高周波用低損失誘電体材料、その製造方法及び部材
【課題】高周波領域における低い誘電損失とともに高い熱伝導を有する低損失誘電体材料とその製造方法及び部材を提供する。
【解決手段】窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族化合物、及び、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、該焼結体の粒界が結晶化され、かつ２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下であり、熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の高周波用低損失誘電体材料、その製造方法及び部材。
【効果】２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高熱伝導・低誘電損失の高周波用低損失緻密質誘電体材料及び部材等を提供することができる。
【解決手段】窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族化合物、及び、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、該焼結体の粒界が結晶化され、かつ２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下であり、熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の高周波用低損失誘電体材料、その製造方法及び部材。
【効果】２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高熱伝導・低誘電損失の高周波用低損失緻密質誘電体材料及び部材等を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波用低損失誘電体材料に関するものであり、更に詳しくは、低い誘電損失と高い熱伝導率の両者の要求を満たすことを実現した新規高周波用低損失誘電体材料及びその部材等に関するものである。本発明は、プラズマ処理装置部材、例えば、半導体製造装置、液晶製造装置などにおいて、主にマイクロ波などの高周波を使用してプラズマを発生させる装置に用いられる高周波用低損失誘電体材料等を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、主に半導体、液晶薄膜製造におけるＣＶＤ、エッチング、レジスト工程に、マイクロ波プラズマ処理装置が多用されている。マイクロ波などの高周波を用いてプラズマを発生させるこれらの装置には、高周波透過性の良い材料で構成された部材が使用されている。これらの部材には、高周波透過性（低い誘電率、低い誘電損失）とともに、部材内の温度分布をなくして反応の均一性を高めるために、高い熱伝導率が必要とされている。
【０００３】
高周波透過性については、例えば、シリカガラスが、低誘電率で誘電損失も低くて優れるが、熱伝導率は〜２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１と低く、部材としての要求を満たさない。また、高純度のアルミナセラミックスも、低誘電損失であるが、熱伝導率が〜３０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１と低く、要求を満たさない。反対に、窒化アルミニウムは、熱伝導率が〜１６０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１と非常に高いが、誘電損失が１０−３以上あるので、要求を満たすことができない。
【０００４】
一方、耐熱性、耐熱衝撃性、機械的強度が上記セラミックスに比べて格段に優れるセラミックスとして、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が知られ、１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の高い熱伝導率を有するＳｉ３Ｎ４も開発されている。また、Ｓｉ３Ｎ４の誘電損失に関しては、高周波導入窓材の信頼性を付与するために、機械的強度に優れた窒化ケイ素の誘電損失を低下させることを目的とした研究が行われている。
【０００５】
先行引用文献として、例えば、窒化ケイ素を用いた低誘電損失な高周波導入窓材の報告例があるように、従来、１０ＧＨｚにおいて１０−４以下の低い誘電損失が達成されている。しかしながら、前述の要求を満たすために、低い誘電損失とともに、高い熱伝導率を兼ね備える緻密質Ｓｉ３Ｎ４に関しては、これまで、ほとんど検討されてこなかった。
【０００６】
これまでは、先行技術として、例えば、周期律表第３ａ族化合物（ＲＥ２Ｏ3）とＳｉＯ２のモル比、（ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２）が０．１〜０．６７の組成が低誘電損失窒化ケイ素材料として有望であることが報告されている（特許文献１）。
【０００７】
また、周期律表第３ａ族化合物を添加した窒化ケイ素質焼結体の熱伝導率に関して、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２比が〜１まで上昇するに従い窒化ケイ素粒内の固溶酸素が低減され、熱伝導率が１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度まで向上することが報告されている（非特許文献１）。
【０００８】
これらの知見からすると、従来報告されている組成の低誘電損失窒化ケイ素の熱伝導率の向上は困難であり、市販されている低誘電損失窒化ケイ素質材料の熱伝導率は６０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度にとどまっている。
【０００９】
一方、窒化ケイ素の高熱伝導化は、例えば、高熱伝導化を促すための希土類酸化物と、緻密化を促進する焼結助剤としてのＭｇ元素化合物の添加により行われている（非特許文献２）。
【００１０】
しかしながら、ＭｇＯを６．６ｍｏｌ％添加して焼結した窒化ケイ素の９．１ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−３と大きいことが報告されており（非特許文献３）、誘電損失の観点からは、ＭｇやＣａなどのアルカリ土類金属やＮａやＫなどのアルカリ金属は窒化ケイ素の誘電損失に悪影響を及ぼすものと考えられてきた。
【００１１】
また、例えば、先に示した特許文献（特開平１０−１３４９５６号公報）などでは、低誘電損失化するためには、これらのアルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物は好ましくなく、できる限り存在しないことが必要とされてきた。すなわち、アルカリ土類金属を焼結助剤に用いた窒化ケイ素においては、緻密かつ高熱伝導となるが、誘電損失を低減することは困難であると予想される。
【００１２】
アルカリ土類金属を用いずに周期律表第３ａ族化合物の単独添加の場合、先に示したように、先行技術文献（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，第８３巻(２０００)，ｐｐ.１９８５−１９９２）において、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２が〜１まで増加するに従い熱伝導率が向上することが報告されているが、この組成では、ガス圧焼結のみでは十分に緻密化させることがこれまでは困難であり、難焼結性を示す。
