(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化イットリウムと酸化スカンジウムの固溶体を主成分とし、酸化イットリウムに対し、酸化スカンジウムを金属単体換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下含有し、アルミニウム濃度が１ｐｐｍ未満であり、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率が７８％以上であることを特徴とする透光性セラミックス焼結体。
【請求項２】
アルミニウムを用いずに、イットリウム、イットリウム化合物の少なくとも何れか１種類以上とスカンジウム、スカンジウム化合物の何れか１種類以上を混合して、前記イットリウム、イットリウム化合物と前記スカンジウム、スカンジウム化合物の割合が、イットリウムに対し、スカンジウムを金属単体換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下とした混合物とし、この混合物を成形してイットリウムとスカンジウムを含有する成形体を作製した後、これを１７５０℃以上の真空若しくは水素雰囲気下において焼成することを特徴とする透光性セラミックス焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ用ホスト材、放電灯用管体、半導体製造装置のプラズマ監視用耐食窓材等に使用される透光性セラミックス焼結体及びこの焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸化イットリウムと酸化スカンジウムの固溶体からなる透光性セラミックス焼結体に関する技術については報告されていない。しかし、透光性酸化イットリウム焼結体、透光性酸化スカンジウム焼結体に関する技術については報告されている。
【０００３】
透光性酸化イットリウム焼結体を作製する方法としては、例えば次の(1)、(2)の例が知られている。  
(1)アルミニウム含有量を金属換算で５〜１００wtppm、珪素含有量を金属換算で１０wtppm以下とした成形体を、水素，希ガスあるいは水素希ガス混合雰囲気もしくは真空中で、１４５０℃以上１７００℃以下で０．５時間以上焼結する方法（特許文献１）。
【０００４】
(2)酸化イットリウムに対して、熱分解で１００ｐｐｍ〜４％の範囲の熱分解で酸化カルシウムになるカルシウム化合物あるいは酸化イットリウムに対して、２００ｐｐｍ〜１０％の範囲の酸化ジルコニウム化合物と、一次粒子の平均粒径が０．５μｍ以下の酸化イットリウムとの混合物を成形し焼結する方法（特許文献２）。
【０００５】
また、透光性酸化スカンジウム焼結体を作製する方法としては、(3)アルミニウム含有量を金属管算で５〜１００wtppm、珪素含有量を金属換算で３０wt ppm以下とする方法が開示されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００３−８９５７８号公報（請求項７）
【特許文献２】特許第２９３９５３５号公報（請求項１，２）
【特許文献３】特開２００３−１２８４６５号公報（請求項１，３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１，３記載のアルミニウム含有量を金属換算で５〜１００wtppm以下とする方法では、確かに透光性酸化イットリウム焼結体が得られるものの、焼成中にアルミニウムが酸化イットリウム焼結粒界へ析出しやすく、これを防止するために焼成温度を１７００℃以下にすることが必要である。１７００℃以下の焼成温度は、高融点である酸化イットリウムに対しては低い焼成温度である。従って、この温度で充分に緻密化させるためには、例えば市販されている汎用の酸化イットリウム粉末ではなく、硫酸イットリウムや硝酸イットリウム、蓚酸イットリウム等の水溶液を制御された温度及び速度で中和して水酸化イットリウムを生成させ、これを制御された雰囲気、温度にて焙焼し、解砕する等の処理をして、焼結性のよい原料を特別に用意する必要がある。これは一般に容易なことではない。また、特許文献１のように１０wtppm以下の珪素含有量とするためには低珪素濃度の特別な原料を用意する必要があり、容易なことではない。
【０００７】
一方、特許文献２の方法では、酸化イットリウムの一次粒径が０．５μｍ以下である必要があり、微粉砕工程や特別な原料合成等が必要となるために汎用的な酸化イットリウム粉末を使用することができない。また、特許文献２の方法では、厚さが１ｍｍの透明酸化イットリウム焼結体の直線透過率は、波長が５００ｎｍの光に対して４０〜６０％間でしか得られておらず、透明性は充分ではない。更に、アルカリ土類金属であるカルシウムを含有する酸化イットリウムはコンタミネーションの問題から半導体製造装置用の窓材には適用することができないといった問題があった。さらには、ＣａＯ及びＺｒＯ２は焼結する際、Ｙ２Ｏ３格子中に入るが、イオン化された状態ではＹと電荷が異なるため、Ｙ２Ｏ３の格子欠陥を生じる。この影響により、着色等の透光性セラミックスの光学的性質の低下が生じる。
