JP5950400B2 - 炭素材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低発塵であり、減圧下での使用に適した高密度の炭素材料及びその製造方法に関する。

炭素材料は、耐熱性や耐食性に優れており、特に、高密度で機械的強度に優れた炭素材料は、半導体製造装置用部材や減圧下で用いられる構造材、電極材、ターゲット材等の幅広い用途で使用されている。

このような高密度かつ高強度の焼結体による炭素材料は、従来は、タールやピッチの熱処理物を粒径１０μｍ以下に微粉砕した原料粉末を成形し、焼成することにより製造されていた。
例えば、特許文献１には、タールピッチ類を熱処理して得られた平均粒径１０μｍ以上のメソカーボン小球体を粉砕して平均粒径５μｍ以下の微粉末とし、これを成形し、焼成することにより自己焼結させる高密度炭素材料の製造方法が開示されている。

特開平１−２９０５５９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているような平均粒径５μｍ以下のメソカーボン小球体（メソフェーズカーボン粒子）を成形し、焼成して得られた高密度炭素材料は、ショア硬度は１００未満に止まるものであった。また、該炭素材料は、その骨格をなす微粉末の粒径が小さすぎて、腐食性のガスや液体、活性種等による化学的な攻撃に対する劣化が早く、例えば、プラズマスパッタにおけるターゲット材として使用される場合、発塵が生じたり、寿命が短いという課題を有していた。

したがって、プラズマスパッタにおける高品質のターゲット材として使用可能である炭素材料には、高密度であり、かつ、より高硬度であり、しかも、発塵が少なく、耐久性が高いことが求められる。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、高密度かつ高硬度の焼結体であり、しかも、発塵性が低く、プラズマ照射等の活性化学種の攻撃に対する耐久性が高い炭素材料及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る炭素材料は、カーボン粒子原料がすべてメソフェーズカーボン粒子であり、粒径２０μｍ以上の粒子の含有量が３０〜６０重量％であるメソフェーズカーボン粒子の焼結体からなり、かさ密度が１．９５〜２．１０ｇ／ｃｍ³、ショア硬度が１００以上であることを特徴とする。
このような焼結体による炭素材料は、かさ密度が高く、ショア硬度も高く、しかも、プラズマ照射等の活性化学種の攻撃に対しても、発塵が少なく、耐久性が高いという優れた特性を有している。

このような原料を用いることにより、炭素材料の特性が均一化し、局所的な侵食の抑制や加熱サイクルにおける耐久性の向上が図られる。

本発明によれば、かさ密度が高く、高硬度であり、機械的強度に優れた焼結体からなり、しかも、低発塵性であり、プラズマ照射等の活性化学種の攻撃に対する耐久性に優れた炭素材料が提供される。したがって、本発明に係る炭素材料は、プラズマスパッタのターゲット材や高温真空雰囲気下で用いられる構造材として好適に使用することができる。
また、本発明に係る製造方法によれば、上記のような本発明に係る炭素材料を簡便に得ることができる。

以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る炭素材料は、粒径２０μｍ以上の粒子の含有量が３０〜６０重量％であるメソフェーズカーボン粒子の焼結体からなるものである。
このように、比較的粒径の大きい粒子を微粒子中に所定割合で含有させたメソフェーズカーボン粒子を原料として用いることにより、メソフェーズ粒子を高密度で充填させることができ、かさ密度が高く、かつ、ショア硬度が高い焼結体とすることができる。

メソフェーズカーボン粒子は、メソカーボンとも呼ばれ、通常、コールタールピッチ等を３５０〜５００℃で熱処理することにより得られる。本発明に係る炭素材料においては、このメソフェーズカーボン粒子の粒径を調整して用いる。
粒径２０μｍ以上のメソフェーズカーボン粒子の含有量が３０重量％未満の場合、焼結体のショア硬度の向上が図られず、また、高温環境下での酸化消耗等、化学的な劣化が促進されやすくなる。一方、前記含有量が６０重量％を超える場合は、焼結体のかさ密度が低くなり、曲げ強さが十分とは言えず、また、この場合も化学的な劣化が促進されやすくなる。

前記炭素材料を構成する焼結体のカーボン粒子原料は、すべてメソフェーズカーボン粒子であることが好ましい。すなわち、粒径２０μｍ以上のメソフェーズカーボン粒子以外のカーボン粒子もメソフェーズカーボン粒子であることが好ましい。
粒径２０μｍ未満のカーボン粒子もメソフェーズカーボン粒子を用いることにより、炭素材料の特性が均一化し、加熱サイクルにおける耐久性が向上し、また、局所的な侵食によるピット等の形成が抑制される。