【００１３】
これは、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２比が〜１の場合には、ＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２の反応よる液相の生成温度が高く、この比が小さい組成のものに比べて焼結温度近傍での液相の生成量が少ないためである。
【００１４】
このため、製造コストのかさむ熱間静水圧焼結法（ホットプレス焼結）などによらなければ緻密な焼結体を得ることが難しく、低損失誘電体材料の工業的な生産には不向きであるとして、この組成領域の誘電特性は調査されてこなかったのが実情である。
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−１３４９５６号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，第８３巻(２０００)，ｐｐ.１９８５−１９９２
【非特許文献２】日本セラミックス協会学術論文誌、第１０９巻、第１２号(２００１)、ｐｐ.１０４６−１０５０
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，第１５５−１５７巻(１９８８)，ｐｐ.３７２−３７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このような状況の中で、本発明者等は、上記従来技術に鑑みて、低い誘電損失と高い熱伝導率の両者の要求を満たす新しい高周波用低損失緻密質誘電体材料を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、窒化ケイ素質焼結体に含まれる周期律表第３ａ族元素化合物の含有量を特定量に制御し、焼結体の緻密化を促進し、更に、粒界相を結晶化させることにより、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失を２×１０−４以下に、熱伝導率を９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上にすることができ、これが、高熱伝導・低誘電損失な緻密質セラミックス誘電体材料として好適な材料となることを見出し、本発明に至った。
【００１７】
本発明は、窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物と不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、該焼結体中の結晶粒界が結晶化され、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高周波用低損失緻密質誘電体材料を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、相対密度９７％以上の緻密な焼結体であり、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４より低く、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１より高いことを特徴とする高周波用低損失誘電体材料。
（２）焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素化合物（ＲＥ）の割合が、酸化物換算（ＲＥ２Ｏ３）で少なくとも１６重量％であり、酸窒化ケイ素化合物結晶相を含有する、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（３）酸窒化ケイ素化合物が、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ7で示される化合物である、前記（２）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（４）焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素が、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃである、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（５）焼結体中の粒界相が主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなり、結晶化している、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（６）Ａｌ含有量が、酸化物換算（Ａｌ２Ｏ３）で０．１重量％以下である、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（７）前記（１）から（６）のいずれかに記載の高周波用低損失誘電体材料からなる部材であって、電気部品の製造装置に適用される高周波透過用部材であることを特徴とする高周波透過用部材。
（８）部材が、半導体製造装置、又は液晶製造装置に適用される高周波透過用部材である、前記（７）に記載の高周波透過用部材。
（９）前記（１）に記載の材料を製造する方法であって、周期律表第３ａ族元素化合物の存在量が、酸化物換算で少なくとも７モル％であり、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とのモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２）が、１．０〜１．５の範囲にある出発原料を用いて、成形、焼成することを特徴とする高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
（１０）少なくとも４００ＭＰａの静水圧プレス成形により、５２％以上の相対密度を有する成形体を作製し、これを焼成する、前記（９）に記載の高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
【００１９】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、低誘電損失と高熱伝導率の両者を満たす高周波用低損失誘電体材料であって、窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、相対密度９７％以上の緻密な焼結体であり、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４より低く、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１より高いことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明では、焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素化合物（ＲＥ）の割合が、酸化物換算（ＲＥ２Ｏ３）で少なくとも１６重量％であり、酸窒化ケイ素化合物結晶相を含有すること、酸窒化ケイ素化合物が、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ7で示される化合物であること、焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素が、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃであること、焼結体中の粒界相が主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなり、結晶化していること、を好ましい実施の態様としている。
