以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明の窒化珪素質焼結体は、β−Si3N4を主成分とし、Si2N2O(酸窒化珪素)を5体積%以上、30体積%以下、およびβ−RE2Si2O7(REは周期律表第3族元素)を3体積%以上、10体積%以下の範囲でそれぞれ含有するものである。
主成分を成すβ−Si3N4は、機械的強度を高める作用を、Si2N2Oは研削抵抗を小さくする作用を、β−RE2Si2O7は熱膨張係数を小さくする作用をそれぞれ成し、β−Si3N4、Si2N2Oおよびβ−RE2Si2O7の各結晶を含む多結晶焼結体からなり、機械的強度が500MPa以上、熱膨張係数が1.5×10−6/K以下のものである。
β−Si3N4が主成分であることは、本発明の窒化珪素質焼結体表面または研磨面を高倍率で観察し、この観察面に占める窒化珪素の結晶の面積割合が50%以上であることによって確認することができる。
次に、本発明の窒化珪素質焼結体は、Si2N2Oを5体積%以上、30体積%以下の範囲で含有することが重要であり、砥石等により焼結体を研削加工する際、Si2N2Oは焼結体の粒界の破壊を促進する作用を成すため、砥石等が受ける研削抵抗を低減させることができる。
詳細は、β−Si3N4を主成分とする焼結体の破壊靱性値は6MPa・m1/2程度であるのに対して、Si2N2Oを主成分とする焼結体の破壊靱性値は4MPa・m1/2程度と小さい。これにより砥石等により局所的な応力がSi2N2Oを含む窒化珪素質焼結体に加わった場合、Si2N2Oからなる結晶が破壊して容易に削れるため、研削抵抗が小さくなるものと考えられる。Si2N2Oが5体積%未満となると、研削加工時に焼結体中の破壊源が不足するために研削抵抗が大きくなり、一方、30体積%を超えると、β−Si3N4の含有量が低下するため機械的強度が小さくなり、焼結体に応力が加わった際にSi2N2Oの結晶が破壊源となりやすいため、さらに機械的強度が小さくなると考えられる。さらには、Si2N2Oを8体積%以上、18体積%以下の範囲で含有することがより好ましく、研削抵抗を小さくするとともに、曲げ機械的強度をさらに高めることができる。
なお、研削抵抗とは、一定条件下で焼結体に穴開け加工等の研削加工を行う際の研削抵抗(N)を水晶圧電式動力計により検出するものである。
また、本発明の窒化珪素質焼結体は、β−RE2Si2O7を3体積%以上、10体積%以下の範囲で含有する。RE2Si2O7は、α、β、γ、δ、yなどの型があり、このうちβ型のRE2Si2O7であるβ−RE2Si2O7は、β−Si3N4の結晶の
粒界に粒界相として主に存在し、β−RE2Si2O7はα、γ、δ、yなどの型のRE2Si2O7の熱膨張係数よりも小さいため、β−RE2Si2O7を3体積%以上、10体積%以下の範囲で含有させることにより、窒化珪素質焼結体の熱膨張係数を1.5×10−6/K以下と小さくし、残留応力を小さくできるためさらに研削抵抗を小さくすることができる。残留応力を小さくすると、研削抵抗を小さくすることができるのは、粒界相のβ−RE2Si2O7がβ−Si3N4の結晶を拘束しようとする応力が小さいため、砥石等で焼結体を研削加工する際、β−Si3N4の結晶が砥石等により破壊されやすいためと考えられる。
β−RE2Si2O7の含有量が3体積%未満となると、研削加工の際に窒化珪素質焼結体に微細なクラックが発生しやすい。一方、10体積%を越えると、機械的強度は小さくなるものの、熱膨張係数が1.5×10−6/Kを越える大きなものとなり、残留応力が大きくなりやすく研削抵抗を十分に小さくすることができない。さらには、β−RE2Si2O7の含有量を4体積%以上、8体積%以下の範囲とすることがより好ましく、熱膨張係数を1.35×10−6/K以下とし、十分に緻密化した熱膨張係数のより小さい焼結体を得ることができる。
また、β−RE2Si2O7におけるREは、周期律表第3族元素であればよいが、その中でもEr、Yb、Luのうち少なくとも一種から選択することが好ましい。
