JP4880898B2

JP4880898B2 - 暗色多孔質焼結体およびその製造方法

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Publication number: JP4880898B2
Application number: JP2004377014A
Authority: JP
Inventors: 利一安河内; 勇介原; 修中野
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006182595A

Description

本発明は、本体中を貫通する多数の気孔を有すＡｌ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）からなる暗色多孔質焼結体およびその製造方法、並びにその暗色多孔質焼結体を用いた真空チャック、成膜用治具およびフィルターに関する。

アルミナ基の多孔質焼結体は、現在までに多数提案がなされている。

特許文献１には、Ａｌ_２Ｏ_３およびＡｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ系の多孔質焼結体を、平均粒子径のピークを２つもつ粉末を用いて製作する方法が示されている。

特許文献２には、外観上の問題を解決するために、コーディライトにＦｅ_２Ｏ_３、Ｍｎ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２などを添加して、茶褐色や黒褐色の浄化用触媒担体が述べられている。

この方法は、焼結方法は明記されていないが、酸化物主体の組成であるので、大気雰囲気焼結と考えられる。焼結後の色も、茶褐色および黒褐色と酸化物の色が示されている。
特開２００４−３１５３５８号公報特開昭６１−１７８０３８号公報

アルミナ基の材料は、基本的に白色を基とする材料であるために、白色に近い色のウェハー、スラリー、粉末、塵などを肉眼及びセンサーにて見分けるのが難しい。また、白色は光の大部分を吸収することなく反射するために、領域の検出などが難しい。目視での検出も難しいが、特にＣＣＤカメラを用いた光学センサーで物体の境界を検知する際に、ハレーションを起こすために適していない。

特許文献２に示される技術は、褐色のコーディライト焼結体を作ることはできるが、耐食性や耐薬品性、耐摩耗性に劣るＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏの酸化物を添加するため、半導体製造用途や酸性やアルカリ性の薬液を濾過するフィルター、および成膜用治具に使用は望ましくない。

そこで、本発明は、Ａｌ_２Ｏ_３基の多孔質焼結体において、暗色のものを得ること、およびそのための製造方法を課題とする。

また、前記多孔質焼結体を用いて、真空チャック、成膜用治具、フィルターなどを得ることを目的とする。

本発明は、ＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）を２．５〜１０質量％含有し、残部がＡｌ_２Ｏ_３からなる連続した開気孔を有する暗色多孔質焼結体である。または、そのＡｌ_２Ｏ_３の一部をＭｇＯに置換した暗色多孔質焼結体である。

Ａｌ_２Ｏ_３基多孔質体は、本発明の組成とすることにより暗色の焼結体を得ることができる。添加するＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）は、黒色を呈し、多孔質焼結体全体を暗色とすることができる。添加量は２．５質量％以上とすることにより、焼結体は充分な暗色となる。２．５質量％未満であれば、焼結体の色が均一にならずに適さない。また、上限は１０質量％である。ＴｉＯ_２はＡｌ_２Ｏ_３の焼結を促進する焼結助剤として働く。そのために、ＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）量が１０質量％を超えると緻密化が急激に進み、多孔質体中に連続した開気孔を得ることができなくなる。

ＭｇＯについては、０．１〜１質量％をＡｌ_２Ｏ_３と置換することにより、焼結体の強度を上げる役割がある。また、ＭｇＯを加えることにより、Ａｌ_２Ｏ_３はネッキングが起こりやすくなるために、焼結温度を下げ、製造費用の低減にも効果がある。その量は、０．１質量％未満では効果があらわれずに、１質量％を超える量添加すれば、緻密化が急激に進みやすくなるために、所望の連続した開気孔を得ることは難しくなる。ＭｇＯの代わりにＭｇ（ＯＨ）_２の添加も可能であり、焼結後にはＭｇＯとなり、微細分散が可能となる。

また、ＣＣＤカメラなどによるハレーションについては、暗色は光の大部分は吸収するために、反射する光が少なく、白色に比べてハレーションを起こしにくい。ハレーションは、黒色で最も起こりにくく、逆に白色で最も起こりやすい。暗色でもＪＩＳＺ８７２１（１９９３年度版）に示される基準で明度Ｖが６．０以下であれば充分にハレーションを防止することができる。これよりも高い明度Ｖであれば、光学センサーがハレーションを起こし易くなるために望ましくない。また、色調は単に灰色だけでなく、青みがかった色や緑がかった色でも同様の効果を得られる。さらに適している範囲は彩度Ｃが６以下、明度Ｖが５以下である。

