СПЕЧЕННАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ АЛЬФА-ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА САПФИРА
SINTERED BODY FROM ALPHA-ALUMINA FOR PRODUCING SAPPHIRE SINGLE CRYSTAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к спеченной заготовке из α-оксида алюминия (спеченной заготовке из альфа-оксида алюминия) для получения монокристалла сапфира.
Описание области техники, к которой относится изобретение
Порошок α-оксида алюминия может быть использован в качестве сырья для получения монокристалла сапфира. Монокристалл сапфира может быть получен, например, способом, согласно которому порошок α-оксида алюминия загружают в тигель, изготовленный из металлического молибдена, нагревают до плавления порошка α-оксида алюминия и выгружают расплав из расплавленного оксида алюминия (JP Н5-97569А).
Однако традиционный порошок α-оксида алюминия не обеспечивает достаточную производственную эффективность монокристалла сапфира.
Раскрытие изобретения
Следовательно, задачей настоящего изобретения является получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия (спеченной заготовки из альфа-оксида алюминия) для получения монокристалла сапфира, способного обеспечить получение монокристалла сапфира с достаточной производственной эффективностью, и способ его получения.
Авторы настоящего изобретения провели исследования по разработке α-оксидно-алюминиевого сырья, подходящего для получения монокристалла сапфира, таким образом совершив настоящее изобретение.
Иными словами, настоящее изобретение включает следующие положения:
3
(1) Спеченная заготовка из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, относительная плотность которого составляет 60% или более, закрытая пористость - 10% или менее, чистота - 99,99% вес. или более, содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg в нем составляет 10 ч./млн или менее, а объем - 1 см или более.
(2) Спеченная заготовка из α-оксида алюминия согласно п.(1), имеющая форму диска, столбика, призмы и многоугольной пластины.
(3) Спеченная заготовка из α-оксида алюминия согласно п.(2), имеющая форму, описанную в любом подпункте (i)-(iv):
(i) форму диска, диаметр поперечного сечения которого составляет 5 мм или более и 500 мм или менее, толщина которого составляет 5 мм или более и менее 500 мм, при этом его толщина составляет 0,01 или более и менее 1 в том случае, когда диаметр принимают за 1;
(ii) форму столбика, диаметр поперечного сечения которого составляет 5 мм или более и 500 мм или менее, высота которого составляет 5 мм или более и 2000 мм или менее, при этом его высота составляет 1 или более и 100 или менее в том случае, когда диаметр принимают за 1;
(iii) форму призмы, эквивалентный диаметр круга поперечного сечения которой составляет 5 мм или более и 500 мм или менее, высота которой составляет 5 мм или более и 2000 мм или менее, при этом ее высота составляет 1 или более и 100 или менее в том случае, когда эквивалентный диаметр круга принимают за 1; и
(iv) форму многоугольной пластинки (или полигональную форму), эквивалентный диаметр круга поперечного сечения которой составляет от 5 мм или более до 500 мм или менее, толщина которой составляет 5 мм или более и менее 500 мм или менее, при этом ее толщина составляет от 0,01 или более и менее 1 в том случае, когда эквивалентный диаметр круга принимают за 1.
(4) Способ получения спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, включающий следующие стадии:
Стадия (а): смешивание 100 весовых частей α-оксида алюминия с 1 весовой частью или более и 20 весовыми частями или менее предшественника α-оксида алюминия для получения смеси;
Стадия (b): формование прессовки из полученной смеси; и
Стадия (с): обжиг прессовки для получения спеченной заготовки из α-оксида алюминия.
2
2
(5) Способ по п.(4), в котором α-оксид алюминия имеет площадь удельной поверхности, равную 1 м/г или более и 20 м/г или менее, содержание влаги, равное менее 0,5%, чистоту - 99,99% вес. или более и содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg, равное 10 ч./млн или менее.
2
(6) Способ по п.(4) или (5), в котором предшественник α-оксида алюминия имеет площадь удельной поверхности, равную 50 м/г или более, содержание влаги - 0,5% или более, чистоту - 99,99% вес. или более и содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg, равное 10 ч./млн или менее.
(7) Способ по любому из пп.(4)-(6), в котором предшественник α-оксида алюминия представляет собой, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из гидроксида алюминия и переходного оксида алюминия.
(8) Способ по любому из пп.(4)-(7), в котором прессовку штампуют под давлением, составляющим 20 МПа или более и 400 МПа или менее, а способ штамповки выбран из штамповки под прессом и холодной изостатической штамповки.
(9) Способ по любому из пп.(4)-(8), в котором обжиг осуществляют при температуре, составляющей 1200°С или более и 1700°С или менее, продолжительности выдерживания, составляющей от 0,5 часа или более до 24 часов, и скорости повышения температуры (т.е. скорости нагревания), составляющей 30°С/час или более и 500°С/час или менее.
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира согласно настоящему изобретению способна обеспечить легкое получение высококачественного монокристалла сапфира с меньшей степенью окрашивания и растрескивания способом, включающим нагревание спеченной заготовки из α-оксида алюминия с целью его плавления в тигле и выгрузку расплава. Кроме того, монокристалл сапфира может быть получен с высокой объемной производительностью, например, посредством штамповки спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира в форме диска и наложения (или ламинирования) нескольких дисков один на другой, либо штамповки спеченной заготовки из α-оксида алюминия в форме столбика и пакетирования нескольких столбиков, а затем их загрузки в тигель.
Прессовка согласно настоящему изобретению имеет высокую механическую прочность и поэтому может быть использована в качестве сырья для получения спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира.