【００２１】
本発明に係る高周波用低損失緻密質誘電体材料は、窒化ケイ素を主成分とするものであり、窒化ケイ素以外の成分として、不純物的酸素と周期律表第３ａ族元素を含有するものである。ここで、不純物的酸素とは、窒化ケイ素原料中に不可避的に含まれる不純物酸素、又は意図的に添加された酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を意味する。
【００２２】
また、周期律表第３ａ族元素は、焼結助剤として添加される成分であり、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃが例示される。これらの周期律表第３ａ族元素は、出発原料として、酸化物換算で７モル％以上が適当で、上記不純物的酸素のＳｉＯ２換算量は、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２モル比が、１〜１．５が適当である。
【００２３】
この組成領域では、ＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２の反応よる液相の生成温度が高く、この比が小さい組成のものに比べて、焼結温度近傍での液相の生成量が少なくなるために、これまで、ガス圧焼結を用いて十分に緻密化させることが困難であった。
【００２４】
しかしながら、本発明に係る低損失誘電体材料の作製において重要な点は、冷間静水圧プレスのプレス圧力を４００ＭＰａ以上と高く設定することにより、成形体の相対密度を５２％以上に上昇させることで、焼結温度付近での液相生成量が比較的少ない組成においても、コストの低いガス圧焼結で、相対密度９７％以上の緻密化が達成できることを明らかにした点にある。
【００２５】
更に、本発明の低誘電損失材料においては、窒化ケイ素質焼結体中の粒界相が結晶化していることも重要である。粒界相が影響する原因として、粒界相がガラス化した場合、粒界相の誘電損失が増大することが予想される。ここで、粒界相とは、窒化ケイ素結晶相以外の部分で、主に珪素（Ｓｉ）と前記周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）、酸素及び窒素を含み、主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなる。結晶相としては、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ７相を析出させることが望ましい。
【００２６】
また、誘電損失に大きな影響を与える焼結体中の陽イオン不純物としては、焼結体中のアルミニウム（Ａｌ）が、酸化物換算量で２重量％以下であることが好ましい。一方、熱伝導率の観点からは、Ａｌ含有量がごく微量であっても、熱伝導率は著しく低下することが知られており、焼結体中のＡｌ元素が更に低減されることが望ましい。先行技術文献によれば、わずか１モル％のＡｌ２Ｏ３の添加により熱伝導率が約３５％低下することが報告されている。Ａｌ２Ｏ３の存在量が０から１モル％の範囲では、熱伝導率が存在量に対し直線的に減少すると仮定して、熱伝導率の減少率が５％以内までを許容範囲と考えるならば、Ａｌ２Ｏ３の存在量は０．１重量％以下であることが望ましい（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，第１３巻（１９９８），ｐｐ．３４７３−３４７７）。
【００２７】
本発明の低損失誘電体材料を製造する方法としては、窒化ケイ素原料に、周期律表第３ａ族元素の酸化物などの化合物を添加し、これを混合した後、４００ＭＰａ以上の高圧の冷間静水圧プレスで成形して相対密度を５２％以上にした後、Ａｌ元素の汚染がない黒鉛抵抗炉などを用いて焼成する。
【００２８】
焼成は、窒素中で窒化ケイ素の分解を抑制できる条件下で焼成することが必要であり、窒素ガス圧焼結や熱間静水圧焼結法など、周知の焼成方法による。焼結温度としては、その組成によるが、１６００〜２０００℃の温度範囲で、相対密度９７％以上が達成されるように焼成する。
【００２９】
以上のようにして作製される誘電体材料は、２ＧＨｚと３ＧＨｚでの高周波での誘電損失が２×１０−４以下で、熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の緻密な焼結体である。したがって、本発明の誘電体材料は、例えば、半導体製造工程などにおいて、２．４５ＧＨｚでの高周波を用いてプラズマを発生させて処理を行う装置内での使用に適した材料であり、該材料を用いることで、高周波を十分に透過できるのみならず、処理材の温度分布が平坦化されて均一な反応が促進されることから、製品の歩留まりの向上が図れる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高熱伝導・低誘電損失の高周波用低損失緻密質誘電体材料を提供することができる。
（２）本発明の誘電体材料は、例えば、半導体製造工程などにおいて、２．４５ＧＨｚでの高周波を用いてプラズマを発生させて処理を行う装置内で好適に使用される。
（３）本発明の誘電体材料を用いることで、高周波を十分に透過できるのみならず、処理材の温度分布が平坦化されて均一な反応が促進され、製品の歩留まりの向上が図れる。
（４）誘電体材料では、熱伝導率が高いことから、耐熱衝撃性に優れることが一般に予想されるが、本発明の誘電体材料を用いることで、耐熱衝撃性が改善され、部材の長寿命化や、急速な昇温や降温といったより苛酷な条件下での利用が可能となる。
（５）本発明の誘電体材料は、機械的特性に優れる窒化ケイ素を主成分とすることから、本発明の誘電体材料を用いることで、機械的特性が改善され、薄肉の部材でも強度を維持できるようになり、それにより、部材の軽量化を図ることができる。
（６）本発明の製造方法によれば、製造コストのかさむホットプレス焼結を使わないでガス圧焼結のみで誘電体材を製造でき、粒界ガラス相の結晶化のための熱処理工程が不要であることから、製造コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３２】
原料として、イミド分解法にて製造されたα率９５％以上の高純度窒化ケイ素原料（遷移金属不純物総量１００ｐｐｍ以下）と、周期律表第３ａ族酸化物として、純度９９．９％以上の微粉のＹｂ２Ｏ３を使用した。Ｙｂ２Ｏ３粉末の添加量は、表１に示すように、０．５，１，２，３，５，７モル％の５水準とした。これらの組成となるように粉末を秤量した後、窒化ケイ素製ポットに入れ、窒化ケイ素製のボールとメタノール溶媒を用いて、回転数２８０ｒｐｍの遊星ボールミルにて１時間湿式混合した。
【００３３】
得られたスラリーを、なすフラスコに移し替え、ロータリーエバポレーターで約３０分乾燥させ、その後、１１０℃の真空乾燥器内で２４時間乾燥させた。次いで、メッシュ＃６０の篩がけを行った。得られた粉末をゴム袋に充填して、４４１ＭＰａ（４．５ｔｏｎ／ｃｍ２）の静水圧プレスにより、直径１３ｍｍで長さ約１００ｍｍの円柱形状に成形し、焼成用試料とした。