【０００８】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、酸化イットリウム、酸化スカンジウム結晶粒界へ析出し易いアルミニウムを用いずに、しかも珪素含有量を特に低減した特殊な原料を使用したり、或いは原料を微粉砕する等の作業が必要なく、汎用の原料を用いて厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率が６０％以上となる透光性セラミックス焼結体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】
【０００９】
本発明の透光性セラミックス焼結体は、酸化イットリウムと酸化スカンジウムの固溶体を主成分とし、酸化イットリウムに対し、酸化スカンジウムを金属単体換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下含有し、アルミニウム濃度が１ｐｐｍ未満であり、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率が７８％以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の透光性セラミックス焼結体の製造方法は、アルミニウムを用いずに、イットリウム、イットリウム化合物の少なくとも何れか１種類以上とスカンジウム、スカンジウム化合物の何れか１種類以上を混合して、前記イットリウム、イットリウム化合物と前記スカンジウム、スカンジウム化合物の割合が、イットリウムに対し、スカンジウムを金属単体換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下とした混合物とし、この混合物を成形してイットリウムとスカンジウムを含有する成形体を作製した後、これを１７５０℃以上の真空若しくは水素雰囲気下において焼成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、焼成中にアルミニウムが酸化イットリウム、酸化スカンジウム結晶粒界に析出することがなく、しかも厚さ１ｍｍでの可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率を６０％以上とすることができる。また、本発明によれば、珪素含有量を１０wt ppmとした特殊な原料を使用することがない。更に、本発明によれば、原料の酸化イットリウムの粒径を０．５μｍ以下としなくとも、厚さ１ｍｍの時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率を６０％以上とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について更に詳しく説明する。  
本発明の透光性セラミックス焼結体は、上述したように、酸化イットリウムと酸化スカンジウムの固溶体を主成分とし、厚さ（焼結体の厚さ）１ｍｍ時の可視光帯波長４００〜８００nｍにおける直線透過率が６０％以上である（請求項１）。ここで、酸化イットリウムに対し、酸化スカンジウムを金属単体換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下の範囲で含有し、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００nｍにおける直線透過率が７８％以上である（請求項２）ことが好ましい。
【００１３】
また、本発明の透光性セラミックス焼結体の製造方法は、上述したように、イットリウム、イットリウム化合物の少なくとも何れか１種類以上とスカンジウム、スカンジウム化合物の何れか１種類以上を混合して混合物とする工程と、この混合物を成形してイットリウムとスカンジウムを含有する成形体を作製する工程と、これを１７５０℃以上の真空若しくは水素雰囲気下において焼成する工程とを有している（請求項３）。ここで、混合する前記イットリウム、イットリウム化合物と前記スカンジウム、スカンジウム化合物の割合が、イットリウムに対し、スカンジウムを金属単体換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下である（請求項４）ことが好ましい。
【００１４】
上記焼結体において、酸化イットリウムと酸化スカンジウムの固溶体を形成することにより、セラミックス焼結体の透光性が向上するが、その原理は明らかではない。しかし、酸化イットリウムと酸化スカンジウムが固溶することにより酸化イットリウム、酸化スカンジウム中のイオン、欠陥の拡散を促進して結晶構造の均質化を促すためと考えられる。また、酸化イットリウムと酸化スカンジウムは全域固溶するため、結晶粒界へ析出は少ない。これらの作用により、得られる酸化イットリウム、酸化スカンジウム固溶体が、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率を６０％以上とすることを可能にする。
【００１５】
上記焼結体において、酸化イットリウムと酸化スカンジウムの固溶体を得るためには、特に平均粒径が小さな酸化イットリウム原料粉末や酸化スカンジウム原料粉末を用意する必要はなく、汎用的な粉末で差し支えない。しかし、焼結体中に気孔を残留させないようにするためには焼成前の成形体段階における気孔径が小さい方が好ましい。このような、小さな気孔径を有する成形体とするために、夫々平均粒径２μｍ以下の酸化イットリウム原料粉末と酸化スカンジウム原料粉末を用いることが好ましい。
