JP2018131362A - Sintered body and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】エッチング装置等の半導体製造装置の構成材料として好適な耐食性を具備しつつ、耐熱衝撃性及び導電性が優れた焼結体及びその製造方法の」提供。【解決手段】焼結体は、オキシフッ化物及び炭素質材料を含む。前記炭素質材料が、カーボン粉末及び/又はカーボン繊維であることが好ましい。前記炭素質材料が平均粒径0.1〜10μmの粒子状であるか、或いは、前記炭素質材料が直径1〜20以下、長さ30〜500μmの繊維状であることも好ましい。前記炭素質材料を0.1〜30体積含有する焼結体。好ましくは体積抵抗が1〜1010Ω・cmである焼結体。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sintered body having excellent heat impact resistance and conductivity while having corrosion resistance suitable as a constituent material of a semiconductor manufacturing apparatus such as an etching apparatus and a method for producing the same. SOLUTION: The sintered body contains an oxyfluoride and a carbonaceous material. The carbonaceous material is preferably carbon powder and / or carbon fiber. It is also preferable that the carbonaceous material is in the form of particles having an average particle size of 0.1 to 10 μm, or that the carbonaceous material is in the form of fibers having a diameter of 1 to 20 or less and a length of 30 to 500 μm. A sintered body containing 0.1 to 30 volumes of the carbonaceous material. A sintered body having a volume resistance of 1 to 1010 Ω · cm is preferable. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、焼結体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a sintered body and a method for producing the same.
半導体の製造において、ドライエッチング、プラズマエッチング及びクリーニング等の工程ではフッ素系腐食性ガス、塩素系腐食性ガス及びこれらを用いたプラズマが使用される。これらの腐食性ガスやプラズマにより、半導体製造装置の構成部材は腐食され易く、また、構成部材の表面から剥離した微細粒子(パーティクル)が半導体表面に付着して製品不良の原因となりやすい。そのため、半導体製造装置の構成部材には、ハロゲン系プラズマに対して耐食性の高いセラミックスがバルク材料として使用される。このようなバルク材料の1つとして、特許文献1においてはイットリウムのオキシフッ化物が提案されている。特許文献1に記載のイットリウムのオキシフッ化物は、反応性の高いハロゲン系腐食ガスやそのプラズマに対して、従来使用されてきた石英やYAGよりも耐食性が高いものである。 In the manufacture of semiconductors, fluorine-based corrosive gas, chlorine-based corrosive gas, and plasma using these are used in processes such as dry etching, plasma etching, and cleaning. Due to these corrosive gases and plasma, the constituent members of the semiconductor manufacturing apparatus are easily corroded, and fine particles peeled off from the surface of the constituent members are likely to adhere to the semiconductor surface and cause product defects. Therefore, ceramics having high corrosion resistance against halogen plasma is used as a bulk material for the constituent members of the semiconductor manufacturing apparatus. As one of such bulk materials, Patent Document 1 proposes yttrium oxyfluoride. The yttrium oxyfluoride described in Patent Document 1 has higher corrosion resistance than the conventionally used quartz and YAG against a highly reactive halogen-based corrosive gas and its plasma.
また希土類元素のオキシフッ化物(以下、「希土類オキシフッ化物」ともいう)の焼結体が特許文献2において提案されている。この焼結体は、組成式でYOF又はY5O4F7と表されるイットリウムのオキシフッ化物から構成されている。この焼結体は、ハロゲン系プラズマに対して優れた耐食性を示し、エッチング装置等の半導体製造装置の構成材料として有用なものである。 Patent Document 2 proposes a sintered body of a rare earth element oxyfluoride (hereinafter also referred to as “rare earth oxyfluoride”). This sintered body is composed of yttrium oxyfluoride represented by YOF or Y 5 O 4 F 7 in the composition formula. This sintered body exhibits excellent corrosion resistance against halogen-based plasma, and is useful as a constituent material for semiconductor manufacturing apparatuses such as etching apparatuses.
一方、特許文献3には、酸化イットリウムを溶媒中に分散してなる酸化イットリウムスラリーと繊維状炭素を溶媒中に分散してなる繊維状炭素スラリーとを混合して混合スラリーとする工程と、前記混合スラリーを乾燥又は乾燥・造粒して乾燥物又は造粒物とする工程と、前記乾燥物又は造粒物を、1460℃以上かつ1600℃未満の温度の下、かつ1MPa以上かつ20MPa以下の圧力下にて焼成し、酸化イットリウム及び繊維状炭素を含有してなる焼結体とする工程と、を有する焼結体の製造方法により、酸化イットリウム中にカーボン繊維を含ませた焼結体を得たことが記載されている。 On the other hand, in Patent Document 3, a step of mixing a yttrium oxide slurry obtained by dispersing yttrium oxide in a solvent and a fibrous carbon slurry obtained by dispersing fibrous carbon in a solvent to form a mixed slurry; A step of drying or drying and granulating the mixed slurry to obtain a dried product or a granulated product, and the dried product or the granulated product at a temperature of 1460 ° C. or more and less than 1600 ° C. and 1 MPa or more and 20 MPa or less. A sintered body containing carbon fibers in yttrium oxide by a method for producing a sintered body having a step of firing under pressure to form a sintered body containing yttrium oxide and fibrous carbon. It is described that it was obtained.
エッチング装置等の半導体製造装置の構成材料には、上述のとおり、ハロゲン系腐食ガスやそのプラズマに対して高い耐食性が求められることに加えて、高い耐熱衝撃性が求められる。しかし、希土類オキシフッ化物の焼結体は、一般に耐熱衝撃性が十分ではなく、使用時の温度変化によっては割れが生じる恐れがあった。更に、イットリウムのオキシフッ化物は絶縁体であり、導電性が要求されるような用途では使用しづらい場合があった。こうした観点から特許文献1及び2に記載の希土類オキシフッ化物の焼結体は耐熱衝撃性及び導電性が不十分であって未だ改良の余地があるものである。
また特許文献3に記載のイットリアを含む焼結体はプラズマに対する耐食性が十分でない。また、仮に特許文献3に記載されたカーボン繊維を焼結体に含有させる技術は、希土類オキシフッ化物のようなフッ素を含有する系には採用しがたかった。
As described above, a constituent material of a semiconductor manufacturing apparatus such as an etching apparatus is required to have high thermal shock resistance in addition to high corrosion resistance against a halogen-based corrosive gas and plasma thereof. However, rare earth oxyfluoride sintered bodies generally have insufficient thermal shock resistance, and there is a risk of cracking depending on temperature changes during use. In addition, yttrium oxyfluoride is an insulator and may be difficult to use in applications where electrical conductivity is required. From this point of view, the rare earth oxyfluoride sintered bodies described in Patent Documents 1 and 2 have insufficient thermal shock resistance and electrical conductivity, and still have room for improvement.
Further, the sintered body containing yttria described in Patent Document 3 does not have sufficient corrosion resistance against plasma. In addition, the technique of incorporating the carbon fiber described in Patent Document 3 into the sintered body has been difficult to adopt for a system containing fluorine such as rare earth oxyfluoride.
したがって本発明の課題は、希土類オキシフッ化物の焼結体の更なる改良にある。すなわち、希土類オキシフッ化物の焼結体の耐食性を具備しつつ耐熱衝撃性及び導電性を従来よりも高めた材料を提供することにある。 Therefore, the subject of this invention exists in the further improvement of the sintered compact of rare earth oxyfluoride. That is, an object of the present invention is to provide a material having higher thermal shock resistance and conductivity than the conventional one while having corrosion resistance of the sintered body of rare earth oxyfluoride.
本発明は、希土類元素のオキシフッ化物及び炭素質材料を含む焼結体を提供するものである。 The present invention provides a sintered body containing a rare earth element oxyfluoride and a carbonaceous material.
また本発明は、前記焼結体の製造方法であって、
炭素質材料を酸化剤で処理する工程と、
酸化剤で処理した後の炭素質材料、並びに、希土類元素の酸化物及び希土類元素のフッ化物を分散媒に分散させてスラリーを調製する工程と、
前記スラリーの乾燥物又は造粒物を焼成する工程とを備える、焼結体の製造方法を提供するものである。
The present invention is also a method for producing the sintered body,
Treating the carbonaceous material with an oxidizing agent;
A step of preparing a slurry by dispersing a carbonaceous material after treatment with an oxidizing agent, and a rare earth element oxide and a rare earth element fluoride in a dispersion medium;
The manufacturing method of a sintered compact provided with the process of baking the dried material or granulated material of the said slurry.
本発明によれば、エッチング装置等の半導体製造装置の構成材料として好適な耐食性を具備しつつ、耐熱衝撃性及び導電性に優れた焼結体が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sintered compact excellent in the thermal shock resistance and electroconductivity is provided, providing corrosion resistance suitable as a constituent material of semiconductor manufacturing apparatuses, such as an etching apparatus.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。
本実施形態の焼結体は、希土類オキシフッ化物及び炭素質材料から構成される。後述する理由から、酸化イットリウム焼結体に係る特許文献3に記載の従来からの製造方法をそのまま用いても、希土類オキシフッ化物及び炭素質材料を含む焼結体を得ることはできない。本実施形態の焼結体は、耐食性、耐熱衝撃性及び導電性に優れたものである。
焼結体中、炭素質材料は、希土類オキシフッ化物中に分散されている。
Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments thereof.
The sintered body of the present embodiment is composed of a rare earth oxyfluoride and a carbonaceous material. For reasons described later, a sintered body containing a rare earth oxyfluoride and a carbonaceous material cannot be obtained even if the conventional manufacturing method described in Patent Document 3 relating to an yttrium oxide sintered body is used as it is. The sintered body of the present embodiment is excellent in corrosion resistance, thermal shock resistance and conductivity.
In the sintered body, the carbonaceous material is dispersed in the rare earth oxyfluoride.
炭素質材料としては、カーボン粉末及び/又はカーボン繊維が挙げられる。カーボン粉末は、粒子状の炭素質材料を指す。ここでいう粒子状には、鱗片状、球状、板状等が含まれる。粒子状とは、好ましくは、走査型電子顕微鏡で焼結体を観察したときに、カーボン粒子のアスペクト比(最長径/最短径)が1.0以上10以下であるものを指す。 Examples of the carbonaceous material include carbon powder and / or carbon fiber. Carbon powder refers to a particulate carbonaceous material. As used herein, the particle shape includes a scale shape, a spherical shape, a plate shape, and the like. The particulate form preferably means that the aspect ratio (longest diameter / shortest diameter) of the carbon particles is 1.0 or more and 10 or less when the sintered body is observed with a scanning electron microscope.
カーボン粉末の具体例としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、膨張黒鉛、膨張化黒鉛、球状黒鉛等の黒鉛類、炭素ビーズ、ケッチェンブラック、カーボンブラック等が挙げられる。 Specific examples of the carbon powder include graphite such as flaky graphite, scaly graphite, expanded graphite, expanded graphite, and spherical graphite, carbon beads, ketjen black, and carbon black.
カーボン粉末としては、特に球状のものが、希土類オキシフッ化物中への分散させやすさや応力集中により破壊源となりにくい点から好ましい。球状とは、好ましくは、前記のアスペクト比(最長径/最短径)が1.0以上3.0以下の範囲のものを指す。球状のカーボン粉末は、とりわけ、走査型電子顕微鏡で観察した観察像が円形であることが好ましい。この円形は真円形のみならず楕円形であってもよい。 As the carbon powder, a spherical powder is particularly preferable because it is easy to disperse in the rare earth oxyfluoride and hardly becomes a source of destruction due to stress concentration. The spherical shape preferably refers to those having an aspect ratio (longest diameter / shortest diameter) in the range of 1.0 to 3.0. In particular, the spherical carbon powder preferably has a circular observation image observed with a scanning electron microscope. This circular shape may be not only a perfect circular shape but also an elliptical shape.
カーボン繊維は、繊維状の炭素質材料を指し、具体的には、PAN系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維、グラファイト繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。カーボン繊維は、好ましくは、走査型電子顕微鏡で焼結体を観察したときのアスペクト比(繊維長/繊維直径)が3.0超、100以下であるものを指す。カーボン繊維としては、希土類オキシフッ化物中への分散させやすさや繊維のほぐしやすさの点から前記のアスペクト比(繊維長/繊維直径)が3.5以上、20以下であるものが好ましく、とりわけ、4.0以上、10以下であるものが好ましい。分散させにくいものや、繊維同士が絡み合ってほぐれないものは、焼結が十分に進行せず、焼結体の密度が低くなるため好ましくない。 Carbon fiber refers to a fibrous carbonaceous material, and specific examples include PAN-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, graphite fiber, vapor-grown carbon fiber, and carbon nanotube. The carbon fiber preferably refers to a carbon fiber having an aspect ratio (fiber length / fiber diameter) of more than 3.0 and 100 or less when the sintered body is observed with a scanning electron microscope. The carbon fibers are preferably those having the aspect ratio (fiber length / fiber diameter) of 3.5 or more and 20 or less from the viewpoint of ease of dispersion in the rare earth oxyfluoride and ease of fiber loosening, What is 4.0 or more and 10 or less is preferable. Those that are difficult to disperse and those that are not entangled with fibers are not preferred because sintering does not proceed sufficiently and the density of the sintered body is reduced.
上記の各アスペクト比は、走査型電子顕微鏡でカーボン粉末及び/カーボン繊維を観察したときの20個以上のカーボン粒子及び/カーボン繊維のアスペクト比の平均から求められる。観察倍率としては全体像が観察でき、精度よく測定できる倍率であれば問題ないが、100倍以上2000倍以下が好ましい。 The above aspect ratios are obtained from the average of the aspect ratios of 20 or more carbon particles and / or carbon fibers when the carbon powder and / or carbon fibers are observed with a scanning electron microscope. The observation magnification is not particularly limited as long as the whole image can be observed and can be measured accurately, but is preferably 100 times or more and 2000 times or less.
