(57)【要約】【課題】この発明は、酸化イットリウム焼結粒界へ析出しやすいアルミニウムを用いないで、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などの必要もなく、通常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％以上となる透光性酸化イットリウム焼結体を得ようとするものである。【解決手段】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イ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。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
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透光性酸化イットリウム焼結体。
【請求項２】
前記タンタルを金属単体換算で０．１wt％以上１．３wt％以下含有し、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％以上である請求項１記載の透光性酸化イットリウム焼結体。
【請求項３】
前記ニオブを、金属単体換算で０．０５wt％以上０．５wt％以下含有し、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％以上である請求項１記載の透光性酸化イットリウム焼結体。
【請求項４】
酸化イットリウム粉末に対して、タンタル、タンタル化合物、ニオブ、ニオブ化合物の中の少なくとも１種以上を添加混合し、これを成形して少なくともタンタルもしくはニオブのうち１種以上を含有する酸化イットリウム成形体を作製し、これを１７００℃以上２０００℃以下の真空、水素、または希ガス雰囲気下において焼成することを特徴とする透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法。
【請求項５】
添加する前記タンタル、タンタル化合物が、酸化イットリウムに対して金属単体換算で０．２wt％以上１．５wt％以下である請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法。
【請求項６】
添加する前記ニオブ、ニオブ化合物量が、酸化イットリウムに対して金属単体換算で０．１wt％以上１．０wt％以下である請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法。
【請求項７】
酸化イットリウム粉末が比表面積が５ｍ２／ｇ以上５０ｍ２／ｇ以下で、タンタル、タンタル化合物のいずれか１種以上を金属単体換算で０．２wt％以上１．５wt％以下添加混合することを特徴とする請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法。
【請求項８】
酸化イットリウム粉末が比表面積が５ｍ２／ｇ以上５０ｍ２／ｇ以下で、ニオブ、ニオブ化合物のいずれか１種以上を金属単体換算で０．１wt％以上１．０wt％以下添加混合することを特徴とする請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法。
【請求項９】
タンタルを金属単体換算で０．１wt％以上０．３wt％以下含有し、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％以上で脈理がないことを特徴とする請求項２記載の透光性酸化イットリウム焼結体。
【請求項１０】
ニオブを金属単体換算で０．０５wt％以上０．２wt％以下含有し、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％以上で脈理がないことを特徴とする請求項３記載の透光性酸化イットリウム焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放電灯用管体、レーザ用ホスト材、半導体製造装置のプラズマ監視耐食窓材などに使用される透光性酸化イットリウム焼結体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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、(1)アルミニウム含有量を金属換算で５〜１００wt ppm、珪素含有量を金属換算で１０wt ppm以下とした成形体を、水素希ガス或いは水素希ガス混合雰囲気若しくは真空中で、１４５０℃以上１７００℃以下で０．５時間以上焼結する技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、酸化イットリウムに対して、熱分解で１００ppmから４％の範囲の酸化カルシウムになるカルシウム化合物、或いは酸化イットリウムに対して、熱分解で２００ppm〜１０％の範囲の酸化ジルコニウムとなるジルコニウム化合物と、一次粒径が０．５μｍ以下の酸化イットリウムとの混合物を成形し焼成する技術が公知となっている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００３−８９５７８号公報（２頁、請求項７）
