(57)【要約】【課題】比較的低コストで製造でき、低い静電正接を有し、加工性に優れた酸化アルミニウム焼結体およびその製造方法を提供する。【解決手段】酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上の酸化アルミニウム焼結体であって、酸化チタンおよび二酸化ケイ素が合計で０．２重量％以上０．８重量％以下含有され、酸化アルミニウム粒子の長尺方向の平均粒径が２０μｍ以上である。このように、酸化チタンが含有されることで、酸化アルミニウム粒子が粗大化し、酸化アルミニウム粒子同士の粒界が少なくなるため、誘電正接を低下させることができる。一方で、二酸化ケイ素が含有されるため、安定的に誘電正接を低下させることができる。また、粒子が粗大化することによって加工性を向上させることができる。また、極端に高い酸化アルミニウムの純度は不要であり、低コスト化できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上の酸化アルミニウム焼結体であって、
酸化チタンおよび二酸化ケイ素が合計で０．２重量％以上０．８重量％以下含有され、酸化アルミニウム粒子の長尺方向の平均粒径が２０μｍ以上であることを特徴とする酸化アルミニウム焼結体。
【請求項２】
前記含有される酸化チタンおよび二酸化ケイ素はそれぞれ、酸化チタン含有率０．１重量％以上０．４重量％以下、二酸化ケイ素含有率０．１重量％以上０．５重量％以下で含有されることを特徴とする請求項１記載の酸化アルミニウム焼結体。
【請求項３】
誘電正接ｔａｎδが１×１０−３より小さいことを特徴とする請求項１または請求項２記載の酸化アルミニウム焼結体。
【請求項４】
研削抵抗が１７ｋｇｆ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の酸化アルミニウム焼結体。
【請求項５】
酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上の酸化アルミニウム焼結体の製造方法であって、
酸化アルミニウムの純度が９９．８重量％以上の酸化アルミニウム粉末に酸化チタンおよび二酸化ケイ素を合計で０．２重量％以上０．８重量％以下混合し、原料粉末を生成する工程と、
前記原料粉末を成形する工程と、
前記成形により得られた成形体を１４００℃以上で３時間以上焼成する工程と、を含むことを特徴とする酸化アルミニウム焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上の酸化アルミニウム焼結体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ２Ｏ３質焼結体は、機械的強度、耐熱性および耐食性等に優れており、半導体製造装置のようにマイクロ波や特に高周波を使用し、ＣｌやＦなどの腐食性ガスを用いるような環境下に置かれる装置に用いられている。Ａｌ２Ｏ３はＣｌやＦといった腐食ガスに対して耐食性が高く、安価であるため、上記のような部材に採用されることが多い。
【０００３】
ただし、高周波が用いられる環境には低ｔａｎδの素材が用いられるのが好ましい。Ａｌ２Ｏ３質焼結体の誘電正接を低く抑えるには、低アルカリの高純度原料を用いる方法、アルカリ土類金属の化合物を添加する方法等が挙げられる。例えば、特許文献１記載の誘電体磁器組成物は、Ｃａ化合物および二酸化ケイ素を添加して酸化アルミニウム焼結体を生成することで誘電率のバラツキを低減させようとしている。また、特許文献２記載のアルミナ質焼結体は、アルカリ土類金属を添加して酸化アルミニウム焼結体を生成することで、誘電正接を小さくしようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２４２１７号公報
【特許文献２】特開２００９−２０３０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、低アルカリの高純度原料を用いる方法は、高純度であるためコスト高を招き、必ずしも好ましくない。また、アルカリ土類金属の化合物を添加する方法は、近年の半導体のデザインルールの微細化により、イオン半径の大きいアルカリ土類金属などは敬遠される傾向が強くなっており、必ずしも好ましくない。
【０００６】
