(57)【要約】【課題】電子部品の製造に好適に利用可能な治具素材であって、ジルコニア焼結体の持つ機械的特性を大きく低下させることなく、黄白色系の色を有し、且つ、静電気を適度な速度で逃がすことが可能な半導電性ジルコニア焼結体を提供する。【解決手段】安定化剤を含むＺｒＯ2を６０〜８０重量％に対し、導電性付与剤として、ＺｎＯを２０〜４０重量％含有させ、酸化焼成を行って「１０５〜１０１０Ω・ｃｍ」の体積固有抵抗値を有する半導電性ジルコニア焼結体を形成する。【選択図】特になし【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定化剤を含むＺｒＯ２ を６０〜８０重量％と、導電性付与剤として、ＺｎＯを２０〜４０重量％含有とを少なくとも含有し、体積固有抵抗値が１０５〜１０１０ Ω・ｃｍであることを特徴とするジルコニア焼結体。
【請求項２】
前記ジルコニア焼結体の弾性率が、１８０Gpa以下であることを特徴とする請求項１記載のジルコニア焼結体。
【請求項３】
少なくとも安定化剤を含むＺｒＯ2 を６０〜８０重量％と、導電性付与剤として、ＺｎＯを２０〜４０重量％を有する原料を用いて成形する工程と、成形後の成形体を酸化雰囲気で１３００〜１４００℃で焼成することを特徴とするジルコニア焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度を維持しながら半導電性を有するジルコニア焼結体に関するものであり、具体的には、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程で使用する治工具や、テープガイド、画像形成装置に用いられる分離爪などの静電気除去作用を必要とする用途に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造部品材料として使用されているアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とするセラミック焼結体は、高強度でかつ高硬度を有するとともに、耐熱性や耐食性に優れることから、様々な分野で使用されているが、特に優れた機械的強度や摺動特性が要求されるような用途ではジルコニア焼結体が用いられている。
【０００３】
ところで、ジルコニア焼結体は高絶縁材料であるため、半導体製造装置等で使用される搬送アームやウェハ把持用ピンセット、あるいはプリンタなどの画像形成装置において使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイド、電子部品のテーピング包装装置の駆動キャリヤなど、静電気の除去作用が必要とされる用途に使用するには、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値を「１０５〜１０１０Ω・ｃｍ」とする必要があり、その為、ジルコニア焼結体に導電性付与剤を含有させ、抵抗値を小さくすることが試みられている。
【０００４】
例えば、Ｙ2 Ｏ3 ，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＣｅＯ等で安定化したＺｒＯ2 を主体とし、これに導電性付与剤としてＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物のうち少なくとも１種以上を含有してなり、体積固有抵抗値を「1０5〜１０9Ω・ｃｍ」とした半導電性ジルコニア焼結体が開示されている。（特許文献１参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記半導電性ジルコニア焼結体は、添加する導電性付与剤としてのＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物の影響と思われるが、黒色系の発色を有する。この焼結体を、例えば、ＨＤＤ用磁気ヘッドの様な黒褐色のワークと接する加工用治具とした場合には、ワークの光学的検査においてワークと色調が同じであることから、検査精度が劣る恐れを有していた。
【０００６】
本発明の目的は、例えば、ジルコニア焼結体を治具として利用した場合、黒色系のワークに適用した場合でも光学的検査の精度向上が図れるコントラストが明確になる色を有し、かつ、ジルコニア焼結体のもつ機械的特性を大きく低下させることなく、静電気を適度な速度で逃がすことが可能なジルコニア焼結体を提供することにある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９７９６８号公報
