DE112009000280B4

DE112009000280B4 - Polykristalliner MgO-Sinterkörper und MgO-Sputtertarget

Info

Publication number: DE112009000280B4
Application number: DE112009000280.3T
Authority: DE
Inventors: Mitsuyoshi Nagano; Masanobu Takasu; Yo Arita; Satoru Sano
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd; Ube Material Industries Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd; Ube Material Industries Ltd
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: TW200948743A; WO2009096384A1; CN101925555A; KR101537733B1; KR20100129282A; US8454933B2; JP2009173502A; US20100294657A1; TWI464133B; DE112009000280T5; JP5231823B2

Abstract

Ein polykristalliner MgO-Sinterkörper, welcher durch Sintern eines MgO-Ausgangsmaterialpulvers unter uniaxialem Druck erhalten wird, wobei der polykristalline MgO-Sinterkörper das folgende Verhältnis erfüllt: αV (111)/αH (111) > 1,5, wobei αV (111) ein Wert von α (111) in einer Fläche, auf die uniaxialer Druck ausgeübt wird, ist und αH (111) ein Wert von α (111) in einer zur Fläche, auf die uniaxialer Druck ausgeübt wird, senkrechten Fläche ist, wobei α (111) ein (111)-Ebenenverhältnis ist, das als die folgende Formel (1) ausgedrückt ist

α (111) = {–0.4434(Ra)² + 1.4434 × Ra} (1),

wobei Ra als die folgende Formel ausgedrückt ist: Ra = I (111)/(I (111) + I (200)), wobei I (111) eine Röntgenbeugungs-Intensität einer MgO (111)-Ebene in dem Sinterkörper ist und I (200) eine Röntgenbeugungs-Intensität einer MgO (200)-Ebene in dem Sinterkörper ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen polykristallinen MgO-Sinterkörper (der nachstehend einfach als „MgO-Sinterkörper” bezeichnet wird), der zu erhalten ist, indem ein MgO-Ausgangsmaterialpulver gesintert wird und ein MgO-Sputtertarget, das den MgO-Sinterkörper verwendet. Zudem wird ein Herstellungsverfahren für den polykristallinen MgO-Sinterkörper offenbart.
TECHNISCHER HINTERGRUND
MgO wird für verschiedene Zwecke verwendet, einschließlich hitzebeständiger Anwendungen (siehe die folgenden Patentdruckschriften 1 und 2), da es ein Material mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit, Hitzebeständigkeit, chemischer Stabilität, Oxidationsbeständigkeit und Isolationsleistung ist.
MgO weist eine verhältnismäßig ausgezeichnete Sinterbarkeit auf und kann eine Dichte von bis zu nahezu 99% bezüglich der relativen Dichte erreichen, selbst bei normalem Sintern. In der Realität ist es schwierig, eine gesinterte Dichte eines MgO-Sinterkörpers bis auf seine theoretische Dichte zu erhöhen, und Poren, wie Mikroporen und Poren mit einigen Mikrometern, verbleiben im Sinterkörper. Es wird in Erwägung gezogen, die Sintertemperatur im Hinblick auf eine Verbesserung der gesinterten Dichte (Verringerung der Poren) zu erhöhen. Jedoch wird, falls die Sintertemperatur erhöht wird, während eine hohe Priorität auf die Verbesserung der gesinterten Dichte gelegt wird, das Kristallkornwachstum gefördert werden, was zu einer Situation führt, wo Poren in groben Kristallkörnern verbleiben. Solche Poren werden selbst durch eine nachfolgende Behandlung durch isostatisches Heißpressen (HIP) bei hohen Temperaturen und Drücken kaum beseitigt.
Wie vorstehend, weist der herkömmliche MgO-Sinterkörper eine unzureichende gesinterte Dichte auf, und Kornwachstum wird eintreten, falls versucht wird, die gesinterte Dichte zu erhöhen. So gibt es die folgenden Probleme, wenn er insbesondere als eine Spannvorrichtung oder ein Strukturelement, wie eine wärmeisolierende Baugruppe, verwendet wird.
1) Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften
(1) Verschlechterung der Festigkeit
Festigkeit schließt Biegefestigkeit, Druckfestigkeit und Scherfestigkeit ein, welche jeweils von verbleibenden Poren im Inneren des Sinterkörpers abhängen. Ferner werden auch grobe Körner, die von Kornwachstum während des Sinterns herrühren, wahrscheinlich ein Ausgangspunkt für Zerstörung oder Bruch. Die unzureichende Festigkeit auf Grund der Poren und des Kornwachstums führt zu schwerwiegendem Schaden, wie Bruch oder Absplittern, bei der Verwendung als Strukturelement.
(2) Verschlechterung der Härte
Das Vorhandensein der Poren und des Kornwachstums stellt auch ein Risiko der Verschlechterung der Härte dar und führt dadurch zur Verschlechterung der Abriebfestigkeit, was eine Verringerung in der Nutzdauer des Strukturelements auf Grund von Abrieb verursacht.