Краткое описание чертежей
Фиг.1(а) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку из α-оксида алюминия в форме диска для получения монокристалла сапфира согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.1(b) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку из α-оксида алюминия в форме диска для получения множества монокристаллов сапфира, отделенных от спеченной заготовки из α-оксида алюминия согласно фиг.1(а);
Фиг.1(с) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку из α-оксида алюминия в форме столбика для получения монокристалла сапфира согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.1(d) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку из α-оксида алюминия в форме призмы для получения монокристалла сапфира согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.1(е) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку из α-оксида алюминия в форме многоугольной пластины для получения монокристалла сапфира согласно очередному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия согласно настоящему изобретению для получения монокристалла сапфира (в дальнейшем иногда называемая просто «спеченная заготовка из α-оксида алюминия») имеет заданную относительную плотность, закрытую пористость, чистоту, содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg и объем.
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия может иметь относительную плотность, равную 60% или более, предпочтительно - 65% или более и 95% или менее. В том случае, если относительная плотность находится в рамках вышеуказанного диапазона, получение монокристалла сапфира имеет высокую объемную эффективность. Относительная плотность представляет собой величину, получаемую в результате деления плотности спеченной заготовки на теоретическую плотность спекания α-оксида алюминия, а затем умножения на 100.
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия имеет закрытую пористость, равную 10% или менее, предпочтительно - 8% или менее, более предпочтительно - 0% или более и 4% или менее. В том случае, если закрытая пористость находится в рамках вышеуказанного диапазона, в процессе получения монокристалла сапфира в закрытые поры проникает меньше влаги, и при нагревании спеченной заготовки из α-оксида алюминия с целью плавления тигель не подвергается окислению из-за влаги, кроме того, количество пустот, образующихся в монокристалле сапфира, снижается. Закрытая пористость означает количественное соотношение объема закрытых пор из общего объема самой спеченной заготовки из α-оксида алюминия, объема закрытых пор и объема открытых пор.
Относительная плотность и закрытая пористость могут быть измерены, например, способом, описанным в примерах.
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия имеет чистоту, равную 99,99% вес. или более. В том случае, если чистота находится в рамках вышеуказанного диапазона, можно получить высококачественный монокристалл сапфира с меньшей степенью окрашивания, растрескивания, пузырьков и т.п.
Содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg в спеченной заготовке из α-оксида алюминия составляет 10 ч./млн или менее. Содержание Si составляет 8 ч./млн или менее, содержание Na составляет 5 ч./млн или менее, содержание Ca составляет 1 ч./млн или менее, содержание Fe составляет 8 ч./млн или менее, содержание Cu составляет 1 ч./млн или менее и содержание Mg составляет 1 ч./млн или менее. В идеале, данные элементы предпочтительно отсутствуют. В том случае, если содержание каждого из элементов находится в рамках вышеуказанного диапазона, может быть получен высококачественный монокристалл сапфира с меньшей степенью окрашивания, растрескивания, пузырьков и т.п.
3
3
3
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия имеет объем, равный 1 см или более, предпочтительно - 5 см или более. Верхний предел объема спеченной заготовки из α-оксида алюминия ограничен тиглем для получения монокристалла сапфира. Обычно верхний предел объема составляет 200000 см или менее.
Обычно спеченная заготовка из α-оксида алюминия предпочтительно имеет форму диска, столбика, призмы и многоугольной пластины. В том случае, если спеченная заготовка из α-оксида алюминия имеет любую из вышеуказанных форм, монокристалл сапфира может быть получен с высокой объемной производительностью, например, посредством штамповки спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира в любой описанной выше форме с последующим их наложением или пакетированием и дальнейшей загрузкой в тигель.
Фиг.1(а) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку 1 из α-оксида алюминия в форме диска для получения монокристалла сапфира согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; а Фиг.1(b) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку 2 из α-оксида алюминия в форме диска для получения нескольких монокристаллов сапфира, отделенных от спеченной заготовки из α-оксида алюминия согласно фиг.1(а).
Что касается размера спеченной заготовки 1 из α-оксида алюминия в форме диска, как показано на фиг.1(а), предпочтительно, чтобы диаметр его поперечного сечения составлял 5 мм или более и 500 мм или менее, толщина - 5 мм или более и менее 500 нм, при этом толщина равна 0,01 или более и менее 1 в том случае, когда диаметр принят за 1. Примеры спеченной заготовки 1 из α-оксида алюминия, удовлетворяющей данным условиям, включают спеченные заготовки 1а-1h из α-оксида алюминия, показанные в таблице 1.
Таблица 1
Номер
Диаметр (мм)
Толщина (мм)
Нижний предел
Верхний предел
Нижний предел
Верхний предел
1а
10
20
5
10
1b
20
40
5
20
1c
50
80
5
50
1d
100
150
10
100
1e
150
200
15
150
1f
200
250
20
200
1g
250
300
25
250
1h
300
460
30
300
Как показано на фиг.1(b), спеченная заготовка 1 из α-оксида алюминия может быть разделена на несколько спеченных заготовок 2 из α-оксида алюминия. Такое разделение облегчает обработку спеченной заготовки из α-оксида алюминия при ее загрузке в тигель.
Что касается спеченной заготовки 1 из α-оксида алюминия, имеющей форму, показанную на описанной выше фиг.1(b), прессовка, имеющая форму (части диска), показанную на фиг.1(b), может быть получена заранее, а затем обожжена с получением спеченной заготовки 2 из α-оксида алюминия, вместо разделения с получением прессовки после штамповки спеченной заготовки 1 из α-оксида алюминия, показанной на фиг.1(а).
В данном описании термин «диск» означает форму, соответствующую части полного диска, такого как спеченная заготовка 2 из α-оксида алюминия.