さらに、Ａｌ２Ｏ３焼結体は一般的に難加工性であり、大型品や加工箇所が多い複雑形状を目的とする際には多くの加工が必要となり、結果、加工費が嵩みやすい。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、比較的低コストで製造でき、低い静電正接を有し、加工性に優れた酸化アルミニウム焼結体およ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】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の酸化アルミニウム焼結体は、酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上の酸化アルミニウム焼結体であって、酸化チタンおよび二酸化ケイ素が合計で０．２重量％以上０．８重量％以下含有され、酸化アルミニウム粒子の長尺方向の平均粒径が２０μｍ以上であることを特徴としている。
【０００９】
このように、酸化チタンが含有されることで、酸化アルミニウム粒子が粗大化し、酸化アルミニウム粒子同士の粒界が少なくなるため、誘電正接を低下させることができる。一方で、二酸化ケイ素が含有されるため、安定的に誘電正接を低下させることができる。また、粒子が粗大化することによって加工性を向上させることができる。また、極端に高い酸化アルミニウムの純度は不要であり、低コスト化できる。
【００１０】
（２）また、本発明の酸化アルミニウム焼結体は、前記含有される酸化チタンおよび二酸化ケイ素がそれぞれ、酸化チタン含有率０．１重量％以上０．４重量％以下、二酸化ケイ素含有率０．１重量％以上０．５重量％以下で含有されることを特徴としている。これにより、焼結性が向上し、たとえば肉厚の焼結体であっても焼結体内部まで焼結するため、誘電正接tanδを酸化アルミニウム焼結体全体で均一に低くすることができる。
【００１１】
（３）また、本発明の酸化アルミニウム焼結体は、誘電正接ｔａｎδが１×１０−３より小さいことを特徴としている。これにより、高周波の電気エネルギー損失を低減できる。その結果、高周波を使用する環境下で用いられる部品に効果的に酸化アルミニウム焼結体を用いることができる。
【００１２】
（４）また、本発明の酸化アルミニウム焼結体は、研削抵抗が１７ｋｇｆ以下であることを特徴としている。このように、本発明の酸化アルミニウム焼結体は研削抵抗が小さく、加工性に優れていることから、大型品や加工箇所が多い複雑形状の製品へ効果的に適用でき、加工費の低減も可能になる。
【００１３】
（５）また、本発明の酸化アルミニウム焼結体の製造方法は、酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上の酸化アルミニウム焼結体の製造方法であって、酸化アルミニウムの純度が９９．８重量％以上の酸化アルミニウム粉末に酸化チタンおよび二酸化ケイ素を合計で０．２重量％以上０．８重量％以下混合し、原料粉末を生成する工程と、前記原料粉末を成形する工程と、前記成形により得られた成形体を１４００℃以上で３時間以上焼成する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、製造された酸化アルミニウム焼結体について安定的に誘電正接を低下させることができ、加工性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、酸化アルミニウム粒子が粗大化し、酸化アルミニウム粒子同士の粒界が少なくなり、安定的に誘電正接を低下させることができる。また、粒子が粗大化することによって加工性を向上させることができる。また、極端に高い酸化アルミニウムの純度は不要であり、低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の酸化アルミニウム焼結体に適した酸化チタンおよび二酸化ケイ素の含有量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
［酸化アルミニウム焼結体の構成］
本発明の酸化アルミニウム焼結体は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の純度が９９．０重量％以上である。一方、酸化チタン（ＴｉＯ２）および二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が合計で０．２重量％以上０．８重量％以下含有されている。酸化チタンが含有されることで、酸化アルミニウム粒子が粗大化し、酸化アルミニウム粒子同士の粒界が少なくなるため、誘電正接を低下させることができる。また、二酸化ケイ素が含有されるため、安定的に誘電正接を低下させることができる。また、粒子が粗大化することによって加工性を向上させることができる。また、酸化チタンや二酸化ケイ素の含有の効果により、焼結性が向上するため、肉厚の焼結体であっても焼結体内部まで焼結し、焼結体全体で均一な低tanδ値を得られる。