2) Verschlechterung der Oberflächenglätte
Das Vorhandensein der Poren und des Kornwachstums im Inneren des Sinterkörpers bedeutet, dass sich die Oberflächenglätte verschlechtert. Bei der Verwendung als ein Strukturelement gibt es viele Anwendungen, die eine hohe Oberflächenglätte an einer Arbeitsoberfläche erfordern. Falls die Oberflächenglätte niedrig ist, weist das Strukturelement Probleme auf, wie (1) ein Problem, dass Poren an einer gleitenden Oberflächen Absplittern auslösen, wodurch die Verschlechterung der Oberflächenglätte gefördert wird, was zu einer Verringerung der Nutzdauer des Strukturelements führt; und (2) ein Problem, dass die Verschlechterung der Oberflächenglätte eine Zunahme des Reibungskoeffizienten verursacht, was zum Auftreten von Schwierigkeiten, wie anomale Wärmeerzeugung, oder Reaktion oder Verkleben mit einem entsprechenden Gegenelement führt.
3) Verschlechterung in der Wärmeleitfähigkeit
MgO weist das Merkmal einer hohen Wärmeleitfähigkeit auf. Ein Faktor, der die Wärmeleitfähigkeit stört, ist das Vorhandensein von Poren. Genauer gesagt wird, falls Poren oder Verunreinigungen an Korngrenzen auftreten, die Wärmeleitung gehindert, wodurch eine Möglichkeit, die inhärente Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, ausgeschlossen wird. Also ist es als eine Voraussetzung zum Erhalten der hohen Wärmeleitfähigkeit notwendig, die Poren zu verringern, d. h. eine relative Dichte des Sinterkörpers auf nahezu 100% der theoretischen Dichte zu erhöhen.
4) Verunreinigung der Atmosphäre auf Grund von Gaserzeugung
Gas aus einer Sinteratmosphäre wird in jeder Pore eingefangen, die sich im Sinterkörper befindet. Beispielsweise werden beim Sintern unter Umgebungsatmosphäre Komponenten der Umgebungsluft, wie Stickstoffgas, Kohlendioxid und Sauerstoff, eingefangen, wodurch sich Poren bilden. Beim Sintern unter einer Argon- oder Stickstoffgasatmosphäre wird das Gas eingefangen, wodurch sich Poren bilden. Falls sich Korngrenzen des Sinterkörpers während der Verwendung in einem Hochtemperaturbereich erweichen, wird das eingefangene Gas aus dem Sinterkörper freigesetzt. Insbesondere bei Anwendungen, die selbst eine geringe Menge von Verunreinigungen nicht tolerieren, wie Halbleiterherstellung, verursacht das freigesetzte Gas einen kritischen Defekt.
Der MgO-Sinterkörper wird häufig auch als ein Sputtertarget verwendet (siehe die folgenden Patentdruckschriften 3 und 4). Bei dieser Anwendung als Sputtertarget ist die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Wärmeleitfähigkeit ein Schlüsselfaktor beim Verhindern von Brechen und Abblättern während des Sputterns, und ist die Verringerung der Gaserzeugung aus dem Sinterkörper ein Schlüsselfaktor beim Verhindern von Verunreinigung der Atmosphäre im Inneren eines Sputterapparats.
[Patentdruckschrift 1] JP H07-133 149 A
[Patentdruckschrift 2] JP 2006-169 036 A
[Patentdruckschrift 3] JP H10-158 826 A
[Patentdruckschrift 4] JP 2005-330 574 A
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
[PROBLEM, DAS DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLL]
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen MgO-Sinterkörper, der eine gesinterte Dichte in der Nähe seiner theoretischen Dichte aufweisen kann und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und Wärmeleitfähigkeit zeigt, während die Verunreinigung einer Atmosphäre auf Grund von Gaserzeugung verringert wird, und ein MgO-Sputtertarget bereitzustellen.
[MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS]
Die vorliegende Erfindung stellt einen polykristallinen MgO-Sinterkörper bereit, welcher durch Sintern eines MgO-Ausgangsmaterialpulvers unter uniaxialem Druck erhalten wird. Der polykristalline MgO-Sinterkörper erfüllt das folgende Verhältnis: αV (111)/αH (111) > 1,5, wobei αV (111) ein Wert von α (111) in einer Fläche des Sinterkörpers, auf die der uniaxiale Druck ausgeübt wird, ist und αH (111) ein Wert von α (111) in einer zur Fläche, auf die der uniaxiale Druck ausgeübt wird, senkrechten Fläche ist. α (111) ist ein (111)-Ebenenverhältnis, das als die folgende Formel (1) ausgedrückt ist: α (111) = {–0,4434(Ra)² + 1,4434 × Ra} (1), wobei Ra als die folgende Formel ausgedrückt ist: Ra = I (111)/(I (111) + I (200)), wobei I (111) eine Röntgenbeugungs-Intensität einer MgO-(111)-Ebene in dem Sinterkörper ist und I (200) eine Röntgenbeugungs-Intensität einer MgO-(200)-Ebene in dem Sinterkörper ist.