Фиг.1(с) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку 3 из α-оксида алюминия в форме столбика для получения монокристалла сапфира согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1(с), что касается размера спеченной заготовки 3 из α-оксида алюминия, имеющей форму столбика, предпочтительно, чтобы диаметр его поперечного сечения составлял 5 мм или более и 500 мм или менее, высота - 5 мм или более и 2000 мм или менее, при этом высота составляет 1 или более и 100 или менее в том случае, когда диаметр принят за 1. Примеры спеченной заготовки 3 из α-оксида алюминия, удовлетворяющей данным условиям, включают спеченные заготовки 3а-3h из α-оксида алюминия, показанные в таблице 2.
Таблица 2
Номер
Диаметр (мм)
Толщина (мм)
Нижний предел
Верхний предел
Нижний предел
Верхний предел
3а
5
20
20
1500
3b
20
40
40
1500
3c
50
80
80
1500
3d
100
150
150
1500
3e
150
200
200
1500
3f
200
250
250
1500
3g
250
300
300
1500
3h
300
460
460
1500
Фиг.1(d) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку 4 из α-оксида алюминия в форме призмы для получения монокристалла сапфира согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1(d), что касается размера спеченной заготовки 4 из α-оксида алюминия, имеющей форму призмы, предпочтительно, чтобы ее поперечное сечение составляло 5 мм или более и 500 мм или менее, высота - 5 мм или более и 2000 мм или менее, при этом высота составляет 1 или более и 100 или менее в том случае, когда эквивалентный диаметр круга принят за 1. Примеры спеченной заготовки 4 из α-оксида алюминия, удовлетворяющей данным условиям, включают спеченные заготовки 4а-4h из α-оксида алюминия, показанные в таблице 3.
В данном описании эквивалентный диаметр круга поперечного сечения означает диаметр круга, имеющего такую же площадь, как и площадь поперечного сечения (это же касается и дальнейшей части описания).
Таблица 3
Номер
Эквивалентный диаметр круга (мм)
Высота (мм)
Нижний предел
Верхний предел
Нижний предел
Верхний предел
43а
10
20
20
1500
4b
20
40
40
1500
4c
50
80
80
1500
4d
100
150
150
1500
4e
150
200
200
1500
4f
200
250
250
1500
4g
250
300
300
1500
4h
300
460
460
1500
Фиг.1(е) представляет собой вид в перспективе, показывающий спеченную заготовку 5 из α-оксида алюминия в форме многоугольной пластины для получения монокристалла сапфира согласно очередному варианту осуществления настоящего изобретения.
Что касается размера спеченной заготовки 5 из α-оксида алюминия, имеющей форму многоугольной пластины, как показано на фиг.1(е), предпочтительно, чтобы эквивалентный диаметр круга ее поперечного сечения составлял 5 мм или более и 500 мм или менее, толщина - 5 мм и менее 500 мм или менее, при этом толщина составляет 0,01 или более и менее 1 в том случае, когда эквивалентный диаметр круга принят за 1. Примеры спеченной заготовки 5 из α-оксида алюминия, удовлетворяющей данным условиям, включают спеченные заготовки 5а-5h из α-оксида алюминия, показанные в таблице 4.
В данном описании термин «поперечное сечение» спеченной заготовки означает плоскость, возникающую при разрезании по плоскости, вертикальной направлению высоты или толщины формы спеченной заготовки. При использовании спеченных заготовок, имеющих форму, показанную на фиг.1(а)-фиг.1(е), это означает плоскость, возникающую при разрезании по плоскости, вертикальной направлению толщины или высоты спеченной заготовки, т.е. плоскости, вертикальной оси z (плоскость xy).
Таблица 4
Номер
Эквивалентный диаметр круга (мм)
Толщина (мм)
Нижний предел
Верхний предел
Нижний предел
Верхний предел
5а
10
20
5
10
5b
20
40
5
20
5c
50
80
5
50
5d
100
150
10
100
5e
150
200
15
150
5f
200
250
20
200
5g
250
300
25
250
5h
300
460
30
300
Монокристалл сапфира может быть легко получен нагреванием до плавления спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира с последующим охлаждением.
Высококачественный монокристалл сапфира может быть также получен с меньшей степенью окрашивания и растрескивания в результате использования спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира в качестве оксидно-алюминиевого сырья для получения монокристалла сапфира.
Монокристалл сапфира может быть получен с высокой объемной эффективностью и высокой эффективностью теплопередачи в результате штамповки в форме диска и наложения (или ламинирования) нескольких дисков, либо штамповки в виде стержня и пакетирования нескольких стержней и их последующей загрузки в тигель.
α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира может быть использован в качестве сырья при осуществлении способов выращивания монокристаллов сапфира, таких как способ EFG, способ Чохральского и способ Kyropoulos, требующий загрузки сырья в тигель с высокой объемной эффективностью.
Способ получения α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира
Спеченная заготовка из α-оксида алюминия согласно настоящему изобретению может быть получена, например, способом, включающим стадии (а), (b) и (с):
Стадия (а): смешивание α-оксида алюминия (в дальнейшем иногда называемого «порошком α-оксида алюминия») с предшественником α-оксида алюминия для получения смеси,
Стадия (b): штамповка прессовки из смеси, и
Стадия (с): обжиг прессовки для получения спеченной заготовки из α-оксида алюминия.
Прессовке может быть придана достаточная механическая прочность, обеспечивающая предотвращение повреждения во время загрузки в обжиговую печь и обжига в обжиговой печи, в результате смешивания порошка α-оксида алюминия с предшественником α-оксида алюминия в указанной ниже пропорции.
