(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的にＹ，Ｓｉ，Ｔａの酸化物からなる透光性セラミックスであって、
前記Ｓｉを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、前記Ｔａを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、平均結晶粒径が１０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする透光性セラミックス。
【請求項２】
請求項１記載の透光性セラミックスの製造方法であって、
酸化イットリウム粉末にシリカ粉末および酸化タンタル成分を同時に添加し、成型し、還元雰囲気下、１４００℃〜２１００℃の温度で３時間以上焼成することを特徴とする透光性セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透光性セラミックス及びその製造方法に関し、例えば、放電ランプ用材料、レーザ用ホスト材、半導体製造装置のプラズマ処理装置の窓材料などに使用される透光性セラミックス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
透光性セラミックスは、前記したように種々の用途に用いられているが、例えば、半導体製造装置のプラズマ処理装置の窓材料として用いる場合には、透光性のみならず、耐熱性が必要とされる。また、前記半導体製造装置のプラズマ処理装置にあっては、ハロゲンガス等の腐食性ガスやプラズマに曝されるため、腐食性ガスやプラズマに対する耐食性も必要とされる。
【０００３】
このような透光性、耐熱性、耐食性等の特性を有する透光性セラミックスとしては、従来から、酸化イットリウムが知られており、既に、本出願人においても特開２００７−１４５７０２号公報（特許文献１）において、酸化イットリウムを主成分とする、光透過率の優れた透光性セラミックスを提案している。
【０００４】
この特許文献１に示した透光性セラミックスは、酸化イットリウムを主成分とし、少なくともタンタル若しくはニオブのいずれか一方又は双方を含有し、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率が６０％以上であることを特徴とするものであり、またタンタルを、金属単体換算で０．１ｗｔ％以上１．３ｗｔ％以下含有している。
【０００５】
また、特許文献２には、透光性を有する酸化イットリウム焼結体として、ＹＡＧ、スピネル、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＺｎＳ、ＣａＦ２およびＢａＦ２のうち少なくとも１種を含有し、結晶粒径が１００ｎｍ以下の酸化イットリウム焼結体が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４５７０２号公報
【特許文献２】特開２００６−３１５８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載された発明では、直線透過率が６０％以上の透光性酸化イットリウム焼結体が得られる。
しかしながら、特許文献１に記載された発明では、直線透過率が８０％以上の酸化イットリウムを得ることが困難であった。また同様に、特許文献２に記載された発明においても、直線透過率が８０％以上のものを得ることが困難であった。
【０００８】
本願発明者らは、上記課題を解決するために、酸化イットリウム焼結体の透過率について鋭意研究を行った。
その結果、透過率向上のためには、粒界により光の散乱を抑制する必要があり、焼結体の結晶粒径を大きくする必要があることを知見した。また透過率向上のためには、結晶組織中のポア（気孔）の存在量を抑制する必要があることを知見した。
即ち、本願発明者らは、透過率向上のためには、結晶粒径の制御、結晶組織中のポア（気孔）の存在量の制御を、ＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５の添加することにより行い、より透光性の優れた酸化イットリウム焼結体が得られることを知見し、本発明を想到するに至ったものである。
【０００９】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、酸化イットリウムを主成分とする、光透過率のより優れた透光性セラミックス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するためになされた本発明に係る透光性セラミックスは、実質的にＹ，Ｓｉ，Ｔａの酸化物からなる透光性セラミックスであって、前記Ｓｉを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、前記Ｔａを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、平均結晶粒径が１０μｍ〜２００μｍであることを特徴としている。なお、「実質的に」とは、原料に含まれる不可避不純物を除いたものであることを示す。
このように、Ｓｉを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有することにより、焼結体の結晶粒径を制御することができ、またＴａを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有することにより、結晶組織中のポア（気孔）の存在量を制御することができる。その結果、光透過率が高く、耐熱性、耐食性、低発塵性、高強度の特性を有した透光性セラミックスを得ることができる。
【００１１】