本実施形態において、炭素質材料が粒子状である場合、その平均粒径が0.1μm以上であることが、炭素質材料が凝集しやすい希土類オキシフッ化物中においても炭素質材料をランダムに分散させた焼結体を得やすい点や製造コストの点から好ましい。また炭素質材料が粒子状である場合の平均粒径は10μm以下であることが焼成体内部に炭素質材料を均質に配置させる点から好ましい。また、平均粒径が10μmを超えると、焼結後に破壊源となりやすくなるため好ましくない。これらの観点から前記の平均粒径は0.2μm以上8μm以下が更に好ましく、0.4μm以上6μm以下がより好ましい。 In this embodiment, when the carbonaceous material is in the form of particles, the average particle size is 0.1 μm or more, and the carbonaceous material is randomly dispersed even in the rare earth oxyfluoride in which the carbonaceous material is likely to aggregate. From the viewpoint of easily obtaining a sintered body and manufacturing cost. When the carbonaceous material is in the form of particles, the average particle size is preferably 10 μm or less from the viewpoint of uniformly arranging the carbonaceous material inside the fired body. An average particle size exceeding 10 μm is not preferable because it tends to become a fracture source after sintering. From these viewpoints, the average particle size is more preferably 0.2 μm to 8 μm, and more preferably 0.4 μm to 6 μm.
炭素質材料が繊維状である場合、その直径が1μm以上であることが、炭素質材料が凝集しやすい希土類オキシフッ化物中においても炭素質材料をランダムに分散させた焼結体を得やすい点や製造コストの点から好ましい。また炭素質材料が繊維状である場合の直径は20μm以下であることが好ましい。直径が20μmを超えると、破壊源となりやすくなるため好ましくない。これらの観点から前記の直径は1.1μm以上18μm以下がより好ましく、1.2μm以上15μm以下が更に好ましい。 When the carbonaceous material is fibrous, the diameter thereof is 1 μm or more, and it is easy to obtain a sintered body in which the carbonaceous material is randomly dispersed even in the rare earth oxyfluoride in which the carbonaceous material is likely to aggregate. This is preferable from the viewpoint of manufacturing cost. Further, when the carbonaceous material is fibrous, the diameter is preferably 20 μm or less. If the diameter exceeds 20 μm, it tends to be a source of destruction, which is not preferable. From these viewpoints, the diameter is more preferably 1.1 μm or more and 18 μm or less, and further preferably 1.2 μm or more and 15 μm or less.
炭素質材料が繊維状である場合、その長さが30μm以上であることが、導電性を高めやすい点や、熱伝導率を向上させて耐熱衝撃性を高める点から好ましい。また炭素質材料が繊維状である場合の長さは500μm以下であることが分散させやすさや繊維のほぐしやすさの点から好ましい。分散させにくいものや、繊維がほぐれないものは、焼結が十分に進行せず、焼結体の密度が低くなるため好ましくない。これらの観点から前記の長さは35μm以上400μm以下がより好ましく、40μm以上300μm以下が更に好ましい。 When the carbonaceous material is fibrous, its length is preferably 30 μm or more from the viewpoint of easily increasing conductivity and improving thermal shock resistance by improving thermal conductivity. When the carbonaceous material is fibrous, the length is preferably 500 μm or less from the viewpoint of ease of dispersion and ease of fiber loosening. Those that are difficult to disperse and those that do not loosen the fibers are not preferable because the sintering does not proceed sufficiently and the density of the sintered body becomes low. From these viewpoints, the length is more preferably 35 μm or more and 400 μm or less, and further preferably 40 μm or more and 300 μm or less.
上述した炭素質材料の粒径、直径及び長さは後述した実施例に記載の方法にて測定できる。好ましくは、上述した粒子状の炭素質材料の粒径は一粒子単体の粒径を指す。同様に好ましくは、上述した繊維状の炭素質材料の直径及び長さは何れも、一繊維単体の直径及び長さを指す。 The particle diameter, diameter, and length of the carbonaceous material described above can be measured by the method described in Examples described later. Preferably, the particle size of the particulate carbonaceous material described above refers to the particle size of a single particle. Similarly, preferably, the diameter and length of the fibrous carbonaceous material described above refer to the diameter and length of a single fiber.
焼結体中の炭素質材料の量は、0.1体積%以上であることが、後述する体積抵抗率を望ましい値まで低減し、また耐熱衝撃性を高める点から好ましい。また焼結体中の炭素質材料の量は30体積%以下であることが好ましい。炭素質材料の量が30体積%を超えると、希土類オキシフッ化物の耐プラズマ性が損なわれたり、強度が低下するので好ましくない。これらの点から、焼結体中の炭素質材料の量は、1体積%以上25体積%以下がより好ましく、5体積%以上20体積%以下が更に好ましい。カーボン量は走査型電子顕微鏡による観察画像中の炭素質材料の面積割合に基づき算出し、具体的には後述する実施例に記載の方法にて算出される。 The amount of the carbonaceous material in the sintered body is preferably 0.1% by volume or more from the viewpoint of reducing the volume resistivity described later to a desired value and increasing the thermal shock resistance. Moreover, it is preferable that the quantity of the carbonaceous material in a sintered compact is 30 volume% or less. If the amount of the carbonaceous material exceeds 30% by volume, the plasma resistance of the rare earth oxyfluoride is impaired, and the strength is not preferable. From these points, the amount of the carbonaceous material in the sintered body is more preferably 1% by volume to 25% by volume, and further preferably 5% by volume to 20% by volume. The amount of carbon is calculated based on the area ratio of the carbonaceous material in the image observed by the scanning electron microscope. Specifically, the amount of carbon is calculated by the method described in the examples described later.
焼結体中に炭素質材料がランダムに分散しているとは、例えば、焼結体を任意の位置で切断した断面での、走査型電子顕微鏡による複数視野の観察画像中の炭素質材料の面積割合のばらつきから算出でき、好ましくは走査型電子顕微鏡にて100倍〜2000倍で観察して、それぞれの視野での炭素質材料の面積割合を求めたときに、10視野以上の面積割合のばらつき(最大値−最小値)が炭素質材料の面積割合の平均値に対して、10%以下である。また、焼結体中、炭素質材料同士は、凝集体を形成せずに分散していることが高強度化や高密度化の点から好ましい。炭素質材料が凝集体を形成していないとは、走査型電子顕微鏡で100〜2000倍率で炭素質材料単体を20個以上観察したときに、他の単体と接触していない炭素質材料単体の個数の割合が80%以上であることを指す。 The fact that the carbonaceous material is randomly dispersed in the sintered body means, for example, that the carbonaceous material in the observation image of a plurality of fields of view by a scanning electron microscope in a cross section obtained by cutting the sintered body at an arbitrary position. It can be calculated from the variation of the area ratio, and preferably, when the area ratio of the carbonaceous material in each field of view is obtained by observing at 100 to 2000 times with a scanning electron microscope, the area ratio of 10 fields or more The variation (maximum value−minimum value) is 10% or less with respect to the average value of the area ratio of the carbonaceous material. Further, in the sintered body, the carbonaceous materials are preferably dispersed without forming an aggregate from the viewpoint of increasing the strength and increasing the density. The fact that the carbonaceous material does not form aggregates means that when the carbonaceous material alone is not in contact with other simplexes when 20 or more carbonaceous materials are observed with a scanning electron microscope at 100 to 2000 magnifications. It means that the ratio of the number is 80% or more.
焼結体に含まれる炭素質材料は、それが十分に焼結体中に分散されていることを反映して、表面酸化処理されたものであることが好ましい。 The carbonaceous material contained in the sintered body is preferably subjected to surface oxidation treatment, reflecting that it is sufficiently dispersed in the sintered body.
本実施形態の焼結体に含まれる希土類オキシフッ化物は、希土類元素(Ln)、酸素(O)、フッ素(F)からなる化合物である。組成式でxLn2O3・yLnF3(Lnは希土類元素を表す。x及びyはそれぞれ独立に1以上の自然数であり、且つ、LnOFを除く)で表される化合物(以下、単に「xLn2O3・yLnF3」ともいう)から構成されているか、又は組成式でLnOF(Lnは希土類元素を表す。)と表される化合物から構成されていることが、焼結体の強度を高める点から好ましい。xLn2O3・yLnF3は、斜方晶又は正方晶の結晶構造を有しているものであることが好ましく、X線回折においてこの結晶構造と同定されるものがxLn2O3・yLnF3の範疇に好適に包含される。一方、LnOFは立方晶の結晶構造を有していることが好ましく、X線回折においてこの結晶構造と同定されるものが包含される。 The rare earth oxyfluoride contained in the sintered body of the present embodiment is a compound composed of rare earth elements (Ln), oxygen (O), and fluorine (F). In the composition formula, xLn 2 O 3 .yLnF 3 (Ln represents a rare earth element. X and y are each independently a natural number of 1 or more and excluding LnOF) (hereinafter simply referred to as “xLn 2 O 3 · yLnF 3 )) or a compound represented by a composition formula LnOF (Ln represents a rare earth element) increases the strength of the sintered body To preferred. xLn 2 O 3 .yLnF 3 preferably has an orthorhombic or tetragonal crystal structure, and xLn 2 O 3 .yLnF 3 is identified as this crystal structure in X-ray diffraction. It is suitably included in the category. On the other hand, LnOF preferably has a cubic crystal structure, and includes those identified as this crystal structure in X-ray diffraction.
LnOFはCaで安定化されていることが好ましく、Caで安定化されているLnOFは立方晶の結晶構造を有している。 LnOF is preferably stabilized with Ca, and LnOF stabilized with Ca has a cubic crystal structure.
xLn2O3・yLnF3及びCa安定化LnOFは何れも広い温度範囲内において相変態を生じない安定化されたものである。これらの安定な温度範囲は、一般に25℃以上1500℃以下である。 Both xLn 2 O 3 .yLnF 3 and Ca-stabilized LnOF are stabilized so as not to cause phase transformation within a wide temperature range. These stable temperature ranges are generally 25 ° C. or more and 1500 ° C. or less.
組成式xLn2O3・yLnF3(x及びyはそれぞれ独立に1以上の自然数である)で表されるとは、言い換えると、一般にLnaObFcで表される希土類オキシフッ化物における添え字であるa,b,cが、a=2x+y、b=3x、c=3y(x及びyは前記と同義である)の関係を満たすことを意味する。「xLn2O3・yLnF3」の具体例としては、Lnが例えばYである場合には、4Y2O3・7YF3(Y5O4F7)が挙げられる。またLnが例えばLaである場合には、7La2O3・16LaF3(La10O7F16)が挙げられる。またLnが例えばNdである場合には、67Nd2O3・166NdF3(NdO0.67F1.66)が挙げられる。Lnが例えばEuである場合には、5Eu2O3・8EuF3(Eu6O5F8)が挙げられる。これらの希土類オキシフッ化物のうち、Y5O4F7及びNdO0.67F1.66及びEu6O5F8は斜方晶の結晶形態を有することが好ましい。また、La10O7F16は正方晶の結晶形態を有することが好ましい。 Expressed by the composition formula xLn 2 O 3 · yLnF 3 (wherein x and y are each independently a natural number of 1 or more), in other words, an attachment in a rare earth oxyfluoride generally expressed by Ln a O b F c This means that the letters a, b, and c satisfy the relationship of a = 2x + y, b = 3x, and c = 3y (x and y are as defined above). Specific examples of “xLn 2 O 3 .yLnF 3 ” include 4Y 2 O 3 .7YF 3 (Y 5 O 4 F 7 ) when Ln is Y, for example. Moreover, when Ln is La, for example, 7La 2 O 3 .16LaF 3 (La 10 O 7 F 16 ) is exemplified. Moreover, when Ln is Nd, for example, 67Nd 2 O 3 .166NdF 3 (NdO 0.67 F 1.66 ) can be mentioned. When Ln is, for example, Eu, 5Eu 2 O 3 · 8EuF 3 (Eu 6 O 5 F 8 ) is exemplified. Of these rare earth oxyfluorides, Y 5 O 4 F 7, NdO 0.67 F 1.66 and Eu 6 O 5 F 8 preferably have an orthorhombic crystal form. Further, La 10 O 7 F 16 preferably has a tetragonal crystal form.
Ca安定化LnOFに関し、LnOFがCaで安定化されているとは、550℃未満の低温相におけるLnOFの立方晶の状態が、より純粋なLnOFに比べて安定化されており、550℃近傍(例えば400℃以上700℃以下)での相変態を生じないことをいう。例えばCaによって安定化されているLnOFは、25℃において立方晶の結晶相を有している。本実施形態において、LnOFがCaによって安定化されていることは、例えば以下の方法で確認される。 Regarding Ca-stabilized LnOF, when LnOF is stabilized by Ca, the cubic state of LnOF in a low-temperature phase of less than 550 ° C. is stabilized as compared to pure LnOF, and around 550 ° C. ( For example, it means that no phase transformation occurs at 400 ° C. or more and 700 ° C. or less. For example, LnOF stabilized by Ca has a cubic crystal phase at 25 ° C. In this embodiment, it is confirmed by the following method that LnOF is stabilized by Ca, for example.