これは、Er、Yb、Luは、周期律表第3族元素の中でイオン半径の小さな元素であり、他の構成原子(Si、O、N)との結合が強いために、熱エネルギーによる格子振動、体積膨張が小さくなることによって熱膨張係数をより小さくすることができるからである。特に、REをErとし、β−Er2Si2O7の含有量を4体積%以上、8体積%以下の範囲とすることで、さらに熱膨張係数を1.27×10−6/K以下と小さくすることができる。
さらに、本発明の窒化珪素質焼結体は、その相対密度が99%以上であることが好ましい。相対密度を99%以上とすることで、熱膨張係数を小さくし、研削抵抗を小さくできるだけでなく、機械的強度が向上し、例えば室温における点曲げ強度を600MPa以上とさらに高くすることができる。相対密度を99%以上の窒化珪素質焼結体は、後述する高圧GPS(Gas Pressure Sintering)法や熱間等方加圧(HIP:hot isostatic press)法により、ガス圧1〜200MPaで加圧して焼成する方法により製造することができる。
ここで、本発明の窒化珪素質焼結体の各特性の測定方法について説明する。
本発明の窒化珪素に含まれるβ−Si3N4、Si2N2O、β−RE2Si2O7の存在は、焼結体を粉砕して得られる粉末を用いてX線回折法により測定する。例えば、焼結体を#200メッシュ以下の粒径に粉砕し、Cu−Kα線(λ=1.54056Å)にてX線回折を行う。β−Si3N4はJCPDS−ICDD(Joint Committee for Powder Diffraction Studies- International Centre for Diffraction Data)のNo.33−1160、Si2N2Oは、JCPDS−ICDD No.47−1627、β−RE2Si2O7はJCPDS−ICDD No.38−0440のデータを用いて同定することができる。なお焼結体がα−RE2Si2O7やγ−RE2Si2O7を含有する場合には、α−RE2Si2O7はJCPDS−ICDD No.38−0223、γ−RE2Si2O7はJCPDS−ICDD No.48−1623のデータを用いて同定することができる。なお、これらのα、β、γ−RE2Si2O7のJCPDS−ICDDはREがYのものであるが、REがEr、Yb、Luの場合にも代用できる。REがY、Er、Yb、Lu以外のJCPDS−ICDDについては、公知のX線回折パターンを参照することができる。
β−RE2Si2O7の含有量は、REがErの場合、例えば次のように測定することができる。まず、検量線を用いてX線回折法により測定する方法について説明する。SiO2粉末、Er2O3粉末、Si3N4粉末をそれぞれ64モル%,32モル%,4モル%となるように混合後加圧して圧粉体を作製し、得られた圧粉体をBN(窒化硼素)製のルツボ内に入れて900kPaの窒素雰囲気中1800℃で1時間保持し、さらに800℃まで2時間以内で冷却後、室温まで冷却すると、Er−Si−O−N系の非晶質物質が得られる。この非晶質物質を1300℃で5時間、110kPaの窒素中で熱処理すると、JCPDS−ICDD No.38−0440にて同定されるβ−Er2Si2O7の結晶のピークがほぼ100%である化合物が得られる。この化合物を粉砕し、この化合物の粉末とβ−Si3N4粉末を、化合物(β−Er2Si2O7)の含有量を0〜100体積%の間で種々変更して、粉末X線回折を行い、得られたX線回折のピーク強度とβ−Er2Si2O7の含有量との関係を示す検量線を作成する。ここで、検量線に使用するピーク強度は、β−Er2Si2O7の(021)面帰属回折ピーク強度I(E2S)と、β−Si3N4(200)面の回折ピーク強度I(SN)である。このようにして得られる検量線の結果の一例を図1に示す。
図1に示すように、焼結体中のβ−Er2Si2O7の含有量は、焼結体の粉末をX線回折し、β−Si3N4の(200)面帰属X線回折ピーク強度とβ−RE2Si2O7の(021)面帰属X線回折ピーク強度の比I(E2S)/I(SN)を求め、図1からβ−Er2Si2O7の含有量を測定することができる。REがEr以外の元素の場合も同様の方法によりβ−RE2Si2O7の含有量を測定することができる。
