JP5685936B2 - セラミックス円筒形成形体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロン型回転カソードスパッタリング装置等に用いられるセラミックス円筒形スパッタリングターゲット等を製造するための、セラミックス円筒形成形体およびその製法に関するものである。

マグネトロン型回転カソードスパッタリング装置に用いられる円筒形スパタリングターゲットは、円筒形状への加工が容易で機械的強度の強い金属ターゲットでは広く普及しているが、強度が低く脆いセラミックスターゲットにおいては、製造中に割れや変形などが発生し易く、一部の特殊な方法で製造されたターゲットしか使用されていなかった。

セラミックスの円筒形スパタリングターゲットの製法としては、例えば、円筒形状の冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）型に原料粉末を充填しこれをＣＩＰする方法、あるいは原料粉末を予め円筒状に予備成形し、得られた予備成形体をＣＩＰする方法などがある（例えば特許文献１）。この方法では、振動テーブルにＣＩＰ型を載せ、ＣＩＰ型に振動を与えながら心棒と円筒形状外枠との隙間にセラミックス原料粉末をロートを使って充填する。この時、ロートは隙間に沿って回転させながら原料粉末を注入する。この方法では、ＣＩＰ型に振動を与えて全体が均一になるように充填するが、振動テーブルには場所によって振動の偏りがあるために、すべての位置に均一に振動が伝わらない。また、粉末を注入する際にロートを回転させるため、装置が煩雑になり、また回転速度を上げると粉末が舞うなどの問題が生じていた。

これらの問題により、この方法では充填状態に偏りが生じていた。したがって、これをＣＩＰ成形して得られた成形体は円周方向に厚みムラが生じるため、成形体を所定の寸法に切削加工せざるを得ず、原料歩留りは使用原料粉末に対して、６５％未満に留まっていた。

特許第２９１３０５４号明細書

本発明の課題は、セラミックス円筒形成形体を寸法精度よく、特に円周方向の厚みの均一性が高く、またバインダーを添加しなくても、セラミックス粉末からＣＩＰ法によって粉末成形体を得ることによって、歩留まりの高い成形体およびその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。即ち本発明は、以下のとおりである。
（１）円筒軸方向の８０％以上の部分において、同一円周方向の厚みむらが１０％未満であることを特徴とする、セラミックス円筒形成形体。
（２）円柱状心棒と円筒状の型枠を有する成形型にセラミックス粉末を充填し、冷間静水圧プレス成形する成形体の製造方法において、円柱状心棒の中心軸を中心として成形型を回転させながら成形型にセラミックス粉末を充填することを特徴とする、（１）に記載のセラミックス円筒形成形体の製造方法。
（３）成形型の上方にあって固定されているロートを用いて、成形型にセラミックス粉末を充填する、（２）に記載のセラミックス円筒形成形体の製造方法。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明のセラミックス円筒形成形体の組成は特に限定されるものではないが、例えば、透明導電膜などに用いられる光学薄膜材料である、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２等、またはそれらの原料粉末等を挙げることができる。

本発明において同一円周方向の厚みむらとは、以下のように定義する。即ち、図１のような成型体１００が得られたとき、測定断面１１０から１１６を設定する。測定断面１１０から１１６の位置やその測定箇所は特に問わないが、全体の断面を見ることで厚みむらが少ない領域を広く判断するためには、５箇所以上の測定断面について測定することが望ましい。その測定断面を上部から見た模式図が図２となる。この測定断面について複数の測定箇所１２１の厚みを測定する。その測定箇所はなるべく均等な間隔にて、多く測定することが望ましく、少なくとも４点以上測定することが望ましく、さらに望ましくは８点以上測定する。この測定断面１１０における厚みの測定結果から厚みむらを以下の計算式にて計算する。
厚みむら（ｍｍ）＝（測定断面中最大厚み）−（測定断面中最小厚み）
厚みむら（％）＝［（（測定断面中最大厚み）−（測定断面中最小厚み））／（測定断面内平均厚み）］×１００
この厚みむらを各測定断面について計算する。この各測定断面での厚みむらの値から厚みむら有効長の計算を行う。例えば厚みむら１０％未満有効長を計算する場合、測定断面１１０から１１６まで測定を行い、測定断面１１１、１１２、１１３、１１４の厚みむらが１０％未満であったなら、測定断面１１１と１１４の距離を測定し、全体の長さとの比をとることで厚みむら１０％未満有効長の数値とする。また厚みむら１０％未満の部分が複数の箇所に離れて存在する場合は、そのうちの長い方の長さを用いて、厚みむら１０％未満有効長を求める。本発明における円筒軸方向の８０％以上の部分において、同一円周方向の厚みむらが１０％未満のセラミックス円筒形成形体とは、ここでいうところの、厚みむら１０％未満有効長が８０％以上であることに相当するものである。