焼結体を、常温、例えば25℃において2θ=10°以上90°以下の範囲で粉末X線回折測定に供する。以下の説明は、Ln(希土類元素)がYの場合を例にとるが、他の希土類元素でも、検出されるピークの角度が若干ずれる以外は同様に考えればよい。YOFがCaによって安定化されていることは、立方晶の特定ピークの存在の有無により判断する。特定ピークとは2θ=28.8°付近に観察される立方晶YOFの(111)面からの反射ピークである。このピークが他のピークと比較して最強ピークであるか否かで判断する。このピークは2θ=28.7°付近に観察される菱面体晶YOFの(012)面からのピークと重なっており分離できないが、2θ=28.4°付近に観察される菱面体晶YOFの(006)面からの反射ピークの強度を見ることで、菱面体晶YOFがどの程度存在するか推定できる。すなわち、2θ=28.8°付近に観察される立方晶YOFの(111)面の反射ピークが最強ピークであり、かつ、2θ=28.4°付近に観察される菱面体晶YOFの(006)面からの反射ピーク強度が、最強ピーク強度を100としたときに15以下であれば、立方晶YOFが主相であり、Caで安定化されているといえる。ここでいうピーク強度の比は、ピーク高さの比として測定される。なお、上記のX線回折測定によるYOFのピーク位置及びピーク反射面指数は、ICDDカードの記載に基づくものであり、LnがY以外のLnOFの場合も同様である。 The sintered body is subjected to powder X-ray diffraction measurement at room temperature, for example, at 25 ° C. in the range of 2θ = 10 ° to 90 °. In the following description, the case where Ln (rare earth element) is Y is taken as an example, but other rare earth elements may be considered in the same manner except that the detected peak angle is slightly shifted. Whether YOF is stabilized by Ca is determined by the presence or absence of a specific peak of cubic crystals. The specific peak is a reflection peak from the (111) plane of cubic YOF observed near 2θ = 28.8 °. Judgment is made based on whether or not this peak is the strongest peak compared to other peaks. This peak overlaps with the peak from the (012) plane of rhombohedral YOF observed near 2θ = 28.7 ° and cannot be separated, but the rhombohedral YOF observed near 2θ = 28.4 ° By looking at the intensity of the reflection peak from the (006) plane, it can be estimated how much rhombohedral YOF exists. That is, the reflection peak of the (111) plane of cubic YOF observed near 2θ = 28.8 ° is the strongest peak, and (006) of rhombohedral YOF observed near 2θ = 28.4 °. ) If the reflection peak intensity from the surface is 15 or less when the strongest peak intensity is 100, it can be said that cubic YOF is the main phase and is stabilized by Ca. The ratio of peak intensity here is measured as the ratio of peak height. Note that the YOF peak position and peak reflection surface index determined by the above X-ray diffraction measurement are based on the description of the ICDD card, and the same applies to LnOF other than Y.
Ca安定化LnOFは、CaがLnOFに固溶してなる固溶体であることが好ましい。この固溶体は例えば、LnOFを含む焼結体を2θ=10°以上90°以下の範囲を走査範囲とし、線源をCuKα1線とする粉末X線回折測定に供した場合に、CaF2で表されるフッ化物に由来するピークが観察されないことにより確認できる。また、元素としてのCaの存在は、蛍光X線分析法等により確認できる。または、焼結体の研磨面を走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(SEM−EDS)で観察し、Ca濃度が高く観察される結晶粒(CaF2)が存在しないことにより確認できる。 The Ca-stabilized LnOF is preferably a solid solution formed by dissolving Ca in LnOF. For example, this solid solution is expressed by CaF 2 when subjected to powder X-ray diffraction measurement using a sintered body containing LnOF in a scanning range of 2θ = 10 ° to 90 ° and a source of CuKα1 rays. This can be confirmed by the fact that no peak derived from fluoride is observed. The presence of Ca as an element can be confirmed by fluorescent X-ray analysis or the like. Or, polished surface a scanning electron microscope of the sintered body - can be confirmed by energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) were observed in the crystal grains Ca concentration is observed high (CaF 2) is not present .
Ca安定化LnOFは、希土類元素(Ln)とCaを足したモル数100に対してCaのモル数が1モル以上40モル以下であることが好ましい。Caを1モル以上含有することにより、立方晶又は正方晶から菱面体晶への相転移がより一層効果的に抑制され、LnOFが安定化される。一方、希土類元素(Ln)のモル数に対するCaのモル数が過度に高いと、LnOF中に固溶せずに析出するCaF2で表されるフッ化物の量が増大する。このCaF2は熱膨張係数がLnOFよりも高いため、焼結体の割れ等の原因となり得る。したがってこのCaF2の析出量低減のため、希土類元素(Ln)とCaを足したモル数100に対するCaのモル数を好ましくは40モル以下とすることによって加熱時におけるLnOFの体積変化を防止し得る。これらの効果をより高める観点から、希土類元素(Ln)とCaを足したモル数100モルに対してCaのモル数の割合は、1モル以上35モル以下であることがより好ましく、2モル以上20モル以下であることが特に好ましく、3モル以上10モル以下であることが最も好ましい。LnOFにおける希土類元素(Ln)のモル数及びCaのモル数は、例えば蛍光X線法、ICP−AES法、ICP−MS法、原子吸光法等の分析方法を用いて、Ca及びLnの定量分析を行うことにより測定することが可能である。 In the Ca-stabilized LnOF, the number of moles of Ca is preferably 1 mol or more and 40 mol or less with respect to 100 mol obtained by adding rare earth element (Ln) and Ca. By containing 1 mol or more of Ca, the phase transition from cubic or tetragonal to rhombohedral is more effectively suppressed, and LnOF is stabilized. On the other hand, when the number of moles of Ca with respect to the number of moles of rare earth element (Ln) is excessively high, the amount of fluoride represented by CaF 2 that precipitates without dissolving in LnOF increases. Since CaF 2 has a higher thermal expansion coefficient than LnOF, it may cause cracks in the sintered body. Therefore, in order to reduce the precipitation amount of CaF 2 , the volume change of LnOF at the time of heating can be prevented by setting the number of moles of Ca with respect to the number of moles of 100 added with rare earth elements (Ln) and Ca is preferably 40 moles or less . From the viewpoint of further enhancing these effects, the ratio of the number of moles of Ca to the number of moles of 100 moles obtained by adding rare earth elements (Ln) and Ca is more preferably 1 mole or more and 35 moles or less, and more preferably 2 moles or more. It is particularly preferably 20 mol or less, and most preferably 3 mol or more and 10 mol or less. The number of moles of rare earth element (Ln) and the number of moles of Ca in LnOF are determined by quantitative analysis of Ca and Ln using analytical methods such as a fluorescent X-ray method, ICP-AES method, ICP-MS method, and atomic absorption method. It is possible to measure by performing.
本明細書において希土類元素(Ln)とは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素のことである。特に、後述する実施例から明らかなとおり、希土類元素としてイットリウム(Y)を用いることが、耐食性を維持しつつ、耐熱衝撃性及び導電性を一層高めることが可能となるため、好ましい。 In this specification, the rare earth element (Ln) is selected from the group consisting of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. Is at least one element. In particular, as will be apparent from Examples described later, it is preferable to use yttrium (Y) as the rare earth element because it is possible to further improve the thermal shock resistance and conductivity while maintaining the corrosion resistance.
本実施形態の焼結体は、xLn2O3・yLnF3(Lnは希土類元素を表す。x及びyはそれぞれ独立に1以上の自然数であり、且つ、LnOFを除く)で表される、又はCaで安定化されているLnOFを主相とする結晶粒の粒界に、安定化されていないLnOFの副相が存在していることが高強度を得る点から好ましい。 The sintered body of the present embodiment is represented by xLn 2 O 3 .yLnF 3 (Ln represents a rare earth element. X and y are each independently a natural number of 1 and excluding LnOF), or From the viewpoint of obtaining high strength, it is preferable that an unstabilized LnOF subphase exists at the grain boundary of the crystal grains mainly composed of LnOF stabilized with Ca.
詳述すると、本実施形態の焼結体は、好ましくは、その断面組織に、主相と副相とが観察されるものである。主相及び副相は何れも希土類オキシフッ化物から構成される。本明細書において「主相」とは、焼結体の断面組織を観察したときに、面積割合で50%以上の領域を占める相のことである。「副相」とは、焼結体の断面組織を観察したときに、面積割合で50%未満の領域を占める相のことである。主相を構成する希土類オキシフッ化物における希土類元素と、副相を構成する希土類オキシフッ化物における希土類元素とは必ずしも同種のものである必要はないが、製造の容易さから同種のものであることが好ましい。 More specifically, the sintered body of the present embodiment preferably has a main phase and a sub phase observed in its cross-sectional structure. Both the main phase and subphase are composed of rare earth oxyfluoride. In the present specification, the “main phase” is a phase that occupies a region of 50% or more in area ratio when the cross-sectional structure of the sintered body is observed. The “subphase” refers to a phase that occupies a region of less than 50% in area ratio when the cross-sectional structure of the sintered body is observed. The rare earth element in the rare earth oxyfluoride constituting the main phase and the rare earth element in the rare earth oxyfluoride constituting the subphase are not necessarily the same kind, but are preferably the same kind from the viewpoint of ease of production. .
本実施形態の焼結体の断面組織においては、主相の結晶粒の粒界に、主相よりも平均粒径が小さな副相の結晶粒が存在していることが好ましい。すなわち、副相は、主相の結晶粒の粒界に析出した状態になっている。本明細書において「結晶粒」とは、結晶の方位が同じである単結晶体の最大単位のことである。主相の結晶粒の粒界においては希土類オキシフッ化物の結晶の方位が乱れている。 In the cross-sectional structure of the sintered body of the present embodiment, it is preferable that subphase crystal grains having an average grain size smaller than that of the main phase exist at the grain boundaries of the main phase crystal grains. That is, the subphase is in a state of being precipitated at the grain boundaries of the main phase crystal grains. In the present specification, the “crystal grain” is the maximum unit of a single crystal having the same crystal orientation. At the grain boundaries of the main phase crystal grains, the crystal orientation of the rare earth oxyfluoride is disturbed.
以上の説明は、本実施形態の焼結体における主相についてのものであったところ、本実施形態の焼結体における副相は、安定化されていないLnOF(Lnは希土類元素を表す。)から構成されていることが好ましい。安定化されていないLnOF(以下「非安定化LnOF」ともいう。)は、菱面体晶の結晶構造を有している。非安定化LnOFとは、室温(25℃)下では菱面体晶の結晶構造をとり、600℃超の高温状態下では立方晶の結晶構造をとる希土類オキシフッ化物である。非安定化LnOFは、550℃以上600℃以下の温度範囲において、高温安定相である立方晶と低温安定相である菱面体晶との間で可逆的な相転移を示すことが知られている。 The above description is about the main phase in the sintered body of the present embodiment, but the subphase in the sintered body of the present embodiment is not stabilized LnOF (Ln represents a rare earth element). It is preferable that it is comprised from these. Unstabilized LnOF (hereinafter also referred to as “unstabilized LnOF”) has a rhombohedral crystal structure. Unstabilized LnOF is a rare earth oxyfluoride having a rhombohedral crystal structure at room temperature (25 ° C.) and a cubic crystal structure at a high temperature exceeding 600 ° C. It is known that unstabilized LnOF exhibits a reversible phase transition between a cubic crystal which is a high-temperature stable phase and a rhombohedral crystal which is a low-temperature stable phase in a temperature range of 550 ° C. to 600 ° C. .
前述のとおり、本実施形態の焼結体は、安定化された主相の結晶粒間の粒界に、安定化されていない副相の結晶粒が存在している特殊な構造を有していることが好ましい。このような特殊な構造を有する本実施形態の焼結体によれば、希土類オキシフッ化物に起因する耐食性を維持しつつ、強度を高めることが可能となる。 As described above, the sintered body of the present embodiment has a special structure in which unstabilized subphase crystal grains exist at the grain boundaries between stabilized main phase crystal grains. Preferably it is. According to the sintered body of this embodiment having such a special structure, it is possible to increase the strength while maintaining the corrosion resistance due to the rare earth oxyfluoride.
本実施形態の焼結体において、主相がxLn2O3・yLnF3又はCa安定化LnOFから構成されており、副相が非安定化LnOFから構成されていることは、対象の焼結体を粉末X線回折測定に供し、各結晶構造の希土類オキシフッ化物のピークを確認すること等により確認できる。以下に希土類元素がYの場合を例にとり説明する。希土類元素が他の元素の場合でも同様に考えればよい。具体的には、本実施形態の焼結体に例えば斜方晶のイットリウムオキシフッ化物(Y5O4F7)が含まれることは、X線回折測定により2θ=10°以上90°以下の範囲において、斜方晶のイットリウムオキシフッ化物の(151)面、(010)面及び(202)面にそれぞれ起因して観察される、2θ=28.1°、32.3°、及び46.9°付近でのピークの有無により判断される。 In the sintered body of the present embodiment, the main phase is composed of xLn 2 O 3 .yLnF 3 or Ca-stabilized LnOF, and the subphase is composed of non-stabilized LnOF. Can be confirmed by, for example, confirming the peak of the rare earth oxyfluoride of each crystal structure. Hereinafter, a case where the rare earth element is Y will be described as an example. The same applies to the case where the rare earth element is another element. Specifically, the inclusion of, for example, orthorhombic yttrium oxyfluoride (Y 5 O 4 F 7 ) in the sintered body of the present embodiment indicates that 2θ = 10 ° to 90 ° by X-ray diffraction measurement. In the range, 2θ = 28.1 °, 32.3 °, and 46. Observed due to the (151), (010), and (202) planes of orthorhombic yttrium oxyfluoride, respectively. It is judged by the presence or absence of a peak at around 9 °.
一方、立方晶のイットリウムオキシフッ化物(YOF)が含まれることは、X線回折測定により2θ=10°以上90°以下の範囲において、立方晶の希土類オキシフッ化物(YOF)の(111)面、(220)面、及び(311)面にそれぞれ起因して観察される、2θ=28.8°、47.9°及び56.9°付近でのピークの有無により判断される。 On the other hand, the inclusion of cubic yttrium oxyfluoride (YOF) means that (111) plane of cubic rare earth oxyfluoride (YOF) in the range of 2θ = 10 ° to 90 ° by X-ray diffraction measurement, Judgment is based on the presence or absence of peaks in the vicinity of 2θ = 28.8 °, 47.9 °, and 56.9 ° observed due to the (220) plane and the (311) plane, respectively.