また、β−RE2Si2O7の含有量は、上述した検量線による方法の他に透過型電子顕微鏡を用いて焼結体を観察し、観察される個々の結晶の結晶構造を同定し、観察面の面積に占めるβ−RE2Si2O7の面積割合(%)を便宜的に体積%と見なすこともできる。
Si2N2Oの含有量は、例えば次にようにして測定することができる。
焼結体を研磨して得られる鏡面を、走査型電子顕微鏡(SEM)およびX線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro-Analysis)を用いて倍率1000〜10000倍程度、好ましくは5000倍程度で観察すると、Si2N2Oの結晶は、β−Si3N4の結晶よりもO(酸素)を多く含むため、EPMAで観察するとSi2N2Oの結晶を特定することができる。ここで、鏡面を、SEMおよびEPMAで50μm×50μm以上の視野で観察し、SEM写真およびEPMA写真を撮ると、観察した面積中に占めるSi2N2Oの結晶の面積の割合(%)を求めることができる。このようにして求めたSi2N2Oの面積の割合(%)を便宜上Si2N2Oの含有量(体積%)とする。
機械的強度は、曲げ強度を測定することで求められ、例えばJIS(日本工業規格)R1601(1995年)に準拠して測定することができ、窒化珪素質焼結体を加工した試験片を10個以上作製する。荷重試験機を用いてこの試験片に荷重を印加し、破壊するまでの最大荷重を測定し、曲げ強度を算出する。
また、熱伝導率は、JIS R1611−1997に準拠するレーザーフラッシュ法により23℃の環境下で測定する。本発明でいう熱膨張係数は室温における熱膨張係数、具体的には0〜50℃の範囲での熱膨張係数であり、特に23℃における熱膨張係数に特定することが好ましい。熱膨張係数は、具体的には例えば次のように測定する。熱膨張係数測定用の試料は、本発明の窒化珪素質焼結体またはこれを加工して長さ15〜16mmとし、長さ方向の両端をR状に面取り加工したものとする。次いで、真空理工株式会社製のレーザー熱膨張計を用い、この試料をHeガス中で0〜50℃の範囲で昇温速度1℃/分程度で連続的に昇温しながら、レーザーを用いて試料の長さを計測し、ASTM(The American Society of Testing and Materials) E 289(Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Rigid Solids with Interferometry)に準拠した測定に従って23℃における熱膨張係数を測定する。
研削抵抗の測定は、直径80mm×厚さ10mmの円板状の窒化珪素質焼結体からなる研削抵抗測定用試料を作製し、大阪機工株式会社製のVM4II型立形マシニングセンタにこの試料の一方の主面を固定する。次いで、#120のダイヤモンドを電着した外径5mmのコアドリルを立形マシニングセンタに取り付け、ドリルに注水しながらドリルの回転数2000rpm、送り速度2mm/分で、試料の他方主面に垂直方向に穴開け加工する。この加工中に、ドリルの長手方向の研削抵抗(N)をKISTLER株式会社製の水晶圧電式動力計TYPE9254により検出する。
次いで、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方法について説明する。
まず、Si3N4粉末とRE2O3粉末とを含有する成形体を空気中600〜800℃で1〜5時間加熱して、成形体に含まれるSi3N4粉末の一部が酸化された酸化成形体を作製する。次いで、酸化成形体をSiOガスを含有する窒素ガス中1700〜2000℃で相対密度96%以上に緻密化した後、8時間以内で800℃以下まで冷却し、800〜1000℃の窒素ガス中に0.1〜5時間保持し、さらに1200〜1500℃で1時間以上保持する。この製造方法により、実用上十分な機械的強度を有し、熱膨張係数が1.5×10−6/K以下と小さく、前記の方法で測定した研削抵抗が395N未満と小さな窒化珪素質焼結体を製造することができる。
本発明の窒化珪素質焼結体の製造方法は具体的には次の通りである。