本発明における円筒形状のセラミックス成形体の製造方法は、ＣＩＰにより円筒形状の粉末成形体を得るが、セラミックス粉末をＣＩＰする場合、円周方向の厚みを均一にするために、例えば図３から図６に示すような成形型を用いることができる。図３から図６に示すＣＩＰ型１０は上下蓋部２０、円筒状の型枠３０および円柱状心棒４０の部分から構成される。

上下蓋部および円筒状の型枠の材質については特に限定しないが、円筒状の型枠は弾力性のあるウレタンゴムやシリコンゴム、天然ゴム等を用いることが望ましい。円柱状心棒はＣＩＰ成形後に成形品が抜き易いことが必要であることから滑らかな表面をもった硬い材質であることが望ましく、例えば金属や硬質プラスチックなどを用いることができる。

さらに、厚みむらを軽減するためには円柱状心棒に対して円筒状の型枠が一定の距離にある事が望ましい。なぜなら円筒状の型枠と円柱状心棒との距離が一定でない場合、場所による充填量が変動し、粉末を均一に投入したとしても、均一な充填粉末を得ることができない恐れがあるからである。その距離は成型用の原料や作製する成型体の厚みにもよるが、心棒の表面と外枠の内側の距離のばらつきは１０％以内に抑えることが望ましく、さらに望ましくは５％以内である。

また、円筒状の型枠は充填の際になるべく変形しないことが望ましく、充填の際に変形すると変形量だけ充填量が変動し、均一な厚みの成形体が得られにくくなる。例えば、充填粉末の重量では変形しないような硬い枠を充填の際に設置しておくのが望ましい。

セラミックス原料粉末の状態は特に限定しないが、通常は流動性が良く、かさ密度が高いものが望ましい。しかし、本発明の製造方法を用いると、充填時に均一に投入が可能であるため、粉末の流動性には大きく左右されない。即ち、流動性の指標とされる安息角として、３５°以上の流動性の悪い粉末を用いたとしても均一な充填が可能となる。かさ密度については、タップ密度で定義される密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、より望ましくは１．８ｇ／ｃｍ^３である。また、成形性を向上させるためのバインダーは添加してもしなくてもよいが、添加しないほうが望ましい。

ＣＩＰ型１０は例えば図７のように、ターンテーブル５０に接合して、円柱状心棒４０を下蓋部２０に設置し用いられ、円筒状の型枠３０と円柱状心棒４０に挟まれる部分にセラミックス粉末が充填される。

この時、セラミックス原料粉末は支持台６０に固定されたロート７０を通してＣＩＰ型１０に注入されることが好ましい。ロート７０はＣＩＰ型の上方にあって、円筒状の型枠３０と円柱状心棒４０の隙間にロート７０の先端が位置するように固定される。ＣＩＰ型１０がターンテーブル５０に接合されているため、ターンテーブル５０の回転数を任意の回転数に設定することによって、円柱状心棒４０の中心軸を中心としてＣＩＰ型１０が回転する。セラミックス原料粉末は、固定されたロート７０を通じてこの回転するＣＩＰ型１０に注入されるため、均一な充填が可能となる。ＣＩＰ型の上部まで十分に原料粉末が充填された後、ＣＩＰ成形するために上蓋部２０を円柱状心棒４０の上に設置する。

充填を行っている間はＣＩＰ型に振動を与えることが望ましい。振動を与えることによって、粉末をより均一に充填することが可能となる。この振動子の位置は特に限定しないが、ＣＩＰ型の回転に対して障害とならないように設置する必要がある。不均一に振動が伝わると、均一に充填した粉末を偏らせる可能性があるため、均一に振動を伝える必要がある。例えばターンテーブル５０を振動テーブル９０などに固定し、振動を与えながらターンテーブルを回転させ充填を行うことにより、振動テーブルの振動が場所により不均一であったとしても、回転により振動の与え方を均一化することができる。その振動の強さは粉末に十分振動が伝わればよく、発振する振動機について加速度として０．１ｍ／ｓ^２以上である事が望ましく、さらに望ましくは０．５ｍ／ｓ^２以上である。