また、菱面体晶のイットリウムオキシフッ化物(YOF)が含まれることは、X線回折測定により2θ=10°以上90°以下の範囲において、菱面体晶の希土類オキシフッ化物(YOF)の(009)面、(107)面、(018)面、及び(110)面にそれぞれ起因して観察される、2θ=43.1°、43.4°、47.4°、及び47.9°付近でのピークの有無により判断される。 In addition, the inclusion of rhombohedral yttrium oxyfluoride (YOF) indicates that (009) of rhombohedral rare earth oxyfluoride (YOF) in the range of 2θ = 10 ° to 90 ° by X-ray diffraction measurement. Near 2θ = 43.1 °, 43.4 °, 47.4 °, and 47.9 ° observed due to the plane, (107) plane, (018) plane, and (110) plane, respectively. It is judged by the presence or absence of a peak.
一方、斜方晶のユウロピウムオキシフッ化物(Eu6O5F8)が含まれることは、X線回折測定により2θ=10°以上90°以下の範囲において、斜方晶のユウロピウムオキシフッ化物の(161)面、(002)面、(261)面及び(0 12 2)面にそれぞれ起因して観察される、2θ=27.5°、31.7°、39.6°、及び45.6°付近でのピークの有無により判断される。
また、菱面体晶のユウロピウムオキシフッ化物(EuOF)が含まれることは、X線回折測定により2θ=10°以上90°以下の範囲において、菱面体晶のユウロピウムオキシフッ化物(EuOF)の(012)面、(018)面、(110)面、及び(116)面にそれぞれ起因して観察される、2θ=28.1°、46.2°、46.8°及び55.2°付近でのピークの有無により判断される。
On the other hand, the inclusion of orthorhombic europium oxyfluoride (Eu 6 O 5 F 8 ) indicates that orthorhombic europium oxyfluoride is in the range of 2θ = 10 ° to 90 ° by X-ray diffraction measurement. Observed due to the (161) plane, (002) plane, (261) plane, and (0 12 2) plane, 2θ = 27.5 °, 31.7 °, 39.6 °, and 45. It is judged by the presence or absence of a peak around 6 °.
Further, the inclusion of rhombohedral europium oxyfluoride (EuOF) indicates that (012) of rhombohedral europium oxyfluoride (EuOF) in the range of 2θ = 10 ° to 90 ° by X-ray diffraction measurement. ), (018), (110), and (116) planes, respectively, observed near 2θ = 28.1 °, 46.2 °, 46.8 °, and 55.2 °. It is judged by the presence or absence of a peak.
前記のX線回折測定は室温下、具体的には25℃において行う。また本明細書において特に断りがない限り、焼結体のX線回折測定は粉末X線回折測定である。X線回折測定は具体的には、後述する実施例に記載の方法によって行うことができる。 The X-ray diffraction measurement is performed at room temperature, specifically at 25 ° C. Unless otherwise specified in this specification, the X-ray diffraction measurement of the sintered body is a powder X-ray diffraction measurement. Specifically, the X-ray diffraction measurement can be performed by the method described in Examples described later.
本実施形態の焼結体において、主相がxLn2O3・yLnF3である場合には、xLn2O3・yLnF3のX線回折ピークの強度、すなわち最強ピーク強度に対する、副相である非安定化LnOFの(018)面又は(110)面のX線回折ピークの強度の比が0.5%以上30%以下であることが好ましく、1%以上25%以下であることが更に好ましく、3%以上20%以下であることが最も好ましい。主相のX線回折ピークの強度と、副相のX線回折ピークの強度との比率がこの範囲内であると、希土類オキシフッ化物に起因する耐食性を維持しつつ、強度を一層高めることが可能となる。詳細には、ピーク強度比が0.5%以上であることで、強度の改善が十分に達成される。また、ピーク強度比が30%以下であることで、副相であるLnOFの相転移の影響が小さくなり、焼結体中にクラックが発生したり、使用の際に高温で急激な寸法変化を起こしたりすることが効果的に防止される。この場合、副相である非安定化LnOFの(018)面又は(110)面のX線回折ピークの強度の少なくとも一方が、前記の強度の比を満たしていればよい。 In the sintered body of the present embodiment, when the main phase is xLn 2 O 3 .yLnF 3 , it is a subphase with respect to the intensity of the x-ray diffraction peak of xLn 2 O 3 .yLnF 3 , that is, the strongest peak intensity. The ratio of the intensity of the X-ray diffraction peaks of the (018) plane or (110) plane of unstabilized LnOF is preferably 0.5% or more and 30% or less, and more preferably 1% or more and 25% or less. Most preferably, it is 3% or more and 20% or less. When the ratio between the intensity of the X-ray diffraction peak of the main phase and the intensity of the X-ray diffraction peak of the subphase is within this range, it is possible to further increase the strength while maintaining the corrosion resistance due to the rare earth oxyfluoride. It becomes. Specifically, when the peak intensity ratio is 0.5% or more, the improvement of the intensity is sufficiently achieved. In addition, when the peak intensity ratio is 30% or less, the influence of the phase transition of LnOF, which is a sub-phase, is reduced, cracks are generated in the sintered body, and rapid dimensional changes are caused at high temperatures during use. It is effectively prevented from happening. In this case, it is only necessary that at least one of the intensities of the X-ray diffraction peak of the (018) plane or the (110) plane of the non-stabilized LnOF that is the subphase satisfies the intensity ratio.
主相が例えばY5O4F7である場合には、最強ピークは(151)面である2θ=28.1°に観察される。主相が例えばLa10O7F16である場合には、最強ピークは(001)面である2θ=26.5°に観察される。主相が例えばNdO0.67F1.66である場合には、最強ピークは(001)面である2θ=27.1°に観察される。主相が例えばEu6O5F8である場合には、最強ピークは(161)面である2θ=27.5°に観察される。 When the main phase is, for example, Y 5 O 4 F 7 , the strongest peak is observed at 2θ = 28.1 ° which is the (151) plane. When the main phase is, for example, La 10 O 7 F 16 , the strongest peak is observed at 2θ = 26.5 ° which is the (001) plane. When the main phase is, for example, NdO 0.67 F 1.66 , the strongest peak is observed at 2θ = 27.1 ° which is the (001) plane. When the main phase is, for example, Eu 6 O 5 F 8 , the strongest peak is observed at 2θ = 27.5 ° which is the (161) plane.
なお、xLn2O3・yLnF3の最強ピークと、非安定化LnOFの(006)面のピークとは、それらのピーク位置(2θ)がほぼ同じであることから、X線回折測定においては、xLn2O3・yLnF3のピークには、非安定化LnOFの(006)面のピークが重畳されており、両者を分離することは技術的に容易でない。そこで、上述のピーク強度の比率は、この重畳されたピーク強度を100としたときの、非安定化LnOFの(018)面又は(110)面のピークの強度の割合であると定義する。 In addition, since the peak position (2θ) of the strongest peak of xLn 2 O 3 · yLnF 3 and the peak of the (006) plane of unstabilized LnOF are approximately the same, in the X-ray diffraction measurement, The peak of the (006) plane of unstabilized LnOF is superimposed on the peak of xLn 2 O 3 .yLnF 3 , and it is not technically easy to separate the two. Therefore, the above-described peak intensity ratio is defined as the ratio of the peak intensity of the (018) plane or the (110) plane of the unstabilized LnOF when the superimposed peak intensity is 100.
以上の説明において「ピーク強度」とは、X線回折測定によって観察される回折ピークのcpsカウントによる高さのことである。以後の説明において「ピーク強度」というときは、これと同じ意味で用いる。 In the above description, “peak intensity” refers to the height of a diffraction peak observed by X-ray diffraction measurement by cps counting. In the following description, “peak intensity” is used in the same meaning.
本実施形態の焼結体において、主相がCa安定化LnOFである場合には、Ca安定化LnOFの(111)面のX線回折ピークの強度、すなわち最強ピーク強度に対する、副相である非安定化LnOFの(009)面又は(107)面のX線回折ピークの強度の比が0.5%以上10%以下であることが好ましく、1%以上9%以下であることが更に好ましく、2%以上8%以下であることが最も好ましい。主相のX線回折ピークの強度と、副相のX線回折ピークの強度との比率がこの範囲内であると、希土類オキシフッ化物に起因する耐食性を維持しつつ、強度を一層高めることが可能となる。詳細には、ピーク強度比が0.5%以上であることで、強度の改善が十分に達成される。また、ピーク強度比が10%以下であることで、副相であるLnOFの相転移の影響が小さくなり、焼結体中にクラックが発生したり、使用の際に高温で急激な寸法変化を起こしたりすることが効果的に防止される。この場合、副相である非安定化LnOFの(009)面又は(107)面のX線回折ピークの強度の少なくとも一方が、前記の強度の比を満たしていればよい。 In the sintered body of the present embodiment, when the main phase is Ca-stabilized LnOF, the intensity of the X-ray diffraction peak on the (111) plane of Ca-stabilized LnOF, that is, the non-phase that is a subphase with respect to the strongest peak intensity. The intensity ratio of the X-ray diffraction peak of the (009) plane or (107) plane of the stabilized LnOF is preferably 0.5% or more and 10% or less, more preferably 1% or more and 9% or less, Most preferably, it is 2% or more and 8% or less. When the ratio between the intensity of the X-ray diffraction peak of the main phase and the intensity of the X-ray diffraction peak of the subphase is within this range, it is possible to further increase the strength while maintaining the corrosion resistance due to the rare earth oxyfluoride. It becomes. Specifically, when the peak intensity ratio is 0.5% or more, the improvement of the intensity is sufficiently achieved. Further, when the peak intensity ratio is 10% or less, the influence of the phase transition of LnOF, which is a secondary phase, is reduced, cracks are generated in the sintered body, and rapid dimensional changes at high temperatures during use. It is effectively prevented from happening. In this case, it is only necessary that at least one of the intensities of the X-ray diffraction peaks of the (009) plane or the (107) plane of the unstabilized LnOF that is the subphase satisfies the intensity ratio.
なお、Ca安定化LnOFの(111)面のピークと、非安定化LnOFの(012)面のピークとは、それらのピーク位置(2θ)がほぼ同じであることから、X線回折測定においては、Ca安定化LnOFの(111)面のピークには、非安定化LnOFの(012)面のピークが重畳されており、両者を分離することは技術的に容易でない。そこで、上述のピーク強度の比率は、この重畳されたピーク強度を100としたときの、非安定化LnOFの(009)面又は(107)面のピークの強度の割合であると定義する。 In addition, since the peak of the (111) plane of Ca-stabilized LnOF and the peak of the (012) plane of non-stabilized LnOF are approximately the same (2θ), in the X-ray diffraction measurement, The peak of (111) plane of Ca-stabilized LnOF is superimposed on the peak of (012) plane of non-stabilized LnOF, and it is technically not easy to separate them. Therefore, the above-described peak intensity ratio is defined as the ratio of the peak intensity of the (009) plane or the (107) plane of the unstabilized LnOF when the superimposed peak intensity is 100.
本実施形態の焼結体をより緻密なものにする観点からは、該焼結体は相対密度(RD)が70%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることが更に好ましく、95%以上であることが最も好ましい。相対密度は、高ければ高いほど好ましく、上限は100%である。このような高い相対密度を有する焼結体は、本実施形態の焼結体を製造する際に、焼成時の温度条件や圧力条件等を調整することにより得ることができる。相対密度はJIS R1634に基づいて、アルキメデス法により測定できる。具体的な測定方法は、実施例において詳述する。 From the viewpoint of making the sintered body of this embodiment more dense, the sintered body preferably has a relative density (RD) of 70% or more, more preferably 80% or more, and 90%. More preferably, it is more preferably 95% or more. The higher the relative density, the better. The upper limit is 100%. A sintered body having such a high relative density can be obtained by adjusting temperature conditions, pressure conditions, and the like during firing when the sintered body of the present embodiment is manufactured. The relative density can be measured by Archimedes method based on JIS R1634. Specific measurement methods will be described in detail in Examples.
本実施形態の焼結体は、希土類オキシフッ化物に起因する耐食性を維持しつつ、導電性を高めたものである。焼結体の体積抵抗率は、1010Ω・cm以下であることが、導電性が要求される用途への使用の点から好ましい。導電性が低くても問題ないが、耐プラズマ性およびコスト面を考えると、1Ω・cm以上であることが好ましい。これらの点から、焼結体の体積抵抗率は5Ω・cm以上5×109Ω・cm以下がより好ましく、10Ω・cm以上3×109Ω・cm以下が更に好ましい。体積抵抗率は後述する実施例に記載の方法にて求めることができる。 The sintered body of the present embodiment has enhanced conductivity while maintaining corrosion resistance due to the rare earth oxyfluoride. The volume resistivity of the sintered body is preferably 10 10 Ω · cm or less from the viewpoint of use in applications requiring electrical conductivity. Although there is no problem if the conductivity is low, it is preferably 1 Ω · cm or more in view of plasma resistance and cost. From these points, the volume resistivity of the sintered body is more preferably 5 Ω · cm to 5 × 10 9 Ω · cm, further preferably 10 Ω · cm to 3 × 10 9 Ω · cm. The volume resistivity can be determined by the method described in Examples described later.
本実施形態の焼結体は、希土類オキシフッ化物に起因する耐食性を維持しつつ、耐熱衝撃性を高めたものである。焼結体の熱衝撃破壊抵抗係数R’は、0.5以上であることが、良好な耐熱衝撃性が得られる点から好ましい。また熱衝撃破壊抵抗係数は高ければ高いほど好ましいが、コスト面を考えると、5以下であることが好ましい。これらの点から、焼結体の熱衝撃破壊抵抗係数R’は0.6以上4.5以下がより好ましく、0.7以上4以下が更に好ましい。熱衝撃破壊抵抗係数R’は後述する実施例に記載の方法にて求めることができる。 The sintered body of the present embodiment has improved thermal shock resistance while maintaining corrosion resistance due to the rare earth oxyfluoride. The thermal shock fracture resistance coefficient R ′ of the sintered body is preferably 0.5 or more from the viewpoint of obtaining good thermal shock resistance. Further, the higher the thermal shock fracture resistance coefficient, the better. However, considering the cost, it is preferably 5 or less. From these points, the thermal shock fracture resistance coefficient R ′ of the sintered body is more preferably 0.6 or more and 4.5 or less, and further preferably 0.7 or more and 4 or less. The thermal shock fracture resistance coefficient R ′ can be obtained by the method described in Examples described later.