(a)出発原料粉末として、窒化珪素粉末、Er2O3,Yb2O3,Lu2O3などの周期律表第3族元素の酸化物からなるRE2O3粉末を準備する。好ましくは、さらにAl2O3粉末、WO3粉末、SiO2粉末を準備する。ここで準備する窒化珪素粉末は、α化率が高い窒化珪素原料の方が焼結性に優れるため好ましいものの、α化率がゼロの窒化珪素粉末であっても良い。また、窒化珪素粉末中には、Siの酸化物が不純物として含有されていても良い。RE2O3粉末は純度が99%以上であることが好ましい。各1次原料粉末の粒径は、メジアン径D50が0.5〜30μmであることが好ましい。
(b)前記(a)で準備した粉末を窒化珪素粉末60〜99モル%、RE2O3粉末1〜40モル%となるようにして、公知の方法、例えば回転ミル、振動ミル、ビーズミルなどのミルに投入し湿式混合、粉砕し、スラリーを作製する。好ましくは、窒化珪素粉末95〜80モル%、RE2O3粉末1〜5モル%、SiO2粉末4〜15モル%とする。特に好ましくは、SiO2粉末(準備したSiO2粉末と、窒化珪素粉末中に含まれる酸素含有量をSiO2に換算したものをSiO2粉末と見なしたものとの計)、窒化珪素粉末、およびRE2O3粉末の合計を100質量部とするとき、さらにAl2O3粉末2.5質量部以下、WO3粉末0.3〜5質量部を混合、粉砕する。粉砕メディアは、窒化珪素質、ジルコニア質、アルミナ質のものが使用可能であるが、不純物として混入の影響の少ない材質である窒化珪素質のメディアが良い。また、粉砕後の粒度D50を1μm以下となるように微粉砕することが焼結性を向上させるために好ましい。また、1次原料粉末を予め微粉砕させた後、ミルで湿式混合、粉砕しても良い。また、得られるスラリー粘度を下げる目的で粉砕前に分散剤を添加することが好ましい。
(c)得られた湿式スラリーを乾燥させて乾燥粉体を作製する。この乾燥の前にスラリーを#200より細かいメッシュを通し、さらに磁力を用いて脱鉄するなどの方法で極力異物を除去することが好ましい。また、スラリーにパラフィンワックスやPVA(ポリビニルアルコール)、PEG(ポリエチレングリコール)、PEO(ポリエチレンオキサイド)などの有機バインダーを粉体重量に対して1〜10質量%添加、混合することが後述する成形の際に、成形体のクラックや割れ等の発生を抑制できるので好ましい。スラリーの乾燥方法としては、スラリーを容器に入れて加熱、乾燥させても良いし、スプレードライヤーで乾燥させても良く、または他の方法で乾燥させても何ら問題ない。
(d)乾燥粉体を公知の成形方法、例えば金型を用いた粉末加圧成形法、静水圧を利用した等方加圧成形法を用いて、相対密度45〜60%の所望の形状とする。
(e)成形体を空気中で600〜800℃で1〜5時間加熱して、成形体に含まれるSi3N4粉末の一部が酸化された酸化成形体を作製する。成形体に有機バインダーを含む場合には、窒素中500〜900℃に加熱して有機バインダーを脱脂した後、さらに空気中で600〜800℃で1〜5時間加熱する。焼結性を向上させて緻密な窒化珪素質焼結体を作製するためには、脱脂した後の炭素量を0.01重量%以下とすることが好ましい。
(f)酸化成形体を次のように焼成炉を用いて焼成する。
焼成炉として黒鉛性の抵抗発熱体により加熱する焼成炉等を用い、この焼成炉中に酸化成形体を載置する。好ましくは、酸化成形体全体を囲うことのできる焼成用容器中に載置する。ここで酸化成形体を焼成炉中に載置する場合、酸化成形体を載置するための焼成用板や、酸化成形体を載置しかつ酸化成形体の周囲を囲うための焼成用容器(以下、これらを焼成用治具と記す。)を用いる。
焼成中に酸化成形体に含まれるSi成分等の蒸発を抑制し、焼成炉内の雰囲気中等から酸化成形体に付着する可能性のある異物(例えば黒鉛製発熱体や炭素製断熱材から飛散する炭素片や、焼成炉中に組み込まれている他の無機材質製の断熱材の小片等)の付着を防止するためには、焼成用治具の材質を窒化珪素質や炭化珪素質またはこれらの複合物などの材質とすることが好ましく、さらには酸化成形体全体を焼成用治具で囲うことが好ましい。