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み、本発明のジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ2 を６０〜８０重量％と、導電性付与剤として軽金属酸化物である、ＺｎＯを２０〜４０重量％含有とを少なくとも含有し、体積固有抵抗値が１０５〜１０１０ Ω・ｃｍであることを特徴とするジルコニア焼結体とする。
【０００９】
即ち、本発明のジルコニア焼結体は、導電性付与剤として、ＺｎＯを含有させることにより、これらの導電性付与剤がジルコニアと分散した状態でありながらＺｎＯの粒結合を構成し、ジルコニアのもつ強度を大きく低下させることなく焼結体の体積固有抵抗値を１０５〜１０１０Ω・ｃｍの静電気を適度な速度で逃がすことができる半導電性を持たせることができることを見出したものである。
【００１０】
静電気を適度な速度で逃がすことができるため、ジルコニア焼結体と当接する物体が電気的な影響を受け易いものであっても、破壊することなく静電気を除去することができる。
【００１１】
また、ジルコニア焼結体は、ＺｒＯ２とＺｎＯの結晶粒子の分散構造であり、ＺｒＯ２結晶粒子間にＺｎＯの結晶粒子が鎖状に繋がって、絶縁材料であるＺｒＯ２を母材としながらＺｎＯが半導電性を呈していると思われる。
【００１２】
また、前記ジルコニア焼結体の弾性率が、１８０Gpa以下とすることで、例えば、焼結体を半導体や磁気ヘッドなどの加工用治具などに利用した際に、被加工物を治具で支えるよう際、治具側が若干変形し、被加工物にならうようになるため、治具は被加工物を確実にささえることができ、加工精度を高めることができる。
また、素材の色調が、従来の重金属を利用したものでは、黒色系に対し、黄白色系であるため、ＨＤＤ用磁気ヘッドの様な黒褐色のワークと接する加工用治具では、ワークの光学的検査において色調のコントラストが明確になることから、検査精度を向上させることができる。
【００１３】
また、少なくとも安定化剤を含むＺｒＯ2を６０〜８０重量％と、導電性付与剤として、ＺｎＯを２０〜４０重量％とを有する原料を用いて成形する工程と、成形後の成形体を酸化雰囲気で１３００〜１４００℃で焼成することを特徴とするジルコニア焼結体の製造方法とする。
【００１４】
本発明によれば、ＺｎＯを添加物として利用し、また、酸化焼成を行うことで、静電気適度な速度で逃がすことができる積固有抵抗値１０５〜１０１０Ω・ｃｍの適正範囲に調整でき、且つ、ジルコニア焼結体の色調が黄白色であるため、例えば、治具としては、製造工程で製品との区別が容易である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に説明する。
【００１６】
主体をなすＺｒＯ2は、Ｙ2Ｏ3ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ等の安定化剤で部分安定化したものとし、微量のＡｌ2Ｏ3を焼結助剤として使用する。
【００１７】
具体的には、安定化剤としてＹ2Ｏ3を用いる時には、ＺｒＯ2 に対して２〜５ｍｏｌ％の範囲で添加するが、この範囲で安定化剤を添加すれば、結晶状態として全ジルコニア量に対する正方晶のジルコニア量を９０％以上とすることができるため、導電性付与剤を含有したことによる強度低下を抑え、曲げ強度４５０ＭＰａ以上、ビッカース硬度８ＧＰａ以上の高硬度を実現することができる。この時の安定化剤を含むＺｒＯ2としては、６０〜８０重量％とする。６０重量％より少ないと体積固有抵抗値が１０４Ω・ｃｍ台となり、８０重量％より多いと体積固有抵抗値が１０１１Ω・ｃｍ台となって、静電気除去対策の点で望ましくない。
【００１８】
即ち、ジルコニアの結晶状態には立方晶、正方晶、単斜晶の３つの状態があり、特に、正方晶ジルコニアは外部応力に対し、応力誘軌変態を受けて単斜晶ジルコニアに相変態し、この時に生じる体積膨張によってジルコニアの周囲に微小なマイクロクラックを形成して外部応力の進行を阻止できるため、ジルコニア焼結体の強度を高めることができる。
【００１９】
そのため、このジルコニア焼結体により半導体製造装置等で使用される薄肉の搬送アームやウェハ把持用ピンセット、あるいはプリンタなどの画像形成装置において紙をローラから分離するのに使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイド、電子部品のテーピング包装装置の駆動キャリヤなどを形成すれば、短期間で摩耗したり、破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。