【００３４】
比較として、１１８ＭＰａ（１．２ｔｏｎ／ｃｍ２）の静水圧プレスを用いた成形体も作製し、焼成した。成形体の相対密度は、組成にもよるが、プレス圧力１１８ＭＰａの場合は４７〜５０％であったが、プレス圧力４４１ＭＰａの場合は５２〜５７％であり、プレス圧力１１８ＭＰａの成形体に比べて、明らかに上昇していた。
【００３５】
ＢＮの詰め粉を敷き詰めたＢＮ製の焼成るつぼに、焼成用試料を埋没させ、このるつぼを黒鉛抵抗炉にセットした。焼成は、９気圧窒素中で１９００℃、３時間行って焼結体を作製した。
【００３６】
得られた焼結体を切断し、平面研削により、誘電特性測定用試料として、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×７５ｍｍの細長い角柱に加工した。また、円筒研削などを用いて、熱伝導率測定用試料として、直径９ｍｍで厚さ３ｍｍのペレット試料を作製した。各試料から２〜３個の測定試料をそれぞれ作製した。
【００３７】
これらの試料を用いて、アルキメデス法により、かさ密度を求めた。添加したＹｂ２Ｏ３とＳｉＯ２がそのままの相で残っているものとして、添加した助剤量から計算した理論密度でかさ密度を除することにより、相対密度を算出した。
【００３８】
誘電損失の測定は、試料を十分に乾燥させた後に、円筒空洞共振器を用いた摂動法により、２ＧＨｚと３ＧＨｚの共振周波数にて測定した。熱伝導率は、ペレット試料表面をイオンスパッタ装置で金コーティングした後に、カーボンスプレーでカーボンを被覆して、レーザーフラッシュ法により測定した。
【００３９】
いずれの測定においても、ひとつのサンプルについて、３回測定を繰り返し、３回の測定値の平均を求めた。そして、各試料の測定値は、２〜３サンプルの平均値を用いた。ただし、静水圧プレス圧力を１１８ＭＰａとして成形後、焼結した試料で、相対密度が９０％以下の緻密化が不十分な試料については、測定をしなかった。
【００４０】
Ｘ線回折により、窒化ケイ素結晶相以外の結晶相の同定を行った。静水圧プレス圧力を４４１ＭＰａとして成形し、焼結した試料中心部から切出した試料をＩＣＰ分析し、Ｙｂ量を定量し、Ｙｂ２Ｏ３の重量％に換算した。以上の結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１から明らかなように、静水圧プレス圧力が４４１ＭＰａの試料は、プレス圧力が１１８ＭＰａの試料に比べて、いずれの組成においても高い相対密度を示した。特に、Ｙｂ２Ｏ３／ＳｉＯ２比が０．５以上の試料Ｎｏ．４、５、６の試料において、プレス圧力を４４１ＭＰａとすることにより、１０％程度の著しい緻密化促進効果が見られ、Ｙｂ２Ｏ３添加量が７モル％のＮｏ．１２の試料においては、相対密度９７％以上の緻密体が得られた。
【００４３】
焼結体のＩＣＰ発光分析で得られたＹｂ元素の存在量を酸化物換算の重量％で表した表１の値（Ｙｂ２Ｏ３含有量）は、Ｙｂ２Ｏ３添加量から計算される値にほぼ等しく、添加したＹｂ元素がほぼ残っていることが確認された。
【００４４】
各試料の誘電損失を見ると、Ｙｂ２Ｏ３添加量が最も少ない試料Ｎｏ．１、７の誘電損失が１〜２×１０−４と小さいが、Ｙｂ２Ｏ３添加量が１、２モル％と増加するに伴い、誘電損失は徐々に増加する傾向を示した。
【００４５】
しかし、Ｙｂ２Ｏ３添加量が３、５モル％と増加すると、誘電損失は減少傾向を示し、Ｙｂ２Ｏ３添加量が７モル％の試料Ｎｏ．１２の場合、２×１０−４以下の誘電損失が達成された。熱伝導率はＹｂ２Ｏ３／ＳｉＯ２の増加に従い単調に増加し、Ｙｂ２Ｏ３添加量が７モル％の場合において、９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の高い熱伝導率を得ることができた。尚、他の周期律表第３ａ族元素化合物を用いた場合についても同様の結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上詳述したとおり、本発明は、高周波用低損失誘電体材料、その製造方法及び部材に係るものであり、本発明により、２ＧＨｚと３ＧＨｚの高周波でも誘電損失が２×１０−４以下の優れた特性を示すと同時に、高い熱伝導を有する低損失緻密質誘電体材料を提供することができる。本発明の高周波用低損失誘電体材料を用いることで、温度分布が均一で処理反応の均一性を保障することができ、ひいては半導体などの製品の歩留まりの向上に貢献することができる。本発明は、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高熱伝導・低誘電損失の高周波用低損失緻密質誘電体材料及びその部材を提供するものとして有用である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波用低損失誘電体材料に関するものであり、更に詳しくは、低い誘電損失と高い熱伝導率の両者の要求を満たすことを実現した新規高周波用低損失誘電体材料及びその部材等に関するものである。本発明は、プラズマ処理装置部材、例えば、半導体製造装置、液晶製造装置などにおいて、主にマイクロ波などの高周波を使用してプラズマを発生させる装置に用いられる高周波用低損失誘電体材料等を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、主に半導体、液晶薄膜製造におけるＣＶＤ、エッチング、レジスト工程に、マイクロ波プラズマ処理装置が多用されている。マイクロ波などの高周波を用いてプラズマを発生させるこれらの装置には、高周波透過性の良い材料で構成された部材が使用されている。これらの部材には、高周波透過性（低い誘電率、低い誘電損失）とともに、部材内の温度分布をなくして反応の均一性を高めるために、高い熱伝導率が必要とされている。
【０００３】
高周波透過性については、例えば、シリカガラスが、低誘電率で誘電損失も低くて優れるが、熱伝導率は〜２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１と低く、部材としての要求を満たさない。また、高純度のアルミナセラミックスも、低誘電損失であるが、熱伝導率が〜３０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１と低く、要求を満たさない。反対に、窒化アルミニウムは、熱伝導率が〜１６０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１と非常に高いが、誘電損失が１０−３以上あるので、要求を満たすことができない。
【０００４】
一方、耐熱性、耐熱衝撃性、機械的強度が上記セラミックスに比べて格段に優れるセラミックスとして、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が知られ、１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の高い熱伝導率を有するＳｉ３Ｎ４も開発されている。また、Ｓｉ３Ｎ４の誘電損失に関しては、高周波導入窓材の信頼性を付与するために、機械的強度に優れた窒化ケイ素の誘電損失を低下させることを目的とした研究が行われている。
【０００５】