ＣＩＰ成形する際の圧力は、成形体の形状を保つことができるだけの強度が必要であり、そのためには５００ｋｇ／ｃｍ^２以上で行うことが好ましく、さらにＣＩＰ圧を上げることにより得られる円筒形状のセラミックス粉末成形体の密度は向上し、成形体の強度も向上する。高圧下でＣＩＰすると、成形体の密度及び強度は向上するが、圧力の偏りが大きくなり、また、加圧された時に円柱状心棒の収縮が大きくなるために、圧力開放時に成形体に割れやクッラックが発生することがあるので、成形型を用いた場合の圧力は５００〜３０００ｋｇ／ｃｍ^２で成形することが望ましい。

さらに成形体の密度及び強度を向上させたい場合はＣＩＰを２段階以上に分けて行うことにより、クラックの発生を抑制することができる。このとき、一段階目におけるＣＩＰは５００〜３０００ｋｇ／ｃｍ^２程度の圧力下で行い、円筒形状の一次成形体を得る。次いで二段階目あるいはそれ以上の段階のＣＩＰでは、前段階で得られた成形体を真空包装用の袋に入れ、真空脱気を行った後、一次成形体作製時以上の圧力でＣＩＰすることが望ましい。

以上のような製造方法を用いることにより、円筒軸方向の８０％以上の長さの範囲で同一円周方向の厚みむらが１０％未満のセラミックス成形体を得ることができる。さらに切削量を軽減するためには円筒軸方向の９０％以上の長さの範囲で同一円周方向の厚みむらが１０％未満であることが望ましく、更に望ましくは円筒軸方向の９０％以上の長さの範囲で同一円周方向の厚みむらが５％未満であることが望ましい。

本発明によれば、円筒軸方向の８０％以上の部分において、同一円周方向の厚みむらが１０％未満であるセラミックス円筒形成形体を製造でき、成形体の寸法調整のための切削工程が簡素化される。また、切削量が減少することで原料使用量を軽減し、効率的な生産が可能となる。

成型体における測定断面位置の一例を示す図である。 成型体測定断面における厚み測定位置の一例を示す図である。 ＣＩＰ型の一例を示す断面図である。 ＣＩＰ型の一例を示す断面図である。 ＣＩＰ型の一例を示す断面図である。 ＣＩＰ型の一例を示す断面図である。 セラミックス原料粉末をＣＩＰ型に導入する装置の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例をもって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
市販の酸化インジウム粉末１９００ｇ、酸化スズ粉末１００ｇならびにパラフィン１００ｇを、１０Ｌのナイロン製ポット中で、直径１５ｍｍの鉄心入り樹脂製ボールを用いて、回転ボールミルにより１６時間乾式混合し、得られた原料粉末を５００μｍの篩を用いて粒度の調整を行った。これを繰り返し行い、原料粉末を１０ｋｇ作製した。この原料粉末を図７に示すＣＩＰ型充填装置を用いて、ターンテーブルを振動テーブルに固定して、ターンテーブルの回転数を１５ｒｐｍとして、振動テーブルの加速度を１．０ｍ／ｓ^２として振動を与えながらＣＩＰ型に充填した。そのときのＣＩＰ型は図３に則した構造のものを用い、ＣＩＰ型の最下部における円柱状心棒４０の表面と円筒状の型枠３０の距離のばらつきは１０％であった。原料粉末の物性は軽装かさ密度１．２ｇ／ｃｍ^３、タップ密度１．８ｇ／ｃｍ^３、安息角３８°であった。充填量は９０００ｇであった。

なお、用いたＣＩＰ型は、外径１６５ｍｍの円柱状の心棒と、内径２１０ｍｍ、長さ３５０ｍｍのウレタンゴム製の円筒状の型枠を有するものであった。

その後、上蓋をし、上下蓋部をテープで固定し、これを０．３ｍｍ厚の樹脂製真空包装用袋中に真空封止し、２０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でＣＩＰし、円筒形状の成形体を得た。得られた成形体は表１のような寸法の成形体となった。

成形体については、円筒軸方向に所定の数に分割した位置で、円周方向を８等分し、夫々の厚みを厚み計（ミツトヨ製ＤＩＡＬ ＣＡＬＩＰＥＲ ＧＡＧＥ型Ｎｏ．２０９−６０２）で測定した。その結果を表１〜３に示す。全体の９５％までが厚みムラ１０％以内になる成形体を得ることができた。

