(57)【要約】【課題】  煩雑な予備的検証を少なくし、所望の実用物性を有する多結晶セラミック焼結体を高い確度で選択可能であり、その工業的製法の確立に寄与できる多結晶セラミック焼結体の評価方法を提供すること。【解決手段】  本発明に係る評価方法は、多結晶セラミック焼結体に陽電子を照射し、入射陽電子の消滅寿命を測定し、該測定結果に基づいて多結晶セラミック焼結体の実用物性を推算することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶セラミック焼結体に陽電子を照射し、
入射陽電子の消滅寿命を測定することを含む多結晶セラミック焼結体の評価方法。
【請求項２】
該多結晶セラミック焼結体が、窒化アルミニウム焼結体である請求項１に記載の評価方法。
【請求項３】
陽電子の平均消滅寿命を算出する過程を含む請求項１または２に記載の評価方法。
【請求項４】
算出結果に基づき、多結晶セラミック焼結体の実用物性を推算する過程を含む請求項３に記載の評価方法。
【請求項５】
請求項４に記載の評価方法により、所望の多結晶セラミック焼結体を選択し、その工業的製法を決定する過程を含む多結晶セラミック焼結体の工業的製法の決定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法により決定された製法により、多結晶セラミック焼結体を製造する多結晶セラミック焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム焼結体に代表される多結晶セラミック焼結体の評価方法に関する。詳しくは、煩雑な予備的検証を少なくし、所望の実用物性を有する多結晶セラミック焼結体を高い確度で選択可能であり、その工業的製法の確立に寄与できる多結晶セラミック焼結体の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム、アルミナ、シリカ等の無機材料の多くは単結晶物も知られているが、その製造、特に大型結晶の製造は難しく、また加工も困難であり、したがって価格も高価となる。このため、実用的には、多結晶原末を所望の形状に成形、焼結した多結晶セラミック焼結体の形態で各種の用途に供されている。
【０００３】
これらの多結晶セラミック焼結体は、用途に応じて様々な物性を有することが要求されている。たとえば、レンズや窓材などの光学部材においては、透明性が求められ、また電子部品においては、耐熱性などが求められる。また、用途によっては、純度、熱伝導率、光透過率、硬度、絶縁抵抗率、誘電率、誘電損失、等の評価が求められることもある。
【０００４】
このため、多結晶セラミック焼結体の工業的製法に確立にあたっては、各種のセラミック材料について、種々の物性を予備的に検証する必要がある。同種のセラミック材料であっても、その製法や処理条件によって、物性が異なるため、検証すべきサンプル量は膨大であり、現実的には試行錯誤の連続ともいえる。
【０００５】
このため、煩雑な予備的検証を少なくし、所望の実用物性を有する多結晶セラミック焼結体を高い確度で選択可能な評価法の確立が求められる。
一方、バルク材料の評価方法として、陽電子消滅法が近年急速に進歩している（たとえば非特許文献１）。
【０００６】
陽電子消滅測定法は、22Naや58Co等の放射性同位元素を陽電子線源として用い、放射性同位元素のβ+崩壊の結果生じた陽電子が試料中に入射し、主として試料中の自由電子と
対消滅するまでの陽電子寿命を測定することによって試料中の空孔や欠陥等を検出する方法である。ここで、「陽電子寿命」とは、陽電子が試料に入射してから電子と対消滅するまでの時間を意味する。
【０００７】
陽電子は電子の反粒子で，電子と同じ質量を持つが，その電荷は正である。陽電子は、試料に入射すると、数ps（ピコ秒）で熱エネルギー程度に減速される。これを熱化陽電子と呼ぶ。この熱化陽電子は、結晶中を10-7ｍ程度の距離を拡散移動し、次いで結晶中の電子のうちの１つと対消滅し、同時に消滅γ線を放出する。この消滅γ線を検出することで、陽電子寿命を測定する。結晶中においては、空孔欠陥等が無い場合（完全結晶）では、陽電子寿命は結晶固有の値となり、通常は100〜200ps程度である。
【０００８】
ところで陽電子は正の電荷を持つため、結晶を構成する正イオン殻と反発し、遠ざかろうとする。したがって、正イオン殻の抜けた欠陥、たとえば原子空孔、マイクロボイド（1nm程度の三次元空孔クラスター）、ボイド（以下、これらを空孔型欠陥と呼ぶ）が存在