【００２０】
次に、導電性付与剤であるＺｎＯの含有量としては、２０〜４０重量％、好ましくは２５〜３０重量％とすることで、静電気除去の必要な体積固有抵抗値範囲を有するジルコニア焼結体を提供できる。
【００２１】
上記導電性付与剤の含有量が２０重量％未満となると、抵抗値を下げる効果が小さく、逆に、４０重量％より多くなると、抵抗値が「１０５Ω・ｃｍ未満」となり、静電気が一気に逃げ易くなるために、大気摩擦による超高電圧の放電が発生する恐れがあるとともに、焼結体の機械的特性（曲げ強度、硬度など）が大きく低下するため、ジルコニア本来の機械的特性を発揮できなくなる。また、原料粉末中や製造工程中において、Ａｌ2Ｏ3，ＭｎＯ，ＳｉＯ2，Ｎａ，Ｆｅ等が不純物として混入する恐れがあるが、これらは６．０重量％以下の範囲であれば含有していても良い。
【００２２】
一方、このような半導電性ジルコニア焼結体を製造するには、平均粒子径が０．３〜１．５μｍのＺｒＯ2粉末と安定化剤としてのＹ2Ｏ3の粉末、及び導電性付与剤として平均粒径が０．２〜１．５μｍのＺｎＯ を用いて調合し、これらを湿式で混合を行い化成品バインダーを添加の後、スプレードライヤー等で乾燥造粒して顆粒を製作する。
【００２３】
そして、乾式による原料粉末や湿式による顆粒を型内に充填し、メカプレス成形法やラバープレス成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形するか、あるいは湿式による泥漿を押出成形法や射出成形法、テープ成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形したのち、酸化雰囲気中にて最高温度域で２〜４時間程度焼成する。この時、焼成温度が１３００℃未満であると完全に焼結させることができず、１４００℃より高くなるとＺｒＯ２とＺｎＯとが分離するシンターオーバーとなるために、静電気除去作用を必要とする固有体積抵抗率「１０５〜１０１０Ω・ｃｍ」にすることができない。
そのため、１３００〜１４００℃の温度で焼成することが重要である。
【００２４】
このような条件にて製作すれば、全ジルコニア量に対する正方晶のジルコニア量が９０％以上であり、曲げ強度４５０ＭＰａ以上、ビッカース（Ｈｖ）硬度８ＧＰａ以上を有するとともに、常温にて、湿度１０〜７０％の範囲における湿度変化の影響も極めて少なく「１０５〜１０１０Ω・ｃｍ」の体積固有抵抗値を有するジルコニア焼結体を得ることができる。また、ジルコニア焼結体の機械的特徴でもある低弾性（通常、弾性率２００GP程度）に比較しても、本発明のジルコニア焼結体の弾性率は、１８０Ｇｐａ以下となり、ステンレス材に近似する弾性の素材特性を有しているため、低弾性機構を有するセラミック商品にも活用できる。
【００２５】
次に、焼結体の製造方法について説明する。
平均粒子径０．４〜０．８μｍのＺｒＯ2粉末に対し、Ｙ2Ｏ3 末を２〜５ｍｏｌ％添加するとともに、導電性付与剤として、平均粒子径０．４〜１．０  μｍのＺｎＯ粉末を２５〜３０重量％添加し、さらにバインダーと溶媒を加えて混練乾燥することにより顆粒を製作した。そして、この顆粒を金型中に充填してメカプレス成形法により１．０ｔｏｎ／ｃｍ2 のプレス圧にて所定の形状に成形し、しかるのち、１３５０℃の大気雰囲気中にて２時間程度焼成を行うことでジルコニア焼結体を得た。
【００２６】
得られたジルコニア焼結体を走査型電子顕微鏡で観察した結果を模式的に図１に示す。図１に示すようにＺｒＯ２とＺｎＯの結晶粒子が分散され、ＺｒＯ2の結晶粒子間にＺｎＯの結晶粒子が鎖状に繋がった構造を取っていることで半導電性を呈していると思われる。
【００２７】
そして、このジルコニア焼結体をＸ線回折により単斜晶ジルコニアのＸ線回折強度と正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニアのＸ線回折強度をそれぞれ測定し、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量を算出したところ９９％が正方晶のジルコニアであった。
【００２８】
