(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属を８００〜２１００ｐｐｍとＡｌ2 Ｏ3 を９８ｗｔ％以上含み、成形体を１５００℃以上の温度で焼結して得られるアルミナ質焼結体において、その焼結体中にＳｉＯ2 とＭｇＯを合計量で０．２〜１．０ｗｔ％、重量比（ＳｉＯ2 ／ＭｇＯ）で２〜４含み、そのＳｉＯ2 とＭｇＯから生成されるコーディエライト相を０．３〜１．４ｗｔ％含む焼結体とし、かつ１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚでの誘電損失が０．００４を越えない焼結体とすることを特徴とするアルミナ質焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的特性に優れたアルミナ質焼結体に関し、特に高周波領域での誘電損失が小さいアルミナ質焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナ質焼結体は、耐熱性、耐薬品性、耐プラズマ性に優れ、さらに高周波領域での誘電損失（ｔａｎδ）が小さいことから、半導体用高周波プラズマ装置などに使われる絶縁材料や高周波透過用の窓材として用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この焼結体中に不純物としてＮａやＫなどのアルカリ金属を１００ｐｐｍ以上含むと誘電損失が著しく上昇し、その誘電損失が上がることにより、高周波の透過率が悪化するなどの効率の低下や、あるいは部品の発熱が高くなり部品が破損し易くなるなどの不具合を引き起こしてしまう。
【０００４】
このアルカリ金属が多く含まれる状況としては、元々の原料に含まれている場合と、粉砕、成形、成形体加工、焼成などの製造プロセス中に混入する場合とが考えられ、これを回避するためには、アルカリ金属の含有量が１００ｐｐｍより少ない低アルカリの高純度原料を用い、かつ製造工程を厳重に管理してアルカリ金属の混入を防ぐ必要があった。そのため、低アルカリの焼結体、言い換えれば低誘電損失のアルミナ質焼結体を得るには大幅なコスト上昇を招くという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来のアルミナ質焼結体が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、アルカリ金属を１００ｐｐｍ以上含んでも誘電損失が小さいアルミナ質焼結体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、アルミナ質焼結体中にコーディエライト相（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）を共存させれば、アルカリ金属を１００ｐｐｍ以上含んでも誘電損失を小さく抑えられるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００７】
即ち本発明は、アルカリ金属を８００〜２１００ｐｐｍとＡｌ2 Ｏ3 を９８ｗｔ％以上含み、成形体を１５００℃以上の温度で焼結して得られるアルミナ質焼結体において、その焼結体中にＳｉＯ2 とＭｇＯを合計量で０．２〜１．０ｗｔ％、重量比（ＳｉＯ2 ／ＭｇＯ）で２〜４含み、そのＳｉＯ2 とＭｇＯから生成されるコーディエライト相を０．３〜１．４ｗｔ％含む焼結体とし、かつ１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚでの誘電損失が０．００４を越えない焼結体とすることを特徴とするアルミナ質焼結体であることを要旨とする。
以下にさらに詳細に述べる。
【０００８】
前述したようにアルミナ質焼結体中にコーディエライト相を共存させることととした。このコーディエライト相をアルミナ中に存在させることで、アルカリ金属を１００ｐｐｍ以上含んでも誘電損失の上昇が認められない。これは、ＳｉＯ2とＭｇＯを含むアルミナ原料から成る成形体を焼成すると、まずコーディエライトに近い組成の液相が粒界に生成し、その液相から冷却に伴いコーディエライト相が析出するが、その析出する過程で生じた結晶の結晶構造中に存在する空孔にアルカリ金属イオンが捕獲されるため、アルカリ金属イオンの移動が抑えられ、誘電損失が上がらないものと考えられる。