すると、空孔型欠陥に到達した陽電子は、そこで捕獲される（捕獲陽電子と呼ぶ）。空孔型欠陥における電子密度は完全結晶中よりも低いため、捕獲陽電子の寿命は、完全結晶中の寿命よりも長くなり、通常150から200psを超える。
【０００９】
したがって、陽電子寿命を測定することで、各種バルク材料の空孔型欠陥を評価できる。
【非特許文献１】まてりあ(Materia Japan)，第35巻第2号(1996)，93〜102
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような陽電子消滅法は、主として金属材料や半導体材料のような高純度材料の評価に適用され、多くのデータが蓄積されている。
しかしながら、多結晶セラミック焼結体、特に窒化アルミニウム焼結体を対象とした、陽電子消滅法による研究はほとんど報告されていない。このため、多結晶セラミック焼結体において、陽電子消滅法による測定結果と実用物性との関係については、不明な点が多い。特に、窒化アルミニウム焼結体は、金属アルミニウムと同程度の熱伝導率を有するという実用上優れた物性を示す。熱伝導率の評価方法としてはレーザーフラッシュ法が一般的であり広く用いられている。しかしながら、この方法はある程度の面積、厚みが必要であり、小さい試料、薄い試料では測定できない欠点がある。実際に評価に用いる試料としては１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさ、０．３ｍｍ以上の厚さを必要とする。
【００１１】
本発明は、上記のような技術状況に鑑みてなされたものであって、所望の実用物性を有する多結晶セラミック焼結体を高い確度で選択可能であり、その工業的製法の確立に寄与できる多結晶セラミック焼結体の評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
陽電子消滅法によれば、前述したように、数種の空孔型欠陥が検出される。このため、陽電子寿命に基づいて実用物性を評価する際には、幾つかの欠陥に対応した寿命成分にスペクトルを分解して、個々の成分の強度を求め、これら各成分と実用物性との関連付けが必要と考えられる。
【００１３】
各成分の寿命が近い場合や、強度が数パーセント以下になると、スペクトルの分解が非常に困難になる。このため、陽電子消滅法によって高感度に結晶欠陥を評価することはできるが、その結晶欠陥と材料のある特性との関連を示すのは容易でない。
【００１４】
しかしながら、本発明者らは、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率と陽電子寿命の解析結果を系統的に比較することによって、窒化アルミニウム焼結体中の何種類かの結晶欠陥全てが、直接、熱伝導率と関係しているとの知見を得た。この知見は、スペクトルを成分に分解することなく、測定結果から導き出される特性値、たとえば陽電子寿命の平均値、あるいはその分布プロファイルから、熱伝導率を推算できる可能性を示唆している。測定に用いる試料の大きさは５ｍｍ×５ｍｍｍ、厚みは０．３ｍｍである。
【００１５】
かかる知見に基づき完成された本発明は、以下の事項を要旨としている。
（１）多結晶セラミック焼結体に陽電子を照射し、
入射陽電子の消滅寿命を測定することを含む多結晶セラミック焼結体の評価方法。
（２）該多結晶セラミック焼結体が、窒化アルミニウム焼結体である（１）に記載の評価方法。
（３）陽電子の平均消滅寿命を算出する過程を含む（１）または（２）に記載の評価方法。
（４）算出結果に基づき、多結晶セラミック焼結体の実用物性を推算する過程を含む（３）に記載の評価方法。
（５）上記（４）に記載の評価方法により、所望の多結晶セラミック焼結体を選択し、その工業的製法を決定する過程を含む多結晶セラミック焼結体の工業的製法の決定方法。
（６）上記（５）に記載の方法により決定された製法により、多結晶セラミック焼結体を
製造する多結晶セラミック焼結体の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、煩雑な予備的検証を少なくし、所望の実用物性を有する多結晶セラミック焼結体を高い確度で選択可能であり、その工業的製法の確立に寄与できる多結晶セラミック焼結体の評価方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明について、最良の形態を含めて、さらに具体的に説明する。
