JPH09165264A - 窒化珪素質焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の窒化珪素質焼結体によれば、高い焼結体
が得られる反面、これらの焼結体の被研削性が悪く、加
工コストが高くなるという問題があった。 【解決手段】α率が８０％以下、平均粒径が２〜６μｍ
の窒化珪素粉末、焼結助剤粉末との混合粉末を成形して
得られた窒化珪素７５〜９５重量％、希土類元素酸化物
１〜７重量％、酸化アルミニウム１〜１０重量％、酸化
珪素１〜８重量％の組成からなる成形体を１６００〜１
７５０℃の窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成して、β
−窒化珪素結晶相と、希土類元素、珪素、アルミニウ
ム、酸素および窒素を含む粒界相からなる窒化珪素焼結
体であって、密度が２．９０〜３．１５ｇ／ｃｍ³ 、ヤ
ング率が２４０〜２７０ＧＰａ、最大ボイド径が１００
μｍ以下、靱性（ＫIc）が３〜６ＭＰａ・ｍ^1/2 、室温
における４点曲げ強度が３００〜５００ＭＰａに制御す
ることにより快削性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低熱膨張率、軽
量、高剛性の特性を有しつつ、被研削性能を向上し、加
工コストを低減した半導体製造装置等に使用される快削
性の窒化珪素質焼結体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、耐熱
性、耐熱衝撃性および耐酸化性に優れることからエンジ
ニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タやガスター
ビンエンジン用部品等の熱機関用として応用が積極的に
進められている。

【０００３】この窒化珪素質焼結体を作製するには、焼
結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ 等の希土類元素酸化物や、Ａｌ₂
Ｏ₃ 、ＡｌＮなどのアルミニウム化合物、ＳｉＯ₂ など
を添加して、常圧や、窒素加圧雰囲気中で焼成して緻密
化することが特公昭５２−３６４９号、特公昭５８−５
１９０号にてすでに提案されている。

【０００４】また、窒化珪素質焼結体は、その用途に応
じて、添加する助剤の選択がなされている。例えば、希
土類元素酸化物を必須として、これにＡｌ₂ Ｏ₃ やＭｇ
Ｏ等を添加すると低温で液相が生成されるために、１８
００℃以下の比較的低温の常圧で焼成して緻密化するこ
とができ、この方法によれば、室温強度の高い焼結体を
得ることができるため、室温で使用される用途に多用さ
れている。

【０００５】さらに、高温強度を高めた焼結体として、
Ａｌ₂ Ｏ₃ やＭｇＯ等を添加することなく、希土類元素
酸化物とＳｉＯ₂ 成分との複合化によって、粒界を融点
の高い結晶相により構成した焼結体も提案されている
が、かかる焼結体は、１９００℃以上の窒素加圧雰囲気
中で焼成することが必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
窒化珪素質焼結体によれば、焼結助剤として希土類酸化
物単独や、酸化アルミニウム等との組み合わせにより、
その焼結性が高められ、高密度化され、それにより、強
度及び破壊靭性の高い焼結体が得られる反面、これらの
焼結体の被研削性が悪くなり、加工コストが高くなると
いう問題があった。

【０００７】一方、半導体製造装置用部品等においては
強度、靭性の特性はさほど重要ではなく、むしろ低熱膨
張率、軽量、高剛性の特性が重要である。またこれらの
部品は大型複雑形状であるため被研削性がよいことが要
求され、この被研削性が良いほど加工コストを低減でき
るが、これまで、窒化珪素質焼結体においては、この被
研削性の改善に対してはほとんど報告されていない。

【０００８】従って、本発明の目的は、低熱膨張率、軽
量、高剛性の特性を有しつつ、かつ被研削性の優れた快
削性の窒化珪素質焼結体を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、焼結体の被
研削性を高めるためには、焼結体の組織、強度、靭性値
を制御することが重要であるという見地に基づき検討を
重ねた結果、β−窒化珪素結晶相を主相とし、希土類元
素、珪素、アルミニウム、酸素および窒素を含む粒界相
とからなる焼結体であって、密度が２．９０〜３．１５
ｇ／ｃｍ³ 、ヤング率が２４０〜２７０ＧＰａ、最大ボ
イド径が１００μｍ以下、靱性（ＫIc）が３〜６ＭＰａ
・ｍ^1/2 、室温における４点曲げ強度が３００〜５００
ＭＰａの焼結体において、被研削性が改善されることを
見いだしたのである。