Insbesondere ist, damit die vorstehende Aufgabe gelöst wird, die vorliegende Erfindung so ausgelegt, dass sie einem MgO-Sinterkörper erlaubt, eine einzigartige kristalline Anisotropie aufzuweisen. Genauer gesagt wurde die vorliegende Erfindung auf der Grundlage des Wissens erreicht, dass bei einem herkömmlichen MgO-Sinterkörper, der durch normales Sintern erhalten wurde, das Kristallkornwachstum hauptsächlich an (200)-Flächen beobachtet wird, wohingegen eine gesinterte Dichte eines MgO-Sinterkörpers auf nahezu 100% seiner theoretischen Dichte erhöht werden kann, während die mechanischen Eigenschaften und andere Eigenschaften verbessert werden, indem ein uniaxiales Drucksinterverfahren eingesetzt wird, um ein Verhältnis der (111)-Ebenen ((111)-Ebenenverhältnis) in einer Fläche des Sinterkörpers, auf die uniaxialer Druck ausgeübt wird, zu erhöhen.
In dem Maße, in dem die Temperatur und/oder die Haltedauer während des uniaxialen Drucksinterverfahrens erhöht werden, werden Kristallkörner in zunehmendem Maße gröber, wodurch eine Zunahme im Wert von „αV (111)” und deshalb eine Zunahme im Wert von „αV (111)/αH (111)” verursacht wird. Das Gröber werden von Kristallkornern führt zu Verschlechterung der Festigkeit und der Härte, was das Leistungsvermögen stört, beispielsweise als ein abriebfestes Element. Also beträgt „αV (111)/αH (111)” vorzugsweise 20 oder weniger.
Ein MgO-Sinterkörper ist ein monolithischer Sinterkörper, und deshalb, verschlechtern sich seine Festigkeit und Härte zusammen mit einer Zunahme in der Kristallkorngröße. Somit beträgt im Hinblick auf das Sicherstellen von Eigenschaften, insbesondere als ein Strukturelement, eine mittlere Kristallkorngröße vorzugsweise 30 μm oder weniger, stärker bevorzugt 20 μm oder weniger.
Ferner hat eine Reinheit eines MgO-Sinterkörpers einen Einfluss auf die Verunreinigung in einer sauberen Umgebung. Somit ist es wichtig, die Reinheit so hoch wie möglich einzustellen, vorzugsweise auf 99,99% oder mehr.
Der MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise als ein Sputtertarget ebenso wie ein Strukturelement verwendet werden. Das Sputtern eines MgO-Sputtertargets wird von Sekundärelektronenemission dominiert. Somit wird bezüglich der Kristallebenen in dem Maße, wie das (111)-Ebenenverhältnis höher wird, die Sputtereffektivität besser. Wie vorstehend erwähnt, sind in dem MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung die (111)-Ebenen in hohem Maß entlang der Oberfläche ausgerichtet, auf die der uniaxiale Druck ausgeübt wurde, so dass die Sekundärelektronenemission erleichtert ist, wodurch die Sputtereffektivität verbessert wird.
Der MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung mit der vorstehend kristallinen Anisotropie kann erhalten werden, indem ein MgO-Ausgangsmaterialpulver mit einer Teilchengröße von 1 μm oder weniger unter uniaxialem Druck gesintert wird und dann das gesinterte Pulver einer Wärmebehandlung unter einer Atmosphäre, die 0,05 Vol.-% oder mehr an Sauerstoff enthält, bei einer Temperatur von 1273 K oder mehr für 1 Minute oder mehr unterzogen wird.
Genauer gesagt sind als eine Voraussetzung zum Erhalten des MgO-Sinterkörpers der vorliegenden Erfindung mit der vorstehenden kristallinen Anisotropie (1) Größenverringerung des MgO-Ausgangsmaterials, (2) Sintern unter uniaxialem Druck und (3) Wärmebehandlung unter Sauerstoffatmosphäre wesentlich, wie nachstehend ausführlich beschrieben.
(1) Größenverringerung des MgO-Ausgangsmaterials
MgO ist ein sinterbares keramisches Material, das sogar für sich allein gesintert werden kann, und dadurch ist das Wachstum von Kristallkörnern wahrscheinlicher. Deshalb wird ein feines Pulver als ein MgO-Ausgangsmaterial verwendet, was es erlaubt das (111)-Ebenenverhältnis selbst unter Bedingungen zu erhöhen, welche ansonsten die Bildung von Kristallen mit (200)-Ebenen in hohem Maße verursachen würden. Die Anisotropie kann gefördert werden, so lange die Teilchengröße des MgO-Ausgangsmaterialpulvers 1 μm oder weniger beträgt. Stärker bevorzugt wird die Teilchengröße auf 0,5 μm oder weniger eingestellt.