先行引用文献として、例えば、窒化ケイ素を用いた低誘電損失な高周波導入窓材の報告例があるように、従来、１０ＧＨｚにおいて１０−４以下の低い誘電損失が達成されている。しかしながら、前述の要求を満たすために、低い誘電損失とともに、高い熱伝導率を兼ね備える緻密質Ｓｉ３Ｎ４に関しては、これまで、ほとんど検討されてこなかった。
【０００６】
これまでは、先行技術として、例えば、周期律表第３ａ族化合物（ＲＥ２Ｏ3）とＳｉＯ２のモル比、（ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２）が０．１〜０．６７の組成が低誘電損失窒化ケイ素材料として有望であることが報告されている（特許文献１）。
【０００７】
また、周期律表第３ａ族化合物を添加した窒化ケイ素質焼結体の熱伝導率に関して、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２比が〜１まで上昇するに従い窒化ケイ素粒内の固溶酸素が低減され、熱伝導率が１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度まで向上することが報告されている（非特許文献１）。
【０００８】
これらの知見からすると、従来報告されている組成の低誘電損失窒化ケイ素の熱伝導率の向上は困難であり、市販されている低誘電損失窒化ケイ素質材料の熱伝導率は６０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度にとどまっている。
【０００９】
一方、窒化ケイ素の高熱伝導化は、例えば、高熱伝導化を促すための希土類酸化物と、緻密化を促進する焼結助剤としてのＭｇ元素化合物の添加により行われている（非特許文献２）。
【００１０】
しかしながら、ＭｇＯを６．６ｍｏｌ％添加して焼結した窒化ケイ素の９．１ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−３と大きいことが報告されており（非特許文献３）、誘電損失の観点からは、ＭｇやＣａなどのアルカリ土類金属やＮａやＫなどのアルカリ金属は窒化ケイ素の誘電損失に悪影響を及ぼすものと考えられてきた。
【００１１】
また、例えば、先に示した特許文献（特開平１０−１３４９５６号公報）などでは、低誘電損失化するためには、これらのアルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物は好ましくなく、できる限り存在しないことが必要とされてきた。すなわち、アルカリ土類金属を焼結助剤に用いた窒化ケイ素においては、緻密かつ高熱伝導となるが、誘電損失を低減することは困難であると予想される。
【００１２】
アルカリ土類金属を用いずに周期律表第３ａ族化合物の単独添加の場合、先に示したように、先行技術文献（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，第８３巻(２０００)，ｐｐ.１９８５−１９９２）において、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２が〜１まで増加するに従い熱伝導率が向上することが報告されているが、この組成では、ガス圧焼結のみでは十分に緻密化させることがこれまでは困難であり、難焼結性を示す。
【００１３】
これは、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２比が〜１の場合には、ＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２の反応よる液相の生成温度が高く、この比が小さい組成のものに比べて焼結温度近傍での液相の生成量が少ないためである。
【００１４】
このため、製造コストのかさむ熱間静水圧焼結法（ホットプレス焼結）などによらなければ緻密な焼結体を得ることが難しく、低損失誘電体材料の工業的な生産には不向きであるとして、この組成領域の誘電特性は調査されてこなかったのが実情である。
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−１３４９５６号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，第８３巻(２０００)，ｐｐ.１９８５−１９９２
【非特許文献２】日本セラミックス協会学術論文誌、第１０９巻、第１２号(２００１)、ｐｐ.１０４６−１０５０
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，第１５５−１５７巻(１９８８)，ｐｐ.３７２−３７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このような状況の中で、本発明者等は、上記従来技術に鑑みて、低い誘電損失と高い熱伝導率の両者の要求を満たす新しい高周波用低損失緻密質誘電体材料を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、窒化ケイ素質焼結体に含まれる周期律表第３ａ族元素化合物の含有量を特定量に制御し、焼結体の緻密化を促進し、更に、粒界相を結晶化させることにより、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失を２×１０−４以下に、熱伝導率を９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上にすることができ、これが、高熱伝導・低誘電損失な緻密質セラミックス誘電体材料として好適な材料となることを見出し、本発明に至った。
【００１７】
本発明は、窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物と不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、該焼結体中の結晶粒界が結晶化され、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高周波用低損失緻密質誘電体材料を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、相対密度９７％以上の緻密な焼結体であり、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４より低く、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１より高いことを特徴とする高周波用低損失誘電体材料。
（２）焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素化合物（ＲＥ）の割合が、酸化物換算（ＲＥ２Ｏ３）で少なくとも１６重量％であり、酸窒化ケイ素化合物結晶相を含有する、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（３）酸窒化ケイ素化合物が、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ7で示される化合物である、前記（２）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（４）焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素が、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃである、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（５）焼結体中の粒界相が主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなり、結晶化している、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（６）Ａｌ含有量が、酸化物換算（Ａｌ２Ｏ３）で０．１重量％以下である、前記（１）に記載の高周波用低損失誘電体材料。