【００１８】
図１は、本発明の酸化アルミニウム焼結体に適した酸化チタンおよび二酸化ケイ素の含有量を示す図である。図１に示すように、酸化チタンの含有率をｘ重量％、二酸化ケイ素の含有率をｙ重量％と表すと以下の（ａ）〜（ｃ）の関係を満たすことが好ましい。これにより、焼結性が向上し、たとえば肉厚の焼結体であっても焼結体内部まで焼結するため、誘電正接tanδを酸化アルミニウム焼結体全体で均一に低くすることができる。
（ａ）０．１≦ｘ≦０．４
（ｂ）０．１≦ｙ≦０．５
（ｃ）ｘ＋３ｙ≦１．６
また、酸化アルミニウム焼結体は、上記のように粒子が粗大化した構成により、その誘電正接ｔａｎδが１×１０−３より小さいことが好ましい。これにより、高周波の電気エネルギー損失を低減できる。その結果、高周波を使用する環境下で用いられる部品に効果的に酸化アルミニウム焼結体を用いることができる。
【００１９】
また、酸化アルミニウム焼結体を構成する酸化アルミニウム粒子は、長尺方向の平均粒径が２０μｍ以上であることが好ましい。このように、特に長尺方向に粒子が粗大化していることにより、酸化アルミニウム焼結体の加工性が向上する。研削加工は、ミクロでみると砥石がワークを叩くことで加工され、砥石の当たる向きが、長尺方向に垂直である場合には加工が進みやすい。
【００２０】
酸化アルミニウム焼結体は、上記のような構成を有する結果、研削抵抗が１７ｋｇｆ以下であることが好ましい。このように、研削抵抗が小さく、加工性に優れていることから、酸化アルミニウム焼結体を大型品や加工箇所が多い複雑形状の製品へ効果的に適用でき、加工費の低減も可能になる。
【００２１】
［酸化アルミニウム焼結体の製造方法］
まず、酸化アルミニウムの粉末を準備する。酸化アルミニウムは、必ずしも高純度のものでなくてもよく、安価なものを用いることができる。ただし、誘電正接を低下させ加工性を向上させるためには、高純度の酸化アルミニウム粉末を用いることが望ましい。その純度は、好ましくは９９．８重量％以上、より好ましくは９９．９％重量以上である。極端に高い酸化アルミニウムの純度は不要であり、低コスト化が可能である。酸化アルミニウム粉末の平均粒径は０．５μｍ以下であることが好ましい。さらに好ましい粒径の範囲は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。
【００２２】
このような酸化アルミニウムの粉末に、酸化チタンおよび二酸化ケイ素を合計で０．２重量％以上０．８重量％以下添加する。酸化チタンは、０．１重量％以上０．４重量％以下、二酸化ケイ素は、０．１重量％以上０．５重量％以下添加することが好ましい。添加する二酸化ケイ素としては、二酸化ケイ素粉末、シリカゾル、シリカゲル、ケイ素ハロゲン化物もしくはケイ素のアルコキシド、または水ガラスなどが挙げられる。粉末で添加する場合は、平均粒径が１．０μｍ以下のものを用いることが好ましく、０．５μｍ以下がより好ましい。
【００２３】
なお、酸化チタンは、粉末で添加されることが好ましいが、これに限定されず、大気中での焼結後に酸化物を生成する塩化物、有機チタン化合物等の種々の形態で添加されても良い。このような酸化チタン粉末を用いることで、加工性に優れた酸化アルミニウム焼結体を得ることができる。
【００２４】
原料中において、除去しきれないＭｇＯやＣａＯといったアルカリ土類金属酸化物等の不純物総合計は０．２重量％以下であることが好ましい。不純物には、アルカリ土類金属酸化物に限らず、アルカリ金属、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属等も含まれる。
【００２５】
酸化アルミニウム粉末、二酸化ケイ素粉末および酸化チタン粉末の混合は、ボールミル混合等の公知の方法により行なうことができる。その際には、適宜、分散剤やバインダー等を加える。このようにして原料粉末を作製する。
【００２６】
次に、原料粉末を成形する。原料粉末の成形は、一軸プレス成形、ＣＩＰ成形、湿式成形、加圧鋳込みや廃泥鋳込み等種々の成形方法で行なうことができる。粉末を混合する際には、十分な時間を確保して混合することが好ましい。例えば、混合時間１８時間以上とすることができる。このように十分に混合することで、分散が均一なスラリーを得ることができる。
【００２７】