(2) Sintern unter uniaxialem Druck (uniaxiales Drucksintern)
Wenn ein Druck während des Sinterns ausgeübt wird, wird die Sinterleistung verbessert, so dass eine Sintertemperatur im Vergleich zu nominalem Sintern verringert werden kann. Wenn die Sintertemperatur verringert werden kann, kam das Kristallkornwachstum unterdrückt werden, wodurch ein dichter Sinterkörper erhalten wird, der aus feinen Kristallen besteht. Ferner wird, wenn ein Druck in einer uniaxialen Richtung während des Sinterns durch uniaxiales Drucksintern ausgeübt wird, das (111)-Ebenenverhältnis in einer Oberfläche, auf die der uniaxiale Druck ausgeübt wird, erhöht, wodurch sich die kristalline Anisotropie der vorliegenden Erfindung entwickelt. Damit sich die kristalline Anisotropie zuverlässig entwickelt, ist es bevorzugt, einen Druck von 5 MPa oder mehr auszuüben. Was eine Technik zum Ausüben des Drucks angeht, wird es bevorzugt, ein Heißpress-(HP)Verfahren einzusetzen, auch wenn eine Technik des Ausübens einer Last von 5 MPa oder mehr auf ein Pressteil während des Sinterns unter Verwendung eines Gewichts eingesetzt werden kann. Damit zuverlässiger Poren in dem MgO-Sinterkörper beseitigt werden, wird es bevorzugt, nach dem uniaxialen Drucksintern zusätzlich ein isostatisches Heißpress-(HIP)sintern durchzuführen.
(3) Wärmebehandlung unter Sauerstoffatmosphäre
Bei einem MgO-Sinterkörper, der unter einer reduzierenden Atmosphäre (an Sauerstoff vermindernde Atmosphäre) gesintert wurde, bildet sich ein Teil davon als Kristalle in einem an Sauerstoff verarmten Zustand (Sauerstofffehlstelle) und in einer nicht einheitlichen Mikrostruktur mit einer gräulich-weißen Farbe. Dieser Sauerstoffmangel wird ein Faktor, der die Bildung von Kristallen mit (111)-Ebenen als ein Ziel der vorliegenden Erfindung verhindert. Deshalb wird nach dem Sintern eine Wärmebehandlung unter einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt, um so die einzigartige kristalline Anisotropie zu fördern, die durch die Verringerung in der Größe des MgO-Ausgangsmaterialpulvers und das uniaxiale Drucksintern erhalten wird. So lange die Atmosphäre eine Sauerstoffkonzentration von 0,05 Vol.-% oder mehr aufweist, kann der Rest ein nicht oxidierendes Gas sein, wie Stickstoffgas oder Argon. Vorzugsweise wird die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre auf 0,1 Vol.-% oder mehr eingestellt. Die Wärmebehandlung muss bei einer Temperatur von 1273 K oder mehr für eine Haltedauer von mindestens 1 Minute oder mehr, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1673 K oder mehr für eine Haltedauer von 1 Stunde oder mehr durchgeführt werden, um den Sauerstoffmangel zu beseitigen, um so die Bildung von Kristallen mit (111)-Ebenen zu fördern.
Vorzugsweise enthält das MgO-Ausgangsmaterialpulver, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, Mg(OH)₂ in einer Menge von 0,01 bis 0,2 Gew.-%. Mg(OH)₂ zeigt ein Verhalten, das das Sintern aktiviert. Genauer gesagt wird Mg(OH)₂ in MgO umgewandelt, während kontinuierlich absorbierte Feuchtigkeit und Kristallwasser während des Sinterns daraus freisetzt wird, so dass es eine gesinterte Dichte eines MgO-Sinterkörpers erhöhen kann, ohne seine Reinheit zu verschlechtern. Jedoch wird es, wenn der Gehalt an Mg(OH)₂ größer als 0,2 Gew.-% beträgt, schwierig, das Mg(OH)₂ während des Sinterns vollständig zu entwässern, und es wird wahrscheinlicher, dass Poren im Sinterkörper verbleiben. Ferner kann, falls der Gehalt an Mg(OH)₂ weniger als 0,01 Gew.-% beträgt, der Effekt des Aktivieren des Sinterns nicht erhalten werden.
Verunreinigungen in dem MgO-Ausgangsmaterialpulver behindern die Sinterleistung oder -merkmale des Sinterkörpers und haben einen Einfluss auf die Verunreinigung in einer sauberen Umgebung. Somit ist es entscheidend, die Konzentration der Verunreinigungen so stark wie möglich zu verringern, vorzugsweise auf weniger als 0,01 Gew.-%. Das vorstehende Mg(OH)₂ ist aus der Konzentration der Verunreinigungen ausgeschlossen, da es keine Verunreinigung des MgO-Ausgangsmaterialpulvers ist.
[WIRKUNG DER ERFINDUNG]
Der MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung wird so gebildet, so dass er eine einzigartige kristalline Anisotropie aufweist, bei welcher in hohem Maß (111)-Ebenen in einer Oberfläche vorliegen, auf die uniaxialer Druck ausgeübt wurde, so dass Poren in dem Sinterkörper verringert werden können, wodurch die gesinterte Dichte auf nahezu 100% der theoretischen Dichte erhöht wird. Genauer gesagt tritt im Unterschied zu normalem Sintern, das bewirkt, dass Kristalle isotrop wachsen, Anisotropie im Kristallwachstum auf, indem der uniaxiale Druck während des Sinterns ausgeübt wird, was es erlaubt, dass Poren leicht außen entlang der Korngrenzen freigesetzt werden, um so eine Verdichtung auf der Grundlage der Neuanordnung von Kristallen zu erreichen. Als ein Ergebnis werden die folgenden Wirkungen erhalten.
1) Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
(1) Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit
Die Verringerung an Poren trägt in großem Maße zur Verbesserung der Festigkeit des MgO-Sinterkörpers bei. Insbesondere sind als Maßnahmen zur Verbesserung der Biegefestigkeit die Beseitigung von inneren Fehlstellen einschließlich Poren und die Verringerung der Größe von Kristallkörnern am wirkungsvollsten. Somit kann die vorliegende Erfindung die Biegefestigkeit deutlich verbessern. Außerdem wird gleichzeitig die Bruchzähigkeit verbessert, so dass der MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung als ein Strukturelement verwendet werden kann, das hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit erfordert, für das ein herkömmlicher MgO-Sinterkörper nicht verwendet werden konnte.
(2) Verbesserung in der Abriebfestigkeit (Härte)
Ein Strukturelement muss oft Abriebfestigkeit (Härte) ebenso wie Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Ein herkömmlicher MgO-Sinterkörper ist wegen seiner geringen Festigkeit auf Grund der großen Kristallkorngrößen nicht in abriebfesten Anwendungen, wie ein abriebfestes Element, eingesetzt worden. Jedoch weist der MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung, der eine verringerte Kristallkorngröße und eine verbesserte Festigkeit aufweist, auch eine verbesserte Abriebfestigkeit auf. Ferner sind die Kristallkörner fein geformt und dadurch ist die Bindungsstärke zwischen ihnen verbessert, so dass ausgezeichnete Merkmale bei einer Abstrahlabriebbewertung im Vergleich zu einem herkömmlichen MgO-Sinterkörper auf der Basis von drucklosem Sintern ohne Anisotropie erhalten werden können.
2) Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit hängt von der MgO-Reinheit, Porosität, dem Zustand der Korngrenzen usw. ab. Insbesondere wird die Wärmeleitfähigkeit auf Grund des Vorhandenseins von Poren verschlechtert. Bei dem MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung wird die Wärmeleitfähigkeit durch die Wirkung der Verringerung der Porosität verbessert, die auf der Verdichtung beruht. Somit weist der Sinterkörper der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen eine Wärmeleitfähigkeit auf, die derjenigen des herkömmlichen MgO-Sinterkörpers auf der Basis von normalem Sintern überlegen ist.
3) Verringerung der Gaserzeugung
Auf der Basis der Verringerung der Poren wird eine Menge an Gas, die in den Poren eingefangen ist, verringert, so dass eine Menge an Gas, die aus dem Sinterkörper freigesetzt werden kann, verringert werden kann, wodurch die Verunreinigung einer Atmosphäre unterdrückt wird.
Bei dem MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung sind die (111)-Ebenen in hohem Maß entlang der Oberfläche ausgerichtet, auf die der uniaxiale Druck ausgeübt wurde. Somit wird, wenn es als ein Sputtertarget verwendet wird, die Sekundärelektronenemission gefördert, wodurch die Sputtereffektivität verbessert wird.
BESTER MODUS ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun auf der Grundlage des folgenden Beispiels beschrieben werden.
Ein Pulver, umfassend als eine primäre Komponente ein MgO-(Magnesiumoxid)Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,2 μm, wurde in einem Nylontopf, der Nylonkugeln enthielt, in einem Methanollösungsmittel dispergiert und damit 20 Stunden lang gemischt, wodurch eine MgO-Aufschlämmung erhalten wurde. Nach dem Entnehmen der erhaltenen MgO-Aufschlämmung aus dem Nylontopf wurde ein Bindemittel auf Alkoholbasis zu der MgO-Aufschlämmung gegeben, und das Gemisch wurde in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung eines Sprühtrockners mit geschlossenem Kreislauf granuliert.
Das erhaltene granulierte Pulver wurde durch Formpressen geformt, wodurch eine Vielzahl von Presslingen von Proben für verschiedene Bewertungen erhalten wurde. Dann wurde jeder der Presslinge einem drucklosen Sintern (erstes Sintern) unter Normalatmosphäre bei einer Temperatur von 1673 K unterzogen und dann Heißpress-(HP)sintern (zweites Sintern) unter einer Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 1773 K unterzogen, während ein Druck von 20 MPa unter Verwendung eines Heißpressgeräts während des zweiten Sinterns ausgeübt wurde, wodurch ein Sinterkörper erhalten wurde.
Ein Teil der erhaltenen Sinterkörper wurde einem HIP-Sintern (drittes Sintern) unter einer Argonatmosphäre in einem Temperaturbereich von 1673 bis 1823 K bei einem Druck von 100 MPa unterzogen, damit die Dichte des Teils der Sinterkörper erhöht wurde, wodurch Poren beseitigt wurden.
Nachfolgend wurde jeder der Sinterkörper, die unter der Inertgasatmosphäre während des Sinterverfahrens reduziert worden waren, einer Oxidationsbehandlung unter einer Oxidationsatmosphäre, die 18 Vol.-% Sauerstoff enthielt, bei einer Temperatur von 1823 K für 5 Stunden unterzogen, wodurch ein reduzierter Anteil des Sinterkörpers oxidiert wurde. Jeder der erhaltenen Sinterkörper wurde einem Mahlverfahren unterzogen, wodurch eine Probe mit einer vorgegebenen Größe hergestellt wurde, und die Probe wurde den Bewertungen unterzogen.
