JP6982000B2 - 配向AlN焼結体及びその製法 - Google Patents
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Description
板面がc面であり、アスペクト比が3以上、平均厚さが0.05〜1.8μmの板状AlN粉末を含むAlN原料粉末に焼結助剤を混合した混合物を成形して成形体を作製する工程であって、前記板状AlN粉末の板面が前記成形体の表面に沿うように前記混合物を成形する第1工程と、
前記成形体の表面を加圧しながら非酸化雰囲気下、前記成形体をホットプレス焼成して配向AlN焼結体を得る第2工程と、
を含むものである。
板面がc面である板状AlN粉末を含むAlN原料粉末に焼結助剤を混合した混合物を成形して成形体を作製する工程であって、前記板状AlN粉末の板面が前記成形体の表面に沿うように前記混合物を成形する第1工程と、
前記成形体の表面を加圧しながら非酸化雰囲気下、前記成形体をホットプレス焼成して配向AlN焼結体を得る第2工程と、
を含むものである。
1.高配向AlN焼結体の製法
(1)板状AlN粉末の合成
板状アルミナ(キンセイマテック(株)製)を100g、カーボンブラック(三菱化学(株))を50g 、φ2mmのアルミナ玉石を1000g、IPA(トクヤマ(株)製、トクソーIPA)を350mL、それぞれ秤量してポリポット容器に入れ、30rpm で240分間粉砕・混合した。なお、板状アルミナとしては、平均粒径が2μm、5μm、7μmのものを用いた。平均粒径が2μmのものは平均厚さが0.08μmでありアスペクト比が25であった。平均粒径が5μmのものは平均厚さが0.07μmでありアスペクト比が70であった。平均粒径が7μmのものは平均厚さが0.1μmでありアスペクト比が70であった。その後、ロータリーエバポレータにより乾燥した。乾燥した板状アルミナ−炭素混合物を乳鉢で軽く粉砕し、カーボン製坩堝にそれぞれ100g充填し、高温雰囲気炉中にセットした。窒素を3L/ m i n 流通させながら、昇温速度200℃/hrで1600℃ まで昇温し、その温度で20時間保持した。反応終了後、自然冷却し、坩堝よりサンプルを取り出した。更に、残存している炭素を除去するためマッフル炉を用いて酸化雰囲気下、650℃で10hr熱処理し、板状AlN粉末を得た。
C3Aは、以下のようにして合成した。まず、炭酸カルシウム(白石(株)製、Silver−W)56g、γ―アルミナ(大明化学工業(株)製、TM−300D)19g、φ15mmのアルミナ玉石1000g、IPA(トクヤマ(株)製、トクソーIPA)125mLをポリポット容器に入れ、110rpm で120分間粉砕・混合した。その後、ロータリーエバポレータにより乾燥し、混合粉末を調製した。この混合粉末をアルミナ製坩堝に70g充填し、大気炉中にセットした。昇温速度200℃/hrで1250℃ まで昇温し、その温度で3時間保持した。反応終了後、自然冷却し、坩堝よりサンプルを取り出した。C2Aは、炭酸カルシウム47g、アルミナ24gを用いて上記と同様に合成し、C3AとC12A7から構成される助剤とした。また、C4Aは、C3Aを40gとCaCO3を15g混合して合成した。なお、C3A,C2A,C4AのCaO/Al2O3(モル比)はそれぞれ3,2,4である。
上記(1)で得られた板状AlN粉末と、市販の球状AlN粉末(トクヤマ(株)製、Fグレード、平均粒径1.2μm)と、上記(2)で得られたCa−Al−O系助剤とを、それぞれ表1及び表2に示す質量割合で合計20gとなるように秤量した。これらを、φ15mmのアルミナ玉石300gとIPA(トクヤマ(株)製、トクソーIPA)60mLと共にポリポット容器に入れ、30rpm で240分間粉砕・混合した。その後、ロータリーエバポレータにより乾燥し、混合粉末を調製した。