Порошок α-оксида алюминия
2
2
2
2
Порошок α-оксида алюминия предпочтительно представляет собой порошок α-оксида алюминия, имеющий высокую чистоту, например, чистоту, равную 99,99% вес. или более, в котором содержание влаги составляет менее 0,5%, удельная поверхность БЭТ предпочтительно составляет 1 м/г или более и 20 м/г или менее, более предпочтительно - 1 м/г или более и 10 м/г или менее; средний диаметр частиц предпочтительно равен 0,1 мкм или более и 5,0 мкм или менее, более предпочтительно - 0,1 мкм или более и 1,0 мкм или менее; содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg предпочтительно составляет 10 ч./млн или менее, и, более предпочтительно, содержание Si составляет 8 ч./млн или менее, содержание Na составляет 5 ч./млн или менее, содержание Ca составляет 1 ч./млн или менее, содержание Fe составляет 8 ч./млн или менее, содержание Cu составляет 1 ч./млн или менее и содержание Mg составляет 1 ч./млн или менее, при этом, в идеале, данные элементы предпочтительно отсутствуют.
В том случае, если чистота находится в рамках вышеуказанного диапазона, легко получить спеченную заготовку из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, имеющего чистоту, указанную в данном описании. В том случае, если содержание влаги выходит за пределы вышеуказанного диапазона, получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия, имеющей вышеупомянутую относительную плотность, становится затруднительным. В том случае, если удельная поверхность БЭТ выходит за пределы вышеуказанного диапазона, получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия, имеющей вышеупомянутую относительную плотность, становится затруднительным. В том случае, если средний диаметр частиц составляет менее 0,1 мкм, дальнейшее улучшение относительной плотности полученной спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира не воспринимается, к тому же, для получения порошка из α-оксида алюминия требуется энергия (стадия измельчения и т.д.). В том случае, если средний диаметр частиц составляет более 5,0 мкм, получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, имеющего относительную плотность, указанную в данном описании, становится затруднительным. В том случае, если содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg находится в рамках вышеуказанного диапазона, может быть получена спеченная заготовка из α-оксида алюминия, имеющая описанное выше содержание.
Чистота, содержание влаги, удельная поверхность БЭТ и средний диаметр частиц могут быть измерены, например, способами, описанными в примерах.
Примеры способа получения порошка α-оксида алюминия включают способ, согласно которому гидроксид алюминия, полученный способом с использованием алкоксида алюминия, обжигают; способ, согласно которому синтез осуществляют с использованием алюминийорганического соединения; способ, согласно которому переходный оксид алюминия или оксидно-алюминиевый порошок, который превращают в переходный оксид алюминия в результате термической обработки, в виде сырья обжигают в атмосферном газе, содержащем хлористый водород; способы, описанные в JP 2010-150090A, JP 2008-100903A, JP 2002-0470A09, JP 2001-354413A и т.п.
Примеры, иллюстрирующие способ с использованием алкоксида алюминия, включают описание способа, согласно которому алкоксид алюминия гидролизуют, получая подобный суспензии, золю или гелю гидроксид алюминия, после чего гидроксид алюминия сушат, получая высушенный в виде порошка гидроксид алюминия.
Конечный порошок α-оксида алюминия может быть получен в результате обжига высушенного в виде порошка гидроксида алюминия, полученного способом с использованием алкоксида алюминия.
Гидроксид алюминия обычно обжигают способом, согласно которому гидроксид алюминия загружают в контейнер для обжига.
Примеры контейнера для обжига включают контейнер с обшивкой или т.п.
Материалом для контейнера для обжига предпочтительно является оксид алюминия, особенно предпочтительно - α-оксид алюминия высокой чистоты, с точки зрения предотвращения загрязнения полученного порошка α-оксида алюминия.
Примеры печи для обжига, используемой для обжига гидроксида алюминия, включают печи для обжига материала стационарного типа, такие как туннельная печь, периодически загружаемая печь для обжига с отдушиной и ящичным корпусом и периодически загружаемая печь для обжига с параллельными потоками и ящичным корпусом; вращающаяся печь и т.п.
Температуру обжига, скорость повышения температуры до достижения температуры обжига и продолжительность обжига гидроксида алюминия соответственно выбирают таким образом, чтобы получить α-оксид алюминия, имеющий вышеупомянутые объективные физические свойства.
Температура обжига гидроксида алюминия составляет 1100°С или выше и 1450°С или ниже, предпочтительно - 1200°С или выше и 1350°С или ниже. Скорость повышения температуры до достижения такой температуры обжига обычно составляет 30°С/час или более и 500°С/час или менее. Продолжительность обжига гидроксида алюминия обычно составляет от 0,5 часа или более до 24 часов, предпочтительно - от 1 часа или более до 10 часов.
Гидроксид алюминия может быть обожжен, например, в атмосфере инертного газа, такого как азот или аргон, а также в атмосфере воздуха; он может быть обожжен в атмосфере, имеющей высокое парциальное давление водяного пара, такой как атмосфера, образующаяся в газовой печи, обеспечивающей обжиг в результате сгорания газообразного пропана.
Полученный порошок α-оксида алюминия иногда агрегируется в том случае, если средний диаметр частиц составляет более 10 мкм. В таком случае предпочтительно осуществляют измельчение.
Порошок α-оксида алюминия может быть измельчен, например, с помощью известного устройства, такого как вибромельница, шаровая мельница или струйная мельница; может быть использован любой способ измельчения в сухом состоянии и способ измельчения во влажном состоянии. Для того чтобы обеспечить получение физических свойств описанного выше порошка α-оксида алюминия, не включающего крупные агрегированные частицы, с сохранением нужного уровня чистоты, в качестве предпочтительного способа измельчения с сохранением нужного уровня чистоты может быть использован способ измельчения с помощью струйной мельницы.
Средний диаметр частиц порошка α-оксида алюминия может быть измерен, например, способом, описанным в примерах.
Устройство для измельчения предпочтительно представляет собой устройство для измельчения, в котором плоскость, контактирующая с α-оксидом алюминия, состоит из такого материала, как высокочистый α-оксид алюминия или полимерная прокладка, с точки зрения снижения степени загрязнения полученного порошка α-оксида алюминия.
