TWI565680B - Alumina ceramic and its manufacturing method - Google Patents

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Tomoyuki Ogura
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Description

氧化鋁質陶瓷及其製造方法
本發明係關於氧化鋁純度為99.5[重量%]以上的氧化鋁質陶瓷及其製造方法。
習知技術中，強度優異的氧化鋁構件被應用於各種領域與用途。例如，為了尋求氧化鋁質陶瓷的強度及破壞韌性提升，提案有：長徑3[μm]以下、且長寬比1.5以下的等向性Al2O3結晶粒子於總量中含有15~80體積%，長徑10[μm]以上、且長寬比3以上的異向性Al2O3結晶粒子於總量中含有20~85體積%的比例之組成(參照日本專利特開平09-87008號公報)。
相對於此，亦著眼於加工性進行研究開發。例如為提供楊氏模數高、比重小且機械加工容易、破壞韌性值大的材料，提案有含有50~75體積%之化學式9Al2O3‧2B2O3所示硼酸鋁粒子的鋁基複合材料(參照日本專利特開2004-353049號公報)。
另一方面，因為氧化鋁構件在氟電漿等腐蝕性環境下的耐蝕性高、機械強度大，被使用為半導體與液晶的製造裝置構件。期待適用於此種環境下之用途的更高純度氧化鋁構件。
但是，因為高純度氧化鋁的機械強度高，若欲製造近年所要求大型且複雜形狀的零件，會增加加工時間而導致成本增加。且，亦容易發生加工中的破損等。相對於此，上述鋁基複合材料的切削加工性雖優異，但在使用於半導體、液晶的製造裝置構件時，氧化鋁的純度過低，容易因硼而造成污染。
本發明係有鑑於此種實情而完成，目的在於提供一種僅管屬高純度，但是加工效率仍高、加工中發生破損與脫落情形少的氧化鋁質陶瓷及其製造方法。
(1)為達成上述目的，本發明的氧化鋁質陶瓷係氧化鋁純度為99.5[重量%]以上的氧化鋁質陶瓷；其中，長軸長度為10[μm]以上、且長寬比為2以上的氧化鋁之異向性結晶粒子係含有60%以上。
氧化鋁粒子的粒徑係因為越大則晶界的阻力越少，因而藉由將氧化鋁粒子的長軸長度設為10[μm]以上，可提高加工效率。又，因為氧化鋁粒子的長寬比為2以上，因而當朝某一定方向碰觸磨石時容易遭破壞的傾向會明顯出現。結果，可獲得儘管高純度但加工效率仍高、且加工中發生破損與脫落情形少的氧化鋁質陶瓷。
(2)再者，本發明的氧化鋁質陶瓷係上述氧化鋁之異向性結晶粒子係每1粒子含有平均2個以上的孔洞。依此，因為每1粒子含有平均2個以上的孔洞，因而粒子內容易遭破 壞，對氧化鋁質陶瓷加工的效率高，可減少加工中發生破損與脫落。
(3)再者，本發明的氧化鋁質陶瓷之製造方法，係氧化鋁純度為99.5[重量%]以上的氧化鋁質陶瓷之製造方法，包括有：成形出由平均粒徑0.5[μm]以上且1[μm]以下、長軸方向長度0.5[μm]以上、長寬比2以上的粒子所構成之氧化鋁粒體的步驟；以及將上述所成形的氧化鋁粒體依1400[℃]以上施行3小時以上煅燒的步驟。
依此因為使用由平均粒徑0.5[μm]以上的粒子所構成之氧化鋁粒體，故容易在粒子內殘留孔洞。另一方面，因為使用由平均粒徑1[μm]以下的粒子所構成之氧化鋁粒體，因而可防止晶界處發生孔洞。又，因為在氧化鋁粒體中含有長寬比為2以上且長軸方向長度為0.5[μm]以上的粒子，因而可利用所獲得之氧化鋁質陶瓷，生成長寬比為2以上的氧化鋁之異向性結晶粒子。
(4)再者，本發明的氧化鋁質陶瓷之製造方法，係上述煅燒步驟的升溫速度為300[℃/h]以下。藉此，可輕易對燒結後的厚度10[mm]以上之氧化鋁質陶瓷施行煅燒。特別係若升溫速度過快，則表面與內部容易發生溫度差，導致會因部位不同而發生加工性差異。
(5)再者，本發明的氧化鋁質陶瓷之製造方法，在上述成形步驟中，係使用添加Ti氧化物作為添加物的氧化鋁粒 體。藉此，可輕易生成長軸長度為10[μm]以上的氧化鋁粒子。
根據本發明，儘管為高純度的氧化鋁質陶瓷，仍可提高加工效率、減輕加工中發生破損及脫落。