（７）前記（１）から（６）のいずれかに記載の高周波用低損失誘電体材料からなる部材であって、電気部品の製造装置に適用される高周波透過用部材であることを特徴とする高周波透過用部材。
（８）部材が、半導体製造装置、又は液晶製造装置に適用される高周波透過用部材である、前記（７）に記載の高周波透過用部材。
（９）前記（１）に記載の材料を製造する方法であって、周期律表第３ａ族元素化合物の存在量が、酸化物換算で少なくとも７モル％であり、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とのモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２）が、１．０〜１．５の範囲にある出発原料を用いて、成形、焼成することを特徴とする高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
（１０）少なくとも４００ＭＰａの静水圧プレス成形により、５２％以上の相対密度を有する成形体を作製し、これを焼成する、前記（９）に記載の高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
【００１９】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、低誘電損失と高熱伝導率の両者を満たす高周波用低損失誘電体材料であって、窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、相対密度９７％以上の緻密な焼結体であり、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４より低く、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１より高いことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明では、焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素化合物（ＲＥ）の割合が、酸化物換算（ＲＥ２Ｏ３）で少なくとも１６重量％であり、酸窒化ケイ素化合物結晶相を含有すること、酸窒化ケイ素化合物が、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ7で示される化合物であること、焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素が、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃであること、焼結体中の粒界相が主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなり、結晶化していること、を好ましい実施の態様としている。
【００２１】
本発明に係る高周波用低損失緻密質誘電体材料は、窒化ケイ素を主成分とするものであり、窒化ケイ素以外の成分として、不純物的酸素と周期律表第３ａ族元素を含有するものである。ここで、不純物的酸素とは、窒化ケイ素原料中に不可避的に含まれる不純物酸素、又は意図的に添加された酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を意味する。
【００２２】
また、周期律表第３ａ族元素は、焼結助剤として添加される成分であり、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃが例示される。これらの周期律表第３ａ族元素は、出発原料として、酸化物換算で７モル％以上が適当で、上記不純物的酸素のＳｉＯ２換算量は、ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２モル比が、１〜１．５が適当である。
【００２３】
この組成領域では、ＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２の反応よる液相の生成温度が高く、この比が小さい組成のものに比べて、焼結温度近傍での液相の生成量が少なくなるために、これまで、ガス圧焼結を用いて十分に緻密化させることが困難であった。
【００２４】
しかしながら、本発明に係る低損失誘電体材料の作製において重要な点は、冷間静水圧プレスのプレス圧力を４００ＭＰａ以上と高く設定することにより、成形体の相対密度を５２％以上に上昇させることで、焼結温度付近での液相生成量が比較的少ない組成においても、コストの低いガス圧焼結で、相対密度９７％以上の緻密化が達成できることを明らかにした点にある。
【００２５】
更に、本発明の低誘電損失材料においては、窒化ケイ素質焼結体中の粒界相が結晶化していることも重要である。粒界相が影響する原因として、粒界相がガラス化した場合、粒界相の誘電損失が増大することが予想される。ここで、粒界相とは、窒化ケイ素結晶相以外の部分で、主に珪素（Ｓｉ）と前記周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）、酸素及び窒素を含み、主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなる。結晶相としては、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ７相を析出させることが望ましい。
【００２６】
また、誘電損失に大きな影響を与える焼結体中の陽イオン不純物としては、焼結体中のアルミニウム（Ａｌ）が、酸化物換算量で２重量％以下であることが好ましい。一方、熱伝導率の観点からは、Ａｌ含有量がごく微量であっても、熱伝導率は著しく低下することが知られており、焼結体中のＡｌ元素が更に低減されることが望ましい。先行技術文献によれば、わずか１モル％のＡｌ２Ｏ３の添加により熱伝導率が約３５％低下することが報告されている。Ａｌ２Ｏ３の存在量が０から１モル％の範囲では、熱伝導率が存在量に対し直線的に減少すると仮定して、熱伝導率の減少率が５％以内までを許容範囲と考えるならば、Ａｌ２Ｏ３の存在量は０．１重量％以下であることが望ましい（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，第１３巻（１９９８），ｐｐ．３４７３−３４７７）。
【００２７】
本発明の低損失誘電体材料を製造する方法としては、窒化ケイ素原料に、周期律表第３ａ族元素の酸化物などの化合物を添加し、これを混合した後、４００ＭＰａ以上の高圧の冷間静水圧プレスで成形して相対密度を５２％以上にした後、Ａｌ元素の汚染がない黒鉛抵抗炉などを用いて焼成する。
【００２８】
焼成は、窒素中で窒化ケイ素の分解を抑制できる条件下で焼成することが必要であり、窒素ガス圧焼結や熱間静水圧焼結法など、周知の焼成方法による。焼結温度としては、その組成によるが、１６００〜２０００℃の温度範囲で、相対密度９７％以上が達成されるように焼成する。
