、好ましくは２～１０ｎｍ、好ましくは２～８ｎｍ、好ましくは２～５ｎｍのＳａ、好ましくは３ｎｍの平均Ｓａが測定された。
本明細書に開示の方法に従い、研磨した表面全体にわたって、０．３～５ｕｍ、好ましくは０．３～４ｕｍ、好ましくは０．３～３ｕｍ、好ましくは０．３～２ｕｍ、好ましくは０．３～１ｕｍ、好ましくは０．３～０．５ｕｍのＳｚ、好ましくは０．４ｕｍの平均のＳｚが測定された。
本明細書に開示の方法に従い、研磨した表面全体にわたって、好ましくは１５～４００×１０－５、好ましくは１５～２００×１０－５、好ましくは１５～１００×１０－５、好ましくは２５～２００×１０－５、好ましくは２５～１００×１０－５、好ましくは２５～５０×１０－５のＳｄｒが測定された。表１０、１１、１３、及び１６に、試料４３２に係る製造方法及び特性を掲載する。
実施例１５：（試料２９８、６１７、粉末２８６、６１５）；ジルコニアを含む多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体
実施形態において、本焼結セラミック体が約２０～１００ｐｐｍの量のジルコニアを含むことが好ましい場合がある。ジルコニアが存在することによって、そこから形成される焼結セラミック体において、結晶粒径が小さくなり、且つ微細構造が均一になる能性がある。ジルコニアは、粉末バッチング中に意図的に添加してもよく、または粉末の混合中にジルコニア媒体を使用することに由来してもよい。
実施形態において、本焼結セラミック体が約２０～１００ｐｐｍの量のジルコニアを含むことが好ましい場合がある。ジルコニアが存在することによって、そこから形成される焼結セラミック体において、結晶粒径が小さくなり、且つ微細構造が均一になる能性がある。ジルコニアは、粉末バッチング中に意図的に添加してもよく、または粉末の混合中にジルコニア媒体を使用することに由来してもよい。
ジルコニアは、粉末バッチングプロセスの一部として含有させる場合、例えば、酸化物、塩化物、硝酸塩、または炭酸塩の粉末形態として添加されてもよく、その場合、これらの化合物は、スラリー形成中に解離する場合があり、そのことにより、焼成粉末混合物及びそれから形成される焼結セラミック体中にジルコニアが均一に分散することができる。
第１の実施形態において、ジルコニアを、粉末２８６を形成するためのすべての構成成分の含有量から計算した酸化物の総質量を基準として約５０ｐｐｍの量の塩化ジルコニルの形態で添加した。比表面積が２．０～３．０ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が２．５～４．５μｍ、ｄ５０粒径が６．０～９．０μｍ、及びｄ９０粒径が１０．５～１８μｍのイットリアの粉末（すべての構成成分の含有量から計算した酸化物の総質量を基準として、純度約９９．９９８３％、不純物約１７ｐｐｍ）と、比表面積が６～８ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０７５～０．３μｍ、ｄ５０粒径が２．５～５．５μｍ、及びｄ９０粒径が３５～４２μｍのアルミナの粉末（すべての構成成分の含有量から計算した酸化物の総質量を基準として、純度約９９．９９９４％、不純物約６ｐｐｍ）を、焼結時に立方晶系イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含み、ジルコニアをさらに含むセラミック焼結体を形成する粉末混合物２８６を形成するモル比で配合した。高純度アルミナ媒体（ＩＣＰＭＳによって測定して９９．９％以上）を、粉末重量に対して約６０％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約３５％の量で添加して、スラリーを形成した。当業者に公知の転倒（ｔｕｍｂｌｅ）または転倒（ｅｎｄ－ｏｖｅｒ－ｅｎｄ）混合を２０時間の期間実施し、その後、回転蒸発器を使用し、公知の方法に従ってエタノールを粉末混合物から抜き出した。空気中、８５０℃で１２時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は２．５～４．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．５～０．４５μｍ、ｄ５０粒径は、４．５～７．０μｍ、及びｄ９０粒径は１７～２４μｍであることが測定された。上記焼成粉末混合物はイットリ相及びアルミナ相を含んでいた。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、当業者に公知の方法に従って種々のプロセスステップで、４５～４００ｕｍの開口径を使用したふるい分け、焼成、配合、及び／または粉砕を行ってもよい。酸化ジルコニウムは無機焼結助剤であり、したがって出発粉末に添加した状態と同様のレベルで焼成粉末混合物及び焼結セラミック体中に残留することとなる。粉末２８６は、それ自体、約５０ｐｐｍの量の焼結助剤としてのジルコニアに加えて、すべての構成成分の含有量から計算した酸化物の総質量を基準として、約３ｐｐｍの不純物を含んでいた。上記焼成粉末混合物２８６を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後約０．４～約０．６ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、温度の上昇は上記のものを継続し、１４５０℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１００ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体である試料２９８を形成した。試料２９８－１及び２９８－２を同一の条件下で焼結し、その後炉内でそれぞれ、空気中、それぞれ１４００℃及び１５５０℃で８時間焼鈍した。