При измельчении с использованием мельницы со средней скоростью перемешивания измельчаемая среда предпочтительно состоит из α-оксидно-алюминиевого материала высокой чистоты.
Вещество-предшественник
α-оксида алюминия
Предшественник α-оксида алюминия представляет собой соединение, способное превращаться в α-оксид алюминия в результате обжига, и его примеры включают порошки, состоящие из гидроксида алюминия, переходного оксида алюминия или т.п. Предшественником α-оксида алюминия предпочтительно является, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из гидроксида алюминия и переходного оксида алюминия.
Примеры гидроксида алюминия включают кристаллические гидроксиды алюминия, такие как гидроксид алюминия типа гиббсита, бемита, псевдобемита, бейерита, норстрандита и диаспора, а также аморфный гидроксид алюминия.
Примеры переходного оксида алюминия включают γ-оксид алюминия, χ-оксид алюминия, θ-оксид алюминия, ρ-оксид алюминия и κ-оксид алюминия, кристаллическую фазу каждого из которых составляет γ-фаза, χ-фаза, θ-фаза, ρ-фаза и κ-фаза соответственно.
Примером служит описание использования, в качестве предшественника α-оксида алюминия, порошка γ-оксида алюминия (гамма-оксида алюминия).
2
2
2
Порошок γ-оксида алюминия предпочтительно представляет собой порошок γ-оксида алюминия, имеющий высокую чистоту, например чистоту, равную 99,99% вес. или более, в котором содержание влаги составляет 0,5% или более, предпочтительно - 1,0% или более и 4% или менее; удельная поверхность БЭТ составляет 50 м/г или более, предпочтительно - 100 м/г или более и 250 м/г или менее; средний диаметр частиц предпочтительно равен 0,1 мкм или более и 10,0 мкм или менее, более предпочтительно - 0,1 мкм или более и 5,0 мкм или менее; содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg предпочтительно составляет 10 ч./млн или менее, и, более предпочтительно, содержание Si составляет 8 ч./млн или менее, содержание Na составляет 5 ч./млн или менее, содержание Ca составляет 1 ч./млн или менее, содержание Fe составляет 8 ч./млн или менее, содержание Cu составляет 1 ч./млн или менее и содержание Mg составляет 1 ч./млн или менее, при этом, в идеале, данные элементы предпочтительно отсутствуют.
В том случае, если чистота находится в рамках вышеуказанного диапазона, легко получить спеченную заготовку из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, имеющего чистоту, указанную в данном описании. В том случае, если содержание влаги выходит за пределы вышеуказанного диапазона, получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия, имеющей вышеупомянутую относительную плотность, становится затруднительным. В том случае, если удельная поверхность БЭТ выходит за пределы вышеуказанного диапазона, получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия, имеющей вышеупомянутую относительную плотность, становится затруднительным. В том случае, если средний диаметр частиц составляет менее 0,1 мкм, промышленное производство порошка γ-оксида алюминия затрудняется. В том случае, если средний диаметр частиц составляет более 10,0 мкм, получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, имеющего относительную плотность, указанную в данном описании, становится затруднительным. В том случае, если содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg находится в рамках вышеуказанного диапазона, может быть получена спеченная заготовка из α-оксида алюминия, имеющая описанное выше содержание.
Чистота, содержание влаги, удельная поверхность БЭТ и средний диаметр частиц могут быть измерены таким же образом, как и в описанном выше способе измерения физических свойств порошка α-оксида алюминия.
Порошок γ-оксида алюминия может быть получен, например, способом с использованием алкоксида алюминия, при этом конечный порошок γ-оксида алюминия может быть получен в результате обжига высушенного в виде порошка гидроксида алюминия, полученного вышеописанным способом получения порошка α-оксида алюминия.
Гидроксид алюминия для получения порошка γ-оксида алюминия (в дальнейшем называемого «гидроксид алюминия (А)») обычно обжигают способом, согласно которому гидроксид алюминия (А) загружают в контейнер для обжига.
Примеры контейнера для обжига включают контейнер с обшивкой или т.п.
Материалом для контейнера для обжига предпочтительно является оксид алюминия, особенно предпочтительно - α-оксид алюминия высокой чистоты, с точки зрения предотвращения загрязнения получаемого порошка γ-оксида алюминия.
Примеры печи для обжига, используемой для обжига гидроксида алюминия (А), включают печи для обжига материала стационарного типа, такие как туннельная печь, периодически загружаемая печь для обжига с отдушиной и ящичным корпусом и периодически загружаемая печь для обжига с параллельными потоками и ящичным корпусом; вращающаяся печь и т.п.
Температуру обжига, скорость повышения температуры до достижения температуры обжига и продолжительность обжига гидроксида алюминия (А) соответственно выбирают таким образом, чтобы получить γ-оксид алюминия, имеющий вышеупомянутые объективные физические свойства.
Температура обжига гидроксида алюминия (А) составляет 600°С или выше и 1000°С или ниже, предпочтительно - 700°С или выше и 900°С или ниже. Скорость повышения температуры до достижения такой температуры обжига обычно составляет 30°С/час или более и 500°С/час или менее. Продолжительность обжига гидроксида алюминия (А) обычно составляет от 0,5 часа или более до 24 часов, предпочтительно - от 1 часа или более до 10 часов.
Гидроксид алюминия (А) может быть обожжен, например, в атмосфере инертного газа, такого как азот или аргон, а также в атмосфере воздуха; он может быть обожжен в атмосфере, имеющей высокое парциальное давление водяного пара, такой как атмосфера, образующаяся в газовой печи, обеспечивающей обжиг в результате сжигания газообразного пропана.
Полученный порошок γ-оксида алюминия иногда агрегируется в состоянии, когда средний диаметр частиц составляет более 10 мкм. В таком случае предпочтительно осуществляют его измельчение.