【００１６】
また、酸化イットリウム原料粉末、酸化スカンジウム原料粉末中のアルミニウム、珪素含有量も厳密に制御される必要はない。しかし、アルミニウムは焼成中に酸化イットリウム、酸化スカンジウム固溶体の結晶粒界へ析出して異相を形成し易いために透光性向上の妨げになり、珪素は酸化イットリウム、酸化スカンジウム固溶体の粒子成長を助長する働きがあり、急速な粒成長により気孔排出が十分に行えない。そこで、焼成前の酸化イットリウム成形体中のアルミニウム濃度、珪素濃度は、共に２０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【００１７】
更に、本焼結体をレーザーホスト材として用いる場合は、Ｎｄ，Ｙｂ等のランタノイド元素を発光元素として添加し作製することとなるが、これら発光元素を添加した場合においても、添加しない場合と同様に透光性の高いセラミックス焼結体が作製可能である。
【００１８】
特に、上述したように、酸化イットリウムに対し、酸化スカンジウムを金属単体換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下の範囲で含有させた場合、酸化イットリウム焼結体の厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率は７８％以上とすることが可能となり、極めて透光性の高い酸化イットリウム−酸化スカンジウム固溶体を得ることが可能となる。
【００１９】
ここで、スカンジウムが金属単体還元で１ｗｔ％未満あるいは４０ｗｔ％を超えた場合は、酸化イットリウム、酸化スカンジウム固溶体生成による透明化作用が十分ではないため、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率で７８％以上の透光性の高いセラミックス焼結体とはならない。
【００２０】
以下に、本発明の具体的な実施例及び比較例について説明する。  
（実施例１〜８、比較例１〜５）  
まず、平均粒径１μｍ、純度９９．９％（アルミニウム（Ａｌ）濃度＜１ｐｐｍ、珪素濃度１８ｐｐｍ）の酸化イットリウム粉末と平均粒径１．２μｍ、純度９９．９％（Ａｌ濃度＜１ｐｐｍ、珪素濃度１７ｐｐｍ）の酸化スカンジウム粉末をボールミルによって１２時間の混合を行った。次に、これによって得られたスラリーからスプレードライヤを用いて平均粒径４０μｍの造粒粉を作製した。つづいて、この造粒粉を用いて２０ＭＰａで一軸金型成形を行った後、これを１５０ＭＰａで冷間静水圧成形（ＣＩＰ）を行って成形体とし、これを大気中１０００℃で脱脂処理を行い、脱脂体とした。ひきつづき、この脱脂体を下記表１に示す温度及び雰囲気にて、焼成を行い焼結体とした。なお、表１中、「Ｓｃ」とは「スカンジウム」を示す。
【００２１】
この焼結体は、直径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍで両面光学研磨品へと加工し、分光光度計を用いて４００〜８００ｎｍにおける直線透過率を測定した。ここで、測定結果は、６００ｎｍにおける直線透過率及び記号で示した。表１の欄で、記号「◎」は４００〜８００ｎｍにおいて直線透過率が８０％以上のもの、記号「○」は４００〜８００ｎｍにおいて直線透過率が６０％以上のもの、記号「×」は４００〜８００ｎｍにおいて直線透過率が６０％未満の部分があるものを表している。また、測定後の焼結体は、洗浄を行ってからＩＣＰ発光分光分析法にてアルミニウム濃度、珪素濃度、スカンジウム濃度を測定した。測定結果を下記表１に併せて示した。
【表１】
0004783654.tif 000002
【００２２】
表１から明らかのように、本発明の透光性セラミックス焼結体によれば、アルミニウム含有量を金属換算で５〜１００wtppm、珪素含有量を金属換算で１０wtppmとしなくとも、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率を６０％以上とすることができる。また酸化スカンジウムを金属換算で１ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下の範囲で含有させることにより、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率を７８％以上とすることができる。更に、焼結するＹ２Ｏ３格子中にＹとは異なる電荷で固溶し、格子欠陥により光学的性質を低下させる酸化カルシウムや酸化ジルコニウムを添加しなくとも、厚さ１ｍｍ時の可視光帯域波長４００〜８００ｎｍにおける直線透過率を６０％以上とすることができる。
【００２３】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、混合するイットリウム、イットリウム化合物とスカンジウム、スカンジウム化合物の割合（Ｓｃ混合量金属単体換算）や焼成温度は表１に開示された数値に限定されず、［発明を実施するための最良の形態］の欄に記載された事項の範囲内であればよい。