密度測定は、焼結したままの試料及び焼鈍した試料に対して、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した。焼結したままの試料（２９８）、２９８－１及び２９８－２の焼鈍した試料について５回の測定にわたって平均化を行い、それぞれ４．５４０ｇ／ｃｃ、４．５２５及び４．３７９ｇ／ｃｃの密度が得られた。これらは、ＹＡＧの理論密度（本明細書で４．５５６ｇ／ｃｃと報告）のそれぞれ９９．６５％、９９．３３％及び９６．１５％に相当し、密度測定値から算出して、それぞれ０．３５％、０．６７％及び３．８５％の体積多孔度に相当する。この実施例に係る試料２９８の焼結セラミック体の目視による見掛けの赤みがかった灰色は、焼鈍の違いに起因する可能性のある体積多孔度、ジルコニアの存在、及び細孔径分布によって影響を受けている可能性がある。多孔性が存在することは、当業者に公知のミー散乱理論に従って光散乱の一因となる。試料２９８－１の色も、表面上及び全体で共に赤みがかった灰色に見え、これは、体積多孔度のレベルがより低く、それにより光の散乱がより小さいことに起因する可能性がある。これと比較して、体積多孔度レベルがより高い焼鈍した試料２９８－２の入射光の散乱はより大きくなり、目視での検査時に、表面上及び全体で共に白色に見える。Ｘ線回折により、すべての試料で約９９体積％の量のＹＡＧ相が存在することが明らかになった。
使用するジルコニア媒体が混合中に摩耗（ｗｅａｒ）及び摩滅（ａｂｒａｓｉｏｎ）することによっても、媒体の充填量、媒体の種類、及び混合の期間の混合／粉砕パラメータに応じて、さまざまな量で焼結セラミック体中にジルコニアが存在することになる場合がある。
比表面積が６．５～８．０ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が１．５～３．５μｍ、ｄ５０粒径が３．５～５．５μｍ、及びｄ９０粒径が６．５～８．５μｍのイットリアの粉末（すべての構成成分の含有量から計算した酸化物の総質量を基準として、平均純度約９９．９９８８％、平均不純物約１２ｐｐｍ）と、比表面積が１７～１８ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０８～０．３μｍ、ｄ５０粒径が１．０～３．０μｍ、及びｄ９０粒径が４．５～７μｍのアルミナの粉末（すべての構成成分の含有量から計算した酸化物の総質量を基準として、純度約９９．９９８５％、不純物約１５ｐｐｍ）を、焼結時に立方晶系イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含み、ジルコニアを焼結体中に残留する程度でさらに含むセラミック焼結体である試料６１７を形成する、粉末混合物６１５を形成するモル比で配合した。
ジルコニア媒体を、粉末の総質量を基準として１００質量％の充填量で添加し、エタノールを、エタノールと粉末の合計重量に対して約４０重量％の量で添加してスラリーを形成した。当業者に公知の軸方向に回転する湿式ボールミル粉砕を、約１５０ＲＰＭで１２時間の期間実施し、その後、公知の方法に従って回転蒸発器を使用して、粉末混合物からエタノールを抜き出した。空気中、１１００℃で８時間焼成したところで、焼成粉末混合物の比表面積は３．５～５．０ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．５～０．８５μｍの、ｄ５０粒径は３５～４５μｍ、及びｄ９０粒径は約２７０～２９０μｍであることが測定された。ＩＣＰＭＳを使用して粉末の不純物を測定し、約５４ｐｐｍのジルコニアを含む約７３ｐｐｍであることが測定された。特定の実施形態において、本明細書に開示の焼成条件では粉末混合物が凝集する可能性があり、したがって、粒径分布がより大きく変動する可能性がある。したがって、実施形態において、本明細書で言及する粒径は単一の粒子を含んでいてもよく、他の実施形態において、本明細書で言及する粒径は複数の粒子を含む凝集体、または本明細書に開示されるレーザー粒径検出方法を使用して、単一の大きな粒子として測定される場合がある多数の粒子の凝集を含んでいてもよい。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、当業者に公知の方法に従って種々のプロセスステップで、４５～４００ｕｍの開口径を使用したふるい分け、焼成、配合、及び／または粉砕を行ってもよい。
焼成粉末混合物６１５を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成される容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後約０．４～約０．６ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させ、温度の上昇は上記のものを継続し、１４５０℃及び３０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１００ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体である試料６１７を形成した。
酸化ジルコニウムは無機酸化物であり、したがって、焼成粉末混合物中及び焼結セラミック体内に同一レベルで残留することとなる。粉末６１５は、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定して、約５４ｐｐｍのジルコニアを含む、合計約７３ｐｐｍの不純物を含み、したがって、焼結セラミック体６１７は、上記粉末のジルコニアレベルと略同一のジルコニアレベルを含む。上記焼結セラミック体は、ＹＡＧの理論密度の約９９％であり、９９体積％を超えるＹＡＧ相を含むことが測定された。
本明細書に開示のイットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物の純度限界及び不純物含有量はＳｉを含まない。本明細書に開示の純度測定のためのＩＣＰＭＳ法を使用したＳｉの検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルでシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。
この実施例に係る焼結セラミック体は、本明細書に開示のプロセスに従って製造された一体型焼結セラミック体を含んでいてもよく、したがって、表面上及び焼結セラミック体全体に分布したＹＡＧ、酸化ジルコニウム、及び体積多孔性を含んでいてもよい。換言すれば、表面上で測定された構造は、ＹＡＧを含み、実施形態において酸化ジルコニウム及び体積多孔性をさらに含むバルクの焼結セラミック体の塊内の構造を代表する。
表３、１０、１１、及び１３に、上記焼結セラミック体及び焼成粉末の結果を要約する。
実施例１６：（試料１５１及び１５１－１、粉末１４５）；ＹＡＧを含む多結晶焼結セラミック体