また、上記目的を達成するためになされた本発明に係る透光性セラミックスの製造方法は、酸化イットリウム粉末にシリカ粉末および酸化タンタル成分を同時に添加し、成型し、還元雰囲気下、１４００℃〜２１００℃の温度で３時間以上焼成することを特徴としている。
このように１４００℃〜２１００℃の温度で３時間以上焼成することにより、焼結体の結晶粒径を制御することができ、上記のような透光性セラミックスを得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
上述したとおり、本発明によれば、酸化イットリウムを主成分とする、光透過率のより優れた透光性セラミックス及びその製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる透光性セラミックスについてより詳細に説明する。
本発明にかかる透光性セラミックスは、実質的にＹ，Ｓｉ，Ｔａの酸化物からなる透光性セラミックスであって、前記Ｓｉを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、前記Ｔａを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有している。
なお、「実質的に」とは、原料に含まれる不可避不純物を除いたものであることを示す。
【００１４】
ここで、本発明にかかる透光性セラミックスは、酸化イットリウムを主成分としている。具体的は、酸化イットリウムは８０ｗｔ％〜９９ｗｔ％含有している。酸化イットリウムが８０ｗｔ％未満では、イットリアの特性が得られなく、また酸化イットリウムが９９ｗｔ％を超える場合には、高額（高コスト）となるため、好ましくない。
また、酸化イットリウム粉末の純度が低いと、得られる透光性セラミックスのポアの存在量が多くなるため、酸化イットリウム粉末の純度は９５％以上のものが用いられる。
【００１５】
また、本発明にかかる透光性セラミックスは、含有されるＳｉによって、焼結体の結晶粒径が制御され、またＴａによって、結晶組織中のポア（気孔）の存在量が制御される。そのため、Ｓｉを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、前記Ｔａを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有していることが好ましい。
【００１６】
前記Ｓｉを酸化物換算で含有量が０．５ｗｔ％未満である場合、透光性セラミックス（透光性酸化イットリウム焼結体）の平均結晶粒径が、１０μｍ未満と小さくなり、光の散乱を生じやすくなるため好ましくない。
一方、Ｓｉを酸化物換算で含有量が１０ｗｔ％超である場合、透光性セラミックス（透光性酸化イットリウム焼結体）の平均結晶粒径が、４００μｍと大きくなり、十分な強度が得られないため好ましくない。
このように、Ｓｉを酸化物換算で０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有している場合には、焼結体の結晶粒径を平均結晶粒径１０μｍ〜２００μｍになすことができる。そして、平均結晶粒径が、１０μｍ〜２００μｍである場合には、高い透過率を有すると共に、十分な強度を有している。特に、前記平均結晶粒径は、５０μｍ〜２００μｍであることが好ましく、更には１００μｍ〜１５０μｍであることがより好ましい。
尚、焼結体の前記結晶粒径の分布範囲は、透光性を向上させる観点から狭い方が好ましい。即ち、結晶粒径が均一化していることが望ましい。
【００１７】
また、Ｔａを酸化物換算で含有量が０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％である場合には、結晶組織中のポアが１ｍｍ２当たり２０個以下となり、好ましい。尚、ポアの１ｍｍ２当たりの個数は、プラニメトリック法での面積換算での個数を意味している。
また、前記Ｔａを酸化物換算で含有量が０．５ｗｔ％未満である場合には、結晶組織中のポアが１ｍｍ２当たり１５００個以上となり、光りの散乱を誘発するため好ましくない。
一方、前記Ｔａを酸化物換算で含有量が１０ｗｔ％を超える場合には、結晶粒界にＴａ２Ｏ５の偏析が生じるため、光の散乱を誘発するため好ましくない。
【００１８】
また、本発明の透光性セラミックスは、以下の製造方法によって製造される。
まず、酸化イットリウム粉末に、酸化タンタル粉末、シリカ粉末を添加し、スラリーを調製する。そして、このスラリーにバインダー溶液を混合した後、スプレードライヤーにて造粒し、得られた造粒粉をラバープレスし、仮焼し、真空あるいは還元雰囲気下（例えば、水素雰囲気下）で、１４００℃〜２１００℃の温度で３時間以上焼成することにより、酸化イットリウム焼結体を得る。
【００１９】
ここで、前記酸化イットリウム粉末の純度が低いと、得られる透光性セラミックスのポアの存在量が多くなるため、酸化イットリウム粉末の純度は９５％以上のもが用いられる。
また、酸化イットリウムは８０重量部〜１０５重量部用いられる。
【００２０】
酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）粉末は、０．５重量部〜１０重量部用いられる。また、シリカ（ＳｉＯ２）粉末は、０．５重量部〜１０重量部用いられる。尚、シリカ（ＳｉＯ２）の添加には、粉末に限らず、水ガラスやＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）等を用いても構わない。
また、バインダー溶液としては、一般的な樹脂溶液、例えばＰＶＡ（ポリビニルアルコール）が用いられる。
尚、焼結性の観点から原料粉末は、平均粒径２μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
また、前記焼成温度は、ＳｉＯ２の含有率と同様に、焼結体の結晶粒径に影響を与える。