上記(3)で調製した混合粉末100質量部に対し、バインダとしてポリビニルブチラール(品番BM−2、積水化学工業製)7.8質量部と、可塑剤としてジ(2−エチルヘキシル)フタレート(黒金化成製)3.9質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン(レオドールSP−O30、花王製)2質量部と、分散媒として2−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを用いてテープ成形体を作製した。すなわち、板状AlN粉末の板面(c面)がテープ成形体の表面に沿って並ぶように、ドクターブレード法によってスラリーをPETフィルムの上に乾燥後の厚さが100μmとなるようにシート状のテープ成形体に成形した。得られたテープ成形体を直径20mmの円形に切断した後40枚積層し、厚さ10mmのAl板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを85℃の温水中で100kgf/cm2の圧力にて静水圧プレスを行い、円板状の積層成形体を得た。
上記(4)で得られた積層成形体を脱脂炉中に配置し、600℃で10時間の条件で脱脂を行った。実験例1〜15,17〜36では、それぞれ表1,表2に示す焼成条件にしたがって焼成を行い、AlN焼結体を得た。すなわち、脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中、焼成温度(最高到達温度)1800〜1900℃で2〜10時間、面圧200kgf/cm2という条件で焼成し、AlN焼結体を得た。なお、ホットプレス時の加圧方向は、積層成形体の積層方向(テープ成形体の表面と略垂直方向)とした。また、焼成温度から降温する際は室温までプレス圧を維持した。実験例16では、得られた脱脂体を常圧、窒素中、焼成温度(最高到達温度)1880℃で5時間という条件で焼成し、AlN焼結体を得た。
(1)成形体のc面配向度
得られたAlN積層成形体の配向度を確認するため、円板状のAlN積層成形体の上面に対して平行になるようにXRD装置にセットして、X線を照射しc面配向度を測定した。XRD装置(リガク製、RINT−TTR III)を用い、2θ=20〜70°の範囲でXRDプロファイルを測定した。具体的には、CuKα線を用いて電圧50kV、電流300mAという条件で測定した。c面配向度f(%)は、ロットゲーリング法によって算出した。具体的には、以下の式により算出した。式中、Pは得られたAlN積層成形体のXRDから得られた値であり、P0は標準AlN(JCPDSカードNo.076−0566)から算出された値である。なお、(hkl)として、(100),(002),(101),(102),(110),(103)を使用した。
f={(P−P0)/(1−P0)}×100
P0=ΣI0(002)/ΣI0(hkl)
P=ΣI(002)/ΣI(hkl)
不純物金属量は、JIS R1649に準拠した加圧硫酸分解法にて、ICP(誘導結合プラズマ)発光分析装置(日立ハイテクサイエンス製 PS3520UV−DD)を使用して分析した。ここでは、不純物金属として、Si,Fe,Ti,Ca,Mg,K,Na,P,Cr,Mn,Ni,Zn,Ga,Y,Zrについて測定した。酸素量は、JIS R1675(ファインセラミックス用AlN微粉末の化学分析方法)に従い、不活性ガス融解−赤外線吸収法で測定した。
JIS R1634(ファインセラミックスの焼結体密度・開気孔率の測定方法)に従い、かさ密度を測定し、理論密度を3.260として、相対密度を算出した。
得られたAlN焼結体の配向度を確認するため、円板状のAlN焼結体の上面に対して平行になるように研磨加工した後、その研磨面に対してX線を照射しc面配向度を測定した。XRD装置(リガク製、RINT−TTR III)を用い、2θ=20〜70°の範囲でXRDプロファイルを測定した。具体的には、CuKα線を用いて電圧50kV、電流300mAという条件で測定した。c面配向度f(%)は、ロットゲーリング法によって算出した。具体的には、以下の式により算出した。式中、Pは得られたAlN焼結体のXRDから得られた値であり、P 0 は標準AlN(JCPDSカードNo.076−0566)から算出された値である。なお、(hkl)として、(100),(002),(101),(102),(110),(103)を使用した。