本実施形態の焼結体は、希土類オキシフッ化物に起因する耐食性を維持しつつ、高い強度を有することが好ましい。したがって本実施形態の焼結体を例えば切削加工等の精密加工に付しても、割れや欠け等が生じにくく、寸法精度が高く、また表面粗さの小さい製品を容易に製造できるようになる。具体的には、本実施形態の焼結体は、その3点曲げ強度が、好ましくは20MPa以上300MPa以下であり、更に好ましくは30MPa以上200MPa以下であり、最も好ましくは50MPa以上150MPa以下である。3点曲げ強度の測定方法は、後述する実施例において詳述する。3点曲げ強度が50MPa以上であることで、本実施形態の焼結体に対して精度の良い加工を行うことができる。3点曲げ強度は300MPaを超えても差し支えないが、その場合には高価な原料を使用したり、HIP(Hot Isostatic Pressing)のような生産性の低い焼結方法で製造しないと製造できないので、工業的生産の観点からは300MPaを上限とすることが妥当である。3点曲げ強度は後述する実施例に記載の方法にて測定できる。 The sintered body of the present embodiment preferably has high strength while maintaining corrosion resistance due to the rare earth oxyfluoride. Therefore, even if the sintered body of the present embodiment is subjected to precision processing such as cutting, for example, cracks and chips are hardly generated, and a product with high dimensional accuracy and small surface roughness can be easily manufactured. . Specifically, the sintered body of the present embodiment has a three-point bending strength of preferably 20 MPa or more and 300 MPa or less, more preferably 30 MPa or more and 200 MPa or less, and most preferably 50 MPa or more and 150 MPa or less. A method for measuring the three-point bending strength will be described in detail in Examples described later. When the three-point bending strength is 50 MPa or more, it is possible to perform highly accurate processing on the sintered body of the present embodiment. The three-point bending strength may exceed 300 MPa, but in that case, it cannot be produced unless an expensive raw material is used or a low-productivity sintering method such as HIP (Hot Isostatic Pressing) is used. From the viewpoint of industrial production, it is reasonable to set the upper limit to 300 MPa. The three-point bending strength can be measured by the method described in Examples described later.
体積抵抗率、熱衝撃破壊抵抗係数R’、3点曲げ強度を上記の範囲とした焼結体は後述する実施例に記載の方法にて得ることができる。 A sintered body having a volume resistivity, a thermal shock fracture resistance coefficient R ′, and a three-point bending strength within the above ranges can be obtained by the method described in Examples described later.
本実施形態の焼結体は、溶射膜と異なり緻密なものであるから、ハロゲン系腐食ガスの遮断性を高いものとすることが可能である。溶射膜では、溶射材料を構成する各粒子が溶射により溶解したものが積み重なった構造を有しているので、この溶解した粒子間における微小な隙間にハロゲン系腐食ガスが流入してしまうことがある。これに比して本実施形態の焼結体は緻密であり、ハロゲン系腐食ガスの遮断性に優れる。このため、本実施形態の焼結体を例えば半導体装置の構成部材に用いた場合、この部材内部へのハロゲン系腐食ガスの流入を抑制でき、腐食防止効果に優れる。このようにハロゲン系腐食ガスの遮断性が高い部材としては、例えば、エッチング装置の真空チャンバー構成部材、エッチングガス供給口、フォーカスリング、ウェハーホルダーなどが挙げられる。 Since the sintered body of the present embodiment is dense unlike the sprayed film, it is possible to make the halogen-based corrosive gas barrier property high. Since the sprayed film has a structure in which particles constituting the sprayed material are melted by thermal spraying, the halogen-based corrosive gas may flow into minute gaps between the melted particles. . Compared to this, the sintered body of the present embodiment is dense and has an excellent barrier property against halogen-based corrosive gas. For this reason, when the sintered compact of this embodiment is used for the structural member of a semiconductor device, for example, inflow of the halogen-type corrosive gas into this member can be suppressed, and it is excellent in the corrosion prevention effect. Examples of the member having a high halogen-based corrosive gas barrier property include a vacuum chamber constituent member of an etching apparatus, an etching gas supply port, a focus ring, and a wafer holder.
本実施形態の焼結体は、実質的に希土類オキシフッ化物及び炭素質材料のみからなるものであってもよいが、希土類オキシフッ化物及び炭素質材料以外の成分を含んでいてもよい。すなわち、オキシフッ化物及び炭素質材料以外に、不可避的不純物が含まれていても良く、具体的には、焼結体中の希土類オキシフッ化物及び炭素質材料の含有量の合計量は好ましくは99質量%以上である。こうした不可避的不純物としては、例えば以下に述べる方法で製造した場合に生成する酸化イットリウム等の副生物が挙げられる。 The sintered body of the present embodiment may be substantially composed of only the rare earth oxyfluoride and the carbonaceous material, but may contain components other than the rare earth oxyfluoride and the carbonaceous material. That is, inevitable impurities may be included in addition to the oxyfluoride and the carbonaceous material. Specifically, the total amount of the rare earth oxyfluoride and the carbonaceous material in the sintered body is preferably 99 mass. % Or more. Such inevitable impurities include, for example, by-products such as yttrium oxide produced when manufactured by the method described below.
本実施形態の焼結体における希土類オキシフッ化物の含有量は、70質量%以上であることが、本発明の耐プラズマ性の効果を一層高くする観点や、強度を向上させる観点から好ましい。これらの効果をより高める観点からは、焼結体中の希土類オキシフッ化物の量は、80質量%以上であることがより好ましく、85質量%以上であることが更に好ましく、90質量%以上であることが最も好ましい。 The rare earth oxyfluoride content in the sintered body of the present embodiment is preferably 70% by mass or more from the viewpoint of further enhancing the plasma resistance effect of the present invention and improving the strength. From the viewpoint of further enhancing these effects, the amount of the rare earth oxyfluoride in the sintered body is more preferably 80% by mass or more, further preferably 85% by mass or more, and 90% by mass or more. Most preferred.
本実施形態の焼結体において、希土類オキシフッ化物以外の成分としては、例えば各種の焼結助剤、バインダ樹脂及び炭素等が挙げられる。また本実施形態の焼結体は、希土類オキシフッ化物に加えて、従来用いられてきたアルミニウム酸化物、イットリウム酸化物、アルミニウムイットリウム複合酸化物や、イットリウムフッ化物、イットリウム以外の他の希土類元素含有化合物等の各種のセラミックス材料を含有していてもよい。 In the sintered body of the present embodiment, examples of components other than the rare earth oxyfluoride include various sintering aids, binder resins, and carbon. In addition to the rare earth oxyfluoride, the sintered body of the present embodiment includes conventionally used aluminum oxide, yttrium oxide, aluminum yttrium composite oxide, yttrium fluoride, and other rare earth element-containing compounds other than yttrium. Various ceramic materials such as these may be contained.
本発明の焼結体の好適な製造方法について、以下説明する。
本製造方法は、炭素質材料を酸化剤で処理する工程と、
酸化剤で処理した後の炭素質材料、並びに、希土類元素の酸化物及び希土類元素のフッ化物を分散媒に分散させてスラリーを調製する工程と、
前記スラリーの乾燥物又は造粒物を焼成する工程とを備える。
A preferred method for producing the sintered body of the present invention will be described below.
This manufacturing method includes a step of treating a carbonaceous material with an oxidizing agent,
A step of preparing a slurry by dispersing a carbonaceous material after treatment with an oxidizing agent, and a rare earth element oxide and a rare earth element fluoride in a dispersion medium;
And baking the dried or granulated product of the slurry.
まず炭素質材料を酸化剤で処理する。セラミックス材料からなる焼結体に炭素質材料を含有させる場合には、通常、セラミックス材料の原料粉と水と炭素質材料とを含むスラリーを調製する必要がある。本発明者が検討したところ、希土類オキシフッ化物からなる焼結体の原料である希土類フッ化物粉末の存在下ではスラリー中で炭素質材料が凝集してしまい、緻密な焼結体を得ることができないことが判った。更にエタノール等の有機溶媒で炭素質材料を分散させたスラリーと、希土類オキシフッ化物を水で分散させたスラリーを別々に作製し、それらを混合した場合も、炭素質材料が凝集し、緻密な焼結体を得ることが出来なかった。更に検討したところ、炭素質材料に酸化剤で表面処理をすると、希土類フッ化物粉末存在下であっても、スラリー中でカーボン粉末及び/又はカーボン繊維が均一に分散した成形体及び焼結体が得られることが判った。 First, the carbonaceous material is treated with an oxidizing agent. When a carbonaceous material is contained in a sintered body made of a ceramic material, it is usually necessary to prepare a slurry containing raw material powder of ceramic material, water, and a carbonaceous material. As a result of investigation by the present inventors, in the presence of rare earth fluoride powder, which is a raw material of a sintered body made of rare earth oxyfluoride, the carbonaceous material aggregates in the slurry, so that a dense sintered body cannot be obtained. I found out. Furthermore, when a slurry in which a carbonaceous material is dispersed in an organic solvent such as ethanol and a slurry in which a rare earth oxyfluoride is dispersed in water are separately prepared and mixed, the carbonaceous material aggregates and is densely sintered. I couldn't get a tie. As a result of further investigation, when a carbonaceous material is surface-treated with an oxidizing agent, a molded body and a sintered body in which carbon powder and / or carbon fibers are uniformly dispersed in a slurry are obtained even in the presence of rare earth fluoride powder. It turns out that it is obtained.
酸化剤としては、硝酸や硫酸、過塩素酸、塩素酸、次亜塩素酸、過マンガン酸過酸化水素等やその塩が挙げられ、特に硝酸が好ましい。硝酸を用いることで、炭素質材料の表面に存在する様々な官能基を効率よく酸化して親水性を向上させることができるほか、分散剤が効果的に作用し、スラリー中のセラミックス材料の原料粉と炭素質材料が均一に分散する効果がある。 Examples of the oxidizing agent include nitric acid, sulfuric acid, perchloric acid, chloric acid, hypochlorous acid, permanganate hydrogen peroxide, and salts thereof, and nitric acid is particularly preferable. By using nitric acid, various functional groups present on the surface of the carbonaceous material can be efficiently oxidized to improve hydrophilicity, and the dispersant acts effectively, and the raw material for the ceramic material in the slurry. There is an effect of uniformly dispersing the powder and the carbonaceous material.
酸化剤による処理は、酸化剤を含む溶液と炭素質材料とを接触させることで行う。接触方法は特に限定されず、例えば酸化剤溶液と炭素質材料とを混合させる方法が挙げられる。酸化剤溶液の溶媒としては、例えば水が挙げられる。酸化剤の濃度は、例えば0.1M以上13M以下が挙げられ、1M以上10M以下が好ましい。表面処理において酸化剤溶液を加熱することが好ましく、例えば加熱温度としては50℃以上110℃以下が好ましく、80℃以上105℃以下がより好ましい。表面処理時間は、例えば0.5時間以上10時間以下が好ましく、1時間以上5時間以下がより好ましい。 The treatment with the oxidizing agent is performed by bringing the solution containing the oxidizing agent into contact with the carbonaceous material. A contact method is not specifically limited, For example, the method of mixing an oxidizing agent solution and a carbonaceous material is mentioned. Examples of the solvent for the oxidant solution include water. As for the density | concentration of an oxidizing agent, 0.1M or more and 13M or less are mentioned, for example, and 1M or more and 10M or less are preferable. In the surface treatment, the oxidant solution is preferably heated. For example, the heating temperature is preferably 50 ° C. or higher and 110 ° C. or lower, more preferably 80 ° C. or higher and 105 ° C. or lower. The surface treatment time is, for example, preferably from 0.5 hours to 10 hours, and more preferably from 1 hour to 5 hours.
酸化剤による処理後の炭素質材料は、洗浄後、乾燥させて用いることが好ましい。乾燥温度としては50℃以上100℃以下が好適である。 The carbonaceous material after the treatment with the oxidizing agent is preferably used after being washed and dried. The drying temperature is preferably 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.
次いで、上記で得られた表面処理後の炭素質材料、希土類酸化物(Ln2O3)粉末及び希土類フッ化物(LnF3)粉末を混合し、スラリーとする。Ln2O3及びLnF3粉末の合計量に対する炭素質材料の割合は、耐食性、耐熱衝撃性、導電性を両立させた焼結体を好適に得る観点から、好ましくは、前記の合計量100質量部に対して、0.05質量部以上15質量部以下とすることが好ましく、1質量部以上10質量部以下とすることがより好ましい。 Next, the surface-treated carbonaceous material obtained above, the rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) powder, and the rare earth fluoride (LnF 3 ) powder are mixed to form a slurry. The ratio of the carbonaceous material to the total amount of Ln 2 O 3 and LnF 3 powder is preferably 100 masses in terms of the total amount described above, from the viewpoint of suitably obtaining a sintered body having both corrosion resistance, thermal shock resistance, and conductivity. The amount is preferably 0.05 parts by mass or more and 15 parts by mass or less, and more preferably 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to parts.
