JP3241350B2 - 導電性セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

導電性セラミックスおよびその製造方法

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JP3241350B2 JP27461899A JP27461899A JP3241350B2 JP 3241350 B2 JP3241350 B2 JP 3241350B2 JP 27461899 A JP27461899 A JP 27461899A JP 27461899 A JP27461899 A JP 27461899A JP 3241350 B2 JP3241350 B2 JP 3241350B2
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一右 南澤
裕之 松尾
沙里 遠藤
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電極、ヒーターを
はじめ、半導体関連部品、例えばイオナイザー、ウエハ
搬送ハンド、チャンバードーム、クランプリング、その
他の半導体製造装置用部品等に好適な導電性セラミック
スおよびその製造方法に関し、特に、過酷な環境下、例
えばプラズマ環境下、加熱酸化雰囲気下で使用される、
例えばプラズマエッチング装置用部品等に好適な導電性
セラミックスおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の導電性セラミックスとしては、単
体で導電性を示すセラミックス、例えばSiC、Ti
N、TiC、WC、WO、TiO2−x(0<x<
2)等がある。また、導電率を変化させるために、絶縁
体セラミックスと導電性セラミックスとを混合し、その
混合割合を変化可能な複合セラミックス、例えばAl
−SiC、Al−TiO2−x(0<x<
2)、AlN−TiN(TiC)、Si−TiC
(TiN)等がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、導電性セラ
ミックス材料を上述のような用途に適用しようとする場
合には、その目的に応じて抵抗率を変化させ得ることが
好ましいが、上記材料のうち単体で導電性を示すものは
抵抗率を変化させることが困難である。
【0004】一方、絶縁体セラミックスと導電性セラミ
ックスとを混合した複合セラミックスの場合には、導電
性セラミックスの割合を変化させることにより抵抗率を
変化させることができるものの、抵抗率が急激に変化す
るため、抵抗率がばらつきやすく、抵抗率を所望の値に
制御することは困難である。特に、上述したような過酷
な環境下で長時間使用した場合には、このような問題に
加えて電気伝導率が徐々に変化するという問題が生じ
る。
【0005】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、抵抗率を広範囲に亘って変化させることがで
き、かつ抵抗率のばらつきが小さい導電性セラミックス
およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】また、プラズマ環境下、加熱酸化雰囲気下
等の過酷な雰囲気下においても電気伝導率の変化が小さ
く、安定して使用可能な導電性セラミックスおよびその
製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、周期律表3A族に
属する元素のうち少なくとも1種を含む化合物とTiO
2−x(0<x<2)とを含有し、少なくとも一部をこ
れらの複合酸化物とすることにより、抵抗率を広範囲に
亘って変化させることができ、かつ抵抗率のばらつきが
小さい導電性セラミックス材料が得られまた、TiO
2−x(0<x<2)の量を適切に制御することによ
り、過酷な雰囲気下においても電気伝導率の変化量が小
さく、酸素を含むプラズマガス中および加熱された大気
雰囲気中または酸素富化雰囲気中で安定して使用可能な
導電性セラミックスが得られることを見出した。
【0008】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、周期律表3A族に属する元素のうち少な