【０００９】
そのコーディエライト相の含有量としては、０．３〜１．４ｗｔ％（内割り、以下同じ）とした。コーディエライト相が０．３ｗｔ％より少ないと効果が認められず、１．４ｗｔ％より多いと逆に誘電損失の高い（ｔａｎδ＝０．１）コーディエライト相が多くなるので、誘電損失が大きくなり好ましくない。
【００１０】
上記コーディエライト相を生成させるＳｉＯ2とＭｇＯの含有量としては、合計量で０．２〜１．０ｗｔ％、重量比（ＳｉＯ2／ＭｇＯ）で２〜４となる量とした。合計量が０．２ｗｔ％より少ないとコーディエライト相の生成が０．３ｗｔ％より少なくなり、１．０ｗｔ％より多いとコーディエライト相の生成が１．４ｗｔ％より多くなる。また、比が２より小さいとフリーのＭｇＯが多くなり誘電損失が大きくなる。逆に４より大きいとＳｉＯ2成分が多くなり緻密化を妨げ好ましくない。以上のような組成を有する焼結体であれば、低アルカリでなくても誘電損失が０．００４を越えないアルミナ質焼結体とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記アルミナ質焼結体の製造方法を述べると、先ずアルミナ粉末には、純度が９９％以上でＳｉ、Ｍｇ、アルカリ金属以外の金属が酸化物換算で５００ｐｐｍ以下の高純度のアルミナ粉末を原料として用意する。これ以上の不純物を含むと焼結性を悪化する、あるいは焼結体の絶縁抵抗や誘電率などの電気的特性を下げるため好ましくない。
【００１２】
用意したアルミナ原料にＳｉＯ2及びＭｇＯ原料を前述の範囲内の量だけ添加する。ＳｉＯ2及びＭｇＯの原料としては、純度９９％以上のものが望ましく、その細かさとしては均一に混合し易い１μｍ以下の平均粒径を有するものが望ましい。ただし、ＭｇＯについては、水系で湿式混合する場合、硝酸マグネシウム（Ｍｇ（ＮＯ2）3・６Ｈ2Ｏ）を水溶液として混合してもよい。そのほかのＳｉＯ2、ＭｇＯの原料としては、高純度の粘土質原料、例えば純度９９、８％以上のカオリンなども用いることができる。これらＳｉＯ2、ＭｇＯ原料中のアルカリ金属の含有量としては、０．２ｗｔ％以下が望ましく、市販されている純度の高い原料であればほとんどが使用できる。
【００１３】
これらを配合した原料に水を加えスラリーとし、ボールミルなどで混合する。成形体の作製は、得られたスラリーにバインダーを加え、噴霧乾燥して得た顆粒をプレス成形する方法、スラリーにバインダーを加え、石膏型を用いて鋳込み成形する方法、スラリーを乾燥した後、バインダーを加えて射出成形する方法など、慣用の方法で作製することができる。
【００１４】
得られた成形体を１５００℃以上の温度で焼結する。これ以下の温度では、緻密化しないため望ましくない。焼結する炉は、アルカリ金属を多く含んだ炉材からなり、アルカリ金属成分が多く揮発するような炉であっても構わない。
【００１５】
以上の組成となるように配合し、上記の方法で製造すれば、高アルカリの原料を用いても、あるいは製造プロセス中にアルカリ金属が混入してきても誘電損失が小さいアルミナ質焼結体を得ることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１７】
（実施例１〜４）
（１）アルミナ質焼結体の作製
市販の低アルカリ高純度アルミナ粉末（ＳｉＯ2：０．０２ｗｔ％、ＭｇＯ：０．０２ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ：０．００１ｗｔ％、Ｋ2Ｏ：０．００１ｗｔ％）に、ＳｉＯ2源としてアエロジル（アエロジル１３０：ＳｉＯ2純度９９％）、ＭｇＯ源として硝酸マグネシウムを表１に示す含有量になるように加え、それに水及び分散剤を加えて樹脂ボールを媒体としたボールミルにより混合した。得られたスラリーにバインダーとしてＰＶＡを添加し噴霧乾燥して顆粒を得た。得られた顆粒をＣＩＰ成形し、その成形体をアルカリ金属の成分を多く含む断熱材を使用している炉で表１に示す温度で焼結して焼結体を作製した。
【００１８】
（２）評価
得られた焼結体を粉砕し、化学分析でＳｉＯ2、ＭｇＯ、Ｎａ、Ｋを定量し、ＳｉＯ2とＭｇＯの合計量と重量比を求めた。また、ＸＲＤでコーディエライト相の含有量を求めた。さらに、焼結体の嵩比重をアルキメデス法で求め、相対密度を求めた。さらにまた、焼結体の誘電損失を電流電圧法で求めた。それらの結果を表１に示す。