f={(P−P0)/(1−P0)}×100
P0=ΣI0(002)/ΣI0(hkl)
P=ΣI(002)/ΣI(hkl)
得られたAlN焼結体の任意の断面をダイヤモンド砥粒を用いて予備研磨した後、クロスセクションポリッシャ(CP)(日本電子製、SM−09010)で研磨した。CPはイオンミリングの範疇に属する。得られた断面を走査型電子顕微鏡(日本電子製、JSM−6390)にて倍率2000倍で反射電子像を撮影した。
まず、サンプルを研磨した。具体的には、9μmのダイヤモンドを塗布したバフを用いて、研磨圧力180g/cm2、研磨時間20分で研磨した。その後、3μmのダイヤモンドを塗布したバフを用いて、研磨圧力180g/cm2、研磨時間20分で研磨した。研磨後、研磨表面の一部をマスキングして腐食性環境に曝し、耐食試験を行った。具体的には、腐食性ガスとしてフッ化窒素(NF3)を流量75sccm(standard cm3/min)で供給し、高周波(RF)電圧を800W印加してプラズマを発生させ、600℃の高温腐食性環境で5時間保持した。尚、バイアスはかけなかった。耐食試験後、表面粗さ(Rmax)を表面粗さ計で測定した。耐食試験前のRmaxは0.5μmであった。耐食性は以下のA〜Dの4段階で評価した。
A:Rmaxが1μm以下
B:Rmaxが1μm超1.5μm以下
C:Rmaxが1.5μm超2μm以下
D:Rmaxが2μm超
表1及び表2に各実験例のAlN焼結体の評価結果を示す。実験例1〜15,17,18,23,25〜28,30〜36では、得られたAlN焼結体はいずれもc面配向度が70%以上と高く、耐プラズマ性(耐食性)も優れたものであった。一方、実験例16では、ホットプレス焼成ではなく常圧焼成を採用したため、c面配向度が44%と十分高くならなかった。実験例19〜21,29では平均厚さが1.8μmを超えていたため、十分な耐食性が得られなかった。実験例22,24では、使用した板状AlN粉末のアスペクト比が3未満だったため、c面配向度がそれぞれ10%、40%と低く、十分な耐食性も得られなかった。
Claims (9)
- 板面がc面であり、アスペクト比が3以上、平均厚さが0.05〜1.8μm、平均粒径が2〜20μmの板状AlN粉末を含むAlN原料粉末に焼結助剤を混合した混合物を成形して成形体を作製する工程であって、前記板状AlN粉末の板面が前記成形体の表面に沿うように前記混合物を成形する第1工程と、
前記成形体の表面を加圧しながら非酸化雰囲気下、前記成形体をホットプレス焼成して配向AlN焼結体を得る第2工程と、
を含む配向AlN焼結体の製法。 - 前記第1工程では、前記板状AlN粉末に含まれる粒子は、凝集せず分離している、
請求項1に記載の配向AlN焼結体の製法。 - 前記第1工程では、前記混合物をシート状に成形したテープ成形体を複数積層して積層成形体とし、
前記第2工程では、前記積層成形体をホットプレス焼成する、
請求項1又は2に記載の配向AlN焼結体の製法。 - 前記AlN原料粉末は、前記板状AlN粉末のほかに球状AlN粉末を含む、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の配向AlN焼結体の製法。 - 前記焼結助剤は、CaとAlとの複合酸化物又は希土類酸化物である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の配向AlN焼結体の製法。 - AlN焼結粒子同士の間に焼結助剤に由来する成分を含む粒界相が存在し、ロットゲーリング法によるc面配向度が70%以上であり、相対密度が98.6%以上である、
多結晶構造の配向AlN焼結体。 - 前記焼結助剤は、CaとAlとの複合酸化物又は希土類酸化物である、
請求項6に記載の配向AlN焼結体。 - 前記c面配向度が95%以上である、
請求項6又は7に記載の配向AlN焼結体。 - 相対密度が99.1%以上である、
請求項6〜8のいずれか1項に記載の配向AlN焼結体。
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