くとも1種を含む化合物とTiO2−x(0<x<2)
とをTiO2−x(0<x<2)の量が全体の1〜15
wt%となるような範囲で含み、これら化合物およびT
iO2−xの少なくとも一部が複合酸化物を形成し、か
つ電気伝導率が10−5〜10−14S/cmであり、
酸素を含むプラズマガス中で用いられることを特徴とす
る導電性セラミックス、および周期律表3A族に属する
元素のうち少なくとも1種を含む化合物とTiO 2−x
(0<x<2)とをTiO 2−x (0<x<2)の量が
全体の1〜15wt%となるような範囲で含み、これら
化合物およびTiO 2−x の少なくとも一部が複合酸化
物を形成し、かつ電気伝導率が10 −5 〜10 −14
/cmであり、加熱された大気雰囲気中または酸素富化
雰囲気中で用いられることを特徴とする導電性セラミッ
クスを提供するものである。
【0009】また、本発明は、周期律表3A族に属する
元素のうち少なくとも1種を含む化合物粉末に、TiO
粉末または周期律表3A族に属する元素のうち少なく
とも1種を含む化合物とTiOとからなる複合酸化物
粉末を、TiO量が粉末全体の1〜15wt%となる
ような量で混合し、成形し、焼成し、得られた焼結体の
表面にカーボンを主成分とする物質を接触させ、焼結体
を不活性ガスまたは還元雰囲気中で1300〜1900
℃の温度で焼成するか、または同様の雰囲気および温度
にて1000kgf/cm以上の圧力で熱間静水圧プ
レス処理を施すことを特徴とする導電性セラミックスの
製造方法を提供するものである。
【0010】ここで、上記導電性セラミックスのTiO
2−x(0<x<2)の量が全体の1〜6wt%であ
り、電気伝導率が10−8〜10−14S/cmである
ことが好ましい。
【0011】周期律表3A族に属する元素は、Y、L
a、Ybのうち少なくとも1種が好ましく、その中でも
特にYが好ましい。このような元素としてYを用いた場
合には、周期律表3A族に属する元素のうち少なくとも
1種を含む化合物がYであり、複合酸化物がY
TiO5−x(0<x<5)、YTi7−x(0
<x<7)、またはこれらの混合物であることが好まし
い。また、本発明の導電性セラミックス材料の相対密度
は98%以上であることが好ましい。
【0012】本発明に係る導電性セラミックスの一態様
においては、酸素を含むプラズマガス中で用いられ
、プラズマ中の酸素濃度が10vol%以上、さらに
は40vol%以上の場合に特に優れた効果を発揮す
る。
【0013】本発明に係る導電性セラミックスの他の態
様においては、加熱された大気雰囲気中または酸素富化
雰囲気中で用いられる、特に、加熱された大気雰囲気
中または酸素富化雰囲気中の温度が400℃以上、さら
には600℃以上の場合に特に優れた効果を発揮する。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。本発明の導電性セラミックス材料は、周期律表
3A族に属する元素のうち少なくとも1種を含む化合物
とTiO2−x(0<x<2)とをTiO2−x(0<
x<2)の量が全体の1〜15wt%となるような範囲
で含み、これら化合物およびTiO2−xの少なくとも
一部が複合酸化物を形成し、かつ電気伝導率が10−5
〜10−14S/cmであり、酸素を含むプラズマガス
中で用いられるかまたは加熱された大気雰囲気中もしく
は酸素富化雰囲気中で用いられる。
【0015】ここで、周期律表3A族に属する元素のう
ち少なくとも1種を含む化合物としては、Y、L
、Yb、Sc、Nd、Er
、Sm・Eu等を挙げることができ
る。
【0016】周期律表3A族に属する元素のうち、Y、
La、Ybは、その化合物例えばY 、La
、YbがTiとの間で、例えばYTiO
5−x(0<x<5)、YTi7−x(0<x<
7)、LaTiO5−x、(0<x<5)、La
7−x(0<x<7)、LaTi24−x
(0<x<24)、YbTiO5−x(0<x<
5)、YbTi7−x(0<x<7)等の複合酸
化物を形成し、それによって安定した導電率を示すため
好ましい。中でもYの化合物は合成が容易であるためよ
り好ましい。具体的には、Yの化合物であるY