酸化成形体全体を焼成用治具で囲って焼成する場合には、酸化成形体中からSi成分の蒸発を抑制するためにSiおよび/またはその酸化物を含む粉末や、この粉末の酸化成形体を焼成用治具中に載置することが好ましい。後述する致密化の過程で、このようなSiの酸化物は例えばSi−Oガスとなって焼成用治具中に蒸発し、酸化成形体からSi成分が蒸発することを抑制するので、得られる焼結体の組成の変動が抑制され、さらに、後述する(j)の再加熱処理の工程でβ−Er2Si2O7を焼結体中に特に安定して生成させることができる。
(g)焼成用治具に載置した酸化成形体を焼成炉内に配置し、1700〜2000℃で焼成して相対密度96%以上まで緻密化させる。ここで、相対密度とはアルキメデス法により得られた密度を粉体理論密度で割った値をいう。この焼成により、Si2N2Oの結晶が5体積%以上、30体積%以下の範囲で生成する。
相対密度96%以上まで緻密化させるには、より具体的には次のような方法により焼成する。
窒素ガス中で昇温し、最高温度1700〜2000℃で保持する。好ましくは、最高温度に達する前に、液相が生成する温度、例えば1500℃以上1700℃未満の温度で保持することが好ましい。最高温度が1800℃未満の場合、窒素分圧は大気圧程度で良いが、最高温度が1800℃以上の場合は窒素分圧を1MPa程度まで高めてSi3N4の分解反応を抑制することが好ましい。また、致密化をより促進するために、開気孔率が5%以下となった段階で、さらに高圧のガスで加圧することが好ましい。この加圧方法としては、高圧GPS(Gas Pressure Sintering)法や熱間等方加圧(HIP:hot isostatic press)法により、ガス圧1〜200MPaで加圧する方法を用いることが好ましく、これによって相対密度を特に99%以上に高めることができる。
(h)800℃以下まで8時間以内で冷却する。これによって、粒界を十分非晶質化することができる。800℃以下まで8時間以内で冷却する理由は次の通りである。
RE2Si2O7の結晶核は800〜1000℃で生成し、この結晶核は1000〜1650℃にさらに温度を上げることにより成長させることができる。800℃以下の温度まで8時間以内で冷却するのは、8時間を超えると、冷却中にRE2Si2O7以外、例えばRE5(Si4)3N(アパタイト相)が結晶化しやく、RE2Si2O7の結晶核を後述する(i)の工程で十分に生成させることができないため、β−RE2Si2O7の含有量を3体積%以上、10体積%以下の範囲とできなくなるためである。好ましくは、冷却時間を4時間以内とする。
(i)窒素ガス中で800〜1000℃で0.1〜5時間保持する。この保持によって、β−Si3N4の結晶の粒界にRE2Si2O7の結晶核を十分に生成させることができる。800℃未満や1000℃を越える場合や、保持時間が、0.1時間未満の場合には、RE2Si2O7の結晶核が十分に生成しないので、後述する(j)の工程でβ−RE2Si2O7の含有量が3体積%以上、10体積%以下の範囲で含有する窒化珪素質焼結体を製造することができない。特に保持時間が0.1時間未満の場合は、RE2Si2O7の以外の結晶核(例:RE5(Si4)3N(アパタイト相))が多く生成し、熱膨張係数が大きくなるという問題も生じるおそれがある。また、保持時間が5時間を越える場合には、β−Si3N4の結晶の粒界に存在する非晶質粒界相が軟化し、焼結体が大きく変形するので、寸法精度の非常に悪い窒化珪素質焼結体となり、工業的に使用可能な窒化珪素質焼結体を製造することが困難となる。
(j)1200〜1500℃で1時間以上保持する。これにより、前記工程(i)で生成したRE2Si2O7の結晶核がβ−RE2Si2O7に転移、成長し、β−RE2Si2O7の含有量が3体積%以上、10体積%以下の範囲で含有する窒化珪素質焼結体を得ることができる。保持温度が1200℃未満ではβ−RE2Si2O7の含有量が3体積%未満となる。保持温度が1500℃よりも高いとγ−RE2Si2O7となり、β−RE2Si2O7の含有量が3体積%未満となる。保持時間が1時間未満では、β−RE2Si2O7の含有量が3体積%未満となる。β−RE2Si2O7の含有量を5体積%以上、10体積%以下の範囲で含有することによって、熱膨張係数がさらに小さく、熱伝導率がさらに大きな窒化珪素質焼結体を製造するには、保持時間を2〜24時間とすることが好ましい。