希土類酸化物(Ln2O3)及び希土類フッ化物(LnF3)粉末との混合比率は、目的とする希土類オキシフッ化物の結晶構造により異なる。
中でもLnをYとし、主相がY5O4F7であり安定化されていないYOFの副相が存在している焼結体を製造する場合は、以下の(方法1)に記載の比率にて希土類酸化物(Y2O3)及び希土類フッ化物(YF3)を混合する。
(方法1)
Y5O4F7の量論比である希土類オキシフッ化物を製造するためには、これらの原料を量論比であるY2O3:YF3=47:53(質量比)で混合する。一方、Y5O4F7の量論比の化合物ではなく、Y5O4F7を主相とし、非安定化YOFを副相とするものであれば、高強度となるため、さらに好ましい。この場合、Y2O3:YF3=47:53の量論比よりも、Y2O3を若干多く添加する(つまりYF3を若干少なく添加する)ことが必要となる。この観点から、原料であるY2O3及びYF3を、Y2O3:YF3の質量比で表して、好ましくは48:52〜60:40、更に好ましくは49:51〜55:45、最も好ましくは50:50〜54:46の割合で混合する。Y2O3:YF3が48以下:52以上の場合は、強度の改善が十分ではない。また、Y2O3:YF3が60以上:40以下の場合は、副相であるYOFの相転移の影響が大きくなり、焼結体中にクラックが発生したり、使用の際、高温で急激な寸法変化を起こしたりするので好ましくない。
The mixing ratio of the rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) and the rare earth fluoride (LnF 3 ) powder varies depending on the crystal structure of the target rare earth oxyfluoride.
In particular, when manufacturing a sintered body in which Ln is Y, the main phase is Y 5 O 4 F 7 and an unstabilized YOF subphase exists, the ratio described in the following (Method 1) To mix rare earth oxide (Y 2 O 3 ) and rare earth fluoride (YF 3 ).
(Method 1)
In order to produce a rare earth oxyfluoride having a stoichiometric ratio of Y 5 O 4 F 7 , these raw materials are mixed at a stoichiometric ratio of Y 2 O 3 : YF 3 = 47: 53 (mass ratio). Meanwhile, instead of the compound of the stoichiometric ratio of the Y 5 O 4 F 7, a Y 5 O 4 F 7 and the main phase, if the unstabilized YOF intended to be a secondary phase, to become a high-strength, more preferably . In this case, it is necessary to add slightly more Y 2 O 3 (that is, add slightly less YF 3 ) than the stoichiometric ratio of Y 2 O 3 : YF 3 = 47: 53. From this viewpoint, the raw materials Y 2 O 3 and YF 3 are represented by a mass ratio of Y 2 O 3 : YF 3 , preferably 48: 52-60: 40, more preferably 49: 51-55: 45. , Most preferably in a ratio of 50:50 to 54:46. When Y 2 O 3 : YF 3 is 48 or less: 52 or more, the strength is not sufficiently improved. In addition, when Y 2 O 3 : YF 3 is 60 or more and 40 or less, the influence of phase transition of YOF which is a subphase is increased, and cracks are generated in the sintered body or at high temperature during use. This is not preferable because it causes a sudden dimensional change.
以上の方法1における説明は、Ln(希土類元素)がYの場合についてのものであったが、Y以外の希土類元素を用いた場合にも同様に考えることができる。すなわち、Ln2O3とLnF3との混合比率を、xLn2O3・yLnF3(Lnは希土類元素を表す。x及びyはそれぞれ独立に1以上の自然数であり、且つ、LnOFを除く)が生成する量論比の比率よりも、Ln2O3が多くなるようにこれらの粉を混合すればよい。 The explanation in the above method 1 is for the case where Ln (rare earth element) is Y, but the same can be considered when a rare earth element other than Y is used. That is, the mixing ratio of Ln 2 O 3 and LnF 3 is xLn 2 O 3 .yLnF 3 (Ln represents a rare earth element. X and y are each independently a natural number of 1 or more, and excludes LnOF) There than the ratio of the stoichiometric ratio to produce, it may be mixed with these powders as the Ln 2 O 3 increases.
また主相がCa安定化LnOFであり、安定化されていないLnOFの副相が存在している焼結体を製造する場合の混合粉は、Ln(希土類元素)がYの場合には、以下の方法2に記載の組成とする。Lnが他の元素の場合でも同様に考えればよい。下記方法2に従いCa安定化LnOFを焼結体中に生成させるためには、カルシウム源としてフッ化カルシウム(CaF2)を用いることが安価で品質も安定するため工業的に有利である。このため、方法2においては、目的とする焼結体を製造するために原料として、希土類酸化物(Ln2O3)及び希土類フッ化物(LnF3)に加えて、フッ化カルシウム(CaF2)を用いる。 The mixed powder in the case of producing a sintered body in which the main phase is Ca-stabilized LnOF and the sub-phase of unstabilized LnOF is present is as follows when Ln (rare earth element) is Y: The composition described in Method 2 is used. The same applies to the case where Ln is another element. In order to produce Ca-stabilized LnOF in the sintered body according to the following method 2, it is industrially advantageous to use calcium fluoride (CaF 2 ) as a calcium source because it is inexpensive and stable in quality. For this reason, in Method 2, in addition to rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) and rare earth fluoride (LnF 3 ) as raw materials for producing the desired sintered body, calcium fluoride (CaF 2 ) Is used.
(方法2)
希土類酸化物、希土類フッ化物及びフッ化カルシウムの割合は、次のとおりとすることが好ましい。フッ化カルシウムの量は、希土類酸化物、希土類フッ化物及びフッ化カルシウムの全体質量100質量%に対し、1質量%以上10質量%以下であることが好ましく、2質量%以上9質量%以下であることがより好ましく、3質量%以上8質量%以下であることが更に好ましい。希土類酸化物及び希土類フッ化物の質量配分は、全体質量からフッ化カルシウム質量を引いた質量に対し、LnOFのモル比となるように設定すれば良い。フッ化カルシウムを1質量%以上用いることで、副相である非安定化LnOFの相転移の影響を小さくでき、焼結体中にクラックが発生したり、使用の際、高温で急激な寸法変化を起こしたりすることを効果的に防止できる。また、フッ化カルシウムを10質量%以下用いることで、3点曲げ強度の向上効果が十分なものとなる。
(Method 2)
The ratio of the rare earth oxide, rare earth fluoride and calcium fluoride is preferably as follows. The amount of calcium fluoride is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and preferably 2% by mass or more and 9% by mass or less with respect to 100% by mass of the total mass of the rare earth oxide, rare earth fluoride and calcium fluoride. More preferably, it is more preferably 3% by mass or more and 8% by mass or less. What is necessary is just to set mass distribution of a rare earth oxide and rare earth fluoride so that it may become the molar ratio of LnOF with respect to the mass which subtracted the calcium fluoride mass from the whole mass. By using 1% by mass or more of calcium fluoride, it is possible to reduce the effect of the phase transition of the non-stabilized LnOF, which is a sub-phase, and cracks are generated in the sintered body. Can be effectively prevented. Moreover, the improvement effect of 3 point | piece bending strength becomes sufficient by using 10 mass% or less of calcium fluoride.
以上のようにして得られた、表面処理後の炭素質材料、希土類酸化物(Ln2O3)粉末及び希土類フッ化物(LnF3)粉末並びに必要に応じてCaF2粉末を、分散媒並びに必要に応じて分散剤及びバインダなどを添加して、スラリーとし、これを乾燥物又は造粒物とした後に所望の方法にて成形することができる。スラリーの分散媒としては、水を用いることができる。スラリーを乾燥物又は造粒物とする方法としては、スプレードライ法、凍結乾燥法、転動造粒法等が挙げられる。乾燥物又は造粒物の成形方法としては、金型を用いた一軸の油圧プレス法や静水圧プレス法(CIP)、ホットプレス法、シート成形法、押出成形法等にて成形する方法が挙げられる。油圧プレス法や静水圧プレス法(CIP)、ホットプレス法に供する場合、加圧力は10MPa以上200MPa以下、特に20MPa以上150MPa以下であることが緻密且つ熱伝導率及び導電性等が所望の範囲の焼結体を得やすい点から好ましい。また、上記スラリーを鋳込み成形法等によって、直接成形することもできる。 The carbonaceous material after the surface treatment, the rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) powder, the rare earth fluoride (LnF 3 ) powder obtained as described above, and the CaF 2 powder as necessary, the dispersion medium and the necessity Depending on the case, a dispersant, a binder and the like can be added to form a slurry, which can be formed into a dry product or a granulated product, and then molded by a desired method. Water can be used as the slurry dispersion medium. Examples of the method for converting the slurry into a dried product or a granulated product include a spray drying method, a freeze drying method, and a rolling granulation method. Examples of a method for forming a dried product or a granulated product include a method of forming by a uniaxial hydraulic press method using a mold, an isostatic press method (CIP), a hot press method, a sheet forming method, an extrusion forming method, or the like. It is done. When subjected to a hydraulic press method, an isostatic press method (CIP), or a hot press method, the applied pressure is 10 MPa or more and 200 MPa or less, particularly 20 MPa or more and 150 MPa or less, and the heat conductivity and conductivity are in a desired range. It is preferable from the viewpoint of easily obtaining a sintered body. Further, the slurry can be directly formed by a casting method or the like.
このようにして成形体が得られたら、次にこの成形体を焼成して焼結体を得る。焼成の条件としては、焼成温度は900℃以上1500℃以下であることが緻密な焼結体を得る観点から好ましく、更に好ましくは1000℃以上1450℃以下、最も好ましくは1100℃以上1400℃以下である。焼成温度をこの範囲に設定することで、耐熱衝撃性及び導電性、強度が好ましい焼結体が得やすい。焼成時間は、焼成温度がこの範囲内であることを条件として、好ましくは1時間以上24時間以下、更に好ましくは2時間以上18時間以下、最も好ましくは3時間以上14時間以下である。焼成時間を1時間以上に設定することで、反応が十分に起こり、主相と副相が首尾よく形成される。また、十分に緻密な焼結体が得られる。一方、焼成時間を24時間以下に設定することで、著しい結晶成長が抑制され、強度の低下を抑制できる。 When a molded body is obtained in this manner, the molded body is then fired to obtain a sintered body. As firing conditions, the firing temperature is preferably 900 ° C. or more and 1500 ° C. or less from the viewpoint of obtaining a dense sintered body, more preferably 1000 ° C. or more and 1450 ° C. or less, and most preferably 1100 ° C. or more and 1400 ° C. or less. is there. By setting the firing temperature within this range, it is easy to obtain a sintered body having favorable thermal shock resistance, conductivity, and strength. The firing time is preferably 1 hour to 24 hours, more preferably 2 hours to 18 hours, and most preferably 3 hours to 14 hours, provided that the firing temperature is within this range. By setting the firing time to 1 hour or longer, the reaction sufficiently occurs and the main phase and the subphase are successfully formed. In addition, a sufficiently dense sintered body can be obtained. On the other hand, by setting the firing time to 24 hours or less, remarkable crystal growth is suppressed, and a decrease in strength can be suppressed.
目的とする結晶組織の希土類オキシフッ化物を緻密に製造し得る観点から、焼成の雰囲気は真空であることが好ましい。真空度は、絶対圧で表して、500Pa以下であることが好ましく、200Pa以下であることが更に好ましく、100Pa以下であることが最も好ましい。このようにして、目的とする焼結体が得られる。 The firing atmosphere is preferably a vacuum from the viewpoint of densely producing a rare earth oxyfluoride having a target crystal structure. The degree of vacuum, expressed as an absolute pressure, is preferably 500 Pa or less, more preferably 200 Pa or less, and most preferably 100 Pa or less. In this way, the intended sintered body is obtained.
このようにして得られた焼結体は、ドライエッチング装置の真空チャンバー及び該チャンバー内における試料台やチャック、フォーカスリング、エッチングガス供給口といった半導体製造装置の構成部材に用いることができる。また本発明の焼結体は半導体製造装置の構成部材以外にも各種プラズマ処理装置、化学プラントの構成部材の用途に用いることができる。 The sintered body obtained in this manner can be used for constituent members of a semiconductor manufacturing apparatus such as a vacuum chamber of a dry etching apparatus and a sample table, chuck, focus ring, etching gas supply port in the chamber. Moreover, the sintered compact of this invention can be used for the use of the various structural members of a plasma processing apparatus and a chemical plant besides the structural member of a semiconductor manufacturing apparatus.
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を、「部」は「質量部」を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, “%” means “mass%” and “part” means “part by mass”.
〔実施例1〕
カーボン粉末100gを、7Mの硝酸水溶液1リットル中に投入し、ホットスターラーにて100℃で1時間撹拌し、表面処理を行った。処理されたカーボン粉末は、純水にて十分に洗浄し、60℃にて乾燥させた。使用したカーボン粉末は球状であり、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による積算体積50容量%における積算体積粒径D50が6μmであった。Y2O3粉末とYF3粉末と前記で得られた表面処理カーボン粉末を、それぞれ48.5%、50.5%、1%の割合で混合した。得られた混合物100部に対し、水20部、分散剤2部及びバインダ2部を添加し、均一な水系スラリーを得た。このスラリーをスプレードライヤーにて顆粒にした。得られた顆粒を金型に入れ、油圧プレスを用い、100MPaの圧力で0.5分間一軸加圧することにより成形体を得た。得られた成形体を真空中、1400℃で4時間焼成し、焼結体を得た。実施例1で得られた焼結体の走査型電子顕微鏡像を図1に示す。また上記の方法にて焼結体中の断面積における炭素質の割合のばらつきの平均値に対する比を測定したところ、8%であった。また上記の方法で焼結体における他の単体と接触していない炭素質材料単体の個数の割合を測定したところ95%以上であった。
[Example 1]
100 g of carbon powder was put into 1 liter of a 7M nitric acid aqueous solution and stirred at 100 ° C. for 1 hour with a hot stirrer to perform surface treatment. The treated carbon powder was thoroughly washed with pure water and dried at 60 ° C. The carbon powder used was spherical, and the cumulative volume particle size D50 at an integrated volume of 50% by volume by a laser diffraction / scattering particle size distribution measurement method was 6 μm. Y 2 O 3 powder, YF 3 powder and the surface-treated carbon powder obtained above were mixed at a ratio of 48.5%, 50.5% and 1%, respectively. To 100 parts of the obtained mixture, 20 parts of water, 2 parts of a dispersant and 2 parts of a binder were added to obtain a uniform aqueous slurry. This slurry was granulated with a spray dryer. The obtained granule was put into a mold, and a compact was obtained by uniaxially pressing at a pressure of 100 MPa for 0.5 minutes using a hydraulic press. The obtained molded body was fired at 1400 ° C. for 4 hours in a vacuum to obtain a sintered body. A scanning electron microscope image of the sintered body obtained in Example 1 is shown in FIG. Further, the ratio of the variation of the carbonaceous ratio in the cross-sectional area in the sintered body to the average value was measured and found to be 8%. Moreover, when the ratio of the number of the carbonaceous material simple substance which is not in contact with the other simple substance in a sintered compact was measured by said method, it was 95% or more.