TiO2−x(0<x<2)とによりYTiO −x
(0<x<5)またはYTi7−x(0<x<
7)を容易に合成することができる。
【0017】本発明においては、周期律表3A族に属す
る元素のうち少なくとも1種を含む化合物とTiO
2−x(0<x<2)とが複合酸化物を形成しているこ
とが必要であるが、全てが複合酸化物になっている必要
はなく、少なくとも一部が複合酸化物を形成していれば
よい。ただし、TiO2−x(0<x<2)が単独で存
在している割合が少ないほうが好ましい。
【0018】TiO2−x(0<x<2)の含有量は、
セラミックス全体の1〜15wt%とする。TiO
2−x(0<x<2)の含有量の好ましい範囲は1〜6
%である。TiO2−x(0<x<2)の量をこのよう
範囲とすることにより、後述するような酸素を含むプ
ラズマガス雰囲気中や、加熱された大気雰囲気中または
酸素富化雰囲気中での電気伝導率の変化を小さくするこ
とができる。
【0019】本発明の導電性セラミックス材料は、周期
律表3A族に属する元素の化合物の種類および割合を適
宜設定することにより、TiO 2−x (0<x<2)の
含有量が1〜15wt%でその電気伝導率を10 −5
10−14S/cmの間で変化させることが可能であ
る。また、TiO2−x(0<x<2)の含有量を好ま
しい範囲である1〜6wt%とした場合には、10−8
〜10−14S/cmの間で変化させることが可能であ
る。
【0020】本発明の導電性セラミックス材料は、その
相対密度が高いほど好ましく、98%以上が好ましい。
相対密度が98%未満であるとポア(気孔)が多くなり
電気伝導率がばらつくため好ましくない。
【0021】本発明の導電性セラミックス、酸素を含
むプラズマガス中、あるいは加熱された大気雰囲気中ま
たは酸素富化雰囲気中で用いることにより、優れた効果
を得ることができる理由は、酸素欠損により導電性を持
たせた一般の導電性セラミックでは、酸素を含むプラ
ズマガス中、あるいは加熱された大気雰囲気中や酸素富
化雰囲気中で長時間晒されると、雰囲気中に含有される
酸素によって酸化され、電気伝導率が低下してしまうこ
ととなるが、本発明の導電性セラミックスでは電気伝導
率の低下を小さくすることができるため、酸素を含むプ
ラズマガス中、あるいは加熱された大気雰囲気中や酸素
富化雰囲気中で用いるのに極めて好ましいものとなるか
らである。本発明において、TiO2−x(0<x<
2)の含有量が少ないほど、TiO2−x単独での存在
が少なく酸化が抑制されるため、電気伝導率低下の抑制
効果が高い。このような観点から、上述のように、Ti
2−x(0<x<2)の含有量の好ましい範囲を1〜
15wt%とし、さらに好ましい範囲を1〜6%とし
た。
【0022】酸素プラズマ中の酸素含有量は、10vo
l%以上の場合が好ましく、40vol%以上の場合が
さらに好ましい。酸素欠損により導電性を持たせた通常
の導電性セラミックスはプラズマ中の酸素量が10vo
l%以上になると電気伝導率の低下が生じ、40vol
%以上になると電気伝導率がさらに大きく低下するが、
本発明の導電性セラミックスはこれらの場合にも電気伝
導率の低下を低く抑えることができる。
【0023】加熱された大気雰囲気あるいは酸素富化雰
囲気の温度は、400℃以上が好ましく、600℃以上
がさらに好ましい。酸素欠損により導電性を持たせた通
常の導電性セラミックスはこれらの雰囲気で400℃以
上となると電気伝導率の低下が生じ、600℃以上にな
ると電気伝導率がさらに大きく低下するが、本発明の導
電性セラミックスはこれらの場合にも電気伝導率の低下
を低く抑えることができる。
【0024】次に、本発明に係る導電性セラミックス材
料の製造方法について説明する。本発明の導電性セラミ
ックスは、周期律表3A族に属する元素のうち少なくと
も1種を含む化合物粉末に、TiO粉末または周期律
表3A族に属する元素のうち少なくとも1種を含む化合
物とTiOとからなる複合酸化物粉末を、TiO
が粉末全体の1〜15wt%となるような量で混合し、
成形し、焼成し、得られた焼結体の表面にカーボンを主
成分とする物質を接触させ、焼結体を不活性ガスまたは
還元雰囲気中で1300〜1900℃の温度で焼成する
か、または同様の雰囲気および温度にて1000kgf