其次，針對本發明的實施形態，參照圖式進行說明。另外，以下的說明中，所謂「加工」係指使用鑽石磨石進行的研削加工。
(氧化鋁質陶瓷之構成)
本發明的氧化鋁質陶瓷(以下稱「氧化鋁質陶瓷」)係氧化鋁純度為99.5[重量%]以上，使用於例如半導體或液晶的製造裝置之構件。氧化鋁質陶瓷中所含有之氧化鋁粒子的長軸長度係10[μm]以上，因為氧化鋁粒子的粒徑越大，則晶界阻力越少，因而構件的加工效率會提高。特別係因為氧化鋁質陶瓷並沒有各面的加工性差異，因而適用於厚度10[mm]以上的構件。
在氧化鋁質陶瓷中，長軸長度10[μm]以上、且長寬比2以上的氧化鋁異向性結晶粒子係含有60%以上。較佳係異向性結晶粒子含量為70%以上。異向性結晶粒子的長寬比係2以上，此種粒子朝某一定方向碰觸磨石時，容易遭破壞的傾向會明顯出現。研削加工若從微觀觀之，係藉由磨石敲打工 件而進行加工。以下針對加工時的微觀機制進行說明。
圖1(a)、(b)分別係表面的氧化鋁粒子配置與磨石的碰觸方向間之關係概念圖。圖1(a)、(b)所示係氧化鋁質陶瓷的研削加工面附近之粒子截面與研削用研磨機的磨石碰觸方向。圖1(a)所示之例係磨石的碰觸方向G垂直於異向性結晶粒子10的長軸方向。又，圖1(b)所示例係磨石的碰觸方向G平行於異向性結晶粒子10的長軸方向。相較於圖1(b)所示配置，若屬於圖1(a)所示配置，較容易進行加工。
氧化鋁之異向性結晶粒子的長軸方向係即便多少有配向性亦無妨，但最好為無規。當組織具配向性時，若沒有依照加工面而改變研削條件，在特定面容易發生脫落、破損情形。但是，使用切削機進行複雜加工時，難以僅就特定面改變加工條件。當氧化鋁粒子具有長寬比時，c軸會變長。氧化鋁燒結體的情況，依照成形方法或煅燒方法，會有所獲得氧化鋁質陶瓷的組織具有配向性之情況。
在氧化鋁質陶瓷中，於1個氧化鋁之異向性結晶粒子中所含有的孔洞較佳係平均2個以上。孔洞越多，則加工時越容易發生粒子內的破壞。但，若孔洞過多，因為伴隨密度降低，因而異向性結晶粒子每個粒子的孔洞數較佳係15個以下。又，若異向性結晶粒子每個粒子的孔洞數超過平均15個，當於半導體製造裝置使用時，會成為污染的產生源，特別係因為來自外部的雜物、細微孔洞中的雜物較難利用清洗予以 除去，因而較不佳。
(製造方法)
針對依如上述構成的氧化鋁質陶瓷之製造方法進行說明。作為氧化鋁質陶瓷原料的氧化鋁粒體係使用平均粒徑0.5[μm]以上且1[μm]以下的氧化鋁粒子。若使用平均粒徑小於0.5[μm]的粒子，便不易在粒子內殘留孔洞。又，若超過1[μm]，則晶界處容易發生孔洞。在原料的氧化鋁粒子中，含有長寬比為2以上、且長軸方向長度為0.5[μm]以上的粒子。藉由含有此種粒子，會在氧化鋁質陶瓷內生成長寬比2以上的異向性結晶粒子。長寬比為2以上且長軸方向長度達0.5[μm]以上的粒子，較佳係5體積%以上。
其次，成形為依如下述所準備原料的氧化鋁粒體。成形方法係可利用CIP、澆鑄進行成形。又，亦可利用熱壓、HIP進行。因為成形方法係與配向性的控制有關，因而最好選擇不易發生配向性的成形方法。
所成形的氧化鋁粒體(即成形體)係於1400[℃]以上、3小時以上、大氣中施行煅燒。最好施行1500[℃]以上、3小時以上的煅燒，更佳係施行1500[℃]以上、5小時以上的煅燒。又，該升溫速度較佳係300[℃/h]以下。理由係若升溫速度過快，表面與內部便容易出現溫度差，導致微構造出現差異，依照部位會有發生加工性差異。特別係在對燒結後的厚度為10[mm]以上者施行煅燒時，最好依照上述原料條件及 煅燒條件進行煅燒。
在氧化鋁粒體中較佳係添加Ti氧化物作為添加物。藉由添加Ti氧化物，容易在氧化鋁質陶瓷內生成10[μm]以上的粒子。Ti氧化物的添加量依氧化物換算計，較佳為0.05[重量%]以上且0.5[重量%]以下。更佳係0.10[重量%]以下。若依氧化物換算計添加未滿0.05[重量%]，便不易殘留孔洞，且晶粒成長亦不易進行。又，若依氧化物換算計超過0.5[重量%]，便無法保持氧化鋁的純度。另外，若在原料中含有較多的Ti，便會成為抑制燒結物質，亦會獲得不易發生晶粒成長的實驗結果。