本発明の暗色多孔質焼結体は、明度Ｖ６．０〜１．５、彩度Ｃ６．０〜２．０、色相５Ｐ〜（５Ｂ）〜１０Ｇの範囲に収まる。

本発明は、気孔率は特に限定するものではないが、適した範囲は５〜３５％である。５％未満であれば多孔体中に連続した開気孔を作るのは難しくなる。一方、３５％を超えた焼結体は強度や硬さが極端に下がるために適していない。

ＴｉＯ_Ｘのについては、１．５≦ｘ＜２．０とする必要がある。ｘがこの範囲の場合は、黒色を呈するため、多孔質焼結体を暗色とすることができる。ｘが１．５未満の場合は、焼結体を黒色にすることはできるが、ＴｉＯ_Ｘの大部分が脆弱なＴｉ_２Ｏ_３となり、焼結体の強度が保てない。ｘ＝２の場合は白色のＴｉＯ_２となるために、焼結体を暗色にすることはできない。

Ａｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）の焼結体を得るには、予めＴｉＯ_２を一部還元したＴｉＯ_Ｘの粉末を使う方法と、Ａｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２の粉末を混合、成形の後に還元雰囲気中にて焼結し、ＴｉＯ_２をＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）へと還元する方法のいずれかにて行うことができる。

連続した開気孔を有する多孔質焼結体を得るためには、Ａｌ_２Ｏ_３の平均粒子径を１〜５μｍとするのが最も適している。１μｍより小さい平均粒子径の粉末を用いると、緻密化が起こりやすくなり連続した開気孔を得ることが難しくなる。また、５μｍよりも大きければ緻密化が進みにくく、焼結体の強度を充分高く保てなくなる。また、結晶の大きさが大きくなるために、白色のＡｌ_２Ｏ_３と黒色のＴｉＯ_Ｘの色むらが目立ちやすくなる。

より好ましいＡｌ_２Ｏ_３の粉末としては、０．１〜０．５μｍの小粒子と１．５〜４μｍの大粒子との２つのピークを持つ粉末である。小粒子が先行してネッキングを起こし、同じ温度で大粒子はほとんどネッキングしないために、開気孔の気孔径や気孔率を制御するのが容易となる。

ＴｉＯ_Ｘの平均粒子径は、量が少ないためにその粒径は焼結に直接の影響は小さいが、入手しやすい０．２〜３μｍが適当である。

本発明の多孔質焼結体は、従来の多孔質焼結体が用いられる用途一般に用いることができるが、特に有効なのは真空チャック、成膜用治具、フィルターのいずれかに使用する場合である。

真空チャックは、半導体や液晶製造工程をはじめとした精密部品の製造工程において、その搬送や加工用治具として使用する場合に用いる。この様な工程では、位置決めを光学的なセンサーを用いて行うが、真空チャックの色が白色に近ければ光の吸収が少なく、反射が大きくなり、ハレーションを起こすために位置や輪郭が正確に測定できなくなる。そのために、真空チャックは暗色、可能であるなら黒色が望ましい。

フィルターおよび成膜用治具として用いる場合は、従来の多孔質焼結体と同様にフィルターは特定のガスや空気、排気ガスなどの気体、スラリー、溶液などから一定の大きさを超える粒子だけを通過させない働きがある。

また、本発明の多孔質焼結体の製造方法は、出発原料として２．５〜１０質量％のＴｉＯ_Ｘ粉末（１．５≦ｘ≦２．０）と残部平均粒子径１〜５μｍのＡｌ_２Ｏ_３とを混合し、成形にはプレス成形、鋳込み成形、射出成形、押し出し成形のいずれか一種を行い、還元雰囲気中で焼結して得ることが最もよい。ＴｉＯ_２を大気雰囲気で焼結しても暗色とはならないが、本発明では、還元雰囲気中で焼結することにより、ＴｉＯ_２の酸素の一部を還元してＴｉＯ_Ｘのｘを２．０未満にすることができ、その結果、暗色多孔質焼結体を製造することが可能となる。

本発明によれば、Ａｌ_２Ｏ_３基の均一な暗色多孔質焼結体を製造することができる。また、この多孔質焼結体を用いることにより、光学センサーの境界識別でのハレーションを起こさない真空チャックやフィルター、成膜用治具を得ることができる。