本発明の評価方法の対象は、多結晶セラミック焼結体であり、本法では、これを陽電子消滅法により評価する。
【００１８】
評価対象である多結晶セラミック焼結体は、多数の微細な結晶粒が互いに強固に結合した構造を有する。結晶粒の粒径、結晶化度は、特に限定はされないが、通常は、粒径は０．１〜１００μｍ程度であり、結晶化度は８０〜１００％程度である。結晶粒同士は、焼結助剤による粒界相を介して結合していてもよいが、粒界相における陽電子消滅信号が含まれることがあるため、粒界の状態が寿命スペクトルに影響を与える場合もある。
【００１９】
多結晶セラミック焼結体としては、陽電子寿命と物性との関連について本発明者らによりデータが既に蓄積された窒化アルミニウム焼結体が特に好ましいが、該データから陽電子寿命と物性との関連が類推可能と考えられる窒化アルミニウム類似の焼結体も評価対象となりうる。ここで、窒化アルミニウム類似の焼結体としては、窒化ガリウム、窒化珪素、窒化硼素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等があげられる。これらの焼結体については、陽電子寿命と物性との関連についてデータが蓄積されれば、当然に本方法による評価対象となる。
【００２０】
陽電子消滅法の測定原理は、前記非特許文献１等にその詳細が記載されている。本評価方法における陽電子消滅法は、これら公知の原理に基づくものであり、測定装置の構成も知られており、また市販の測定装置（たとえばORTEC社の陽電子寿命ピコ秒時間調整シス
テム：Positron Lifetime Picosecond Timing System）を用いてもよい。
【００２１】
測定に供されるサンプルの形状は、測定装置の仕様により適宜に決定される。
陽電子消滅法による測定は、サンプルである多結晶セラミック焼結体に陽電子を照射し、  入射陽電子の消滅寿命を測定することにより行われる。
【００２２】
得られた測定結果を、予め作成された陽電子寿命と実用物性（熱伝導率等）との関連データと対照し、実用物性を推算する。
本発明者らの研究によれば、多結晶セラミック焼結体の陽電子寿命の測定結果から導き出されるある種の特性値と、熱伝導率、光透過率、純度、等の実用物性との間には、材質に固有の強い相関関係がある。したがって、予め相関関係を明らかにした材質に関しては、その陽電子寿命を測定することで、これら実用物性を推算することが可能になる。
【００２３】
陽電子消滅法により直接的に得られる情報は結晶欠陥に関するものである。各種の結晶欠陥と材料のある物性との関連を示すのは容易でないが、本発明者らは、各種の結晶欠陥全てが、直接、熱伝導率と関係しているとの知見を得た。したがって、陽電子寿命に基づき熱伝導率を推算する場合、陽電子消滅法により得たスペクトルを分画することなく、陽電子消滅法の測定結果から導き出される特性値、たとえば陽電子寿命の平均値を求め、既知のデータと対比することで、熱伝導率を推算できる。また、測定条件が変わらない場合には，スペクトルを比較するだけでも，熱伝導率を推算できる。
【００２４】
また場合によっては、消滅寿命の多成分解析を行い、各成分の陽電子の割合を算出して得られる特性値も実用物性の指標となる可能性がある。試料中の陽電子による寿命スペクトルが、最小２乗法によって、２、３成分（２または３個の寿命値とそれぞれの寿命値が占める強度（割合））に分解可能な場合、例えば、完全結晶中と、その他の１または２種類の結晶欠陥から発せられた、陽電子の消滅信号の割合が算出可能になる。これらの寿命値とその強度を、既知の陽電子捕獲モデル（Positron Trapping Model非特許文献１に記
載）に代入して計算することにより、陽電子が検知した１または２種類の結晶欠陥の種類を推定し、それらの濃度を推算することが可能になる。本発明者らによる解析では、窒化アルミニウム焼結体の場合、隣接するアルミニウムと窒素原子が抜けて出来た２原子空孔と、アルミニウム原子が抜けて出来た単原子空孔の濃度が推算された。したがって、これら２原子空孔、単原子空孔の濃度と、実用物性との関連が明らかとなれば、消滅寿命の多成分解析結果に基づき、試料の実用物性を評価できる可能性がある。
【００２５】
また、光透過率、純度等の物性に関しても、陽電子寿命との間に相関が認められる可能性が高く、データの蓄積によって、陽電子寿命に基づく推算が可能になる。