【特許文献２】特許公報第２９３９５３５号（１頁、請求項１，２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のアルミニウム含有量を金属換算で５〜１００wt ppm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り、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、蓚酸イットリウムなど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、解砕するなどの処理をして、焼結性のよい原料を特別に用意する必要があり、これは一般に容易なことではない。
【０００５】
また、特許文献２に記載の方法は、酸化イットリウムの一次粒径を０．５μｍ以下とすることが必要であり、微粉砕工程や、例えば厳密な条件管理などの特別な原料合成などが必要となり、汎用的な酸化イットリウム粉末を使用することはできないといった問題があった。
【０００６】
また、特許文献２では、厚さ１mmの透明酸化イットリウム焼結体の直線透過率は、波長５００nmの光に対して４０〜６０％までしか得られておらず透明性は充分ではない。さらに、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汚染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もあった。
【０００７】
この発明は、酸化イットリウム焼結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などの必要もなく、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％以上となる透光性酸化イットリウム焼結体を得ようとするものである。さらには、脈理のない透光性酸化イットリウム焼結体を得ようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、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透光性酸化イットリウム焼結体（請求項１）、前記タンタルを、金属単体換算で０．１wt％以上１．３wt％以下含有し、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％以上である請求項１記載の透光性酸化イットリウム焼結体（請求項２）、前記ニオブが、金属単体換算で０．０５wt％以上０．５wt％以下含有し、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％以上である請求項１記載の透光性酸化イットリウム焼結体（請求項３）、酸化イットリウム粉末に対して、タンタル、タンタル化合物、ニオブ、ニオブ化合物の中の少なくとも１種以上を添加混合し、これを成形して少なくともタンタルもしくはニオブのうち１種以上を含有する酸化イットリウム成形体を作製し、これを１７００℃以上２０００℃以下の真空、水素または希ガス雰囲気下において焼成することを特徴とする透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法（請求項４）、添加する前記タンタル、タンタル化合物が酸化イットリウムに対して金属単体換算で０．２wt％以上１．５wt％以下である請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法（請求項５）及び添加する前記ニオブ、ニオブ化合物量が、酸化イットリウムに対して金属単体換算で０．１wt％以上１．０wt％以下である請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法（請求項６）、酸化イットリウム粉末が比表面積が５ｍ２／ｇ以上５０ｍ２／ｇ以下で、タンタル、タンタル化合物のいずれか１種以上を金属単体換算で０．２wt％以上１．５wt％以下添加混合することを特徴とする請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法（請求項７）、酸化イットリウム粉末が比表面積が５ｍ２／ｇ以上５０ｍ２／ｇ以下で、ニオブ、ニオブ化合物のいずれか１種以上を金属単体換算で０．１wt％以上１．０wt％以下添加混合することを特徴とする請求項４記載の透光性酸化イットリウム焼結体の製造方法（請求項８）、タンタルを金属単体換算で０．１wt％以上０．３wt％以下含有し、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％以上で脈理がないことを特徴とする請求項２記載の透光性酸化イットリウム焼結体（請求項９）、ニオブを金属単体換算で０．０５wt％以上０．２wt％以下含有し、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％以上で脈理がないことを特徴とする請求項３記載の透光性酸化イットリウム焼結体（請求項１０）である。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、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。