なお、前記工程(i)、(j)は、前記工程(h)と連続的に行ってもよく、断続的に行ってもよいが、作業者のハンドリングによる欠けの発生や製造コスト低減のためには連続して行うことが好ましい。また、前記(i)、(j)で言う保持とは、所定の温度範囲内に滞在した時間の合計を意味し、例えば一定温度で保持する時間や、昇温時間、降温時間が保持時間に含まれる。
また、出発原料の窒化珪素粉末の一部をシリコン粉末に置き換えることにより、工程(g)において相対密度を向上させることが容易となり、また、成形体の焼成時の収縮を抑制することができるため、得られる窒化珪素質焼結体の寸法精度を向上させることができる。出発原料の窒化珪素粉末の一部をシリコン粉末に置き換えた場合には、前記(g)の工程で最高温度に達する前に、窒素分圧が50kPa〜1.1MPaの雰囲気中で1000〜1400℃で5時間以上保持することが好ましい。
上述のように、本発明の窒化珪素質焼結体は、機械的強度が実用上十分大きく、熱膨張係数が小さく、研削抵抗が小さい。そのため、本発明の窒化珪素質焼結体を半導体製造工程あるいは液晶パネル製造工程で用いられる基板処理装置用部材、例えば、露光装置用のレチクルステージ、ウェハステージ、ウェハ位置決め用のミラーとして用いた場合、次のような効果を奏することができる。
すなわち、第1に、半導体製造工程や液晶パネル製造工程で機械的応力がかかっても割れや欠けが生じることがない。第2に、超音波モータを用いた摩擦駆動に伴って発生する熱や部材周囲の温度変化によって部材温度が変化した場合でも、部材の寸法変化を極めて小さくできるので、高精度な微細配線が可能となる。第3に、研削抵抗が小さいことから高い寸法精度に研削加工することができるので、得られる部材の寸法精度を高めることができる。このように、本発明の窒化珪素質焼結体は、半導体・液晶製造装置用部材として好適に用いることができる。
次いで、本発明の実施例について説明する。
各種窒化珪素質焼結体を得るために、窒化珪素粉末(平均粒径10μm、β化率100%、酸素量0.9質量%、Fe不純物量0.3質量%、Al不純物量0.2質量%)、表1に示す如く各種第3族元素酸化物RE2O3粉末(平均粒径5〜10μm)、SiO2粉末(平均粒径約2μm)を表1に示す組成になるように秤量した。
SiO2粉末の添加量は、得られる焼結体中のSiO2換算での含有量を表1に示した量となるよう次のようにして調製した。
窒化珪素粉末に含まれる酸素はSiO2として含有しているものとみなし、酸素量0.9質量%をSiO2に換算することで、窒化珪素粉末中に酸素はSiO2換算で1.7質量%含まれると仮定した。表1に示したSiO2(モル%)は、窒化珪素粉末中に含まれると仮定したSiO2量(1.7質量%)と、秤量したSiO2粉末との合計量である。また、各試料について、窒化珪素粉末、RE2O3粉末およびSiO2粉末(秤量したSiO2粉末と、窒化珪素粉末中に含まれる酸素含有量をSiO2に換算したものをSiO2粉末と見なしたものとの計)の合計を100質量部とするとき、さらにAl2O3粉末2質量部、WO3粉末0.5質量部秤量した。
秤量した各粉末に純水を加え、粒径D50が0.9μmになるように窒化珪素製メディアを用いたボールミルにて混合、粉砕し、得られたスラリーを脱鉄後、PVA(ポリビニルアルコール),PEG(ポリエチレングリコール)を秤量した粉末100質量部対して、各2質量部添加混合し、スプレードライヤーにて乾燥造粒して造粒粉を作製した。
得られた造粒粉を静水圧加圧法により800KPaの圧力で等方加圧して、外形60mm、厚み30mmに成形して成形体を作製し、この成形体を窒素ガス中で800℃で5時間加熱してPVAとPEGを脱脂し、さらに空気中で表1に示す温度および保持時間で保持して酸化し、酸化成形体を作製した。
得られた酸化成形体全体を窒化珪素製の容器に載置して囲った。この際、この容器中にSiO2粉末を含有した圧粉体を容器内の体積1cm3当たり0.1gになるように容器内に配置した。
