JP5164304B2

JP5164304B2 - セラミックスの製造方法

Info

Publication number: JP5164304B2
Application number: JP2001251975A
Authority: JP
Inventors: 邦英四方; 俊之井原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2021-08-22
Also published as: JP2003055037A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密計測機用のステージやガイド、及び定盤等の部材に適した高剛性低熱膨張セラミックスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
精密計測機用のステージやガイド、及び定盤等の部材として、軽量で、熱的な寸法変化が少なく、変形しにくいという理由で、アルミナ系セラミックスや窒化珪素系セラミックスが広く用いられている。
【０００３】
近年、電子部品関連製品の高精度化により、計測機にも高い精度が要求されるようになり、例えば、精密計測機のステージ用部材においてはサブミクロンの位置決め精度が要求され、位置合わせ誤差の低減が製品の品質向上の実現の大きな要素技術として捉えられている。
【０００４】
精密計測機用部材として、一般に用いられてきたアルミナ系セラミックス、窒化珪素系セラミックスなどのセラミックスは、アルミナ系セラミックスの比重が３．８、窒化珪素系セラミックスの比重が３．２と金属と比べて軽量であるが、装置の大型化に伴う重量の増加を抑えるため、更に軽量な素材が必要とされるようになってきている。
【０００５】
また、測定温度範囲が０〜２０℃における熱膨張係数は、アルミナ系セラミックスは約５．０×１０^-6／℃、窒化珪素系セラミックスは約２．０×１０^-6／℃であり、精密計測機用に用いるには熱の影響を受けやすく、より低熱膨張の材料が必要とされてきている。
【０００６】
そこで比重が２．６〜２．７室温付近の熱膨張係数が０〜１×１０^-6／℃と優れた特徴を有するコージェライトを軽量かつ低熱膨張材料として用いることが特開平２−２２９７６０号公報で提案されている。しかし特開平２−２２９７６０号公報に記載のコージェライト系セラミックスは、比重が低いもののヤング率が８０〜９０ＧＰａと低いという問題があった。
【０００７】
そこで、軽量及び低熱膨張という特性を大幅に劣化させることなくヤング率を１３０ＧＰａ以上に改善するために、コージェライト系セラミックスと窒化珪素との複合材料を用いることが特開平１１−２５５５５７号公報に提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−２５５５５７号公報に記載のコージェライト系複合セラミックスは、比重が２．６〜２．７と低いものの、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃をコージェライト結晶中に固溶させる必要があり、構造体として安定したヤング率を得ることは難しいという問題があった。
【０００９】
本発明は、軽量で低熱膨張を有するとともに、固溶体を形成させる特殊な熱処理が必要なく、安定して剛性の高いセラミックスを容易に提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コージェライトの少なくとも一部をＭｇ、Ｓｉ、Ａｌを含む窒化物結晶にすることにより、軽量かつ低熱膨張であるとともに、剛性を改善できるという知見に基づく。
【００１３】
即ち、本発明のセラミックスの製造方法は、平均粒径が１〜６μｍのコージェライト粉末を５０〜８０質量％と、前記コージェライト粉末以外のＭｇ、Ａｌ及びＳｉを含む粉末として、少なくともＡｌを含む窒化物粉末と、前記Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉのうち前記窒化物粉末を形成していない他の元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩のうち少なくとも１種からなる粉末とを含み、前記コージェライト粉末の元素を除いた前記Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉが酸化物換算でＭｇＯ：Ａｌ_２Ｏ_３：ＳｉＯ_２の比にして１：１／３〜３：４／３〜６となるよう配合した成形体を、非酸化性雰囲気において１２３０℃〜１３４０℃で焼成することを特徴とするもので、この方法によりコージェライトに特定の元素を固溶させるような特別な処理をする必要が無く、容易に特定の結晶相を析出することができ、軽量及び低熱膨張という特性を有するとともに、ヤング率の高いセラミックスを得ることが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明によって得られるセラミックスは、構成元素として原子量が小さく、低密度のセラミックスを得ることが出来るＭｇ、Ａｌ及びＳｉ元素を主体として含み、窒素を含有する結晶相が焼結体中に存在することが重要である。この結晶相は、Ｃｕ管球を用いたＸ線回折により、２θが２４．６〜２４．８°の位置に回折ピーク１が、２４．７〜２４．９°の位置に回折ピーク２を観測することができる。