比表面積が４～６ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が１．５～３．５μｍ、ｄ５０粒径が３．５～５．５μｍ、及びｄ９０粒径が６．５～８．５μｍのイットリウムの粉末（平均純度９９．９９８５％、平均不純物約１５ｐｐｍ）と、比表面積６．５～８．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０５～０．１５μｍ、ｄ５０粒径が０．１５～０．３５μｍ、及びｄ９０粒径が０．３５～１μｍのアルミナ粉末（平均純度９９．９９８９％、平均不純物約１２ｐｐｍ）を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。上記アルミナ粉末のｄ１０粒径とｄ９０粒径の差は約０．２ｕｍ以上且つ約０．９５ｕｍ以下であることが測定された。上記粉末混合物を、媒体を使用せずにローラー混合により約８時間乾式混合した。その後、焼成を空気中、８００℃で４時間実施し、当業者に公知のジェットミリングを１００ｐｓｉの圧力で実施した。焼成し且つ粉砕した粉末混合物の比表面積は６．２～８．２ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．０７～０．３μｍ、ｄ５０粒径は０．７～１．５μｍ、及びｄ９０粒径は１８～３２μｍであることが測定された。上記焼成粉末混合物のｄ１０粒径とｄ９０粒径の差は約１ｕｍ以上且つ約３５ｕｍ以下であることが測定された。上記焼成粉末混合物の純度を、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して分析し、該純度は、出発粉末について開示した純度と略同一であることが測定された。ＳｉＯ２の形態のＳｉに関する、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用する場合の検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルのシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。但し、出発粉末及び焼成粉末混合物中に、ＩＣＰＭＳを使用してシリカは検出されなかった。表１１に、焼成条件、焼成粉末の相、及び粉末の純度を掲載する。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、転倒混合、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後０．５ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させて、１５５０℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。試料１５１－１を同一の条件で焼結し、その後空気中、１４００℃で８時間焼鈍した。ＳＥＭを使用した微細構造の観測により、約５体積％と見積もられる量の、イットリアに富む、より高密度のＹＡＰの相が存在し、したがって全体的な密度の結果が増加したことが明らかになった。アルキメデス密度測定を、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠し、当業者に公知のとおりに５回の繰り返しにわたって実施した。試料１５１及び１５１－１の密度は４．５７９ｇ／ｃｃ及び４．５６５ｇ／ｃｃであり、理論値の約９９．６４％及び９９．３３％に相当し、これらのことは、約５体積％の高密度ＹＡＰ相が存在することの説明になる。体積多孔度は、当業者に公知の方法に従ってアルキメデス密度測定値から計算することができ、試料１５１及び１５１－１の体積多孔度は、それぞれ約０．３６％及び約０．６７％と算出された。したがって、本明細書では、ＹＡＧを基準とする理論密度及び５体積％の約９９．３～９９．６％のＹＡＰを有する焼結セラミック体が開示される。表３、１０、１１、及び１３に、上記焼結セラミック体及び焼成粉末の結果をまとめる。
比表面積が４～６ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が１．５～３．５μｍ、ｄ５０粒径が３．５～５．５μｍ、及びｄ９０粒径が６．５～８．５μｍのイットリウムの粉末（平均純度９９．９９８５％、平均不純物約１５ｐｐｍ）と、比表面積６．５～８．５ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径が０．０５～０．１５μｍ、ｄ５０粒径が０．１５～０．３５μｍ、及びｄ９０粒径が０．３５～１μｍのアルミナ粉末（平均純度９９．９９８９％、平均不純物約１２ｐｐｍ）を、焼結時にイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体を形成する粉末混合物を形成するモル比で配合した。上記アルミナ粉末のｄ１０粒径とｄ９０粒径の差は約０．２ｕｍ以上且つ約０．９５ｕｍ以下であることが測定された。上記粉末混合物を、媒体を使用せずにローラー混合により約８時間乾式混合した。その後、焼成を空気中、８００℃で４時間実施し、当業者に公知のジェットミリングを１００ｐｓｉの圧力で実施した。焼成し且つ粉砕した粉末混合物の比表面積は６．２～８．２ｍ２／ｇ、ｄ１０粒径は０．０７～０．３μｍ、ｄ５０粒径は０．７～１．５μｍ、及びｄ９０粒径は１８～３２μｍであることが測定された。上記焼成粉末混合物のｄ１０粒径とｄ９０粒径の差は約１ｕｍ以上且つ約３５ｕｍ以下であることが測定された。上記焼成粉末混合物の純度を、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して分析し、該純度は、出発粉末について開示した純度と略同一であることが測定された。ＳｉＯ２の形態のＳｉに関する、本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用する場合の検出限界は約１４ｐｐｍであり、したがって、イットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物は、約１４ｐｐｍの検出レベルのシリカの形態のＳｉを含む可能性がある。但し、出発粉末及び焼成粉末混合物中に、ＩＣＰＭＳを使用してシリカは検出されなかった。表１１に、焼成条件、焼成粉末の相、及び粉末の純度を掲載する。上記粉末、粉末混合物、及び／または焼成粉末混合物を、公知の方法に従い、種々のプロセスステップでふるい分け、転倒混合、配合、及び／または粉砕してもよい。上記焼成粉末混合物を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。５ＭＰａの圧力を印加し、上記容積内の焼成粉末混合物を周囲温度から８００℃まで１０℃／分で加熱し、その後０．