また、上記ジルコニア焼結体を曲げ強度測定片「３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ」、弾性率測定片「１ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ」の角柱状に切削したあと、表面を中心線平均粗さ０．２ａ以下に研削して試料を作製し、この試料をＪＩＳ  Ｒ１６０１に基づく３点曲げ試験により曲げ強度と、ＪＩＳ  Ｒ１６０２に基づく静的弾性率を測定したところ、曲げ強度５９８ＭＰａ、弾性率１６６ＧＰａを有していた。 なお、弾性率は、以下の計算式にて求めた。
Ｗ：最大荷重[dyn]      Ｌ：支持ロール中心間距離[cm]
ｈ：試験片の幅[cm]      δ：たわみ量[cm]      ｂ：試験片の厚さ[cm]
Ｅ：弾性率[dyn/cm2]
Ｅ  ＝  Ｗ×（Ｌ）3／４×δ×Ｗ×(ｂ)3
なお、通常のＹ2Ｏ3が３モル％含有したジルコニア焼結体では、この弾性率は、２００〜２１０Gpa程度である。
【００２９】
また、上記と同じ原料にて別の試料を用意し、ビッカース硬度（Ｈｖ）を測定したところ８ＧＰａを有しており、さらに別の試料にて体積固有抵抗値を測定したところ、１０７〜１０８Ω・ｃｍであった。
【００３０】
そこで、静電気の除去具合を見るために、「５０．８ｍｍ×５０．８ｍｍ×５ｍｍ」の角状板をしたジルコニア焼結体を用意し、一方端に１０００Ｖの電圧を印加し、他方端における電圧値が１００Ｖとなるまでの降下時間を測定したところ、０．１〜２０秒の時間を要し、大気摩擦による放電を生じることなく適度な速度で静電気を逃がすことができ良好であった。
【００３１】
上記実施形態におけるジルコニア焼結体において、導電性付与剤であるＺｎＯの含有量を変化させた時の機械的特性（曲げ強度、ビッカース硬度、弾性率）と、電気的特性（体積抵抗値）について測定した。なお、機械的特性及び電気的特性については前記実施形態と同様の方法にて測定した。
【００３２】
それぞれの結果は表１に示す通りである。 尚、ＺｎＯを添加したジルコニア焼結体は、全て黄白色系の色を呈した。
【００３３】
【表１】
2004203707.tif 000002
【００３４】
この結果、ＺｎＯの含有量が２０重量％未満である試料は、ジルコニアの持つ優れた機械的特性を有していたものの、体積固有抵抗値が１０１１Ω・ｃｍ以上と絶縁性が高いために、静電気の除去効果が得られなかった。
【００３５】
また、ＺｎＯの含有量が４０重量％より多い４５重量％の試料では、機械的特性の低下が見られたものの、曲げ強度３８０ＭＰａ以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）７ＧＰａ以上を有していた。しかしながら、ＺｎＯの含有量が多すぎるために、体積固有抵抗値が１０４Ω・ｃｍにまで低下した結果、静電気が一気に逃げてしまうといった問題があった。
【００３６】
これに対し、ＺｎＯの含有量が２０〜４０重量％の範囲にある試料は、いずれも曲げ強度４５０ＭＰａ以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）８ＧＰａ以上と優れた機械的特性を有していた。
しかも、表面及び固有体積抵抗値を「１０５〜１０１０Ω・ｃｍ」とすることができるため、静電気を適度な速度で逃がすことができ、優れた静電気除去効果も有していた。
【００３７】
この結果、導電性付与剤であるＺｎＯを２０〜４０重量％の範囲で含有すれば、ジルコニアの持つ機械的特性を大きく低下させることなく、優れた静電気除去効果を有する半導電性ジルコニア焼結体が得られることが判る。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ2 を６０〜８０重量％と、導電性付与剤として、ＺｎＯを２０〜４０重量％とからなり、その体積固有抵抗値を「１０５〜１０１０Ω・ｃｍ」としたことから、治具として利用した場合のワークとのコントラストが明確になる黄白色系の発色し、ジルコニアの持つ機械的特性を大きく低下させることなく、静電気を適度な速度で逃がすことができる。その為、この半導電性ジルコニア焼結体により、半導体製造装置で使用される搬送アームやウェハ把持用ピンセット、あるいはプリンタなどの画像形成装置において使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイド、電子部品のテーピング包装装置の駆動キャリヤ等など、静電気による悪影響を受けることがなく、また、短期間で摩耗したり、破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のジルコニア焼結体を構成する結晶粒子の模式図を示す。
【図１】
2004203707.tif 000003