【００１６】
これらの結晶相は、ＪＣＰＤＳカード上では報告されていない未知の結晶相であるが、この結晶が含まれることで、軽量で、低い熱膨張率と高いヤング率を有することに寄与していると考えられる。
【００１７】
図１〜３に上記の２つの回折ピークの例を示した。図１は、回折ピーク１及び回折ピーク２がメイン、即ち最大のピーク強度を示している。また、図２は、回折ピーク１の強度が中程度であるが、回折ピーク２の強度は小さく、他に最大ピークが観察される場合である。
【００１８】
また、図３は、回折ピーク１及び回折ピーク２の強度が小さい場合である。ここでは、２θが２０〜４０°にブロードな第３の回折ピーク（回折ピーク３）が観察される。この回折ピーク３も軽量、低熱膨張、高ヤング率等に関与しているものと考えられる。なお、図１及び２では回折ピーク３が認め難いものの、微小ピークを観察するように主ピークを縦軸の範囲から振り切らせて測定することで、回折ピーク３を観察することができる。
【００１９】
上記の２箇所の角度に回折ピークが観察されれば、本発明の効果が発現するため、他の結晶の回折ピークが存在していても良い。このような結晶としては、コージェライト（Ｍｇ_２Ａｌ_４Ｓｉ_５Ｏ_１８）、サフィリン（（Ｍｇ_４Ａｌ_４）（Ａｌ_４Ｓｉ_５）Ｏ_２０、（Ａｌ_５Ｍｇ_４）（Ａｌ_４Ｓｉ_２）Ｏ_２０）、Ａｌ_２Ｒｅ_４Ｏ_９、（Ｒｅはレアアースを表す）等の化合物相や、未反応の窒化珪素、窒化アルミ、アルミナ等の添加物相を例示できる。
【００２０】
また、アルカリ土類金属及び／又は希土類金属が全量中に酸化物換算でそれぞれ０．１〜１０重量％、特に３〜９重量％、更に５〜８重量％の割合で含まれていることが好ましい。これらの元素は、焼結性を促進するためにアルカリ土類金属化合物（ＣａＯ、ＣａＣＯ₃）、希土類金属化合物（Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃等）の焼結助剤として添加されるものであるが、これらの元素の存在によって緻密化が促進され、ヤング率をより大きくすることができる。これらの中でも耐水性、化学的安定性の点でＹｂ、Ｙ及びＳｍが好ましい。
【００２１】
また、０℃〜２５℃の熱膨張係数が３×１０^― ⁶／℃以下であることが重要である。熱膨張係数をこのように小さくすると、常温付近で使用される設備、機械の変形を小さく抑制することができるため、正確な部品を製造したり、精密な測定が可能となる。３×１０^-6／℃を越えると、環境の変化による部材の変形が大きくなる。部材の環境の変化による変形を防止するため、２×１０^― ⁶／℃以下さらには、１．５×１０^― ⁶／℃以下が好ましい。
【００２２】
さらに、比重が３．１以下であることが重要である。ステージ装置のように動く構造物を、アルミナや窒化珪素を用いるよりも軽くすることができ、また、速く移動させることができ、駆動源への負担も少なくでき、制御性が高い構造物を得ることが出来る。制御性の高い構造物を得るため、特に３以下、さらには２．８以下が好ましい。
【００２３】
また、吸水率を０．１％とすることが重要である。吸水率が０．１％を超えると開気孔が多くなり、水分やガスの吸着が増加し、クリーン環境を維持することができなくなり、湿度を調整する必要のある場所や、ガスの発生を嫌う場所等において用いることができない。特に、真空では、開気孔に水が多量に吸着されていると高真空に達するまでの時間が長くなり、また、エッチングや成膜等のプロセスの最中に不純物ガスとして混入し、不良の原因となる。
【００２４】
また、吸水率が０．１％を超えて大きくなると、開気孔と同時に閉気孔も増え、強度が低下するため、ステージ装置のように動く構造物として使用すると破壊しやすくなるという欠点が強調されてくる。従って、水分や吸着ガスの影響をより小さくし、高い強度を維持するため、吸水率は特に０．０８％以下、さらには０．０６％以下であることが好ましい。
【００２５】
また、本発明によって得られるセラミックスは、１５０ＧＰａ以上のヤング率を示すことが重要である。ヤング率が１５０ＧＰａよりも小さいと、コージェライト等の従来の低熱膨張セラミックスと同様に、高速移動による振動や変形を効果的に防止することが出来ず、より高性能の耐変形性を有するため、１６５ＧＰａ以上、さらには１８０ＧＰａ以上が好ましい。
【００２６】
このように、本発明によって得られるセラミックスは、軽量且つ低熱膨張という特徴を有し、工作機械、精密機械、評価装置、半導体製造装置等の各産業分野における軽量セラミック部材等に好適に用いることができる。
【００２７】
次に、本発明の緻密質セラミックの製造方法について説明する。