〔実施例2〕
カーボン粉末100gを用い、実施例1と同様に表面処理、洗浄及び乾燥を行った。使用したカーボン粉末は球状であり、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による積算体積50容量%における積算体積粒径D50が0.5μmであった。Y2O3粉末とYF3粉末と前記で得られた表面処理カーボン粉末を、それぞれ45.9.%、44.1%、10%の割合で混合した。得られた混合物100部に対し、水50部、分散剤3部及びバインダ2部を添加し、均一な水系スラリーを得た。得られたスラリーから実施例1と同様にして、焼結体を得た。
[Example 2]
Surface treatment, washing and drying were performed in the same manner as in Example 1 using 100 g of carbon powder. The carbon powder used was spherical, and the cumulative volume particle size D50 at an integrated volume of 50% by volume by a laser diffraction / scattering particle size distribution measurement method was 0.5 μm. The Y 2 O 3 powder, the YF 3 powder, and the surface-treated carbon powder obtained above were respectively used for 45.9. %, 44.1% and 10%. To 100 parts of the obtained mixture, 50 parts of water, 3 parts of a dispersant and 2 parts of a binder were added to obtain a uniform aqueous slurry. A sintered body was obtained from the resulting slurry in the same manner as in Example 1.
〔実施例3〕
直径10μm、長さ50μmのピッチ系カーボン繊維100gを、5Mの硝酸水溶液1リットル中に添加し、ホットスターラーにて100℃で3時間撹拌し、表面処理を行った。処理されたカーボン繊維は、純水にて十分に洗浄し、60℃にて乾燥させた。Y2O3粉末とYF3粉末と前記で得られた表面処理カーボン繊維とを、それぞれ48.5%、50.5%、1%の割合で混合した。得られた混合物100部に対し、水20部、分散剤2部及びバインダ2部を添加し、均一な水系スラリーを得た。このスラリーをスプレードライヤーにて顆粒にした。この顆粒を金型に入れ、油圧プレスを用い、70MPaの圧力で3分間一軸加圧することにより成形体を得た。得られた成形体を真空中、1300℃で6時間焼成し、焼結体を得た。実施例3で得られた焼結体の走査型電子顕微鏡像を図2に示す。また上記の方法にて焼結体中の断面積における炭素質の割合のばらつきの平均値に対する比を測定したところ、9%であった。また上記の方法で焼結体における他の単体と接触していない炭素質材料単体の個数の割合を測定したところ85%以上であった。
Example 3
100 g of pitch-based carbon fibers having a diameter of 10 μm and a length of 50 μm were added to 1 liter of a 5M nitric acid aqueous solution, and the mixture was stirred with a hot stirrer at 100 ° C. for 3 hours for surface treatment. The treated carbon fiber was thoroughly washed with pure water and dried at 60 ° C. Y 2 O 3 powder, YF 3 powder and the surface-treated carbon fiber obtained above were mixed at a ratio of 48.5%, 50.5% and 1%, respectively. To 100 parts of the obtained mixture, 20 parts of water, 2 parts of a dispersant and 2 parts of a binder were added to obtain a uniform aqueous slurry. This slurry was granulated with a spray dryer. The granules were put into a mold and uniaxially pressed at a pressure of 70 MPa for 3 minutes using a hydraulic press to obtain a molded body. The obtained molded body was fired at 1300 ° C. for 6 hours in a vacuum to obtain a sintered body. A scanning electron microscope image of the sintered body obtained in Example 3 is shown in FIG. Further, the ratio of the variation of the carbonaceous ratio in the cross-sectional area in the sintered body to the average value was measured and found to be 9%. Moreover, when the ratio of the number of the carbonaceous material simple substance which is not in contact with the other simple substance in a sintered compact was measured by said method, it was 85% or more.
〔実施例4〕
直径3μm、長さ40μmのピッチ系カーボン繊維を用い、実施例3と同様に表面処理、洗浄、及び乾燥を行った。Y2O3粉末とYF3粉末と前記で得られた表面処理カーボン繊維とを、それぞれ48.5%、46.5%、5%の割合で混合した。得られた混合物100部に対し、水25部、分散剤2部及びバインダ2部を添加し、均一な水系スラリーを得た。このスラリーをスプレードライヤーにて顆粒にした。この顆粒をカーボン型に入れ、ホットプレスを用い、真空中、30MPaの圧力をかけながら、1300℃で1時間焼成し、焼結体を得た。
Example 4
Using pitch-based carbon fibers having a diameter of 3 μm and a length of 40 μm, surface treatment, washing, and drying were performed in the same manner as in Example 3. Y 2 O 3 powder, YF 3 powder and the surface-treated carbon fiber obtained above were mixed at a ratio of 48.5%, 46.5% and 5%, respectively. To 100 parts of the obtained mixture, 25 parts of water, 2 parts of a dispersant and 2 parts of a binder were added to obtain a uniform aqueous slurry. This slurry was granulated with a spray dryer. This granule was put into a carbon mold and fired at 1300 ° C. for 1 hour using a hot press while applying a pressure of 30 MPa in a vacuum to obtain a sintered body.
〔実施例5〕
直径10μm、長さ50μmのピッチ系カーボン繊維を用い、実施例3と同様に表面処理、洗浄、及び乾燥を行った。Y2O3粉末とYF3粉末とCaF2粉末と前記で得られた表面処理カーボン繊維とを、それぞれ53.6%、34.6%、6.8%、5%の割合で混合した。得られた混合物100部に対し、水25部、分散剤2部及びバインダ2部を添加し、均一な水系スラリーを得た。このスラリーを石膏型に入れ、鋳込み成形を行い、100℃で乾燥し、成形体を得た。得られた成形体を真空中、1300℃で4時間焼成し、焼結体を得た。
Example 5
Using pitch-based carbon fibers having a diameter of 10 μm and a length of 50 μm, surface treatment, washing, and drying were performed in the same manner as in Example 3. Y 2 O 3 powder, YF 3 powder, CaF 2 powder and the surface-treated carbon fiber obtained above were mixed at a ratio of 53.6%, 34.6%, 6.8% and 5%, respectively. To 100 parts of the obtained mixture, 25 parts of water, 2 parts of a dispersant and 2 parts of a binder were added to obtain a uniform aqueous slurry. This slurry was put into a plaster mold, cast and molded, and dried at 100 ° C. to obtain a molded body. The obtained molded body was fired at 1300 ° C. for 4 hours in a vacuum to obtain a sintered body.
〔実施例6〕
直径10μm、長さ50μmのピッチ系カーボン繊維を用い、実施例3と同様に表面処理、洗浄、及び乾燥を行った。Eu2O3粉末とEuF3粉末と前記で得られた表面処理カーボン繊維とを、それぞれ55.4%、43.6%、1%の割合で混合した。それ以外は実施例3と同様にして焼結体を得た。
Example 6
Using pitch-based carbon fibers having a diameter of 10 μm and a length of 50 μm, surface treatment, washing, and drying were performed in the same manner as in Example 3. Eu 2 O 3 powder, EuF 3 powder and the surface-treated carbon fiber obtained above were mixed at a ratio of 55.4%, 43.6% and 1%, respectively. Other than that was carried out similarly to Example 3, and obtained the sintered compact.
〔比較例1〕
Y2O3粉末とYF3粉末とを、それぞれ51%、49%の割合で混合した。得られた混合物100部に対し、水20部、分散剤2部及びバインダ2部を添加し、均一な水系スラリーを得た。このスラリーをスプレードライヤーにて顆粒にした。この顆粒を金型に入れ、油圧プレスを用い、100MPaの圧力で0.5分間一軸加圧することにより成形体を得た。得られた成形体を真空中、1400℃で4時間焼成し、焼結体を得た。
[Comparative Example 1]
Y 2 O 3 powder and YF 3 powder were mixed at a ratio of 51% and 49%, respectively. To 100 parts of the obtained mixture, 20 parts of water, 2 parts of a dispersant and 2 parts of a binder were added to obtain a uniform aqueous slurry. This slurry was granulated with a spray dryer. The granules were put into a mold, and a compact was obtained by uniaxially pressurizing at a pressure of 100 MPa for 0.5 minutes using a hydraulic press. The obtained molded body was fired at 1400 ° C. for 4 hours in a vacuum to obtain a sintered body.
〔比較例2〕
平均粒径(D50)10μmのカーボン粉末を用い、Y2O3粉末とYF3粉末と該カーボン粉末とを、それぞれ48.5%、50.5%、1%の割合で混合した。得られた混合物100部に対し、水20部、分散剤2部及びバインダ2部を添加しスラリーを得た。カーボン粉末の凝集により、スラリーにムラが見られた。このスラリーをスプレードライヤーにて顆粒にした。この顆粒を金型に入れ、油圧プレスを用い、100MPaの圧力で0.5分間一軸加圧することにより成形体を得た。得られた成形体を真空中、1400℃で4時間焼成したが、焼結中に表面に割れや変形が生じ、焼結体を得ることができなかった。
[Comparative Example 2]
Carbon powder having an average particle size (D50) of 10 μm was used, and Y 2 O 3 powder, YF 3 powder, and the carbon powder were mixed at a ratio of 48.5%, 50.5%, and 1%, respectively. To 100 parts of the obtained mixture, 20 parts of water, 2 parts of a dispersant and 2 parts of a binder were added to obtain a slurry. Due to the aggregation of the carbon powder, unevenness was observed in the slurry. This slurry was granulated with a spray dryer. The granules were put into a mold, and a compact was obtained by uniaxially pressurizing at a pressure of 100 MPa for 0.5 minutes using a hydraulic press. The obtained molded body was fired in vacuum at 1400 ° C. for 4 hours. However, cracks and deformation occurred on the surface during sintering, and a sintered body could not be obtained.
〔測定・評価〕
実施例、比較例で得られた焼結体について、以下に述べる方法で、相対密度を測定した。また、以下に述べる方法で、カーボン粒子の粒径又はカーボン繊維の直径を測定した。更に、以下に述べる方法で、カーボン量を測定した。更に、以下に述べる方法で、X線回折測定(以下、XRD測定ともいう。)によって主相及び副相の同定を行うとともに、ピーク強度比を測定した。また、以下に述べる方法で、体積抵抗率及び熱衝撃破壊抵抗係数R’を測定した。
[Measurement / Evaluation]
About the sintered compact obtained by the Example and the comparative example, the relative density was measured by the method described below. Further, the particle diameter of carbon particles or the diameter of carbon fibers was measured by the method described below. Further, the amount of carbon was measured by the method described below. Further, by the method described below, the main phase and the subphase were identified by X-ray diffraction measurement (hereinafter also referred to as XRD measurement), and the peak intensity ratio was measured. Further, volume resistivity and thermal shock fracture resistance coefficient R ′ were measured by the methods described below.
<相対密度>
JIS R 1634:1998に基づき以下のようにかさ密度を測定した。 焼結体を蒸留水に入れ、ダイアフラム型真空ポンプによる減圧下で1時間保持した後、水中重量W2[g]を測定する。また、余分な水分を湿布で取り除き、飽水重量W3[g]を測定する。その後、乾燥器に入れて焼結体を十分に乾燥させた後、乾燥重量W1[g]を測定する。以下の式により、かさ密度ρb[g/cm3]を算出する。
ρb=W1/(W3-W2)×ρ1(g/cm3)[g/cm3]
式中、ρ1 [g/cm3]は蒸留水の密度である。得られたかさ密度ρbと、理論密度ρc[g/cm3]を用いて、相対密度(RD)[%]を以下の式により算出する。
RD=ρb/ρc×100[%]
からの比較で、相対密度を計算した。
<Relative density>
Based on JIS R 1634: 1998, the bulk density was measured as follows. The sintered body is put into distilled water and held under reduced pressure by a diaphragm type vacuum pump for 1 hour, and then the weight in water W 2 [g] is measured. Further, excess water is removed with a compress, and the saturated water weight W 3 [g] is measured. Then, after sufficiently drying the dryer to put sintered body, measures the dry weight W 1 [g]. The bulk density ρ b [g / cm 3 ] is calculated by the following equation.
ρ b = W 1 / (W 3 −W 2 ) × ρ 1 (g / cm 3 ) [g / cm 3 ]
In the formula, ρ 1 [g / cm 3 ] is the density of distilled water. Using the obtained bulk density ρ b and the theoretical density ρ c [g / cm 3 ], the relative density (RD) [%] is calculated by the following equation.
RD = ρ b / ρ c × 100 [%]
Relative density was calculated.
