JP4073558B2

JP4073558B2 - 窒化硼素焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP4073558B2
Application number: JP29186398A
Authority: JP
Inventors: 祥二郎渡辺; 譲治市原; 隆城所; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: JP2000119068A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウムの脱脂・焼成に用いられるセッター、容器等の器具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス製品の作製プロセスは、成形性を高めるために、通常は原料粉末にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の有機系バインダーを少量添加する。次いで、混合・造粒等の処理を行った後、加圧成形、ドクターブレード等の成形方法で成形体を作製し、有機系バインダーを除去するための脱脂工程を経て、高温焼成が行われる。脱脂・焼成工程で用いられるセッター、容器等の器具（以下、単に「器具」という。）が具備すべき特性としては、バインダー成分の除去のしやすさ、化学的安定性（被焼成物と反応しないこと）、耐熱衝撃性、軽量性等である。
【０００３】
従来、コンデンサー、圧電材料等に用いられるＰＺＴ、ＢａＴｉＯ₃等の酸化物セラミックスの器具としては、アルミナ、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＯ等の酸化物セラミックスが使用されており、種々の改良が加えられている。例えば、コーディエライト質多孔体を用いることによって、耐熱衝撃性と耐薬品性を改善したり（特開昭５７−７０２０３号公報）、アルミナ、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等からなる多孔質セラミックを用いることによって、脱脂工程で発生する分解ガスの透過性能を向上させたり（特開平５−１７２６１号公報）している。
【０００４】
また、焼成時に被焼成物との反応・融着を抑制し、耐久性向上を図るため、器具の被焼成物との接触面をパラジウム等の貴金属で被覆したり（特開平６−２１９８７０号公報）、耐熱性及び熱衝撃性を改善するために、多孔質セラミックス焼結体にＣｒ化合物を含浸させたり（特開昭６２−２９２６８１号公報）、被焼成物中のバインダー成分の脱離性を向上させるために銅単体を含浸させたり（特開平２−７１５８８号公報）している。
【０００５】
一方、窒化アルミニウム等の非酸化物セラミックスに適用される器具については、酸化物セラミックスの焼成とは異なり、２０００℃程度の高温で熱処理が行われるため、上記のような酸化物セラミックスの多孔質材料を用いることができず、被焼成物と同質材が用いられたり、窒化硼素粉末を敷いたり、また窒化硼素焼結体が用いられたり（特公平２−５１８６７号公報、特公平２−５１８６８号公報）している。
【０００６】
特に、窒化硼素は、他のセラミックスと比べて比重が小さいために軽量化を実現することができ、また耐熱衝撃性及び化学的安定性にも優れているため、２０００℃付近という高温での焼成が必要となる窒化アルミニウム焼成用の器具として賞用されている。
【０００７】
窒化アルミニウム焼結体は、半導体用冶具用途等として、近年、需要が増大しており、しかも大型化・厚肉化の傾向にある。大型化になればなる程、バインダー成分を均一に分解・脱離させることが困難となり、例えば、被焼成物が器具と接触している部分のバインダーを除去するには、相当な処理時間が必要となるか、被焼成物を再配置してから再熱処理をする必要がある。また、厚肉部材では、被焼成物中のバインダー成分が分解後に十分に脱離できずにカーボンとして残存したり、バインダーの分解成分が揮発する際、被焼成物が割れたりする問題があり、これを回避するにも相当な処理時間と手間が必要であった。
【０００８】