Порошок γ-оксида алюминия может быть измельчен, например, с помощью известного устройства, такого как вибромельница, шаровая мельница или струйная мельница; может быть использован любой способ измельчения в сухом состоянии и способ измельчения во влажном состоянии. Для того чтобы обеспечить получение физических свойств описанного выше порошка γ-оксида алюминия, не включающего крупные агрегированные частицы, с сохранением нужного уровня чистоты, в качестве предпочтительного способа измельчения с сохранением нужного уровня чистоты может быть использован способ измельчения с помощью струйной мельницы.
Устройство для измельчения предпочтительно представляет собой устройство для измельчения, в котором плоскость, контактирующая с γ-оксидом алюминия, состоит из такого материала, как высокочистый γ-оксид алюминия или полимерная прокладка, с точки зрения снижения степени загрязнения полученного порошка γ-оксида алюминия. При измельчении с использованием мельницы со средней скоростью перемешивания измельчаемая среда предпочтительно состоит из γ-оксидно-алюминиевого материала высокой чистоты.
При использовании, в качестве предшественника α-оксида алюминия, переходного оксида алюминия, отличного от порошка γ-оксида алюминия (например, δ-оксида алюминия, θ-оксида алюминия), переходный оксид алюминия также может быть получен в результате соответствующего регулирования температуры обжига, скорости повышения температуры до достижения температуры обжига, а также продолжительности обжига и атмосферы обжига.
Смесь
100 Весовых частей порошка α-оксида алюминия смешивают с 1 весовой частью или более и 20 весовыми частями или менее, предпочтительно - 1 весовой частью или более и 10 весовыми частями или менее, более предпочтительно - 1 весовой частью или более и 5 весовыми частями или менее, порошка γ-оксида алюминия. В том случае, если содержание порошка γ-оксида алюминия составляет менее 1 весовой части, прочность прессовки, полученной в результате прессования смеси, становится недостаточной, и форма прессовки легко нарушается в результате контакта, удара или т.п., поэтому спеченная заготовка из α-оксида алюминия, имеющая объем согласно настоящему изобретению, не может быть получена. В том случае, если содержание порошка γ-оксида алюминия составляет более 20 весовых частей, спеченная заготовка из α-оксида алюминия, имеющая объем согласно настоящему изобретению, также не может быть получена.
Способ смешивания порошка α-оксида алюминия с порошком γ-оксида алюминия может, например, представлять собой способ сухого смешивания в сухом состоянии без добавления растворителя, такого как вода, или способ влажного смешивания во влажном состоянии с добавлением растворителя, такого как вода.
При сухом смешивании может быть, например, использован способ с применением барабанного смесителя, V-образного смесителя, вибрационной мешалки, планетарной мельницы, шаровой мельницы или т.п.
При влажном смешивании может быть, например, использован способ с применением шаровой мельницы или смесителя, способ облучения ультразвуковой волной или т.п. С точки зрения меньшего загрязнения загрязняющими примесями предпочтительным является способ облучения ультразвуковой волной.
При влажном смешивании в качестве растворителя обычно используют воду. С целью улучшения диспергируемости порошка α-оксида алюминия и порошка γ-оксида алюминия может быть введен диспергирующий агент.
С целью сохранения высокой чистоты оксида алюминия вводимый диспергирующий агент предпочтительно представляет собой, например, полимерный диспергирующий агент, такой как аммониевая соль полиакриловой кислоты, испаряющийся во время обжига прессовки и не остающийся в спеченной заготовке из α-оксида алюминия в виде загрязняющих примесей.
При использовании влажного смешивания получаемую суспензию обычно сушат. Например, сушка может включать стационарную сушку, сушку в псевдоожиженном слое или т.п., либо сушка может включать распылительную сушку в гранулированном виде.
Например, распылительную сушку осуществляют, распыляя смешанную суспензию порошка α-оксида алюминия и порошка γ-оксида алюминия через образующую капли форсунку и высушивая ее в потоке газа, при этом влага в распыляемой суспензии имеет форму капель, образующих смешанные гранулы α-оксида алюминия и γ-оксида алюминия.
Диаметр частиц смешанных гранул обычно составляет около 20 мкм или более и около 200 мкм или менее. Диаметр частиц может быть отрегулирован, например, с помощью диаметра капель, распыляемых через форсунку, содержания влаги в суспензии или т.п.
Прессовка
Прессовка может быть получена, например, штамповкой, такой как прессование, гибка на ротационно-гибочной машине, холодное изостатическое прессование (CIP) или горячее изостатическое прессование (HIP) смеси, полученной описанным выше способом.
Давление при штамповке (или прессовании) обычно составляет 20 МПа или более и 400 МПа или менее, предпочтительно - 50 МПа или более и 200 МПа или менее, с точки зрения облегчения получения прессовки, имеющей заданную механическую прочность. В том случае, если давление при штамповке составляет менее 20 МПа, получаемая прессовка имеет низкую механическую прочность, поэтому прессовка может быть повреждена во время ее загрузки в печь для обжига или обжига в такой печи. Давление при штамповке, составляющее более 400 МПа, не является предпочтительным, поскольку оно является труднодостижимым на производстве.
Полученная прессовка имеет любую из таких форм, как диск, столбик, многоугольная пластина и призма. Прессовка может иметь форму и размер, близкие к форме и размеру тигля, используемого для получения монокристалла сапфира.
Пресс-форма, используемая при штамповке, предпочтительно представляет собой пресс-форму, в которой плоскость, контактирующая со смесью, изготовлена из высокочистого α-оксида алюминия или полимера, либо данная плоскость облицована полимером, с точки зрения снижения степени загрязнения получаемой прессовки.
Спеченная заготовка
Спеченную заготовку получают в результате обжига прессовки, полученной описанным выше способом.