さらに言えば、 可視光帯域波長４００〜８００nmにおける殆どの領域において８０％以上の直線透過率を得ることが可能である。また、この発明によると、珪素含有量を１０wt ppmとした特殊な原料を使用しなくてもよい。さらに、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のときの可視光帯域波長４００〜８００nmにおける直線透過率を６０％以上とすることができる。さらに、必要があれば、脈理のない焼結体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の透光性酸化イットリウム焼結体は、主成分を酸化イットリウムとし、これに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たもので、厚さ１mmのときの可視光帯域波長４００〜８００nmにおける直線透過率が６０％以上であるものである。
【００１１】
そして、タンタルを含有した場合、タンタルが金属単体換算で０．１wt％以上１．３wt％以下では、厚さ１mmのときの可視光帯域波長４００〜８００nmにおける直線透過率が６０％以上である。また、ニオブを含有した場合は、ニオブが金属単体換算で０．０５wt％以上０．５wt％以下で、厚さ１mmのときの可視光帯域波長４００〜８００nmにおける直線透過率が６０％以上である。
【００１２】
この発明において、タンタル、ニオブが酸化イットリウム焼結体の透光性向上に寄与する理由は明らかでないが、タンタル、ニオブが酸化イットリウムに固溶することにより、酸化イットリ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こと、及びタンタル、ニオブの添加が酸化イットリウムの粒成長を遅らせる働きをし、焼成時の気孔排出を助成するためなどと考えられる。これらの作用により、得られる酸化イットリウム焼結体の厚さ１mmときの可視光帯域波長４００〜８００nmにおける直線透過率は６０％以上とすることが可能となる。
【００１３】
この発明において、タンタル、ニオブを添加した場合、透光性酸化イットリウム焼結体を得るために特に平均粒径が小さな酸化イットリウム原料を用いる必要はなく、汎用的な粉末でよいが、焼結体中に気孔を残留させないようにするためには、焼結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は、平均粒径２μｍ以下の酸化イットリウム原料粉末を用いることが好ましい。
【００１４】
酸化イットリウム原料粉末のアルミニウム、珪素含有量も厳密に制御する必要はないが、アルミニウムは焼成中に酸化イットリウム結晶粒界へ析出して異相を形成しやすいために透光性向上の妨げになり、また、珪素は酸化イットリウムの粒成長を助長する働きがあるため、タンタル、ニオブの粒成長抑制作用を減殺し易い。このために、酸化イットリウム成形体中のアルミニウム濃度、珪素濃度はともに２０ppm以下とすることが好ましい。
【００１５】
この発明では、タンタル、ニオブを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は６０％以上とすることが可能となるが、特に、タンタルを金属単体換算で０．１wt％以上１．３wt％以下の範囲、ニオブを金属単体換算で０．０５wt％以上０．５wt％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、低波長側の一部（４００〜５００nm）で８０％に満たない場合もあるが、実質的に可視光帯域において８０％以上の直線透過率を得ることが可能であり、極めて透光性の高い酸化イットリウム焼結体を得ることができる。
【００１６】
タンタルが金属換算で０．１wt％未満、ニオブが金属単体換算で０．０５wt％未満ではタンタル、ニオブの酸化イットリウムに与える作用が十分でないため、厚さ１mm時の可視光帯域波長４００〜８００nm全域において直線透過率で６０％を超えるような透光性の高い酸化イットリウム焼結体を得ることができない。一方、タンタルが金属換算で１．３wt%を超える、或いはニオブが金属単体換算で０．５wt％を超える場合は、酸化イットリウムに固溶しきれないタンタル、ニオブが生じ、パイロクロア構造の異相として酸化イットリウム焼結体中に分散存在することになり、この場合も透光性が低下して厚さ１mmときの可視光帯域波長４００〜８００nm全域における直線透過率で６０％を超えるような透光性の高い酸化イットリウム焼結体とすることができない。
【００１７】
焼成温度は１７００℃以上とする。焼成温度が１７００℃未満であると焼結体を緻密化することが出来ず、内部に気孔を多数含有する焼結体となり、透光性の高い酸化イットリウム焼結体とすることができない。
【００１８】