/cm以上の圧力で熱間静水圧プレス処理を施すこと
により好適に製造することができる。
【0025】以下、より詳細に説明する。本発明の導電
性セラミックスの原料粉末は98%以上の純度のものが
好ましく、99%以上が一層好ましい。純度が98%未
満であると抵抗率がばらつくため好ましくない。また
原料粉末の粒径は5μm以下が好ましく、3μm以下が
一層好ましい。粒径が5μmより大きいと焼結の駆動力
が低下し、緻密な焼結体を得ることが難しい。
【0026】出発原料の調合は、常法に従って行うこと
ができる。例えば、所定の配合の原料粉末にアルコール
等の有機溶媒または水を加え、ボールミル等で混合後、
乾燥する方法、所定の配合の塩類、アルコキシド等の溶
液から共沈物を分離する方法等がある。
【0027】これら原料の混合物には、より緻密化を容
易にするため、SiO、MgOなどの焼結助剤を添加
してもよい。焼結助剤の添加形態に関しては、酸化物粉
末、塩類、アルコキシド等、どのような形態であっても
よく、特に限定されない。
【0028】このようにして得られた混合粉末を一軸プ
レスまたは冷間静水圧プレス(CIP)によって所定形
状に成形する。次いで大気圧雰囲気下で1000〜19
00℃で焼成する。その後、得られたセラミックス焼結
体表面にカーボンを主成分とする物質を接触させ、不活
性ガスまたは還元雰囲気下にて1300〜1900℃で
還元処理を行う。または不活性ガスまたは還元雰囲気下
にて1300〜1900℃、圧力1000kgf/cm
以上で熱間静水圧プレス(HIP)処理を行う。
【0029】このようにカーボンを主成分とする物質を
接触させることにより、試料内および試料間での電気伝
導率のバラツキを抑制するという効果を得ることができ
る。このカーボンを主成分とする物質としては、カーボ
ンブラック、黒鉛を挙げることができ、その形態として
は、粉末、ペースト状あるいはシート状等を例示するこ
とができる。
【0030】還元処理またはHIP処理時間は特に限定
しないが、2〜4時間程度でよい。焼成温度が1000
℃未満であると、緻密化が不十分となり、電気伝導率が
ばらつくため好ましくなく、一方、1900℃を超える
と分解するおそれがありやはり好ましくない。還元温度
が1300℃未満では、還元力が低下し、十分還元が進
まず好ましくなく、一方、1900℃を超えると分解す
るおそれがありやはり好ましくない。HIP処理温度が
1300℃未満、圧力が1000kgf/cm 未満で
はHIP処理の効果が小さく好ましくなく、HIP処理
温度が1900℃を超えると分解するおそれがありやは
り好ましくない。
【0031】なお、本発明の導電性セラミックスは、上
記方法によらなくても製造することが可能であるが、上
記方法を採用することにより、所望の電気伝導率を有す
る導電性セラミックスを安定して製造することができ
る。
【0032】
【実施例】(実施例1〜) 表1に示すように、純度98%以上、平均粒径3μmの
周期律表3A族に属する元素の化合物と、純度98%以
上、平均粒径2μmのTiO粉末またはYTi
、YTi粉末を合計で200g秤量し、ポ
リエチレンポット中にそれぞれの粉末と、イオン交換水
200gと、φ10mmの鉄芯入りナイロンボール25
0gを入れ、必要に応じて焼結助剤としてSiOまた
はMgOを1wt%添加し、16時間混合した。得られ
たスラリーをロータリーエバポレーターで減圧乾燥した
後、得られた粉末を#100のナイロンメッシュでメッ
シュパスした。この粉末をφ50mmの金型を用いて圧
力10kgf/cmで厚さ6mmに一次成形した後、
圧力1200kgf/cmで冷間静水圧プレス成形し
て成形体を得た。得られた成形体を表1に示す温度で3
時間焼成した。得られた焼結体の表面にカーボンペース
トを塗布した後、常圧の還元雰囲気下で所定温度2時間
の処理、またはAr雰囲気下で所定温度、所定圧力2時
間のHIP処理を行った。これらの処理を施した焼結体
について、相対密度を測定した。
【0033】また、これら焼結体の表面を研削した後、
電気伝導率の測定を行い、さらに(1)平行平板型プラ
ズマエッチング装置を用い、高周波電力1000Wを供
給して、酸素(O)を含むプラズマ(酸素濃度50v