５ＭＰａ／分の速度で圧力を上昇させて、１５５０℃及び２０ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを３０分間維持して、最大寸法１５０ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。試料１５１－１を同一の条件で焼結し、その後空気中、１４００℃で８時間焼鈍した。ＳＥＭを使用した微細構造の観測により、約５体積％と見積もられる量の、イットリアに富む、より高密度のＹＡＰの相が存在し、したがって全体的な密度の結果が増加したことが明らかになった。アルキメデス密度測定を、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠し、当業者に公知のとおりに５回の繰り返しにわたって実施した。試料１５１及び１５１－１の密度は４．５７９ｇ／ｃｃ及び４．５６５ｇ／ｃｃであり、理論値の約９９．６４％及び９９．３３％に相当し、これらのことは、約５体積％の高密度ＹＡＰ相が存在することの説明になる。体積多孔度は、当業者に公知の方法に従ってアルキメデス密度測定値から計算することができ、試料１５１及び１５１－１の体積多孔度は、それぞれ約０．３６％及び約０．６７％と算出された。したがって、本明細書では、ＹＡＧを基準とする理論密度及び５体積％の約９９．３～９９．６％のＹＡＰを有する焼結セラミック体が開示される。表３、１０、１１、及び１３に、上記焼結セラミック体及び焼成粉末の結果をまとめる。
その他の実施例
図１３は、出発イットリア／アルミナ粉末混合物及び無加圧焼結法を使用して形成したセラミック焼結体のＸ線回折結果を示し、本明細書に開示の無加圧焼結法と加圧及び通電支援ＳＰＳ焼結法との違いを比較して示す。「粉砕したままの」Ｘ線回折パターンは、イットリア及びアルミナを含む出発粉末混合物に対応する。図に示すように、ＹＡＰ及びＹＡＧを含む混合相焼結体は、１４００℃で８時間の無加圧焼結から生じる。相純度の高いイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を得るためには、１６００℃以上の無加圧焼結温度と８時間以上の焼結時間との組み合わせが必要である。この試料の幾何学的密度を測定し、本明細書に開示のＹＡＧの理論密度の約５５％であることが明らかになった。当技術分野で公知の、高温で長時間（８時間以上）の無加圧焼結法を使用すると、当該焼結体の強度や硬度などの機械的特性が、該焼結体が半導体のエッチングチャンバー及び蒸着チャンバー中の部品として有用であることが可能になるのに十分とはならない可能性のある密度が生じる。したがって、ＹＡＧを含む、相純度が高く、密度が高い（９７％を超える）／体積多孔度が低い（３％未満）セラミック焼結体を形成するためには、図１４に示す及び本明細書に開示する方法などの加圧及び通電支援焼結法が必要となる。
図１３は、出発イットリア／アルミナ粉末混合物及び無加圧焼結法を使用して形成したセラミック焼結体のＸ線回折結果を示し、本明細書に開示の無加圧焼結法と加圧及び通電支援ＳＰＳ焼結法との違いを比較して示す。「粉砕したままの」Ｘ線回折パターンは、イットリア及びアルミナを含む出発粉末混合物に対応する。図に示すように、ＹＡＰ及びＹＡＧを含む混合相焼結体は、１４００℃で８時間の無加圧焼結から生じる。相純度の高いイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を得るためには、１６００℃以上の無加圧焼結温度と８時間以上の焼結時間との組み合わせが必要である。この試料の幾何学的密度を測定し、本明細書に開示のＹＡＧの理論密度の約５５％であることが明らかになった。当技術分野で公知の、高温で長時間（８時間以上）の無加圧焼結法を使用すると、当該焼結体の強度や硬度などの機械的特性が、該焼結体が半導体のエッチングチャンバー及び蒸着チャンバー中の部品として有用であることが可能になるのに十分とはならない可能性のある密度が生じる。したがって、ＹＡＧを含む、相純度が高く、密度が高い（９７％を超える）／体積多孔度が低い（３％未満）セラミック焼結体を形成するためには、図１４に示す及び本明細書に開示する方法などの加圧及び通電支援焼結法が必要となる。
図１４は、本明細書に開示の方法に従い、真空下、３０ＭＰａ、１４５０℃で３０分間の加圧及び通電支援焼結条件を使用して、イットリア及びアルミナ粉末から、少なくとも９５体積％のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相を含む焼結セラミック体が形成されたことを示すＸ線回折結果を示す。本明細書に開示の焼結方法は、従来の焼結方法と比較してより低い温度及びより短い期間で、ＸＲＤによって確認される、少なくとも９５体積％のＹＡＧを含む焼結セラミック体を提供する。
図１６は、本開示の実施形態に係る、焼成前の、ａ）湿式混合法及びｂ）乾式混合法を使用した粉末混合物を示す。両方の粉末混合物において、本明細書に開示の混合条件によって、イットリア（白色粒子）粉末とアルミナ（灰色／黒色粒子）粉末の微細に混合された、均一な混合物が提供される。
図１７は、ａ）９５０℃で８時間（粉末００８）及びｂ）空気中、１０００℃で１０時間（粉末１９４－２）焼成した焼成粉末混合物のＸ線回折結果を示す。図１７のａ）に示す焼成粉末混合物００８に関しては、イットリア及びアルミナの出発粉末由来の結晶相が焼成後に存在し、この粉末の比表面積は２．５～３．５ｍ２／ｇである。図１７のｂ）に示す焼成粉末混合物１９４－２に関しては、イットリア及びアルミナの出発粉末由来の結晶相が存在し、且つＹＡＭの結晶相がさらに検出された。この粉末の比表面積は４～５ｍ２／ｇであった。
図２２のａ）は、過剰なアルミナを有するように調製した、ＹＡＧを含む、直径１５０ｍｍの試料１５３の１０００倍でのＳＥＭの結果を示し、この試料のアルキメデス密度は４．５４１ｇ／ｃｃ、すなわちＹＡＧの理論密度の９９．６７４％であり、体積多孔度は０．３３％である。本明細書に開示のすべてのＳＥＭ画像は、エネルギー分散型分光法（ＥＤＳ）、及びトポグラフィーモードも有する後方散乱電子（ＢＳＤ）検出器を備えたＮａｎｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ） Ｐｈｅｎｏｍ ＸＬ型から得た。本明細書に開示のＳＥＭ画像とＩｍａｇｅＪ画像処理との組み合わせによって、本明細書に開示の焼結セラミック体の相の同定が、最大約±０．１面積％で可能になる場合がある。本明細書に開示のプロセスに従って製造されたＹＡＧを含む焼結セラミック体は一体型焼結セラミック体である。したがって、表面上で測定された相純度及び他の特徴は、本焼結セラミック体のバルク、すなわち塊内の相純度及び他の特徴を代表することができる。これに代わる実施形態において、本明細書に開示のＹＡＧを含む焼結セラミック体は、３体積％以下の過剰な酸化アルミニウム相を有していてもよく、したがって、表面上で測定された酸化アルミニウム相は、ＹＡＧ及び過剰なアルミナを含むバルクの焼結セラミック体内に存在する酸化アルミニウム相を代表することができる。換言すれば、表面上で測定された多孔度、結晶粒径、結晶相の量などの特徴は、バルクの酸化イットリウムアルミニウム体内のこれらの特徴を約±０．１体積％以内で代表することができる。