酸化成形体を窒化珪素製の容器に入れたまま、焼成炉にセットし、110kPaの窒素分圧中にて1650℃で10Hr、1750℃で10Hr保持後、900kPaの窒素分圧中にて1850℃で10Hr焼成し、最高温度から800℃まで表1に示した時間で冷却し、さらに室温まで冷却して焼結体を得た。得られた焼結体の密度をアルキメデス法により測定した。その結果、全ての試料の相対密度が96%以上であることがわかった。
次に、得られた焼結体を窒化珪素製の容器に配置し、110kPaの窒素分圧中、800℃まで5℃/分で昇温後、800℃から1000℃までを表1に示す時間で昇温し、さらに1000℃から1200℃まで10℃/分で昇温し、1200℃から1500℃で表1に示す時間連続的に昇温後、室温まで冷却し、本発明の試料を得た。
得られた試料からサンプルを切り出して、実施形態に記載の方法を用いてX線回折法による結晶相、β−RE2Si2O7の含有量、SEMおよびEPMAを用いて倍率5000倍でSi2N2Oの含有量を測定し、各試料の特性として、3点曲げ強度、23℃における熱膨張係数、ドリルを用いた穴開け加工時の研削抵抗の最大値を測定した。
次に、酸化処理の条件、焼結後の熱処理条件(800℃までの冷却時間、800〜1000℃の時間、1200〜1500℃の時間)を変更した以外は実施例と同様にして、比較例の試料を作製した。各結果を表1に示す。
表1から明らかなように、本発明の試料No.3〜8、11〜17は、Si2N2Oの含有量が5体積%以上、30体積%以下、β−RE2Si2O7の含有量が3体積%以上、10体積%以下となり、3点曲げ強度が522MPa以上と大きなものに保持したま、23℃における熱膨張係数が1.5×10−6/K以下と小さくでき、その結果、研削抵抗を391N以下とすることができ、加工性の高い焼結体を得ることができた。
また、β−RE2Si2O7の含有量が同じ場合には、含有するβ−RE2Si2O7
のうち、REがEr、Yb、Luのいずれかからなる試料(No.4,5,7)は、REがYからなる試料(No.13〜15)と比べて熱膨張係数が小さく、研削抵抗も小さくすることができた。
これに対し、本発明の請求範囲外の組成を有する比較例の試料のうち、800℃以上の熱処理を行わず、粒界に結晶相が存在せず粒界が非晶質であり、β−Er2Si2O7を含有していない試料No.1は、室温における熱膨張係数が1.62×10−6/Kと非常に大きく、研削抵抗が410Nと大きなものとなった。また、1200〜1500℃における熱処理時間を30時間と長く、粒界のβ−Er2Si2O7の含有量が15体積%と多い試料No.9は、曲げ強度が462MPaと小さく、室温における熱膨張係数が1.45×10−6/Kと大きいため、研削抵抗が418Nと大きくなった。
また、焼成温度から800℃までの冷却時間が12時間と長く、熱処理をしてもアパタイト相が粒界に析出しており、β−ダイシリケートを含有していない試料No.10は、室温における熱膨張係数が1.52×10−6/Kと大きく、研削抵抗が434Nと大きくなった。さらに、酸化処理を行わず、1200〜1500℃での熱処理時間を0.5時間と短くし、Si2N2Oの含有量が0.5体積%、β−Er2Si2O7の含有量が0.5体積%である試料No.18は、熱膨張係数が1.55×10−6/Kと大きく、研削抵抗が460Nと大きかった。酸化処理を500℃とし、熱処理の際にSiOを含有しない雰囲気とし、Si2N2O、β−Er2Si2O7を含有せず、ボラストナイトを含有する試料No.19は、熱膨張係数が1.51×10−6/Kと大きく、研削抵抗が490Nと大きくなった。酸化処理温度を900℃以上とし、Si2N2Oの含有量が36体積%と多い試料No.20は、熱膨張係数が1.60×10−6/Kと大きくなった。酸化処理温度を500℃とし、Si2N2Oの含有量が3体積%と少ない試料No.21は、研削抵抗は450Nと大きかった。
なお、表1でSiO含有雰囲気がありとは、焼成の際に前記圧粉体を容器内に配置して作製したものであり、SiO含有雰囲気がなしとは、前記圧粉体を容器内に配置しなかったことを示す。