【００２８】
まず、平均粒径が１〜６μｍに調整されたコージェライト粉末を準備する。コージェライトの添加量は、Ｘ線回折により、２θが２４．６〜２４．８°、２４．７〜２４．９°に主たる２つの回折ピークをもつ結晶相を析出させるとともに緻密化を安定して充分に行うために、下記の窒化物を含有せしめるため、８０重量％以下、特に７０重量％以下、更には６０重量％以下であることが望ましい。
【００２９】
また、平均粒径２μｍ以下の、少なくともＡｌを含む窒化物粉末と、Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉのうち窒化物でない元素の酸化物、水酸化物、酸窒化物、炭酸塩のうち少なくとも１種からなる粉末を準備することが重要である。窒化物を加えることによって、比較的低温において緻密化させることができる。
【００３０】
例えば、Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉがコージェライト以外の化合物で、かつＡｌの窒化物を含むものとして、ＭｇＯ粉末、ＡｌＮ粉末及びＳｉ_３Ｎ_４粉末の組合せで用いることができる。この他の窒化物としてはＭｇＮ、ＳｉＡｌＯＮを、水酸化物としてはＭｇＯＨ、炭酸塩としてはＭｇＣＯ_３を例示出来る。
【００３１】
緻密質体の製造に用いる原料のうち、コージェライト粉末を除いた原料、即ちＭｇ、Ａｌ及びＳｉを含む粉末は、Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉが酸化物換算で略コージェライト組成になることが重要である。例えばＭｇＯ：Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂の比が１〜３：１〜３：４〜６の比が良好な緻密化を得る点で好ましい。
【００３２】
また、焼結性を促進するためにアルカリ土類金属化合物（ＣａＯ、ＣａＣＯ₃）粉末、希土類金属化合物（Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃等）粉末を焼結助剤としてそれぞれ０．１〜１０重量％の範囲で添加することが好ましい。これらの中でも耐水性、化学的安定性の点で希土類酸化物Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃及びＳｍ₂Ｏ₃が好ましい。
【００３３】
次いで、上記の粉末を混合する。混合には、ボールミル、ミキサー、ビーズミル等の公知の混合粉砕方法を用いることができる。得られた混合粉末を所望の形状に成形する。成形方法は、金型プレス、鋳込み、ＣＩＰ等の公知の成形方法を用いることができる。
【００３４】
得られた成形体を１２３０〜１３４０℃焼成することが重要である。１２３０℃未満であれば緻密化が不十分であり、１３４０℃を超えると発泡または溶融する。緻密化を促進するためには非晶質相が形成される必要があり、非晶質相の形成を促進するため、特に１２５０〜１３３０℃、更には１２９０〜１３２０℃であることが好ましい。
【００３５】
また、焼成雰囲気は、良好な緻密化組織を形成するために不活性雰囲気又は還元性雰囲気等の非酸化性雰囲気で行うことが好ましい。特に、窒素、水素、アンモニア分解ガス、Ａｒ等の不活性ガス及びこれらの混合ガス中で焼成することが好ましい。これらの中でも、窒素、窒素と水素の混合ガスが特性向上、安全性及び低コスト化の点で好ましい。窒素と水素の混合ガスを用いる場合、水素ガスの量は安全性のため５〜２０％が望ましい。
【００３６】
焼成が酸素を含む雰囲気中で焼成すると、Ｘ線回折により２θが２４．６〜２４．８°の回折ピーク１、２４．７〜２４．９°の回折ピーク２がいずれも観察されず、コージェライト化する傾向がある。なお、酸素を含む雰囲気であっても、カーボン粉末等の中に成形体を埋めるようにして焼成し、成形体周囲の酸素を酸化炭素にすることによって擬似的に成形体を還元性雰囲気にしても良い。
【００３７】
また、不活性雰囲気又は還元性雰囲気等の非酸化性雰囲気で焼成することにより、窒化物の急激な分解を抑制し、形成された非晶質相が窒素を含有し、剛性の高い緻密質体を得ることができるという効果も有する。
【００３８】
以上の製造方法により、本発明のセラミックスを製造することができる。
【００３９】
【実施例】
合成後２μｍ、純度９９．８％のコージェライト粉末と、平均粒径が２μｍ以下のＭｇ（ＯＨ）₂粉末_、ＭｇＣＯ₃粉末、ＭｇＯ粉末、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ＡｌＮ粉末、ＳｉＯ₂粉末、ＳｉＣ粉末、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末と、焼結助剤として平均粒径が２μｍ以下のＹｂ₂Ｏ₃粉末、Ｙ₂Ｏ₃粉末、Ｓｍ₂Ｏ₃粉末とを表１に示す比率に調整し、溶剤としてＩＰＡ、混合メディアとして、耐摩耗アルミナボールを添加したミルで２４時間混合した。得られた混合粉末の平均粒径は２μｍであった。その後、パラフィンワックスを添加し、造粒粉体とし、９８ＭＰａで金型成形した。