【００２９】
以上のようにして作製される誘電体材料は、２ＧＨｚと３ＧＨｚでの高周波での誘電損失が２×１０−４以下で、熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の緻密な焼結体である。したがって、本発明の誘電体材料は、例えば、半導体製造工程などにおいて、２．４５ＧＨｚでの高周波を用いてプラズマを発生させて処理を行う装置内での使用に適した材料であり、該材料を用いることで、高周波を十分に透過できるのみならず、処理材の温度分布が平坦化されて均一な反応が促進されることから、製品の歩留まりの向上が図れる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高熱伝導・低誘電損失の高周波用低損失緻密質誘電体材料を提供することができる。
（２）本発明の誘電体材料は、例えば、半導体製造工程などにおいて、２．４５ＧＨｚでの高周波を用いてプラズマを発生させて処理を行う装置内で好適に使用される。
（３）本発明の誘電体材料を用いることで、高周波を十分に透過できるのみならず、処理材の温度分布が平坦化されて均一な反応が促進され、製品の歩留まりの向上が図れる。
（４）誘電体材料では、熱伝導率が高いことから、耐熱衝撃性に優れることが一般に予想されるが、本発明の誘電体材料を用いることで、耐熱衝撃性が改善され、部材の長寿命化や、急速な昇温や降温といったより苛酷な条件下での利用が可能となる。
（５）本発明の誘電体材料は、機械的特性に優れる窒化ケイ素を主成分とすることから、本発明の誘電体材料を用いることで、機械的特性が改善され、薄肉の部材でも強度を維持できるようになり、それにより、部材の軽量化を図ることができる。
（６）本発明の製造方法によれば、製造コストのかさむホットプレス焼結を使わないでガス圧焼結のみで誘電体材を製造でき、粒界ガラス相の結晶化のための熱処理工程が不要であることから、製造コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３２】
原料として、イミド分解法にて製造されたα率９５％以上の高純度窒化ケイ素原料（遷移金属不純物総量１００ｐｐｍ以下）と、周期律表第３ａ族酸化物として、純度９９．９％以上の微粉のＹｂ２Ｏ３を使用した。Ｙｂ２Ｏ３粉末の添加量は、表１に示すように、０．５，１，２，３，５，７モル％の５水準とした。これらの組成となるように粉末を秤量した後、窒化ケイ素製ポットに入れ、窒化ケイ素製のボールとメタノール溶媒を用いて、回転数２８０ｒｐｍの遊星ボールミルにて１時間湿式混合した。
【００３３】
得られたスラリーを、なすフラスコに移し替え、ロータリーエバポレーターで約３０分乾燥させ、その後、１１０℃の真空乾燥器内で２４時間乾燥させた。次いで、メッシュ＃６０の篩がけを行った。得られた粉末をゴム袋に充填して、４４１ＭＰａ（４．５ｔｏｎ／ｃｍ２）の静水圧プレスにより、直径１３ｍｍで長さ約１００ｍｍの円柱形状に成形し、焼成用試料とした。
【００３４】
比較として、１１８ＭＰａ（１．２ｔｏｎ／ｃｍ２）の静水圧プレスを用いた成形体も作製し、焼成した。成形体の相対密度は、組成にもよるが、プレス圧力１１８ＭＰａの場合は４７〜５０％であったが、プレス圧力４４１ＭＰａの場合は５２〜５７％であり、プレス圧力１１８ＭＰａの成形体に比べて、明らかに上昇していた。
【００３５】
ＢＮの詰め粉を敷き詰めたＢＮ製の焼成るつぼに、焼成用試料を埋没させ、このるつぼを黒鉛抵抗炉にセットした。焼成は、９気圧窒素中で１９００℃、３時間行って焼結体を作製した。
【００３６】
得られた焼結体を切断し、平面研削により、誘電特性測定用試料として、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×７５ｍｍの細長い角柱に加工した。また、円筒研削などを用いて、熱伝導率測定用試料として、直径９ｍｍで厚さ３ｍｍのペレット試料を作製した。各試料から２〜３個の測定試料をそれぞれ作製した。
【００３７】
これらの試料を用いて、アルキメデス法により、かさ密度を求めた。添加したＹｂ２Ｏ３とＳｉＯ２がそのままの相で残っているものとして、添加した助剤量から計算した理論密度でかさ密度を除することにより、相対密度を算出した。
【００３８】
誘電損失の測定は、試料を十分に乾燥させた後に、円筒空洞共振器を用いた摂動法により、２ＧＨｚと３ＧＨｚの共振周波数にて測定した。熱伝導率は、ペレット試料表面をイオンスパッタ装置で金コーティングした後に、カーボンスプレーでカーボンを被覆して、レーザーフラッシュ法により測定した。
【００３９】
いずれの測定においても、ひとつのサンプルについて、３回測定を繰り返し、３回の測定値の平均を求めた。そして、各試料の測定値は、２〜３サンプルの平均値を用いた。ただし、静水圧プレス圧力を１１８ＭＰａとして成形後、焼結した試料で、相対密度が９０％以下の緻密化が不十分な試料については、測定をしなかった。
【００４０】
Ｘ線回折により、窒化ケイ素結晶相以外の結晶相の同定を行った。静水圧プレス圧力を４４１ＭＰａとして成形し、焼結した試料中心部から切出した試料をＩＣＰ分析し、Ｙｂ量を定量し、Ｙｂ２Ｏ３の重量％に換算した。以上の結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１から明らかなように、静水圧プレス圧力が４４１ＭＰａの試料は、プレス圧力が１１８ＭＰａの試料に比べて、いずれの組成においても高い相対密度を示した。特に、Ｙｂ２Ｏ３／ＳｉＯ２比が０．５以上の試料Ｎｏ．４、５、６の試料において、プレス圧力を４４１ＭＰａとすることにより、１０％程度の著しい緻密化促進効果が見られ、Ｙｂ２Ｏ３添加量が７モル％のＮｏ．１２の試料においては、相対密度９７％以上の緻密体が得られた。
【００４３】
焼結体のＩＣＰ発光分析で得られたＹｂ元素の存在量を酸化物換算の重量％で表した表１の値（Ｙｂ２Ｏ３含有量）は、Ｙｂ２Ｏ３添加量から計算される値にほぼ等しく、添加したＹｂ元素がほぼ残っていることが確認された。
【００４４】
各試料の誘電損失を見ると、Ｙｂ２Ｏ３添加量が最も少ない試料Ｎｏ．１、７の誘電損失が１〜２×１０−４と小さいが、Ｙｂ２Ｏ３添加量が１、２モル％と増加するに伴い、誘電損失は徐々に増加する傾向を示した。
【００４５】
しかし、Ｙｂ２Ｏ３添加量が３、５モル％と増加すると、誘電損失は減少傾向を示し、Ｙｂ２Ｏ３添加量が７モル％の試料Ｎｏ．１２の場合、２×１０−４以下の誘電損失が達成された。熱伝導率はＹｂ２Ｏ３／ＳｉＯ２の増加に従い単調に増加し、Ｙｂ２Ｏ３添加量が７モル％の場合において、９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上の高い熱伝導率を得ることができた。尚、他の周期律表第３ａ族元素化合物を用いた場合についても同様の結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上詳述したとおり、本発明は、高周波用低損失誘電体材料、その製造方法及び部材に係るものであり、本発明により、２ＧＨｚと３ＧＨｚの高周波でも誘電損失が２×１０−４以下の優れた特性を示すと同時に、高い熱伝導を有する低損失緻密質誘電体材料を提供することができる。本発明の高周波用低損失誘電体材料を用いることで、温度分布が均一で処理反応の均一性を保障することができ、ひいては半導体などの製品の歩留まりの向上に貢献することができる。本発明は、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４以下で、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である高熱伝導・低誘電損失の高周波用低損失緻密質誘電体材料及びその部材を提供するものとして有用である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、相対密度９７％以上の緻密な焼結体であり、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４より低く、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１より高いことを特徴とする高周波用低損失誘電体材料。