ol%)を形成し、その中で100時間保持後、電気伝
導率を測定し、(2)高温大気炉を用い、大気雰囲気下
で600℃、100時間保持後、電気伝導率を測定し
た。その結果を表1に示す。
【0034】
【表1】
【0035】表1に示す通り、本発明の範囲内である実
施例では、上記処理前後の電気伝導率のバラツキが小さ
く、上記のような過酷な環境下でも電気伝導率の変化が
極めて小さいことが確認された。
【0036】(比較例1〜6)本発明の範囲外の場合に
ついて、上記実施例と同様の手順により試料を作製し、
相対密度測定、プラズマ処理前後および大気雰囲気加熱
処理前後の電気伝導率測定を行った。その結果を表2に
示す。
【0037】
【表2】
【0038】表2に示す通り、本発明の範囲から外れる
場合には、プラズマ処理の後および大気圧雰囲気加熱の
後に電気伝導率が大きく変化することが確認された。ま
た、従来の材料系である比較例4〜6においては、処理
前の試料間での電気伝導率のバラツキも大きかった。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電気伝導率を広範囲に亘って変化させることができ、か
つ電気伝導率のばらつきが小さい導電性セラミックスを
得ることができる。また、プラズマ環境下、加熱酸化雰
囲気下等の過酷な雰囲気下においても電気伝導率の変化
が小さく、長期間に亘って安定して使用可能な導電性セ
ラミックスを得ることができる。したがって、本発明の
導電性セラミックス材料は、電極、ヒーターをはじめ、
半導体関連部品、例えばイオナイザー、ウエハ搬送ハン
ド、チャンバードーム、クランプリング、その他の半導
体製造装置用部品等に好適に用いることができ、プラズ
マエッチング装置のような過酷な環境下で処理を行う装
置の部品に特に適している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 弘徳 東京都江東区清澄一丁目2番23号 太平 洋セメント株式会社 清澄研究所内 (72)発明者 白川 洋一 東京都江東区清澄一丁目2番23号 太平 洋セメント株式会社 清澄研究所内 (72)発明者 南澤 一右 宮城県仙台市泉区明通三丁目5番 株式 会社日本セラテック 本社工場内 (72)発明者 松尾 裕之 宮城県仙台市泉区明通三丁目5番 株式 会社日本セラテック 本社工場内 (72)発明者 遠藤 沙里 宮城県仙台市泉区明通三丁目5番 株式 会社日本セラテック 本社工場内 (72)発明者 岸 幸男 宮城県仙台市泉区明通三丁目5番 株式 会社日本セラテック 本社工場内 (72)発明者 齋藤 和則 宮城県仙台市泉区明通三丁目5番 株式 会社日本セラテック 本社工場内 (72)発明者 鈴木 弘志 宮城県仙台市泉区明通三丁目5番 株式 会社日本セラテック 本社工場内 (56)参考文献 特開 平10−125340(JP,A) 特開 平7−196369(JP,A) Ю.З.Богатов,et a l.「ЗЛЕКТРОФИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ХАРАК ТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ СИСТЕ Ln2O3−Ti2O3 (Ln=La,Nd,Gd,Er,L u,Y)」,ЖУРНЛ НЕОРГА НИЧЕСКОЙ ХИМИИ (1994),第39巻,第3号,第491−494 頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/42 - 35/50 C04B 35/00 - 35/22 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周期律表3A族に属する元素のうち少な
    くとも1種を含む化合物とTiO2−x(0<x<2)
    とをTiO2−x(0<x<2)の量が全体の1〜15
    wt%となるような範囲で含み、これら化合物およびT
    iO2−xの少なくとも一部が複合酸化物を形成し、か
    つ電気伝導率が10−5〜10−14S/cmであり、
    酸素を含むプラズマガス中で用いられることを特徴とす
    る導電性セラミックス。