試料１５３の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像をＩｍａｇｅＪソフトウェアにインポートし、図２２のｂ）に示す白黒閾値化技法を使用した相解析を行った。ＳＥＭ画像とＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェアの組み合わせを使用して、試料１５３のＳＥＭ画像、過剰な酸化アルミニウムを有するイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を含む焼結セラミック体の相純度を解析した。図２２のｂ）は、ＩｍａｇｅＪによる解析後の、図２２のａ）と同一の焼結セラミック体内の領域を示しており、それにより、酸化アルミニウム相及び存在するいずれかの多孔性の領域を、ＥＤＳ／ＥＤＸ分析から黒色で表示することができる。図２２のｂ）に示すように、酸化アルミニウム及び／または多孔性を表す、黒色で示された領域の面積は、画像面積の約０．４０％を構成し、上記領域の直径は、図２２のｂ）の基準尺と比較して、約１～１０ｕｍ、好ましくは約１～５ｕｍ、より好ましくは約１～３ｕｍであってよい。イットリア及びアルミナの出発粉末、ならびに焼成粉末混合物を、焼結前に混合／配合／ふるい分けを行ってもよく、したがって、本明細書に開示の焼結セラミック体は全体にわたって均一であることができ、それにより、当該焼結体のバルクすなわち塊を示す、表面上で測定される特徴を有する場合がある。図２２のｂ）の画像解析の結果により、上記焼結セラミック体が約９９．６体積％のＹＡＧ相、アルキメデス法から計算して約０．３％の体積多孔度、及び約０．１体積％の過剰なアルミナ相（黒色領域）を含むことが確認される。
図２３は、図２２のａ）及びｂ）の焼結セラミック体のＸ線回折結果を示しており、これにより、ＸＲＤとＳＥＭ／ＩｍａｇｅＪ処理の組み合わせを使用して、最大で９９．６％の量のＹＡＧ相を有する焼結セラミック体が形成されたことが確認される。図１６に記載される５０００倍のＳＥＭ及び画像解析によって酸化アルミニウム相が確認された。表１３に、試料１５３を形成するための処理条件を示す。
図２４のａ）及びｂ）は、表１３及び１５に掲載される、実施例８にも係る試料２５８に対応する、それぞれ１０００倍及び５０００倍のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。最小の体積多孔度を有し、且つ９９体積％以上のＹＡＧ相を含む、非常に緻密な微細構造が示される。
図２５のａ）は、製造方法を詳述する実施例１１に係る試料５０６の非常に緻密な微細構造の５０００倍のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。この試料中には約０．３体積％のアルミナが存在することが判明し、したがって、この画像の左半分に示す黒色領域は酸化アルミニウムを含む。当業者に公知のヘイン直線切断法を使用して、図２５のａ）の５０００倍のＳＥＭ画像を結晶粒径測定に関して解析し、２５回の繰り返し測定にわたる平均結晶粒径は６．２ｕｍ、標準偏差は０．７１ｕｍと測定された。表３に掲載するように、最大結晶粒径及び最小結晶粒径もそれぞれ７．７ｕｍ及び５．０ｕｍと測定された。硬度測定は、ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠して実施し、平均硬度は約１４．８ＧＰａと測定され、この平均値は、０．０２５ｋｇｆの印加荷重を使用して、試料表面全体にわたる８回の測定、すなわち繰り返しから算出され、最大及び最小硬度値はそれぞれ１６ＧＰａ及び１２．７ＧＰａであった。
試料５０６の結晶相純度の測定を、実施例１１に開示の方法に従って、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像処理ソフトウェアの使用の組み合わせを使用して実施した。ＸＲＤによって、試料５０６は、少なくとも９５体積％の量のＹＡＧを含むことが確認された。上記ＸＲＤ、ＳＥＭ、及び画像処理ソフトウェアの組み合わせにより、約±０．１体積％の範囲で相純度を測定することができる。アルキメデス密度測定、ＸＲＤ、ＳＥＭ画像化、及び画像解析ソフトウェアの開示する方法を使用したところ、試料５０６は、約０．３体積％のアルミナ相、約０．２％の体積多孔度、及び約９９．５体積％のＹＡＧ相を含んでいた。ＳＥＭ及びＩｍａｇｅＪ処理を使用して、０．１ｕｍの最小細孔径を測定することができる。本明細書に開示の焼結セラミック体について、開示するＳＥＭ画像化及びＩｍａｇｅＪ処理の方法を使用して、最大細孔径は１．７ｕｍと測定された。したがって、本明細書に開示の実施形態によれば、上記ＹＡＧを含む焼結セラミック体は、細孔を含んでいてもよく、上記細孔の最大径は、０．１～５ｕｍ、好ましくは０．１～４ｕｍ、好ましくは０．１～３ｕｍ、好ましくは０．１～２ｕｍ、好ましくは０．１～１．７ｕｍであってよい。
試料５０６に係る焼結セラミック体は、本明細書に開示のプロセスに従って製造された一体型焼結セラミック体を含んでいてもよく、したがって、該焼結セラミック体の表面上及び全体に分布したＹＡＧ相、酸化アルミニウム相、及び体積多孔性を含んでいてもよい。換すれば、表面上で測定された構造は、ＹＡＧを含み、実施形態において酸化アルミニウムをさらに含むバルクの焼結セラミック体の塊内の構造を代表する。したがって、それぞれ体積で、９０～９９．７％、好ましくは９０～９９．５％、好ましくは９０～９９．３％、好ましくは９５～９９．７％、好ましくは９５～９９．５％、好ましくは９５～９９．３の量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、本明細書に開示の材料及び方法を使用して形成することができる。さらなる実施形態において、特定した量のＹＡＧ相を含む焼結セラミック体は、０．１～０．３体積％の量の多孔性、及び０．２～０．４体積％の酸化アルミニウムをさらに含んでいてもよい。