Температура обжига прессовки обычно составляет 1200°С или более и 1700°С или менее, предпочтительно - 1300°С или более и 1600°С или менее, с точки зрения облегчения получения спеченной заготовки из α-оксида алюминия, имеющей чистоту, закрытую пористость и относительную плотность согласно настоящему изобретению. В том случае, если температура обжига превышает 1700°С, происходит слишком сильный обжиг прессовки, поэтому спеченная заготовка из α-оксида алюминия, имеющая закрытую пористость согласно настоящему изобретению, не может быть получена, при этом возможно загрязнение примесями из печи для обжига. В том случае, если температура обжига составляет ниже 1200°С, происходит недостаточное превращение порошка γ-оксида алюминия в порошок α-оксида алюминия, и/или прочность полученной спеченной заготовки из α-оксида алюминия становится недостаточной. Поэтому форма спеченной заготовки из α-оксида алюминия может быть легко нарушена в результате контакта, удара или т.п. и спеченная заготовка из α-оксида алюминия, имеющая объем согласно настоящему изобретению, не может быть получена.
Скорость повышения температуры до достижения температуры обжига прессовки может составлять, например, 30°С/час или более и 500°С/час или менее. Даже если скорость повышения температуры составляет менее 30°С/час, относительная плотность полученной спеченной заготовки из α-оксида алюминия не изменяется и ее обжиг требует много энергии. В том случае, если температура обжига составляет более 500°С/час, может произойти повреждение и растрескивание спеченной заготовки из α-оксида алюминия, поэтому получение спеченной заготовки из α-оксида алюминия, имеющей указанный выше объем, может стать затруднительным.
Продолжительность обжига (продолжительность удерживания температуры обжига) прессовки может равняться периоду времени, необходимому для превращения γ-оксида алюминия в α-оксид алюминия, и варьируется в зависимости от соотношения содержания α-оксида алюминия и γ-оксида алюминия, типа печи для обжига, температуры обжига, атмосферы обжига и т.д. Например, продолжительность обжига составляет от 30 минут или более до 24 часов, предпочтительно - от 1 часа или более до 10 часов.
Прессовка может быть обожжена в атмосфере воздуха или атмосфере инертного газа, такого как азот или аргон. Прессовка может быть также обожжена во влажной атмосфере, имеющей высокое парциальное давление водяного пара.
Прессовка может быть обожжена, например, с использованием традиционных печей для обжига, таких как трубчатая электрическая печь, туннельная печь, печь с дальним инфракрасным излучением, печь с СВЧ-нагревом, шахтная печь, отражательная печь, карусельная печь и печь с роликовым подом. Обжиг может происходить периодически или непрерывно.
Прессовку обычно обжигают, загружая ее в контейнер для обжига.
Примеры контейнера для обжига включают контейнер с обшивкой или т.п. Контейнер для обжига предпочтительно изготовлен из оксида алюминия, особенно предпочтительно - из α-оксида алюминия, с точки зрения предотвращения загрязнения.
Примеры
Далее настоящее изобретение описано более подробно с помощью примеров, однако оно не ограничивается приведенными примерами.
Для оценки свойств применялись следующие методы.
(1) Относительная плотность
После измерения спеченной плотности способом Архимеда относительную плотность рассчитывают по следующей формуле.
3
3
Относительная плотность (%) = спеченная плотность [г/см]/3,98 [г/см; теоретическая спеченная плотность α-оксида алюминия]×100.
(2) Закрытая пористость
Закрытую пористость рассчитывают на основе плотности частиц и объема пор (объем открытых пор) с помощью следующего уравнения. Объем пор определяют по следующей методике. После сушки образца при 120°С в течение 4 часов объем пор определяют как объем пор, диаметр которых составляет 1 мкм или менее, способом, включающим проникновение ртути.
Плотность частиц рассчитывают на основе способа измерения абсолютной плотности, описанного в JIS R 7222 (1997).
3
Объем закрытых пор (см/г) = (1/плотность частиц) - (1/3,98)
Закрытая пористость (%) = [(объем закрытых пор)/{(1/3,98) + объем пор + объем закрытых пор}]×100.
(3) Объем
Объем рассчитывают на основе спеченной плотности спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, измеренной способом Архимеда, и массе одной части спеченной заготовки согласно уравнению.
3
3
Объем (см/часть) = масса [г/часть]/спеченная плотность [г/см].
(4) Концентрация загрязняющих примесей и чистота
2
2
2
3
Содержание каждого из Si, Na, Mg, Cu, Fe и Ca измеряют с помощью оптической эмиссионной спектрометрии. Чистоту определяют, подсчитывая общую суммарную (%) массу SiO, NaO, MgO, CuO, FeO и CaO, содержащихся в α-оксиде алюминия для получения монокристалла сапфира, и вычитая полученную общую сумму из 100.
Чистота (%) = 100(%) - общая масса (%) загрязняющих примесей.
(5) Средний диаметр частиц
Средний диаметр частиц порошка α-оксида алюминия и порошка γ-оксида алюминия определяют по следующей методике. Используя лазерный анализатор гранулометрического состава (“Microtrac”, выпускаемый Nikkiso Co., Ltd.) методом лазерной дифракции определяют 50% эквивалент диаметра частиц суммарной процентной величины в расчете на массу как средний диаметр частиц.
(6) Площадь удельной поверхности
Площадь удельной поверхности определяют методом абсорбции азота, используя БЭТ-анализатор площади удельной поверхности (“2300-PC-1A”, выпускаемый Shimadzu Corporation).
(7) Содержание влаги
Количество влаги, поглощенной порошком α-оксида алюминия, определяют, высушивая образец при 100°С согласно JIS H 1901 (1997), а затем вычисляя потерю массы.