詳細については、実施例において述べるが、たとえば窒化アルミニウム焼結体は各種知られており、製法の相違や原料グレードなどにより、熱伝導率の異なる各種の窒化アルミニウム焼結体が存在する。熱伝導率の判明している焼結体に関して、その陽電子寿命を測定することで、熱伝導率と陽電子寿命との間の相関性が明らかになる。たとえば、窒化アルミニウム焼結体においては、熱伝導率と陽電子寿命との間の相関は高い。したがって熱伝導率が未知の窒化アルミニウム焼結体に関して、その陽電子寿命が明らかになれば、熱伝導率を推算することが可能になる。
【００２６】
このように、本発明の評価方法によれば、熱伝導率等の実用物性が未知の多結晶セラミック焼結体であっても、陽電子寿命からその実用物性を推算することが可能になる。
したがって、各種多用なセラミック焼結体の中から、必要とする実用物性を有するものを、その物性を測定することなく、陽電子寿命のみを測定することで、極めて高い確度で選択できるようになる。このため、セラミック焼結体の工業的製法を決定する際に、各種の実用物性を検証する負担が軽減される。
デバイスに充分な強度を付与するため、
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、煩雑な予備的検証を少なくし、所望の実用物性を有する多結晶セラミック焼結体を高い確度で選択可能であり、その工業的製法の確立に寄与できる多結晶セラミック焼結体の評価方法が提供される。
（実施例）
以下本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２８】
なお、実施例および比較例における各種の物性の測定は次の方法により行った。
１）陽電子寿命
陽電子発生源として22Ｎａを使用した。22Ｎａのβ+崩壊により、陽電子とともに１２
７５ｋｅＶのγ線（γ0）を放出する。γ0をシンチレーターで検出することにより、陽電子の発生時刻を確認した。発生した最大５４０ｋｅＶの陽電子を窒化アルミニウムに照射した。窒化アルミニウム中において陽電子は熱エネルギー程度に減速した後、電子と対消滅し、２本の５１１ｋｅＶの消滅γ線（γ1）を放出する。窒化アルミニウムから放出し
たγ1をシンチレーターで検出し陽電子の消滅時刻とする。この時間差を時間測定回路で
測定することにより、陽電子寿命スペクトルを得る。
【００２９】
窒化アルミニウム結晶においては、空孔欠陥等が無い場合（完全結晶）では、陽電子寿
命は138±2ps程度である。窒化アルミニウム焼結体に陽電子を照射した際に、陽電子線源中での消滅を除外した平均寿命を求めた。
２）熱伝導率
理学電気（株）製の熱定数測定装置ＰＳ−７を使用して、レーザーフラッシュ法により測定した。厚み補正は検量線により行った。
（実施例１）
熱伝導率が既知の窒化アルミニウム焼結体（試料サイズ：５ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ（ｔ））の陽電子平均寿命を測定した結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2007031251.tif 000003
【００３１】
表１より熱伝導率の上昇とともに陽電子寿命は短くなることが確認された。熱伝導率と陽電子寿命との相関関係を図1に示す。
次に、熱伝導率が未知である他の試料を準備してその陽電子寿命の測定を行った。その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
2007031251.tif 000004
【００３３】
図１に基づき、試料７、８、９の熱伝導率は、それぞれ１５０Ｗ／ｍＫ、２１８Ｗ／ｍＫ、２１７Ｗ／ｍＫ程度と見積もられる。
一方、試料７、８、９について熱伝導率の測定を行った結果、それぞれ１５１Ｗ／ｍＫ、２１８Ｗ／ｍＫ、２２０Ｗ／ｍＫとなり図1より予想される熱伝導率と陽電子寿命との
関係と一致した。
【００３４】
以上より、陽電子寿命測定は窒化アルミニウムセラミックの代表的実用物性である熱伝導率の評価方法として適用可能であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】熱伝導率と陽電子寿命との相関関係を示す。
【図１】
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