図２５のｂ）は、本明細書に開示の実施例１１の試料５０６に係る焼結セラミック体の、ＹＡＧの理論密度に対する割合及び最大寸法にわたる密度の変動を示す。焼成粉末混合物２０２６１を、本明細書に開示の焼結装置のツールセットによって画成された容積内に配置し、上記容積内に１０－２～１０－３トールの真空条件をつくり出した。上記容積内の焼成粉末混合物を５℃／分で８００℃まで加熱し、その温度で５ＭＰａの圧力を印加し、次いで、約２～約３℃／分の加熱速度で熱を印加するのと同時に、圧力を約０．２～約０．２５ＭＰａ／分の速度で印加して、１６５０℃及び１５ＭＰａの焼結条件に到達させ、これを６０分間維持して、最大寸法、すなわち直径が６２２ｍｍの円盤形状の多結晶ＹＡＧ焼結セラミック体を形成した。密度測定は、試料の半径を横切って切断した試料について、ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施し、密度の結果を図２５のｂに示す。半径に沿った６ヶ所でそれぞれ５回の測定を行い、平均密度が４．５４６ｇ／ｃｃと測定され、これはＹＡＧの理論値の９９．７８３％、且つ０．２１７％の体積多孔度に相当する。半径全体にわたる密度はＹＡＧの理論値の９９．７～９９．９％であった。図２５のｂ）に示す密度の変動は、半径に沿った最高密度の測定値と比較して測定し、密度の最大の変動は０．２０８％と測定された。上記焼成粉末混合物の焼結中に、圧力及び温度を半径方向に対称な構成で印加する。したがって、高密度（ＹＡＧの理論値の９９％以上）及び最小の密度の変動（０．２１％以下）などの特性は、上記焼結セラミック体の半径全体にわたって、且つそれに対応して、直径または最大寸法全体にわたっても維持される。したがって、本明細書では、焼結セラミック体であって、該焼結セラミック体の直径全体にわたって、平均密度が４．５４６ｇ／ｃｃ、密度の範囲がＹＡＧの理論密度の９９．７～９９．９％、平均体積多孔度が０．２１７％、最大の密度変動が０．２０８％以下である、上記焼結セラミック体が開示される。
本明細書に開示の多くの実施形態を記載してきた。それにもかかわらず、本明細書に開示の実施形態の首位及び範囲から逸脱することなく、さまざまな改変を行うことができることが理解されよう。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内にある。
Claims (76)
- ＸＲＤ及び画像処理法を使用して測定して９０～９９．９体積％の多結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）と、
ＡＳＴＭ Ｂ９６２－１７に準拠して実施した密度測定から算出して０．１～４％の体積多孔度と
を含む焼結セラミック体。 - 前記体積多孔度が０．１～３％である、請求項１に記載の焼結セラミック体。
- 前記体積多孔度が０．１～２％である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記体積多孔度が０．１～１％である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記体積多孔度が０．１～０．７５％である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記体積多孔度が０．１～０．５％である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～５ｕｍである細孔を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～４ｕｍである細孔を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～３ｕｍである細孔を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～２ｕｍである細孔を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～１ｕｍである細孔を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＳＥＭ及び画像処理法を使用して測定したサイズが０．１～０．７ｕｍである細孔を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９０～９９．８体積％の量で存在する、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９０～９９．６体積％の量で存在する、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９０～９９．４体積％の量で存在する、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．９体積％の量で存在する、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．８体積％の量で存在する、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．６体積％の量で存在する、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記多結晶イットリウムアルミニウムガーネットが９３～９９．４体積％の量で存在する、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度が９９．９９５％以上である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 前記純度が９９．