【００１０】また、本発明によれば、かかる焼結体を製
造するための方法として、α率が８０％以下、平均粒径
が２〜６μｍの窒化珪素粉末、焼結助剤粉末との混合粉
末を成形して得られた窒化珪素７５〜９５重量％、希土
類元素酸化物１〜７重量％、酸化アルミニウム１〜１０
重量％、酸化珪素１〜８重量％の組成からなる成形体を
１６００〜１７５０℃の窒素を含む非酸化性雰囲気中で
焼成することを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】窒化珪素質焼結体の被研削性を阻害する大きな
要因は、高強度と高靱性にある。しかし、強度と靱性は
製品として要求される特性を十分に満足する必要がある
が、ある基準を満足していれば、過度の強度および靱性
は必要はない。また、窒化珪素質焼結体の密度、ヤング
率等の他の特性を劣化、あるいは大きく変化させてしま
うと、窒化珪素質焼結体自体の良好な特性を失うことと
なる。

【００１２】従って、本発明では、密度、ヤング率等の
特性を維持しながら、強度および靱性を適度に低めるこ
とにより、被研削性を向上したものである。つまり、ヤ
ング率２４０〜２７０ＧＰａ、密度２．９０〜３．１５
ｇ／ｃｍ³ 、最大ボイド径１００μｍ以下、靱性（ＫI
c）３〜６ＭＰａ・ｍ^1/2 、室温における４点曲げ強度
３００〜５００ＭＰａに制御することにより、研削加工
時における抵抗を低減し快削性に優れた焼結体を得るこ
とができる。特に、かかる特性の焼結体は、半導体製造
用部品として有用である。

【００１３】また、これまで焼結性の向上に高α率の窒
化珪素粉末が用いられていたのを、本発明では、α率が
低く、粒径の荒い窒化珪素粉末を用い、焼結助剤とし
て、少なくとも希土類元素酸化物、酸化アルミニウムお
よび酸化珪素を用いて、希土類元素酸化物の含有比率を
低くし、酸化アルミニウム、酸化珪素の比率を高くする
ことにより、緻密化を促進しつつ、窒化珪素結晶の針状
化を防ぎ、強度、破壊靭性値が過度に高くなるのを防止
することにより、上記のような特性を有する焼結体を作
製することができるのである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の窒化珪素質焼結体は、β
−窒化珪素を主結晶相とし、希土類元素、珪素、アルミ
ニウム、酸素および窒素を含む粒界相により構成され
る。本発明によれば、窒化珪素焼結体において、密度が
２．９０〜３．１５ｇ／ｃｍ³ 、特に３．０〜３．１ｇ
／ｃｍ³ 、ヤング率が２４０〜２７０ＧＰａ、特に２５
０〜２７０ＧＰａ、最大ボイド径が１００μｍ以下、特
に７０μｍ以下、靱性（ＫIc）が３〜６ＭＰａ・
ｍ^1/2 、特に３〜４．５ＭＰａ・ｍ^1/2 、室温における
４点曲げ強度が３００〜５００ＭＰａ、特に４００〜５
００ＭＰａであることが重要である。

【００１５】これは、靱性（ＫIc）が６ＭＰａ・ｍ^1/2
より大きく、あるいは室温強度が５００ＭＰａより大き
い、あるいは密度が３．１５ｇ／ｃｍ³ より大きい、あ
るいはヤング率が２７０ＧＰａより大きいと研削時の抵
抗が大きく被研削性が悪くなり、加工コストが上昇する
ためである。また靱性（ＫIc）が３ＭＰａ・ｍ^1/2 より
小さく、あるいは室温強度が３００ＭＰａより低い、密
度が２．９０ｇ／ｃｍ³ より小さかったり、あるいは焼
結体の最大ボイド径が１００μｍより大きい、あるい
は、ヤング率が２４０ＧＰａより低いと、機械的特性が
製品化において信頼性に欠けるものとなってしまうため
である。このように製品としての最低限の特性を満足し
つつ、強度、破壊靭性値を低く抑えることにより被研削
性を向上し、加工コストを低減できるのである。

【００１６】なお、本発明に用いられる希土類元素とし
ては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げられる。こ
れらの中でも安価に入手できる点では、Ｙが好ましい。