さらに、本発明の暗色多孔質焼結体は、従来技術と比較して、耐酸性や耐アルカリ性に優れている。

本発明の黒色多孔質焼結体は、以下の方法にて製造することができる。

まず、出発原料として２．５〜１０質量％のＴｉＯ_２またはＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）粉末と、残部として平均粒子径が１〜５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末とを混合する。混合方法は両者が充分混じり合う方法ならどのような方法でもよく、ボールミルやライカイ機、各種ミキサーなどを使用することができる。ＭｇＯやＭｇ（ＯＨ）_２を添加する場合は、この時点で添加する。

この混合粉末に必要に応じて成型用の有機バインダを混合して乾燥させることにより混合粉末を得る。

得られた混合粉末を、プレス成形、鋳込み成形、射出成形、押し出し成形のいずれか一種を行い、還元雰囲気中で焼結する。還元雰囲気は、カーボン介在下での希ガス中での焼結、Ｎ_２ガス中、Ｈ_２ガス中などがよい。また、焼結温度は１０００〜１５００℃が適当である。

こうして、本発明は、還元雰囲気中で焼結することにより暗色の多孔質焼結体を得ることができる。

また、所望の形状にて穿孔、切削、研削加工等を行うことにより、本発明の真空チャック、フィルターなども得ることができる。

以下実施例にてより詳細に本発明を説明する。

出発原料として、平均粒子径が２μｍのＴｉＯ_２粉末２．５質量％と、平均粒子径が１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末９７．５質量％とを、成型用の有機バインダとして分子量が約２万のポリエチレングリコールを外部分率で３質量％とともにをボールミルに投入し、アルミナボールを用いて湿式にて４０時間混合した。混合後にスプレードライヤにて造粒を行い造粒粉を得た。

つぎに、造粒粉末を金型にて１００ＭＰａ加圧して成型し、直方体形状のグリーン体を得た。このグリーン体を焼結炉に投入し、カーボン介在中、アルゴンガス加圧の還元雰囲気中にて１４００℃で焼結を行った。

得られた焼結体は、暗色で連続した開気孔を有する暗色の多孔質体であった。気孔率は２５％であった。また、焼結体のＴｉＯ_Ｘのｘ値をＸ線回析にて調べたところ、ｘ＝１．９であった。

この焼結体の表面を＃２４０番の砥石にて平面研削盤にて加工した後に、この試料を用いて図１に示すような装置を作製し、試料１の上面側の圧力を下げることにより、その下面で吸着力が発生しているかどうかを下面側に板状の被吸着物２を密着させ検査する装置にてその通気状態を観察した。吸着力が発生していれば、被吸着物は試料に密着したまま保持されるが、発生していなければ下方に落下する。その結果、試料は吸着力を有しており、対面する面の間に微細で連続した開気孔があることが分かった。

また、同試料をＪＩＳＺ８７２１に記載の基準での色調を測定したところ、９ＰＢ３．５／２．０であった。この試料の上面に板状で白色の被搬送物を載せ、下面からポンプにて減圧を行ったが、被搬送物は吸着された。この試料を、市販のＣＣＤカメラを用いて試料の境界を検出し、位置決めを行ったところ、ハレーションなどの問題も起こらず問題なく行うことができた。

また、フィルターおよび成膜治具として用いても、従来の多孔質焼結体と同様に機能した。

実施例１の試料を試料Ｎｏ．１として、その組成や、Ａｌ_２Ｏ_３の粒子径、ＴｉＯ_Ｘの量を変え焼結まで行い、その連続気孔の有無および色調を調査した。これを表１に示す。
試料Ｎｏ．１に対して試料Ｎｏ．２〜７は、ＴｉＯ_Ｘのｘ値を変えた試料である。
試料Ｎｏ．１２からＮｏ．１６の試料は、ＴｉＯ_Ｘの量を変えた試料である。
また、試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎｏ．２４は、Ａｌ_２Ｏ_３の平均粒子径を変えた試料である。

試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．７の結果より、連続した開気孔を有する暗色の多孔質焼結体を得るためには、ＴｉＯ_Ｘにおけるｘの値を１．５≦ｘ＜２．０とする必要があることが分かった。この範囲以外であれば、試料Ｎｏ．７のように多硬質焼結体は著しく強度が落ちるか、試料Ｎｏ．５に示すように暗色とならない。なお、試料Ｎｏ．６の焼結雰囲気については、他の試料が還元雰囲気中焼結であるのに対して大気雰囲気中焼結であり、得られたのは明度Ｎ＝９．０のほぼ白色の焼結体であった。