９９９％以上である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した不純物含有量が、全焼結体の質量に対して５０ｐｐｍ以下である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した総不純物含有量が、全焼結体の質量に対して２５ｐｐｍ以下である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した総不純物含有量が、全焼結体の質量に対して１０ｐｐｍ以下である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＩＣＰＭＳ法を使用して測定した総不純物含有量が、全焼結体の質量に対して５ｐｐｍ以下である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 焼結助剤を含まない、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ドーパントを含まない、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 本明細書に開示のＩＣＰＭＳ法を使用して測定して、前記焼結セラミック体の総質量に対して約１４ｐｐｍの量のシリカを含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ０．１～２体積％の量で存在する、酸化イットリウム及び酸化アルミニウム、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物をさらに含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ０．１～１体積％の量で存在する、酸化イットリウム及び酸化アルミニウム、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ０．１～２体積％の量で存在する、ＹＡＰ及びＹＡＭ、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相をさらに含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ０．１～１体積％の量で存在する、ＹＡＰ及びＹＡＭ、ならびにそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相をさらに含む、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠し、０．２ｋｇｆの印加荷重を使用して測定し、８点の測定値から算出される平均硬度が１３．０～１５．０ＧＰａである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ規格Ｃ１３２７に準拠し、０．２ｋｇｆの印加荷重を使用して測定し、８点の測定値から算出される平均硬度が１３．５～１４．５ＧＰａである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定した結晶粒径が０．４～８μｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定したｄ９０結晶粒径が１．５～３．５μｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定した平均結晶粒径が１～３μｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｅｌ１２－２０１０に準拠して測定した平均結晶粒径が１～２．５μｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｃ１１６１－１３に準拠して測定した４点曲げ強さが３３５～４４０ＭＰａである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｃｌ１６１－１３に準拠して測定し、２０点の測定値から算出される平均４点曲げ強さが３８７ＭＰａである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｄ１５０に準拠して測定した、１ＭＨｚの周波数、周囲温度における誘電損失が１×１０－４未満である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｄ１５０に準拠して測定した、１ＧＨｚの周波数、周囲温度における誘電損失が１×１０－４未満である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準拠して測定した、周囲温度における体積抵抗率が４Ｅ＋１２～１０Ｅ＋１３オーム・ｃｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準拠して測定した、３００℃における体積抵抗率が６Ｅ＋１１～１０Ｅ＋１２オーム・ｃｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｄ２５７に準拠して測定した、５００℃における体積抵抗率が約８Ｅ＋０９オーム・ｃｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｄ１４９－０９に準拠して測定した、周囲温度における絶縁耐力が１１～１４．５ＭＶ／ｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＡＳＴＭ Ｄ１４９－０９に準拠して測定した、周囲温度における絶縁耐力が１１．５～１４．２ＭＶ／ｍである、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- ＩＳＯ規格２５１７８－２－２０１２、４．３．２節に準拠して測定した表面の算術平均高さ（Ｓａ）が約１２ｎｍ以下である、先行請求項のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- １０ミリトールの圧力、６００ボルトのバイアス、２０００ワットのＩＣＰ電力を有するエッチング方法であって、９０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のＣＦ４流速、３０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の酸素流速、２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のアルゴン流速を有する第１のエッチングステップ、ならびに１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の酸素流速及び２０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のアルゴン流速を有する第２のエッチングステップをさらに含み、ステップ１及び２がそれぞれ３００秒間実施され、且つステップ１及び２が６時間の通算の期間繰り返される前記エッチング方法に曝露された場合に、表面の算術平均高さ（Ｓａ）が約２０ｎｍ以下である、請求項４８に記載の焼結セラミック体。