【００１７】次に、上記のように密度、ヤング率等の特
性を維持しつつ強度、靭性値を低下させて快削性に優れ
た窒化珪素質焼結体を作製する方法について説明する。
まず、原料粉末として、用いる窒化珪素粉末は、α率が
８０％以下、特に７０％以下、平均粒径が２〜６μｍ、
特に３〜５μｍの低α率の粒径の大きい粉末を使用す
る。そして、この粉末に対して、希土類元素酸化物、酸
化アルミニウム、場合によっては酸化珪素を添加する。
これらの成分は、成形体組成において、窒化珪素が７５
〜９５重量％、特に８０〜９０重量％、希土類元素酸化
物が１〜７重量％、特に３〜６重量％、酸化アルミニウ
ムが１〜１０重量％、特に３〜８重量％、酸化珪素が１
〜８重量％、特に２〜５重量％となるように配合され
る。 このように、α率が低く、粒径の荒い窒化珪素粉
末を用い、希土類元素酸化物の含有比率を低くし、酸化
アルミニウム、酸化珪素の比率を高くすることにより、
緻密化を促進させると同時に、組織の針状化を防ぎ、強
度、破壊靭性値の向上を防ぐのである。なお、上記組成
範囲において、酸化珪素としては、添加された酸化珪素
以外に、窒化珪素粉末中の不純物酸素の酸化珪素換算量
も含まれる。

【００１８】つまり、α率が８０％より大きいか、平均
粒径が２μｍより小さいか、窒化珪素含有量が７５重量
％より少ないと、組織の針状化が進み強度、靭性値が高
くなる。また、希土類元素酸化物量が７重量％より多い
か、酸化アルミニウム量が１重量％より少ないか、酸化
珪素量が１重量％より少ない場合でも、上記の同様に組
織の針状化が進み強度、靭性値が高くなる。

【００１９】また、窒化珪素粉末の平均粒径が６μｍよ
り大きいか、希土類元素酸化物量が１重量％より少ない
か、あるいは窒化珪素量が９５重量％より多いと、緻密
化が難しく、目的の密度まで達し得ず、また、酸化アル
ミニウム量が１０重量％より多いか、酸化珪素量が８重
量％より多い場合は、強度、靱性が極度に低下し、また
大きなボイドが生成しやすくなる。

【００２０】なお、成形体を作製するには、上記組成を
満足するように配合された混合粉末をボールミルなどに
より十分混合粉砕した後、所望の成形手段、例えば、金
型プレス，鋳込成形、冷間静水圧成形、押出し成形等の
手法により成形することができる。

【００２１】また、窒化珪素粉末の一部を、珪素粉末に
置き換えて、１１００〜１４００℃の窒化処理を行うこ
とにより、β型の窒化珪素を生成させてもよく、この場
合には、高い密度の成形体を作製することができるため
に、寸法精度を高めることができる。

【００２２】次に、上記の組成からなる成形体を１６０
０〜１７５０℃、特に１７００〜１７５０℃の窒素を含
む非酸化性雰囲気中で焼成する。これは、焼成温度が１
６００℃より低いと、焼結が不十分で目的の密度が得ら
れず、１７５０℃よりも高いと、組織の針状化が進み強
度、靭性値が高くなるからである。

【００２３】なお、焼成方法としては、例えば、ホット
プレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧力焼成、さらには、
これらの焼成後に１０００気圧以上の高圧下で熱間静水
圧焼成することもできる。

【００２４】また、本発明によれば、上記の成分以外
に、本発明において目的とする特性を満足する限りにお
いて、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素金属や、それ
らの炭化物、窒化物、珪化物、または、ＳｉＣなどを分
散粒子やウィスカ−として含有させてもよい。

【００２５】

【実施例】

実施例１ α率と粒径の異なる種々の窒化珪素粉末と、各種の希土
類元素酸化物粉末と酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉
末を用いて、成形体組成が表１に示す組成となるように
調合後、１ｔ／ｃｍ² で金型成形した。そして、成形体
を炭化珪素質の匣鉢に入れて、窒素大気圧下で表１の条
件で焼成した。