【００１９】
（実施例５〜７）
（１）アルミナ質焼結体の作製
市販の高純度アルミナ粉末（ＳｉＯ2：０．０３ｗｔ％、ＭｇＯ：０．０１ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ：０．０５ｗｔ％、Ｋ2Ｏ：０．０４ｗｔ％）に、実施例１と同じＳｉＯ2源とＭｇＯ源を表１に示す含有量になるように加え、実施例１と同様に混合、成形し、その成形体を空焼きしてアルカリ金属を充分揮発させた炉で表１に示す温度で焼結して焼結体を作製した。
【００２０】
（２）評価
以下の実施例も含め実施例１と同様に評価した。それらの結果を表１に示す。
【００２１】
（実施例８）
（１）アルミナ質焼結体の作製
実施例５と同じアルミナ粉末に、ＳｉＯ2源として高純度カオリン（ＳｉＯ2：４５．７ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3：３８．０ｗｔ％、ＭｇＯ：０．０６ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ：０．０７ｗｔ％、Ｋ2Ｏ：０．１３ｗｔ％、強熱減量：１４．６ｗｔ％）、ＭｇＯ源として硝酸マグネシウムを表１に示す含有量になるように加え、実施例１と同様に混合、成形し、その成形体を実施例５と同じ炉で表１に示す温度で焼結して焼結体を作製した。
【００２２】
（実施例９）
（１）アルミナ質焼結体の作製
実施例５と同じアルミナ粉末、ＳｉＯ2源、ＭｇＯ源を用いて表１に示す含有量になるように配合し、それを実施例５と同様に混合、成形し、その成形体を実施例１と同じ炉で表１に示す温度で焼結して焼結体を作製した。
【００２３】
（比較例１〜８）比較のために比較例１では、ＳｉＯ2、ＭｇＯ源を加えない他は実施例５と同様に、比較例２〜５では、ＳｉＯ2、ＭｇＯ源を本発明の範囲外の量を添加した他は実施例１と同様に、比較例６では、成形体の焼結温度を本発明の範囲外とした他は実施例１と同様に、比較例７では、ＭｇＯ源を加えない他は実施例８と同様に、比較例８では、焼結に実施例５と同じ炉を用いる他は実施例１と同様にして焼結体を作製し、評価した。それらの結果も表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１から明らかなように、実施例のアルミナ質焼結体はいずれもアルカリ金属の含有量が８００〜２１００ｐｐｍ（０．０８〜０．２１ｗｔ％）と１００ｐｐｍ（０．０１ｗｔ％）をはるかに超えているものの、本発明の範囲内の組成を有する緻密なアルミナ質焼結体であるので、いずれも誘電損失は０．００４以下であった。
【００２６】
これに対して比較例１では、ＳｉＯ2、ＭｇＯを加えずコーディエライト相がほとんど存在しないので、比較例２では、ＳｉＯ2／ＭｇＯが２より低くフリーのＭｇＯが多くなるので、比較例４では、ＳｉＯ2、ＭｇＯを加えてもその量が少なくコーディエライト相が少ないので、比較例５では、ＳｉＯ2、ＭｇＯの量が多くコーディエライト相が多すぎるので、誘電損失はいずれも実施例より１桁大きい値であった。また、比較例３では、ＳｉＯ2が多すぎるので、比較例６では、焼結温度が低すぎるので、比較例７ではコーディエライト相がほとんど存在しないのとＳｉＯ2が多すぎるので、いずれも焼結不足でやはり誘電損失が大きかった。
なお、比較例８は、実施例と同様の小さい誘電損失を有する焼結体となっているが、これは、低アルカリの高純度のアルミナ粉末（単価が低アルカリでないアルミナ粉末より１０倍程度高い）を用い、かつアルカリ金属の揮発の少ない炉を用いてアルカリ金属の含有量が１００ｐｐｍより少ない焼結体としたものであり、低アルカリでないアルミナ粉末を用い、アルカリ金属の成分を多く含む断熱材を使用している炉を用いて作製した実施例９に比べ、コストが大幅にアップした。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明にかかるアルミナ質焼結体であれば、アルカリ金属の含有量が１００ｐｐｍを大きく超えても１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚにおける誘電損失が０．００４以下のアルミナ質焼結体とすることができた。これにより、コストがあまりアップしないで低誘電損失を有するアルミナ質焼結体が得られるようになった。