- 焼結セラミック体の製造方法であって、
ａ．酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む粉末を混合して粉末混合物を作製するステップと、
ｂ．焼成温度に到達するように熱を印加し、且つ前記焼成温度を維持することによって前記粉末混合物を焼成して焼成を行い、焼成粉末混合物を形成するステップと、
ｃ．前記焼成粉末混合物を、焼結装置のツールセットによって画成される容積内に配置し、且つ前記容積内に真空条件をつくり出すステップと、
ｄ．焼結温度に加熱しながら、前記焼成粉末混合物に圧力を印加し、且つ焼結を行って前記焼結セラミック体を形成するステップと、
ｅ．前記焼結セラミック体の温度を下げるステップと
を含む、前記方法。 - ｆ．任意選択で、前記焼結セラミック体の温度を上昇させて焼鈍温度に到達するように熱を印加することによって前記焼結セラミック体を焼鈍して、焼鈍焼結セラミック体を形成するステップと、
ｇ．前記焼鈍焼結セラミック体の温度を下げるステップと
をさらに含む、請求項５０に記載の方法。 - ｈ．前記焼結セラミック体を機械加工して、エッチングチャンバー内の、誘電体窓またはＲＦウィンドウ、フォーカスリング、ノズルまたはガスインジェクター、シャワーヘッド、ガス分配プレート、エッチングチャンバーライナー、プラズマ源アダプター、ガスインレットアダプター、ディフューザー、静電ウェハチャック、チャック、パック、ミキシングマニフォールド、イオンサプレッサーエレメント、フェイスプレート、アイソレーター、スペーサー、保護リング、及びデポジションリングなどの焼結セラミック部品を作製するステップをさらに含む、請求項５０または５１に記載の方法。
- 前記圧力が１０～６０ＭＰａである、請求項５０～５２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記圧力が１０～４０ＭＰａである、請求項５０～５３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記圧力が１０～２０ＭＰａである、請求項５０～５４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記圧力が１５～２０ＭＰａである、請求項５０～５５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼結温度が１４００～１６５０℃である、請求項５０～５６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物が、Ｘ線回折を使用して測定して、酸化イットリウム及び酸化アルミニウムを含む、請求項５０～５７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物が、Ｘ線回折を使用して測定して、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、イットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ）、単斜晶系イットリウムアルミニウム（ＹＡＭ）、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１種の結晶相を含む、請求項５０～５８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）相の含有量が、Ｘ線回折を使用して測定して、約１０％以下である、請求項５０～５９のいずれか１項に記載の方法。
- 前記粉末混合物が結晶性である、請求項５０～６０のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物のＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度が９９．９９５～９９．９９９９％である、請求項５０～６１のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物のＩＣＰＭＳ法を使用して測定した純度が９９．９９９～９９．９９９９％である、請求項５０～６２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物の不純物含有量が、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定したすべての構成成分の含有量から算出した酸化物の総質量に対して２～１００ｐｐｍである、請求項５０～６３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物の不純物含有量が、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定したすべての構成成分の含有量から算出した酸化物の総質量に対して２～７５ｐｐｍである、請求項５０～６４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記焼成粉末混合物の不純物含有量が、ＩＣＰＭＳ法を使用して測定したすべての構成成分の含有量から算出した酸化物の総質量に対して２～５０ｐｐｍである、請求項５０～６５のいずれか１項に記載の方法。
- ＢＥＴ表面積分析法を使用して測定した前記焼成粉末混合物の比表面積が２～１２ｍ２／ｇである、請求項５０～６６のいずれか１項に記載の方法。
- ＢＥＴ表面積分析法を使用して測定した前記焼成粉末混合物の比表面積が２～１０ｍ２／ｇである、請求項５０～６７のいずれか１項に記載の方法。
- 請求項５０～６８のいずれか１項に記載の方法によって製造された焼結セラミック体。
- 最大寸法が１００ｍｍ～６２２ｍｍである、請求項６９に記載の焼結セラミック体。
- 最大寸法が２００～６２２ｍｍである、請求項７０に記載の焼結セラミック体。
- 最大寸法が４００～６２２ｍｍである、請求項７１に記載の焼結セラミック体。
- 最大寸法が１００～５７５ｍｍである、請求項７２に記載の焼結セラミック体。
- 最大寸法が２００～５７５ｍｍである、請求項７３に記載の焼結セラミック体。
- 最大寸法にわたって測定した密度の変動が０．２％～５％未満である、請求項６９～７４のいずれか１項に記載の焼結セラミック体。
- 最大寸法にわたって測定した密度の変動が０．２～３％である、請求項７５に記載の焼結セラミック体。
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