(8) Относительная прочность прессовки
Относительную прочность прессовки определяют по следующей методике. В соответствии с методом испытания прочности на изгиб при комнатной температуре, описанным в JIS R1601, прочность на изгиб измеряют в трех точках, а затем определяют относительную прочность прессовки как относительную прочность на изгиб, принимая за 100 прочность на изгиб прессовки, изготовленной из порошка α-оксида алюминия «АКР-3000», выпускаемого Sumitomo Chemical Company, Limited.
(9) Неутрамбованная плотность
3
Неутрамбованную плотность определяют, помещая образец в цилиндр, имеющий объем 200 см и отношение глубины к внутреннему диаметру, равное 6:1, а затем деля массу образца на объем измерительного контейнера (цилиндр).
Пример 1
Получение порошка α-оксида алюминия
3
Изопропоксид алюминия гидролизуют водой, получая гидроксид алюминия в виде суспензии, а затем высушивая гидроксид алюминия в виде суспензии с получением гидроксида алюминия в виде сухого порошка, имеющего неутрамбованную плотность, равную 0,1 г/см.
Кроме того, полученный гидроксид алюминия обжигают, поддерживая температуру на уровне 1220°С в течение 4 часов, а затем измельчают его в струйной мельнице, получая порошок α-оксида алюминия.
2
Полученный порошок α-оксида алюминия имеет площадь удельной поверхности БЭТ, равную 4,5 м/г, содержание влаги - 0,2%, средний размер частиц - 0,52 мкм, содержание Si - 4 ч./млн, содержание Fe - 4 ч./млн, содержание Cu - 1 ч./млн, содержание Na - 2 ч./млн, содержание Mg - 1 ч./млн и чистоту оксида алюминия - 99,99% вес. или более.
Получение порошка γ-оксида алюминия
3
Изопропоксид алюминия гидролизуют водой, получая гидроксид алюминия в виде суспензии, а затем высушивая гидроксид алюминия в виде суспензии с получением гидроксида алюминия в виде сухого порошка, имеющего неутрамбованную плотность, равную 0,1 г/см.
Кроме того, полученный гидроксид алюминия обжигают, поддерживая температуру на уровне 800°С в течение 3 часов, а затем измельчают его в струйной мельнице, получая порошок γ-оксида алюминия.
2
Полученный порошок γ-оксида алюминия имеет площадь удельной поверхности БЭТ, равную 154,2 м/г, содержание влаги - 2%, средний размер частиц - 2,4 мкм, содержание Si - 2 ч./млн, содержание Fe - 4 ч./млн, содержание Cu - 1 ч./млн, содержание Na - 2 ч./млн, содержание Mg - 1 ч./млн и чистоту оксида алюминия - 99,99% вес. или более.
Получение спеченной заготовки
Порошок α-оксида алюминия смешивают с порошком γ-оксида алюминия в мешке из полимера в течение 10 минут, получая смесь. Количество смешиваемого порошка γ-оксида алюминия составляет 2 весовые части на 100 весовых частей получаемой спеченной заготовки из α-оксида алюминия.
2
Смесь загружают в изготовленную из полимера цилиндрическую пресс-форму, внутренний диаметр которой составляет 30 мм, а затем уплотняют при помощи изостатического пресса под давлением, равным 1 т/см (98 МПа), получая прессовку.
Такая прессовка обладает достаточной механической прочностью, не разрушаясь во время ее загрузки в печь для обжига и обжигания в печи для обжига в процессе изготовления спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира.
Полученную прессовку нагревают до 1350°С со скоростью повышения температуры, составляющей 100°С/час, а затем обжигают, поддерживая температуру обжига на уровне 1350°С в течение 4 часов, получая спеченную заготовку из α-оксида алюминия.
3
Полученная заготовка из α-оксида алюминия имеет относительную плотность, равную 69%, закрытую пористость - 0%, форму столбика, объем - 6 см, содержание Si - 6 ч./млн, содержание Na - 5 ч./млн или менее, содержание Mg - 1 ч./млн или менее, содержание Cu - 1 ч./млн или менее, содержание Fe - 4 ч./млн, содержание Ca - 1 ч./млн или менее и чистоту оксида алюминия - 99,99% вес.
Множество таких спеченных заготовок из α-оксида алюминия подготавливают и помещают в тигель, при этом объемная производительность при получении монокристалла сапфира является высокой.
Пример 2
Таким же образом, как и в примере 1, получают смесь порошка α-оксида алюминия и порошка γ-оксида алюминия.
Таким же образом, как и в примере 1, за исключением того, что смесь загружают в пресс-форму, внутренний диаметр которой составляет 5 мм, высота - 50 мм и длина - 50 мм, смесь формуют в виде призмы, получая прессовку. Прессовка имеет относительную прочность, равную 142, и высокую механическую прочность.
Такая прессовка обладает достаточной механической прочностью, не разрушаясь во время ее загрузки в печь для обжига и обжигания в печи для обжига в процессе изготовления спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира.
Таким же образом, как и в примере 1, спеченную заготовку из α-оксида алюминия изготавливают из полученной прессовки.
Множество таких спеченных заготовок из α-оксида алюминия подготавливают и помещают в тигель, при этом объемная производительность при получении монокристалла сапфира является высокой.
Пример 3
Таким же образом, как и в примере 2, за исключением того, что количество порошка γ-оксида алюминия заменяют 5 весовыми частями на 100 весовых частей получаемой спеченной заготовки из α-оксида алюминия, получают прессовку в виде призмы. Прессовка имеет относительную прочность, равную 215, и высокую прочность.
Такая прессовка обладает достаточной механической прочностью, не разрушаясь во время ее загрузки в печь для обжига и обжигания в печи для обжига в процессе изготовления спеченной заготовки из α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира.
Таким же образом, как и в примере 1, полученную прессовку обжигают, получая спеченную заготовку из α-оксида алюминия.
После подготовки множества спеченных заготовок из α-оксида алюминия и их загрузки в тигель объемная производительность при получении монокристалла сапфира является высокой.