Als Vergleichsproben wurden eine Probe, die lediglich durch das drucklose Sintern hergestellt wurde (die nachstehend als „normaler Sinterkörper” bezeichnet wird), eine Probe, der die Wärmebehandlung unter der Oxidationsatmosphäre nach dem Sintern fehlt, und eine Probe, die ein Mg(OH)₂-Ausgangsmaterialpulver verwendet, hergestellt und den Bewertungen unterzogen.
Tabelle 1 zeigt ein Behandlungsverfahren und ein Ergebnis der Röntgenbeugungsbewertung der kristallinen Anisotropie für jede der Proben.
In Tabelle 1 zeigt das Zeichen „o”, dass die Probe dem Sintern oder der Wärmebehandlung unter der Sauerstoffatmosphäre unterzogen wurde. Die kristalline Anisotropie wurde auf der Basis eines Werts von „αV (111)/αH (111)” bewertet, wobei αV (111) ein Wert des (111)-Ebenenverhältnisse „α (111)”, das als die vorstehend erwähnte Formel (1) ausgedrückt wird, in einer Flache (als eine Bezugsfläche), auf die mit einer Heißpresse Druck, d. h. der uniaxiale Druck, ausgeübt wird, ist, und αH (111) ein Wert des (111)-Ebenenverhältnisse „α (111)” in einer zu der Fläche, auf die der uniaxiale Druck ausgeübt wird, senkrechten Fläche ist. Genauer gesagt bedeutet ein größerer Wert von „αV (111)/αH (111)”, dass die (111)-Ebenen in der Fläche vorliegen, auf die der uniaxiale Druck in einem höheren Maße ausgeübt wird, und die Probe eine größere kristalline Anisotropie aufweist. In der vorliegenden Erfindung muss „αV (111)/αH (111)” größer als 1,5 sein. Was die Vergleichsproben angeht, die nicht dem uniaxialen Drucksintern unterzogen wurden, wurde auch ein Wert von αV (111)/αH (111) berechnet, wobei αV (111) ein Wert von „α (111)” in einer Bezugsfläche ist, und αH (111) ein Wert von „α (111)” in einer zu der Bezugsfläche senkrechten Fläche ist.
Wie in Tabelle 1 zu sehen, ist bei jedem der MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung (erfindungsgemäße Sinterkörper), die durch das Heißpress-(HP)sintern und die Wärmebehandlung unter der Sauerstoffatmosphäre hergestellt wurden, der Wert von „αV (111)/αH (111)” größer als 1,5, was zeigt, dass der erfindungsgemäße Sinterkörper eine einzigartige kristalline Anisotropie aufweist. Ferner wies jeder der erfindungsgemäßen Sinterkörper eine mittlere Kristallkorngröße von etwa 10 μm auf.
Auch wenn alle der erfindungsgemäßen Sinterkörper in diesem Beispiel dem drucklosen Sintern (erstes Sintern) unterzogen wurden, kann das drucklose Sintern (erstes Sintern) weggelassen werden.
Tabelle 2 zeigt ein Ergebnis der Bewertungen für jede der Proben, die in Tabelle 1 veranschaulicht werden.
Bei den Bewertungen für jede der Proben wurden die Dichte (endgültige Dichte, relative Dichte), Porosität, Biegefestigkeit und Härte gemessen, und Merkmale als ein Strukturelement wurden umfassend auf der Grundlage des Messergebnisses bewertet. In Tabelle 2 wird, was die Merkmale als ein Strukturelement angeht, eine Probe, die als ausreichend verwendbar als ein Strukturelement bewertet wurde, durch
angezeigt. Ferner wird eine Probe, die als in Abhängigkeit von den Bedingungen als ein Strukturelement verwendbar bewertet wurde, durch Δ angezeigt, und wird eine Probe, die als nicht verwendbar als ein Strukturelement bewertet wurde, durch x angezeigt.
Ferner wurden, damit in erster Linie Eigenschaften als ein Sputtertarget bewertet werden, die Anhaftung von Verunreinigungen, Verschlechterung im Grad des Vakuums und Bruch bewertet.