このような問題を解消するため、従来は、酸化物セラミックスの多孔質部材からなる器具を用いて、先ず低温の脱脂処理を行い、次いで窒化硼素焼結体の器具に載せ替えて高温の焼成処理をすることが行われている。しかしながら、脱脂後の窒化アルミニウム成形体は極めて脆いので、焼成容器に載せ替える際に破損しやすく、歩留まりが低下した。また、焼成用の器具として使用されている窒化硼素焼結体は気孔率が４０％未満であり、しかも貫通孔（すなわち器具の一方の面から他方の面に連通している気孔）の存在割合の程度を示す空気透過係数１．１×１０^-9ｍｏｌ・ｍ／ｍ²・ｓ・Ｐａよりも低いため、それを大型成形物の脱脂処理の器具として使用すると、バインダー成分の脱離が十分なされず、カーボン成分が残留してしまうという問題があった。そこで、脱脂処理が可能となるように、窒化硼素焼結体の気孔率を高め、しかも空気透過係数を大きくしたものを使用すると、今度は器具の機械的強度が著しく低下し、使用時に欠けたり破損したりする問題があった。このように、従来は、窒化アルミニウム焼結体の大型形状品の作製において、脱脂から焼成までを一貫して行える器具はなく、その出現が待たれていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記に鑑みてなされたものであり、窒化アルミニウム成形体の脱脂を均一に行うことができ、しかも焼成工程までを一貫して行うことのできる器具を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、気孔率４０〜６０体積％、曲げ強さ２０ＭＰａ以上、空気透過係数１．１〜２．０×１０^-9ｍｏｌ・ｍ／ｍ²・ｓ・Ｐａである多孔質構造の窒化硼素焼結体からなることを特徴とする窒化アルミニウム成形体の脱脂・焼成用器具である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳しく説明する。
【００１２】
本発明の器具は、多孔質構造の六方晶窒化硼素焼結体からなるものであり、その気孔率は４０〜６０体積％である。気孔率は、水銀ポロシメーター法によって測定することができる。また、貫通孔は、器具の一方の面より他方の面に気体を通過させる機能を有する気孔であり、その程度は空気透過係数を測定することによって行うことができる。本発明においては、ＪＩＳＫ７１２６に記載されたＡ法（差圧法）に準じ、室温下において器具の片面を大気圧に置き、他面を減圧下に晒してその圧力差を１．０１×１０⁵Ｐａに設定したときに、測定された空気透過係数が１．１〜２．０×１０^-9ｍｏｌ・ｍ／ｍ²・ｓ・Ｐａの範囲である多孔質構造体が使用される。
【００１３】
本発明のように、所定の貫通孔で構成されてなる多孔質構造の六方晶窒化硼素焼結体を、窒化アルミニウム成形体の脱脂・焼成用の器具とすることによって、被焼成物である窒化アルミニウム成形体が大型・厚肉のものであっても、被焼成物の割れを防止して、均一なバインダーの分解・脱離処理を行うことができ、カーボンの残留も起こらない。貫通孔の平均気孔径としては、１μｍ以下であることが望ましい。
【００１４】
本発明において、気孔率が４０体積％未満では、窒化アルミニウム成形体中の脱脂が十分できなくなり、また６０体積％をこえると、器具の強度が低下してしまい、大型成形品の保持・運搬を行う際に破損する恐れがある。同様に、空気透過係数が上記範囲以外であると、上記と同様な不都合が生じる。
【００１５】
更に、本発明の器具は、室温における３点曲げ強さが２０ＭＰａ以上でなければならない。この値よりも曲げ強さが小さいと、上記と同様に大型成形品の保持・運搬を行う際に破損してしまう恐れがあり、取扱いに不便を来す。本発明のように、その曲げ強さを２０ＭＰａ以上とすることによって、脱脂処理後の窒化アルミニウム成形体を器具に載せた状態で運搬が可能となり、しかもそのまま焼成処理に移ることができる。
【００１６】
本発明の器具のように、従来の窒化硼素焼結体に比べて、高気孔率で、空気透過係数が高く、高強度を保持したものとするには、適正化された六方晶窒化硼素粉末原料を用い、常圧焼結法によって焼成することによって行うことができる。
【００１７】
すなわち、本発明に用いる六方晶窒化硼素粉末は、平均粒径１０μｍ以下、酸素含有量が１．５〜３重量％で、しかも酸化硼素含有量が０．３重量％以下のものである。酸化硼素成分は、窒化硼素粉末をメタノール中に分散させ、その溶出量から測定することができる。六方晶窒化硼素粉末原料の成形は、金型プレス、冷間静水圧プレス、押し出し成形などのいずれでもよく、焼結体中の気孔率が４０〜６０体積％となるように成形圧力が調整される。また、焼成は、Ｎ₂、Ａｒなどの不活性雰囲気下、温度１８００〜２３００℃、特に１９００〜２２００℃の常圧下で行われる。これを、加圧焼結をしたり、焼成温度を上記範囲を逸脱させたりすると、目的とする気孔率、空気透過係数、室温曲げ強さを有する窒化硼素焼結体を製造することができなくなる。