<カーボン粒子の粒径>
焼結体を鏡面研磨し、走査型電子顕微鏡(SEM)観察することにより、カーボン粒子の粒径を測定した。カーボンの結晶粒径が測定できる倍率である100倍〜2000倍で複数枚撮影をした。撮影された視野に存在するカーボン粒子の結晶粒径を円で近似して測定し、粒子20個の平均値をとって、平均粒径とした。
<Carbon particle size>
The sintered body was mirror-polished and observed with a scanning electron microscope (SEM) to measure the particle size of the carbon particles. A plurality of images were taken at a magnification of 100 to 2000 times that is a magnification capable of measuring the crystal grain size of carbon. The crystal grain size of the carbon particles present in the photographed field of view was approximated by a circle, and the average value of 20 particles was taken as the average particle size.
<カーボン繊維の直径>
焼結体を鏡面研磨し、SEM観察することにより、カーボン繊維の直径及び長さを測定した。カーボンの直径・長さが測定できる倍率である100倍〜2000倍で複数枚撮影をした。撮影された視野に存在するカーボン繊維を長方形で近似し、短径を直径、長径を長さとし、20個の平均値をとって、平均直径及び平均長さとした。
<Diameter of carbon fiber>
The sintered body was mirror-polished and observed by SEM to measure the diameter and length of the carbon fiber. A plurality of images were taken at a magnification of 100 to 2000 times that is a magnification capable of measuring the diameter and length of carbon. The carbon fibers present in the photographed field of view were approximated by rectangles, the minor axis was the diameter, the major axis was the length, and the average value of 20 was taken as the mean diameter and mean length.
<カーボン量>
炭素質がカーボン粉末の場合は、カーボン粒子の平均粒径と個数、及び視野の面積から、カーボン粒子の占める面積比を計算した。その面積比を体積比に換算して、カーボン量とした。炭素質がカーボン繊維の場合は、その平均直径と平均長さを用い、長方形として面積を計算し、その個数、及び視野の面積から、カーボン繊維の占める面積比を計算した。その面積比を体積比に換算して、カーボン量とした。
<Carbon amount>
When the carbonaceous material was carbon powder, the area ratio of the carbon particles was calculated from the average particle diameter and number of carbon particles and the area of the visual field. The area ratio was converted to a volume ratio to obtain the amount of carbon. When the carbonaceous material was carbon fiber, the area was calculated as a rectangle using the average diameter and average length, and the area ratio of the carbon fiber was calculated from the number and the area of the field of view. The area ratio was converted to a volume ratio to obtain the amount of carbon.
<XRD測定>
焼結体の一部を、乳鉢と乳棒を用いて粉砕して粉末を得、この粉末について、XRD測定を行った。測定機器としては、装置名:MiniFlex600、メーカー:リガクを用いた。
測定条件は、ターゲットCu、線源CuKα1線、管電圧40kV、管電流15mA、走査速度20°/min、走査範囲2θ=3°以上90°以下とした。
LnがYである実施例1から4では主相であるY5O4F7の(151)面と、副相である非安定化YOF(菱面体晶)の(006)面(ともに2θ=28.2°付近)が重なるピーク強度を100としたときの、副相である非安定化YOF(菱面体晶)の(018)面又は(110)面(2θ=47.4°、47.9°付近)のピーク強度比を求めた。
LnがYである実施例5では主相であるCa−YOFの(111)面と、副相である非安定化YOF(菱面体晶)の(012)面(2θ=28.8°、28.7°付近)が重なるピーク強度を100としたときの、副相である非安定化YOF(菱面体晶)の(009)面又は(107)面(2θ=43.1°、43.4°付近)のピーク強度比を求めた。
また、LnがEuである実施例6では主相であるEu6O5F8の(161)面と副相である非安定化EuOF(菱面体晶)の(006)面(2θ=27.5°、27.7°)が重なるピーク強度を100としたときの、副相である非安定化EuOF(菱面体晶)の(018)面又は(110)面(2θ=46.2°、46.8°付近)のピーク強度比を求めた。
<XRD measurement>
Part of the sintered body was pulverized using a mortar and pestle to obtain a powder, and XRD measurement was performed on this powder. As a measuring instrument, apparatus name: MiniFlex600, manufacturer: Rigaku was used.
The measurement conditions were: target Cu, radiation source CuKα1 line, tube voltage 40 kV, tube current 15 mA, scanning speed 20 ° / min, scanning range 2θ = 3 ° to 90 °.
In Examples 1 to 4 where Ln is Y, the (151) plane of Y 5 O 4 F 7 as the main phase and the (006) plane of unstabilized YOF (rhombohedral crystal) as the subphase (both 2θ = When the peak intensity at which 28.2 [deg.] Overlaps is defined as 100, the (018) plane (110) plane (2 [theta] = 47.4 [deg.], 47.degree.) Of unstabilized YOF (rhombohedral crystal) as a subphase. The peak intensity ratio at around 9 ° was determined.
In Example 5 where Ln is Y, the (111) plane of Ca—YOF as the main phase and the (012) plane (2θ = 28.8 °, 28) of the unstabilized YOF (rhombohedral crystal) as the subphase. .About.7 °) where the overlapping peak intensity is 100, the (009) plane or (107) plane (2θ = 43.1 °, 43.4) of unstabilized YOF (rhombohedral crystal) as a subphase. The peak intensity ratio in the vicinity of ° was determined.
In Example 6 where Ln is Eu, the (161) face of Eu 6 O 5 F 8 as the main phase and the (006) face (2θ = 27.27) of the unstabilized EuOF (rhombohedral crystal) as the subphase. (0 °) or (110) plane (2θ = 46.2 °) of non-stabilized EuOF (rhombohedral crystal) as a sub-phase when the peak intensity at which 5 °, 27.7 °) overlap is 100 The peak intensity ratio at around 46.8 ° was determined.
<体積抵抗率>
エーディーシー社製デジタル微少電流計を用い、JIS C 2141:1992に基づき直流三端子法にて、室温(27℃)、大気中で体積抵抗率(Ωcm)を測定した。体積抵抗率(Ωcm)は印加電圧500V、保持時間60秒での電流値から、換算して求めた。焼結体はφ25mm×2mmに加工したものを用いた。
<Volume resistivity>
The volume resistivity (Ωcm) was measured at room temperature (27 ° C.) and in the atmosphere by a direct current three-terminal method based on JIS C 2141: 1992 using a digital microammeter manufactured by ADC. The volume resistivity (Ωcm) was obtained by conversion from the current value at an applied voltage of 500 V and a holding time of 60 seconds. The sintered body used was processed into φ25 mm × 2 mm.
<3点曲げ強度>
焼結体を切断し、片面を鏡面研磨することにより、厚さ3.0mm、幅約4mm、長さ約35mmの短冊形の試験片を作製する。これをSiC製治具に置き、万能材料試験機(1185型、INSTRON製)で3点曲げ試験を行う。条件は、支点間距離30mm、クロスヘッドスピード0.5mm/minとし、試験片本数は5本とする。JIS R1601:2008に基づき、以下の式を用いて曲げ強度σf[MPa]を算出する。
σf=(3×Pf×L)/(2×w×t2)[MPa]
式中、Pfは試験片が破断したときの荷重[N]、Lはスパン距離[mm]、wは試験片の幅[mm]、tは試験片の厚さ[mm]である。
<3-point bending strength>
By cutting the sintered body and mirror polishing one side, a strip-shaped test piece having a thickness of 3.0 mm, a width of about 4 mm, and a length of about 35 mm is produced. This is placed on a SiC jig and a three-point bending test is performed with a universal material testing machine (1185 type, manufactured by INSTRON). The conditions are a distance between fulcrums of 30 mm, a crosshead speed of 0.5 mm / min, and the number of test pieces is 5. Based on JIS R1601: 2008, the bending strength σ f [MPa] is calculated using the following formula.
σ f = (3 × P f × L) / (2 × w × t 2 ) [MPa]
In the formula, Pf is a load [N] when the test piece is broken, L is a span distance [mm], w is a width [mm] of the test piece, and t is a thickness [mm] of the test piece.
<熱膨張係数>
JIS R 1618:2002に基づいて測定した。具体的には、以下のようにした。
リガク社製TMA8310の示差式熱機械分析(TMA)装置に、焼結体5mm×5mm×20mmテストピースをセットした。大気雰囲気下、25℃から1000℃まで昇温速度5℃/分の速度で昇温した。荷重は5mNとした。リファレンスとして、テストピースと同サイズのアルミナを熱機械分析(TMA)装置にセットし、同様に昇温し、アルミナとテストピースの寸法差△Laを測定した。この間のリファレンスの伸び△Lbとして、次式により熱膨張係数を計算した。
熱膨張係数(/K)=(△La+△Lb)/(L×△t)(上記式中、L=試験前のテストピースの長さ、△t=伸びを測定した温度差である)
<Coefficient of thermal expansion>
Measured based on JIS R 1618: 2002. Specifically, it was as follows.
A sintered 5 mm × 5 mm × 20 mm test piece was set in a differential thermomechanical analysis (TMA) apparatus of TMA8310 manufactured by Rigaku Corporation. The temperature was raised from 25 ° C. to 1000 ° C. at a rate of 5 ° C./min in the air atmosphere. The load was 5 mN. As a reference, alumina having the same size as the test piece was set in a thermomechanical analysis (TMA) apparatus, and the temperature was similarly raised, and the dimensional difference ΔLa between the alumina and the test piece was measured. As the reference elongation ΔLb during this period, the thermal expansion coefficient was calculated by the following equation.
Thermal expansion coefficient (/ K) = (ΔLa + ΔLb) / (L × Δt) (where L = length of test piece before test, Δt = temperature difference measured for elongation)
<熱伝導率>
焼結体φ12.7mm×2mmテストピースについて、JIS R1611:2010に基づき、レ−ザーフラッシュ法により測定した。
<Thermal conductivity>
The sintered body φ12.7 mm × 2 mm test piece was measured by the laser flash method based on JIS R1611: 2010.
<静的弾性率>
JIS R1602:1995に基づき、具体的には以下のようにした。
測定はオシロスコープ(WJ312A、LECROY製)及びパルサーレシーバー(5072PR、Olympus NDT製)を用いる。試験片に縦波振動子(V110、5 MHz)、横波振動子(V156、5 MHz)を接着剤(縦波用:COUPLANT B GLYCERIN(オリンパス製)、横波用:ソニコートSHN-B25(ニチゴー日興製))を用いて固定し、パルスの伝搬速度から縦波速度Vl [m/s]と横波速度Vt [m/s]を測定する。得られたVl及びVt、試験片のかさ密度ρb [kg/mm3]から、以下の式を用いて弾性率E[GPa]を算出する。
E = ρb・(Vt 2・Vl 2- 4Vt 4)/(Vl 2 - Vt 2)×10−9 (GPa)
<Static modulus>
Specifically, based on JIS R1602: 1995, it was as follows.
The measurement uses an oscilloscope (WJ312A, manufactured by LECROY) and a pulsar receiver (5072PR, manufactured by Olympus NDT). Longitudinal wave vibrator (V110, 5 MHz) and transverse wave vibrator (V156, 5 MHz) are used for the test piece. )), And the longitudinal wave velocity V l [m / s] and the transverse wave velocity V t [m / s] are measured from the propagation velocity of the pulse. From the obtained V l and V t and the bulk density ρ b [kg / mm 3 ] of the test piece, the elastic modulus E [GPa] is calculated using the following equation.
E = ρ b · (V t 2 · V l 2 - 4V t 4) / (V l 2 - V t 2) × 10 -9 (GPa)
<熱衝撃破壊抵抗係数R’>
上記の各測定値から、下記の式により、R’を計算した。なお、ポアソン比は各サンプルで一定と考え、計算式から除外した。
R’=((3点曲げ強度MPa)×(熱伝導率W/mK))/((静的弾性率GPa)×(熱膨張係数106/K))
<Thermal shock fracture resistance coefficient R '>
From each measured value, R ′ was calculated by the following formula. The Poisson's ratio was considered constant for each sample and was excluded from the calculation formula.
R ′ = ((3-point bending strength MPa) × (thermal conductivity W / mK)) / ((static elastic modulus GPa) × (thermal expansion coefficient 10 6 / K))
熱衝撃破壊抵抗係数R’は、数値が大きいほど、耐熱衝撃性に優れる。表1に示す結果から明らかなとおり、各実施例で得られた焼結体は、熱衝撃破壊抵抗係数R’が0.7以上、且つ体積抵抗率が3×109Ωcm以下であり、優れた耐熱衝撃性及び導電性を有していた。これに対し、炭素質材料を含有しない比較例1は熱衝撃破壊抵抗係数R’が0.2、且つ体積抵抗率が3×1015であって耐熱衝撃性及び導電性に劣るものであった。また比較例2では焼結中に外見に割れや変形が生じ、焼結体を得ることができなかった。
The larger the value of the thermal shock fracture resistance coefficient R ′, the better the thermal shock resistance. As is clear from the results shown in Table 1, the sintered bodies obtained in each Example have a thermal shock fracture resistance coefficient R ′ of 0.7 or more and a volume resistivity of 3 × 10 9 Ωcm or less, which is excellent. It had high thermal shock resistance and conductivity. On the other hand, Comparative Example 1 containing no carbonaceous material had a thermal shock fracture resistance coefficient R ′ of 0.2 and a volume resistivity of 3 × 10 15 and was inferior in thermal shock resistance and conductivity. . Further, in Comparative Example 2, cracks and deformation occurred in appearance during sintering, and a sintered body could not be obtained.
Claims (12)
炭素質材料を酸化剤で処理する工程と、
酸化剤で処理した後の炭素質材料、並びに、希土類元素の酸化物及び希土類元素のフッ化物を分散媒に分散させてスラリーを調製する工程と、
前記スラリーの乾燥物又は造粒物を焼成する工程とを備える、焼結体の製造方法。 It is a manufacturing method of the sintered compact according to claim 1,
Treating the carbonaceous material with an oxidizing agent;
A step of preparing a slurry by dispersing a carbonaceous material after treatment with an oxidizing agent, and a rare earth element oxide and a rare earth element fluoride in a dispersion medium;
A method for producing a sintered body comprising a step of firing a dried or granulated product of the slurry.
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