【００２６】得られた焼結体をアルキメデス法により密
度を測定し、また、焼結体の最大ボイド径を鏡面処理し
た試料の光学顕微鏡による観察で１ｍｍ×１ｍｍの任意
の面５ケ所における最大ボイド径の平均を求めた。ま
た、焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて指定されている形
状まで研磨し試料を作製した。この試料についてＪＩＳ
−Ｒ１６０１に基づく室温での４点曲げ抗折強度試験を
実施した。また、ＪＩＳ−Ｒ１６０７に基づく室温での
破壊靭性値（ＫIc）を求めた。さらにＪＩＳ−Ｒ１６０
２に基づく室温のヤング率を求めた。またそれぞれの焼
結体を＃１４０のダイヤ砥石で研削し、研削抵抗を電流
値で評価した。結果は表２に示した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表１および表２の結果によると、強度が５
００Ｍｐａを越えるか、あるいは靱性が６ＭＰａ・ｍ
^1/2 を越える試料Ｎo.２１、２２、２４、２６、２８、
２９、３１、３３では、研削抵抗が高く快削性が低いも
のであった。また、試料Ｎo.２０、２３、２５、２７、
３０、３２は、密度あるいはヤング率が低いか、または
最大ボイド径が１００μｍを越えるもので製品としての
信頼性に欠けるものであった。

【００３０】これらの比較例に対して、その他の本発明
に基づく試料は、いずれも密度、ヤング率が高くしかも
研削抵抗が低く、快削性に優れたものであった。なお、
本発明の焼結体は、いずれもβ−窒化珪素を主結晶と
し、その粒界は非晶質体であった。

【００３１】実施例２ 純度９９％の珪素粉末、およびα率６０％、平均粒径３
μｍの窒化珪素粉末と、種々の希土類元素酸化物粉末と
酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末を用いて、窒化後
の成形体組成が表３に示す組成になるように調合後、１
ｔ／ｃｍ² で金型成形した。次に、この成形体を炭化珪
素質の匣鉢に入れて、１３００℃で５時間窒化した後、
表３の条件で焼成した。なお表３中のＳｉ量の数値は、
窒化後の全窒化珪素分における珪素粉末の窒化によって
生成した窒化珪素分の重量比率である。

【００３２】そして、得られた焼結体に対して、実施例
１と同様な方法で、密度、最大ボイド径、室温での４点
曲げ抗折強度、室温での破壊靭性値、室温のヤング率お
よび研削抵抗を電流値で評価した。結果は表４に示し
た。

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】表３および表４の結果によると、強度が５
００ＭＰａを越えるか、あるいは靱性が６ＭＰａ・ｍ
^1/2 を越える試料Ｎo.４８、４９、５１、５４，５６で
は、研削抵抗が高く快削性が低いものであった。また、
試料Ｎo.４７、５０、５２、５３、５５は、密度あるい
はヤング率が低いか、または最大ボイド径が１００μｍ
を越えるもので製品としての信頼性に欠けるものであっ
た。

【００３６】これらの比較例に対して、その他の本発明
に基づく試料は、いずれも密度、ヤング率が高くしかも
研削抵抗が低く、快削性に優れたものであった。なお、
本発明の焼結体は、いずれもβ−窒化珪素を主結晶と
し、その粒界は非晶質体であった。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、密
度、ヤング率および適度の強度、靱性を維持しつつ、焼
結体の研削時の抵抗を低減し、快削性を高めることがで
きる。

【００３８】これにより、例えば、半導体製造用部品な
どの複雑な形状の部品も容易に且つ安価に製造すること
ができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福留 武郎 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株 式会社総合研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】β−窒化珪素結晶相と、希土類元素、珪
   素、アルミニウム、酸素および窒素を含む粒界相からな
   り、密度が２．９０〜３．１５ｇ／ｃｍ³ 、ヤング率が
   ２４０〜２７０ＧＰａ、最大ボイド径が１００μｍ以
   下、靱性（ＫIc）が３〜６ＭＰａ・ｍ^1/2 、室温におけ
   る４点曲げ強度が３００〜５００ＭＰａであることを特
   徴とする窒化珪素質焼結体。
2. 【請求項２】α率が８０％以下、平均粒径が２〜６μｍ
   の窒化珪素粉末、焼結助剤粉末との混合粉末を成形して
   得られた窒化珪素７５〜９５重量％、希土類元素酸化物
   １〜７重量％、酸化アルミニウム１〜１０重量％、酸化
   珪素１〜８重量％の組成からなる成形体を１６００〜１
   ７５０℃の窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成すること
   を特徴とする窒化珪素質焼結体の製造方法。