また、試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．１２〜試料Ｎｏ．１６の結果より、ＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）の量は２．５〜１０質量％が適当なことがわかった。試料Ｎｏ．１５に示すようにＴｉＯ_Ｘの量が２．５質量％未満の場合には、焼結体の表面の色調が一定でなく、まだら模様が目視にて確認できた。これは、黒色を呈するＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）の量が少ないために、分散の微妙なばらつきがそのまま色のムラとなり、まだらに見えるためである。

逆に試料Ｎｏ．１４のように、ＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）を１０質量％を超えて添加した場合にはＴｉＯ_Ｘが焼結助剤の役割を持つため、緻密化が急激に進み、連続した開気孔を得ることができなかった。

ＴｉＯ_Ｘを含んでいない試料Ｎｏ．１６については、焼結体は白色であった。

また更に、試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎｏ．２４から、Ａｌ_２Ｏ_３の平均粒子径については、１〜５μｍが適当であることが分かった。試料Ｎｏ．２４のように、平均粒子径が１μｍ未満であれば、急激に焼結が進行するために連続した開気孔を得ることが難しくなる。

１〜５μｍであれば、焼結はある程度進行し、粒子同士のネッキングも進行するものの、緻密化して開気孔が得られないほどにはならず、多孔質焼結体を得るためには適している。

試料Ｎｏ．２３の試料のように、Ａｌ_２Ｏ_３の平均粒子径が７μｍより大きければ、目視で判別できる程度に焼結体に色むらが生じ、好ましくない。

また、試料Ｎｏ．４及び試料Ｎｏ．５では試料Ｎｏ．１の試料と他の組成は同様で、Ａｌ_２Ｏ_３の一部をＭｇＯに置換した粉末を用いて、同様の実験を行った。ＭｇＯを１質量％置換した試料Ｎｏ．４は焼結体は、試料Ｎｏ．１の試料と比較して焼結が進行しており、気孔率は１５％であった。また、色調はＪＩＳＺ８７２１で表示すると９ＰＢ３．０／２．０であった。しかしながら、試料Ｎｏ．５に示す試料は、ＭｇＯが１．２質量％含まれるために焼結が進行し、連続した開気孔を得られなかった。気孔率は４．５％であった。

本発明の暗色多孔質焼結体を真空チャックとして使用する例の概略図である。

符号の説明

１：暗色多孔質焼結体
２：板状の被吸着物

Claims

ＴｉＯ_Ｘ（１．５≦ｘ＜２．０）を２．５〜１０質量％含有し、残部がＡｌ_２Ｏ_３からなる暗色多孔質焼結体。
Ａｌ_２Ｏ_３の０．１〜１質量％をＭｇＯに置換した、請求項１に記載の暗色多孔質焼結体。
色調がＪＩＳＺ８７２１での明度Ｖが６．０以下の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の暗色多孔質焼結体。
Ａｌ_２Ｏ_３の平均粒子径が１〜５μｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の暗色多孔質焼結体。
Ａｌ_２Ｏ_３の粒度分布が、０．１〜０．５μｍと１．５〜４μｍとの２つのピークを持つことを特徴とする請求項4に記載の暗色多孔質焼結体。
真空チャックとして使用する請求項１から請求項５のいずれかに記載の暗色多孔質焼結体。
成膜用治具として使用する請求項１から請求項５のいずれかに記載の暗色多孔質焼結体。
フィルターとして利用する請求項１から請求項５のいずれかに記載の暗色多孔質焼結体。
出発原料として２．５〜１０質量％のＴｉＯ_Ｘ粉末（１．５≦ｘ≦２．０）と残部平均粒子径１〜５μｍのＡｌ_２Ｏ_３とを混合し、プレス成形、鋳込み成形、射出成形、押し出し成形のいずれか一種を行い、還元雰囲気で焼結して得ることを特徴とする暗色多孔質焼結体の製造方法。
出発原料として２．５〜１０質量％のＴｉＯ_Ｘ粉末（１．５≦ｘ≦２．０）と、０．１〜１質量％のＭｇＯまたはＭｇ（ＯＨ）_２の少なくとも一方の粉末および残部が平均粒子径１〜５μｍのＡｌ_２Ｏ_３とを混合し、成形を行い、成形体を還元雰囲気で焼結して得ることを特徴とする暗色多孔質焼結体の製造方法。