即ち、前記焼成温度が１４００℃未満の場合、焼結体の粒成長が進まず、結晶粒径が小さいために、結晶粒界における光の散乱を抑制することができず、優れた透光性を得ることができない。
一方、前記焼成温度が２１００℃超の場合、Ｔａ、Ｓｉが気化してしまうため所望の結晶粒径やポアの存在量とすることができず、前記した焼成温度の場合と同様に、結晶粒界における光の散乱を抑制することができず、優れた透光性を得ることができない。
また、焼成時間も、焼結体の結晶粒径に影響を与える。即ち、焼成時間が３時間未満の場合、粒成長が十分に進まず、結晶粒径が小さいために、結晶粒界における光の散乱を抑制することができず、優れた透光性をえることができない。
尚、焼成後に、大気熱処理（例えば、温度１４００℃で３時間熱処理）することによって、イットリア結晶構造中の酸素欠陥部位に酸素原子を再注入することができるため、これにより透光性をより高めることができる。
【実施例】
【００２２】
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］
表１の実施例１に示すように、平均粒径１．０μｍ、純度９７％の酸化イットリウム粉末１０１重量部に、平均粒径１．０μｍ、純度９９％の五酸化タンタル粉末１重量部、及び平均粒径１．０μｍ、純度９９％のシリカ粉末１重量部を添加し、イオン交換水を加え、スラリーを調製した。
このスラリーにバインダー溶液（ポリビニルアルコール）を加え混合した後、スプレードライヤーを用いて平均粒径２０μｍの造粒粉を作製した。得られた造粒粉をラバープレスし、仮焼し、真空炉にて１８００℃、３時間で焼成し、酸化イットリウム焼結体を得た。
得られた焼結体は、Ｙ２Ｏ３換算で９８ｗｔ％、ＳｉＯ２換算で１ｗｔ％、Ｔａ２Ｏ５換算で１ｗｔ％の含有量であった。焼結体の含有量は、ＩＣＰ発光分光分析を用いて算出した。なお、得られた焼結体の含有量の算出には、原料粉末に由来する含まれる不可避不純物は除いている。
そして、得られた焼結体を直径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍで両面光学研磨品へと加工し、これを分光高度計を用いて可視光領域波長における直線透過率を測定した。
さらに、光学研磨試料の一部を大気中１５００℃にて３時間サーマルエッチングを行い、微構造を電子顕微鏡にて観察し、１ｍｍ２中のポアの存在量を測定し、プラニメトリック法により平均結晶粒径を算出した。
また、耐食性及び曲げ強度を測定した結果、エッチングレート（耐食性）が０．３μｍ／ｈ、曲げ強度が１０５ＭＰａであり従来の透光性セラミックスと劣らなかった。
【００２３】
［実施例２〜１１］
実施例１と同様にして、表１の実施例２〜１１に示す条件で酸化イットリウム焼結体を作製し、実施例１と同様にして、直線透過率の測定、ポアの存在量の測定、平均結晶粒径の測定を行った。
また、耐食性及び曲げ強度を測定した結果、エッチングレート（耐食性）が０．３μｍ／ｈ、曲げ強度が１０５ＭＰａであり従来の透光性セラミックスと劣らなかった。
【００２４】
［比較例１〜６］
実施例１と同様にして、下記表１の比較例１〜６に示す条件で酸化イットリウム焼結体を作製し、実施例１と同様にして、直線透過率の測定、ポアの存在量の測定、平均結晶粒径の測定を行った。
【００２５】
【表１】
0005458053.tif 000002
【００２６】
前記実施例１乃至１１、及び比較例２，３、６から、前記Ｔａ２Ｏ５を０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有している場合には、直線透過率が８０％以上と高いことが認められた。
また、前記実施例１乃至１１、比較例４，５、６から、前記ＳｉＯ２を０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有している場合には、直線透過率が８０％以上と高いことが認められた。
実施例１乃至１１及び比較例４、６から、平均結晶粒径が１０μｍ〜２００μｍである場合には、直線透過率が８０％以上と高いことが認められた。
また、前記実施例１、３乃至１１、及び比較例２，４から、結晶組織中のポアが１ｍｍ２当たり２０個以下であるある場合には、直線透過率が８０％以上と高いことが認められた。
【００２７】
次に、酸化イットリウムの純度、焼成温度、焼成時間を下記表２に示す条件で変化させ、酸化イットリウム焼結体を得た。そして、得られた焼結体を直径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍで両面光学研磨品へと加工し、これを分光高度計を用いて可視光領域波長における直線透過率を測定した。さらに、光学研磨試料の一部を大気中１５００℃にて３時間サーマルエッチングを行い、微構造を電子顕微鏡にて観察し、１ｍｍ２中のポアの存在量を測定し、プラニメトリック法により平均結晶粒径を算出した。
尚、表２中、比較例８のポア量はポア量が多く測定できず、また比較例９は、焼成温度が高く、酸化イットリウム焼結体を得ることができなかった。
【００２８】
【表２】
0005458053.tif 000003
【００２９】
実施例１２乃至２０及び比較例８，９から、１４００℃〜２１００℃の温度で焼成する場合には、直線透過率が８０％以上と高いことが認められた。
実施例１２乃至２０及び比較例１０から、１４００℃〜２１００℃の温度で３時間以上焼成時間した場合には、直線透過率が８０％以上と高いことが認められた。
【００３０】
このように、前記ＳｉＯ２を０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、前記Ｔａ２Ｏ５を０．５ｗｔ％〜１０ｗｔ％含有し、平均結晶粒径が１０μｍ〜２００μｍである酸化イットリウム焼結体によれば、光透過率が８０％以上と良好であることが認められた。