【請求項２】
焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素化合物（ＲＥ）の割合が、酸化物換算（ＲＥ２Ｏ３）で少なくとも１６重量％であり、酸窒化ケイ素化合物結晶相を含有する、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項３】
酸窒化ケイ素化合物が、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ7で示される化合物である、請求項２に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項４】
焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素が、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃである、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項５】
焼結体中の粒界相が主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなり、結晶化している、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項６】
Ａｌ含有量が、酸化物換算（Ａｌ２Ｏ３）で０．１重量％以下である、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の高周波用低損失誘電体材料からなる部材であって、電気部品の製造装置に適用される高周波透過用部材であることを特徴とする高周波透過用部材。
【請求項８】
部材が、半導体製造装置、又は液晶製造装置に適用される高周波透過用部材である、請求項７に記載の高周波透過用部材。
【請求項９】
請求項１に記載の材料を製造する方法であって、周期律表第３ａ族元素化合物の存在量が、酸化物換算で少なくとも７モル％であり、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とのモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２）が、１．０〜１．５の範囲にある出発原料を用いて、成形、焼成することを特徴とする高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも４００ＭＰａの静水圧プレス成形により、５２％以上の相対密度を有する成形体を作製し、これを焼成する、請求項９に記載の高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
【請求項１】
窒化ケイ素を主体とし、周期律表第３ａ族元素化合物、不純物的酸素を含有する窒化ケイ素質焼結体からなり、相対密度９７％以上の緻密な焼結体であり、２ＧＨｚと３ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０−４より低く、かつ熱伝導率が９０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１より高いことを特徴とする高周波用低損失誘電体材料。
【請求項２】
焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素化合物（ＲＥ）の割合が、酸化物換算（ＲＥ２Ｏ３）で少なくとも１６重量％であり、酸窒化ケイ素化合物結晶相を含有する、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項３】
酸窒化ケイ素化合物が、ＲＥ４Ｓｉ２Ｎ２Ｏ7で示される化合物である、請求項２に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項４】
焼結体中に含有される周期律表第３ａ族元素が、Ｙｂ、Ｙ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ又はＳｃである、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項５】
焼結体中の粒界相が主にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ化合物からなり、結晶化している、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項６】
Ａｌ含有量が、酸化物換算（Ａｌ２Ｏ３）で０．１重量％以下である、請求項１に記載の高周波用低損失誘電体材料。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の高周波用低損失誘電体材料からなる部材であって、電気部品の製造装置に適用される高周波透過用部材であることを特徴とする高周波透過用部材。
【請求項８】
部材が、半導体製造装置、又は液晶製造装置に適用される高周波透過用部材である、請求項７に記載の高周波透過用部材。
【請求項９】
請求項１に記載の材料を製造する方法であって、周期律表第３ａ族元素化合物の存在量が、酸化物換算で少なくとも７モル％であり、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とのモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＳｉＯ２）が、１．０〜１．５の範囲にある出発原料を用いて、成形、焼成することを特徴とする高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも４００ＭＰａの静水圧プレス成形により、５２％以上の相対密度を有する成形体を作製し、これを焼成する、請求項９に記載の高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
【公開番号】特開２００９−１２９９４（Ｐ２００９−１２９９４Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７４６６４（Ｐ２００７−１７４６６４）
【出願日】平成１９年７月２日（２００７．７．２）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２日（２００７．７．２）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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