再者，在氧化鋁粒體中亦可添加第1A、2A、3B或4B族元素。該等的添加量係即便屬於雜質等級的些微量仍具有效果。藉由此種添加，可更進一步促進氧化鋁質陶瓷內的10[μm]以上之氧化鋁粒子之生成。理由係因氧化鋁與添加物元素的共晶點下降。上述添加物元素較佳係Mg、Si及Ca。MgO、SiO2及CaO係即便存在50ppm以下仍可獲得充分效果。
(實施例及比較例)
針對氧化鋁質陶瓷製作實施例及比較例，並施行加工負荷及有無破損、脫落的評價。原料係使用在純度99.5[重量%]氧化鋁粒體中添加純度99.9[重量%]以上、粒徑0.4[μm]以下且金紅石化(rutilated)率80%以上之二氧化鈦者。在此種氧 化鋁粒體中依適當配方添加溶劑、有機黏結劑、分散劑，並施行磨混合。將依此所獲得之混合物利用噴霧乾燥機施行顆粒化。然後，將顆粒施行CIP成形，製得150×150×20[mm]的板狀成形體。又，將其依1400[℃]以上施行3小時煅燒。
針對如此以燒結體形式獲得的氧化鋁質陶瓷之加工性進行評價。使用鑽石磨石經樹脂砂(resin bond)固定的刀輪施行研削加工。使用鑽石磨石為#100粗糙度且刀輪徑200[mm]者，並將轉數設為2000[rpm]施行研削加工。測定此時對加工機的軸所施加之負荷(依電流表示)。又，依目視觀察經加工後有無脫落與破損、氧化鋁表面狀態有無焦化。此處所謂「焦化」係指磨石的樹脂燒焦並黏著於工件上，可認為係因工件較硬、加工性低所造成。又，氧化鋁以外的含量係利用ICP分析進行測定。表1所示係實施例與比較例的組成特徵及加工性評價。
(實施例的粒徑與孔洞)
針對上述實施例1，對加工面施行研磨並進行SEM觀察。圖2所示係氧化鋁質陶瓷表面之SEM照片的模擬想像圖。如圖2所示，將從SEM照片的測定長度進行換算而測定氧化鋁粒子A的粒徑。又，計數在200×200[μm]區域內所存在之長軸10[μm]以上、粒徑以上長寬比2以上之粒子、在該粒子中所存在之2[μm]以下的孔洞P。如表2所示，得知測定粒子數係26個，其中長寬比2以上的粒子為21個。所以，粒子數中異向性結晶粒子所佔的比例係21/26，得知為80.8%。
再者，對實施例1的氧化鋁質陶瓷之表面利用拋光而作成Ra0.1[μm]以下，並利用熱施行蝕刻。然後，針對任意地方施行500倍左右的SEM觀察，測定200×200[μm]區域的粒子內孔洞數。孔洞係可從上述拋光、蝕刻中，就較周圍更明亮的點進行觀察，以可利用500倍確認者為對象進行測定。大致係測定0.5[μm]以上的孔洞。結果，驗證到在氧化鋁的異向性結晶粒子中，孔洞為平均2個以上。
依如上述，可獲得儘管高純度，但加工效率仍高、加工中較少出現破損與脫落的氧化鋁質陶瓷。尤其可驗證當氧化鋁的異向性結晶粒子每1粒子含有平均2個以上的孔洞情況時，可獲得更高效果。
10‧‧‧異向性結晶粒子
A‧‧‧氧化鋁粒子
G‧‧‧磨石碰觸方向
P‧‧‧孔洞
圖1(a)及(b)分別係表面的氧化鋁粒子配置與磨石碰觸方向間之關係概念圖。
圖2係模擬本發明氧化鋁質陶瓷表面之SEM照片的模擬想像圖。
10‧‧‧異向性結晶粒子
G‧‧‧磨石碰觸方向

Claims (4)

  1. 一種氧化鋁質陶瓷，係氧化鋁純度為99.5[重量%]以上者；其中，長軸長度為1()[μm]以上、且長寬比為2以上的氧化鋁之異向性結晶粒子係含有60%以上；上述氧化鋁之異向性結晶粒子係每1粒子含有平均2個以上0.5μm以上且2μm以下的孔洞。
  2. 一種氧化鋁質陶瓷之製造方法，係氧化鋁純度為99.5[重量%]以上的氧化鋁質陶瓷之製造方法，其包括：成形出由平均粒徑0.5[μm]以上且1[μm]以下、長軸方向長度0.5[μm]以上、長寬比2以上的粒子所構成之氧化鋁粒體的步驟；以及將上述所成形的氧化鋁粒體依1400℃以上施行3小時以上煅燒的步驟。
  3. 如申請專利範圍第2項之氧化鋁質陶瓷之製造方法，其中，上述煅燒步驟的升溫速度係300[℃/h]以下。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之氧化鋁質陶瓷之製造方法，其中，在上述成形步驟中，係使用添加有Ti氧化物0.05重量%以上且0.5重量%以下作為添加物的氧化鋁粒體。
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