Was die Anhaftung von Verunreinigungen angeht, wurde jede der Proben zu einer Größe von 30 × 30 × 5 mm³ geformt und in ein Lösungsmittel aus gereinigtem Wasser gegeben. Dann ließ man Ultraschall auf das Lösungsmittel einwirken, um Verunreinigungen, die in das Lösungsmittel gemischt wurden, und abgelöste Teilchen durch einen Teilchenzähler zu prüfen. In Tabelle 2 wird eine Probe ohne oder nahezu ohne Verunreinigung und ohne oder nahezu ohne abgelöste Teilchen durch
angezeigt. Ferner wird eine Probe mit einer geringen Menge an anhaftenden Verunreinigungen oder abgelösten Teilchen durch Δ angezeigt, und wird eine Probe mit einer großen Menge an anhaftenden Verunreinigungen oder abgelösten Teilchen durch x angezeigt. Was die Verschlechterung des Grads des Vakuums angeht, wurde jede der Proben zu einer Größe von 30 × 30 × 5 mm³ geformt und in ein heizbares Vakuumgefäß gegeben. Dann wurde eine Temperatur des Gefäßes mit 1 K pro Minute erhöht, um die Verschlechterung des Grads des Vakuums auf Grund eines Phänomens zu beobachten, dass flüchtige Verunreinigungen, die in Poren absorbiert sind, und Gas, das in den Poren eingefangen ist, durch Korngrenzen freigesetzt werden. In Tabelle 2 wird eine Probe, die keine oder nahezu keine Verschlechterung des Grads des Vakuums bewirkt, durch
angezeigt. Ferner wird eine Probe, die die Verschlechterung des Grads des Vakuums innerhalb eines Messbereichs eines Vakuummessgeräts bewirkt, durch Δ angezeigt, und wird eine Probe, die die Verschlechterung des Grads des Vakuums über den Messbereich des Vakuummessgeräts hinaus bewirkt, durch x angezeigt. Was den Bruch angeht, wurde jede der Proben als ein Sputtertarget verwendet, und dann wurde das Vorhandensein oder Fehlen von Bruch geprüft. In Tabelle 2 wird eine Probe ohne Bruch durch
angezeigt. Ferner wird eine Probe mit weniger häufigem Bruch durch Δ angezeigt, und wird eine Probe mit häufigem Bruch durch x angezeigt.
Das Bewertungsergebnis, das in Tabelle 2 veranschaulicht wird, wird nachstehend präzise beschrieben.
(1) Dichte und Porosität
Wie in Tabelle 2 zu sehen, weist jeder der erfindungsgemäßen Sinterkörper eine hohe gesinterte Dichte und eine erheblich niedrige Porosität im Vergleich zu den normalen Sinterkörpern auf. Jeder der normalen Sinterkörper (Proben Nr. 9 bis 11) weist eine relative Dichte von etwa 95% auf, so dass viele Poren im Sinterkörper verbleiben, was als ein deutlicher Unterschied in der Biegefestigkeit erscheint. Die Verschlechterung der Biegefestigkeit wird ein kritischer Fehler bei der Verwendung als ein Strukturelement oder ein abriebfestes Element. Jeder der erfindungsgemäßen Sinterkörper wird als ein Sinterkörper erhalten, der eine dichte und feine Kristallstruktur mit einer relativen Dichte von 99% oder mehr aufweist und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften im Vergleich zu den normalen Sinterkörpern zeigt.
(2) Biegefestigkeit
Die Biegefestigkeit ist ein wichtiges Merkmal als eine Beständigkeit gegen Bruch und Absplittern während der Verwendung als ein Strukturelement. Es gibt verschiedene Techniken zum Verbessern der Biegefestigkeit. Ein technischer Punkt, der bei der Verbesserung wirksam ist, schließt (a) eine Verringerung der Porosität, (b) eine Verringerung der Größe von Kristallkörnern und (c) kristalline Anisotropie ein. Bei den erfindungsgemäßen Sinterkörpern bringen alle drei Faktoren vorteilhafte Wirkungen hervor, wodurch die Biegefestigkeit im Vergleich zu Vergleichssinterkörpern, welche die normalen Sinterkörper einschließen, verbessert wird.
(3) Härte
Wie bei der Biegefestigkeit ist die Härte eine wichtige mechanische Eigenschaft zum Verbessern der Abriebfestigkeit als ein Strukturelement. Ein technischer Faktor zum Verbessern der Härte ist derselbe wie derjenige bei der Biegefestigkeit. Bei den erfindungsgemäßen Sinterkörpern ist die Härte im Vergleich zu den Vergleichssinterkörpern, welche die normalen Sinterkörper einschließen, verbessert.
(4) Eigenschaften als ein Strukturelement
Auf der Grundlage der vorstehenden Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften können die erfindungsgemäßen Sinterkörper als ein Strukturelement verwendet werden, für welches ein herkömmlicher Sinterkörper nicht verwendet werden konnte.