一方、焼成温度が２０００℃を超えると、添加したタンタル化合物、ニオブ化合物に含まれるタンタル、ニオブの揮発速度が極めて早くなり、焼結体中残留させるタンタル、ニオブ量を制御することが極めて困難になる。また、このような高温下においては、酸化イットリウムの粒成長速度をタンタル、ニオブによって抑えることが困難となるために酸化イットリウムが過度に粒成長し、添加されたタンタル、ニオブや微量不純物に由来する異相が周辺に析出しやすくなり、透光性の高い酸化イットリウム焼結体を得ることが出来ない。焼成温度の好ましい温度範囲は、酸化イットリウム結晶中イオン欠陥の拡散促進による結晶構造の均一化及び過度の粒成長に伴う結晶粒界への異相析出防止の理由から１８００℃以上１９５０℃以下の範囲である。また、焼成時の雰囲気は、希ガスを用いる場合は、ヘリウムが最も好ましい。ヘリウムは拡散速度が速く、焼結体中に気泡が最も残り難いからである。
【００１９】
なお、本発明の範囲内であっても、焼結体中に残留するタンタルやニオブの量が多いと、可視光の直線透過率は十分であっても脈理が発生する傾向がある。脈理が好ましくない用途に用いる場合は、脈理を無くすためにタンタルやニオブの量を減らす必要がある。タンタルやニオブが減ると可視光の直線透過率も低下する傾向があるが、これを酸化イットリウムの比表面積を大きくすることにより、補うことができることも見出した。 すなわち、請求項７、８の製法により請求項９、１０の焼結体を得るものである。
【実施例】
【００２０】
（実施例および比較例  その１）
平均粒径１μｍ、比表面積２．１ｍ２／ｇ、純度９９．９％（アルミニウム濃度１ppm、珪素濃度１８ppm）の酸化イットリウム粉末にエタノール、アクリル系バインダ、及び表１に示すタンタル化合物もしくはニオブ化合物を添加し、酸化ジルコニウムボールを用いたボールミルによって１２時間の混合を行った。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。この造粒粉を用いて２０MPaで一軸成形を行った後、これを１５０MPaで静水圧成形（CIP）を行って成形体とし、これを大気中で脱脂処理を行った。この脱脂体を表１に示す温度、雰囲気で焼成を行い焼結体とした。この焼結体を直径２０mm、厚さ１mmで両面光学研磨品へと加工した。これを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。この測定結果は、一例としての６００nmにおける直線透過率と４００〜８００μｍの領域における評価を表１に示した。表１の評価の欄で、◎は４００〜８００nmにおいて直線透過率が実質的に８０％以上のもの、○は４００〜８００nmにおいて直線透過率が８０％未満で６０％以上、×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発光分光分析法でタンタル濃度、ニオブ濃度、アルミニウム濃度、珪素濃度を測定した。測定結果は表１に併せて示した。
【００２１】
【表１】
2007145702.tif 000002
【００２２】
表１から明らかなように、この発明による酸化イットリウム焼結体は、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のときの可視帯域波長４００〜８００nmにおける直線透過率を６０％とすることができる。また、従来、酸化カルシウムや酸化ジルコニウム添加によって透光性を高める場合に必要とされる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のときの可視光帯域波長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】
（実施例および比較例  その２）
平均粒径１．２μｍで比表面積５．４ｍ２／ｇ、平均粒径１．１μｍで比表面積４６ｍ２／ｇ、平均粒径１．４μｍで比表面積４．３ｍ２／ｇ、純度９９．９％（アルミニウム濃度１wtppm、珪素濃度１１wtppm）の３種の酸化イットリウム粉末にエタノール、アクリル系バインダ、及び表２に示すタンタル化合物もしくはニオブ化合物を添加し、酸化ジルコニウムボールを用いたボールミルによって１２時間の混合を行った。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。この造粒粉を用いて２０MPaで一軸成形を行った後、これを１５０MPaで静水圧成形（CIP）を行って成形体とし、これを大気中１０００℃で脱脂処理を行った。この脱脂体を表２に示す温度、雰囲気で焼成を行い焼結体とした。この焼結体を直径２０mm、厚さ１mmで両面光学研磨品へと加工した。これを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。この測定結果は表２に示した。表２の評価の欄で、◎は４００〜８００nmにおいて直線透過率が実質的に８０％以上のもの、○は４００〜８００nmにおいて直線透過率が８０％未満で６０％以上、×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、脈理の有無を外観観察によって実施した。表２の評価の欄で、◎は脈理なし、×は脈理ありを表している。さらに、測定後の焼結体は、洗浄を行ってからＩＣＰ発光分光分析法でタンタル濃度、ニオブ濃度を測定した。測定結果は表２に併せて示した。
【００２４】
【表２】
2007145702.tif 000003
【００２５】
表２から明らかなように、この発明による酸化イットリウム焼結体は、比表面積とタンタル、ニオブの含有量を制御することにより、脈理のない焼結体を得ることができる。