このようにして得られた成形体は、１４００℃以上で３時間以上、大気中で焼成する。なお、１５００℃以上で３時間以上焼成するのが好ましく、１５００℃以上で５時間以上焼成することがさらに好ましい。また、この昇温速度は、３００℃／ｈ以下であることが好ましい。昇温速度が速すぎると、表面と内部で温度差ができやすくなり、微構造が異なることで部位による加工性の差異が発生するところ、このような加工性にムラのある焼結体の生成を防止するためである。特に、焼結後の厚みが１０ｍｍ以上のものを焼成するには、上記の原料の条件および焼成条件で焼成することが好適である。
【００２８】
［実施例、比較例］
（試料作製）
原料として、純度９９.８重量％の酸化アルミニウム粉末に純度９９．９重量％以上、粒径０．４μｍ以下のルチル化率８０％以上の酸化チタン粉末、純度９９．９重量％、粒径０．５μｍのシリカゾルを添加したものを用いた。このような酸化アルミニウム粉体に、適切な配合で、溶媒、有機バインダーおよび分散剤を添加し、ミル混合した。このようにして得られた混合物をスプレードライヤーで顆粒化した。そして、顆粒をＣＩＰ成形し、１５０×１５０×２０ｍｍの板状の成形体を作製した。さらに、これを１４００℃以上で３時間焼成した。
【００２９】
（評価方法）
得られた酸化アルミニウム焼結体に対して、各種の測定を行なった。酸化チタンおよび二酸化ケイ素のそれぞれの含有量は、ＩＣＰ−ＭＳによって測定した。平均粒子径は焼結体表面を鏡面研磨後、研磨面を熱腐食し、結晶粒界を析出させたあとにＳＥＭ観察を行なって評価した。誘電正接は、目黒電波測器社製Ｑメータを用いて測定した。加工性の評価は、平面研削抵抗の測定によって行なった。表１に平面研削加工の具体的条件を示している。平面研削プランジ加工時の砥石の切込量を６０μｍとした場合の研削抵抗を測定した。研削抵抗は、精密平面研削盤（ナガセ製ＳＧＣ-１０４ＰＣＮＣ）のテーブル面に工具動力計（キーエンス社製  ＡＦＴ-ＺＭ型）を取り付け、被削材料を同動力計に固定し、プランジ研削を行ない評価した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表２は、各試料の組成、粒径、誘電正接の測定結果、研削抵抗を示している。表２に示すように、試料１〜８は、実施例であり、試料９〜１４は、比較例である。誘電正接ｔａｎδの覧には、誘電正接ｔａｎδが１×１０−３より小さい場合には○を、誘電正接ｔａｎδが１×１０−３以上である場合には×を記載している。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２に示すように、試料１〜８についてはいずれも酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上であり、酸化チタンおよび二酸化ケイ素の合計の含有率が０．２重量％以上０．８重量％以下の範囲にある。そして、誘電正接ｔａｎδは、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚのいずれについても１×１０−３より小さく、研削抵抗は、一番大きいものでも１７ｋｇｆである。
【００３４】
一方、試料９、１１、１４については、酸化アルミニウムの純度は９９．０重量％以上であるものの、酸化チタンおよび二酸化ケイ素の合計の含有率が０．２重量％より小さい。そのため、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚのいずれかの測定で誘電正接ｔａｎδが１×１０−３以上となっている。試料１２については、酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％以上であり、酸化チタンおよび二酸化ケイ素の合計の含有率が０．２重量％以上０．８重量％以下の範囲にある。そして、誘電正接ｔａｎδは、１ＭＨz、１０ＭＨｚのいずれについても１×１０−３より小さい。しかし、粒径が２０μｍ以下であり、研削抵抗が２０ｋｇｆを超えている。また、試料１０、１３については、酸化アルミニウムの純度が９９．０重量％未満であり、誘電正接ｔａｎδは、１×１０−３より小さく基準を満たすものの、研削抵抗がいずれも１８ｋｇｆを超えている。
【００３５】
このように、比較例は、誘電正接ｔａｎδが大きすぎるか、研削抵抗が大きすぎるため、たとえば半導体製造装置用の部材には適していない。これに対し、実施例の酸化アルミニウム焼結体は、低い静電正接を有し、加工性に優れていることが実証された。
【図１】
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