  2. 【請求項2】 前記プラズマガス中の酸素濃度が10v
    ol%以上であることを特徴とする請求項に記載の導
    電性セラミックス。
  3. 【請求項3】 前記プラズマガス中の酸素濃度が40v
    ol%以上であることを特徴とする請求項に記載の導
    電性セラミックス。
  4. 【請求項4】 周期律表3A族に属する元素のうち少な
    くとも1種を含む化合物とTiO 2−x (0<x<2)
    とをTiO 2−x (0<x<2)の量が全体の1〜15
    wt%となるような範囲で含み、これら化合物およびT
    iO 2−x の少なくとも一部が複合酸化物を形成し、か
    つ電気伝導率が10 −5 〜10 −14 S/cmであり、
    加熱された大気雰囲気中または酸素富化雰囲気中で用い
    られることを特徴とする導電性セラミックス。
  5. 【請求項5】 前記加熱された大気雰囲気中または酸素
    富化雰囲気中の温度が400℃以上であることを特徴と
    する請求項に記載の導電性セラミックス。
  6. 【請求項6】 前記加熱された大気雰囲気中または酸素
    富化雰囲気中の温度が600℃以上であることを特徴と
    する請求項に記載の導電性セラミックス。
  7. 【請求項7】 前記TiO2−x(0<x<2)の量が
    全体の1〜6wt%であり、電気伝導率が10−8〜1
    −14S/cmであることを特徴とする請求項1から
    請求項6のいずれか1項に記載の導電性セラミックス。
  8. 【請求項8】 前記周期律表3A族に属する元素がY、
    La、Ybのうち少なくとも1種であることを特徴とす
    る請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の導電性
    セラミックス材料。
  9. 【請求項9】 前記周期律表3A族に属する元素がYで
    あることを特徴とする請求項に記載の導電性セラミッ
    クス。
  10. 【請求項10】 前記周期律表3A族に属する元素のう
    ち少なくとも1種を含む化合物がYであり、前記
    複合酸化物がYTiO5−x(0<x<5)、Y
    7−x(0<x<7)、またはこれらの混合物で
    あることを特徴とする請求項に記載の導電性セラミッ
    クス。
  11. 【請求項11】 相対密度が98%以上であることを特
    徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記
    載の導電性セラミックス。
  12. 【請求項12】 周期律表3A族に属する元素のうち少
    なくとも1種を含む化合物粉末に、TiO粉末または
    周期律表3A族に属する元素のうち少なくとも1種を含
    む化合物とTiOとからなる複合酸化物粉末を、Ti
    量が粉末全体の1〜15wt%となるような量で混
    合し、成形し、焼成し、得られた焼結体の表面にカーボ
    ンを主成分とする物質を接触させ、焼結体を不活性ガス
    または還元雰囲気中で1300〜1900℃の温度で焼
    成するか、または同様の雰囲気および温度にて1000
    kgf/cm以上の圧力で熱間静水圧プレス処理を施
    すことを特徴とする導電性セラミックスの製造方法。
  13. 【請求項13】 前記周期律表3A族に属する元素が
    Y、La、Ybのうち少なくとも1種であることを特徴
    とする請求項12に記載の導電性セラミックスの製造方
    法。
  14. 【請求項14】 前記周期律表3A族に属する元素がY
    であることを特徴とする請求項13に記載の導電性セラ
    ミックスの製造方法。
  15. 【請求項15】 前記周期律表3A族に属する元素のう
    ち少なくとも1種を含む化合物粉末がYであり、
    前記複合酸化物粉末がYTiO5−x(0<x<
    5)、YTi7−x(0<x<7)、またはこれ
    らの混合物であることを特徴とする請求項14に記載の
    導電性セラミックスの製造方法。
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