【００１８】
すなわち、上記適正化された六方晶窒化硼素粉末を用い、成形後、特定温度で常圧焼結することによって、気孔率４０〜６０体積％、空気透過係数１．１〜２．０×１０^-9ｍｏｌ・ｍ／ｍ²・ｓ・Ｐａ、室温３点曲げ強さ２０ＭＰａ以上の窒化硼素焼結体の製造が可能となる。なお、窒化硼素焼結体の純度としては、９９重量％以上であることが好ましく、低純度の器具では窒化アルミニウム焼結体に不純物が混入する恐れが高まる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２０】
実施例１〜４比較例１〜２
平均粒子径、酸素含有量及び酸化硼素含有量が表１である六方晶窒化硼素粉末を用い、４ＭＰａで金型成形後、実施例１〜４及び比較例１では１００ＭＰａのＣＩＰ処理を、また比較例２では５０ＭＰａのＣＩＰ処理をそれぞれを行った。次いで、これらのＣＩＰ成形体を窒素雰囲気中、温度２０００℃で６０分間焼成処理を行い、貫通孔を有する多孔質構造の窒化硼素焼結体（長さ３００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚み５ｍｍ）を作製した。
【００２１】
比較例３〜４
平均粒子径、酸素含有量及び酸化硼素含有量が表１である六方晶窒化硼素粉末を用い、ホットプレス法にて圧力１５ＭＰａ、温度２０００℃で６０分間焼成処理を行い、多孔質構造の窒化硼素焼結体（長さ３００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚み５ｍｍ）を作製した。
【００２２】
上記で得られた窒化硼素焼結体から３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍ形状の試験片を切り出し、水銀ポロシメーター（島津製作所社製）により気孔率を測定した。また、３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ形状の試験片を切り出し、室温における３点曲げ強さを測定した。更に、直径５５ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片を切り出し、ＪＩＳＫ７１２６に記載されたＡ法（差圧法）に準じ、室温において、片面を大気圧、他面を減圧下に晒し、その圧力差を１．０１×１０⁵Ｐａにして空気透過係数を測定した。
【００２３】
次に、窒化アルミニウム粉末に少量のイットリア粉末を混合し、更にバインダーとしてポリビニルブチラールを添加し、金型プレス法にて大きさ２５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１０ｍｍの成形体を成形した。この成形体を、実施例１〜４及び比較例１〜４で得られた窒化硼素焼結体からなるセッターに載せ、温度５５０℃で１０時間、空気雰囲気中で脱脂処理を行い、脱脂体の割れ・クラックの有無を目視観察すると共に、得られた脱脂体の一部を切り出し、残存カーボンの有無をＬＥＣＯ社製「ＣＳ−３４４」を用い、高周波加熱燃焼赤外吸収分析法により測定した。
【００２４】
次いで、脱脂体をセッターに載せたまま、六方晶窒化硼素製の容器に収納し、温度１９００℃で３時間焼成を行い、窒化アルミニウム焼結体を製造した。得られた焼結体を中央部より切断し、切断面の色調の均一性を目視観察した。これらの結果を表２に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【発明の効果】
本発明の窒化アルミニウム成形体の脱脂・焼成用器具によれば、大型・厚肉形状の窒化アルミニウム成形体の脱脂処理を均一かつ迅速に行うことができ、しかも脱脂体を載せたまま焼成処理を行うことができるので、大型・厚肉形状の均質な窒化アルミニウム焼結体を容易に製造することができる。

Claims

窒化アルミニウムの脱脂・焼成に用いられる器具の製造において、原料として平均粒子径１０μｍ以下、酸素含有量１．５〜３重量％、並びに、酸化硼素含有量が０．３重量％以下である六方晶窒化硼素粉末を用い、六方晶窒化硼素粉末を成形後、成形体を不活性雰囲気下、１８００〜２３００℃の常圧下で焼成処理を行うことを特徴とする、貫通孔を有する多孔質構造で、気孔率が４０〜６０体積％、空気透過係数が１．１〜２．０×１０^-9ｍｏｌ・ｍ／ｍ²・ｓ・Ｐａ、並びに曲げ強さが２０ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下であることを特徴とする窒化硼素焼結体の製造方法。