【００４０】
得られた成形体を２５０℃の窒素気流中で２時間熱処理し、しかる後にＭｏ金属板にのせ、大気圧下において表２に示す条件で焼成した。
【００４１】
また、試料Ｎｏ．２７は、Ｈ₂及びＣＨ₃ＳｉＣｌ₃とを用いて１４００℃で熱ＣＶＤ法により炭化珪素を作製した。
【００４２】
次いで、得られた試料の評価を行った。まず、アルキメデス法を用いて、比重、吸水率を測定した。また、得られた緻密体を乳鉢で粉砕し、２θが２０°から８０°までＸ線回折を行った。回折条件は、Ｃｕ管球を用い、管電圧５０ｋＶ、管電流２００ｍＡ、ステップ幅０．０２°、計数時間０．５ｓｅｃで行った。熱膨張係数は、リガク社製ＴＡＳ−２００測定器を用いてＴＭＡ法により０〜１００℃での試料の伸びを測定し、０〜２５℃の熱膨張係数を算出した。さらに、ヤング率はＪＩＳＲ１６０２−１９９５に準拠した超音波パルス法を用いて測定した。結果を表１、２に示した。なお、試料Ｎｏ．１、２、２６は参考例である。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
本発明の試料Ｎｏ．３、４、７〜１３、１５、１６及び１８〜２５は、２４．６〜２４．８°、および２４．７〜２４．９°に回折ピーク１、２を有し、回折ピーク３が２０〜４０°にブロードに観察され、比重が２．６〜３．１、吸水率が０．０３〜０．０９％、熱膨張率が０．９〜３．０×１０^−６／℃であった。
【００４６】
一方、コージェライトのみを原料とする本発明の範囲外の試料Ｎｏ．５は、Ｘ線回折においてコージェライトのみのピークが観察され、２４．６〜２４．８°、および２４．７〜２４．９°に回折ピークが見られず、吸水率が１２％と大きく、焼結性が悪かった。
【００４７】
また、窒化物を原料に含まない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．６は、Ｘ線回折においてコージェライトのみのピークが観察され、２４．６〜２４．８°、および２４．７〜２４．９°に回折ピークが見られず、吸水率が１２％と大きく、焼結性が悪かった。
【００４８】
さらに、焼成温度が１１７０℃と低い本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１４は、吸水率が１７％と大きかった。
【００４９】
さらにまた、焼成温度が１３６０℃と高い本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１７は、試料が発泡してしまい緻密体を得ることが出来なかった。
【００５０】
また、炭化珪素からなる本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２７は、熱膨張率が３．５×１０^-6／℃と大きかった。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、コージェライト粉末に加えて、Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉ元素を含み、且つ少なくともその一部が窒化物粉末からなる成形体を焼成することによって、特定の結晶相を含有し、軽量・低熱膨張の緻密質体が得られる。
【００５２】
本発明によって得られるセラミックスは、０〜２５℃の熱膨張係数が０〜３×１０^−６／℃、ヤング率が１５０ＧＰａ以上、比重が３．１以下、吸水率が０．１％以下という特徴を有するため、軽量、低熱膨張且つ高剛性という特徴を有し、工作機械、精密機械、評価装置、半導体製造装置等の各産業分野における軽量セラミック部材等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって得られるセラミックスのＸ線回折スペクトルである。
【図２】本発明によって得られるセラミックスの他のＸ線回折スペクトルである。
【図３】本発明によって得られるセラミックスの更に他のＸ線回折スペクトルである。

Claims

平均粒径が１〜６μｍのコージェライト粉末を５０〜８０重量％と、前記コージェライト粉末以外のＭｇ、Ａｌ及びＳｉを含む粉末として、少なくともＡｌを含む窒化物粉末と、前記Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉのうち前記窒化物粉末を形成していない他の元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩のうち少なくとも１種からなる粉末とを含み、前記コージェライト粉末の元素を除いた前記Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉが酸化物換算でＭｇＯ：Ａｌ_２Ｏ_３：ＳｉＯ_２の比にして１：１／３〜３：４／３〜６となるよう配合した成形体を、非酸化性雰囲気において１２３０℃〜１３４０℃で焼成することを特徴とするセラミックスの製造方法。