(5) Eigenschaften als ein Sputtertarget
Falls ein Sputtertarget Poren aufweist, sind wahrscheinlich Verunreinigungsteilchen in den Poren eingebracht, so dass das Sputtertarget nicht in Anwendungen verwendet werden kann, bei denen die Freiheit von Verunreinigungen eine wesentliche Anforderung ist, wie Halbleiterherstellung. Andererseits kann, falls ein Sinterkörper im Wesentlichen keine Pore aufweist, wie bei dem erfindungsgemäßen Sinterkörper, er in geeigneter Weise als ein Sputtertarget ohne Anhaftung und Mischen von Verunreinigungsteilchen oder Verschlechterung im Grad des Vakuums verwendet werden. Ein Sputtertarget im Wesentlichen ohne Pore bedeutet, dass es verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist, und Gas, welches sich ansonsten darin befinden würde, im Wesentlichen vollständig beseitigt ist. Ein Sputtertarget wird im Laufe des Fortschreitens des Sputterns abgenutzt, und demgemäß wird das Innere davon freigesetzt. Bei diesem Prozess werden, falls das Sputtertarget Poren aufweist, die Poren geöffnet, und Gas wird daraus freigesetzt, wodurch eine Atmosphäre im Inneren des Sputterapparats verunreinigt wird. Das Gas, das in den Poren eingefangen ist, besteht aus Gas, das sich in einer Umgebung während des Sinterns befindet. Genauer gesagt werden Sauerstoff und Stickstoff während des Sinterns unter Normalatmosphäre eingefangen, oder Argon oder Stickstoff wird während des Sinterns unter einer nicht oxidierenden Atmosphäre eingefangen. Die Menge des Gases hängt von der Porosität eines Sputtertargets ab. Die vorliegende Erfindung kann ein Sputtertarget mit einer Porosität von 0,5% oder weniger erreichen, so dass die Gasmenge auf 1/60 oder weniger eines herkömmlichen Sputtertargets verringert ist, wodurch die Kontamination mit Verunreinigungen im Inneren des Sputterapparats drastisch verbessert wird. Während der Verwendung wird ein Vorderseite bzw. eine Rückseite eines Sputtertargets erhitzt bzw. gekühlt, d. h. das Sputtertarget erfährt thermischen Schock, so dass das Sputtertarget auf Grund des thermischen Schocks wahrscheinlicher bricht. Die thermische Schockbeständigkeit ist proportional zur Biegefestigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Somit kann die vorliegende Erfindung die Beständigkeit gegen Brechen des Sputtertargets verbessern.
Das Sputtern eines MgO-Sputtertargets wird von Sekundärelektronenemission dominiert. Somit ist es bezüglich der Kristallebenen von Vorteil, ein Verhältnis der (111)-Ebenen zu erhöhen. Jedoch ist ein herkömmlicher MgO-Sinterkörper, der durch ein normales Sintern hergestellt wurde, als ein Material für ein Sputtertarget im Hinblick auf die Sekundärelektronenemission ungeeignet, da seine Oberflächenausrichtung in erster Linie (200) ist. In der vorliegenden Erfindung können (111)-Ebenen auf einer Sputteroberfläche in einem hohen Maße mittels des feinen Pulvers und des Sinterns unter Druck gebildet werden, so dass die Sekundärelektronenemission gefördert wird, wodurch die Sputtereffektivität verbessert wird. Mit anderen Worten weist jeder der erfindungsgemäßen Sinterkörper ein hohes (111)-Ebenenverhältnis in einer Sputteroberfläche auf, was die Wirkungen des Verringerns der Porosität, was auf der Verdichtung beruht, und Förderns der Sekundärelektronenemission bereitstellt, welche für ein Sputtertarget von Vorteil sind.
Tabelle 3 zeigt einen Unterschied in der Kristallbildung vor und nach der Behandlung unter der Oxidationsatmosphäre. Wie in Tabelle 3 gesehen, erhöht sich „αV (111)” oder das (111)-Ebenenverhältnis bei der Oberfläche, auf die der Heißpressdruck (uniaxialer Druck) ausgeübt wurde, durch die Behandlung unter der Oxidationsatmosphäre. Tabelle 3

vor Wärmebehandlung nach Wärmebehandlung XRDSTS

αV (111) 0,202 0,288 0,128

Gitterkonstante (A) 4,209 4,209 4,210
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Der MgO-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung ist in geeigneter Weise als ein Sputtertarget ebenso wie als eine Hochtemperaturspannvorrichtung zur Herstellung von elektronischen Komponenten oder ein Strukturelement, wie eine Ofenwand oder eine wärmeisolierende Baugruppe, verwendbar.

Claims

Ein polykristalliner MgO-Sinterkörper, welcher durch Sintern eines MgO-Ausgangsmaterialpulvers unter uniaxialem Druck erhalten wird, wobei der polykristalline MgO-Sinterkörper das folgende Verhältnis erfüllt: αV (111)/αH (111) > 1,5, wobei αV (111) ein Wert von α (111) in einer Fläche, auf die uniaxialer Druck ausgeübt wird, ist und αH (111) ein Wert von α (111) in einer zur Fläche, auf die uniaxialer Druck ausgeübt wird, senkrechten Fläche ist, wobei α (111) ein (111)-Ebenenverhältnis ist, das als die folgende Formel (1) ausgedrückt ist α (111) = {–0.4434(Ra)² + 1.4434 × Ra} (1), wobei Ra als die folgende Formel ausgedrückt ist: Ra = I (111)/(I (111) + I (200)), wobei I (111) eine Röntgenbeugungs-Intensität einer MgO (111)-Ebene in dem Sinterkörper ist und I (200) eine Röntgenbeugungs-Intensität einer MgO (200)-Ebene in dem Sinterkörper ist.
Der polykristalline MgO-Sinterkörper nach Anspruch 1, welcher eine mittlere Kristallkorngröße von 30 μm oder weniger aufweist.
Der polykristalline MgO-Sinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, welche eine MgO-Reinheit von 99,99% oder mehr aufweist.
Ein MgO-Sputtertarget, umfassend den polykristallinen MgO-Sinterkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.