前記炭素材料のかさ密度は１．９５〜２．１０ｇ／ｃｍ³であり、ショア硬度は１００以上である。
このように、本発明に係る炭素材料は、かさ密度が高く、ショア硬度も高いものであり、しかも、プラズマ照射等の活性化学種の攻撃に対しても発塵が少なく、耐久性が高いという利点を備えている。

前記かさ密度が１．９５ｇ／ｃｍ³未満では、炭素材料内の気孔率が高くなり、材料の化学的な劣化が促進されやすくなる。一方、２．１０ｇ／ｃｍ³を超える場合は、焼結体製造時に生じる内部歪みを十分に緩和することができず、機械的強度が低くなる。
また、プラズマスパッタのターゲット材や高温真空雰囲気下での構造材として適用するためには、ショア硬度は１００以上であることが求められる。前記ショア硬度が１００未満では、炭素材料から発塵を生じやすくなるため好ましくない。

上記のような本発明に係る炭素材料は、粒径２０μｍ以上の粒子の含有量が３０〜６０％であるメソフェーズカーボン粒子を、静水圧プレスにより所定形状に成形し、不活性ガス雰囲気下、１５００℃以上の温度で焼結させることにより製造することができる。
このように、比較的粒径の大きい粒子を微粒子中に所定割合で含有させたメソフェーズカーボン粒子を原料として用い、成形した後、高温焼成することにより、上記のような優れた特性を有する炭素材料を容易に得ることができる。

焼結の際は、カーボンの酸化を防止するために、窒素やアルゴン等の希ガスによる不活性ガス雰囲気下で行う。また、焼成温度は、低すぎると、メソフェーズカーボン粒子の焼結が十分に進行しないため、１５００℃以上とする。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
粒径２０μｍ以上のメソフェーズカーボン粒子４０重量％、粒径５μｍ以上２０μｍ未満のメソフェーズカーボン粒子４５重量％及び粒径５μｍ未満のメソフェーズカーボン粒子１５重量％をカーボン粒子原料とし、これを静水圧プレスにより成形した。
得られた成形体を、窒素雰囲気下、９００℃以上に昇温した後、室温まで冷却した。さらに、１０ｔｏｒｒ以下の減圧下、２１００℃で４時間焼成し、１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×３８０ｍｍの焼結体からなる炭素材料を作製した。

［実施例２〜４、比較例１〜６］
カーボン粒子原料の配合割合を下記表１に示す所定量とし、それ以外は実施例１と同様にして炭素材料を作製した。

［比較例７，８］
カーボン粒子原料の材質をメソフェーズカーボン粒子からコークス粒子に変更し、配合割合を下記表１に示す所定量とし、それ以外は実施例１と同様にして炭素材料を作製した。

上記実施例及び比較例で得られた各炭素材料について、各種物性評価を行った。これらの評価結果をまとめて表１に示す。
評価項目のうち、かさ密度、曲げ強さ、固有抵抗は、ＪＩＳ Ｒ ７２２２−１９９７に準拠した方法で、また、ショア硬度は、ＪＩＳＺ ２２４６−１９９２に準拠した方法で測定した。
酸化消耗率は、各炭素材料を２０ｍｍ×２０ｍｍ×１９ｍｍに加工し、大気雰囲気下、８００℃で１２０分間加熱し、デシケータ内で２０分間徐冷した後の重量減少量を、熱処理前の重量で除した値である。
発塵量は、各炭素材料を直径２５ｍｍ、厚さ５ｍｍに加工し、クラス１０００相当のクリーンルーム内で、純水で流水洗浄し、乾燥後、ＡＥＲＯＴＲＡＫポータブルパーティクルカウンター（９１１０；ＴＳＩ社製）にて、粒径０．５μｍ以上の粒子について複数回繰り返し測定し、概ね一定となった際の測定値とした。

上記表１に示したとおり、粒径２０μｍ以上のメソフェーズ粒子の含有量が３０〜６０重量％であり、かつ、かさ密度が１．９５〜２．１０ｇ／ｃｍ³である焼結体からなる炭素材料（実施例１〜４）は、ショア硬度が１００以上であり、機械的強度に優れ、また、高温下で酸化消耗率が低く、発塵量も少ないことが認められた。

Claims (1)

1. カーボン粒子原料がすべてメソフェーズカーボン粒子であり、
   粒径２０μｍ以上の粒子の含有量が３０〜６０重量％であるメソフェーズカーボン粒子の焼結体からなり、かさ密度が１．９５〜２．１０ｇ／ｃｍ³、ショア硬度が１００以上であることを特徴とする炭素材料。