（実施例２）
市販の酸化インジウム粉末１９００ｇ、酸化スズ粉末１００ｇを、１０Ｌのナイロン製ポット中で、直径１５ｍｍの鉄心入り樹脂製ボールを用いて、回転ボールミルにより１６時間乾式混合し、得られた原料粉末を５００μｍの篩を用いて粒度の調整を行った。これを繰り返し行い、原料粉末を１０ｋｇ作製した。この原料粉末を図７に示すＣＩＰ型充填装置を用いて、ターンテーブルを振動テーブルに固定して、ターンテーブルの回転数を１５ｒｐｍとして、振動テーブルの加速度を１．０ｍ／ｓ^２として振動を与えながらＣＩＰ型に充填した。そのときのＣＩＰ型は図４に則した構造のものを用い、ＣＩＰ型の最下部における円柱状心棒４０の表面と円筒状の型枠３０の距離のばらつきは３％であった。原料粉末の物性は軽装かさ密度１．２ｇ／ｃｍ^３、タップ密度１．８ｇ／ｃｍ^３、安息角４２°であった。充填量は９０００ｇであった。その後、実施例１と同様な処置にてＣＩＰ処理を行い、円筒形状の成形体の作製および測定を行った。その測定結果を表１〜３に示す。全体の９５％までが厚みムラ５％以内になる成形体を得ることができた。

（実施例３）
実施例２と同様にして、但し粉末として５０％体積粒度分布径が０．７８μｍの酸化亜鉛と０．４５μｍの酸化アルミニウムを、組成が酸化亜鉛：酸化アルミニウム＝９８：２（ｗｔ％）となるように用いて原料粉末を作製し、ＣＩＰ型に充填した。その際、ＣＩＰ型は図５に則した構造のものを用い、ＣＩＰ型の最下部における円柱状心棒４０の表面と円筒状の型枠３０の内面の距離のばらつきは５％であった。原料粉末の物性は安息角４１°タップ密度１．９ｇ／ｃｍ^２であった。原料粉末の作製方法以外は実施例１と同様にして、円筒形状の成形体の作製および測定を行った。その測定結果を表１〜３に示す。

（比較例１）
実施例１と同様にして、但し、ターンテーブルの回転を行わずに、代わりにロートを円柱状心棒と円筒状の型枠との隙間に沿うように回転させながら、かつロートをＣＩＰ型にタッピングさせながら原料粉末を充填した。その後は実施例１と同様にして、円筒形状の成形体の作製および測定を行った。その測定結果を表１〜３に示す。

表１〜３により、セラミックス粉末をＣＩＰ成形する円筒形セラミックス成形体の製造方法において、成形型を回転させずにタッピング充填する方法では、原料粉末の充填量が均一でないため、ＣＩＰ成形して得られる成形体は同一円周方向の厚みムラが大きく、１０％を越え、寸法精度が劣るものであった。一方、本発明による、成形型を回転させながらセラミックス原料粉末を充填して、ＣＩＰ成形して得られた円筒形成形体は、同一円周方向の厚みが何れも１０％未満であり、寸法形状精度が高い成形体が得られることが明らかとなった。

１００：成型体
１１０〜１１６：測定断面
１２１：測定箇所
１０：ＣＩＰ型
２０：上下蓋部
３０：円筒状の型枠
４０：円柱状心棒
５０：ターンテーブル
６０：支持台
７０：ロート
８０：原料粉末
９０：振動テーブル

Claims (3)

1. 円筒軸方向の８０％以上の部分において、同一円周方向の厚みむらが５％未満であることを特徴とする、セラミックス円筒形成形体。
2. 円柱状心棒と円筒状の型枠を有し、円柱状心棒の表面と型枠の内側の距離のばらつきが５％以内である成形型にセラミックス粉末を充填し、冷間静水圧プレス成形する成形体の製造方法において、円柱状心棒の中心軸を中心として成形型を回転させながら成形型にセラミックス粉末を充填することを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス円筒形成形体の製造方法。
3. 成形型の上方にあって円柱状心棒と型枠の隙間に先端が位置するように固定されているロートを用いて、成形型にセラミックス粉末を充填する、請求項２に記載のセラミックス円筒形成形体の製造方法。

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